鄒宛彤， 李江南， 潘心順， 曹正

1.中山大學大氣科學學院 / 廣東省氣候變化與自然災害研究重點試驗室，廣東 珠海 519082

2.中國民用航空中南地區(qū)空中交通管理局，廣東 廣州 510403

3.南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海），廣東 珠海 519082

4.廣東省佛山市南海區(qū)氣象局，廣東 佛山 528200

颮線是指呈線狀、帶狀或準線狀排列的中尺度對流復合系統(tǒng)（MCSs），其過境時通常伴隨雷暴大風、短時強降水、冰雹或龍卷等強對流天氣（Newton，1950）。早期的颮線系統(tǒng)研究可追溯到20 世紀中葉，受制于觀測資料、計算機及數(shù)值模式的發(fā)展水平，主要集中在利用觀測資料對颮線系統(tǒng)的天氣尺度或中尺度的分析。根據(jù)動力機制不同，颮線可分為中緯度引導層型和熱帶傳播型兩類，其主要的區(qū)別在于熱帶傳播型不具有引導層，并且需要分對流區(qū)和層狀云區(qū)（Moncrieff &Miller，1976；Moncrieff，1978；Houze，1977；Ogura &Liou，1980）。20 世紀80 年代以后，隨著雷達和衛(wèi)星等遙感資料的增多、常規(guī)觀測資料不斷加密，颮線的結構特征、演變方式、颮中系統(tǒng)有了更深入、全面的認識（Johnson & Hamilton，1988）。Bluestein & Jain（1985）總結了颮線形成分為斷線型、后部新生型、碎塊型和嵌入層狀云型4類，不同類型發(fā)生在不同的粗理查森數(shù)和不同強度垂直風切變的環(huán)境下。Rasmussen & Rutledge（1993）指出雷達回波結構的演變分為初生、增強、成熟和消散4個階段，而各個階段的演變與運動學結構的變化密切相關。隨著計算機能力的提高和數(shù)值模式的快速發(fā)展，颮線發(fā)生發(fā)展的動熱力機制也有了明顯的進展。Rotunno et al.（1988）提出颮線發(fā)展傳播的“RKW 理論”，認為近地面冷池和低層環(huán)境垂直風切變相互作用是颮線發(fā)展維持最為重要的熱動力機制，并不斷得到發(fā)展和完善（Weisman，1992，1993）。隨著物理機制和結構演變的研究不斷加深，對兩個領域的研究均有明顯進展。Parker& Johnson（2000）將颮線演變過程分為了拖尾層云型、前部層云型和平行層云型3類。

我國早期對颮線的研究主要采用了統(tǒng)計分析方法。比如，丁一匯等（1992）通過對18 條颮線的統(tǒng)計分析，將我國颮線發(fā)展的天氣形勢分為槽后型、槽前型、高后型和臺風倒槽或東風波型4 種 。隨著研究的不斷深入，后期對我國不同地區(qū)的颮線進行了更細致的特征統(tǒng)計研究，如Meng et al.（2013）對我國東部颮線進行了統(tǒng)計分析，將我國颮線主要消散的方式分為了反向斷線型、收縮型及反向碎塊型，填補了颮線演變過程消亡階段的演變方式分類研究的空白。方翀等（2017）對2012—2015 年華南20 次典型颮線的統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn)，華南地區(qū)西風帶颮線出現(xiàn)在春季和初夏，并指出雷暴高壓的持續(xù)加強、擴大及相應冷池的擴大導致西風帶颮線的不斷加強發(fā)展 。在中尺度結構特征和形態(tài)學特征方面，國內(nèi)也有大量研究成果。如陳濤等（2013）通過對華北颮線個例的研究，發(fā)現(xiàn)冷池邊界擴展速度與低層風垂直切變大致相當。李娜等（2013）研究分析華東地區(qū)的一次后向新生型颮線個例，發(fā)現(xiàn)對流線上的后向新生是動力和熱力過程共同作用的結果 。張哲等（2018）通過對遼東灣的一次颮線個例的多尺度研究，發(fā)現(xiàn)一條颮線在不同區(qū)域的組織形態(tài)發(fā)展演變受局地環(huán)境條件的影響。李文娟等（2021）在江南-華南一次強颮線研究中，發(fā)現(xiàn)颮線后部暖區(qū)的加強持續(xù)表現(xiàn)為颮線弓狀形態(tài)的形成并維持。隨著高分辨率數(shù)值模式的發(fā)展，關于颮線對流模態(tài)方面的研究主要集中在成熟階段的模態(tài)分析或成熟階段的模態(tài)變異（康兆平等，2017；孫虎林等，2011），但利用高分辨率數(shù)值模式結果對華南地區(qū)的颮線過程中各個階段的模態(tài)分析及衰亡階段的模態(tài)轉(zhuǎn)變研究還較少，并將中尺度動熱力機制的發(fā)展和各階段模態(tài)結合的全面分析更少。

2020 年5 月11 日午后至夜間，廣東發(fā)生一次強颮線天氣。該颮線在廣東北部生成，隨后逐漸東移南壓，帶來了局地強降水和閃電活動，此次颮線過程對機場運營造成了很大影響，廣州白云國際機場約1 h、深圳寶安國際機場約2 h無飛機起降，共有超30 架次航班備降，嚴重影響了當日廣深兩機場的航班正常率。本文利用地面常規(guī)觀測資料、廣東省雷達拼圖、廣州S波段雷達和FNL水平分辨率為0.25°×0.25°的再分析資料分析，分析了此次颮線不同階段的演變過程，同時利用中尺度WRF 模式輸出的高分辨率時空資料，分析了其不同階段特征及對流組織過程的變化機制。

1 颮線天氣過程觀測分析

1.1 颮線發(fā)生發(fā)展的背景條件

利用2020年5月11日14：00（北京時，下同）的FNL 再分析資料分析颮線發(fā)生發(fā)展的天氣形勢。200hPa 副熱帶西風急流位于35°N 附近，廣東處于其入口右側的輻散區(qū)（圖1a）。500 hPa 副熱帶高壓脊線處于20°N 附近呈帶狀控制華南沿海及中南半島，東亞大槽處于建立和加深階段，青藏高原南側的南支槽加深，兩廣北部槽前西南氣流較強，風速達12～20 m/s （圖1b）。850 hPa 冷式切變線位于湖南-貴州中部，廣西北部和廣東西部及珠三角南部處于850 hPa 的水汽通量輻合的大值區(qū)，環(huán)境溫度普遍均在17 ℃以上，前側的水汽和不穩(wěn)定能量都有利于強對流天氣發(fā)生和發(fā)展（圖1c）。此外，地面兩廣交接處存在明顯的地面輻合線，且對流有效位能均大于1 600 J/kg（圖1d）。對流有效位能表征大氣靜力不穩(wěn)定程度，與T-logp圖的正面積相對應，是被抬升氣塊的溫濕特征和環(huán)境大氣的溫濕分布綜合作用的結果（鄭永光等，2017）。此次颮線發(fā)生于高空急流入口，伴隨南支槽加深，低層暖濕氣流以及地面輻合線為其提供有利的水汽、熱力和抬升觸發(fā)條件。

圖1 2020年5月11日14：00天氣形勢Fig.1 The weather situation at 14:00, May 11, 2020

1.2 颮線生成至成熟階段的雷達回波特征

廣東省雷達組合反射率較好地反映了颮線發(fā)生發(fā)展全過程的4 個階段，16：00 廣東和廣西交接的塊狀對流逐漸發(fā)展并有連接成線的趨勢（圖2a），此為颮線初生階段。18：00 廣東河源-清遠-肇慶-廣西梧州的帶狀回波逐漸發(fā)展且整體向南推進，單體排列相對松散，斷線型模態(tài)明顯，此時颮線處于增強階段（圖2b）。19：30廣東境內(nèi)的颮線在廣州-佛山處（圖2c），對流單體的結構性相對密實，最大反射率達55 dBZ，但粵東和粵西相對結構較松散，最大反射率也偏弱，此時為颮線成熟階段。颮線水平尺度達500～600 km，為中-α 尺度MCS。在引導氣流的作用下，颮線向東南方向移動，強對流云團位于颮線前部，最大雷達反射率45 dBZ，颮線后部是大面積的層狀云區(qū)等特征均表現(xiàn)為拖尾層狀云型颮線。5月11日20：00后，颮線的整體開始逐漸斷裂，全面性衰減，進入衰亡期。23：00，颮線以反向碎塊型衰亡減弱為3 段MCS（圖2d）。東段位于粵東，整體衰亡；中段位于珠江口附近，其對流單體傳播方式轉(zhuǎn)為后部新生型，具有弓狀回波結構；西段位于粵西，MCS 與層狀云的位置近乎平行，其組織模態(tài)與東段特征一致，均變異為平行層狀云型。

圖2 2020年5月11日廣東省天氣雷達組合反射率拼圖Fig.2 The composite reflectivity map of weather radar in Guangdong Province on May 11, 2020

2 模擬試驗設計與結果檢驗

模擬試驗利用用WRF 模式4.1.2 版本，Lam‐bert地圖投影，并使用三重雙向嵌套網(wǎng)格區(qū)域，分辨率分別為12、4 和1.33 km（圖3）。3 個模擬區(qū)域均采用WSM6 云微物理參數(shù)化方案、YSU 行星邊界層方案及RRTM 長波和Dudhia 短波輻射參數(shù)化方案。在模擬區(qū)域d01 和d02 中，采用Kain-Fritsch積云對流參數(shù)化方案，而區(qū)域d03不采用積云對流參數(shù)化方案。初始場資料選用NCEP 的6 h 一次、1°×1°分辨率的再分析資料。其中，d01 模擬時間從2020 年5 月11 日08：00～12 日08：00，d02 和d03模擬時間均從2020年5月11日14：00～12日00：00。

圖3 WRF模式模擬范圍Fig.3 Simulation range of WRF model

為了更全面展現(xiàn)颮線模擬的時空結果，本文利用分辨率為4 km 的數(shù)值模擬結果進行數(shù)值模擬結果與實況的對比檢驗。數(shù)值模擬結果中的雷達組合反射率是基于雨、雪和霰的混合比例等效雷達反射率因子，其演變基本重現(xiàn)了此次颮線各階段的特征，模擬結果與實況相似（圖4）。初生時（16：00），輻合線前側的分散對流的觸發(fā)特征和緯向尺度均與實況相似（圖4a）。增強階段（18：00），兩廣中部的颮線形態(tài)均有較好地重現(xiàn)（圖4b）。成熟階段（20：00）珠三角北部區(qū)域結構密實，最大雷達反射率為55 dBZ，與實況的峰值一致。最強的區(qū)域也處于23°N 附近，與實際情況符合。同時，粵東和粵西的對流單體也能與實況相對應，總體上模擬的結果再現(xiàn)了颮線的寬度、颮線移動方向的后側寬廣的層狀云以及對流單體緊密的組織形態(tài)（圖4c）。23：00颮線進入衰亡期（圖4d），整條颮線斷裂分成3 個中-β 尺度的MCS，分別位于粵東、珠江口、粵西陽江地區(qū)。東段和中段的MCS 位置和變化趨勢均與實況一致，近颮線西段MCS 模擬的位置比實況略偏東?？傮w上，5月11日颮線各個階段的數(shù)值模擬結果與實況相似。

圖4 2020年5月11日分辨率為4 km的WRF數(shù)值模擬的雷達組合反射率Fig.4 Radar composite reflectivity of the WRF numerical simulation with a resolution of 4 km on May 11, 2020

3 颮線不同階段的熱動力環(huán)境場

利用WRF數(shù)值模擬結果對颮線的初生、增強、成熟和衰亡共4個階段進行全面分析。為了全面展現(xiàn)颮線組織整體的形態(tài)，對颮線對流組織形態(tài)和動力條件的分析選取分辨率為4 km 的WRF 數(shù)值模擬結果進行資料分析。而熱力條件更依賴局地的層結條件，因此選取分辨率為1.33 km的WRF數(shù)值模擬結果構建由實況站點及其同一經(jīng)緯度的格點及其周邊最近的8 個點的物理量構成的9 點平均場，以獲得更精細的探空來分析層結條件。

3.1 初生和增強階段

2020 年5 月11 日16：00，颮線在廣東中北部地區(qū)清遠-廣州-肇慶-廣西梧州等地（23°～24°N，110°～115°E）的地面輻合線上發(fā)生發(fā)展。颮線的范圍區(qū)域基本由分散的塊狀對流組成，隨著時間推移，塊狀對流逐漸發(fā)展，結構逐漸緊密，最終形成了颮線（圖5a）。廣東中部冷池逐漸發(fā)展，在颮線前側的惠州和颮線范圍內(nèi)的肇慶處形成了最強的冷池。但冷池擾動位溫最大值約為-3 K，而颮線前側的擾動位溫增加，約為7.5 K，冷池效應相對于環(huán)境場偏弱（圖5b）。圖5c 是圖5a 的黑實線所做的垂直剖面圖，此時對流單體中的上升氣流呈傾斜形態(tài)，45 dBZ 雷達反射率回波上升的垂直高度達到了3～6 km。圖5d 是圖5b 黑圓點位置的模擬探空，對流有效位能達3 523 J/kg，抬升凝結高度為897 hPa，該數(shù)值明顯高于東部以斷線型生成的颮線統(tǒng)計結果。0～6 km 垂直風切變分別為16 m/s，速度矢端圖中風矢量方向旋轉(zhuǎn)角度均大于90°，風切變屬于中到強等級，有利于形成有組織的對流風暴（陳明軒和王迎春，2012）。

圖5 2020年5月11日16：00初始階段數(shù)值模擬結果Fig.5 WRF numerical simulation results of nascent stage at 16：00， May 11, 2020

5 月11 日18：00，增強階段時颮線的整體形態(tài)已基本確定（圖6a），長度為500～600 km，寬度為20～40 km 的中-α 尺度颮線雛形已經(jīng)形成。在颮線中發(fā)展較強MCS 后側的冷池明顯加強，擾動位溫達-6 K（圖6b）。從雷達垂直剖面分布可發(fā)現(xiàn)，在增強階段，單體垂直氣流以垂直上升氣流為主（圖6c 箭頭所示）。在對流單體中，整體以上升氣流為主，對流單體發(fā)展到10 km以上呈直立狀態(tài)。圖6b黑點所構成的模擬探空顯示，其單點的0～6 km 垂直風切變（圖6d）約為12 m/s，速度矢端切變角度超過120°，中等強度的垂直風切變對颮線發(fā)展和維持具有正面的作用（陳明軒和王迎春，2012）。

圖6 2020年5月11日18：00增強階段數(shù)值模擬結果Fig.6 WRF numerical simulation results of enhanced stage at 18：00, May 11, 2020

3.2 成熟和衰亡階段

20：00，颮線發(fā)展加強進入成熟階段，其水平尺度已經(jīng)達到500～600 km（圖7a），冷池的范圍和強度又明顯增大（圖7b），從雷達反射率垂直剖面圖（圖7c）可以看到，颮線前沿為強烈的對流區(qū)，雷達反射率梯度較大，而后側是寬廣的大范圍層狀云區(qū)域，風暴頂高度已經(jīng)發(fā)展到了12 km 以上，且颮線單體的水平尺度明顯增大。在颮線成熟階段，單體內(nèi)有兩支有組織的氣流：一支為颮線前側指向颮線后側上升氣流，主要處于3 km 以上；另一支則從單體后側開始，近3 km 高度以下，略有下降（圖7c 流線）。而在颮線前側（圖7a 黑點區(qū)域）的平均探空圖中（圖7d），0～6 km垂直風風切變?yōu)? m/s，風切變略有減弱，但0～2 km 垂直風切變也為8 m/s，速度矢端切變角度超過90°，低層垂直風風切變加強是成熟的強對流天氣維持的有利條件（陳明軒和王迎春，2012）。

圖7 2020年5月11日20：00成熟階段數(shù)值模擬結果Fig.7 WRF numerical simulation results of mature stage at 20:00 on May 11, 2020

颮線成熟之后，整體進入衰亡階段，WRF 模式的數(shù)值模擬結果表明，到23：00，原本中-α 尺度，水平尺度長達500 km 的颮線呈反向碎塊型消散（圖8a）。在圖8b 中，對比A、B 兩個區(qū)域可以發(fā)現(xiàn)，MCS_A 南側為南海北部吹向陸面的南風，岸上的擾動位溫為負，但海上的擾動位溫為正。雖然區(qū)域A 的對流有效位能僅為473 J/kg（圖8c），但持續(xù)南風帶來暖濕氣流和維持不穩(wěn)定條件，地面增溫增濕，為對流發(fā)展提供熱力條件。而區(qū)域B中，地面擾動位溫均為負變溫（圖8b），且0～2 km的低層風切變減弱，并表現(xiàn)為冷平流所體現(xiàn)的逆時針旋轉(zhuǎn)，地面冷空氣入侵，對流發(fā)展條件被破壞，冷池的強度大于風切變，MCS_B快速衰亡。

4 颮線各階段組織模態(tài)

4.1 初生到成熟的模態(tài)穩(wěn)定期特征

本次颮線的形態(tài)最初為斷線型并逐漸增強，發(fā)展至成熟時為拖尾型層狀云型颮線。根據(jù)分辨率4 km的模擬結果，在5月11日16：00，廣東省處于高對流有效位能的環(huán)境下（圖9a），颮線前側及西側較大的對流有效位能值（1 400～2 600 J/kg），且具有大于40 J/kg 的對流抑制（圖9b），與斷線型和拖尾層狀云型的模態(tài)颮線的條件吻合（Bluestein& Jain，1985；Parker & Johnson，2000），但都高于東部颮線這兩種模態(tài)的對流有效位能范圍（Meng et al.，2013）。珠江口北部粵西與兩廣交界處粗理查森數(shù)大于40 的區(qū)域比較分散（圖9c），但整體呈緯向分布且與颮線的緯向分布基本一致，因此此次颮線中整體以多單體風暴為主。廣東中部的0～3 km相對風暴螺旋度為30～80 m2/s2（圖9d），中等強度的風暴相對螺旋度有利于斷線型颮線生成模態(tài)的形成。而螺旋度高值中心位于颮線移動方向前方的西南側及陽江一帶，大于150 m2/s2。

圖9 2020年5月11日16：00 WRF數(shù)值模擬物理量結果Fig.9 WRF numerical simulation physical quantity results at 16:00 on May 11, 2020

4.2 模態(tài)轉(zhuǎn)變期特征

颮線于5 月11 日20：00 進入成熟期，其組織形態(tài)的強度達到極值，之后進入衰亡期。利用分辨率為4 km 的WRF 數(shù)值模擬結果分析在21：00 颮線從成熟進入衰亡期的物理量變化。珠江口沿岸（113°～116°E）的對流有效位能（圖10a）仍較大，最大具有2 400 J/kg 以上，這也有利于颮線南段在衰亡階段加強，形成后向新生型MCS 的有利條件（李娜等，2013），這與Meng et al.（2013）對東部颮線的統(tǒng)計結果相符合。颮線東、西段的對流有效位能為800～1 600 J/kg，整個颮線的前側對流抑制基本均小于20 J/kg（圖10b）。與我國東部地區(qū)的颮線（Meng et al.，2013）相比，華南颮線維持對熱力條件要求更高。粗理查森數(shù)（圖10c）在珠江口為40～100，更傾向于多單體風暴；粵東地區(qū)大部分為5～15，不利于對流單體風暴的發(fā)展；但在粵西地區(qū)，粗理查森數(shù)為15～40，處于有利于對流單體的發(fā)展的區(qū)域。風暴相對螺旋度（圖10d）的結論類似，珠江口均大于30 m2/s2，珠江口以東是其分布的大值區(qū)，最高值大于150 m2/s2；粵東也不大，但并不具備珠江口的大值區(qū)，偏小的風暴相對螺旋度不利于風暴的維持；粵西陽江地區(qū)整體的風暴相對螺旋度大于80，其大于150 m2/s2的區(qū)域也較珠江口大。較強的低層垂直風切變是粵西MCS 沒有迅速減弱繼續(xù)維持發(fā)展的重要原因。而中部和西部MCS 分別在單體新生的組織模態(tài)和對流與層狀云結構的組織模態(tài)上有變異，這是其所在環(huán)境動力、熱力條件共同作用決定的。

圖10 2020年5月11日21：00WRF數(shù)值模擬物理量結果Fig.10 WRF numerical simulation physical quantity results at 21:00, May 11, 2020

5 結 論

本文利用常規(guī)觀測資料、多普勒雷達資料及高分辨率數(shù)值模擬結果，對2020 年5 月11 日的華南一次颮線過程的環(huán)境背景場和對流模態(tài)特征進行了分析。重點研究了颮線的初生、增強、成熟和衰亡共4個階段的組織模態(tài)和對流組織特征的演變機理，并得出以下主要結論：

1） 颮線發(fā)生在200 hPa急流入口右側的高層強輻散區(qū)、500 hPa南支槽前強西南風區(qū)、850 hPa切變線南側的低層暖濕平流區(qū)中水汽輻合散度最大的區(qū)域，及地面輻合線上發(fā)生發(fā)展。

2） 在初生過程中，颮線以斷線型方式對流單體逐個發(fā)展，對流單體內(nèi)主要是上升氣流，且垂直方向風向呈順時針旋轉(zhuǎn)，風向切變大，風速切變中等，最初冷池強度較弱，颮線的發(fā)展受到環(huán)境熱力條件的影響。

3） 颮線發(fā)展至成熟階段為拖尾型層狀云型颮線，低層切變和冷池強度逐漸達到平衡狀態(tài)，低層大氣處于最強的垂直抬升狀態(tài)，颮線回波直立。通過診斷發(fā)現(xiàn)，以斷線型的颮線形成的拖尾層狀云型颮線發(fā)生在有中到強的對流有效位能、較大的對流抑制的較好的熱力環(huán)境條件下。

4） 颮線以反向碎塊型衰亡，其對流組織模態(tài)也隨之進入變異期。颮線衰亡是分為3段，衰亡過程中東西兩端的對流組織形態(tài)由拖尾層狀云型轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫袑訝钤菩?。東段快速減弱，中段減弱過程中受地面輻合線和熱力環(huán)境共同作用，衰亡速度相對較慢，其對流單體生成發(fā)展的形式轉(zhuǎn)變?yōu)楹笙蛐律?，呈弓狀并仍維持拖尾層狀云型的組織模態(tài)。而西段在減弱過程中，線狀組織形式轉(zhuǎn)化為塊狀組織形式。

5） 通過對颮線組織模態(tài)轉(zhuǎn)變過程的環(huán)境分析，后向?qū)α餍律蛯α鲉误w的發(fā)生發(fā)展主要和近地面熱力環(huán)境的作用有關，對流有效位能相對較大。而颮線衰亡的過程中，不同區(qū)域的低層風切變和環(huán)境條件對衰亡的過程均有貢獻。

相較于我國其他地區(qū)的颮線統(tǒng)計結果，華南地區(qū)以斷線型模態(tài)生成為拖尾層狀云型成熟模態(tài)的颮線，所需的對流有效位能數(shù)值更高，并且颮線的維持也需要更高的熱力條件。對流抑制能量、粗理查森數(shù)、風暴相對螺旋度等在對流單體組織模態(tài)方面均有一定的指示意義。