华南一次飑线过程线状对流模态变异机理研究

康兆萍　林永辉

摘要利用高时空分辨率的地面观测资料、探空资料、NCEP再分析资料和多普勒天气雷达资料，并结合中尺度数值模式WRF分析2013年5月15日发生在广西广东地区的一次强飑线过程，着重分析了中尺度对流系统（Mesoscale Convective System，MCS）由平行型（PS）模态到拖尾型（TS）模态的转变过程及机理。结果表明，此次飑线过程发生于高层弱辐散区，500 hPa有明显短波槽东移发展，850 hPa有切变线和低空暖湿急流，地面有冷锋和低压倒槽。西侧初始对流发展为PS型MCS模态，成熟期无雷暴高压。东側减弱的初始对流再次加强发展后与西侧PS型MCS合并发展成为TS型MCS模态。数值模拟结果显示，PS型模态具有平行于对流线的气压梯度力和加速度分量，该分量产生了平行于对流线的风分量。TS型模态中，平行于对流线的气压梯度力和加速度很小，而垂直于对流线的气压梯度力和加速度很大，正是由于平行于对流线的加速度分量的消失和垂直于对流线的加速度分量的增强促使对流线内部相对系统流场由平行向转变为垂直向，导致MCS模态由PS型转为TS型。

关键词平行型；拖尾型；气压扰动；加速度；飑线

飑线是由许多雷暴单体侧向排列而成的强烈线性对流带，其水平尺度为150～300 km，时间尺度为4～18 h。飑线过境常伴有强降水、大风、冰雹、龙卷等剧烈天气现象，是一种破坏性极强的中β尺度对流系统（章国材，2007；陈耀登等，2017）。飑线的组织结构、演变及形成机理的研究一直是中尺度气象领域里一个非常重要的课题。

按照层状云相对于强对流的位置可以将中尺度对流系统（Mesoscale Convective System，MCS）的组织结构分为三类：层状云位于前部的前导型（Leading Stratiform，LS）、层状云平行于对流线的平行型（Parallel Stratiform，PS）和层状云位于后部的拖尾型（Trailing Stratiform，TS）。其中拖尾型占60%，前导型和平行型各占20%，并且30%的LS型MCS和58%的PS型MCS在发展后期会向TS型转化（Parker and Johnson，2000）。Meng et al.（2013）对2008—2009年中国东部地区96次飑线过程进行了统计，结果显示拖尾型占62%，平行型占26%，前导型占12%。Parker（2007a，2007b）指出对流层中上层相对于对流线的气流对MCS的组织结构有决定性作用。拖尾型MCS整层表现出由前向后的垂直于对流线的相对系统风分量。平行型MCS在1 km以下为强的垂直于对流线的风分量，但在2 km以上则表现出深厚的平行于对流线的风分量。这类MCS中对流层中层水汽平流沿着对流线集中输送，但轴线里水汽输送较弱，两侧较强，最终会导致轴线里降水弱而两侧降水强（Parker and Johnson，2000）。中尺度对流系统常发生在具有较强垂直风切变的环境中（丁一汇等，1982），Parker（2007a，2007b）通过数值模拟实验还指出低层垂直向风切变和深层平行向风切变对PS型MCS的组织结构同等重要。

Johnson and Hamilton（1988）总结出成熟期飑线系统在地面由雷暴中高压、中高压后部的尾流低压和中高压前部的中低压组成。Houze et al.（1989）通过拖尾型飑线个例分析得到飑线成熟期垂直结构模型：系统由强对流区、层状云区以及两者之间的弱回波过渡带组成；垂直风场结构上看，对流区前沿为强烈的倾斜上升气流，过渡区对应由降水的拖曳作用呈现出明显下沉气流，层状云中上层为由前向后的上升气流及中下层向前的下沉气流。

虽然国内外对飑线的研究已经有很多，但大量的分析都集中于拖尾型（TS型）飑线（孙虎林等，2011），对于平行型（PS型）飑线的的分析比较少，特别是对同一个飑线过程中线性对流模态组织结构转变的分析更少。2013年5月15—16日，一次强飑线天气过程袭击了广西、广东地区，此次飑线过程最初以PS型MCS组织结构发展，但在演变后期MCS转变为TS型结构。本文拟采用多种常规观测资料、探空资料、NCEP再分析资料和多普勒雷达组网资料，分析此次飑线过程的形成背景、降水分布和系统演变过程，并利用中尺度WRF模式输出的高时空分辨率资料重点分析两种模态的变异机理。

1资料和方法

本文使用的资料有：2013年5月15—16日我国地面自动气象站逐小时加密观测资料，包括海平面气压、温度、露点温度、风向、风速、雨量等要素；广西、广东两省多普勒雷达组网资料；每日4次1°×1°的NCEP/NCAR再分析全球格点资料及中尺度WRF模式输出资料。本文分析时除特殊说明外均为世界时。

本文利用中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室研发的多普勒天气雷达三维数字组网系统对广西省桂林、柳州、梧州和广东省广州、阳江共五部雷达资料进行三维组网，所得组网资料的水平分辨率为001°×001°，时间分辨率为6 min，高度范围为05～160 km，垂直分辨率6 km以下为05 km，6 km以上为1 km，共23层。

2天气过程简述

2013年5月15日15时—16日06时（世界时，下同），广西、广东两省遭受了一次强降水过程，此次降水于15日15时开始于广西省中部地区，之后降水随系统向东南方向移动进入广东，至16日06时基本结束。15日18时—16日06时12 h累计降水呈西北—东南向带状分布，大部分降水落于广西境内。其中，两个大暴雨中心分别位于来宾（图1中以“Lb”所示）东北和玉林（图1中以“Yl”所示）西北，12 h累计降水量均超过100 mm。

15日12时（图略），对流触发区处于高层200 hPa弱辐散区，500 hPa上有明显的短波槽，850 hPa存在东北—西南向切变线，切变线南侧有低空急流和密集的等温线，地面场相应可见准东—西向冷锋，地面图上有低压倒槽和明显的暖湿空气，这种环流背景条件极其利于强对流的触发和发展，强对流就发生于地面冷锋附近及低压倒槽里。

3MCS演变过程分析

31PS型和TS型MCS模态

本文根据Parker and Johnson（2000）的飑线分类研究方法，依据层状云相对于强对流的位置，对本次飑线演变过程中强对流的组织模态进行了分类，发现共有两种模态：第一种为强对流区两侧有极弱层状云的平行型（PS型）模态；第二种为强对流区后部发展出大片层状云的拖尾型（TS型）模态。

311PS型MCS模态

2013年5月15日15时，强对流开始出现于广西省北部地区，共有三處比较明显的对流区域（图2a1）：一是桂林附近西南—东北向的线状对流；二是来宾附近的零散对流；三是来宾西北较弱的对流。桂林附近的线状对流随后向东南方向移动并逐渐减弱（图2a1—2a10中红色椭圆所示），来宾附近的零散对流单体逐渐发展合并成为一个对流单体（图2a1—2a7中南侧黑色椭圆所示）。与此同时，来宾西北部的对流单体不断发展，并在该对流单体的后向不断有新的对流单体产生（图2a1—2a7中北侧黑色椭圆所示）。15日21时30分，来宾附近的对流单体与其西北侧的对流单体合并组织成为一个明显的西北—东南向的线状对流带（图2a8中黑色椭圆所示），强对流带两侧有平行的层状云分布，这种形态是典型的平行型（PS型）MCS组织模态。

312TS型MCS模态

15日23时，来自桂林附近的对流单体在梧州附近重新发展起来，并最终和其西南侧的PS型MCS完全合并在一起，形成了一个完整的弓形回波，回波的顶点就在容县附近（图2b1）。系统后部可见大片层状云存在，飑线系统已经由PS型完全转变为TS型模态，随后系统移至广东（图2）。

32两种MCS模态地面要素场分析

321PS型MCS地面要素场

15日15时，广西北部桂林附近为西南—东北向的线状对流，这些对流出现在地面低压倒槽北侧的冷锋附近，倒槽的南侧是大片的暖湿气流（图3a1）。在随后的演变过程中，出现于桂林附近的线状对流在向东南方向移动的过程中逐渐减弱（图3），该线状对流向前的地面冷出流加强抬升倒槽内偏南的暖湿空气，导致冷池前沿为辐合大值区，新对流就激发于该辐合区（图3a2、3a3、3b2、3b3）。需要指出的是，在PS型MCS成熟期时的地面并没有出现雷暴高压（图3a4、3b4），这可能是PS型MCS和TS型MCS在结构方面一个较大的差别。

322TS型MCS地面要素场

15日23时，在梧州西侧有冷池中心和辐合大值区（图3d1），这导致从桂林移过来的已经减弱了的对流体又重新发展起来（图2b1）。这个重新发展起来的对流在16日00时左右和其西南侧的PS型MCS完全合并在一起，并形成了一个完整的弓形回波，回波顶点就位于容县（图2b3）。此时，与弓形回波对应的地面冷池超过了-4 ℃（图3d2），随后在01时左右，地面雷暴高压和尾流低压开始形成，这和Johnson and Hamilton（1988）总结出的飑线系统成熟期的结构特征一致。

4数值模拟结果分析

41模拟方案

本文采用美国环境预测中心（NCEP）、美国国家大气中心（NCAR）等科研机构共同研发的中尺度数值模式WRFV34对此次飑线过程进行模拟。模式采用双重单向嵌套网格，试验区域最外层中心为梧州，水平分辨率分别为12 km、4 km，垂直方向30层，模式顶层气压为50 hPa。模式积分时间为15日00时至16日06时共30 h，初始场和边界条件采用NCEP/FNL再分析资料，并使用观测松弛同化（Observation Nudging）方法，加入15日00时起100～120°E、18～30°N范围内逐3 h地面观测及12 h一次的探空风场和温度资料。本文采用细网格输出资料进行分析，模拟参数设定如表1所示。

42模拟效果检验

对飑线系统传播路径的实况和模拟结果（图4a、4b）比较可知，实况中对流系统在PS型模态阶段以157 m·s-1，南偏东559°方向移动，在TS型阶段以152 m·s-1，南偏东572°方向移动。与实况相比，模拟出的对流系统整体移动速度偏小，系统在PS型模态阶段以126 m·s-1，南偏东52°方向移动，在TS型模态阶段以127 m·s-1，南偏东43°方向移动。

模拟的15日18时—16日06时的12 h累计降水量（图4c）也呈现出与实况（图1）相似的西北—东南向带状分布，特别是玉林以西北的强降水中心与实况相吻合。模式还模拟出了系统成熟期（图4d）地面出现的雷暴高压、尾流低压和超过-2 ℃冷池中心。虽然此次模拟的对流系统较实况在时间方面有些差异，且对流系统位置偏南05个纬度，但这些偏差本质上并不会影响进一步分析。

5模拟的MCS模态变异及机理分析

51模拟的PS型和TS型MCS

数值模式同样模拟出了对流系统演变过程中的PS型模态和TS型模态。

511PS型MCS模态

15日17时30分左右，广西省中部地区有对流体出现，在来宾的东北面有比较明显的线状对流系统（图5a1中以红色椭圆所示），在其西面有零散的对流单体出现（图5a1中以黑色椭圆所示）。之后，西部对流单体不断发展，在20时已经发展成西北—东南向的线状对流系统（图5a5），此过程与实况（15日15时—22时30分的来宾西北部的线状对流发展过程）相吻合，对流系统表现为PS型模态。

512TS型MCS模态

20时30分左右，原来在来宾东北面的东移线状对流系统在容县和梧州之间再度发展起来，并于21时左右和西面的PS型MCS合并在一起，合并后的对流系统在中段开始向前凸起，逐渐组织为弓形回波结构，其北面有大片层状云，为典型的TS模态（图5b6—5b10）。

52模态转变机理

根据前面的分析研究，分别选取15日20时和16日00时表征PS型和TS型模态成熟阶段。

15日20时，图6b所示为沿垂直于对流线的斜线L2的垂直剖面，此时对流发展已至11 km，强对流区两侧有弱的层状云。55 km高度上相对系统流场（图6d）显示，强对流线西南侧为由A指向C的西南—东北向流场，东南侧为由B指向C的东南—西北向流场，对流线内部表现为平行于对流线的东南—西北向流场。对流线内为负气压扰动且存在小于-70 Pa的负气压扰动中心（气压扰动由各点气压减去图6a中黑色方框內平均气压得到）。对比后发现，该气压扰动量级与Parker（2007b）中描述的浮力和动力扰动气压为同一量级。

图6e、6g所示为沿平行于对流线的斜线L1做的垂直剖面。图6g显示6 km高度以下的对流层，对流线内部表现出深厚的平行向气流，这和Parker and Johnson（2000）总结的PS型MCS在2 km以上表现出深厚的平行于对流线的风分量一致。图6e显示，3～8 km高度范围内对流线内部（C所示）均为负气压扰动，但对流线南侧（B所示）为正的气压扰动。图6f、6h所示为沿着垂直于对流线的斜线L2的垂直剖面。图6h显示8 km以下对流线南侧表现出深厚的垂直向气流，图6f所示3～8 km高度范围内对流线南侧（A所示）为正的气压扰动，对流线内部（C所示）为负的气压扰动。

Parker and Johnson（2000）对比PS型MCS和TS型MCS相对系统风场后指出，两种MCS中层状云的分布是由对流层中上层相对于系统的流场决定的，PS型MCS在对流层中上层表现出平行于对流线的流场，而TS型MCS表现出垂直于对流线向后的流场。Parker（2007b）还指出，气压扰动影响动力场分布，由其所引起的加速度是影响气流流向最为重要的因子。PS型MCS模态中，对流线西南侧为正的气压扰动，对流线内为负的气压扰动，因此在对流线西南侧具有垂直于对流线并指向东北方向的气压梯度力和加速度，相对系统流场也指向东北。但在平行于对流线方向上，由于对流线东南侧为正的气压扰动，对流线内为负的气压扰动，因此气压梯度力和加速度由东南指向西北方向，相对系统流场也指向西北。本文的模拟结果清楚地描述了这一动力特征。

16日00时，对流系统进入TS型模态成熟阶段，对流线后部有大片层状云（图7b）。55 km高度上对流线内相对系统流场转为垂直于对流线的西南—东北向，对流线内部仍存在负的气压扰动中心，对流线西南侧仍为正的气压扰动，但其东南侧的正的气压扰动消失了（图7d）。

仍然沿着平行于对流线的斜线L1和垂直于对流线的斜线L2做垂直剖面。图7g显示平行于对流线的方向上，对流层中低层不再表现出深厚的平行向流场，反而垂直于对流线方向上的风分量大大加强（图7h）。同样，图7e显示，2～8 km范围内，平行于对流线方向上整个对流线内部均为负的气压扰动（B所示），在垂直于对流线方向上，对流线南侧为正的气压扰动（图7f中A所示）。

综合对比分析PS型和TS型MCS模态成熟阶段的流场和气压扰动分布后可知，无论是PS型还是TS型模态，对流系统中层内部均为负的气压扰动。不同的是PS型对流线东南侧具有较强的正气压扰动，因此PS型MCS模态在平行于对流线的方向上具有气压梯度力和加速度分量，该分量直接导致了平行于对流线方向的风分量。而对于TS型MCS模态而言，对流线东南侧没有明显的正气压扰动，平行于对流线方向的气压梯度力和加速度很小，相反在垂直于对流线的方向上则有较大的气压梯度力和加速度。正是这种压力场的变异导致系统内部流场由平行向转变为垂直向，最终导致对流系统由PS型模态向TS型模态的转变。

6结论

本文利用常规观测资料、探空资料、多普勒雷达组网资料及NCEP再分析资料，并利用中尺度数值模式WRFV34输出的高分辨率资料，对2013年5月15—16日发生在广西广东地区一次强飑线过程的环境背景场、降水分布、演变过程进行了分析，并主要研究了对流系统由PS型模态向TS型模态的转变过程及机理，得到以下主要结论：

1）此次飑线过程发生于高层弱辐散区，500 hPa有明显短波槽东移发展，850 hPa有切变线和低空暖湿急流，地面有冷锋和低压倒槽。

2）初始对流出现在低压倒槽的北侧，西侧初始对流在地面冷池和风场辐合的作用下逐渐发展成为PS型MCS模态，但在其成熟期对流线附近并没有雷暴高压出现。东侧减弱的初始对流在东移过程中，在靠近两广交界时再度发展起来，并和西侧的PS型MCS合并在了一起，并逐渐形成了完整的弓形回波，发展成为典型的TS型MCS模态。

3）模拟结果显示无论是PS型还是TS型MCS模态，对流系统中层内部均为负的气压扰动，不同的是PS型模态对流线东南侧具有较强的正气压扰动，此模态中在平行于对流线的方向上具有气压梯度力和加速度分量，该分量直接导致了平行于对流线方向的风分量；而对于TS型模态而言，对流线东南侧没有明显的正气压扰动，平行于对流线方向的气压梯度力和加速度很小，相反在垂直于对流线的方向上则有较大的气压梯度力和加速度，正是由于沿平行于对流线方向的加速度分量的消失和沿垂直方向的加速度分量的增强促使对流线内部相对系统流场由平行向转变为垂直向，导致MCS模态由PS型转为TS型。

本文讨论了MCS模态由PS型转为TS型的问题，并探讨了其中的动力机理，但所用的诊断方法较为简单，还无法揭示其中复杂的动力热力过程，这方面的工作还有待后续进一步完善。

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