江苏一次飑线初生的诊断分析与数值模拟

王 琛, 魏 鸣

(南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京 210044)

飑线是一种带(线)状的中尺度对流系统，是非锋面的狭窄的活跃雷暴带。它是一种深厚的对流系统，其水平尺度通常为几百千米，典型生命周期分析为6～12 h[1]。

飑线是中国常见的灾害性强对流天气，具有突发性强、强度大、发展快、破坏力大等特点，易造成涝害、雹害等灾害，往往造成严重的社会经济损失。例如：2006年11月2日海南出现了一次飑线天气过程，大风和大雨给当地造成了严重的损失[2]。2009年6月3—4日，安徽北部、江苏北部等地区出现了罕见的飑线天气，带来了短时强降水、雷雨、冰雹灾害性强对流天气[3]。2014年7月30—31日，安徽中东部发生了一次飑线过程，造成雷暴大风和短时强降水天气[4]。因此分析飑线内部精细结构、深入剖析形成机理，对改进预报有重要意义。

中外对飑线的研究可追溯到20世纪60年代，Newton等[5]对飑线作了详细的中尺度分析，提出了飑线的理论模型：包括高空风上风方向的斜升气流、低层流入飑线的湿空气入流和后方的下沉空气。Moncrieff等[6]提出了中尺度引导型和热带传播型两类飑线的理论模型，揭示环境垂直风切变对飑线流场的影响。近年来随着大气科学和电子技术的发展，多普勒天气雷达可探测飑线风场，进一步揭示中纬度[7-9]、副热带[10]、热带[11]和热带飑线内部的三维风场结构，这些飑线在成熟阶段有共同特征：气流的变化主要发生在飑线的法线方向，有一支高相当位温(θe)的入流位于系统前方低层，从前缘倾斜上升至后方高层，一方面形成对流区，另一方面向后输送冰粒子。

中国利用常规天气资料和雷达卫星遥感资料来研究飑线的演变有很多成果。例如，李金辉等[12]指出位于飑线中的超级单体降雹具有指示作用。姚叶青等[13]利用多普勒天气雷达研究了飑线在演变过程中垂直结构的变化。曲晓波等[14]多种气象资料对发生在淮河中下游地区的三次飑线天气过程进行了对比分析。孙虎林等[15]利用多种气象观测资料分析了中国黄淮地区发生的飑线天气过程的形成背景。于华英等[16]模拟了2004年发生在湘中湘南大部分地区的飑线天气的演变过程。陶俞锋[17]对浙北地区一次飑线天气的数值模拟分析。陈涛等[18]分析了一次华北飑线中环境条件与对流发展机制的关系，指出冷池边界扩张速度与低层风垂直切变大致相当。王艳春等[19]用三维变分方法反演分析了华南一次强飑线的三维结构。

基于此，根据飑线的大气动力、热力和水汽垂直结构特征，利用美国国家环境预报中心(NCEP)再分析资料、探空资料和多普勒雷达资料，分析2009年6月14日江苏一次飑线天气的初生原因，并用天气研究与预报(weather research and forecasting, WRF)模式进行了数值模拟。

1 天气分析

1.1 飑线天气灾害概述

2009年6月14日6:00(世界时间，下同)开始，安徽北部生成东北西南向的飑线，影响安徽中东部、河南东部和河南西部大部分地区，带来大风、冰雹、雷雨等强对流天气，最大风速达到了17～29.3 m/s，最大雨强达65 mm/h，出现了最大直径30 mm的冰雹，过程最明显的时段是09:00—11:00，有弓状回波特征，此后飑线开始减弱，于14日18：00在江苏南部消失。此次飑线过程因灾死亡6人，造成了严重的社会经济损失[14，20-21]。

1.2 天气图分析

绘制天气图的资料为美国国家环境预报中心提供的NCEP再分析资料[22]，包含大气温度、位势高度、绝对湿度、经向风以及纬向风资料，天气图由Python编程绘制，温度-对数压力图(T-lgP图)由美国怀俄明大学大气科学系网站提供[23]。

2009年6月14日200 hPa的天气形势如图1所示，200 hPa代表了对流层顶附近的大气温度和气流分布。分析发现，高空流场虽较平直，而由图1中等温线可知，安徽和江苏上空存在着强降温区，温度低于周围，当大气层低层的温度较高时，此区域形成强的温度递减率，热力不稳定有利于对流抬升。

分析2009年6月14日00：00—18：00 500 hPa和850 hPa天气形势图(图略)发现，江苏处于槽前西南气流中，冷空气从蒙古东部槽后脊前的西北气流南下，在华东地区附近与暖空气相遇，有利于促进对流上升。14日06：00—12：00江苏位于低涡后侧的西南气流中，水汽供应充沛。

UTC(世界时)，蓝色实线表示等位势高度线，gpdm；红色虚线表示等温线，℃；箭头表示风场

2 局地大气垂直结构分析

T-lgP图是研究局地大气垂直结构及其物理特性的有效工具。由于天气系统具有连续性，选取南京站及其上游的安庆和阜阳三个探空站的T-lgP图进行分析。

安庆站2009年6月13日00：00和12：00的探空T-lgP图如图2所示，13日00：00[图2(a)]500 hPa以下温度廓线接近干绝热线，大气很不稳定；低层风向为西北风，气层较干；500 hPa以下温度露点差随高度的增加而增加，最大约为42 ℃；对流有效位能(convective available potential energy,CAPE)为355.3；0 ℃和-20 ℃层高度分别约为4 000 m和7 500 m。至13日12时3日00：00[图2(b)]，阜阳站在500 hPa以下温度廓线仍贴近干绝热线，表明大气仍处于不稳定状态；最大的温度露点差约为42 ℃；0 ℃和-20 ℃层高度分别约为4 900 m和7 600 m。这表明安庆站上空的大气中蕴含着较多不稳定能量，并向下游传播。

从阜阳站2009年6月13日00：00和12：00的T-lgP图(图略)可知，13日00：00安庆上空的大气实际温度廓线贴近干绝热线，大气较不稳定；低层风向为偏西风，大气较干；风向的垂直切变较大，850～500 hPa风向呈上层西风，低层东风，有利于对流系统的形成和维持；700 hPa以下温度露点差较小，说明湿层较厚。700～500 hPa温度露点差迅速增加，最大值为42 ℃，由西北干冷空气引起；CAPE为218.2；0 ℃和-20 ℃层高度分别约为4 000 m和7 500 m。至13日12：00和3日00：00，阜阳在500 hPa以下，温度递减率仍接近干绝热线，大气仍处于不稳定状态；低层偏北风说明空气比较干，0 ℃和-20 ℃层高度分别为4 200 m和7 600 m。这表明阜阳站上空的大气中蕴含着较多不稳定能量，并向下游传播。

从南京站6月14日00：00和12：00的T-lgP图可知，00：00南京上空的大气温度廓线贴近干绝热线，表明大气不稳定；400 hPa以下均为西北风，温度露点差随高度增加而增大，最大为35 ℃；0 ℃和-20 ℃层高度分别约为4 500 m和8 000 m；CAPE为768.7。至14日12：00，南京上空实际温度廓线贴近干绝热线，大气不稳定；700 hPa以下都转为偏北风，风速显著增大，低空急流在850、700、500 hPa之间的风向切变达到接近180°，空气中的温度露点差显著减小；此时0 ℃和-20 ℃层高度分别约为4 000 m和7 440 m，与00时相比分别下降了500 m和560 m，意味着14日12：00大气蓄积了更多不稳定能量，有利于促发强对流天气和冰雹。

图2 2009年6月13日安庆气象站的T-lgP图(UTC)[23]

3 NCEP资料物理量分析

3.1 温度

温度的垂直梯度是反映大气热力不稳定的物理量。2009年6月14日的850 hPa和地面的温度场的分布如图3所示，从图3中可以发现，发现14日00：00—14日12：00，江苏地区在低层是一个热源，而在高层是一个冷源，加大了垂直热力梯度，为强对流天气的产生提供了有利的初始环境条件。

3.2 垂直速度

垂直速度(单位为Pa/s)是反映大气动力抬升条件的一个重要指标，若垂直速度为正值，则表示有下沉运动，天气晴朗；反之，垂直速度负值为上升运动，可能会造成降水。2009年6月14日850 hPa等压面上的垂直速度分布如图4所示。14日00：00江苏地区的垂直速度为正值，表明大气为下沉运动，天气晴朗，与实况相符。14日06：00，垂直速度由下沉运动转为上升运动，有利于促发对流降水，14日12：00上升运动更剧烈，与观测事实相符。

3.3 水汽通量

水汽通量是反映水汽条件的重要物理量，源地的水汽通过大规模的水平气流被输送到降水区。2009年6月14日的850 hPa水汽通量如图5所示，江苏附近水汽通量较大，表明水汽输送较强。14日00:00江苏东北部有两个水汽通量的大值中心；14日06:00江苏东北部的两个水汽通量大值中心逐渐合为1个水汽通量大值中心，且相较于14日00:00，水汽通量大值中心更靠近江苏；14日12:00江苏东北部的水汽通量极大值仍在加强，且大值中心逐渐靠近江苏。水汽通量的大值区呈现西南-东北向，水汽源地来自北部湾。

UTC，℃；冷色调代表温度低值，暖色调代表温度高值

UTC；暖色调代表正值，冷色调代表负值

(UTC；箭头表示水汽通量的方向，阴影代表水汽通量的大小

3.4 水汽通量散度

当源地的水汽被大规模的水平气流输送到某地区时，必须有水汽在该地区水平辐合，才能够上升冷却凝结成雨。水汽的水平辐合是指水平输送到该地区的水汽，大于水平输出该地区的水汽，反之，称为水汽的水平辐散。若水汽的水平通量散度为正值，则意味着水汽在该地辐散，反之若散度为负值，则表示水汽在该地辐合。

UTC；暖色调代表正值，冷色调代表负值

2009年6月14日850 hPa等压面上的水汽通量散度图如图6所示。14日00:00江苏地区的水汽通量散度为正值，表明江苏地区的水汽是辐散的，水汽虽然流经江苏，但无法在此聚集，所以14日00:00江苏地区并无强降水等灾害性天气发生。14日06:00，江苏地区的水汽通量散度已经由正值转变为负值，表明水汽开始辐合，这与14日06:00飑线刚开始生成的观测事实相符。14日12:00水汽相较于14日06:00的辐合程度更强，与观测事实相符。

UTC，0.5°仰角

4 雷达回波分析

4.1 反射率因子分析

图7为2009年6月14日10:00—11:00的0.5°仰角雷达反射率因子图，从图7可以发现，回波形状变化较快，飑线前端强回波由东北-西南走向逐渐偏转为南北走向。10:00飑线前方距雷达东南90 km处小回波迅速发展，到10:30已发展为强对流，回波最强可达到60 dBZ(基本反射率因子)以上，到11:00强回波已与飑线回波合并。11:00飑线内下沉气流到地面与环境气流汇合激发出阵风锋。阵风锋随强回波移动而向前推移。此外，可以发现最强回波区在飑线的曲率最大处。

UTC，0.5°仰角

4.2 径向速度分析

图8为2009年6月14日10:00—11:00的0.5°仰角径向速度，此次过程伴随着较大的风速，大风速区域与强回波区相对应。10:00时大风区径向速度表现为风速辐合，存在逆风区；10:30回波移过雷达站，风速有所减弱，回波前方仍然辐合。11:00雷达站上方由负速度区转为正速度区，回波前方辐合上升，后方辐散下沉伴随降水。回波向东南方向移动与新生回波合并，正负速度区相遇，形成辐合，有利于新生回波的发展。与反射率因子相似，最大风速区在飑线的曲率最大处。

4.3 反射率因子垂直剖面(RCS)分析

图9为从雷达中心向105.3方位角做垂直剖面得到的反射率因子垂直剖面(RCS)图，发现新生单体垂直剖面，由RCS图可以看到中层回波较强，回波顶高已位于10 km左右回波处于发展阶段，气流辐合上升，回波未来将得到发展。10:30 RCS上回波强中心迅速向下延伸，强回波接地，回波发展到成熟阶段。新生回波移速缓慢，但由于主回波的东移南下，两回波逐渐靠近。11:00 RCS上两回波已合并，原飑线回波强度渐减弱，新生回波逐渐变为主导回波，回波移向也受新生回波影响转为东移。

UTC

5 数值模拟

目前，数值预报已成为对飑线等强对流天气进行预报的主要手段之一。试验所采用的预报模式为WRF中尺度预报模式。该模式由美国国家大气研究中心(NCAR)、国家海洋和大气管理局等美国多家科研机构共同开发，被广泛应用于目前的天气预报和大气科学研究中。WRF模式是完全可压缩的非流体静力学模型，该模式采用二阶三阶龙格-库塔(Runge-Kutta)时间积分格式，以及水平和垂直方向上的二阶到六阶平流格式，包含6个预报方程和1个静力诊断方程。

5.1 试验设计

试验采用WRF版本v3.8。水平方向采用荒川C网格，垂直方向采用跟随地形的质量坐标。模拟区域的中心为(33°N，120°E)，水平格点数为701×701，格距为3 km，垂直方向分为不等距的53层，模式层顶气压为50 hPa。主要的参数化方案见表1。初始场采用NCEP全球预报系统(GFS)提供的再分析资料，水平分辨率为1°×1°，时间间隔为6 h。从2009年6月14日06:00开始模拟，积分时长为12 h，该时段包含了这次飑线的整个发展过程。

表1 主要的参数化方案

5.2 模拟结果

图10显示了WRF模式模拟的组合反射率因子以及对应时次雷达观测的组合反射率因子实况。

对比模拟结果和观测实况，可以发现在6月14日07：00—14日09：00(图略)，模拟结果与观测实况的误差较大，这是由WRF模式的起转延迟(spin-up)所致，它是指在非静力平衡条件下或者在扰动的条件下，模式进行调整从而使模式与观测资料之间达到平衡的一种过程[24]。

6月14日10：00—14日12：00(图10)，模拟结果与雷达回波较接近，即模式较好地还原了飑线的初生过程，但仍然存在着模拟位置偏东、模拟的强对流过强及飑线位置滞后等不足，但总体而言通过这次过程的数值模拟，有助于理解飑线初生时的物理机制和三维结构演变。

图10 WRF模式模拟的组合反射率因子以及对应时次观测的组合反射率因子

6 结论与讨论

利用NCEP再分析资料、探空资料、多普勒雷达资料和数值模拟等手段，对2009年6月14日发生在江苏的一次飑线的初生过程进行了详细分析，主要结论如下。

(1)通过分析天气形势和NCEP高低空温度分布，发现江苏地区在低层是热源，而在高层是冷源，200 hPa代表了对流层顶的大气温度和气流分布，安徽和江苏上空存在着冷区，温度低于周围，当大气层低层的温度较高时，此区域就形成较强的温度垂直梯度，造成热力不稳定，有利于对流的发展。这是发生强对流天气的一个重要原因。

(2)通过局地的T-lgP图，分析了大气垂直方向的动力、热力和水汽条件，深入认识大气不稳定能量的垂直特征，本次飑线天气过程在江苏附近不稳定能量最明显，因此促发了飑线天气过程。

(3)NCEP资料的温度、水汽通量及水汽通量散度，也揭示了江苏地区在低层是热源，高层是冷源，存在强的热力不稳定，水汽充足，有利于强对流天气的初生。

(4)分析飑线过程的雷达回波，发现最强回波区在飑线的曲率最大处，此处也是最大风速区。

(5)WRF模式的模拟发现，spin-up阶段之后，模式较好地模拟了飑线的初生。