一次模态变异中尺度对流系统的模拟与分析

汪兰，张述文，柴旺，任星露,

(1. 兰州大学大气科学学院，甘肃 兰州 730000；2.雅安市气象局，四川 雅安 625000)

1 引 言

中尺度对流系统(Mesoscale Convective Systems，简称MCSs)指具有旺盛对流运动的天气系统，是造成雷雨、大风、冰雹和龙卷等灾害性天气的重要系统，水平尺度为10～2 000 km，其组织结构、演变和形成机理一直是中尺度气象学重要研究问题[1]。受高时空分辨率观测资料所限，数值模拟是研究中尺度对流系统发生发展机制及其内部结构的主要手段之一[2-7]。

根据雷达回波，降水区域一般可分为对流区和层状云区[8-9]，其中对流区存在垂直延伸的强回波核，而层状区域水平方向较均匀且垂直方向具有层状结构。Parker 等[10]按照层状云相对于对流线的位置，把美国中部线状MCSs的组织模态分为三类，分别为拖曳层状(Trailing stratiform，TS)、先导层状(Leading stratiform，LS)、平行层状(Parallel stratiform，PS)。TS 型和LS 型中，沿飑线移动方向的各个雷暴单体的发展演变特征相似，具有准二维结构，而PS 型为复杂的三维结构[2]。在风场上，PS 型相对入流低层垂直于对流线，对流层平行于对流线，而TS 型的相对入流从底层到高层均垂直于对流线[3-4]。在组织结构上，PS 型是在后向不断有新对流单体出现，TS 型由前缘强对流区、中间弱回波过渡带和后部宽广的层状云区组成。在平均维持时间上，TS型比PS型长两倍[10]。

在对流系统的组织和维持方面，认为降水蒸发作用产生的地面冷池出流和环境风垂直切变是两个主要影响因素[11-16]。RIJ 可增强地面冷池，并且RIJ 倾斜下沉气流和低层气旋式涡旋共同作用常造成地面大风[17-19]。

国内外对线状MCS 的研究已经取得很多成果，但大部分都集中于TS 型，对PS 型的研究很少，特别是在同一次天气过程中同时出现两种组织模态的分析更少。2017 年8 月19 日，江苏大部分地区出现大到暴雨，并伴有8～10级雷雨大风和短时强降水。此次强对流天气过程最初雷达回波PS 型、TS 型模态同时存在，形成一个东北-西南向的强回波带，但在演变后期，PS 型逐渐消散，TS 型发展成为强弓状回波。

本文在对此天气过程进行高分辨率数值模拟基础上，探讨其发展维持机制、由带状转变为线状的机理、以及在不同发展阶段PS 型和TS 型的内部结构，并对弓状回波形成起重要作用的RIJ进行诊断分析。

2 资料和方法

分析此次强对流过程的大气环流背景采用2017 年8 月19 日00:00(世界时，下同)的1.0 °×1.0 °的NCEP FNL 分析资料以及江苏省南京市的探空观测，并利用位于南京的新一代多普勒天气雷达观测，对MCS的模态演变过程进行分析。

模拟采用WRF3.8.1 模式，初始场和边界条件来源于6 h一次的NCEP FNL 分析资料，使用双重双向嵌套(图1a)，中心位置为116.8°E，34.2°N，水平格点数分别为153×189和240×315，格距分别为9 km和3 km，垂直方向30层，层顶气压为50 hPa。积分为2017年8月18日12:00—19日18:00。参数化方案如下：WSM6 云微物理过程方案、RRTM 长波辐射方案、Dudhia 短波辐射方案、UW 边界层方案、Noah 陆面过程和Monin-Obukhov 近地面层方案，积云参数化方案外层采用New GD，时间步长为5 min，内层关闭。

3 环流背景及观测分析

3.1 天气背景条件

2017 年8 月19 日00:00，200 hPa(图略)安徽以及江苏位于高空急流出口区的左侧。500 hPa(图1b)华北有一冷涡，伴随-9°C 的冷中心，槽线从河北东部延伸至湖北中部。长江中下游位于低涡槽前和副高西北边缘，同时受很强西南暖湿气流影响。850 hPa(图1c)有偏东风和偏西风切变线，且稍微落后于500 hPa 西风槽。500 hPa 槽后干冷空气叠加于850 hPa槽前暖湿空气上，形成上干下湿的不稳定结构。从湖南西部至安徽西南部有一支大于12 m/s 的西南低空急流，急流开始于西南地区东部，相对湿度大于80%；急流前段为强对流发生发展区，相对湿度为60%左右，低空急流为强对流发生带来充沛水汽。00:00地面天气图(图略)显示安徽北部有一条东北-西南向中尺度辐合线，它是强对流触发系统，并且辐合线两侧温度梯度随850 hPa 切变线以及500 hPa 高空槽的东移南压不断加强。南京站T-lnp图(图略)显示，19日00:00近地面层存在薄的逆温层，对流有效位能达2 589.5 J/kg，地面至700 hPa存在顺时针风垂直切变，且低层存在暖平流。此种天气背景为对流触发提供强热力条件。以上分析表明，此次过程发生在锋面气旋的暖区中，黄淮气旋切变及低空暖湿急流影响了此次强对流的发生发展。

图1 模拟区域及嵌套(a)；2017年8月19日00:00 500 hPa位势高度场(实线，单位：dagpm)和温度场(虚线，单位：℃) (b)及850 hPa风场(矢量，单位：m/s)和相对湿度(阴影，单位：%)(c)

3.2 中尺度对流系统演变

2017 年8 月19 日05:17，安徽西部阜阳、六安附近开始出现零星对流单体(图2a 中黑色椭圆内)；06:36(图2b)，这些零散对流单体发展合并成为一个强对流单体，并且其后向与前向还不断有新的对流单体产生；07:49(图2c)出现两处明显对流区：一处位于合肥附近零散对流，另一处是滁州附近的块状对流，它们共同构成一个东北-西南向对流带。随后，滁州附近的对流向东移动并逐渐发展为线状对流，其后部有大片层状云，对流区和层状区之间存在反射率因子强度较弱的过渡带，属拖尾型(TS 型)线状MCS 组织模态；合肥附近的对流也逐渐发展合并成为一个线状对流，对流线两侧和前方有强的层状回波区，移速较慢，单体运动方向平行于对流线方向，为平行型(PS 型)模态。08:00—10:30，合肥附近和滁州附近不断东移的线状对流连接成带，整个系统组织为一个东北-西南向的带状结构。此后，合肥附近的PS 型雷达回波逐渐削弱，TS 型发展成为一个强弓状飑线，中心强度大于55 dBZ，回波顶发展较高，前沿组合反射率梯度大，并逐渐向东移动，弓状结构保持3 小时以上。12:17(图2i)，强回波中心不再连续，变成一些零散的对流单体，最终移入黄海后消散。

总之，此次过程雷达回波由东北-西南向带状转变为线状，带状回波中同时存在PS 型和TS 型模态，并且对流系统的组织模态发生转变。

图2 2017年8月19日05:17—12:17南京雷达观测的组合反射率演变

4 结果与分析

4.1 模拟结果检验

选取与观测时刻最接近的模拟结果，对比观测(图2)和模拟的雷达组合反射率(图3)可看出，模拟能再现对流系统演变过程中PS 型模态和TS 型模态，10:00后PS 型消散、TS 型继续发展演变为强弓状飑线，以及系统由东北-西南向带状转变为南北向线状结构的全过程。应当承认，模拟层云区相对较小、强度较弱，PS型模态与实况相比长度较短，约提前半小时消散，模拟的TS 型强度略强于实况，但这对分析模态转变影响较小。因此，以下将以模式输出结果进行机理分析。

图3 模拟的不同时次雷达组合反射率 单位：dBZ，其中线段a、b为图5垂直剖面位置。

4.2 发生发展机制及模态转变机理

选取能够代表此次过程演化的四个时刻，分别对应06:30、07:30、09:00、10:00，从低层垂直风切变和冷池入手进行分析，其中风切变由250 m 和3 250 m 高度的模拟风场计算得到。从扰动位温分布来看，在初步形成的TS 型对流线后部，有小范围冷池(图4a)，由孤立对流单体降水产生，而前方大范围冷区是上一次强对流过程残留的冷空气。从0～3 km 垂直风切变来看，前部切变大小接近20 m/s，强度较强，切变方向为偏北，沿着其移动方向上的分量较小。07:30，东段(即TS 型；图4b)冷池范围和强度均增大，其中心值达到-6 K 以上，带状回波前沿仍为偏南风与偏北风的辐合。此时，TS 型前沿低层风垂直切变加强，切变在飑线移动方向的分量增强，表明垂直于飑线的切变分量增加，上升气流强盛并不断激发新的强对流。06:30—07:30，PS型MCS附近冷池强度较弱，垂直风切变的方向和对流线平行，对流区垂直风切变为15 m/s 左右，为中等强度的垂直风切变环境。受地面冷空气堆影响，单体下方的下沉气流产生水平外流，并且在垂直风切变的影响下，外流产生的地面辐合不对称，最强的辐合出现在有组织单体的顺切变方向，并且沿此辐合带新生单体沿同一方向移动，即PS 型单体沿着对流线的方向发展和传播。

根据06:30 的假相当位温剖面图(图5a)，PS 型MCS的剖面位置为沿着对流区，其后向6 km 以下和前向5 km 以下均为不稳定层结，以上为稳定层结，这种层结分布有利于不稳定能量的积聚，利于PS型MCS沿着对流线的方向不断激发新的对流。09:00—10:00(图4c、4d)，PS 型MCS 前沿垂直风切变方向发生转变，且2 km 以下假相当位温(图5b)随高度增加，为稳定层结，PS 型不再继续发展加强，并逐渐减弱，最后消失。此时，东段由于降水持续且不断增强，冷空气下沉扩散，冷池进一步加强，垂直风切变方向与飑线方向的垂直特性更加明显，并且TS 型MCS 的后部中层存在干冷空气的入侵，并下沉至低层与暖湿空气相遇，促进TS型发展成弓状飑线。

4.3 MCS结构特征

4.3.1 PS型三维结构

考虑到PS 型MCS 具有三维结构，选取0.75 km、3 km、7 km 高度的雷达反射率、相对风暴风速来探讨PS型MCS结构特征，其中相对风暴风速为风速减去系统平均移速。从图6 可看出，在PS 型MCS 的不同发展阶段，强雷达回波中心强度由低层到高层均先增后减，强对流区域范围在3 km 最大，高层范围小；从PS型MCS的发展至成熟阶段，在不同的高度上，对流带的长度都逐渐增加，新的对流单体是在对流区的后部触发。

从不同发展阶段的相对风暴风速来看，0.75 km 高度上(图6a)，对流区南侧的风场为东南风，相对入流垂直于对流线，西侧的气旋式环流结构有利于对流增强。3 km 高度上，对流区域内的相对入流在垂直于对流线方向的分量较0.75 km 高度上弱，为反气旋式环流；对比0.75～3 km 相对风暴风矢量，低层风场随高度顺时针旋转。7 km 高度上(图6c)，在对流系统前侧垂直向的相对入流和平行向的相对入流都较小，后侧为平行向的相对入流。所以，此次过程中PS型MCS在对流层中层存在深厚的平行于对流线的气流分量；对比3～7 km相对风暴风矢量，高层风场随高度逆时针旋转。从09:00 沿着对流线的垂直剖面(图7)看出，4 个对流单体依次排列，对应上升气流和下沉气流的交替排列。单体1中垂直向上运动很强，对流在继续增强，增强区位于地面出流边界和冷池边缘(图5b)；单体3 和单体4 的垂直运动变为向下，正在减弱消散。

图4 模拟的950 hPa扰动位温(阴影，单位：K)、0～3 km垂直风切变(矢量箭头，单位：m/s)实线为组合反射率大于35 dBZ的区域。a. 06:30；b. 07:30；c. 09:00；d. 10:00。

图5 模拟的假相当位温(阴影，单位：K)、雷达反射率(黑色实线，单位：dBZ)、扰动位温(黑色虚线，单位：K)、风场(矢量箭头，单位：m/s)的垂直剖面图 a. 06:30；b. 09:00。

图6 模拟的PS型MCS在0.75 km(a)、3 km(b)、7 km(c)高度上雷达反射率(填色，单位：dBZ)、相对风暴风矢量(单位：m/s)第一行为06:30；第二行为07:30；第三行为09:00。

图7 模拟的09:00平行于PS型对流线的雷达反射率(黑色实线，单位：dBZ)、扰动位温(阴影，单位：K)和相对风暴风矢量(单位：m/s)的垂直剖面

4.3.2 TS型三维结构

由于TS 型具有准二维特征，只分析沿飑线曲率最大处垂直剖面。09:00(图8a)，TS 型处于发展阶段，内部上升运动强烈，最大上升速度大于9 m/s；对流主体在119.1 °E，32.4 °N 附近，强雷达反射率从近地面一直延伸到13 km 以上。10:00(图8b)处于成熟阶段，强回波核位于119.8 °E 附近，最大雷达反射率大于55 dBZ，回波顶较高。飑线前部低层有相对入流，进入回波中心后沿着强回波核爬升。强入流在对流区内为倾斜上升，在6.5 km 附近上升运动最强，并在高层10 km 以上分裂成向前和向后两支气流流出强回波主体。对流区后部中层有一支由后向前的入流，在强对流区中低层为自后向前入流主导。由于受到前方对流阻挡及降水拖曳，中层入流在过渡区下沉。

从以上的三维结构(图8)分析发现，在弓状飑线发展及成熟阶段，在强对流区域后部低层存在后部入流。以往研究表明，低层后部入流是弓状回波形成的重要原因，在发展阶段中低层涡旋对对RIJ 贡献约为50%，在成熟和消散阶段超过70%[20]。从图9 可看出，由于受阵风锋附近水平风切变的影响，对流区存在带状分布的气旋式涡旋。06:30(图9a)，垂直涡度分布为正负涡旋对，飑线后部受反气旋控制，偏西风分量的大值区对应后部入流的大值区，即反气旋性涡旋中心的北侧风场对后部入流作用更大。09:00(图9b)，气旋性和反气旋性涡旋中心范围变大，强度变强，对应RIJ 也变强。在成熟阶段(图9c)，气旋式涡旋强度减弱，涡旋对位于飑线前部。因此，在此次弓状回波形成过程中，存在气旋-反气旋涡旋对，RIJ 位于涡旋对中间区域。

图8 模拟的沿TS型MCS移动方向的雷达反射率(黑色实线，单位：dBZ)、扰动位温(阴影，单位：K)和相对风暴风矢量(单位：m/s)的垂直剖面 实线箭头为RIJ。a. 09:00；b. 10:00。

图9 模拟的弓形回波演变过程中1.5 km高度层垂直涡度(填色，单位：10-5 s-1)、相对风暴风矢量(单位：m/s)，拉伸项(a1、b1、c1；黑色等值线，单位：10-7 s-2)，倾侧项(a2、b2、c2；黑色等值线，单位：10-7 s-2)

基于上述讨论，对弓状回波发展阶段(以06:30、09:00 为代表)以及成熟阶段(以10:00 为代表)1.5 km 高度层涡旋场进行诊断分析。不考虑黏性效应，在Boussinesq近似下垂直涡度ζ满足方程：

其中右端两项分别为倾侧项和拉伸项，ωH为水平方向上的涡度矢量。由图9中拉伸项、倾侧项与垂直涡度的相对位置可看出，拉伸项与气旋性涡度在位置上匹配较好且数值较大，因此可认为气旋式涡旋主要由拉伸项决定；虽然反气旋式涡旋中心与倾侧项的极小值中心稍有偏差，但仍然能看出倾侧项对反气旋式涡旋有加强作用，同时倾侧项对气旋式环流也有加强的作用。

5 结 论

利用1.0 °×1.0 ° NCEP FNL 分析资料、南京多普勒雷达观测以及WRF 模式输出数据，对2017年8 月19 日发生在长江中下游地区一次MCS 演变过程进行深入分析。此次过程既复杂又特征鲜明，同时存在PS 型MCS 和TS 型MCS，并且雷达回波先呈带状分布，最后伴随PS 型消散，TS 型又演变为强弓状飑线。

(1) 此次过程发生于锋面气旋的暖区，黄淮气旋切变及低空急流是此次天气过程发生发展的重要影响系统。

(2) 初始对流是由前一次过程遗留的地面冷池以及风场辐合作用触发的，其中东侧对流系统(TS 型)冷池发展强盛，垂直风切变在垂直于对流线方向的分量增加，新对流不断被激发，并最终演变为强弓状飑线；西侧对流系统(PS 型)冷池不明显，垂直风切变方向平行于对流线，在平行于对流线的方向不断激发新的对流单体，但由于垂直风切变方向发生转向，PS型MCS最终消散。环境风场上，PS 型MCS 低层为垂直于对流线的相对入流，高层转变为平行于对流线的相对入流；TS 型MCS低层前部和后部分别为强的相对入流和相对出流，中层后部为相对入流，高层前后部均为相对出流。

(3) TS 型发展演变并最终成为强弓状回波与对流区后部存在很强RIJ有关，而中低层涡旋对又是RIJ得以维持和加强的因素之一，其中气旋式和反气旋式涡旋主要由涡度方程中拉伸项和倾侧项分别决定的。

需要说明的是，上述分析是基于高分辨率的模拟结果，今后需进一步优化参数设置和同化雷达数据，减小模拟与实际的偏差。此外，本文诊断方法较简单，还无法揭示其中复杂的热动力过程，且对于不同模态MCS 的触发机制的研究有待完善。

致 谢：感谢兰州大学超算中心对本研究工作的支持。