地形对华南飑线升尺度影响机制的数值模拟研究

沈新勇 王林 乔娜 尹宜舟 李焕连

1 南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心,南京 210044

2 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海), 珠海 519082

3 天津市静海区气象局, 天津 301600

4 江苏省镇江市气象局, 镇江 212000

5 国家气候中心, 北京 100081

6 中国气象局气象干部培训学院, 北京 100081

1 引言

华南地区地处中国的最南部，地形包括平原、丘陵和山地。山地面积覆盖广阔，大约占33%左右，其中主要的山地有武夷山和南岭。高大的地形对天气系统的发展也有重要的影响，它可以抬升暖湿空气，引起条件不稳定和对流不稳定的发展，同时也可以阻挡系统的移动。

有关地形对天气和气候的研究比较多，主要集中在动力和热力方面。徐国昌和张志银（1983）在研究西北干旱时，发现青藏高原的动力作用对西北干旱具有重要作用。1970年代初Benjamin（1970）和McIntyre（1972）用弱的非线性方法研究了连续层结大气过山的特征，发现了山脉下游的山脉波和上游的回涌现象。孟英杰等（2010）对湖北2008年十次暴雨过程中地形抬升作用进行统计，发现地形抬升增强和水汽凝结和不稳定能量的释放。王华等（2019）的研究中也提到太行山的地形抬升作用对强对流单体的发展具有重要作用。Doswell III（1987）指出雷暴一般由低层中尺度系统触发，触发的原因和中尺度地形有一定的关系。杨舒楠等（2016）四川盆地地形对强降水有重要作用，其中一个原因就是使得气流在山前辐合抬升。王莹等（2018）通过研究海南岛地形对降水强度的影响，发现地形越高大，驱动海风发展的海陆感热通量差异越大，海风环流发展越旺盛，降水强度也越强。段旭等（2018）研究发现云贵高原的大地形阻挡了冷空气移动，从而导致了准静止锋的形成。

飑线是能产生强烈天气的中小尺度天气系统，它具有历时时间短、天气变化剧烈和破坏性强的特点，常常带来灾害大风、局地暴雨及冰雹等强对流天气（寿绍文等，2003）。Rotunno et al.（1988）认为当冷池与垂直风切变相互平衡时，有利于飑线的维持与发展。李鸿洲等（1999）的实验结果表明：在西北流型条件下，高层有较强的冷空气侵入，低层受地形强迫引起的强烈锋生，是华北飑线形成和发展的主要动力过程。张乐楠等（2019）研究了东北冷涡背景下的飑线，指出冷涡后部的强风对飑线环流结构改变有重要影响。王瑾婷等（2017）对飑线经过大别山前后的强度做了研究并进行了敏感性试验，发现地形产生的背风波有利于飑线内部对流单体的发展与加强。孙建华等（2014）通过飑线的水汽敏感性试验，发现环境场中不同的水汽含量和垂直分布，会影响下沉气流和冷池强度，从而影响对流的组织形态、维持时间和强度。陶局等（2019）通过填海的敏感性试验研究了渤海水面对飑线形成过程的影响，发现渤海对飑线的移动速度和飑线的强度的发展具有一定的作用。张腾飞等（2018）通过研究两次云南南支槽影响下的云南飑线雹暴中尺度和环境场特征，发现了影响两次过程的环境场的差异。

以往讨论高大地形对天气和气候的影响研究比较多，但是研究高大地形对飑线的组织和发展的相关内容数量不多，尤其是华南地区南岭、武夷山对飑线的发展的影响及作用机制研究更显不足，本文旨在研究南岭（24°N～26.5°N，111.5°E～115°E）对飑线升尺度及发展变化的作用，为特殊地形下飑线的发展提供一定的参考。

2 个例简介和模拟方案设置

2.1 个例简介

本文选取是2016年4月13日的一次飑线过程（图1）。这次强对流天气是受切变线和高空槽影响，一条飑线于清晨自西向东影响广州市，导致广州出现了强雷雨和7～10级阵风，局部地区瞬时风力达11～13级，同时伴有短时强降水。黄埔区长洲街最大阵风39.9 m s−1（13级），部分路段出现树木倒伏，甚至折断。该次飑线在广东省内历时9～10个小时，造成严重的人员伤亡和财产损失。

图1 2016年4月12日（a）16:00（协调世界时，下同）、（b）19:00、（c）20:00、（d）23:00、13日（e）00:00和（f）01:00实况雷达组合反射率因子（单位：dBZ）分布Fig. 1 Observed radar composite reflectivity (units: dBZ) from April 12 to 13, 2016: (a) 1600 UTC 12; (b) 1900 UTC 12; (c) 2000 UTC 12; (d) 2300 UTC 12; (e) 0000 UTC 13; (f) 0100 UTC 13

2.2 模拟方案设置

利用WRF4.0模式研究地形在华南飑线升尺度过程中的作用，模式做了四层双向嵌套（图2），以（30.36°N，114.19°E）为中心，积分时间从2016年4月12日00:00（协调世界时，下同）到13日06:00，积分步长90 s，水平分辨率分别为40.5 km（d01层）、13.5 km（d02层）、4.5 km（d03层）和1.5 km（d04层）；垂直方向上分为35层，模式顶的气压为50 hPa，研究区域为最内层区域，基本涵盖此次强对流在南岭前后的发展过程，设置的格点数为694×574，每30分钟输出一次。

图2 WRF模式四重嵌套的模拟区域Fig. 2 Nesting area of WRF model

在d01和d02层中，保留了次网格尺度的浅对流Kain-Fritsch（new Eta）积云对流参数化方案（马严枝等，2012），而在d03和d04层中由于分辨率比较高则关掉了Kain-Fritsch （new Eta）积云对流参数化方案；辐射方案采用的Dudhia 短波辐射方案、RRTM长波辐射方案，微物理方案采用WSM 5类冰雹方案，近地面方案采用Monin-Obukhov方案，陆面过程为Noah陆面过程方案，边界层方案为YSU方案（王林等，2021）。

为了更好地研究南岭地形对本次飑线升尺度过程的影响，针对南岭的地形（图3），设计了对照试验（Reference Experiment，也可以理解为“参考试验”或者“基准试验”）和敏感性试验。对照试验命名为RE，采用了实际的地形高度。另外，定义南岭山峰的高度为山峰的海拔高度减去周围平原的海拔高度，设计三组敏感性试验：（1）ZE试验：将南岭山峰抹去，南岭山峰的高度变为零，意思就是把山峰的海拔高度，降至200 m，和周围平原的海拔高度基本相当；（2）ZFE试验：在此，先将南岭山峰的高度减少为实际山峰高度的0.5倍；（3）OFE试验：将南岭山峰高度增加为原来实际山峰高度的1.5倍。

图3 理想试验地形高度（单位：m）及敏感性试验区域（虚线框代表南岭区域，下同）：（a）ZE试验；（b）ZFE试验；（c）RE试验；（d）OFE试验Fig. 3 Ideal terrain (units: m) and area of sensitivity tests (dashed frame: Nanling Mountains, the same below): (a) ZE test; (b) ZFE test; (c) RE test;(d) OFE test

3 模拟结果的检验

图4给出了气象信息中心的自动站与CMORPH融合的逐小时降水量的网格资料的24小时降水与对照试验做对比。可以看出，对照试验较好地模拟出了降水位置、走向和中心。降水的中心主要有两个，一个位于广东和广西省中部以及福建南部，另一个位于江西中部以及江西与福建北部交界处，模拟的降水场大值区较实况稍微偏大。总的来看，模拟的降水场较好的反映了实况。

图4 2016年4月12日06:00至13日06:00（a）实况和（b）对照试验的24 h降水量（阴影，单位：mm）分布Fig. 4 Distributions of (a) observed and (b) simulated precipitation (shaded, units: mm) from 0600 UTC 12 to 0600 UTC 13 April 2016

图5是模拟的雷达组合反射率图，通过对比观测和模拟，16:00（图5a）可以看出在广西中北部和广东北部都有强对流出现，但是广西境内的对流范围比较大，而广东北部的对流范围小，呈现零散的分布，强度上和实况观测的也相当。紧接着，广西境内的对流开始向东南移动，翻越南岭，移动过程中层状云范围减少，对流云呈线状，具有了β尺度的飑线结构。而广东北部南岭上的对流在下山的过程中迅速发展，强对流的面积增大，由散乱的γ尺度对流单体演变成了具有单体、线状对流和块状并存的复合对流系统（图5b）。随后，广东北部的复合的对流系统也形成了一个β尺度的飑线，并且和从广西移来的飑线合并，形成了α中尺度的飑线（图5c）。之后α中尺度的飑线继续南移并加强，具有更明显的强的对流线，并且出现了弓状回波（图5d–f）。由以上分析可以看出，本次模拟的飑线的位置、强度和范围和实况（图1）较为接近，可以做进一步的分析。

图5 同图1，但为模式模拟雷达组合反射率因子Fig. 5 Same as Fig. 1, but for simulated combined radar reflectivity

4 模拟结果分析

4.1 地形对飑线形态的影响

通过对雷达回波演变分析得到，在经过南岭之前（图略），4组试验均有较多的对流单体生成，对流云团的分布主要有两块区域，一部分位于广西中部，面积比较大，还有一小部分位于广东和广西交界处，比较分散 。经过南岭前，几组试验中，ZFE试验和RE试验中，两广交界处的对流比较多（图略）。17:00（图6a–a3），原两广交界处的对流已经上山，对流单体的数量各不相同，RE试验和ZFE试验对流单体数较多，且范围比上山前更大，而ZE试验和OFE试验对流有所减弱。此外，原广西中部的南北向的对流线在南岭北侧断裂并减弱。过山后（图6b–b3），4组试验的对流都得到进一步的发展，形成水平尺度比较大的线状对流，强对流线非常明显。但是，从飑线的宽度、内部对流单体数量和组织结构上，ZFE试验和RE试验均优于另外两组。通过以上的分析，强对流在过山前有减弱趋势，而在过山后有明显加强，40 dBZ以上的回波面积扩大，并且更有组织，有明显的α中尺度飑线结构。同时，地形的敏感性试验也可以看出，在改变地形高度的情况下，增加和减少地形高度对飑线的发展也是有较大影响的，尤其是地形过高时对飑线前期的对流的范围和强度削弱作用更明显。

图6 （a, b）ZE试验、（a1, b1）ZFE试验、（a2, b2）RE试验和（a3, b3）OFE试验模拟的2016年4月12日17:00（第一行）和21:00（第二行）的雷达回波（阴影，单位：dBZ）Fig. 6 Simulated radar reflectivity (shaded, units: dBZ) respectively by (a, b) ZE test, (a1, b1) ZFE test, (a2, b2) RE test, and (a3, b3) OFE test at 1700 UTC (top line) and 2100 UTC (bottom line) 12 April 2016

4.2 地形对风场和散度场的影响

图7是2016年4月12日18:00的对照试验和敏感性试验模拟的850 hPa风场和散度场分布，图8是敏感性试验散度场减去对照试验散度场得到的三组散度场差值，比较清楚展示了南岭地形改变后低层气流运动的改变。可以看出，对照试验（图7c），飑线发展期间，广东和广西地区主要受西南气流的影响，广西中北部和广东北部存在辐合区（图7g），尤其在广西中部地区辐合最强，从风场上也可以看到存在风速和风向的辐合。同时广东和广西南部的气流也达到急流的量级，江西的中南部也存在一支低空急流，并且左侧有气旋式环流，分别对水汽的输送和低层暖湿空气的抬升非常有利。在ZFE试验中（图7b），地形高度降低后，山脉的阻挡作用减弱，江西中部急流强度有所减弱，但是广东和广西南部的急流范围扩大，急流有所北进。从散度场上看，广西北部辐合减弱（图7f）。从散度场差值上看（图8b），主体的辐合区域（即黑框区域）有明显的增强，出现带状连续的辐合加强区。在ZE试验中（图7a），消除地形后，急流又进一步北抬，暖湿空气没有了山脉的阻挡，得以继续向内陆延伸。从散度上看，辐合区在广西北部重新增强（图7e）。从散度场差值看（图8a），带状连续的辐合加强区断裂，分成了三部分，强度也有不同程度减弱。OFE试验中（图7d），南岭地形抬高后，广东和广西南部急流减弱南移，江西中南部急流强度和范围与ZE试验和ZFE试验差别不明显。从散度上（图7h），可以看出地形高度过高，广西中北部和广东北部辐合区面积比对照试验减少且强度也减弱。从散度场的差值上看（图8c），主体辐合区出现更明显的减弱，辐合的加强区进一步缩小，辐散区面积扩大。

图7 2016年4月12日18:00（a, e）ZE试验、（b, f）ZFE试验、（c, g）RE试验和（d, h）OFE试验模拟的850 hPa风场（第一行，单位：m s−1）和散度场（第二行，单位：10−5 s−1）。（a–d）中阴影区为风速大于12 m s−1的急流区Fig. 7 Simulated 850 hPa wind field (top line, units: m s−1) and divergence field (bottom line, units: 10−5 s−1) by (a, e) ZE test, (b, f) ZFE test, (c, g)RE test, and (d, h) OFE test at 1800 UTC 12 April 2016. Shadows in (a–d) for the jet with wind speed more than 12 m s−1

图8 2016年4月12日18:00模拟的敏感性试验与对照试验在850 hPa高度上散度场的差值（阴影，单位：10−5 s−1）：（a）ZE减去RE试验结果；（b）ZFE减去RE试验结果；（c）OFE减去RE试验结果。黑色椭圆形框代表飑线的位置Fig. 8 Difference in the divergence between simulated 850 hPa sensitivity tests and the control test（shaded, units: 10−5 s−1) at 1800 UTC on April 12, 2016: (a) ZE minus RE; (b) ZFE minus RE; (c) OFE minus RE；The black oval represent the position of the squall lines

4.3 地形对水汽场的影响

在强对流发生发展的过程中，水汽条件是强对流发展不可或缺的条件，没有足够的水汽无法形成对流云团（孙密娜等, 2020）。除此之外，水汽条件也可以增加位势不稳定性，当有天气尺度系统或者中尺度系统触发上升运动后，水汽的凝结潜热的释放也是有利于促进对流的进一步发展（翟少婧,2021）。从水汽通量上看（图9），水汽通量的大值区基本分布在广东、广西、江西中南部和福建北部，与低空急流的位置是一致的（图7）。从四组试验中，可以看到地形的改变影响到了江西中部和广东北部水汽通量强度和分布。从四组试验的水汽通量可以发现，由无地形到地形增加为原来的1.5倍，在（24°～26°N，112°～114°E）区域内，水汽通量依次减弱，24°N以南区域水汽通量大小分布基本一样。此外，江西中南部存在水汽通量较大的区域，与江西中南部低空急流的位置对应，几组试验中，RE试验在江西中部水汽通量大值区面积较大。从水汽通量散度上看，在广东南部沿海地区存在水汽辐合区，另外在广东北部和广西北部地区也存在水汽的辐合区，而且辐合强度比沿海要强，最大中心可以达到8×10−6g hPa−1cm−2s−1（图10）。从无地形到有地形的过程中，在广东和广西南部的水汽的位置和面积基本变化不大，但是在两广北部及其边界附近水汽通量的辐合区面积和强度存在差别。四组试验还可以看到，在广西北部存在一个水汽通量散度负的大值区，这里正是飑线初始对流的一个起点，同时在广东北部也有比较大的水汽通量辐合区，呈带状分布（图10a–c）。由ZE试验到RE试验（图10a–c），广西北部的水汽通量辐合正的大值区有一定减弱。另外，从图10c到图10d，广东北部的水汽通量辐合中心也在减弱。由此可见，南岭在水汽通量及其散度的分布和强度上具有重要影响，如果没有南岭的存在，对流云团的强度和分布会发生变化。

图9 2016年4月12日17:00（a）ZE试验、（b）ZFE试验、（c）RE试验和（d）OFE试验模拟的850 hPa水汽通量（箭头和阴影，单位：g hPa−1 cm−1 s−1）Fig. 9 Simulated 850 hPa water vapor flux (arrows and shaded, units: g hPa−1 cm−1 s−1) at 1700 UTC 12 April 2016: (a) ZE test; (b) ZFE test; (c) RE test; (d) OFE test

图10 同图9，但为水汽通量散度（阴影，单位：10−6 g hPa−1 cm−2 s−1）Fig. 10 Same as Fig. 9, but for water vapor flux divergence (shaded, units: 10−6 g hPa−1 cm−2 s−1)

4.4 地形对垂直运动和不稳定性的影响

为了研究南岭地形对此次华南飑线的升尺度发展的影响，绘制了沿（26°N，110°E）到（23°N，115°E）方向上（图3c中直线AB）的假相当位温和垂直运动的垂直剖面图。从RE试验（图11c）可以看出，在112°E以东对流层低层存在多个对流比较活跃的区域，并且存在较多的假相当位温闭合区，低层的假相当位温也明显偏高，说明广东省的水汽和热量条件充足，适宜强对流的发展。而112°E以西的区域低层对流活动不活跃，但是111.1°～111.7°E之间6～10 km存在大范围的活跃上升运动，一方面可能是地形抬升导致的上升运动，另一方面是由于存在弱的不稳定性。从ZE试验和ZFE试验可以看出，地形进行降低和抹平之后，111.1°～111.7°E之间6～10 km的对流活跃区变窄，强度也出现了减弱，ZE试验相对来说对流减弱的更明显。与RE试验相比，ZE试验和ZFE试验假相当位温的闭合区域分布基本变化不大，低层的假相当位温梯度基本相同，112°E以东的低层假相当位温梯度都比较大，而112°E以西假相当位温梯度小。当地形按比例增加后（图11d），明显发现原本在对照试验中111.1°～111.7°E之间6～10 km的活跃的对流区扩大，在112.2°E处的深厚的对流减弱，114.4°E低层垂直运动也减弱，可能是由于地形抬升以后，高层气流在前部发生剧烈的抬升（钟敏等, 2020; 张宏芳等, 2020），而低层的气流主要以绕流为主。从图11d还可以看到，地形抬升以后110.6°E这个位置中层的闭合假相当位温中心消失，113.3°E附近对应的低层的假相当位温梯度减小。

图11 2016年4月12日18:00模式模拟的假相位温线（θse，等值线，间隔：4 K）和垂直运动速度（阴影，单位：m s−1）过图3c中直线AB的垂直剖面（垂直速度扩大20倍）：（a）ZE试验；（b）ZFE试验；（c）RE试验；（d）OFE试验Fig. 11 Simulated pseudo-equivalent potential temperature θse (isoline, interval: 4 K) and vertical velocity (shadings, units: m s−1) along AB straight line at 1800 UTC April 12, 2016 (vertical wind speed enlarged 20 times): (a) ZE test; (b) ZFE test; (c) RE test; (d) OFE test

通过以上分析可以发现，地形的作用可以改变垂直运动的分布和强度，地形整体变高后中高层运动明显加强，而对不稳定层结分布影响比较小。

4.5 地形对低层垂直风切变的影响

一般来说，强对流的发展离不开垂直风切变，较强的垂直风切变可以带走高空的热量，维持垂直方向的不稳定，同时也可以维持强对流前部的上升气流和尾部的下沉运动（姚晨等, 2013; 郑淋淋和孙建华, 2016; 吴紫煜等, 2016）。通常使用的比较多的有0～3 km的低层垂直风切变和0～6 km的中低层的垂直切变，一般0～3 km的垂直风切变对飑线的组织和发展作用最大（Fovell et al., 1998; Weisman et al., 2004）。图12为19:00的0.5～3 km的垂直风切变和雷达组合反射率，此时飑线处于β中尺度的飑线。为了更好的研究地形对垂直风切变的影响，我们把未合并的两部分对流分开研究。在ZE试验中，d1中的最大垂直切变在28 m s−1，d2中的最大垂直风切变在20 m s−1（图12a）。在ZFE试验中，地形减去一半后，d1区域切变减弱为20 m s−1，d2区域最大垂直切变仍为20 m s−1，但是部分区域切变有减弱（图12b）。RE试验相比ZFE试验，虽然最大切变值不变，但是局部垂直风切变进一步减弱（图12c）。当地形高度抬升（图12d），发现垂直风切变进一步减弱，两个区域的最大值都只有16 m s−1，有的地方垂直风切变甚至消失。综合四组试验，d1区域对流云团受垂直风切变改变的影响不如d2区域明显，可能d1区地面存在辐合中心（图7e–h），即使切变有一定的减弱依然可以维持对流存在。以上可以看出南岭地形的改变对华南地区垂直风切变有明显的影响，南岭地形过高对垂直风切变有一定的抑制作用，从而对强对流的系统的组织和发展不利。

图12 2016年4月12日19:00 模拟的雷达组合反射率（阴影，单位：dBZ）和0.5～3 km垂直风切变（风羽，单位：m s−1）分布：（a）ZE试验；（b）ZFE试验；（c）RE试验；（d）OFE 试验。椭圆D1和椭圆D2表示β中尺度飑线的位置Fig. 12 Distributions of simulated combined radar reflectivity (shaded, units: dBZ) and 0.5–3 km vertical wind shear (barbs, units: m s−1) at 1900 UTC April 12, 2016: (a) ZE test; (b) ZFE test; (c) RE test; (d) OFE test. The oval d1 and the oval d2 represent the position of meso-β-scale squal lines

5 总结与讨论

本文利用NCEP/NCAR再分析资料以及中尺度WRF数值模式对2016年4月13日华南地区的一次飑线升尺度过程进行模拟，并通过地形敏感度试验分析了南岭地形对华南飑线的发生发展的影响，发现地形改变后，华南地区的水平风场、垂直运动、水汽条件、假相当位温和垂直风切变都有明显的变化，地形通过直接影响相关的气象要素，从而间接影响了飑线的形态和强度，并得到了以下的结论：

（1）总的来看，强对流在过山后比过山前发展要强烈，水平的尺度增长较大。但是，不同高度的地形敏感度试验表明，地形过高和过低对于飑线对流的发展都是不利的，不利于对流风暴单体的产生。因此，适宜的地形高度（500～1000 m）对于风暴的发展更有利。

（2）从850 hPa风场，南岭地形对华南地区的急流北进起到了阻挡作用，地形越高，对急流北进阻碍越大。但是江西中南部的急流却增强，可能是由于地形的阻挡，气流绕流增加，动量集中，因此在江西中南部的急流会随着地形高度增加而增强。在散度场上，无地形试验中广西中北部辐合最强，1.5倍地形高度试验在广东北部的辐合最弱，可能高大地形使得气流绕流明显。

（3）从850 hPa的水汽通量和水汽通量散度上看，南岭地形对局部地区的水汽输送有重要影响，（24°～26°N，112°～114°E）区域内水汽通量随地形高度增加是减弱的。无地形到真实高度，广西北部的水汽通量辐合在减弱，而广东北部水汽通量辐合由无地形到加高地形过程中一直减弱，各区域水汽通量和通量散度的变化较好的反映了对流的分布。

（4）地形变高以后，垂直运动是显著加强的，而不稳定层结的分布变化不大。另外，垂直风切变对地形的改变比较敏感，地形过高会使垂直风切变减弱。

最后要说明的是，本文设置了实际山峰高度的对照试验以及无山峰高度、半山峰高度和1.5倍山峰高度等三组敏感性试验，得到了一些研究结果。为了更加细致地分析地形的作用，另外还做了0.25倍山峰高度、0.75倍山峰高度以及1.25倍山峰高度等三组敏感性试验。从敏感性试验结果来看，补充的三组敏感性试验结果和原来的试验结果一致。尽管山峰高度做了进一步的细化，但是气象要素场的分布具有相似特征，得出的结论是一样的，在此就不再赘述了。