初值场水汽含量对华南飑线升尺度增长过程的影响研究

沈新勇，张笑妍，黄伟，盛杰，李小凡，翟国庆

(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.浙江省岱山县气象局,岱山 316200；3.国家气象中心，北京 100081；4.浙江大学地球科学学院，杭州 310027)

引言

飑线是一种由雷暴单体侧向排列而成的传播性线状激烈对流，其水平尺度在几十到几百千米，一般可持续4～10 h。飑线的发生通常会伴随着地面风向、气温、气压等气象要素的突变现象，所经之处会带来强风、雷暴、暴雨和冰雹等强对流天气。由于飑线的突发性强，持续时间短，造成的灾害性严重，往往给人们的生产生活带来严重威胁，因此一直是预报的重点和难点。

20 世纪中期对飑线系统的研究已经开始，Fujita(1955，1963)详细总结了飑线系统的天气学结构模型，将飑线的生命期分为五个阶段，并指出飑线系统发展时常伴随的气压场变化。Haertel 和Johnson(2000)的研究将飑线内层状云降水导致的低层降温与中高压和尾流低压相联系。Parker和Johnson(2000)按照飑线的发展过程将其组织形态分为尾部层状云型、前部层状云型和平行层状云型。Fujita(1978)指出，由于强后部入流的存在，飑线的雷达回波通常表现为“弓形”结构。Smull和Houze(1985，1987)认为后部干冷空气入流将给下沉气流带来较高的动量，并增强冷池的强度。但随着飑线的发展后部入流也会导致系统的衰亡，较强的后侧入流下沉，阻碍了前部低层暖湿空气供应，使系统强度减弱(Yin et al.，2018)。还有研究表明，地面冷池强度和低层垂直风切变的动态平衡是维持飑线结构的重要因子，即“RKW 理论”(Rotunno et al.，1988；Weisman and Rotunno，2004；Stensrud et al.，2005)。环境场也影响着飑线的形成过程，丁一汇等(1982)统计了我国18 次飑线过程，按照其发展的环流背景特点，将飑线分为槽前型、槽后型、高后型、倒槽型四种类型。Meng等(2013)指出，相较于美国，我国东部地区的飑线过程更容易发生在更弱、更湿的环境条件中。樊李苗和俞小鼎(2013)总结了易发生飑线的环境参数特征。沈新勇等(2016)研究表明边界层的热量输送、感热、潜热均会影响飑线的发展过程。王林等(2021)也认为较强的后部入流会使得飑线内部垂直运动加强，促进飑线发展。随着模式的发展，一些研究通过数值试验探究影响飑线的其他环境因素。Takemi (2007)通过数值试验证明了静力稳定性将显著影响中尺度对流系统的组织方式，同时指出大气可降水量和对流有效位能(CAPE)大小决定飑线的强度和组织性。陈明轩和王迎春(2012)利用三维数值云模式，证实了“RKW理论”在我国华北地区一次飑线过程中的适用性。朱娟等(2022)对发生在盛夏季节的一次飑线过程进行数值模拟，证明其内部存在多尺度系统相互作用，从热力、动力的角度影响飑线的过程。竹利等(2018)对发生在川北地区一次飑线的成熟阶段进行研究，证实后部入流急流与冷池、地面大风存在密切关系。屈梅芳等(2021)研究发现，在垂直风切变较小的情况下，当地面辐合抬升作用强并配合有后部干冷入流时，仍有较强的飑线生成发展。同时，也有部分研究表明水汽条件对飑线也有着重要影响。张弛等(2019)采用CM1模式模拟了一次东北冷涡飑线，提出了在东北冷涡背景下一般飑线形成的条件，以及温度和水汽对其产生的影响。刘靓珂等(2018)利用CM1模式对水汽方程中的各项因子进行尺度分析，结果发现飑线发生过程中，水汽输送及系统内部的垂直运动很大程度上影响对流的发展。孙建华等(2014)通过水汽数值试验指出，在上干下湿条件下发生的线状对流强度更强，对应的雷暴高压也更强，但对流系统并不能长时间维持。张建军等(2016)进行了多种环境条件的数值试验，结果显示低层环境垂直风切变影响飑线的移动速度和飑线的系统强度，水汽会影响飑线内的垂直速度。

目前，对于水汽影响飑线过程的研究集中在中纬度地区较干环境条件下，主要关注水汽含量对飑线成熟阶段强度和结构的影响，而我国华南地区位临西北太平洋，受季风的影响常有水汽向北输送，因此中低层往往水汽含量较高。为了探究华南飑线短时间内尺度迅速发展与充足的中低层水汽的关系，本文针对发生在华南地区的一次升尺度飑线过程进行数值模拟，从而分析其尺度增长机制，并在此基础上改变不同层次的水汽含量进行水汽数值试验，探讨水汽及其垂直分布对华南飑线发展阶段尺度增长过程的影响，以期提高对突发飑线的预报水平。

1 资料与模拟方案设计

1.1 资料说明

本文使用的资料包括：2020年5月11日08时—12日08 时(北京时，下同)6 min 间隔的全国雷达组合反射率数据、12 h间隔的站点探空数据；5月11—12日美国国家环境预报中心(NCEP)提供的分辨率为1°×1°6 h 间隔的FNL 全球再分析资料、欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的分辨率为0.25°×0.25°6 h间隔的ERA5再分析资料。

1.2 模式配置

本文选用NCEP和美国国家大气研究中心(NCAR)等机构合作研发的中尺度高分辨率非静力天气预报模式WRF 4.0 版本对该过程进行数值模拟，模拟嵌套设置为四层(图1)，网格距从最外层到最内层分别取为27、9、3 和1 km，每一层格点数分别为100×90，226×190，514×430 和1198×838，采用双向嵌套方案。模拟区域中心为(111.81°E，24.76°N)，垂直方向上的层数设置为34层，模式层顶为50 hPa。数值模式模拟设置的参数化方案如下：微物理过程方案采用WSM6类冰雹方案，积云参数化方案外两层采用Betts-Miller-Janjic方案，内两层不使用积云参数化方案，陆面过程采用Noah Land Surface Model 方案，长波辐射方案采用RRTM 方案，短波辐射方案采用MM5 shortwave(Dudhia)方案，边界层方案采用YSU PBL 方案。模拟时段为2020 年5 月11 日02 时—12 日02 时，共积分24 h。模拟采用的初始场为NCEP 分辨率1°×1°的FNL 资料与ECMWF分辨率0.25°×0.25°的ERA5资料。

图1 数值模式选取的模拟区域(d01—d04分别表示第1—4层模拟嵌套)Fig.1 Area selected for model simulation(d01-d04 represents the simulation nesting of layers 1-4,respectively)

1.3 模式初值场

模拟试验发现，单独使用FNL资料不能很好地模拟飑线第一次后向新生的升尺度过程，暖区分散对流单体强度也较小。只使用ERA5资料，甚至只能模拟出一些分散对流单体，不能很好地模拟出飑线的线性结构(图略)。在飑线的模拟中，初始场水汽很大程度上影响系统中的最大上升运动强度和地面大风，从而影响最后的模拟效果(Wandishin et al.，2008)，特别是华南地区春夏温度回暖时，偏南风将南海大量的水汽运输至大陆，因此水汽可能是华南飑线短时间内尺度迅速增长的重要因素。已有试验表明在对华南飑线的模拟中，初始水汽场中ERA5再分析资料占比越大，飑线模拟越接近实况(鲁蓉等，2019)。分析两种资料在2020 年5月11日的大气可降水量表明，其差值在广东和广西的交界处最大(图2)，而此处正是飑线发展且尺度增长的区域。由于FNL与ERA5资料中的水汽场存在较大差异，而有研究认为ERA5再分析资料中，低层温度场和湿度场更接近于实际观测(朱彦良等，2012；支星等，2014)，为了让水汽条件更接近于实况以便于进行水汽模拟试验，且使得模拟效果达到最好，截取ERA5资料中与FNL 资料相同层次的水汽变量作为模式模拟的初始水汽场，而其他变量则来自于FNL资料。

1.4 水汽试验设计

为了探究这次短时间内尺度迅速增长的飑线过程中水汽条件起到的作用，将上述模拟结果定义为控制试验(CTRL)，其他设定保持不变，在此基础上修改初始场的水汽含量，设计一系列敏感性试验。此次华南飑线过程中低层的水汽充足，为了研究不同层次水汽对其升尺度增长过程的影响，分别将对流层低层(850 hPa以下)的比湿修改为原来的90%和110%，设置为试验LQ90 和LQ110；分别将对流层中层(500—700 hPa)的比湿修改至原来的90%和110%，设置为试验MQ90和MQ110。

2 天气个例实况

2020 年5 月11 日下午，弱冷空气南下越过南岭，在两广一带与暖湿空气相遇，产生大范围雷暴大风及降雨天气。傍晚时分，部分站点出现了短时强降水和雷雨大风天气，伴有8～10 级瞬时大风，其中佛山高明区荷城街道小时降水量达到70 mm，多地观测到闪电发生。此次雷暴天气主要由在华南地区形成的一次强飑线过程引起，历时9 h，给广东省带来较大的影响。分析实况雷达回波图(图3)可知，5 月11 日13 时(图3a)，对流在广西东北部形成，对流单体呈线状排列，中心强度达到45 dBz 以上，14 时(图3b)其南部对流单体不断新生，于15时增长为α中尺度飑线(图3c)。同时，在广西南部以及广东沿海地区一带有分散的对流单体存在。随着飑线向东南方向移动，暖区分散对流单体也逐渐发展。到16时(图3d)，飑线移至两广交界处，并与广西南部的对流单体合并，形成一条东北—西南走向的中α尺度飑线系统。飑线主体继续向东南方向移动，同时线性结构更加显著，到17 时(图3e)，飑线长度达700～800 km，且弓形结构更加明显，系统强度达到强盛状态。随着飑线继续南移，其北部部分逐渐与广东沿海地区的对流单体汇合，整个对流系统尺度继续增大，并逐渐形成“人字形”回波(图3f)。到19时(图略)，飑线北部及其尾部的对流逐渐发生断裂，随后飑线的线状结构逐渐消散，强度也开始减弱。

图3 观测的2020年5月11日13时(a)、14时(b)、15时(c)、16时(d)、17时(e)、18时(f)华南地区雷达组合反射率(单位:dBz)Fig.3 Observed composite radar reflectivity in South China at(a)13∶00 BT,(b)14∶00 BT,(c)15∶00 BT,(d)16∶00 BT,(e)17∶00 BT,(f)18∶00 BT on 11 May 2020(unit:dBz)

3 大气环流和环境参数

3.1 大气环流

由NCEP 1°×1°的FNL 资料分析可知，对流发生前，华中地区高空200 hPa 上(图4a)存在一个风速急流带，而两广地区均位于急流入口区右侧，有正涡度平流，故存在高空辐散，有利于空气垂直上升运动。500 hPa中层(图4b)两广一带位于副热带高压(以下简称副高)边缘，随着副高南撤，飑线也向东南移动(漆梁波和陈永林，2004)。850 hPa上(图4c)沿海地区位于槽前西南暖湿气流中，风速虽未达到急流水平，但有较强暖湿平流叠加至高空弱冷平流之下，有利于位势不稳定层结的建立和维持。在广东、广西地区北部存在东北—西南向冷式切变，有冷暖空气的辐合。在地面(图4d)有一倒槽伸至两广一带，同时存在一地面辐合带，附近的空气辐合抬升，有利于飑线的触发。整体来看，此次过程的大气环流高低层配合较好，为飑线过程的发生提供了不稳定能量积累和抬升条件。

图4 2020年5月11日08时200 hPa高度场(蓝线,单位:dagpm)、风速场(阴影,单位:m·s-1)和温度场(红线,单位:°C)(a),500 hPa高度场(蓝线,单位:dagpm)和温度场(红线,单位:°C)(b),850 hPa高度场(蓝线,单位:dagpm)、温度场(红线,单位:°C)和风场(c)(矢量,单位:m·s-1,一杆代表风速为12 m·s-1),以及地面气压场(蓝线,单位:dagpm)、温度场(红线,单位:°C)和风场(d)(矢量,单位:m·s-1,一杆代表风速为5 m·s-1)。图4b、c、d中H代表高压中心，L代表低压中心Fig.4 (a)Geopotential height(blue line,unit:dagpm),horizontal wind(shaded,unit:m·s-1),and temperature(red line,unit:°C)at 200 hPa,(b)geopotential height(blue line,unit:dagpm)and temperature(red line,unit:°C)at 500 hPa,(c)geopotential height(blue line,unit:dagpm),temperature(red line,unit:°C),and wind field at 850 hPa(vector,unit:m·s-1,the wind bar represents 12 m·s-1),(d)surface level pressure(blue line,unit:dagpm),temperature(red line,unit:°C),and wind field(vector,unit:m·s-1,the wind bar represents 5 m·s-1)at 08∶00 BT on 11 May 2020.The H and L in the diagram stand for the high pressure center and low pressure center in Fig.4b,Fig.4c,Fig.4d

3.2 环境参数

图5 为清远站和河源站2020 年5 月11 日14 时温度对数压力图，从中可见，清远站500 hPa以下大气中温度露点差较低，水汽几乎达到饱和，而500 hPa以上迅速变干。河源站700 hPa以下中低层大气水汽含量较高，也大致形成上干下湿的不稳定层结，有利于对流发生。两站近地面附近存在一个干空气层，这可能是由于飑线系统中的垂直运动较强，高空干冷气流下沉而形成。清远站CAPE 值达到4 408.8 J·kg-1，河源站为2 424.7 J·kg-1，不稳定能量较高，自由对流高度(LFC)接近地面，较低LFC 也更有利于对流生成发展。此外，两站3 km 以下均有较大的垂直风切变，这种较大垂直风切变、大CAPE 值及上干冷下湿暖的垂直不稳定层结有利于飑线的形成和发展(丁一汇等，1982)。

图5 2020年5月11日14∶00清远站(a)和河源站(b)T-logp图Fig.5 T-logp diagram at(a)Qingyuan station and(b)Heyuan station at 14∶00 BT on 11 May 2020

4 数值模拟及验证

将模拟的雷达组合反射率与实况进行对比，检验此次飑线的模拟效果。从模拟场(图6)可见，11 日11时(图6a)广西东北部已经形成线性对流，同时东南沿海存在分散对流，强度比实况略强，范围也更大。随后分散对流发展，形成几个块状对流(图6b—e)，于17时(图6f)与飑线前部汇合形成了“人”字形回波，雷达组合反射率的范围和形状与实况基本一致。整体来看，模拟的飑线虽比实况早发生2 h，移动速度比实况稍快，但二者的移动路径大致相同，生命周期一致，强度和形状及影响范围相差不大，仅在部分地区的强度有所差异，因此模拟较好还原了飑线的发展和成熟阶段。

5 水汽试验结果

5.1 飑线演变特征

此次过程为一次较为典型的冷锋前飑线南下过程，为研究水汽含量对飑线升尺度增长过程中不同阶段的影响，结合实况和模拟结果，将此次飑线的生命历程划分为形成阶段(11—12 时)、发展阶段(13—15时)、成熟阶段(16—18 时)和消亡阶段(19—21 时)。飑线分别经历了后向新生(发展阶段)及与暖区对流合并(成熟阶段)这两个升尺度过程，最后开始消亡。当水汽条件改变后，飑线系统的移速和强度均有所不同。表1 给出观测及各试验中飑线形成、发展、成熟、消亡阶段时间划分。分析可知，CTRL 飑线过程比实况早2 h，与CTRL相比，低层水汽减小后，飑线生成减慢约1 h，消散加快，反之，飑线生成更早，维持时间更长。而减小中层水汽后飑线形成过程与减小低层水汽时相差不大，但飑线维持的时间更长，增加中层水汽对飑线生命历程影响较小。

表1 观测及各试验中飑线形成、发展、成熟、消亡阶段时间划分Table 1 The time division of formation,development,maturity,and decay stages of squall line during different experiments

5.2 飑线强度、组织结构特征

对比发现水汽条件的改变会影响飑线的生命历程，为进一步探究水汽是否会对其强度和组织形态产生影响，图7 给出各试验中飑线不同阶段雷达反射率及地面大风、降水，图8 为地面扰动气压和地面10 m风场，分别展示了不同水汽条件下飑线各个阶段的组织形态、扰动气压场及伴随的天气现象。

图7 CTRL(a,f,k,p)、MQ110(b,g,l,q)、MQ90(c,h,m,r)、LQ90(d,i,n,s)、LQ110(e,j,o,t)试验飑线形成阶段(a—e)、发展阶段(f—j)、成熟阶段(k—o)、消亡阶段(p—t)的雷达组合反射率因子(阴影,单位:dBz)、地面10 m大于10 m·s-1大风(蓝色箭头)和≥20 mm·h-1降水量(黑色实线,单位:mm·h-1)(黑色直线代表图11中剖面线位置)Fig.7 The composite radar reflectivity(shaded,unit:dBz)，≥10 m·s-1 wind at 10 m above ground(blue vector),≥20 mm·h-1 precipitation(black solid line,unit:mm)in(a-e)formation,(f-j)development,(k-o)maturity and(p-t)decay stages in(a,f,k,p)CTRL,(b,g,l,q)LQ90,(c,h,m,r)LQ110,(d,i,n,s)MQ90,(e,j,o,t)MQ110 experiments.The black line represents the location of the cross-section in Fig.11

5.2.1 形成阶段

分析形成阶段的特征(图7a)可知，块状对流首先在广西东北部触发，随后向南移动逐渐形成飑线，同时广东省有分散的较弱对流活动。LQ90 试验(图7d)和MQ90试验(图7c)比CTRL试验晚约1 h形成线状结构，且强度更小。LQ110 试验(图7e)中，飑线强度更强，后部层状云区范围更大，MQ110(图7b)中形成的对流与控制试验差别不大。

5.2.2 发展阶段

CTRL试验中对流发展，向南延伸至广西南部，于15时形成“弓状”回波带，在地面以吹向对流弓状结构的大风为主，风速达到10 m·s-1，部分地区小时降水量达到20 mm以上，同时广东省的分散对流单体的强度也有所增强(图7f)。飑线向东南引导气流方向移动，南部的西南暖气流与北部的东北冷气流在飑线后部相遇后空气辐合使得偏南暖湿气流被抬升，触发不稳定能量的释放，对流后向新生，飑线经历第一次尺度增长。扰动气压场(图8a)显示，负扰动气压主要集中在飑线以南暖湿气流中，而飑线中的扰动气压较小，并未形成明显的雷暴高压结构。

对比发现MQ110 试验(图7g)中对流强度及结构变化不大，但大风天气减弱。减少中层和低层水汽后(图7h、i)对流组织性不强，南部很快变为分散对流单体。其中LQ90试验中对流强度较小，未经历后向新生过程，同时前部暖区对流也较弱。MQ90试验中对流强度较强，已经形成了雷暴高压、飑前低压和尾流低压的结构，较强的飑前低压可能是因为对流在飑线前激起的对流中上层下沉运动增强(图8b)。同时在该处有短时强降水产生，其南部也有新生分散对流形成，但并未与飑线合并。但增加或减小水汽后飑线向前移动的速度几乎不变。LQ110 试验中(图7j)，增加低层水汽，暖区对流强度增强，已经与飑线前部对流相联结。地面大风减弱，地面负扰动气压范围更大(图8c)。

5.2.3 成熟阶段

CTRL试验中沿海一带暖区分散对流单体继续发展并逐渐聚集，合并为块状对流，同时飑线向东南移动并与前部块状对流结合，整体对流范围扩大，尺度进一步增长(图7k)。飑线南部地面向南的大风和对流中向北的大风形成辐合，降水强度增加，到17 时大于50 dBz的地区降水达到20 mm·h-1以上，出现短时强降水天气，此时尾流低压也发展至最强，形成尾流低压-雷暴高压-飑前低压的结构(图8d)。

MQ110(图7l)中回波强度变化不大，但降水强度增加。LQ110(图7o)与CTRL相比，暖区分散对流强度更强，飑线与其合并后尺度更大，强降水发生在其南部靠海地区。对比发现LQ90 和MQ90 试验的飑线生命历程相似(图7m、n)，随着对流向东南移动后与暖区对流合并，于18 时再次发展为线状结构，但由于水汽含量减少，其强度及水平尺度较小。其中减小中层水汽后对流强度更大，并形成了“弓形”结构，同时飑线北部有20 mm·h-1以上的短时强降水天气。MQ90 中雷暴高压强度也更强，而在LQ90 试验中雷暴高压及飑前低压强度更小，同时降水强度减小。LQ110 短时强降水范围较大，雷暴高压也较强(图8e、f、g)。

5.2.4 消亡阶段

到19 时CTRL 试验飑线中部发生断裂，南部对流强度减弱并向东南移动入海。同时飑线南部强降水减弱(图7p)。由降水的拖曳作用带来的下沉气流减弱，对应的绝热增温效应减小，使得尾流低压消失，逐渐转变为正的气压扰动(图8h)。

增加中层水汽后(图7q)，对流也从中部发生断裂，分散对流逐渐消散。LQ110(图7t)相较于CTRL，强回波区范围更大，且由于海上对流单体的存在，飑线断裂东移入海后仍能维持一段时间，强降水也集中在沿海一带，21 时才开始逐渐消散。图7r、s 对比发现LQ90试验中，18时起南部的对流迅速减弱，还未入海便转变为层状云区，地面转变为负变压，雷暴高压消失(图8i)。但MQ90 试验中，飑线维持的时间更长，直至19时仍有线性结构存在。

6 水汽影响飑线升尺度过程的原因

根据前文对飑线的模拟和改变水汽条件后对飑线发展过程和组织形态的分析，增加或减小各层水汽后，对对流强度、飑中系统的形成及尺度增长均产生较大影响，下面从动力、热力条件及垂直结构等方面进一步分析水汽影响飑线发展过程的原因。

6.1 最大对流有效位能

对流发生初期，系统内部的冷池和垂直风切变还未达到平衡状态时，较高CAPE 可促进飑线的发展和组织性增强，因此CAPE 是影响飑线发展的重要环境条件参数，CAPE值越大，可释放的不稳定能量越多，越容易激发对流，在模拟结果中用最大对流有效位能(MCAPE)表示。图9a为CTRL下飑线形成初期MCAPE值的分布，可见在飑线形成前期，其南部的MCAPE值在2 000 J·kg-1以上，达到发生强对流的条件，随着飑线南移到此处，利于对流向后新生，飑线尺度迅速增长。同时广东省南部的MCAPE达到3 000 J·kg-1以上，为东南沿海暖区分散对流的发展提供能量，暖区对流迅速增强，使得飑线后期与之合并后尺度进一步增加。

图9 CTRL(a)、MQ90(b)、MQ110(c)、LQ90(d)、LQ110(e)试验中2020年5月13时最大对流有效位能(MCAPE)(阴影,单位:J·kg-1)、地面10 m风场(箭头,单位:m·s-1)、20 g·kg-1水汽混合比等值线(蓝线,单位:g·kg-1)和30 dBz的雷达组合反射率因子(红线,单位:dBz)Fig.9 MCAPE(shaded,unit:J·kg-1),wind at 10 m above ground(vector,unit:m·s-1),20 g·kg-1 water vapor mixing ratio(blue line,unit:g·kg-1),the 30 dBz composite radar reflectivity(red line,unit:dBz)in(a)CTRL,(b)MQ90,(c)MQ110,(d)LQ90,(e)LQ110 experiments at 12∶00 BT on 11 May 2020

在水汽试验中，由图9a、b、c 对比可知MQ90 与MQ110 试验的MCAPE 值和地面风场与CTRL 试验差别不大，即保持低层湿度相同的情况下，改变中层水汽对对流有效位能积累的影响较小，因此飑线后部仍会形成新生对流单体。LQ110 的MCAPE 值大于3 500 J·kg-1的区域最大，对流不稳定能量最多，更快触发对流且对流强度更强，与模拟结果一致(图9e)，而LQ90中MCAPE值明显较小，因此对流形成更慢(图9d)。从地面风场来看，除LQ90试验以外，其他试验在MCAPE大值区均有显著的风场辐合，其中LQ110试验中风场辐合区更大，更有利于产生上升运动从而触发不稳定能量形成对流。结合MCAPE 值的分布和地面2 m 的20 g·kg-1水汽混合比等值线来看，MCAPE大值区与水汽高值区的分布是一致的，即MCAPE 随着水汽的增加而增加，因此增加低层水汽，有利于CAPE 的积累，从而能触发更强的初始对流。

6.2 低层垂直风切变

除了MCAPE 值外，低层垂直风切变也是影响飑线过程的重要因子(Bluestein and Jain，1985；王周鹤等，2020)。在具有强热力不稳定的环境中，垂直风切变较强时，对流内垂直运动增强，同时飑线系统更具有组织性，从而有助于延长生命期，发展为强对流天气。一般认为，0—6 km的垂直切变大于20 m·s-1认定为强切变环境，在飑线发展阶段，CTRL 试验中飑线及其后侧的1—3 km 风的垂直切变在12 m·s-1以上(图10a)，若按照线性变化推测0—6 km的垂直切变在20 m·s-1以上，适合强雷暴的发展。15 时飑线南部的垂直风切变最大达到22 m·s-1，且强切变区位于对流尾部右侧，产生流体动力学压力，有利于尾部新对流单体的生成，使得飑线发展，尺度增加。

图10 CTRL(a,e)、MQ90(b,f)、LQ90(c,g)、LQ110(d,h)试验中2020年5月15时(a—d)和18时(e—h)3 km的30 dBz雷达组合反射率因子(白色等值线,单位:dBz)、1—3 km垂直风切变(箭头,单位:m·s-1)及其垂直风切变大小(阴影,单位:m·s-1)Fig.10 The 30 dBz radar reflectivity at 3 km(white solid line,unit:dBz)，1-3 km wind shear(vector,unit:m·s-1),the value of the 1-3 km wind shear(shaded,unit:m·s-1)in(a,e)CTRL,(b,f)MQ90,(c,g)LQ90,(d,h)LQ110 experiments at 15∶00 BT and 18∶00 BT on 11 May 2020

改变水汽后，由于凝结潜热的释放及地面蒸发冷却效应等原因温度场发生变化，因此发生对流的地区垂直风切变有所不同，将影响飑线的维持和发展。研究证明(Thorpe et al.，1982；俞小鼎等，2012)，垂直于飑线的低层垂直风切变可以阻止雷暴下沉气流出流，从而更好的维持雷暴内的上升气流，延长飑线的生命史，并且有利于弓形回波的形成。图10b、c 表明发展阶段减小水汽的试验中，飑线后部垂直风切变方向与之近乎平行，对流分散为小的单体，从而很快消散，但MQ90与LQ90相比，18时飑线中段后部的切变方向更加垂直，飑线形成“弓形”结构(图10f、g)。LQ110 试验中，15 时位于飑线南部前沿的风切变更大，对流新生，风向也更垂直，后部新生对流与飑线结合，促进了其尺度增长。而成熟阶段飑线与前部分散对流合并后，其后部垂直切变较大，线性结构也得以维持(图10d、h)。上述试验证明，增加低层水汽后飑线尾部垂直风切变增强，有利于对流单体新生，且风向更加垂直于飑线，对流的组织性增强。反之，减小水汽后，低层垂直风切变与飑线更加平行，对流很快消散。但对于减小水汽的试验，当“中干下湿”时，飑线与南部对流合并后低层垂直风切变较大，且方向也更垂直于飑线，有利于形成“弓形”结构。

6.3 后部入流和垂直运动

由上述分析可知，水汽条件对飑线内部的垂直运动及地面冷池的形成有很大影响。为了更好地研究不同试验中飑线的发展机制，绘制了CTRL 试验、LQ110试验及MQ90试验中经飑线发展和成熟阶段对流中心(图7黑斜线)的垂直剖面(图略)。从CTRL试验可见，本次过程强对流系统较为深厚，其中30 dBz以上回波向上延伸至15 km处，最大回波强度达55 dBz。冷池前沿为整层上升运动，前侧有新生单体被激发。对流后部0—7 km有明显的后部入流，将干冷空气带入对流系统，云体中液态水蒸发加强，空气迅速冷却，产生强烈下沉，到达地面后向外辐散，形成雷暴大风。MQ90 试验中最大回波强度与控制试验相当，但大于40 dBz的对流核高度更低，水平尺度更大。减小中层空气湿度后，对流的后部入流增强，向上延伸至10 km处，且入流更加干冷，被卷入对流系统中后迅速下沉，到达地面后形成降温，-1 K变温线向上延伸至4 km处，形成的冷池强度比CTRL 试验略大。对流中4 km 以上为上升运动，运动方向向前倾斜，在上空形成大范围出流，不利于雷暴的维持。LQ110 试验中回波强度和范围与CTRL 试验相当，但垂直上升运动更强烈，高度达到16 km以上，大于40 dBz的对流核也伸展至16 km。飑线前部新生对流单体中上升运动更强烈，有利于其进一步发展并于后方对流结合，使得飑线尺度增长。

成熟阶段，CTRL试验低层存在前部入流，前后均有层状云区。LQ110试验的层状云区主要集中在对流后部，且范围较CTRL 试验更大，有较弱的下沉运动。大于40 dBz的对流核水平尺度更大且对流顶更高，垂直运动也更加强烈，-1 K 变温线向上延伸至5 km 处，地面冷池强度更强。MQ90 试验对流强度和水平尺度减小，对流核顶高度降低。垂直运动减弱，5 km以上为上升运动，且向对流前方倾斜。后部层状云区无明显下沉运动，产生的降水较少。上述分析说明，减小中层水汽后，对流强度减弱，回波顶高度降低。且发展阶段中后向入流增强，干冷空气迅速下沉形成向前的出流，形成大风天气。雷暴中的上升气流倾斜，使得对流组织性减弱并很快消散，16时后飑线逐渐分散为小的对流单体。增加低层水汽后，系统中的垂直运动更强，回波高度更高，且上升运动保持垂直，利于对流的长时间维持，对流后部层状云区范围更大，有利于产生降水。成熟阶段中下沉运动强烈，低层大气中的水汽蒸发冷却加强，导致地面冷池增强(图8g)。

7 结论与讨论

2020 年5 月11 日发生在华南地区的飑线过程产生了大范围的降水和雷暴天气，本文利用WRF模式进行高分辨率的模拟，很好再现了此次飑线的升尺度增长的过程。在此基础上改变低层和中层水汽，设计了一系列水汽试验，进一步探讨不同层次水汽改变对飑线强度、维持时间及尺度增长过程产生的影响，得到以下主要结论：

(1)此次飑线经历了后向新生、向南移动与前部对流合并的升尺度增长过程。对流形成在两广地区，位于高空急流入口区右侧，与地面倒槽相配合，同时有较强暖平流叠加至高空弱冷平流之下，为飑线过程的发生提供了不稳定能量积累和抬升条件。探空资料显示，飑线发生前主要站点的CAPE值高，低层垂直切变较大，容易发生强对流天气。

(2)飑线形成前期，对流南部及广东沿海地区MCAPE 值较大，利于暖区对流生成，飑线移至此处时再次发展，尺度迅速增长。同时低层垂直风切变较强，因此飑线可以较长时间维持线性结构。分析其垂直结构发现，对流后部有较强的后向入流，一方面增强对流中上升运动，一方面使得对流中水汽迅速蒸发，造成强烈下沉运动，利于对流的发展。

(3)不同层次水汽含量及其垂直分布对飑线的形成过程产生重要影响。“中干下湿”的环境(减小中层水汽或增加低层水汽)有利于对流的新生及雷暴高压的增强。低层水汽越多，MCAPE 值越大，地面风向辐合更加显著，飑线移动到此处时尺度快速增长且强度更强。飑线中垂直运动增强，对流云顶更高，对流后部层状云区范围更大，同时地面产生的冷池和雷暴高压强度也较强。低层水汽减小时，地面降水、对流的强度和范围均会减小，且很快消散。

(4)减小中层水汽时，对前期MCAPE值影响不大，仍有新生对流生成，但垂直风切变较小且垂直上升逆垂直风切变方向倾斜，新生对流产生后变为分散单体，后期与前部分散对流合并后才又重新发展为飑线。同时后部入流强度增加，中层干冷空气进入对流内部，造成降水蒸发降温并迅速下沉，地面冷池和雷暴高压范围更大。

此次华南飑线升尺度过程中水汽影响数值试验结果表明，不同层次的水汽含量变化将通过环境MCAPE值和垂直风切变等影响地面冷池、雷暴高压及对流内部垂直运动，从而影响新生对流的强度以及组织性，进而影响飑线的升尺度过程及垂直结构。因此在对飑线的预报中，应当充分考虑水汽分布对飑线发生发展及地面大风、强降水天气的影响。此外，本文的研究仅探讨了水汽垂直分布对飑线内部结构产生的影响，而水汽的空间分布同样影响飑线的发生。后期可借助相应的数值试验，进一步探讨影响飑线升尺度过程的因素。