孫建華1, 2 鄭淋淋1, 3 趙思雄1

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水汽含量對(duì)颮線組織結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度影響的數(shù)值試驗(yàn)

孫建華鄭淋淋趙思雄

1中國科學(xué)院大氣物理研究所云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室，北京100029;2南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210044;3中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049

利用2009年6月3～4日一次產(chǎn)生大風(fēng)、冰雹強(qiáng)對(duì)流天氣的颮線個(gè)例進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，研究整層水汽含量及其垂直分布對(duì)中尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展過程、組織類型和強(qiáng)度等的影響。本文的試驗(yàn)表明環(huán)境場(chǎng)中不同的水汽含量和垂直分布，會(huì)影響下沉氣流和冷池的強(qiáng)度，從而影響對(duì)流的組織形態(tài)、維持時(shí)間和強(qiáng)度。整層水汽試驗(yàn)表明，增加（減少）水汽，對(duì)流增強(qiáng)（減弱），冷池和雷暴高壓增強(qiáng)（減弱）導(dǎo)致大風(fēng)增強(qiáng)（減弱）。增加水汽越多發(fā)展階段冷池強(qiáng)度越強(qiáng)，最大風(fēng)速越強(qiáng)，但成熟階段后期冷池減弱的越快，層狀云區(qū)的后部入流減弱，不利于雷暴大風(fēng)的出現(xiàn)和維持。不同層次水汽試驗(yàn)表明，在保持整層水汽含量不變的情況下，線狀對(duì)流和雷暴大風(fēng)易發(fā)生在中層干、下層濕的環(huán)境中，這種層結(jié)條件對(duì)雷暴高壓的增強(qiáng)有重要作用，但不利于整個(gè)對(duì)流系統(tǒng)的長時(shí)間維持。

颮線 數(shù)值模擬 雷暴高壓 冷池 地面大風(fēng)

1 引言

颮線（squall line）是由多個(gè)活躍雷暴單體排列成線狀或帶狀的中尺度對(duì)流系統(tǒng)，其發(fā)生時(shí)常伴有大風(fēng)、冰雹、暴雨等劇烈的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象。國內(nèi)外對(duì)颮線系統(tǒng)開展過不少的研究，對(duì)颮線的發(fā)生條件、組織方式、生命史演變、雷達(dá)回波特征、中尺度結(jié)構(gòu)等方面已經(jīng)有了一些認(rèn)識(shí)。Houze et al.（1989）提出了成熟階段颮線系統(tǒng)的概念模型，丁一匯等（1982）研究了對(duì)颮線有觸發(fā)和組織作用 的天氣系統(tǒng)。在對(duì)颮線分類研究的基礎(chǔ)上，采用 觀測(cè)資料分析了對(duì)流組織形式與環(huán)境條件的關(guān) 系（Bluestein and Jain，1985；Parker and Johnson，2000；Johnson et al.，2005；Schumacher and Johnson，2005）。Zheng et al.（2013）將我國江淮流域的線狀對(duì)流分成六類，包括無層云的線狀系統(tǒng)（NS）、前部層狀云的線狀系統(tǒng)（LS）、嵌入型線狀系統(tǒng)（EL）、后部層狀云的線狀系統(tǒng)（TS）、平行層狀云線狀系統(tǒng)（PS）和弓狀回波（BE），并對(duì)它們發(fā)生的環(huán)境條件和產(chǎn)生的天氣現(xiàn)象做了分析，發(fā)現(xiàn)不同組織類型的系統(tǒng)產(chǎn)生的天氣現(xiàn)象有較大的差別，其中，BE最容易產(chǎn)生大風(fēng)和冰雹，而美國的研究也認(rèn)為BE為最“危險(xiǎn)”的一種線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)（Duda and Gallus，2010）。

針對(duì)影響線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)組織形式和強(qiáng)度的物理機(jī)制也已經(jīng)開展了大量研究。最著名的是低層風(fēng)切變與蒸發(fā)形成的地面冷池的動(dòng)力平衡是對(duì)流線是否維持的主要因子（Rotunno et al.，1988；Weisman et al.，1988；Fovell and Ogura，1989；Robe and Emanuel，2001；Weisman and Rotunno，2004），但是該理論過于簡化，對(duì)可能影響對(duì)流發(fā)展的其他環(huán)境條件考慮較少，包括溫度、水汽等對(duì)系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展應(yīng)該也有重要的作用。James et al.（2006）的研究發(fā)現(xiàn)，在保持對(duì)流有效位能（CAPE）不變的情況下，高濕或高溫會(huì)減小蒸發(fā)的降溫，使冷池的強(qiáng)度減弱，從而影響對(duì)流線的組織結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度。Takemi（2006，2007）揭示了靜力穩(wěn)定度也是影響颮線強(qiáng)度的一個(gè)重要因子，弱靜力穩(wěn)定有利于形成地面的強(qiáng)冷池，而冷池的強(qiáng)度影響上升運(yùn)動(dòng)的尺度和強(qiáng)度以及颮線的組織結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度。雖然這些結(jié)果揭示了影響中尺度對(duì)流系統(tǒng)的形式和強(qiáng)度的一些物理機(jī)制，但這些研究主要是理想試驗(yàn)的結(jié)果，缺乏針對(duì)水汽含量及垂直分布對(duì)強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)影響的研究，也缺乏針對(duì)真實(shí)個(gè)例，尤其是東亞季風(fēng)區(qū)的強(qiáng)對(duì)流個(gè)例的研究。

鄭淋淋和孫建華（2013）對(duì)2007～2010年暖季（6～9月）發(fā)生在江淮和黃淮流域?qū)α魈鞖膺^程的統(tǒng)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)生在不同水汽條件環(huán)境中的對(duì)流線的觸發(fā)和維持機(jī)制可能存在明顯的差異，冰雹和大風(fēng)等天氣更容易發(fā)生在相對(duì)干的環(huán)流背景條件下。在這種較干的環(huán)流背景條件下，水汽的垂直分布如何影響對(duì)流的組織形態(tài)和強(qiáng)度呢？數(shù)值試驗(yàn)可以通過改變影響中尺度對(duì)流系統(tǒng)的環(huán)境特征，從而分析這些環(huán)境條件如何影響中尺度對(duì)流系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)特征和強(qiáng)度。本文將通過對(duì)真實(shí)個(gè)例的數(shù)值試驗(yàn)，研究環(huán)境水汽含量及垂直分布對(duì)中尺度對(duì)流系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的影響。

2 個(gè)例選取和試驗(yàn)方案

2.1 個(gè)例選取

2009年6月3～4日罕見強(qiáng)颮線突襲河南、安徽、江蘇（圖1），這些地區(qū)遭受了雷雨、大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣襲擊，河南省有42個(gè)縣市出現(xiàn)雷電，19個(gè)縣市出現(xiàn)了17 m s以上的短時(shí)大風(fēng)，特別是河南省的商丘出現(xiàn)了歷史罕見的大風(fēng)天氣，寧陵、永城最大風(fēng)速分別達(dá)28.6 m s和29.1 m s，均為有氣象記錄以來的歷史極值。從雷達(dá)回波和地面觀測(cè)資料上來看，本次大風(fēng)過程主要是由颮線所致。圖1中的大風(fēng)是每3小時(shí)的常規(guī)地面觀測(cè)，從2009年6月3日14時(shí)（協(xié)調(diào)世界時(shí)，下同）至3日18時(shí)出現(xiàn)了20 m s以上的大風(fēng)，并且大風(fēng)出現(xiàn)在“人”字形回波的右半支 [沿著系統(tǒng)移動(dòng)的方向，左側(cè)部分命名為左半分支，右側(cè)部分命名為右半分支（下同）] 附近。并且“人”字形系統(tǒng)的移動(dòng)方向（往東南移動(dòng)）垂直于右半支的伸展方向。

一些學(xué)者對(duì)該個(gè)例作過觀測(cè)研究（孫虎林等，2011；梁建宇與孫建華，2012；王秀明等，2012；劉香娥和郭學(xué)良，2012；金龍等，2013）。觀測(cè)結(jié)果表明，“人”字形回波系統(tǒng)的右半支的結(jié)構(gòu)與一般的颮線系統(tǒng)類似，災(zāi)害性大風(fēng)的產(chǎn)生主要由這個(gè)“人”字形系統(tǒng)的右半支造成的。觀測(cè)和數(shù)值模擬研究認(rèn)為中層入流和低層渦旋是地面大風(fēng)形成的重要原因（梁建宇與孫建華，2012；金龍等，2013），降水粒子的蒸發(fā)和融化冷卻過程對(duì)降低地面溫度 和產(chǎn)生地面強(qiáng)風(fēng)速也有重要影響（劉香娥和郭學(xué)良，2012）。這些研究把重點(diǎn)發(fā)生地面大風(fēng)的形成機(jī)制上，沒有探討影響颮線的組織形式和強(qiáng)度的機(jī)制，本文在梁建宇和孫建華（2012）對(duì)2009年6月3～4日強(qiáng)颮線研究的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬試驗(yàn)研究水汽的垂直分布對(duì)颮線發(fā)生發(fā)展過程的影響。

圖1 2009年6月3～4日颮線的每小時(shí)雷達(dá)回波演變和每3小時(shí)的大風(fēng)分布[引自梁建宇和孫建華 (2012)]。全風(fēng)向桿代表風(fēng)速為5 ms?1，一個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)兩個(gè)風(fēng)向桿表示有兩個(gè)觀測(cè)時(shí)次都出現(xiàn)了大風(fēng)

圖2 水汽數(shù)值試驗(yàn)的區(qū)域。虛線框內(nèi)為水汽試驗(yàn)的范圍，粗實(shí)線框?yàn)轱R線的主要影響范圍，陰影為控制試驗(yàn)在2009年6月3日07 時(shí)的雷達(dá)組合反射率

2.2 試驗(yàn)方案

控制試驗(yàn)（簡稱CTRL）采用梁建宇和孫建華（2012）的模擬方案：采用WRF模式（Skamarock et al.，2005），3層嵌套，水平分辨率分別為36 km、12 km、4 km，垂直方向有28層。長波輻射采用RRTM方案，短波輻射采用Dudhia方案，陸地選取Noah方案，邊界層選取Yonsei University 方案，36 km和12 km的模擬區(qū)域采用Kain-Fritsch 積云對(duì)流參數(shù)化方案而不采用微物理方案，4 km的模擬區(qū)域不采用積云對(duì)流參數(shù)化方案，只采用Morrison double-moment微物理方案。初始場(chǎng)是在NCEP/ FNL再分析資料的分析基礎(chǔ)上，利用WRF的OBSGRID模塊將地面自動(dòng)站觀測(cè)資料分析到模式格點(diǎn)上作為初始場(chǎng)。模擬初始時(shí)間為6月3日00時(shí)，積分24 小時(shí)。

本個(gè)例的整層可降水量較小，探空觀測(cè)為15～20 mm，屬于發(fā)生在干環(huán)境的典型颮線個(gè)例（鄭淋淋和孫建華，2013）。為了研究大氣中水汽含量對(duì)線狀對(duì)流的觸發(fā)、組織類型的影響，針對(duì)水汽設(shè)計(jì)了一些試驗(yàn)。根據(jù)控制試驗(yàn)的結(jié)果，河南西北部和山西高原上的對(duì)流在3日09 時(shí)發(fā)展的比較旺盛，12時(shí)在河南中北部觸發(fā)新的對(duì)流單體。所有的試驗(yàn)都是在積分7小時(shí)后，即3日07時(shí)，修改圖2虛線框內(nèi)部的水汽含量。分別修改整層水汽含量至原來的90%、110%和120%，定義為試驗(yàn)MA90、MA110和MA120（表1）。修改水汽含量后再繼續(xù)積分16小時(shí)，其他設(shè)置與CTRL試驗(yàn)相同。由于水汽主要集中在對(duì)流層的中下層，而且過去的研究認(rèn)為颮線后側(cè)的中層干空氣入流會(huì)加強(qiáng)其發(fā)展（Smull and Houze，1985，1987），因此，設(shè)計(jì)了針對(duì)不同層次水汽含量的試驗(yàn)（表1），試驗(yàn)過程中保持整層可降水量與相應(yīng)的對(duì)照試驗(yàn)（MA120和MA90）一致，在此基礎(chǔ)上改變不同層次的水汽含量。在MA120和MA90試驗(yàn)的基礎(chǔ)上分別試驗(yàn)中層（500～700 hPa）、低層（850 hPa以下）水汽對(duì)颮線觸發(fā)、演變和組織形態(tài)的影響。

表1 水汽試驗(yàn)方案

2.3 水汽試驗(yàn)的探空特征

水汽試驗(yàn)中由于水汽的改變會(huì)改變層結(jié)條件，因此，圖3給出了水汽試驗(yàn)的初始時(shí)刻（3日07時(shí)）在颮線主要影響區(qū)域內(nèi)（圖2中粗實(shí)線框）的平均探空特征。各試驗(yàn)的溫度和風(fēng)垂直廓線與對(duì)照試驗(yàn)保持一致，露點(diǎn)垂直廓線的形狀與對(duì)照試驗(yàn)保持一致，增加水汽試驗(yàn)露點(diǎn)廓線向溫度廓線靠近，減少水汽試驗(yàn)露點(diǎn)廓線遠(yuǎn)離溫度廓線（圖3）。增加水汽后，從地面抬升的不穩(wěn)定能量（SBCAPE）和從最不穩(wěn)定層抬升的不穩(wěn)定能量（MUCAPE）增加，從地面抬升的對(duì)流抑制能量（SBCIN）和從最不穩(wěn)定層抬升的對(duì)流抑制能量（MUCIN）減少。MA110試驗(yàn)的SBCAPE和MUCAPE比對(duì)照試驗(yàn)增加了252 J kg，CBCIN和MUCIN比對(duì)照試驗(yàn)減少了14 J kg。MA90試驗(yàn)的SBCAPE和MUCAPE比 對(duì)照試驗(yàn)減少了230 J kg，CBCIN和MUCIN比對(duì)照試驗(yàn)增加了19 J kg。

圖3 不同試驗(yàn)方案在颮線影響范圍內(nèi)（圖2的粗實(shí)線框）的平均探空特征。黑色實(shí)線代表不同試驗(yàn)方案的溫度廓線，黑色虛線、紅色實(shí)線、淡紅色實(shí)線和藍(lán)色虛線分別代表CTRL試驗(yàn)、MA90試驗(yàn)、MA110試驗(yàn)和MA120試驗(yàn)的露點(diǎn)溫度

3 整層水汽試驗(yàn)

3.1 對(duì)雷暴高壓和地面最大風(fēng)速的影響

水汽調(diào)整后對(duì)颮線系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展過程和強(qiáng)度有較顯著的影響（表2）。與對(duì)照試驗(yàn)比較，減少水汽的試驗(yàn)對(duì)流觸發(fā)的時(shí)間推后，并且沒有發(fā)展成為弓狀回波，而增加水汽的試驗(yàn)中對(duì)流觸發(fā)的時(shí)間提前，MA110中還呈現(xiàn)與對(duì)照試驗(yàn)相似的左右兩支對(duì)流，并且有弓狀回波階段，MA120中對(duì)流呈片狀分布，沒有出現(xiàn)線狀對(duì)流。從這個(gè)試驗(yàn)結(jié)果看，環(huán)境場(chǎng)中水汽含量對(duì)颮線的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和組織形態(tài)都有顯著的影響。

表2 不同試驗(yàn)方案的對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展過程的特征

該過程的主要災(zāi)害天氣是大風(fēng)，河南省的寧陵、永城最大風(fēng)速分別達(dá)28.6 m s和29.1 m s，颮線到達(dá)前永城站近地層以東南風(fēng)為主，風(fēng)速不大，至14:30，風(fēng)向急轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，且風(fēng)速陡增至20 m s，14:42觀測(cè)最大風(fēng)速為29.5 m s（劉香娥和郭學(xué)良，2012）。因此，我們首先分析各試驗(yàn)中地面大風(fēng)的情況。圖4給出了幾個(gè)試驗(yàn)中颮線產(chǎn)生的地面10 m最大風(fēng)速和雷暴高壓的最高氣壓演變。對(duì)照試驗(yàn)中地面10 m最大風(fēng)速出現(xiàn)在15時(shí)，風(fēng)速為22 m s，出現(xiàn)的時(shí)間與觀測(cè)一致，但風(fēng)速?zèng)]有觀測(cè)大?？赡苁怯捎谙到y(tǒng)的發(fā)展很快，半小時(shí)間隔的模式輸出可能不能給出極大風(fēng)速值。MA90試驗(yàn)中的地面10 m風(fēng)速都在16 m s以下，沒有形成大于17 m s的雷暴大風(fēng)。09時(shí)后，CTRL試驗(yàn)的風(fēng)速迅速增加，而MA90試驗(yàn)的風(fēng)速卻在12～16 m s之間。增加水汽的試驗(yàn)中，地面10 m風(fēng)速均在 14時(shí)達(dá)到最強(qiáng), 雷暴高壓達(dá)到最強(qiáng)的時(shí)間是11時(shí)。地面最大風(fēng)速出現(xiàn)的時(shí)間比最強(qiáng)雷暴高壓出現(xiàn)的時(shí)間晚3小時(shí)。而且增加水汽越多，最強(qiáng)雷暴高壓強(qiáng)度越強(qiáng)，地面10 m的最大風(fēng)速越大。減少水汽MA90試驗(yàn)中也形成了雷暴高壓，12時(shí)雷暴高壓達(dá)到最強(qiáng)，13時(shí)以后雷暴高壓的強(qiáng)度迅速降低，地面10 m的最大風(fēng)速明顯減弱。雷暴高壓的強(qiáng)度較其他試驗(yàn)中的弱，而維持時(shí)間也比其他試驗(yàn)短。

圖 4 不同試驗(yàn)方案中（a）地面10 m的最大風(fēng)速（單位：m s?1）、（b）雷暴高壓最高氣壓（單位：hPa）的時(shí)間演變

3.2 對(duì)組織形態(tài)和結(jié)構(gòu)的影響

以上分析表明增加和減少水汽對(duì)颮線的強(qiáng)度和維持時(shí)間有顯著的影響，對(duì)演變過程和組織形態(tài)的影響如何呢？根據(jù)對(duì)觀測(cè)資料和模擬結(jié)果的分析，將對(duì)照試驗(yàn)?zāi)M的颮線劃分為4個(gè)不同的階段：形成階段為12～13時(shí)；發(fā)展階段為14～15時(shí)；成熟階段為16～17時(shí)；消散階段為18時(shí)以后（梁建宇和孫建華，2012）。由于增加水汽系統(tǒng)發(fā)展偏早，減少水汽系統(tǒng)發(fā)展偏晚，不同試驗(yàn)方案的四個(gè)階段的劃分有差別（見表3），不同階段的雷達(dá)回波演變見圖5。

表3 不同試驗(yàn)方案對(duì)流系統(tǒng)演變階段的劃分

（1）形成階段

Klimowski et al.（2004）的研究指出美國的弓形回波發(fā)展的初始階段具有多種形式，包括單體、颮線和超級(jí)單體。金龍等（2013）的研究認(rèn)為本例是超級(jí)單體演化成的弓形回波，CTRL試驗(yàn)?zāi)M未出現(xiàn)典型的超級(jí)單體結(jié)構(gòu)。CTRL試驗(yàn)中，3日12 時(shí)在高原上對(duì)流的前方，新對(duì)流在河南中北部觸發(fā)（圖5），強(qiáng)對(duì)流的南部低層有冷高壓，風(fēng)場(chǎng)以雷暴高壓為中心向外輻散，地面風(fēng)達(dá)到10 m s以上。增加水汽后，新對(duì)流觸發(fā)的時(shí)間均提前。MA110試驗(yàn)新對(duì)流的觸發(fā)時(shí)間是11時(shí)，MA120試驗(yàn)新對(duì)流觸發(fā)時(shí)間是09時(shí)。而減少水汽的MA90試驗(yàn)，新對(duì)流在13時(shí)才觸發(fā)，并且是分散的對(duì)流。從觸發(fā)的新對(duì)流的強(qiáng)度來看，增加水汽越多對(duì)流越強(qiáng)，范圍越大。MA110和CTRL試驗(yàn)回波呈現(xiàn)的形態(tài)相似，MA110試驗(yàn)回波的線狀結(jié)構(gòu)更明顯。MA90試驗(yàn)回波最弱，并且只是一個(gè)單體，沒有組織成線狀。從正變壓和負(fù)變溫的演變來看，減少水汽時(shí)，變壓和變溫的幅度都減弱，而增加水汽兩者都增強(qiáng)。

圖5 CTRL、MA90、MA110和MA120試驗(yàn)形成、發(fā)展、成熟和消亡階段代表時(shí)刻的雷達(dá)組合反射率（陰影，單位：dBZ）。等值線：1 km高度上的負(fù)變溫線（紅色虛線，間隔2 K）和正變壓線（藍(lán)色實(shí)線，間隔2 hPa）

（2）發(fā)展階段

CTRL試驗(yàn)中，15時(shí)系統(tǒng)組織成弱對(duì)流線狀態(tài)（圖5）。大風(fēng)主要出現(xiàn)在颮線的前沿，在颮線最強(qiáng)雷達(dá)回波的后部出現(xiàn)了層狀云區(qū)，層狀云區(qū)對(duì)應(yīng)的地面風(fēng)速盡管沒有颮線前沿的風(fēng)速大，但是有些地方的風(fēng)速也達(dá)到了10 m s左右（圖略）。MA110還能看到左右兩支線狀對(duì)流，而MA120在發(fā)展階段（13時(shí)）對(duì)流線已經(jīng)不明顯（圖5）。MA90在發(fā)展階段的對(duì)流比CTRL試驗(yàn)弱的多，呈現(xiàn)對(duì)流單體向前傳播的特征。發(fā)展階段，減少水汽時(shí)，變壓和變溫的幅度都減弱，增加水汽兩者均增強(qiáng)。

（3）成熟階段

CTRL試驗(yàn)右支回波出現(xiàn)弓狀，左支線狀回波發(fā)展成熟，形成“人”字形的回波（圖5）。此時(shí)，出現(xiàn)了尾流低壓，系統(tǒng)發(fā)展到了成熟階段，冷池的范圍和強(qiáng)度都明顯增強(qiáng)（圖略）。MA110的“人”字形回波也比較明顯，而MA120的對(duì)流呈現(xiàn)非線狀分布，MA90的對(duì)流線沒有發(fā)展起來。成熟階段仍與發(fā)展階段相似，即減少水汽時(shí)，變壓和變溫的幅度都減弱，增加水汽兩者均增強(qiáng)。

（4）消散階段

CTRL試驗(yàn)中層狀云區(qū)的范圍明顯減弱，消散階段時(shí)右支對(duì)流比左支減弱快（圖5），對(duì)應(yīng)的地面大風(fēng)和冷池開始減弱（圖4）。MA110相對(duì)于CTRL來說，回波位置偏東，最強(qiáng)回波區(qū)域小，但30 dB以上的區(qū)域大，右支回波消散慢。MA120在19時(shí)出現(xiàn)了左右兩支回波，右支回波比MA110的同一時(shí)刻強(qiáng)度稍強(qiáng)，左支回波弱。MA90在成熟階段幾個(gè)對(duì)流單體合并成一個(gè)單體繼續(xù)緩慢地向東南方向移動(dòng)，系統(tǒng)中心位置比CTRL試驗(yàn)同一時(shí)刻落后約1個(gè)經(jīng)度。

綜上所述，增加水汽時(shí)，模擬對(duì)流系統(tǒng)的回波范圍擴(kuò)大和強(qiáng)度增強(qiáng)，MA110試驗(yàn)中回波依然保持線狀，MA120試驗(yàn)中回波呈現(xiàn)非線狀分布。MA90試驗(yàn)中對(duì)流的范圍減小、強(qiáng)度減弱，沒有出現(xiàn)其他試驗(yàn)中南部回波組織成線狀的狀態(tài)。增加水汽系統(tǒng)生成早、消散早、移動(dòng)快，系統(tǒng)后部的正變壓和負(fù)變溫幅度增強(qiáng)，冷池和雷暴高壓增強(qiáng)。減少水汽時(shí)，系統(tǒng)生成晚、消散晚、移動(dòng)慢，冷池和雷暴高壓減弱。

圖6 MA90不同層次水汽試驗(yàn)的雷達(dá)組合反射率（陰影，單位：dBZ）。等值線：1 km高度上的負(fù)變溫線（紅色虛線，間隔2 K）和正變壓線（藍(lán)色實(shí)線，間隔2 hPa）；風(fēng)羽：地面10 m大風(fēng)（瞬時(shí)風(fēng)速大于等于17 m s?1）

4 不同層次的水汽試驗(yàn)

以上試驗(yàn)表明將整層的水汽按照比例減少，系統(tǒng)發(fā)展減弱，沒有形成線狀對(duì)流。對(duì)于減少水汽的試驗(yàn)（MA90-M、MA90-B），對(duì)流的發(fā)展階段（16時(shí)，圖6），MA90-M試驗(yàn)形成了明顯的弓狀回波，且在弓狀回波的弓狀處出現(xiàn)了雷暴大風(fēng)，這表明減少中層（700～500 hPa）的水汽含量，有利于颮線的形成和地面風(fēng)速的增強(qiáng)。MA90-B試驗(yàn)回波的組織形態(tài)與MA90試驗(yàn)相似，減少850 hPa以下層次的水汽，對(duì)流減弱，強(qiáng)回波區(qū)減少。成熟階段后期（18時(shí)），MA90-M試驗(yàn)對(duì)流迅速減弱，MA90-B的對(duì)流還維持。從地面最大風(fēng)速和最強(qiáng)高壓看（圖7），減少中層（700～500 hPa）的水汽出現(xiàn)了雷暴大風(fēng)，14時(shí)最大風(fēng)速達(dá)到20.9 m s，與對(duì)照試驗(yàn)一致；17 m s以上的風(fēng)速持續(xù)了8小時(shí)（10～18時(shí)），比對(duì)照試驗(yàn)的維持時(shí)間長了2小時(shí)。過程中最強(qiáng)雷暴高壓出現(xiàn)在11～12時(shí)，比其他試驗(yàn)的雷暴高壓強(qiáng)。減少850 hPa以下層次的水汽（MA90-B試驗(yàn)）在對(duì)流的發(fā)展階段比其他試驗(yàn)風(fēng)速弱、雷暴高壓強(qiáng)度弱。

圖7 MA90不同層次水汽試驗(yàn)（a）地面10 m最強(qiáng)風(fēng)速（單位：m s?1）、（b）最強(qiáng)雷暴高壓（單位：hPa）的時(shí)間變化

對(duì)于增加水汽的試驗(yàn)（MA120-M、MA120-B），對(duì)流的發(fā)展階段（13時(shí)，圖8），MA120-B試驗(yàn)的對(duì)流強(qiáng)度最弱，負(fù)變溫和正變壓的幅度最弱，地面雷暴大風(fēng)出現(xiàn)的范圍最小。對(duì)流的成熟階段（16時(shí)），MA120-B試驗(yàn)出現(xiàn)了典型的弓狀回波，且在弓形處出現(xiàn)了雷暴大風(fēng)。在保持可降水量不變的情況下，增加850 hPa以下層次的水汽，相當(dāng)于減少850 hPa以上的水汽，這說明減少中層水汽有利于線狀回波的形成，與MA90-M試驗(yàn)結(jié)論一致。增加850 hPa以下層次的水汽，不利于冷池和雷暴高壓的增強(qiáng)及地面風(fēng)速的增強(qiáng)，但有利于對(duì)流的維持和線狀回波的形成。MA120-M比MA120-B試驗(yàn)的回波范圍廣，比MA120試驗(yàn)的回波范圍小，正變壓的幅度比其他試驗(yàn)強(qiáng)，負(fù)變溫的幅度比MA120稍弱。增加中層（700～500 hPa）水汽不利于回波的增強(qiáng)和維持，但有利于雷暴高壓的增強(qiáng)。

圖8 同圖6，但為MA120不同層次水汽試驗(yàn)的結(jié)果

從地面最大風(fēng)速和最強(qiáng)高壓的演變情況看（圖9），與對(duì)照試驗(yàn)對(duì)比，MA120-M試驗(yàn)在13時(shí)出 現(xiàn)了最大風(fēng)速，這可能與此時(shí)強(qiáng)的正變壓出現(xiàn)有關(guān)，之后地面大風(fēng)迅速降低，說明中層水汽的增加有利于雷暴高壓和地面大風(fēng)的快速形成，但不利于對(duì)流系統(tǒng)的維持。MA120-B試驗(yàn)雷暴大風(fēng)在整個(gè)過程中的變化不如其他試驗(yàn)劇烈，表明增加850 hPa以下水汽不利于系統(tǒng)的劇烈發(fā)展，但有利于對(duì)流系統(tǒng)的維持。

5 水汽含量影響颮線發(fā)展的原因

根據(jù)前面對(duì)模擬颮線的分析，增加水汽和減少水汽含量對(duì)颮線的組織結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度等有較大的影響，因此，選擇其中的4個(gè)試驗(yàn)（MA90、CTRL、MA110和MA120）繼續(xù)分析增加和減少水汽對(duì)颮線發(fā)生發(fā)展過程影響的機(jī)制。

5.1 試驗(yàn)中可降水量和MUCAPE的演變

圖2粗實(shí)線框內(nèi)是對(duì)流發(fā)生、發(fā)展、成熟和消亡的區(qū)域，計(jì)算了此區(qū)域內(nèi)可降水量和MUCAPE（從最不穩(wěn)定層抬升的對(duì)流有效位能）的平均值（圖10）。水汽試驗(yàn)修改的是3日07時(shí)的水汽，MA90、CTRL、MA110和MA120試驗(yàn)可降水量分別為18 mm、18.9 mm、19.4 mm、20.1 mm（圖10a），從07 時(shí)到過程結(jié)束，各試驗(yàn)可降水量下降幅度的差別不大。積分5小時(shí)后可降水量的大小排序保持不變，并沒有因?yàn)槲葱薷倪吔绾推渌麉^(qū)域的水汽導(dǎo)致積分后修改區(qū)域（圖2中的虛線框）內(nèi)水汽的改變。從可降水量的水平分布看（圖略），3日07時(shí)，增加水汽后，可降水量的大值區(qū)（20 mm以上）的范圍擴(kuò)大。3日12時(shí)，各試驗(yàn)的可降水量都比07時(shí)有所增加，且大值區(qū)的分布相似。

圖9 同圖7，但為MA120不同層次水汽試驗(yàn)的結(jié)果

圖10 MA90、CTRL、MA110和MA120試驗(yàn)的（a）可降水量（單位：mm）、（b）MUCAPE（單位：J kg?1）在颮線影響區(qū)域（圖2的粗實(shí)線框）平均的時(shí)間變化

修改水汽后，MUCAPE從小到大的排序與可降水量相同。3日07 時(shí)，MA90、CTRL、MA110和MA120試驗(yàn)MUCAPE的平均值分別為110 J kg、151 J kg、203 J kg、263 J kg（圖10b）。從07 時(shí)到過程結(jié)束，增加的水汽越多的試驗(yàn)，MUCAPE的減少越多。從水平分布看（圖略），這四個(gè)試驗(yàn)的對(duì)流發(fā)生區(qū)域的MUCAPE，07時(shí)都在800 J kg以上，CTRL試驗(yàn)中該區(qū)域在1000 J kg以上，MA120增加到1500 J kg以上。增加水汽試驗(yàn)形成的初始MUCAPE越大，產(chǎn)生的對(duì)流越強(qiáng)，過程中釋放的MUCAPE越大。14時(shí)后，四個(gè)試驗(yàn)的MUCAPE區(qū)域平均值的差異變小（圖10b），這表明在14時(shí)之前，對(duì)流有效位能基本釋放。而CTRL、MA110和MA120試驗(yàn)中地面10 m最大風(fēng)速在14時(shí)達(dá)到最大。MUCAPE基本釋放完后，對(duì)流的強(qiáng)度就逐漸減弱，地面大風(fēng)逐漸減弱。

5.2 不同試驗(yàn)中冷池強(qiáng)度的演變

過去的研究認(rèn)為低層的風(fēng)切變和由蒸發(fā)導(dǎo)致的冷池的強(qiáng)度決定了颮線的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度（Rotunno et al.，1988；Weisman et al.，1988，Weisman and Rotunno，2004）。在較干的環(huán)境中，低層風(fēng)切變和冷池的強(qiáng)度是決定颮線強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的主要因素（Takemi，2006），但濕度和靜力穩(wěn)定度對(duì)颮線的結(jié)構(gòu)、演變和組織類型也有影響（Takemi，2006，2007）。環(huán)境風(fēng)切變?cè)酱?，地面冷池越?qiáng)，觸發(fā)的后向入流和弓形回波也越強(qiáng)。從本研究的試驗(yàn)結(jié)果看，環(huán)境場(chǎng)中水汽含量對(duì)颮線的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和組織形態(tài)都有影響。下面將通過對(duì)比分析水汽試驗(yàn)中雷暴高壓、冷池和地面大風(fēng)的關(guān)系，以更深入認(rèn)識(shí)地面大風(fēng)的形成。

冷池強(qiáng)度的計(jì)算公式為

MA90試驗(yàn)沒有形成颮線系統(tǒng)，也沒有產(chǎn)生雷暴大風(fēng)，因此，這里只分析CTRL和增加水汽試驗(yàn)的結(jié)果。增加水汽的試驗(yàn)，最大風(fēng)速出現(xiàn)的時(shí)間提前，最大風(fēng)速增加。CTRL、MA110和MA120試驗(yàn)地面10 m最大風(fēng)速出現(xiàn)的時(shí)間分別是15時(shí)、14時(shí)和14時(shí)（圖4），均出現(xiàn)在對(duì)流的發(fā)展階段，冷池主要出現(xiàn)在形成、發(fā)展和成熟階段。試驗(yàn)中水汽增加越多，09～13時(shí)的冷池高度越高，09～16時(shí)的冷池強(qiáng)度越強(qiáng)（圖12）。這可能是試驗(yàn)中水汽增加導(dǎo)致最大風(fēng)速增強(qiáng)的原因之一。

圖11 CTRL、MA110和MA120試驗(yàn)發(fā)展和成熟階段1 km高度上假相當(dāng)位溫（黑色實(shí)線，單位：K）、1 km高度上雷暴大風(fēng)（風(fēng)速≥17 m s?1的區(qū)域）和雷達(dá)組合反射率（陰影，單位: dBZ）的分布。藍(lán)色虛線為圖13剖面的位置，E藍(lán)色虛線框?yàn)橛?jì)算環(huán)境平均假相當(dāng)位溫的區(qū)域，C藍(lán)色虛線框?yàn)橛?jì)算冷池的假相當(dāng)位溫和凝結(jié)量的區(qū)域

在發(fā)展階段，在CTRL試驗(yàn)中（15時(shí)），雷暴大風(fēng)只出現(xiàn)在颮線的前沿，而在MA110和MA120試驗(yàn)中（14時(shí)），在冷池的中間和颮線后部的層狀云區(qū)也出現(xiàn)了雷暴大風(fēng)（圖11）。增加水汽試驗(yàn)中，雷暴大風(fēng)發(fā)生的區(qū)域擴(kuò)大，雷暴大風(fēng)發(fā)生在位溫梯度最大的區(qū)域。沿位溫梯度的大值區(qū)分析剖面特征（圖13），CTRL試驗(yàn)中（15時(shí)），層狀云區(qū)的下部沒有明顯的下沉氣流，強(qiáng)對(duì)流中心的中上層有較強(qiáng)的上升氣流，下層有弱的下沉運(yùn)動(dòng)。增加水汽后，垂直剖面上對(duì)流的范圍擴(kuò)大，強(qiáng)度增強(qiáng)。MA110試驗(yàn)（14時(shí)）和MA120（13時(shí)），對(duì)流層中上層的斜升氣流增強(qiáng)，下層的雷暴高壓的出流增強(qiáng)。增加水汽試驗(yàn)的發(fā)展階段，冷池的前沿已經(jīng)位于颮線的前部，冷池低層中雷暴高壓的出流增強(qiáng)，陣風(fēng)鋒的水平氣流的輻合增強(qiáng)，對(duì)流區(qū)和層狀云區(qū)的向后斜升氣流增強(qiáng)。表明，增加水汽有利于對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展，雷暴高壓的出流越強(qiáng)使得地面大風(fēng)越強(qiáng)。

成熟階段，最大風(fēng)速迅速降低（圖11）。CTRL試驗(yàn)，颮線成熟階段后期（17時(shí)）冷池移到颮線的前部，雷暴大風(fēng)位于冷池的前部。MA110和MA120試驗(yàn)成熟階段后期（MA110的16時(shí)，MA120的15時(shí)）冷池移到對(duì)流的前部，沒有雷暴大風(fēng)出現(xiàn)，成熟階段前期（MA110的15時(shí)，MA120的14時(shí)）MA110的雷暴大風(fēng)范圍比MA120大。從剖面圖來看（圖13），增加水汽的試驗(yàn)，成熟階段后期對(duì)流區(qū)和層狀云區(qū)的后部入流減弱，對(duì)流區(qū)中上層的斜升氣流減弱，不利于雷暴大風(fēng)的出現(xiàn)和對(duì)流的維持。

圖12 CTRL、MA110和MA120試驗(yàn)中的（a）冷池強(qiáng)度、（b）冷池高度的時(shí)間變化

圖13 CTRL、MA110和MA120試驗(yàn)發(fā)展和成熟階段AB剖面（位置見圖12）的假相當(dāng)位溫?cái)_動(dòng)（紫色線，單位：K）、雷達(dá)組合反射率（黑色實(shí)線，單位：dBZ）、沿著剖面方向的水平風(fēng)速（陰影，單位：m s?1）和相對(duì)系統(tǒng)的風(fēng)場(chǎng)矢量（箭頭，單位：m s?1，風(fēng)速矢量的垂直分量表示垂直方向?qū)嶋H風(fēng)速的十倍)

6 小結(jié)和討論

2009年6月3～4日的颮線過程整層的可降水量比較小，造成災(zāi)害的是地面大風(fēng)，但已有的研究對(duì)濕度的影響關(guān)注不夠，本文通過增加和減少整層和不同層次的水汽試驗(yàn)，研究了此次過程中水汽含量及其垂直分布對(duì)颮線系統(tǒng)的組織類型、維持、強(qiáng)度等的影響，以期獲得更多的水汽影響的信息。研究結(jié)果表明，水汽含量及其垂直分布對(duì)這類系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展過程有重要的作用。有以下主要結(jié)論：

（1）整層水汽試驗(yàn)表明，增加水汽有利于對(duì)流的發(fā)展，且容易造成對(duì)流的快速增長。而把整層的水汽減少10%（MA90試驗(yàn)），對(duì)流的范圍和強(qiáng)度明顯減弱，且沒有出現(xiàn)雷暴大風(fēng)。增加水汽越多最強(qiáng)地面大風(fēng)越強(qiáng)、雷暴高壓越強(qiáng)。最強(qiáng)雷暴高壓出現(xiàn)的時(shí)間先于最強(qiáng)地面大風(fēng)出現(xiàn)的時(shí)間。增加水汽越多發(fā)展階段冷池強(qiáng)度越強(qiáng)，成熟階段后期冷池減弱地越快。最強(qiáng)雷暴大風(fēng)出現(xiàn)在發(fā)展階段，成熟階段大風(fēng)減弱越快，成熟階段后期，對(duì)流層中上層的斜升氣流減弱，層狀云區(qū)的后部入流減弱，不利于雷暴大風(fēng)的出現(xiàn)和對(duì)流的維持。

（2）不同層次的水汽試驗(yàn)表明，水汽的垂直分布有很顯著的影響。中層的干空氣（即“上干下濕”的層結(jié)）有利于線狀回波和雷暴大風(fēng)的形成，對(duì)雷暴高壓的增強(qiáng)、地面風(fēng)速的增強(qiáng)有重要作用，但不利于整個(gè)對(duì)流系統(tǒng)的長時(shí)間維持。在保持整層水汽含量不變的情況下，線狀對(duì)流易發(fā)生在中層 干、低層（特別是850 hPa以下）濕的環(huán)境中。低層（700 hPa以下）的水汽增加有利于對(duì)流的形成，但不易形成線狀對(duì)流，而低層水汽的減少不利于對(duì)流系統(tǒng)的維持、雷暴高壓和地面大風(fēng)的增強(qiáng)。

（3）從垂直氣流、冷池強(qiáng)度與地面大風(fēng)的分析看，盡管地面大風(fēng)的形成和強(qiáng)度受很多動(dòng)力、熱力因子影響，改變環(huán)境場(chǎng)中的水汽含量，會(huì)影響對(duì)流的組織形態(tài)、維持時(shí)間和強(qiáng)度，從而影響下沉氣流和冷池的強(qiáng)度和地面風(fēng)速。

本文的研究表明，水汽的垂直分布和含量影響對(duì)流系統(tǒng)的組織形式、垂直氣流，從而影響地面冷池和大風(fēng)的形成。但是影響對(duì)流的組織類型和發(fā)展過程的因子非常復(fù)雜，本文只是個(gè)例研究，應(yīng)開展不同環(huán)流背景條件下各影響因子對(duì)對(duì)流系統(tǒng)的組織類型和發(fā)展過程的研究，以獲得各種因子對(duì)對(duì)流系統(tǒng)的定量影響。此外，在真實(shí)個(gè)例的模擬中，各種影響中尺度系統(tǒng)發(fā)展的因子是相互影響的，因此，在今后的研究中，將開展理想試驗(yàn)來研究東亞季風(fēng)區(qū)中各個(gè)關(guān)鍵因子對(duì)颮線組織形式和地面大風(fēng)形成的作用。

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Impact of Moisture on the Organizational Mode and Intensity of Squall Lines Determined Through Numerical Experiments

SUN Jianhua, ZHENG Linlin, and ZHAO Sixiong

1,,,100029;2,, 210044;3,100049

Numerical experiments were conducted on a squall line occurring on June 3–4, 2009, in Henan, Anhui, and Jiangsu provinces, China, that produced high winds and hail. The impact of moisture on the entire air column and that of its vertical distribution on the intensity, development process, and morphology of mesoscale convective systems (MCSs) were investigated. Analysis revealed that the amount of moisture and its vertical distribution had a significant effect on the strength of the downdraft and cold pool, which thus affected the morphology, duration, and strength of convection. The experiments on the entire air column demonstrated that the intensity of MCSs increased with moisture and that the strengths of the cold pool and the thunderstorm high increased, which led to higher winds. Conversely, the intensities of MCSs, cold pool, and surface winds decreased with moisture. Additional moisture led to a stronger cold pool, which caused the maximum winds to strengthen at the developmental stages of the MCSs. However, the cold pool and rear inflow jet weakened more rapidly, which was unfavorable for high wind development and maintenance at mature stages. Precipitable water in entire air column remained unchanged. Linear MCSs and high winds tended to occur in environments of mid-level drier air and low-level moister air that favored the development of stronger thunderstorm highs and discouraged the persistence of MCSs.

Squall line, Numerical simulation, Cold pool, Thunderstorm high, Surface damage wind

1006?9895(2014)04?0742?14

P447

A

10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13187

2013?06?03，2013?07?26收修定稿

公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)項(xiàng)目GYHY200906004，國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目41075032，國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目2013CB430100

孫建華，女，1972年出生，研究員，主要從事中尺度氣象學(xué)研究。E-mail: sjh@mail.iap.ac.cn