東北冷渦下一次颮線和MCV的形成與水平渦度的關(guān)系

竇慧敏，丁治英，沈新勇，高松，郭春燕，李小凡

(1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/氣候與環(huán)境變化國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室/氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京210044；2.浙江省溫州市氣象局，浙江溫州325000；3.重慶市氣象科學(xué)研究所，重慶410047；4.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象服務(wù)中心，內(nèi)蒙古呼和浩特010051；5.浙江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，浙江杭州310027)

1 引 言

颮線是由許多雷暴單體 (包括若干超級(jí)單體)側(cè)向排列而成的強(qiáng)對(duì)流云帶，其水平尺度為150～300 km，時(shí)間尺度為4～18 h，在雷達(dá)反射率圖像上常呈現(xiàn)為一條弓形回波，在中緯度地區(qū)較常見，附近會(huì)出現(xiàn)暴雨、冰雹、龍卷等激烈天氣。颮線的形成維持機(jī)制、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和發(fā)展演變是目前研究的幾個(gè)主要方面[1-5]。Rutunno等[6]通過對(duì)颮線的理想數(shù)值模擬試驗(yàn)的結(jié)果分析提出了“RKW理論”，以冷池與低層垂直風(fēng)切變產(chǎn)生的正負(fù)水平渦度的相對(duì)大小來分析颮線的發(fā)展和維持。陳明軒等[7]通過對(duì)華北一次颮線過程的模擬得出RKW理論對(duì)于解釋實(shí)際颮線過程的發(fā)展維持和傳播是合理的。方翀等[8]認(rèn)為較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變有利于對(duì)流的組織化。之后學(xué)者通過對(duì)其他類型對(duì)流系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，水平渦度不僅在颮線的結(jié)構(gòu)演變和維持機(jī)制上有重要影響，而且在微下?lián)舯┝?、雷暴、龍卷等?qiáng)對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生上同樣具有重要影響。

丁治英等[9]針對(duì)2010年的一次颮線過程中垂直風(fēng)切變引起的水平渦度與垂直運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系進(jìn)行研究，得出了水平渦度與垂直運(yùn)動(dòng)間的定性定量關(guān)系，水平渦度矢量的旋度正比于-ω，即ω在垂直方向有波動(dòng)狀態(tài)時(shí)，水平渦度矢量逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，有上升運(yùn)動(dòng)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)有下沉運(yùn)動(dòng)。颮線在形成與維持期間水平渦度旋轉(zhuǎn)的表現(xiàn)形式以及與垂直速度的關(guān)系，也能反映颮線的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，因此也是本文研究的主要問題之一。

在本次颮線過程的中后期，中層出現(xiàn)了MCV，James等[10]通過對(duì)MCV的統(tǒng)計(jì)分析得出中層持續(xù)存在的中尺度槽是MCV形成后最明顯的特征。王金鑫等[11]指出MCV有其獨(dú)特的特征，可被看做聯(lián)系小尺度對(duì)流活動(dòng)和大尺度天氣系統(tǒng)的紐帶。劉瑞翔等[12]指出垂直輸送項(xiàng)和輻合輻散項(xiàng)是MCV生成階段中低層渦度的主要來源。本次MCV的形成原因以及水平渦度對(duì)其的影響也將在本文討論。

本文針對(duì)2016年7月25日發(fā)生在渤海灣的一次東北冷渦下的颮線過程，對(duì)颮線形成和維持的機(jī)理及颮線過程中中尺度對(duì)流渦旋(MCV)的形成機(jī)制進(jìn)行研究，主要分析颮線形成發(fā)展過程中垂直風(fēng)切變引起的水平渦度矢量的旋轉(zhuǎn)與垂直速度的變化對(duì)颮線的影響以及颮線上MCV的生成原因，以期對(duì)颮線有進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，同時(shí)為颮線引起的災(zāi)害性天氣提供新的預(yù)報(bào)思路。

2 資料方法

采用NCEP中1°×1°的分析資料(時(shí)間間隔6 h)和中國自動(dòng)站與CMORPH降水產(chǎn)品融合0.1°×0.1°的逐時(shí)降水量網(wǎng)格數(shù)據(jù)集進(jìn)行實(shí)況的背景場(chǎng)分析。同時(shí)選取2016年7月25日濱州、煙臺(tái)、大連、營口等8個(gè)單站的時(shí)間間隔為6 min，水平分辨率為0.01經(jīng)緯度的雷達(dá)資料進(jìn)行雷達(dá)拼圖，分析此次過程中對(duì)流系統(tǒng)雷達(dá)回波反射率的演變。

3 天氣過程及背景

2016年7月25日08:00—20:00(世界時(shí)，下同)，渤海灣發(fā)生了一次大暴雨過程，多地12小時(shí)累積降水達(dá)到120 mm(圖1a)。從全國雷達(dá)拼圖看出此次過程主要由颮線系統(tǒng)導(dǎo)致。從7月25日08:00—20:00的逐小時(shí)降水量分布 (圖略)來看，12、13時(shí)降水率大于30 mm/h，降水集中在颮線后部，強(qiáng)度較強(qiáng)，中尺度特征明顯。

2016年7月25日12時(shí)，沿著颮線發(fā)生的位置(119°E)做假相當(dāng)位溫、雷達(dá)回波反射率和垂直環(huán)流的經(jīng)向剖面，圖2a上40°N出現(xiàn)了假相當(dāng)位溫密集帶，結(jié)合風(fēng)場(chǎng)可看出是一個(gè)冷鋒，38～39°N為雷達(dá)回波較強(qiáng)的區(qū)域，這里的層結(jié)是近濕中性的，同時(shí)也是降水所在的區(qū)域，這次颮線引起的降水過程屬于冷鋒鋒前降水。

從天氣形勢(shì)上來看，這是一次東北冷渦影響下的颮線過程。25日12時(shí)500 hPa上(圖2b)，東北冷渦位于漠河以北，中心約位于120°E，55°N，颮線發(fā)生在渤海灣附近，處在冷渦南部的槽前偏西氣流中，并位于200 hPa高空急流右后側(cè)，850 hPa低空急流左前側(cè)，高低空配置良好，有利于上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，同時(shí)急流與鋒區(qū)形成的次級(jí)環(huán)流也加強(qiáng)了此處的垂直上升運(yùn)動(dòng)。而南部的西北太平洋副熱帶高壓穩(wěn)定維持，西南暖濕氣流的輸送也為此次強(qiáng)降水過程提供了水汽條件。

4 數(shù)值模擬

4.1 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)方案

本次數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)的模式選用非靜力的中尺度天氣預(yù)報(bào)模式(WRF)。模擬的初始場(chǎng)和側(cè)邊界場(chǎng)采用時(shí)間間隔為6 h的NCEP的FNL資料。模擬時(shí)長(zhǎng)36 h，從7月24日18時(shí)開始至26日00時(shí)結(jié)束。模擬區(qū)域的中心經(jīng)緯度為121.71°E，40.02°N，模擬區(qū)域采用三層單向嵌套方案，三層嵌套網(wǎng)格數(shù)分別是 134×159、328×358 和 589×556，水平分辨率分別為27 km、9 km和3 km，輸出結(jié)果的時(shí)間間隔分別為1 h、30 min和6 min。模擬過程中采用的參數(shù)化方案如下:微物理方案WSM6，長(zhǎng)波輻射方案RRTM，短波輻射方案Dudhia，積云對(duì)流方案K-F(第三層不使用)，近地面層方案Monin-Obukhov，邊界層方案YSU，陸面過程方案Noah等。文中主要對(duì)第三層即最內(nèi)層區(qū)域的模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

4.2 模擬結(jié)果檢驗(yàn)

將7月25日08:00—20:00模擬的12 h累積降水量(圖1b)與實(shí)況(圖1a)對(duì)比發(fā)現(xiàn):觀測(cè)的12 h累積降水覆蓋區(qū)域較廣，雨帶呈東北-西南走向，吉林、遼寧、渤海灣等地區(qū)均有較強(qiáng)降水，主要表現(xiàn)為2個(gè)強(qiáng)降水中心，分別位于遼寧和吉林的交界處以及渤海灣南部，累積降水量大于100 mm;模擬得到的12 h累積降水分布與觀測(cè)的累積降水分布特征基本一致，整個(gè)降水區(qū)呈帶狀分布，存在2個(gè)降水中心，渤海灣處的強(qiáng)降水中心與實(shí)況對(duì)應(yīng)較好，吉林遼寧交界處的強(qiáng)降水中心模擬得較弱，位置偏南。從降水來看，本次模擬試驗(yàn)較好地模擬出了此次鋒前降水過程，模擬的雨帶的走向及降水中心的分布與實(shí)況表現(xiàn)一致。

從觀測(cè)的實(shí)況雷達(dá)回波來看，對(duì)流最開始在天津附近產(chǎn)生，逐漸加強(qiáng)向南移入渤海灣。11:00(圖3a)，渤海灣已經(jīng)有多個(gè)對(duì)流單體生成，隨著對(duì)流單體的移動(dòng)，12:30對(duì)流單體已組織成線狀對(duì)流帶(3b)，颮線形成。到 14:00(圖3c)，對(duì)流增強(qiáng)，線狀對(duì)流帶更加完整清晰，形成了雷達(dá)回波強(qiáng)度大于45 dBz，寬度接近100 km的成熟颮線系統(tǒng)，并在大連周圍有弓狀彎曲，同時(shí)后部有大面積的層狀云。此后隨著颮線的向東移動(dòng)，15:30(圖3d)，大連附近的對(duì)流持續(xù)增強(qiáng)，并且在14:00—15:30雷達(dá)回波圖中可看到明顯的氣旋式旋轉(zhuǎn)；到16:00(圖略)颮線的前半段迅速減弱到40 dBz以下，山東半島北側(cè)還存在兩段線狀對(duì)流單體，然后隨著系統(tǒng)的移動(dòng)逐漸消亡。

模擬的雷達(dá)回波時(shí)間有約7小時(shí)的滯后，18:00多個(gè)對(duì)流單體在渤海灣生成(圖3e)，19:30對(duì)流單體迅速組織成線狀對(duì)流帶，21:00出現(xiàn)偏東西向的線狀對(duì)流帶(圖3f)，颮線成熟，前部出現(xiàn)弓狀彎曲，22:30前部的旋轉(zhuǎn)加強(qiáng)(圖3g)，隨后對(duì)流帶東移減弱。通過對(duì)比觀測(cè)和模擬的雷達(dá)組合回波可看出，模擬的颮線強(qiáng)度整體偏強(qiáng)，位置略偏南，颮線系統(tǒng)漸趨成熟以后，消亡的速度接近實(shí)況。在颮線從生成到消亡的演變過程中同樣經(jīng)歷了零散的對(duì)流單體發(fā)展加強(qiáng)，組織成帶狀對(duì)流系統(tǒng)，颮線頭部的氣旋式旋轉(zhuǎn)以及對(duì)流帶的減弱消亡。由以上雷達(dá)回波反射率的演變分析可看出，本次模擬試驗(yàn)得出的颮線位置和颮線的發(fā)展演變過程與實(shí)況接近，可利用模擬得出的高分辨率資料對(duì)颮線結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

5 颮線系統(tǒng)的形成及原因

在實(shí)況和模擬中均發(fā)現(xiàn)零散的對(duì)流單體在短時(shí)間內(nèi)組織成帶狀對(duì)流系統(tǒng)，是什么在其中起到了重要作用？侯淑梅等[13]對(duì)颮線發(fā)展過程中回波合并分析得出對(duì)流單體之間、弓形回波與對(duì)流單體之間的合并會(huì)造成颮線強(qiáng)度增強(qiáng)，產(chǎn)生強(qiáng)降水等災(zāi)害性天氣。丁治英等[14]發(fā)現(xiàn)帶狀回波衰減形成的偏冷出流與低層西南暖濕氣流的交匯會(huì)激發(fā)對(duì)流單體新生并入主對(duì)流帶。下面就對(duì)流單體的迅速組織化來分析颮線的形成機(jī)制及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

低層風(fēng)垂直切變的大小對(duì)MCS的發(fā)展有重要作用，觀測(cè)分析表明[15-16]，颮線常伴隨有明顯的低層垂直風(fēng)切變，且颮線的強(qiáng)度與垂直于颮線的低層切變分量存在正相關(guān)。垂直運(yùn)動(dòng)常被視作天氣系統(tǒng)生成和發(fā)展的一個(gè)重要指標(biāo)，而零散的對(duì)流單體能組織成帶狀說明他們有一致的上升運(yùn)動(dòng)。丁治英等[9]提到的水平渦度與垂直運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系：。由z坐標(biāo)系下的三維渦度表達(dá)式)，看出水平渦度是由垂直速度的水平切變和水平風(fēng)的垂直切變構(gòu)成，而，因此可將水平風(fēng)的垂直切變矢量)看作水平風(fēng)垂直切變產(chǎn)生的水平渦度，即。當(dāng) ω 場(chǎng)具有波動(dòng)狀態(tài)時(shí)，(-ω)，水平風(fēng)的垂直切變矢量(ξx，ξy)與垂直運(yùn)動(dòng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：當(dāng)水平風(fēng)的垂直切變矢量為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，其值為正，此時(shí)，ω＜0為上升氣流；當(dāng)水平風(fēng)的垂直切變矢量為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，其值為負(fù)，此時(shí)ω＞0，為下沉氣流。因此由風(fēng)的垂直切變引起的水平渦度矢量的方向?qū)Υ怪边\(yùn)動(dòng)的方向具有指示性意義。

5.1 中α背景場(chǎng)中的水平渦度

在颮線發(fā)生前的25日00時(shí)，實(shí)況200 hPa上(圖4a)，颮線發(fā)生處，天津、滄州等地存在水平渦度的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)中心，并有輻散中心配合，低層900 hPa水平渦度的逆時(shí)針彎曲對(duì)應(yīng)的是一個(gè)弱的輻合(圖4c)，水平渦度的這種分布為颮線產(chǎn)生提供了有利的上升運(yùn)動(dòng)條件。25日06時(shí)，高層的水平渦度逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)中心移動(dòng)到渤海灣的西部(圖4b)，與弱輻散中心對(duì)應(yīng)，低層(圖4d)渤海灣對(duì)應(yīng)有明顯的水平渦度的氣旋式旋轉(zhuǎn)，為對(duì)流的觸發(fā)確定了良好的動(dòng)力條件。高低層的風(fēng)速與00時(shí)相比有了明顯的增強(qiáng)。遼寧吉林的交界處為強(qiáng)輻散中心，但水平渦度表現(xiàn)為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，且低層的輻合較弱，整體的上升運(yùn)動(dòng)并不強(qiáng)，因此聯(lián)系前面的實(shí)況雷達(dá)回波可看到產(chǎn)生的對(duì)流比較弱。由此可見本次個(gè)例中高層強(qiáng)輻散區(qū)對(duì)強(qiáng)對(duì)流的指示意義遠(yuǎn)弱于水平渦度的氣旋式旋轉(zhuǎn)區(qū)。

5.2 水平渦度與中β對(duì)流帶的形成

由前節(jié)分析，本次過程中強(qiáng)對(duì)流變化較快，實(shí)況資料間隔太久不足以很好觀察對(duì)流如何組織維持帶狀，所以下面對(duì)模擬所得的高分辨率資料進(jìn)行分析。

17:24的模擬資料顯示(圖5a)，高層在渤海灣西部(118°E)附近，有一與對(duì)流配合的小范圍的水平渦度逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)矢量場(chǎng)，低層對(duì)流區(qū)也處在逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)區(qū)中，此時(shí)颮線尚未形成。高層小范圍的圍繞對(duì)流單體的閉合逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)場(chǎng)開始合并，范圍逐漸擴(kuò)大，低層對(duì)流單體前方就出現(xiàn)了明顯統(tǒng)一的逆時(shí)針彎曲(圖5b)，由水平渦度與垂直速度的關(guān)系可知，這種狀態(tài)有利于零散的對(duì)流單體組織化。19:30高層形成大范圍的包含多個(gè)對(duì)流單體的氣旋式閉合矢量場(chǎng)(圖5c)，低層對(duì)流帶前水平渦度依然為統(tǒng)一的逆時(shí)針彎曲(圖5d)，而颮線的后部多為反氣旋式旋轉(zhuǎn)的矢量場(chǎng)，導(dǎo)致颮線上水平渦度矢量從前向后多呈“S”型，此時(shí)颮線已基本形成。到了21:00，颮線達(dá)到最強(qiáng)盛階段，可清楚看到高層統(tǒng)一大范圍的氣旋式閉合矢量(圖5e)和低層沿對(duì)流帶從前向后完整的S型彎曲的矢量線(圖5f)。22:30對(duì)流減弱，高層統(tǒng)一的氣旋式閉合矢量消失(圖5g)，只有部分對(duì)流單體還存在逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的矢量場(chǎng)，低層颮線頭部的雷達(dá)回波發(fā)射率明顯減弱(圖5 h)，但S型彎曲仍然存在。

綜上所述，通過對(duì)颮線形成過程中水平渦度的方向在高低層不同的變化可得出颮線組織形成的概念模型(圖6)。高層對(duì)流單體處水平渦度呈現(xiàn)氣旋式渦旋結(jié)構(gòu)并隨著其他對(duì)流單體的產(chǎn)生，范圍逐步擴(kuò)大，觸發(fā)低層大范圍的上升運(yùn)動(dòng)與對(duì)流，進(jìn)一步加強(qiáng)低層輻合，低層對(duì)流區(qū)前部形成一致的氣旋式彎曲有利于對(duì)流組織成帶狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)對(duì)流組織起來后，對(duì)流后部的下沉運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致低層水平渦度呈現(xiàn)S型彎曲的結(jié)構(gòu)，颮線形成。

5.3 水平渦度與颮線上風(fēng)的垂直切變

從以上分析可見，低層水平渦度的變化對(duì)于對(duì)流單體的組織作用更加明顯，水平渦度矢量在颮線附近的大小，也表示了風(fēng)的垂直切變的大小。圖7a為900 hPa水平渦度的x方向的分量和雷達(dá)回波反射率隨時(shí)間的演變。19:30—22:00線狀對(duì)流單體前部經(jīng)向風(fēng)切變?yōu)檎?，后部?jīng)向風(fēng)切變均為負(fù)，整個(gè)對(duì)流帶后部的風(fēng)切變又變?yōu)檎?，很好地詮釋了“S”型結(jié)構(gòu)在颮線成熟期的狀態(tài)。900 hPa水平渦度的y方向的分量(圖7b)顯示，該項(xiàng)在颮線前后均為正，最大正值在最強(qiáng)對(duì)流帶的中心附近，并向兩側(cè)減小，可見水平渦度的y方向分量在對(duì)流帶中心最強(qiáng)。在22:00之后，隨著對(duì)流的減弱，在對(duì)流帶前部的ξy開始增大。x方向的水平渦度分量在對(duì)流帶前方由正到負(fù)的變化也與RKW理論模型一致。高層情況類似(圖略)，在颮線前x方向分量為正，颮線后為負(fù)，y方向分量變化也與低層基本一致。因此可知沿著對(duì)流帶，x、y方向的水平渦度均有規(guī)律性的變化，對(duì)颮線的形成起到了重要作用。

水平渦度矢量旋轉(zhuǎn)的方向決定了對(duì)流帶的形成與否，因此以下討論沿S型水平渦度方向風(fēng)的垂直切變的變化。圖5d、5f、5h中，紅色曲線段近似的表示S型彎曲的結(jié)構(gòu)，S有兩個(gè)拐點(diǎn)——即曲線段的兩個(gè)拐點(diǎn)，由南至北稱為點(diǎn)S1、點(diǎn)S2。為了分析沿S型水平渦度方向風(fēng)的垂直切變的變化，在S1、S2兩點(diǎn)之間的一定經(jīng)度范圍(黑色矩形框的經(jīng)度范圍，0.1°E)做雷達(dá)回波和水平風(fēng)的緯向平均的垂直剖面，研究風(fēng)的垂直切變與垂直運(yùn)動(dòng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

19:30(圖8a)，圖的緯度范圍取圖5d中黑色矩形框的緯度范圍，經(jīng)向風(fēng)的風(fēng)速中心位于中層500～600 hPa，以南風(fēng)為主，低層風(fēng)速小，風(fēng)的垂直切變使得對(duì)流帶的前部為上升運(yùn)動(dòng)，中間為下沉運(yùn)動(dòng)。結(jié)合垂直環(huán)流(圖8d)可知此處低層存在反氣旋式旋轉(zhuǎn)，在對(duì)流的前部上升，中間下沉，與經(jīng)向風(fēng)的垂直切變表現(xiàn)一致，風(fēng)的垂直切變與垂直運(yùn)動(dòng)配合得很好。到21:00(圖8b)，颮線成熟，對(duì)流增強(qiáng)，經(jīng)向風(fēng)風(fēng)速增大，大值中心位于400～500 hPa，低層出現(xiàn)北風(fēng)，風(fēng)切變?cè)鰪?qiáng)，風(fēng)的垂直切變使得對(duì)流的前部為上升運(yùn)動(dòng)，中間為下沉運(yùn)動(dòng)。對(duì)流前部的上升區(qū)是一個(gè)鋒區(qū)，同時(shí)對(duì)照相當(dāng)位溫(圖略)可看出低層鋒區(qū)兩側(cè)不同的方向的垂直風(fēng)切變，與RKW的理論模型一致，鋒區(qū)南側(cè)暖氣流上升，北側(cè)對(duì)流中心后部冷池對(duì)應(yīng)的下沉氣流，二者在對(duì)流前部相遇，有利于對(duì)流的產(chǎn)生。與19:30時(shí)相同的是，對(duì)流中間低層存在反氣旋式旋轉(zhuǎn) (圖8e)，促進(jìn)了對(duì)流前部的上升以及中間的下沉，與經(jīng)向風(fēng)的垂直切變表現(xiàn)一致。不同的是，對(duì)流的后部高層出現(xiàn)了北風(fēng)，環(huán)流形成了順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。22:30時(shí)(圖8c)，對(duì)流開始減弱，經(jīng)向風(fēng)風(fēng)速減小，整體為南風(fēng)，大值中心位于400～500 hPa，垂直運(yùn)動(dòng)減弱(圖8f)，沒有明顯的氣旋或者反氣旋式旋轉(zhuǎn)出現(xiàn)，對(duì)流帶前部以上升運(yùn)動(dòng)為主，后部以下沉運(yùn)動(dòng)為主，風(fēng)切變與垂直運(yùn)動(dòng)的關(guān)系也對(duì)應(yīng)得比較好。

不同時(shí)次緯向風(fēng)風(fēng)速較經(jīng)向風(fēng)更大，其風(fēng)切變方向的變化對(duì)垂直運(yùn)動(dòng)也有一定的貢獻(xiàn)(圖略)。丁治英等[9]提出的水平渦度與垂直運(yùn)動(dòng)的理論關(guān)系)，下面通過此關(guān)系式來進(jìn)一步判斷水平渦度對(duì)對(duì)流前部上升運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn)，在此將)記為A項(xiàng)、將)記為B項(xiàng)。在ω波動(dòng)狀態(tài)下(-ω)∝w，A 項(xiàng)表示緯向風(fēng)垂直切變?cè)趚方向的變化，B項(xiàng)表示經(jīng)向風(fēng)垂直切變?cè)趛方向的變化，垂直運(yùn)動(dòng)主要看水平渦度在x、y方向的分布，即A、B兩項(xiàng)的大小。同樣在S1、S2兩點(diǎn)之間的一定經(jīng)度范圍做垂直速度和B項(xiàng)的緯向平均的垂直剖面，從前面的分析可知，對(duì)流前部垂直上升運(yùn)動(dòng)最明顯，在19:30、21:00和 22:30 三個(gè)時(shí)次(圖 8g、8h、8i)，均可看到垂直運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)區(qū)與雷達(dá)回波反射率的大值區(qū)基本相符，其中21:00是颮線最強(qiáng)盛的時(shí)期，垂直上升運(yùn)動(dòng)最強(qiáng)，22:30對(duì)流減弱，垂直運(yùn)動(dòng)也較弱。三個(gè)時(shí)次中垂直速度(w)大于0的區(qū)域，B項(xiàng)的表現(xiàn)以正值為主，部分為負(fù)，正值中心與垂直速度的大值中心較一致。與A項(xiàng)的分布(圖略)對(duì)比發(fā)現(xiàn)A項(xiàng)在這些為負(fù)的區(qū)域恰好為正，即A、B兩項(xiàng)協(xié)同配合，共同對(duì)垂直上升運(yùn)動(dòng)起到了重要作用，同時(shí)也說明，不僅水平風(fēng)垂直切變的大小對(duì)垂直運(yùn)動(dòng)有貢獻(xiàn)，水平風(fēng)垂直切變的方向?qū)Υ怪边\(yùn)動(dòng)同樣有很大貢獻(xiàn)。

通過對(duì)沿S型水平渦度方向風(fēng)的垂直切變變化的分析可知，低層水平渦度的逆時(shí)針彎曲對(duì)于對(duì)流單體的組織作用十分明顯，經(jīng)向風(fēng)的垂直切變的變化更利于形成S型彎曲的結(jié)構(gòu)，對(duì)颮線的成熟有一定的指示意義，同時(shí)水平風(fēng)垂直切變的方向?qū)τ趯?duì)流前部的上升運(yùn)動(dòng)有很大的貢獻(xiàn)。

6 颮線頭部旋轉(zhuǎn)及MCV的形成原因

此次過程除了線狀部分，在颮線的東部，實(shí)況14:00—16:00出現(xiàn)弓狀彎曲以及旋轉(zhuǎn)的雷達(dá)回波，模擬回波出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的時(shí)間約在22:30之后，從逐層雷達(dá)反射率因子演變分析(圖略)，實(shí)況與模擬的回波旋轉(zhuǎn)都發(fā)生在中高層，中心回波較弱。弓狀回波一般會(huì)有一個(gè)強(qiáng)的后側(cè)入流[17]，強(qiáng)的下?lián)舯┝鞅l(fā)后，中層氣流迅速進(jìn)入對(duì)流體，系統(tǒng)中心的對(duì)流體快速向前運(yùn)動(dòng)，弓狀回波形成，在弓狀回波的北端，氣流做氣旋式旋轉(zhuǎn)，在南端呈現(xiàn)反氣旋式旋轉(zhuǎn)，隨著弓狀回波的發(fā)展，北端的氣旋式旋轉(zhuǎn)不斷加強(qiáng)，演變?yōu)橐粋€(gè)旋轉(zhuǎn)的逗點(diǎn)頭。Meng等[18]給出了類似的結(jié)論，即颮線的弓狀結(jié)構(gòu)主要是由后向入流引起的，而后向入流是由渦旋對(duì)造成的。目前國內(nèi)已有類似的研究[19-21]。經(jīng)過渦度收支和渦線分析得出，渦旋對(duì)主要是由水平渦線傾斜造成。但本次回波的旋轉(zhuǎn)與以上研究不同，因此有必要對(duì)其形成作進(jìn)一步分析。

經(jīng)過對(duì)颮線風(fēng)場(chǎng)的分析，發(fā)現(xiàn)此次過程并沒有強(qiáng)烈的后側(cè)入流來產(chǎn)生、加強(qiáng)弓狀回波的旋轉(zhuǎn)。從中層流場(chǎng)來看，500 hPa，22:36颮線頭部南北向的槽加深(圖9a)，中心弱回波區(qū)出現(xiàn)，隨著颮線的發(fā)展移動(dòng)，槽線變得密集并逐漸向東向北移動(dòng)，且槽線開始傾斜，00:42對(duì)流減弱(圖9b)，颮線頭部的旋轉(zhuǎn)減弱，弱回波區(qū)減弱接近消失，但風(fēng)場(chǎng)并未減弱，在槽的北部形成逆時(shí)針渦旋——MCV。01:18對(duì)流較弱(圖9c)，但風(fēng)場(chǎng)出現(xiàn)明顯的氣旋式旋轉(zhuǎn)。而導(dǎo)致22:36雷達(dá)回波出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的原因，主要是南北風(fēng)的加強(qiáng)導(dǎo)致槽加深進(jìn)而引起了逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。在模擬的中高層均能清楚地看到颮線頭部雷達(dá)回波的旋轉(zhuǎn)，以及后期MCV的形成，不同的是，高層的旋轉(zhuǎn)形成、加強(qiáng)和減弱的時(shí)間略微滯后一些，維持時(shí)間更長(zhǎng)。

颮線頭部雷達(dá)回波的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)與正垂直渦度(以下簡(jiǎn)稱渦度)有關(guān)，從渦度的角度來看，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)區(qū)域有明顯的正渦度中心，下面從渦度方程的角度來分析旋轉(zhuǎn)區(qū)域正渦度的來源。P坐標(biāo)系下的渦度方程：

其中A為相對(duì)渦度的局地變化項(xiàng)，B為水平平流項(xiàng)，C為垂直平流項(xiàng)，D為水平散度項(xiàng)，E為傾側(cè)項(xiàng)，ξ為相對(duì)渦度，f為地轉(zhuǎn)渦度從區(qū)域平均來看，在22:30—02:00渦度基本為正，隨時(shí)間的變化呈波動(dòng)狀態(tài)(圖略)。從渦度方程右端各項(xiàng)的區(qū)域平均的垂直分布來看，22:36正渦度區(qū)域部分位于槽后，500 hPa水平平流為負(fù)(圖10a)，250～450 hPa為正的水平平流，高層的正渦度平流對(duì)500 hPa的渦度產(chǎn)生正的貢獻(xiàn)，并促進(jìn)500 hPa的輻合。中層垂直平流項(xiàng)為負(fù)，約為 -0.20(單位：10-7s-2，下同)，傾側(cè)項(xiàng)和水平散度項(xiàng)均為正(圖10b)，傾側(cè)項(xiàng)約為0.21，水平散度項(xiàng)約為0.43，所以此時(shí)500 hPa正渦度的維持主要靠高層的水平平流項(xiàng)和中層的傾側(cè)項(xiàng)和水平散度項(xiàng)。00:42時(shí)(圖10c)，由于MCV形成于槽后所以400～500 hPa水平平流為負(fù)，250～400 hPa為正的水平平流，與22:36時(shí)相同的是中層垂直平流項(xiàng)為負(fù)，約為-0.15(單位：10-7s-2，下同)，傾側(cè)項(xiàng)和水平散度項(xiàng)均為正 (圖10d)，大小分別約為0.20和1.00。由此得出，雷達(dá)回波的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)伴隨著正渦度的旋轉(zhuǎn)，高層正渦度的水平平流對(duì)中層正渦度有促進(jìn)作用同時(shí)促進(jìn)中層輻合，再加上中層傾側(cè)項(xiàng)和水平散度項(xiàng)為正，水平渦度向垂直渦度轉(zhuǎn)換，風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生氣旋式旋轉(zhuǎn)，MCV 形成(圖 11)。

7 結(jié) 論

本文針對(duì)2016年7月25日的一次東北冷渦下的颮線過程，分析颮線形成發(fā)展過程中垂直風(fēng)切變引起的水平渦度與垂直速度的變化對(duì)颮線以及MCV形成的影響，得到以下結(jié)論。

(1)此次颮線過程發(fā)生于200 hPa高空急流右后側(cè)輻散區(qū)，500Pa東北冷渦南部槽前偏西氣流中，850 hPa低空急流左側(cè)，同時(shí)有高空急流和鋒區(qū)形成的次級(jí)環(huán)流配合，加強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)強(qiáng)對(duì)流發(fā)展，對(duì)流單體在低層水平渦度的組織作用下在渤海灣形成伴有弓狀回波的東西向線狀對(duì)流帶，引起一次冷鋒鋒前降水過程，12 h降水累積達(dá)到120 mm。

(2)分析得出颮線形成與水平渦度的關(guān)系：颮線發(fā)生前，高層渤海灣西側(cè)出現(xiàn)水平渦度的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)中心，并有水平輻散中心配合，低層水平渦度為逆時(shí)針彎曲，對(duì)應(yīng)弱的輻合，為颮線產(chǎn)生提供了有利的上升運(yùn)動(dòng)條件。隨后高層多個(gè)對(duì)流單體的水平渦度氣旋式渦旋結(jié)構(gòu)范圍不斷擴(kuò)大，形成統(tǒng)一大范圍氣旋式渦旋結(jié)構(gòu)，觸發(fā)低層大范圍的上升運(yùn)動(dòng)，同時(shí)加強(qiáng)了低層輻合，低層對(duì)流區(qū)前部形成一致的氣旋式彎曲，對(duì)流組織成帶狀結(jié)構(gòu)，颮線形成。這意味著對(duì)流活動(dòng)與背景渦度場(chǎng)的相互作用對(duì)飚線的組成、演變起重要影響。

(3)颮線成熟時(shí)期水平渦度的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：高層200 hPa表現(xiàn)為統(tǒng)一大范圍氣旋式渦旋結(jié)構(gòu)，低層900 hPa水平渦度呈現(xiàn)典型的S型彎曲結(jié)構(gòu)，水平渦度的x方向的分量在線狀對(duì)流單體前部為正，后部為負(fù)，整個(gè)對(duì)流帶后部又變?yōu)檎?，y方向的分量颮線前后均為正，最大正值在最強(qiáng)對(duì)流帶的中心附近，并向兩側(cè)減小。

(4)颮線頭部旋轉(zhuǎn)和MCV形成的原因：通過對(duì)渦度方程的分析得出，500 hPa颮線頭部的旋轉(zhuǎn)與MCV的形成主要與高層有正的垂直渦度的水平平流項(xiàng)、中層的傾側(cè)項(xiàng)和水平散度項(xiàng)對(duì)渦度有正貢獻(xiàn)有關(guān)，高層正的水平平流對(duì)中層正渦度有促進(jìn)作用同時(shí)促進(jìn)中層輻合，再加上中層傾側(cè)項(xiàng)和水平散度項(xiàng)為正，水平渦度向垂直渦度轉(zhuǎn)換，颮線頭部雷達(dá)回波逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，后期對(duì)流減弱，但風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生了氣旋式旋轉(zhuǎn)，MCV形成。