一次夜間β中尺度弓形回波形成機(jī)制機(jī)理研究*

孫 敏 趙 暢 吳君婧 孔曉宇,3

1 上海中心氣象臺,上海 200030 2 南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院中尺度災(zāi)害性天氣教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210023 3 相控陣陣列天氣雷達(dá)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,上海 200030

提 要：2017年9月24日夜間至25日凌晨,沿長江一線發(fā)生了一次夜間強(qiáng)對流過程。準(zhǔn)東西向鋒面雨帶南側(cè)垂直于鋒面走向的β中尺度對流系統(tǒng)由線狀逐漸演變?yōu)楣?造成長江中下游地區(qū)產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水,并伴隨7級雷暴大風(fēng)。從環(huán)境場來看,夜間不存在有利的熱力條件,預(yù)報(bào)難度較大。本研究利用觀測和數(shù)值模擬對弓形回波的形成和演變機(jī)制機(jī)理進(jìn)行分析,雷達(dá)觀測顯示初始階段有一條東北—西南向的β中尺度線狀對流帶,在其西南側(cè)不斷有新生的對流單體合并進(jìn)入對流主體,形成側(cè)后向傳播,之后在對流主體移動方向前側(cè)(東南側(cè))又有新的對流單體生成,逐漸發(fā)展成西北—東南向的帶狀,并向東北方向移動,最終導(dǎo)致原β中尺度線狀對流帶演變并加強(qiáng)為弓形回波。高分辨率數(shù)值模式模擬的對流系統(tǒng)演變過程與實(shí)況十分接近,利用渦度方程進(jìn)行診斷分析顯示渦度的傾側(cè)項(xiàng)在側(cè)后向傳播中發(fā)揮了重要的作用。對流發(fā)展初期,在傾側(cè)項(xiàng)作用下回波西南側(cè)有新的對流單體生成并與主體回波合并,隨著回波不斷合并增強(qiáng),輻散項(xiàng)的作用逐漸增大,主體回波在西南側(cè)的傾側(cè)項(xiàng)和東北側(cè)的輻散項(xiàng)共同作用下正渦度明顯增大,且其垂直平流項(xiàng)將正渦度向上傳播,有利于對流的垂直伸展。在主體回波前側(cè),受水平平流項(xiàng)的作用不斷有新的對流單體生成,但由于垂直伸展高度低,受低層風(fēng)引導(dǎo)向東北方向移動,在移動過程中對流單體排列呈西北—東南向且逐漸合并渦度增大,最終導(dǎo)致線狀主體回波演變?yōu)楣位夭?。此次弓形回波的形成過程與經(jīng)典模型存在顯著差異,其弓形后側(cè)沒有明顯的后側(cè)入流急流,而是具有明顯的前側(cè)近地層入流,主要受到了前側(cè)暖區(qū)內(nèi)對流系統(tǒng)發(fā)展影響。

引 言

中尺度對流系統(tǒng)(mesoscale convective system,MCS)是暴雨的主要成因之一(Maddox,1980;陳傳雷等,2018;范元月等,2020),由于總降水量與降水效率和持續(xù)時(shí)間直接相關(guān)(Doswell Ⅲ et al,1996),在同一地點(diǎn)產(chǎn)生的列車效應(yīng)或后向傳播特別有利于產(chǎn)生極端降水(Chappell,1986;何群英等,2009;孫繼松等,2013;茍阿寧等,2019;王嘯華等,2021)。后向傳播是指在上游地區(qū)不斷有新的單體生成,而成熟的單體在下游消亡,從而導(dǎo)致對流區(qū)呈現(xiàn)準(zhǔn)靜止(Schumacher and Johnson,2005)。側(cè)后向傳播是后向傳播常見的一種類型,受側(cè)后向傳播的影響,對流系統(tǒng)移速往往慢于平流速度,從而更有利于降水系統(tǒng)的長時(shí)間維持,導(dǎo)致更強(qiáng)的降水。盡管MCS在夜間很常見,但帶有破壞性大風(fēng)的弓形回波在夜間是罕見的,因?yàn)檫@時(shí)環(huán)境通常具有夜間穩(wěn)定邊界層的特點(diǎn)(Schultz et al,2000)。理論上穩(wěn)定邊界層能阻礙強(qiáng)冷池產(chǎn)生的溫度和氣壓梯度,同時(shí)會減小近地面負(fù)浮力下沉運(yùn)動導(dǎo)致的動量下傳,這與白天的對流系統(tǒng)有明顯差異(Horgan et al,2007)。然而,弓形回波和強(qiáng)風(fēng)系統(tǒng)仍會在夜間發(fā)生(Adams-Selin and Johnson,2010;2013;曲曉波等,2010;Coniglio et al,2012;陶嵐等,2014;Guastini and Bosart,2016;袁招洪,2021)。與白天的對流系統(tǒng)預(yù)報(bào)相比,夜間弓形回波的預(yù)報(bào)效果較差(Wilson and Roberts,2006;Clark et al,2007;Weisman et al,2008;支樹林等,2017;Hitchcock et al,2019;Weckwerth et al,2019),其原因可能是夜間對流通常是高架對流,如低空急流前側(cè)的輻合(Stull,1988)、重力波或涌等地面上方的強(qiáng)迫機(jī)制,相比發(fā)生在白天的對流更占主導(dǎo)作用。夜間對流常發(fā)生在穩(wěn)定的邊界層中(Koch et al,2008;Koch and Clark,1999),常伴有低空急流(LLJ),這樣的環(huán)境下對流有效位能(CAPE)較低,但垂直風(fēng)切變較大,常被稱為“高風(fēng)切變,低有效位能”(high-shear,low-CAPE,HSLC)。對于HSLC環(huán)境的定義各不相同,Wade and Parker(2021)定義混合層CAPE≤1000 J·kg-1且0～6 km風(fēng)切變≥18 m·s-1,這樣的環(huán)境下也可以產(chǎn)生顯著的惡劣天氣,甚至包括龍卷(Simmons and Sutter,2009;Ripberger et al,2014),因此該類環(huán)境下的強(qiáng)對流預(yù)報(bào)是一個(gè)相當(dāng)大的短期和短時(shí)臨近預(yù)報(bào)挑戰(zhàn)。

Fujita(1978;1979)最早定義了弓形回波的典型演變特征。根據(jù)Fujita(1979),弓形回波通常是從對流單體或一排線狀對流單體演變?yōu)槎禾枲畹幕夭?其向極一側(cè)伴隨一個(gè)主要的氣旋性渦旋,尺度范圍較廣(10～150 km)。盡管已有學(xué)者通過觀測研究(Przybylinski and Gery,1983;Funk et al,1999)和數(shù)值模擬(Weisman,1993;Finley et al,2001)對弓形回波進(jìn)行了廣泛的研究,但它們是如何從各種初始對流結(jié)構(gòu)中演變而來還需進(jìn)一步的研究。Klimowski et al(2004)研究了1996—2002年美國發(fā)生的273個(gè)弓形回波的演變,特別是弓形前階段的雷達(dá)反射率特征,確定了弓形回波形成的3種主要對流組織模式:弱組織單體模式、颮線模式和超級單體模式;弱組織單體模式在美國中部最常見,對于弱組織單體模式,68%的弓形回波個(gè)例與合并有關(guān)。

國內(nèi)外學(xué)者對于β中尺度系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析表明:當(dāng)對流系統(tǒng)發(fā)展到強(qiáng)盛期時(shí),流場中上升氣流由傾斜上升轉(zhuǎn)換為垂直上升(何立富等,2007),在渦度場上,水平渦度與環(huán)境風(fēng)場的垂直切變有關(guān),伴隨對流增強(qiáng),水平渦管在垂直運(yùn)動的作用下會發(fā)生傾斜,轉(zhuǎn)化為垂直渦度(Davies-Jones,1984),這僅是其中的一種垂直正渦度的來源,被稱為傾側(cè)項(xiàng),而垂直正渦度的來源還包括了水平平流項(xiàng)、垂直輸送項(xiàng)和散度項(xiàng)。在實(shí)際個(gè)例中不同對流單體、不同階段垂直正渦度的來源并不完全相同,由不同項(xiàng)占據(jù)主導(dǎo)地位,需針對個(gè)例進(jìn)一步分析。本研究關(guān)注的是2017年9月24日夜間至25日凌晨一次夜間強(qiáng)對流過程,該過程以短時(shí)強(qiáng)降水為主,個(gè)別站點(diǎn)出現(xiàn)7級雷暴大風(fēng)。在此次過程中,對流主體的維持及β中尺度對流系統(tǒng)由線狀回波合并加強(qiáng)演變?yōu)楣瓲罨夭ǖ臋C(jī)制機(jī)理,將是文本的研究重點(diǎn)。

1 資料和方法

本文實(shí)況分析中使用的資料包括:

(1)研究區(qū)域內(nèi)的地面自動站數(shù)據(jù)和雷達(dá)數(shù)據(jù)(南京、常州、南通、青浦和南匯雷達(dá))。

(2)歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ERA5等壓面層再分析資料,水平分辨率為0.25°×0.25°。

1.1 理查森數(shù)的計(jì)算

理查森數(shù)(Richardson number,Ri)是檢驗(yàn)大氣環(huán)境是否有利于重力波發(fā)生的重要指標(biāo),其表達(dá)式為

(1)

1.2 數(shù)值模式設(shè)置

利用WRF_ARW高分辨率數(shù)值模式對本次強(qiáng)對流過程進(jìn)行了模擬,模擬區(qū)域采用雙重嵌套,外層水平分辨率為3 km,內(nèi)層水平分辨率為1 km,初始和側(cè)邊界場采用GDAS的0.25°再分析數(shù)據(jù),兩層區(qū)域內(nèi)均未采用積云參數(shù)化方案,模擬時(shí)間為2017年9月24日08:00至25日08:00(北京時(shí),下同),共24 h,模式的其他設(shè)置詳見表1。

表1 WRF模式設(shè)置Table 1 WRF model configuration

1.3 雙多普勒雷達(dá)風(fēng)場反演

利用美國國家大氣研究中心(NCAR)提供的SPRINT軟件將雷達(dá)體掃數(shù)據(jù)從極坐標(biāo)系插值到笛卡爾坐標(biāo)系下(數(shù)據(jù)插值采用雙線性插值法),并對徑向速度進(jìn)行局地退模糊處理,然后選擇上海青浦和江蘇南通兩部雷達(dá)觀測時(shí)間一致(差別小于3 min)的體掃數(shù)據(jù)進(jìn)行三維風(fēng)場反演,反演采用NCAR 的CEDRIC軟件,反演原理參考Ray et al(1978)。由于雷達(dá)觀測為徑向速度,在兩部雷達(dá)連線附近觀測到的徑向風(fēng)為接近平行的兩個(gè)矢量,無法正確地反演出切向速度,因此在該區(qū)域內(nèi)反演出的速度場不可信,從而進(jìn)行剔除(孫敏等,2015)。

1.4 三維風(fēng)場渦度局地變化來源診斷

如式(2)所示,利用垂直渦度方程(朱乾根等,2007)來診斷模式模擬的三維風(fēng)場渦度局地變化的來源。

(2)

式中:等式右端第一項(xiàng)為相對渦度水平平流項(xiàng),第二項(xiàng)為地轉(zhuǎn)渦度水平平流項(xiàng),兩者合稱為渦度水平平流項(xiàng),第三項(xiàng)為渦度垂直輸送項(xiàng),第四項(xiàng)為渦度傾側(cè)項(xiàng),第五項(xiàng)為散度項(xiàng)。

2 個(gè)例介紹

2.1 天氣實(shí)況

2017年9月24日夜間至25日凌晨的強(qiáng)對流過程以短時(shí)強(qiáng)降水為主,最強(qiáng)時(shí)段集中在25日00:00—03:00,如圖1a所示,3 h累計(jì)降水量大值中心位于長江口附近,最大值出現(xiàn)在上海市崇明區(qū)侯家鎮(zhèn)站,達(dá)116.1 mm。從圖1b逐小時(shí)雷達(dá)組合反射率因子隨時(shí)間的演變可以看到,對流系統(tǒng)沿著長江下游一線向東南方向移動,并由線狀排列的單體逐漸合并加強(qiáng),最終演變?yōu)楣位夭?。過程中個(gè)別站點(diǎn)出現(xiàn)7級雷暴大風(fēng),最大陣風(fēng)達(dá)16.0 m·s-1,發(fā)生在江蘇省太倉市岳王鎮(zhèn)站(25日01:30)。

注:圖b中黑色三角形為南京、常州、南通、青浦和南匯5部雷達(dá)所在位置。圖1 2017年9月25日00:00—03:00(a)3 h累計(jì)降水量分布,(b)雷達(dá)組合反射率因子逐小時(shí)演變及7級以上(風(fēng)羽,≥13.9 m·s-1)大風(fēng)災(zāi)害分布Fig.1 Distribtution of (a) 3 h accumulated precipitation, (b) hourly evolution of radar composite reflectivity factor and gust wind (barb, ≥13.9 m·s-1) from 00:00 BT to 03:00 BT 25 September 2017

2.2 天氣尺度背景分析

圖2a為9月24日20:00 ERA5再分析資料500 hPa環(huán)流場和其與9月氣候平均(1979—2016年)位勢高度場偏差,圖中副熱帶高壓(以下簡稱副高)呈帶狀分布且較為強(qiáng)盛,588 dagpm線控制江南大部地區(qū),上海處在副高邊緣,我國中東部大部地區(qū)位勢高度常較常年異常偏高,特別是江南地區(qū)較9月氣候平均偏強(qiáng)4～5 dagpm。700 hPa風(fēng)場上江蘇中北部存在西南風(fēng)與東南風(fēng)的暖式切變(圖略),而在850 hPa風(fēng)場上,位于700 hPa暖式切變以南沿長江下游一帶也存在西南風(fēng)和東南風(fēng)的暖式切變,對應(yīng)相當(dāng)位溫等值線存在較大的南北梯度(圖2b),上海位于切變線以南的暖區(qū)內(nèi),切變線南側(cè)存在西南急流輸送水汽,最大風(fēng)速達(dá)12 m·s-1。地面圖上,在850 hPa暖式切變線位置以南有低壓倒槽發(fā)展,準(zhǔn)靜止鋒位于浙北一帶(圖略),由地面靜止鋒和切變線的對應(yīng)位置可見,沿江一帶存在自南向北隨高度升高且坡度較緩的鋒面。圖2c為夜間對流早期發(fā)展階段區(qū)域內(nèi)的南京站探空圖,表2為利用Python的探空和高空風(fēng)分析圖及SHARPpy程序計(jì)算得到的熱動力參數(shù),由圖2c和表2可見,300 hPa高度以下整層濕度較大,整層大氣可降水量(PWV)達(dá)到63.8 mm,抬升凝結(jié)高度(LCL)較低,位于1006 hPa,低層900 hPa附近存在逆溫層,從最不穩(wěn)定層抬升的不穩(wěn)定能量(MUCAPE)為640 J·kg-1,表明24日夜間環(huán)境的水汽條件較好,但熱力條件一般;從水平風(fēng)的垂直切變可見,0～3 km 和0～6 km垂直風(fēng)切變分別達(dá)到6.9×10-3s-1和4.0×10-3s-1,環(huán)境場具有較好的動力條件,環(huán)境條件符合Wade and Parker(2021)對于HSLC環(huán)境的定義。圖2c顯示從地面到5 km高度,風(fēng)向隨高度順時(shí)針旋轉(zhuǎn),具有明顯的暖平流,5 km以上風(fēng)向隨高度逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),有一定的冷平流,形成低層暖平流、高層冷平流;相當(dāng)位溫隨高度的變化(圖2d)顯示了近地層相當(dāng)位溫隨高度迅速增大,即近地層大氣是穩(wěn)定的, 而850～700 hPa的相當(dāng)位溫隨高度減小,存在對流性不穩(wěn)定,這些條件均有利于有組織的強(qiáng)對流在抬升到一定高度后生成和發(fā)展。圖2e為通過圖2c中南京站探空數(shù)據(jù)計(jì)算得到的Ri隨高度變化圖,結(jié)合圖2d相當(dāng)位溫隨高度的變化可以看到低層1 km以下和4～6 km存在相當(dāng)位溫隨高度增大的穩(wěn)定層,對應(yīng)在1 km附近和9 km以上存在滿足Ri<0.25 和Ri值在0.25～2.0的層次,從而滿足俘獲重力波產(chǎn)生的條件。

利用ERA5再分析資料對地面形勢場進(jìn)行分析,受低壓倒槽影響,上海及其周邊地區(qū)9月24日20:00地面10 m風(fēng)為南到東南風(fēng)(圖3a),由于9月夜間上海東南方向海溫已高于陸地溫度,因此海上的暖濕空氣源源不斷地向陸地輸送。對比24日20:00(圖3a)和25日00:00(圖3b)地面2 m氣溫的空間分布,可以看到上海及其周邊地區(qū)的陸地上有明顯的增溫,該區(qū)域相比蘇皖中北部為較暖的區(qū)域, 從上海寶山站24日20:05至25日08:05地面各要素隨時(shí)間演變(圖3c)可以看到,回波主體影響的時(shí)間為25日02:00左右,此時(shí)有氣壓突增(黑色曲線)、氣溫下降(紅色曲線)和風(fēng)向突變(東南風(fēng)轉(zhuǎn)西北風(fēng))的特征;而在此之前,地面為一致的東南風(fēng),氣溫逐漸上升,氣壓逐漸下降,主體回波前側(cè)的暖區(qū)特征顯著。

注:圖a,圖b中填色為2 m氣溫場,等值線為平均海平面氣壓場(單位:hPa),風(fēng)矢為10 m風(fēng)場;圖c中紅線為2 m氣溫,綠線為2 m露點(diǎn)溫度,黑線為平均海平面氣壓,柱狀為5 min降水量,風(fēng)矢為10 m風(fēng)。圖3 2017年9月(a)24日20:00,(b)25日00:00 ERA5再分析資料的地面要素場分布,(c)24日20:05至25日08:05上海寶山站地面自動站要素時(shí)序演變Fig.3 Surface fields of ERA5 reanalysis data at (a) 20:00 BT 24, (b) 00:00 BT 25; (c) time-series evolution of surface automatic observations at Shanghai Baoshan Station from 20:05 BT 24 to 08:05 BT 25 September 2017

2.3 中尺度對流系統(tǒng)的觀測分析

圖4a顯示對流發(fā)展初期有一條呈東北—西南向的β中尺度對流帶A,在其西南側(cè)有新生對流單體B1和B2,對流帶A沿東偏南方向移動,新生單體B1和B2則逐漸向東北方向移動,與對流帶A合并,而在其西南側(cè)仍不斷有新生對流單體B3和B4(圖4b),9月24日23:42對流帶A的西南側(cè)又有對流單體C新生(圖4c),隨時(shí)間逐漸發(fā)展成西北—東南向的帶狀,并向東北方向移動(圖4d,4g),而對流帶A在向西偏南方向移動的過程中逐漸發(fā)展加強(qiáng)形成弓狀回波(圖4h),其中弓形回波維持時(shí)間從25日02:00—03:00,南匯雷達(dá)0.5°仰角的徑向速度圖顯示在弓形回波北端存在明顯的氣旋式渦旋(切變)特征(圖4j)。

注:圖a～圖h中,黑色虛線為融化層高度,紅色橢圓及字母用于追蹤主要對流系統(tǒng)的演變;圖j中,黑色橢圓為弓形回波北側(cè)的氣旋式渦旋。圖4 2017年9月24—25日(a～h)(上)雷達(dá)0.5°仰角反射率因子和(下)沿圖中黑色直線的雷達(dá)反射率因子垂直剖面,以及(i,j)演變?yōu)楣魏竽蠀R雷達(dá)(原點(diǎn)處)觀測到的0.5°仰角(i)反射率因子和(j)徑向速度Fig.4 (a-h) Radar reflectivity factor (above) at 0.5° elevation and (below) vertical cross-section of radar reflectivity factor along the black straight lines from (a) Nanjing, (b) Changzhou, (c-e) Qingpu and (f-h) Nanhui radars at 8 selected times, (i) radar reflectivity factor and (j) radial velocity at 0.5° elevation of Nanhui Radar from 24 to 25 September 2017

從沿對流主體西南—東北向的剖面圖可以看到,對流發(fā)展初期(圖4a,4b),對流系統(tǒng)發(fā)展強(qiáng)度較弱,最強(qiáng)反射率因子在50 dBz附近,對流發(fā)展高度較低,45 dBz以上回波多集中在融化層高度以下,此外在對流主體A內(nèi)沿著西南—東西向排列著多個(gè)對流單體,特別是圖4b中剖面上呈現(xiàn)出明顯的波動特征,在與主體A相隔一段距離的西南側(cè)有新生的對流單體。圖4c顯示隨著新生對流單體不斷并入主體,主體內(nèi)對流單體也不斷合并強(qiáng)度增強(qiáng),最強(qiáng)反射率因子達(dá)50～55 dBz,45 dBz回波發(fā)展高度達(dá)7～8 km,且在對流主體A移動方向前側(cè)(東南側(cè))有新的對流單體C生成,該單體的反射率因子垂直剖面顯示,45 dBz以上回波發(fā)展高度僅在3 km以下(圖略),圖4d～4h顯示主體回波在向東南方向移動過程中組織化增強(qiáng),演變?yōu)楣?雖然 45 dBz回波伸展高度仍維持在7～8 km,但其強(qiáng)度不斷增強(qiáng),最強(qiáng)反射率因子達(dá)55 dBz以上。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

數(shù)值模擬結(jié)果顯示9月24日21:00的回波結(jié)構(gòu)(圖5a)與觀測接近,有一條呈東北—西南向的β中尺度對流帶A,其寬度比實(shí)況觀測略偏窄、強(qiáng)度比實(shí)況偏強(qiáng)(圖4a),其西南側(cè)有新生單體B1和B2發(fā)展并合并到主對流帶A中(圖5b),從沿著對流主體所做的西南—東北向的剖面可見,最強(qiáng)反射率因子在55 dBz附近,與觀測相比偏強(qiáng),對流發(fā)展高度較低,45 dBz以上回波多集中在融化層高度以下。此外在對流主體A內(nèi)沿著西南—東北向排列著多個(gè)對流單體,其結(jié)構(gòu)與實(shí)況觀測接近,也呈現(xiàn)出一定的波動特征(圖4a,4b)。隨著帶狀回波A向東南方向移動,23:00在帶狀回波A的西南側(cè)有新生對流單體C,逐漸發(fā)展成西北—東南向的帶狀,并向東北方向移動(圖5c,5g),而主對流帶A在向西偏南方向移動的過程中逐漸發(fā)展加強(qiáng)形成弓狀(圖5d,5h),隨著新生對流單體不斷并入主對流帶A,使其不斷合并增強(qiáng),最強(qiáng)反射率因子達(dá)60～65 dBz,其 45 dBz 回波發(fā)展高度達(dá)7～8 km,該演變過程與實(shí)況接近,但比實(shí)況強(qiáng)度偏強(qiáng)且發(fā)生時(shí)間提前了30～60 min。模式模擬出的主對流帶A的西南側(cè)有單體新生合并進(jìn)入主對流帶A并使其增強(qiáng),同時(shí)東北—西南向?qū)α鲙б苿臃较蚯皞?cè)(東南側(cè))有對流單體C新生發(fā)展,其為西北—東南向帶狀對流并向東北方向移動,及東北—西南向主對流帶A逐漸由線性回波演變?yōu)楣位夭ǖ倪^程均與實(shí)況十分接近。

注:黑色虛線為融化層高度,紅色橢圓及字母用于追蹤主要雨帶的演變。圖5 2017年9月24—25日(上)模式模擬底層雷達(dá)反射率因子和(下)沿圖中黑色直線的雷達(dá)反射率因子垂直剖面Fig.5 Radar reflectivity factor (above) of the lowest model level from numerical simulation at 8 selected times and (below) vertical cross-section of radar reflectivity factor along the black straight lines from 24 to 25 September 2017

圖6顯示了不同時(shí)刻沿著不同剖面的水平風(fēng)速隨高度的垂直分布。由圖6a和6b見,從西南往東北方向,存在西到西南風(fēng)分量沿著低層?xùn)|到東北風(fēng)分量構(gòu)成的鋒面傾斜上升,且存在多個(gè)西南風(fēng)大值中心,呈現(xiàn)出波動特征。在主體回波A逐漸由線狀演變?yōu)楣蔚倪^程中,沿著垂直于弓形的方向做剖面,發(fā)現(xiàn)與典型的弓形回波結(jié)構(gòu)有所區(qū)別,此次過程弓形回波后側(cè)無明顯的后側(cè)入流急流,其前側(cè)低層的東到東南風(fēng)分量入流較強(qiáng),且入流上方高層的西到西北氣流分量也較強(qiáng), 對流前側(cè)的水平風(fēng)垂直切變較對流后側(cè)更大、動力條件更佳(圖6c和6e)。主體回波A東南側(cè)新生單體C的垂直剖面分布顯示(圖6d和6f),其對流發(fā)展強(qiáng)度和高度遠(yuǎn)小于主體回波A,近地層為一致的東到東南分量氣流,而高層為一致的西到西北分量氣流,由于新生單體C發(fā)展高度較低,受低層西南氣流引導(dǎo)向東北方向移動,近地層?xùn)|到東南氣流分量的厚度隨著向北移動逐漸加厚,正是由于這種高低層水平風(fēng)的垂直切變分布,導(dǎo)致對流系統(tǒng)隨高度向東南方向傾斜,且對比圖5d和5f中反射率因子等值線垂直分布可以看到,隨著對流單體C向東北方向移動,整體向西北—東南向伸展,最終由一個(gè)單體逐漸演變?yōu)閮蓚€(gè)單體。

利用上海青浦和江蘇南通多普勒雷達(dá)進(jìn)行三維風(fēng)場反演(兩部雷達(dá)的位置詳見圖1b),發(fā)現(xiàn)主回波A在9月25日00:30的1.0～2.5 km高度水平風(fēng)場中均存在中氣旋(圖7a紅色方框),基于上文對雷達(dá)反射率因子演變的分析,模式模擬比觀測提前了30～60 min。因此,對比25日00:00模式模擬得到的水平風(fēng)場分布(圖7b),其中1.0～2.0 km也均存在中氣旋,反射率因子的形態(tài)與實(shí)況接近,但模式模擬的反射率因子強(qiáng)度與觀測相比顯著偏強(qiáng)。

注:紅色方框?yàn)橹袣庑谖恢?。圖7 2017年9月25日 (a) 00:30利用青浦和南通雙多普勒雷達(dá)風(fēng)場反演和(b)00:00模式模擬的1 km高度雷達(dá)反射率因子(填色)和水平風(fēng)場(風(fēng)矢,風(fēng)羽)Fig.7 Horizontal wind field (wind vector, barb) and radar reflectivity factor (colored) at 1 km height (a) retrieved by Doppler radar of Qingpu and Nantong at 00:30 BT and (b) from model simulation at 00:00 BT 25 September 2017

通過上述分析可知,雖然在時(shí)間和強(qiáng)度上存在一定的偏差,但高分辨率數(shù)值模式仍較好地模擬出了此次β中尺度系統(tǒng)的演變過程,可以利用模式輸出結(jié)果對此次鋒面雨帶內(nèi)的β中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展和演變機(jī)制機(jī)理進(jìn)行研究。

為了研究該β中尺度系統(tǒng)如何由線狀演變?yōu)楣?利用垂直渦度方程即式(2),診斷模式模擬的1 km 高度處的三維風(fēng)場渦度局地變化的來源。圖8 為數(shù)值模式模擬的9月24日21:00的1 km高度處的渦度方程中各項(xiàng)(白色等值線),該時(shí)刻為主對流帶A發(fā)展的初始階段,4項(xiàng)中最大值3.3×10-5s-2出現(xiàn)在渦度傾側(cè)項(xiàng)中(圖8c),受該項(xiàng)的作用在主對流帶A的西南側(cè)新生了回波單體B1和B2。

注:方框內(nèi)為中心值(單位:10-5 s-2)。圖8 2017年9月24日21:00模式模擬的1 km高度處雷達(dá)反射率因子(黑色等值線,單位:dBz)、渦度(填色)、渦度方程各項(xiàng)(白色等值線)(a)渦度水平平流項(xiàng),(b)渦度垂直輸送項(xiàng),(c)渦度傾側(cè)項(xiàng),(d)散度項(xiàng)Fig.8 Model-simulated radar reflectivity factor (black contour, unit: dBz), vorticity (colored), vorticity equation terms (white contour) at 1 km height at 21:00 BT 24 September 2017 (a) vorticity horizontal advection term, (b) vorticity vertical transport term, (c) vorticity tilt term, (d) divergence term

圖9和圖10分別為數(shù)值模式模擬的9月24日23:00主體回波A和其東南側(cè)新生對流單體回波C處1 km高度的渦度方程中各項(xiàng)(白色等值線),該時(shí)刻主對流帶A西南側(cè)的正渦度主要來自渦度傾側(cè)項(xiàng)(圖9c),中心值為6.6×10-5s-2,而其東北側(cè)的正渦度則主要來自渦度散度項(xiàng)(圖9d),中心值為5.5×10-5s-2。主體回波東南側(cè)新生回波單體C的渦度發(fā)展則主要來自渦度水平平流項(xiàng)(圖10a),中心值為0.8×10-5s-2,與主體回波A處大值中心相比小一個(gè)量級。主對流帶A的正渦度大值區(qū)中垂直輸送項(xiàng)為較大的負(fù)值(圖9b),表明有正渦度向上傳輸,有利于回波向上發(fā)展,而回波C內(nèi)的垂直輸送項(xiàng)很小(圖10b),不利于回波的垂直發(fā)展。無論是主對流帶A還是回波C的渦度傾側(cè)項(xiàng)都顯示出正負(fù)交替的波狀分布型(圖9c和10c)。對24日23:30和25日00:30兩個(gè)時(shí)次各項(xiàng)的分析顯示了相似的結(jié)果(圖略)。

注:方框內(nèi)為中心值(單位:10-5 s-2)。圖9 2017年9月24日23:00模式模擬的回波A處1 km高度雷達(dá)反射率因子(黑色等值線,單位:dBz)、渦度(填色)、 渦度方程各項(xiàng)(白色等值線) (a)渦度水平平流項(xiàng),(b)渦度垂直輸送項(xiàng),(c)渦度傾側(cè)項(xiàng),(d)散度項(xiàng)Fig.9 Model-simulated radar reflectivity factor (black contour, unit: dBz), vorticity (colored), vorticity equation terms (white contour) of echo A at 1 km height at 23:00 BT 24 September 2017 (a) vorticity horizontal advection term, (b) vorticity vertical transport term, (c) vorticity tilt term, (d) divergence term

注:方框內(nèi)為中心值(單位:10-5 s-2)。圖10 2017年9月24日23:00模式模擬的回波C處1 km高度雷達(dá)反射率因子(黑色等值線,單位:dBz)、渦度(填色)、渦度方程各項(xiàng)(白色等值線) (a)渦度水平平流項(xiàng),(b)渦度垂直輸送項(xiàng),(c)渦度傾側(cè)項(xiàng),(d)散度項(xiàng)Fig.10 Model-simulated radar reflectivity factor (black contour, unit: dBz), vorticity (colored), vorticity equation terms (white contour) of echo C at 1 km height at 23:00 BT 24 September 2017(a) vorticity horizontal advection term, (b) vorticity vertical transport term, (c) vorticity tilt term, (d) divergence term

4 結(jié)論與討論

9月24日夜間至25日凌晨,沿長江下游一帶發(fā)生了強(qiáng)對流天氣,以短時(shí)強(qiáng)降水為主,伴有7級雷暴大風(fēng)。通過利用觀測資料分析和高分辨率數(shù)值模式模擬診斷得到,此次過程的500 hPa位勢高度場較氣候態(tài)異常偏高,沿長江下游一帶位于副高邊緣,中低層存在暖式切變線,地面有低壓倒槽,倒槽內(nèi)配合有準(zhǔn)靜止鋒,形成坡度較緩的鋒面,中低層存在西南急流。高分辨率數(shù)值模式雖然模擬存在時(shí)間和強(qiáng)度上的偏差,但很好地模擬出了此次強(qiáng)對流過程的β中尺度系統(tǒng)演變特征。通過利用垂直渦度方程診斷模式結(jié)果得出,在此次對流過程中渦度的傾側(cè)項(xiàng)發(fā)揮了重要的作用。在對流發(fā)展初期,由于環(huán)境水平風(fēng)的垂直切變較大,高層有偏西風(fēng),低層存在偏東風(fēng),形成了指向北的水平渦管。當(dāng)?shù)蛯游髂蠚饬餮氐讓臃€(wěn)定層以上的鋒面爬升,到達(dá)滿足重力波產(chǎn)生條件的高度后,激發(fā)出重力波加強(qiáng)了上升運(yùn)動,之后達(dá)到對流性不穩(wěn)定層并觸發(fā)對流發(fā)展,在垂直運(yùn)動作用下指向北的水平渦管在對流的西南側(cè)轉(zhuǎn)換為正的垂直渦度,因此在傾側(cè)項(xiàng)作用下有新的對流單體在主體回波側(cè)后方(西南側(cè))生成(圖11a)。由于初始階段發(fā)展高度不高,新生成的對流單體在中低層西南引導(dǎo)氣流作用下向東北方向移動,并與主體回波合并加強(qiáng)。隨著回波不斷合并增強(qiáng),主體回波東北側(cè)輻散項(xiàng)的作用逐漸增大,在西南側(cè)傾側(cè)項(xiàng)和東北側(cè)輻散項(xiàng)共同作用下主體回波的正渦度明顯增大,且其垂直平流項(xiàng)將正渦度向上傳播,有利于對流的垂直伸展,主對流單體發(fā)展高度較高,受高層偏西風(fēng)氣流引導(dǎo)向東移動。在主體回波前側(cè)(東南側(cè)),受到主體回波正渦度水平平流項(xiàng)的作用有新的對流單體生成(圖11c),但由于其垂直伸展高度低,受低層風(fēng)引導(dǎo)向東北方向移動,在移動過程中不斷向西北—東南向伸展加強(qiáng),最終導(dǎo)致主體回波由線狀演變?yōu)楣?圖11d,11f),其三維概念模型如圖12所示。且由于側(cè)后向傳播的作用,導(dǎo)致系統(tǒng)移動方向偏離引導(dǎo)氣流方向,指向東南方向,移速小于引導(dǎo)氣流,從而有利于短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生。由于此次弓形過程并沒有伴隨典型的弓形回波所具有的后側(cè)入流急流,且夜間近地層較為穩(wěn)定,弓形回波過境時(shí)僅造成個(gè)別站點(diǎn)出現(xiàn)7級雷暴大風(fēng)。

圖11 雷達(dá)組合反射率因子演變概念模型Fig.11 Conceptual model of radar composite reflectivity factor evolution

圖12 β中尺度對流系統(tǒng)演變?yōu)楣蔚牧Ⅲw概念模型和系統(tǒng)移動方向合成矢量圖Fig.12 Three-dimensional conceptual model of the evolution of meso-β scale convective system into bow echo and a synthetic vector diagram of the convective system moving direction

通過對此次過程的分析發(fā)現(xiàn),在夜間“高風(fēng)切變,低有效位能”的環(huán)境條件下,即無有利熱力條件下,水平風(fēng)的垂直切變至關(guān)重要,其形成的水平渦管在垂直抬升運(yùn)動的作用下能轉(zhuǎn)換為垂直渦度(傾側(cè)項(xiàng)),側(cè)后向傳播致使對流系統(tǒng)移速減緩,而強(qiáng)對流前側(cè)暖區(qū)中對流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展對于線狀對流轉(zhuǎn)換為弓形回波起了重要的作用,且由于夜間近地層較為穩(wěn)定,與典型弓形回波移速快易造成多站點(diǎn)的極端大風(fēng)和個(gè)別站點(diǎn)短時(shí)強(qiáng)降水有所不同,此次弓形回波過程造成了多站點(diǎn)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水和個(gè)別站點(diǎn)出現(xiàn)7級雷暴大風(fēng)。因此,針對夜間強(qiáng)對流個(gè)例的分析總結(jié),能加強(qiáng)預(yù)報(bào)員對于此類環(huán)境背景條件下對流發(fā)生發(fā)展機(jī)制機(jī)理的認(rèn)識,提高對夜間強(qiáng)對流系統(tǒng)的預(yù)報(bào)能力。