九嶺山地形對弓形颮線形成影響的模擬分析

曹 倩 ， 章毅之 ， 易艷紅 ， 劉雅楠 ， 劉良玉

1.江西省氣象科學研究所， 江西 南昌 3300962.宜春市氣象局， 江西 宜春 336000

0 引 言

颮線是由一系列活躍的對流云帶側向排列而成的線狀或帶狀的中尺度對流系統，過境時易產生雷暴、暴雨、大風、冰雹和龍卷等天氣。其中，弓形颮線常常與下擊暴流或強烈的地面直線大風相伴(Nolen,1959;Wakimoto et al,2006;Wheatley et al,2006)，比普通的直線形颮線更易產生強災害性天氣(Przybylinski,1995；Atkins et al,2005；梁建宇和孫建華,2012；劉香娥和郭學良，2012)，因此一直是國內外同行研究的重點和難點。

近年來，對弓形颮線的研究工作較多。例如，Weisman(2001)通過數值模擬研究發現后側入流急流是形成弓形回波的重要原因。金龍等(2013)利用多種觀測資料和雙多普勒雷達反演的三維風場，分析一次弓形回波的三維結構和演變機制發現，降水的拖曳及蒸發冷卻在地面形成強冷池，冷池觸發的干冷后側入流在弓形回波前側下沉，促使回波演變成弓形。公衍鐸等(2019)和羅琪等(2019)綜合多種觀測資料和NECP分析資料，分別分析了發生在我國北方的強弓狀颮線的形成和維持機制，均發現對流層中層強后側入流和大的溫度露點差導致強下層輻散氣流形成，是颮線演變成弓狀結構的主要原因。

上述研究對弓形颮線形成的中尺度系統有重要的指示作用，而對影響其演變機制的揭示還不夠，特別是地形對颮線發展演變的影響涉及較少，使得颮線上山、下山過程中如何演變很難把握，進而難以預測其引發災害的強度及位置。江西省坐落于長江中下游，中部丘陵起伏，東西南三面環山，在地形的影響下強對流天氣多發(鄧詩茹和鄒海波，2015；劉亞楠等，2021；張娟娟等，2021)。以往造成江西地區大范圍雷暴大風的颮線大多產生于臨近省份，并逐漸移入江西。為了提高江西地區颮線天氣的預報預警能力，嘗試對移入江西的颮線做地形敏感性試驗，以探究地形對颮線演變特征的影響是非常有必要的。因此，文中首先利用GSI-3DVar同化系統同化多部多普勒雷達的徑向風和反射率因子資料獲得一個相對準確的初始場后，采用WRF模式對2016年4月16日對由湖南移入江西的一次弓形颮線天氣過程進行數值模擬研究和地形敏感性試驗，以揭示地形對弓形颮線形成和演變的影響。

1 個例介紹

文中研究的強對流天氣于2016年4月16日01時(北京時，下同)在湖南生成，此后逐步發展并快速向東移動，于04時演變成尺度較小的直線形颮線并進入江西，之后直線形颮線經過位于江西、湖南兩省交界處的九嶺山后演變成標準的弓形颮線，08時進入消散階段。此次颮線過程伴隨雷暴大風和短時強降水天氣，造成27個縣(市)出現短時強降水(≥20 mm/h)，以都昌縣46.2 mm/h為最大，以及8個區域自動氣象站出現短時10級以上雷雨大風，其中以金溪縣合市站33.8 m/s為最大。

利用美國國家環境預報中心(NCEP)提供的每6 h一次、分辨率為1°×1°的再分析資料，分析此次強對流天氣過程的大尺度環境背景。2016年4月15日20時500 hPa環流形勢(圖略)顯示，中高緯地區，巴爾喀什湖一帶存在一個強大的高壓脊，脊前不斷有冷空氣沿新疆西部進入我國。中低緯地區，從河套地區到華北地區低槽加深東移，低槽后部不斷有冷空氣擴散南下，青藏高原地區有一低槽位于四川省西部，江西省中北部處于槽前西南急流中，并且溫度槽落后于高度槽，強烈的斜壓效應使得高空低槽不斷發展東移，到16日02時低槽已經東移至重慶和貴州東部。槽后擴散南下的冷空氣與西南暖濕氣流在湖南地區上空交匯是觸發此次強對流天氣的重要因素。分析850 hPa和700 hPa形勢場(圖1)發現，湖南省西部和江西省中北部均受西南暖濕氣流控制，其中700 hPa層的相對濕度為60%—80%，而850 hPa層上大部分區域相對濕度均大于80%。西南暖濕氣流為颮線的發生提供了充足的水汽，且低層水汽比高層更加充沛。850 hPa層上湖南地區出現了西北風與西南風切變，這也有利于觸發此次颮線天氣。

2 雷達回波分析

九嶺山為東北—西南走向狹長的條狀山峰，最大高度超過1 500 m(圖2)。圖3給出了直線形颮線經過九嶺山逐漸演變成弓形颮線的過程實況。16日04時左右線狀強回波帶從湖南移入江西宜春市(圖3a)，此時其水平尺度還不大，層云降水區也不寬。之后，線狀強回波帶逐漸東移爬山，其東北側有分散的對流單體生成并與主體合并(圖3b、c)。05時，颮線結構清晰，宜春市存在一條東北—西南向帶狀強對流回波區，最大回波強度超過55 dBz，此時颮線前1 h所經之處均變成層狀云降水區。此后，颮線主體東移下山，其形狀由直線形逐漸演變成弓形，中心回波強度均維持在55dBz以上(圖3d、e)。

圖1 2016年4月16日02時700 hPa(a)、850 hPa(b)風場(矢線，單位：m/s)、溫度場(紅實線，單位：℃)和相對濕度場(填色，單位：%)

圖2 九嶺山海拔分布(單位：m；白色虛線內為九嶺山)

06:30，颮線主體發展成熟，強對流區高度組織化，成為一個標準的弓形颮線，并伴有寬廣的層云降水區，以及在強對流區和層云區中間存在有界弱回波區(圖3f)。

3 模擬試驗設計

3.1 雷達徑向風同化方法

文中，采用Liang(2007)和Chen等(2017)改進后的基于IVAP( integrating velocity-azimuth process)方法的雷達徑向風觀測算子，在同化雷達觀測時觀測參數由雷達徑向風及其空間分布特征計算而來，同時同化徑向風和切向風信息。IVAP觀測算子的觀測空間(Y1、Y2)和分析空間(H1、H2)分別為：

(1)

(2)

3.2 云分析簡介

GSI(Gridpoint Statistical Interpolation)云分析模塊可以結合地面觀測、衛星觀測、雷達觀測等多種觀測資料計算云量，反演計算云冰、云水、雪、雨、雹等混合比。文中采用GSI中的云分析方法同化雷達反射率因子。使用RUC層云方案(Weygandt et al,2006)計算云水和冰的混合比，使用Thomps-on方案(Thompson et al,2004)計算雪、雨和雹的混合比。采用APPS方案(Hu et al,2006)調整云內的溫度(假定云內溫度垂直變化為濕絕熱過程)，使云中溫度與云場一致。采用RUC層云方案(Weygandt et al,2006)調整云中的水汽。

圖3 觀測的2016年4月16日04:00(a)、04:30(b)、05:00(c)、05:30(d)、06:00(e)、06:30(f)雷達組合反射率(單位：dBz)

3.3 資料來源和試驗設計

研究使用WRF-ARW V3.9.1和GSI-3DVar V3.4分別作為預報模式和資料同化系統。采用三重嵌套方案，模擬區域中心為(30°N，114°E)(圖略)。外層網格數為301×301，水平格距為9 km；第二層網格數為391×397，水平格距為3 km；最內層網格數為601×466，水平格距為1 km。垂直方向有50層，模式頂高為50 hPa。由每6 h一次、分辨率為1°×1°的NCEP再分析資料，通過WPS初始化模塊處理得到2016年4月16日02時的插值場，以之作為初始背景場和側邊界場。同時，采用GSI自帶的云分析方法(Hu et al，2006)同化江西省南昌、宜春、景德鎮、上饒和撫州5部多普勒雷達的反射率因子資料，又采用IVAP方法(Liang,2007；Chen et al,2017)同化上述5部雷達的徑向風資料。之后，以02時同化后的分析場作為初始場，向前預報6 h至08時結束，積分時間步長為30 s，每30 min輸出一次結果。模式主要參數化方案為WDM6云微物理方案、RRTM長波輻射方案、Dudhia短波輻射方案、Noah陸面過程、YSU邊界層方案、Monin-Obukhov地表方案，在第一重嵌套中采用Kain-Fritsch積云對流方案，第二重和第三重嵌套中關閉積云對流方案。文中主要對第三層網格的模擬結果進行分析。

為了探討九嶺山地形對直線形颮線演變成弓形颮線過程的影響，設計了兩組試驗：1)控制試驗(CTLT)，模式使用真實的地形，模擬此次颮線經過九嶺山后的發展演變過程；2) 模擬過程中將九嶺山地形高度減半(HALF)，以分析地形對弓形颮線形成的影響。

4 模擬結果及分析

4.1 模擬雷達反射率與實況對比

將控制試驗模擬的雷達組合反射率(圖4)與實況觀測(圖3)對比分析發現，16日04:00(圖4a)，線狀強回波帶從宜春市西部進入江西，其北側出現了與實況類似的新生對流單體；隨著線狀強回波帶東移爬山，北側有分散的對流單體與其合并，強回波帶水平尺度逐漸變大(圖4b、c)；此后，系統東移下山的過程中，強回波帶逐漸由直線形演變成弓形，中心強度大于55 dBz(圖4d—f)。對比整個模擬過程，控制試驗模擬的強對流區中心強度、位置和走向與實況有所差別，且模擬的層狀云降水區過??；但是控制試驗能夠基本再現了直線形颮線經過九嶺山后其尺度逐漸增大并演變成弓形颮線的過程。因此，CTLT試驗的模擬結果可以用來探討地形對弓形颮線形成的影響。

HALF試驗模擬結果(圖5)顯示，將九嶺山地形高度減半后，模擬的颮線發展演變過程與CTLT試驗模擬結果有明顯區別?？傮w來看，HALF試驗和CTLT試驗模擬的颮線移動速度均與實況一致。04:00—05:00時段(圖5a—c)，HALF試驗和CTLT試驗模擬的颮線略相似均表現為直線形颮線水平尺度逐漸增大并向東移動，但CTLT試驗模擬的強對流區較HALF試驗略寬。颮線下山后(圖5d—f)，HALF試驗模擬的颮線仍然表現為直線形并繼續向東移動，未能演變成弓形颮線，模擬的颮線發展演變過程與實況有很大差距。由此可知，九嶺山地形直接影響颮線能否由直線形演變成弓形。

圖4 CTLT試驗模擬的2016年4月16日04:00(a)、04:30(b)、05:00(c)、05:30(d)、06:00(e)、06:30(f)雷達組合反射率(單位：dBz)

圖5 同圖4，但為HALF試驗

4.2 動力和熱力特征對比分析

后部入流急流和冷池是影響颮線演變成弓形的重要因素(Weisman,2001；金龍等，2013)。文中將通過對比分析兩組試驗的三維風場結構和近地面冷池，探討地形對弓狀颮線形成影響的內在原因。

圖6顯示了CTLT試驗模擬的颮線由直線形演變成弓形過程中不同高度的風暴相對風場(即水平風場剔除颮線系統的水平移動速度)。04:30(圖6a1—c1)，直線形颮線南段經過九嶺山下山后，在1 km高度上出現了明顯的后側入流，其平均速度約為16.5 m/s，2 km高度上還未出現后側入流，在3 km 高度上出現風速輻合。05:00—05:30時段(圖6a2—c2、6a3—c3)，直線形颮線東移至完全下山過程中，在1 km和2 km高度上均出現了后側入流，其平均速度約分別為23.2 m/s和17.8 m/s，1 km高度上的氣流強于2 km高度，3 km高度上仍然存在風速的輻合。直線形颮線東移下山后(圖6a4—c4、6a5—c5)，颮線由直線形逐漸演變成弓形，其后側1 km和2 km高度上的后側入流急流仍然非常強，其平均速度分別維持在24.5 m/s和19 m/s左右。在3 km高度上弓形颮線的北端出現了氣旋性渦旋，颮線后側也出現了一致的西風，但后向入流的強度明顯弱于低層。中低層后側入流急流和氣旋渦度的出現均有利于颮線由直線形演變成弓形。

HALF試驗模擬結果(圖7)顯示，降低九嶺山地形高度后，所有時次1 km和2 km高度上的后側入流氣流比CTLT試驗均顯著偏小，尤其是氣流下山后，1 km和2 km高度上的后側入流氣流速度比CTLT試驗分別偏小6 m/s和10 m/s左右，因此HALF試驗中2 km高度上的后側入流氣流非常弱。HALF試驗中，在3 km高度上存在與1 km和2 km高度同位置、同強度的后側入流，颮線前側未出現明顯的入流，這些也與CTLT試驗結果存在明顯差異。HALF試驗與CTLT試驗相似之處為05:30以后在3 km高度上颮線的北端也出現了氣旋性渦旋。由此可知，氣流在經過九嶺山地形后下山增強，使得颮線后側入流急流明顯增強，進而導致颮線由直線形演變成弓形；當地形不存在后，氣流下山則不會明顯增強，颮線繼續維持直線形并繼續向前傳播。

圖8和圖9分別給出了CTLT試驗和HALF試驗模擬的近地面小時變溫和950 hPa地面風場。CTLT試驗結果顯示，在04:00—05:00時段(圖8a—c)颮線東移下山過程中，冷池強度很弱，其中心值僅為-2 ℃，但在此過程中冷池面積逐漸增大，且伴隨冷池出現的冷池出流也逐漸增強。此后，繼續東移過程中(圖8d—e)，冷池強度逐漸增大，冷池出流的強度也逐漸增大。當颮線演變成標準弓狀回波時(圖8f)，冷池中心強度低于-4 ℃。HALF試驗結果(圖9)顯示，在04:00—05:00時段冷池及伴隨的冷池出流的強度僅略弱于CTLT試驗，但是颮線下山后的05:30—06:30時段，冷池及伴隨的冷池出流的強度與CTRL試驗差距更大。

對比分析實況(圖10)和CTLT、HALF試驗模擬的04時、05時、06時地面小時變溫場發現，相較于HALF試驗，CTRL試驗模擬的冷池位置、范圍和強度與實況更接近。由此可知，由于九嶺山地形的存在，颮線在下山東移過程中冷池強度增強，導致颮線系統內的溫度梯度增大，使得颮線后側的入流也增強，進而有利于颮線向弓形演變；當地形不存在時，颮線東移過程中其后側的冷池強度減弱，伴隨的冷池出流減弱，颮線系統內的溫度梯度同時也減小，颮線后側的入流也減弱，此時颮線在東移過程中未能由直線形演變成弓形。

5 總結與討論

利用GSI-3DVar同化系統中IVAP雷達徑向風觀測算子同化多部多普勒雷達徑向風資料，采用云分析方法同化多部多普勒雷達的反射率資料后，將同化結果作為初始場，再利用WRF模式對2016年4月16日發生在江西省西北部的一次颮線天氣過程進行數值模擬，探討地形對颮線形成的影響及其原因，得到以下主要結論：

1) 此次颮線在高空低槽東移、西南急流、低層風切變和地面弱冷空氣共同影響的背景下形成，水汽條件充沛。真實地形情景下模擬的雷達回波演變特征與實況相似，颮線在爬山的過程中尺度逐漸增大，下山后其形狀由直線形逐漸演變成弓形。

圖6 CTLT試驗模擬的2016年4月16日1 km(左)、2 km(中)、3 km(右)高度風暴相對風場(矢線，單位：m/s)和雷達反射率因子(填色，單位：dBz)(藍色等值線表示海拔大于500 m地形)(a.04:30，b.05:00，c.05:30，d.06:00，e.06:30)

圖7 同圖6，但為HALF試驗

2) 颮線從九嶺山東側下山過程中氣流增強，形成較強的后側入流急流和近地面冷池，其形狀也由直線形逐漸演變成弓形；當降低九嶺山地形高度后，颮線東移過程中后側入流氣流明顯減弱，且冷池范圍和強度均減弱，其形狀未能由直線形演變成弓形。

圖8 CTLT模擬的2016年4月16日04:00(a)、04:30(b)、05:00(c)、05:30(d)、06:00(e)、06:30(f)950 hPa風場(矢線，單位：m/s)和小時變溫場(填色，單位：℃)

圖9 同圖8，但為HALF試驗

綜上所述，九嶺山地形直接影響颮線能否由直線形演變成弓形。然而，以上結論僅僅針對一次颮線過程，得到的結論不一定具有普適性，還需要綜合多個颮線個例進行分析。并且，對于機理的分析還僅僅是定性分析，在今后的研究中需要通過定量計算來深入探究地形影響的內在機制。

圖10 觀測的2016年4月16日04:00(a)、05:00(b)、06:00(c)小時變溫場(單位：℃)