初值場水汽含量對華南颮線升尺度增長過程的影響研究

沈新勇，張笑妍，黃偉，盛杰，李小凡，翟國慶

(1.南京信息工程大學氣象災害教育部重點實驗室/氣候與環境變化國際合作聯合實驗室/氣象災害預報預警與評估協同創新中心，南京 210044；2.浙江省岱山縣氣象局,岱山 316200；3.國家氣象中心，北京 100081；4.浙江大學地球科學學院，杭州 310027)

引言

颮線是一種由雷暴單體側向排列而成的傳播性線狀激烈對流，其水平尺度在幾十到幾百千米，一般可持續4～10 h。颮線的發生通常會伴隨著地面風向、氣溫、氣壓等氣象要素的突變現象，所經之處會帶來強風、雷暴、暴雨和冰雹等強對流天氣。由于颮線的突發性強，持續時間短，造成的災害性嚴重，往往給人們的生產生活帶來嚴重威脅，因此一直是預報的重點和難點。

20 世紀中期對颮線系統的研究已經開始，Fujita(1955，1963)詳細總結了颮線系統的天氣學結構模型，將颮線的生命期分為五個階段，并指出颮線系統發展時常伴隨的氣壓場變化。Haertel 和Johnson(2000)的研究將颮線內層狀云降水導致的低層降溫與中高壓和尾流低壓相聯系。Parker和Johnson(2000)按照颮線的發展過程將其組織形態分為尾部層狀云型、前部層狀云型和平行層狀云型。Fujita(1978)指出，由于強后部入流的存在，颮線的雷達回波通常表現為“弓形”結構。Smull和Houze(1985，1987)認為后部干冷空氣入流將給下沉氣流帶來較高的動量，并增強冷池的強度。但隨著颮線的發展后部入流也會導致系統的衰亡，較強的后側入流下沉，阻礙了前部低層暖濕空氣供應，使系統強度減弱(Yin et al.，2018)。還有研究表明，地面冷池強度和低層垂直風切變的動態平衡是維持颮線結構的重要因子，即“RKW 理論”(Rotunno et al.，1988；Weisman and Rotunno，2004；Stensrud et al.，2005)。環境場也影響著颮線的形成過程，丁一匯等(1982)統計了我國18 次颮線過程，按照其發展的環流背景特點，將颮線分為槽前型、槽后型、高后型、倒槽型四種類型。Meng等(2013)指出，相較于美國，我國東部地區的颮線過程更容易發生在更弱、更濕的環境條件中。樊李苗和俞小鼎(2013)總結了易發生颮線的環境參數特征。沈新勇等(2016)研究表明邊界層的熱量輸送、感熱、潛熱均會影響颮線的發展過程。王林等(2021)也認為較強的后部入流會使得颮線內部垂直運動加強，促進颮線發展。隨著模式的發展，一些研究通過數值試驗探究影響颮線的其他環境因素。Takemi (2007)通過數值試驗證明了靜力穩定性將顯著影響中尺度對流系統的組織方式，同時指出大氣可降水量和對流有效位能(CAPE)大小決定颮線的強度和組織性。陳明軒和王迎春(2012)利用三維數值云模式，證實了“RKW理論”在我國華北地區一次颮線過程中的適用性。朱娟等(2022)對發生在盛夏季節的一次颮線過程進行數值模擬，證明其內部存在多尺度系統相互作用，從熱力、動力的角度影響颮線的過程。竹利等(2018)對發生在川北地區一次颮線的成熟階段進行研究，證實后部入流急流與冷池、地面大風存在密切關系。屈梅芳等(2021)研究發現，在垂直風切變較小的情況下，當地面輻合抬升作用強并配合有后部干冷入流時，仍有較強的颮線生成發展。同時，也有部分研究表明水汽條件對颮線也有著重要影響。張弛等(2019)采用CM1模式模擬了一次東北冷渦颮線，提出了在東北冷渦背景下一般颮線形成的條件，以及溫度和水汽對其產生的影響。劉靚珂等(2018)利用CM1模式對水汽方程中的各項因子進行尺度分析，結果發現颮線發生過程中，水汽輸送及系統內部的垂直運動很大程度上影響對流的發展。孫建華等(2014)通過水汽數值試驗指出，在上干下濕條件下發生的線狀對流強度更強，對應的雷暴高壓也更強，但對流系統并不能長時間維持。張建軍等(2016)進行了多種環境條件的數值試驗，結果顯示低層環境垂直風切變影響颮線的移動速度和颮線的系統強度，水汽會影響颮線內的垂直速度。

目前，對于水汽影響颮線過程的研究集中在中緯度地區較干環境條件下，主要關注水汽含量對颮線成熟階段強度和結構的影響，而我國華南地區位臨西北太平洋，受季風的影響常有水汽向北輸送，因此中低層往往水汽含量較高。為了探究華南颮線短時間內尺度迅速發展與充足的中低層水汽的關系，本文針對發生在華南地區的一次升尺度颮線過程進行數值模擬，從而分析其尺度增長機制，并在此基礎上改變不同層次的水汽含量進行水汽數值試驗，探討水汽及其垂直分布對華南颮線發展階段尺度增長過程的影響，以期提高對突發颮線的預報水平。

1 資料與模擬方案設計

1.1 資料說明

本文使用的資料包括：2020年5月11日08時—12日08 時(北京時，下同)6 min 間隔的全國雷達組合反射率數據、12 h間隔的站點探空數據；5月11—12日美國國家環境預報中心(NCEP)提供的分辨率為1°×1°6 h 間隔的FNL 全球再分析資料、歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)提供的分辨率為0.25°×0.25°6 h間隔的ERA5再分析資料。

1.2 模式配置

本文選用NCEP和美國國家大氣研究中心(NCAR)等機構合作研發的中尺度高分辨率非靜力天氣預報模式WRF 4.0 版本對該過程進行數值模擬，模擬嵌套設置為四層(圖1)，網格距從最外層到最內層分別取為27、9、3 和1 km，每一層格點數分別為100×90，226×190，514×430 和1198×838，采用雙向嵌套方案。模擬區域中心為(111.81°E，24.76°N)，垂直方向上的層數設置為34層，模式層頂為50 hPa。數值模式模擬設置的參數化方案如下：微物理過程方案采用WSM6類冰雹方案，積云參數化方案外兩層采用Betts-Miller-Janjic方案，內兩層不使用積云參數化方案，陸面過程采用Noah Land Surface Model 方案，長波輻射方案采用RRTM 方案，短波輻射方案采用MM5 shortwave(Dudhia)方案，邊界層方案采用YSU PBL 方案。模擬時段為2020 年5 月11 日02 時—12 日02 時，共積分24 h。模擬采用的初始場為NCEP 分辨率1°×1°的FNL 資料與ECMWF分辨率0.25°×0.25°的ERA5資料。

圖1 數值模式選取的模擬區域(d01—d04分別表示第1—4層模擬嵌套)Fig.1 Area selected for model simulation(d01-d04 represents the simulation nesting of layers 1-4,respectively)

1.3 模式初值場

模擬試驗發現，單獨使用FNL資料不能很好地模擬颮線第一次后向新生的升尺度過程，暖區分散對流單體強度也較小。只使用ERA5資料，甚至只能模擬出一些分散對流單體，不能很好地模擬出颮線的線性結構(圖略)。在颮線的模擬中，初始場水汽很大程度上影響系統中的最大上升運動強度和地面大風，從而影響最后的模擬效果(Wandishin et al.，2008)，特別是華南地區春夏溫度回暖時，偏南風將南海大量的水汽運輸至大陸，因此水汽可能是華南颮線短時間內尺度迅速增長的重要因素。已有試驗表明在對華南颮線的模擬中，初始水汽場中ERA5再分析資料占比越大，颮線模擬越接近實況(魯蓉等，2019)。分析兩種資料在2020 年5月11日的大氣可降水量表明，其差值在廣東和廣西的交界處最大(圖2)，而此處正是颮線發展且尺度增長的區域。由于FNL與ERA5資料中的水汽場存在較大差異，而有研究認為ERA5再分析資料中，低層溫度場和濕度場更接近于實際觀測(朱彥良等，2012；支星等，2014)，為了讓水汽條件更接近于實況以便于進行水汽模擬試驗，且使得模擬效果達到最好，截取ERA5資料中與FNL 資料相同層次的水汽變量作為模式模擬的初始水汽場，而其他變量則來自于FNL資料。

1.4 水汽試驗設計

為了探究這次短時間內尺度迅速增長的颮線過程中水汽條件起到的作用，將上述模擬結果定義為控制試驗(CTRL)，其他設定保持不變，在此基礎上修改初始場的水汽含量，設計一系列敏感性試驗。此次華南颮線過程中低層的水汽充足，為了研究不同層次水汽對其升尺度增長過程的影響，分別將對流層低層(850 hPa以下)的比濕修改為原來的90%和110%，設置為試驗LQ90 和LQ110；分別將對流層中層(500—700 hPa)的比濕修改至原來的90%和110%，設置為試驗MQ90和MQ110。

2 天氣個例實況

2020 年5 月11 日下午，弱冷空氣南下越過南嶺，在兩廣一帶與暖濕空氣相遇，產生大范圍雷暴大風及降雨天氣。傍晚時分，部分站點出現了短時強降水和雷雨大風天氣，伴有8～10 級瞬時大風，其中佛山高明區荷城街道小時降水量達到70 mm，多地觀測到閃電發生。此次雷暴天氣主要由在華南地區形成的一次強颮線過程引起，歷時9 h，給廣東省帶來較大的影響。分析實況雷達回波圖(圖3)可知，5 月11 日13 時(圖3a)，對流在廣西東北部形成，對流單體呈線狀排列，中心強度達到45 dBz 以上，14 時(圖3b)其南部對流單體不斷新生，于15時增長為α中尺度颮線(圖3c)。同時，在廣西南部以及廣東沿海地區一帶有分散的對流單體存在。隨著颮線向東南方向移動，暖區分散對流單體也逐漸發展。到16時(圖3d)，颮線移至兩廣交界處，并與廣西南部的對流單體合并，形成一條東北—西南走向的中α尺度颮線系統。颮線主體繼續向東南方向移動，同時線性結構更加顯著，到17 時(圖3e)，颮線長度達700～800 km，且弓形結構更加明顯，系統強度達到強盛狀態。隨著颮線繼續南移，其北部部分逐漸與廣東沿海地區的對流單體匯合，整個對流系統尺度繼續增大，并逐漸形成“人字形”回波(圖3f)。到19時(圖略)，颮線北部及其尾部的對流逐漸發生斷裂，隨后颮線的線狀結構逐漸消散，強度也開始減弱。

圖3 觀測的2020年5月11日13時(a)、14時(b)、15時(c)、16時(d)、17時(e)、18時(f)華南地區雷達組合反射率(單位: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 大氣環流和環境參數

3.1 大氣環流

由NCEP 1°×1°的FNL 資料分析可知，對流發生前，華中地區高空200 hPa 上(圖4a)存在一個風速急流帶，而兩廣地區均位于急流入口區右側，有正渦度平流，故存在高空輻散，有利于空氣垂直上升運動。500 hPa中層(圖4b)兩廣一帶位于副熱帶高壓(以下簡稱副高)邊緣，隨著副高南撤，颮線也向東南移動(漆梁波和陳永林，2004)。850 hPa上(圖4c)沿海地區位于槽前西南暖濕氣流中，風速雖未達到急流水平，但有較強暖濕平流疊加至高空弱冷平流之下，有利于位勢不穩定層結的建立和維持。在廣東、廣西地區北部存在東北—西南向冷式切變，有冷暖空氣的輻合。在地面(圖4d)有一倒槽伸至兩廣一帶，同時存在一地面輻合帶，附近的空氣輻合抬升，有利于颮線的觸發。整體來看，此次過程的大氣環流高低層配合較好，為颮線過程的發生提供了不穩定能量積累和抬升條件。

圖4 2020年5月11日08時200 hPa高度場(藍線,單位:dagpm)、風速場(陰影,單位:m·s-1)和溫度場(紅線,單位:°C)(a),500 hPa高度場(藍線,單位:dagpm)和溫度場(紅線,單位:°C)(b),850 hPa高度場(藍線,單位:dagpm)、溫度場(紅線,單位:°C)和風場(c)(矢量,單位:m·s-1,一桿代表風速為12 m·s-1),以及地面氣壓場(藍線,單位:dagpm)、溫度場(紅線,單位:°C)和風場(d)(矢量,單位:m·s-1,一桿代表風速為5 m·s-1)。圖4b、c、d中H代表高壓中心，L代表低壓中心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 環境參數

圖5 為清遠站和河源站2020 年5 月11 日14 時溫度對數壓力圖，從中可見，清遠站500 hPa以下大氣中溫度露點差較低，水汽幾乎達到飽和，而500 hPa以上迅速變干。河源站700 hPa以下中低層大氣水汽含量較高，也大致形成上干下濕的不穩定層結，有利于對流發生。兩站近地面附近存在一個干空氣層，這可能是由于颮線系統中的垂直運動較強，高空干冷氣流下沉而形成。清遠站CAPE 值達到4 408.8 J·kg-1，河源站為2 424.7 J·kg-1，不穩定能量較高，自由對流高度(LFC)接近地面，較低LFC 也更有利于對流生成發展。此外，兩站3 km 以下均有較大的垂直風切變，這種較大垂直風切變、大CAPE 值及上干冷下濕暖的垂直不穩定層結有利于颮線的形成和發展(丁一匯等，1982)。

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

4 數值模擬及驗證

將模擬的雷達組合反射率與實況進行對比，檢驗此次颮線的模擬效果。從模擬場(圖6)可見，11 日11時(圖6a)廣西東北部已經形成線性對流，同時東南沿海存在分散對流，強度比實況略強，范圍也更大。隨后分散對流發展，形成幾個塊狀對流(圖6b—e)，于17時(圖6f)與颮線前部匯合形成了“人”字形回波，雷達組合反射率的范圍和形狀與實況基本一致。整體來看，模擬的颮線雖比實況早發生2 h，移動速度比實況稍快，但二者的移動路徑大致相同，生命周期一致，強度和形狀及影響范圍相差不大，僅在部分地區的強度有所差異，因此模擬較好還原了颮線的發展和成熟階段。

5 水汽試驗結果

5.1 颮線演變特征

此次過程為一次較為典型的冷鋒前颮線南下過程，為研究水汽含量對颮線升尺度增長過程中不同階段的影響，結合實況和模擬結果，將此次颮線的生命歷程劃分為形成階段(11—12 時)、發展階段(13—15時)、成熟階段(16—18 時)和消亡階段(19—21 時)。颮線分別經歷了后向新生(發展階段)及與暖區對流合并(成熟階段)這兩個升尺度過程，最后開始消亡。當水汽條件改變后，颮線系統的移速和強度均有所不同。表1 給出觀測及各試驗中颮線形成、發展、成熟、消亡階段時間劃分。分析可知，CTRL 颮線過程比實況早2 h，與CTRL相比，低層水汽減小后，颮線生成減慢約1 h，消散加快，反之，颮線生成更早，維持時間更長。而減小中層水汽后颮線形成過程與減小低層水汽時相差不大，但颮線維持的時間更長，增加中層水汽對颮線生命歷程影響較小。

表1 觀測及各試驗中颮線形成、發展、成熟、消亡階段時間劃分Table 1 The time division of formation,development,maturity,and decay stages of squall line during different experiments

5.2 颮線強度、組織結構特征

對比發現水汽條件的改變會影響颮線的生命歷程，為進一步探究水汽是否會對其強度和組織形態產生影響，圖7 給出各試驗中颮線不同階段雷達反射率及地面大風、降水，圖8 為地面擾動氣壓和地面10 m風場，分別展示了不同水汽條件下颮線各個階段的組織形態、擾動氣壓場及伴隨的天氣現象。

圖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)試驗颮線形成階段(a—e)、發展階段(f—j)、成熟階段(k—o)、消亡階段(p—t)的雷達組合反射率因子(陰影,單位:dBz)、地面10 m大于10 m·s-1大風(藍色箭頭)和≥20 mm·h-1降水量(黑色實線,單位:mm·h-1)(黑色直線代表圖11中剖面線位置)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 形成階段

分析形成階段的特征(圖7a)可知，塊狀對流首先在廣西東北部觸發，隨后向南移動逐漸形成颮線，同時廣東省有分散的較弱對流活動。LQ90 試驗(圖7d)和MQ90試驗(圖7c)比CTRL試驗晚約1 h形成線狀結構，且強度更小。LQ110 試驗(圖7e)中，颮線強度更強，后部層狀云區范圍更大，MQ110(圖7b)中形成的對流與控制試驗差別不大。

5.2.2 發展階段

CTRL試驗中對流發展，向南延伸至廣西南部，于15時形成“弓狀”回波帶，在地面以吹向對流弓狀結構的大風為主，風速達到10 m·s-1，部分地區小時降水量達到20 mm以上，同時廣東省的分散對流單體的強度也有所增強(圖7f)。颮線向東南引導氣流方向移動，南部的西南暖氣流與北部的東北冷氣流在颮線后部相遇后空氣輻合使得偏南暖濕氣流被抬升，觸發不穩定能量的釋放，對流后向新生，颮線經歷第一次尺度增長。擾動氣壓場(圖8a)顯示，負擾動氣壓主要集中在颮線以南暖濕氣流中，而颮線中的擾動氣壓較小，并未形成明顯的雷暴高壓結構。

對比發現MQ110 試驗(圖7g)中對流強度及結構變化不大，但大風天氣減弱。減少中層和低層水汽后(圖7h、i)對流組織性不強，南部很快變為分散對流單體。其中LQ90試驗中對流強度較小，未經歷后向新生過程，同時前部暖區對流也較弱。MQ90試驗中對流強度較強，已經形成了雷暴高壓、颮前低壓和尾流低壓的結構，較強的颮前低壓可能是因為對流在颮線前激起的對流中上層下沉運動增強(圖8b)。同時在該處有短時強降水產生，其南部也有新生分散對流形成，但并未與颮線合并。但增加或減小水汽后颮線向前移動的速度幾乎不變。LQ110 試驗中(圖7j)，增加低層水汽，暖區對流強度增強，已經與颮線前部對流相聯結。地面大風減弱，地面負擾動氣壓范圍更大(圖8c)。

5.2.3 成熟階段

CTRL試驗中沿海一帶暖區分散對流單體繼續發展并逐漸聚集，合并為塊狀對流，同時颮線向東南移動并與前部塊狀對流結合，整體對流范圍擴大，尺度進一步增長(圖7k)。颮線南部地面向南的大風和對流中向北的大風形成輻合，降水強度增加，到17 時大于50 dBz的地區降水達到20 mm·h-1以上，出現短時強降水天氣，此時尾流低壓也發展至最強，形成尾流低壓-雷暴高壓-颮前低壓的結構(圖8d)。

MQ110(圖7l)中回波強度變化不大，但降水強度增加。LQ110(圖7o)與CTRL相比，暖區分散對流強度更強，颮線與其合并后尺度更大，強降水發生在其南部靠海地區。對比發現LQ90 和MQ90 試驗的颮線生命歷程相似(圖7m、n)，隨著對流向東南移動后與暖區對流合并，于18 時再次發展為線狀結構，但由于水汽含量減少，其強度及水平尺度較小。其中減小中層水汽后對流強度更大，并形成了“弓形”結構，同時颮線北部有20 mm·h-1以上的短時強降水天氣。MQ90 中雷暴高壓強度也更強，而在LQ90 試驗中雷暴高壓及颮前低壓強度更小，同時降水強度減小。LQ110 短時強降水范圍較大，雷暴高壓也較強(圖8e、f、g)。

5.2.4 消亡階段

到19 時CTRL 試驗颮線中部發生斷裂，南部對流強度減弱并向東南移動入海。同時颮線南部強降水減弱(圖7p)。由降水的拖曳作用帶來的下沉氣流減弱，對應的絕熱增溫效應減小，使得尾流低壓消失，逐漸轉變為正的氣壓擾動(圖8h)。

增加中層水汽后(圖7q)，對流也從中部發生斷裂，分散對流逐漸消散。LQ110(圖7t)相較于CTRL，強回波區范圍更大，且由于海上對流單體的存在，颮線斷裂東移入海后仍能維持一段時間，強降水也集中在沿海一帶，21 時才開始逐漸消散。圖7r、s 對比發現LQ90試驗中，18時起南部的對流迅速減弱，還未入海便轉變為層狀云區，地面轉變為負變壓，雷暴高壓消失(圖8i)。但MQ90 試驗中，颮線維持的時間更長，直至19時仍有線性結構存在。

6 水汽影響颮線升尺度過程的原因

根據前文對颮線的模擬和改變水汽條件后對颮線發展過程和組織形態的分析，增加或減小各層水汽后，對對流強度、颮中系統的形成及尺度增長均產生較大影響，下面從動力、熱力條件及垂直結構等方面進一步分析水汽影響颮線發展過程的原因。

6.1 最大對流有效位能

對流發生初期，系統內部的冷池和垂直風切變還未達到平衡狀態時，較高CAPE 可促進颮線的發展和組織性增強，因此CAPE 是影響颮線發展的重要環境條件參數，CAPE值越大，可釋放的不穩定能量越多，越容易激發對流，在模擬結果中用最大對流有效位能(MCAPE)表示。圖9a為CTRL下颮線形成初期MCAPE值的分布，可見在颮線形成前期，其南部的MCAPE值在2 000 J·kg-1以上，達到發生強對流的條件，隨著颮線南移到此處，利于對流向后新生，颮線尺度迅速增長。同時廣東省南部的MCAPE達到3 000 J·kg-1以上，為東南沿海暖區分散對流的發展提供能量，暖區對流迅速增強，使得颮線后期與之合并后尺度進一步增加。

圖9 CTRL(a)、MQ90(b)、MQ110(c)、LQ90(d)、LQ110(e)試驗中2020年5月13時最大對流有效位能(MCAPE)(陰影,單位:J·kg-1)、地面10 m風場(箭頭,單位:m·s-1)、20 g·kg-1水汽混合比等值線(藍線,單位:g·kg-1)和30 dBz的雷達組合反射率因子(紅線,單位: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

在水汽試驗中，由圖9a、b、c 對比可知MQ90 與MQ110 試驗的MCAPE 值和地面風場與CTRL 試驗差別不大，即保持低層濕度相同的情況下，改變中層水汽對對流有效位能積累的影響較小，因此颮線后部仍會形成新生對流單體。LQ110 的MCAPE 值大于3 500 J·kg-1的區域最大，對流不穩定能量最多，更快觸發對流且對流強度更強，與模擬結果一致(圖9e)，而LQ90中MCAPE值明顯較小，因此對流形成更慢(圖9d)。從地面風場來看，除LQ90試驗以外，其他試驗在MCAPE大值區均有顯著的風場輻合，其中LQ110試驗中風場輻合區更大，更有利于產生上升運動從而觸發不穩定能量形成對流。結合MCAPE 值的分布和地面2 m 的20 g·kg-1水汽混合比等值線來看，MCAPE大值區與水汽高值區的分布是一致的，即MCAPE 隨著水汽的增加而增加，因此增加低層水汽，有利于CAPE 的積累，從而能觸發更強的初始對流。

6.2 低層垂直風切變

除了MCAPE 值外，低層垂直風切變也是影響颮線過程的重要因子(Bluestein and Jain，1985；王周鶴等，2020)。在具有強熱力不穩定的環境中，垂直風切變較強時，對流內垂直運動增強，同時颮線系統更具有組織性，從而有助于延長生命期，發展為強對流天氣。一般認為，0—6 km的垂直切變大于20 m·s-1認定為強切變環境，在颮線發展階段，CTRL 試驗中颮線及其后側的1—3 km 風的垂直切變在12 m·s-1以上(圖10a)，若按照線性變化推測0—6 km的垂直切變在20 m·s-1以上，適合強雷暴的發展。15 時颮線南部的垂直風切變最大達到22 m·s-1，且強切變區位于對流尾部右側，產生流體動力學壓力，有利于尾部新對流單體的生成，使得颮線發展，尺度增加。

圖10 CTRL(a,e)、MQ90(b,f)、LQ90(c,g)、LQ110(d,h)試驗中2020年5月15時(a—d)和18時(e—h)3 km的30 dBz雷達組合反射率因子(白色等值線,單位:dBz)、1—3 km垂直風切變(箭頭,單位:m·s-1)及其垂直風切變大小(陰影,單位: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

改變水汽后，由于凝結潛熱的釋放及地面蒸發冷卻效應等原因溫度場發生變化，因此發生對流的地區垂直風切變有所不同，將影響颮線的維持和發展。研究證明(Thorpe et al.，1982；俞小鼎等，2012)，垂直于颮線的低層垂直風切變可以阻止雷暴下沉氣流出流，從而更好的維持雷暴內的上升氣流，延長颮線的生命史，并且有利于弓形回波的形成。圖10b、c 表明發展階段減小水汽的試驗中，颮線后部垂直風切變方向與之近乎平行，對流分散為小的單體，從而很快消散，但MQ90與LQ90相比，18時颮線中段后部的切變方向更加垂直，颮線形成“弓形”結構(圖10f、g)。LQ110 試驗中，15 時位于颮線南部前沿的風切變更大，對流新生，風向也更垂直，后部新生對流與颮線結合，促進了其尺度增長。而成熟階段颮線與前部分散對流合并后，其后部垂直切變較大，線性結構也得以維持(圖10d、h)。上述試驗證明，增加低層水汽后颮線尾部垂直風切變增強，有利于對流單體新生，且風向更加垂直于颮線，對流的組織性增強。反之，減小水汽后，低層垂直風切變與颮線更加平行，對流很快消散。但對于減小水汽的試驗，當“中干下濕”時，颮線與南部對流合并后低層垂直風切變較大，且方向也更垂直于颮線，有利于形成“弓形”結構。

6.3 后部入流和垂直運動

由上述分析可知，水汽條件對颮線內部的垂直運動及地面冷池的形成有很大影響。為了更好地研究不同試驗中颮線的發展機制，繪制了CTRL 試驗、LQ110試驗及MQ90試驗中經颮線發展和成熟階段對流中心(圖7黑斜線)的垂直剖面(圖略)。從CTRL試驗可見，本次過程強對流系統較為深厚，其中30 dBz以上回波向上延伸至15 km處，最大回波強度達55 dBz。冷池前沿為整層上升運動，前側有新生單體被激發。對流后部0—7 km有明顯的后部入流，將干冷空氣帶入對流系統，云體中液態水蒸發加強，空氣迅速冷卻，產生強烈下沉，到達地面后向外輻散，形成雷暴大風。MQ90 試驗中最大回波強度與控制試驗相當，但大于40 dBz的對流核高度更低，水平尺度更大。減小中層空氣濕度后，對流的后部入流增強，向上延伸至10 km處，且入流更加干冷，被卷入對流系統中后迅速下沉，到達地面后形成降溫，-1 K變溫線向上延伸至4 km處，形成的冷池強度比CTRL 試驗略大。對流中4 km 以上為上升運動，運動方向向前傾斜，在上空形成大范圍出流，不利于雷暴的維持。LQ110 試驗中回波強度和范圍與CTRL 試驗相當，但垂直上升運動更強烈，高度達到16 km以上，大于40 dBz的對流核也伸展至16 km。颮線前部新生對流單體中上升運動更強烈，有利于其進一步發展并于后方對流結合，使得颮線尺度增長。

成熟階段，CTRL試驗低層存在前部入流，前后均有層狀云區。LQ110試驗的層狀云區主要集中在對流后部，且范圍較CTRL 試驗更大，有較弱的下沉運動。大于40 dBz的對流核水平尺度更大且對流頂更高，垂直運動也更加強烈，-1 K 變溫線向上延伸至5 km 處，地面冷池強度更強。MQ90 試驗對流強度和水平尺度減小，對流核頂高度降低。垂直運動減弱，5 km以上為上升運動，且向對流前方傾斜。后部層狀云區無明顯下沉運動，產生的降水較少。上述分析說明，減小中層水汽后，對流強度減弱，回波頂高度降低。且發展階段中后向入流增強，干冷空氣迅速下沉形成向前的出流，形成大風天氣。雷暴中的上升氣流傾斜，使得對流組織性減弱并很快消散，16時后颮線逐漸分散為小的對流單體。增加低層水汽后，系統中的垂直運動更強，回波高度更高，且上升運動保持垂直，利于對流的長時間維持，對流后部層狀云區范圍更大，有利于產生降水。成熟階段中下沉運動強烈，低層大氣中的水汽蒸發冷卻加強，導致地面冷池增強(圖8g)。

7 結論與討論

2020 年5 月11 日發生在華南地區的颮線過程產生了大范圍的降水和雷暴天氣，本文利用WRF模式進行高分辨率的模擬，很好再現了此次颮線的升尺度增長的過程。在此基礎上改變低層和中層水汽，設計了一系列水汽試驗，進一步探討不同層次水汽改變對颮線強度、維持時間及尺度增長過程產生的影響，得到以下主要結論：

(1)此次颮線經歷了后向新生、向南移動與前部對流合并的升尺度增長過程。對流形成在兩廣地區，位于高空急流入口區右側，與地面倒槽相配合，同時有較強暖平流疊加至高空弱冷平流之下，為颮線過程的發生提供了不穩定能量積累和抬升條件。探空資料顯示，颮線發生前主要站點的CAPE值高，低層垂直切變較大，容易發生強對流天氣。

(2)颮線形成前期，對流南部及廣東沿海地區MCAPE 值較大，利于暖區對流生成，颮線移至此處時再次發展，尺度迅速增長。同時低層垂直風切變較強，因此颮線可以較長時間維持線性結構。分析其垂直結構發現，對流后部有較強的后向入流，一方面增強對流中上升運動，一方面使得對流中水汽迅速蒸發，造成強烈下沉運動，利于對流的發展。

(3)不同層次水汽含量及其垂直分布對颮線的形成過程產生重要影響?！爸懈上聺瘛钡沫h境(減小中層水汽或增加低層水汽)有利于對流的新生及雷暴高壓的增強。低層水汽越多，MCAPE 值越大，地面風向輻合更加顯著，颮線移動到此處時尺度快速增長且強度更強。颮線中垂直運動增強，對流云頂更高，對流后部層狀云區范圍更大，同時地面產生的冷池和雷暴高壓強度也較強。低層水汽減小時，地面降水、對流的強度和范圍均會減小，且很快消散。

(4)減小中層水汽時，對前期MCAPE值影響不大，仍有新生對流生成，但垂直風切變較小且垂直上升逆垂直風切變方向傾斜，新生對流產生后變為分散單體，后期與前部分散對流合并后才又重新發展為颮線。同時后部入流強度增加，中層干冷空氣進入對流內部，造成降水蒸發降溫并迅速下沉，地面冷池和雷暴高壓范圍更大。

此次華南颮線升尺度過程中水汽影響數值試驗結果表明，不同層次的水汽含量變化將通過環境MCAPE值和垂直風切變等影響地面冷池、雷暴高壓及對流內部垂直運動，從而影響新生對流的強度以及組織性，進而影響颮線的升尺度過程及垂直結構。因此在對颮線的預報中，應當充分考慮水汽分布對颮線發生發展及地面大風、強降水天氣的影響。此外，本文的研究僅探討了水汽垂直分布對颮線內部結構產生的影響，而水汽的空間分布同樣影響颮線的發生。后期可借助相應的數值試驗，進一步探討影響颮線升尺度過程的因素。