一次華南颮線的觀測分析和數值模擬研究*

鄒宛彤， 李江南， 潘心順， 曹正

1.中山大學大氣科學學院 / 廣東省氣候變化與自然災害研究重點試驗室，廣東 珠海 519082

2.中國民用航空中南地區空中交通管理局，廣東 廣州 510403

3.南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海），廣東 珠海 519082

4.廣東省佛山市南海區氣象局，廣東 佛山 528200

颮線是指呈線狀、帶狀或準線狀排列的中尺度對流復合系統（MCSs），其過境時通常伴隨雷暴大風、短時強降水、冰雹或龍卷等強對流天氣（Newton，1950）。早期的颮線系統研究可追溯到20 世紀中葉，受制于觀測資料、計算機及數值模式的發展水平，主要集中在利用觀測資料對颮線系統的天氣尺度或中尺度的分析。根據動力機制不同，颮線可分為中緯度引導層型和熱帶傳播型兩類，其主要的區別在于熱帶傳播型不具有引導層，并且需要分對流區和層狀云區（Moncrieff &Miller，1976；Moncrieff，1978；Houze，1977；Ogura &Liou，1980）。20 世紀80 年代以后，隨著雷達和衛星等遙感資料的增多、常規觀測資料不斷加密，颮線的結構特征、演變方式、颮中系統有了更深入、全面的認識（Johnson & Hamilton，1988）。Bluestein & Jain（1985）總結了颮線形成分為斷線型、后部新生型、碎塊型和嵌入層狀云型4類，不同類型發生在不同的粗理查森數和不同強度垂直風切變的環境下。Rasmussen & Rutledge（1993）指出雷達回波結構的演變分為初生、增強、成熟和消散4個階段，而各個階段的演變與運動學結構的變化密切相關。隨著計算機能力的提高和數值模式的快速發展，颮線發生發展的動熱力機制也有了明顯的進展。Rotunno et al.（1988）提出颮線發展傳播的“RKW 理論”，認為近地面冷池和低層環境垂直風切變相互作用是颮線發展維持最為重要的熱動力機制，并不斷得到發展和完善（Weisman，1992，1993）。隨著物理機制和結構演變的研究不斷加深，對兩個領域的研究均有明顯進展。Parker& Johnson（2000）將颮線演變過程分為了拖尾層云型、前部層云型和平行層云型3類。

我國早期對颮線的研究主要采用了統計分析方法。比如，丁一匯等（1992）通過對18 條颮線的統計分析，將我國颮線發展的天氣形勢分為槽后型、槽前型、高后型和臺風倒槽或東風波型4 種 。隨著研究的不斷深入，后期對我國不同地區的颮線進行了更細致的特征統計研究，如Meng et al.（2013）對我國東部颮線進行了統計分析，將我國颮線主要消散的方式分為了反向斷線型、收縮型及反向碎塊型，填補了颮線演變過程消亡階段的演變方式分類研究的空白。方翀等（2017）對2012—2015 年華南20 次典型颮線的統計研究發現，華南地區西風帶颮線出現在春季和初夏，并指出雷暴高壓的持續加強、擴大及相應冷池的擴大導致西風帶颮線的不斷加強發展 。在中尺度結構特征和形態學特征方面，國內也有大量研究成果。如陳濤等（2013）通過對華北颮線個例的研究，發現冷池邊界擴展速度與低層風垂直切變大致相當。李娜等（2013）研究分析華東地區的一次后向新生型颮線個例，發現對流線上的后向新生是動力和熱力過程共同作用的結果 。張哲等（2018）通過對遼東灣的一次颮線個例的多尺度研究，發現一條颮線在不同區域的組織形態發展演變受局地環境條件的影響。李文娟等（2021）在江南-華南一次強颮線研究中，發現颮線后部暖區的加強持續表現為颮線弓狀形態的形成并維持。隨著高分辨率數值模式的發展，關于颮線對流模態方面的研究主要集中在成熟階段的模態分析或成熟階段的模態變異（康兆平等，2017；孫虎林等，2011），但利用高分辨率數值模式結果對華南地區的颮線過程中各個階段的模態分析及衰亡階段的模態轉變研究還較少，并將中尺度動熱力機制的發展和各階段模態結合的全面分析更少。

2020 年5 月11 日午后至夜間，廣東發生一次強颮線天氣。該颮線在廣東北部生成，隨后逐漸東移南壓，帶來了局地強降水和閃電活動，此次颮線過程對機場運營造成了很大影響，廣州白云國際機場約1 h、深圳寶安國際機場約2 h無飛機起降，共有超30 架次航班備降，嚴重影響了當日廣深兩機場的航班正常率。本文利用地面常規觀測資料、廣東省雷達拼圖、廣州S波段雷達和FNL水平分辨率為0.25°×0.25°的再分析資料分析，分析了此次颮線不同階段的演變過程，同時利用中尺度WRF 模式輸出的高分辨率時空資料，分析了其不同階段特征及對流組織過程的變化機制。

1 颮線天氣過程觀測分析

1.1 颮線發生發展的背景條件

利用2020年5月11日14：00（北京時，下同）的FNL 再分析資料分析颮線發生發展的天氣形勢。200hPa 副熱帶西風急流位于35°N 附近，廣東處于其入口右側的輻散區（圖1a）。500 hPa 副熱帶高壓脊線處于20°N 附近呈帶狀控制華南沿海及中南半島，東亞大槽處于建立和加深階段，青藏高原南側的南支槽加深，兩廣北部槽前西南氣流較強，風速達12～20 m/s （圖1b）。850 hPa 冷式切變線位于湖南-貴州中部，廣西北部和廣東西部及珠三角南部處于850 hPa 的水汽通量輻合的大值區，環境溫度普遍均在17 ℃以上，前側的水汽和不穩定能量都有利于強對流天氣發生和發展（圖1c）。此外，地面兩廣交接處存在明顯的地面輻合線，且對流有效位能均大于1 600 J/kg（圖1d）。對流有效位能表征大氣靜力不穩定程度，與T-logp圖的正面積相對應，是被抬升氣塊的溫濕特征和環境大氣的溫濕分布綜合作用的結果（鄭永光等，2017）。此次颮線發生于高空急流入口，伴隨南支槽加深，低層暖濕氣流以及地面輻合線為其提供有利的水汽、熱力和抬升觸發條件。

圖1 2020年5月11日14：00天氣形勢Fig.1 The weather situation at 14:00, May 11, 2020

1.2 颮線生成至成熟階段的雷達回波特征

廣東省雷達組合反射率較好地反映了颮線發生發展全過程的4 個階段，16：00 廣東和廣西交接的塊狀對流逐漸發展并有連接成線的趨勢（圖2a），此為颮線初生階段。18：00 廣東河源-清遠-肇慶-廣西梧州的帶狀回波逐漸發展且整體向南推進，單體排列相對松散，斷線型模態明顯，此時颮線處于增強階段（圖2b）。19：30廣東境內的颮線在廣州-佛山處（圖2c），對流單體的結構性相對密實，最大反射率達55 dBZ，但粵東和粵西相對結構較松散，最大反射率也偏弱，此時為颮線成熟階段。颮線水平尺度達500～600 km，為中-α 尺度MCS。在引導氣流的作用下，颮線向東南方向移動，強對流云團位于颮線前部，最大雷達反射率45 dBZ，颮線后部是大面積的層狀云區等特征均表現為拖尾層狀云型颮線。5月11日20：00后，颮線的整體開始逐漸斷裂，全面性衰減，進入衰亡期。23：00，颮線以反向碎塊型衰亡減弱為3 段MCS（圖2d）。東段位于粵東，整體衰亡；中段位于珠江口附近，其對流單體傳播方式轉為后部新生型，具有弓狀回波結構；西段位于粵西，MCS 與層狀云的位置近乎平行，其組織模態與東段特征一致，均變異為平行層狀云型。

圖2 2020年5月11日廣東省天氣雷達組合反射率拼圖Fig.2 The composite reflectivity map of weather radar in Guangdong Province on May 11, 2020

2 模擬試驗設計與結果檢驗

模擬試驗利用用WRF 模式4.1.2 版本，Lam‐bert地圖投影，并使用三重雙向嵌套網格區域，分辨率分別為12、4 和1.33 km（圖3）。3 個模擬區域均采用WSM6 云微物理參數化方案、YSU 行星邊界層方案及RRTM 長波和Dudhia 短波輻射參數化方案。在模擬區域d01 和d02 中，采用Kain-Fritsch積云對流參數化方案，而區域d03不采用積云對流參數化方案。初始場資料選用NCEP 的6 h 一次、1°×1°分辨率的再分析資料。其中，d01 模擬時間從2020 年5 月11 日08：00～12 日08：00，d02 和d03模擬時間均從2020年5月11日14：00～12日00：00。

圖3 WRF模式模擬范圍Fig.3 Simulation range of WRF model

為了更全面展現颮線模擬的時空結果，本文利用分辨率為4 km 的數值模擬結果進行數值模擬結果與實況的對比檢驗。數值模擬結果中的雷達組合反射率是基于雨、雪和霰的混合比例等效雷達反射率因子，其演變基本重現了此次颮線各階段的特征，模擬結果與實況相似（圖4）。初生時（16：00），輻合線前側的分散對流的觸發特征和緯向尺度均與實況相似（圖4a）。增強階段（18：00），兩廣中部的颮線形態均有較好地重現（圖4b）。成熟階段（20：00）珠三角北部區域結構密實，最大雷達反射率為55 dBZ，與實況的峰值一致。最強的區域也處于23°N 附近，與實際情況符合。同時，粵東和粵西的對流單體也能與實況相對應，總體上模擬的結果再現了颮線的寬度、颮線移動方向的后側寬廣的層狀云以及對流單體緊密的組織形態（圖4c）。23：00颮線進入衰亡期（圖4d），整條颮線斷裂分成3 個中-β 尺度的MCS，分別位于粵東、珠江口、粵西陽江地區。東段和中段的MCS 位置和變化趨勢均與實況一致，近颮線西段MCS 模擬的位置比實況略偏東?？傮w上，5月11日颮線各個階段的數值模擬結果與實況相似。

圖4 2020年5月11日分辨率為4 km的WRF數值模擬的雷達組合反射率Fig.4 Radar composite reflectivity of the WRF numerical simulation with a resolution of 4 km on May 11, 2020

3 颮線不同階段的熱動力環境場

利用WRF數值模擬結果對颮線的初生、增強、成熟和衰亡共4個階段進行全面分析。為了全面展現颮線組織整體的形態，對颮線對流組織形態和動力條件的分析選取分辨率為4 km 的WRF 數值模擬結果進行資料分析。而熱力條件更依賴局地的層結條件，因此選取分辨率為1.33 km的WRF數值模擬結果構建由實況站點及其同一經緯度的格點及其周邊最近的8 個點的物理量構成的9 點平均場，以獲得更精細的探空來分析層結條件。

3.1 初生和增強階段

2020 年5 月11 日16：00，颮線在廣東中北部地區清遠-廣州-肇慶-廣西梧州等地（23°～24°N，110°～115°E）的地面輻合線上發生發展。颮線的范圍區域基本由分散的塊狀對流組成，隨著時間推移，塊狀對流逐漸發展，結構逐漸緊密，最終形成了颮線（圖5a）。廣東中部冷池逐漸發展，在颮線前側的惠州和颮線范圍內的肇慶處形成了最強的冷池。但冷池擾動位溫最大值約為-3 K，而颮線前側的擾動位溫增加，約為7.5 K，冷池效應相對于環境場偏弱（圖5b）。圖5c 是圖5a 的黑實線所做的垂直剖面圖，此時對流單體中的上升氣流呈傾斜形態，45 dBZ 雷達反射率回波上升的垂直高度達到了3～6 km。圖5d 是圖5b 黑圓點位置的模擬探空，對流有效位能達3 523 J/kg，抬升凝結高度為897 hPa，該數值明顯高于東部以斷線型生成的颮線統計結果。0～6 km 垂直風切變分別為16 m/s，速度矢端圖中風矢量方向旋轉角度均大于90°，風切變屬于中到強等級，有利于形成有組織的對流風暴（陳明軒和王迎春，2012）。

圖5 2020年5月11日16：00初始階段數值模擬結果Fig.5 WRF numerical simulation results of nascent stage at 16：00， May 11, 2020

5 月11 日18：00，增強階段時颮線的整體形態已基本確定（圖6a），長度為500～600 km，寬度為20～40 km 的中-α 尺度颮線雛形已經形成。在颮線中發展較強MCS 后側的冷池明顯加強，擾動位溫達-6 K（圖6b）。從雷達垂直剖面分布可發現，在增強階段，單體垂直氣流以垂直上升氣流為主（圖6c 箭頭所示）。在對流單體中，整體以上升氣流為主，對流單體發展到10 km以上呈直立狀態。圖6b黑點所構成的模擬探空顯示，其單點的0～6 km 垂直風切變（圖6d）約為12 m/s，速度矢端切變角度超過120°，中等強度的垂直風切變對颮線發展和維持具有正面的作用（陳明軒和王迎春，2012）。

圖6 2020年5月11日18：00增強階段數值模擬結果Fig.6 WRF numerical simulation results of enhanced stage at 18：00, May 11, 2020

3.2 成熟和衰亡階段

20：00，颮線發展加強進入成熟階段，其水平尺度已經達到500～600 km（圖7a），冷池的范圍和強度又明顯增大（圖7b），從雷達反射率垂直剖面圖（圖7c）可以看到，颮線前沿為強烈的對流區，雷達反射率梯度較大，而后側是寬廣的大范圍層狀云區域，風暴頂高度已經發展到了12 km 以上，且颮線單體的水平尺度明顯增大。在颮線成熟階段，單體內有兩支有組織的氣流：一支為颮線前側指向颮線后側上升氣流，主要處于3 km 以上；另一支則從單體后側開始，近3 km 高度以下，略有下降（圖7c 流線）。而在颮線前側（圖7a 黑點區域）的平均探空圖中（圖7d），0～6 km垂直風風切變為8 m/s，風切變略有減弱，但0～2 km 垂直風切變也為8 m/s，速度矢端切變角度超過90°，低層垂直風風切變加強是成熟的強對流天氣維持的有利條件（陳明軒和王迎春，2012）。

圖7 2020年5月11日20：00成熟階段數值模擬結果Fig.7 WRF numerical simulation results of mature stage at 20:00 on May 11, 2020

颮線成熟之后，整體進入衰亡階段，WRF 模式的數值模擬結果表明，到23：00，原本中-α 尺度，水平尺度長達500 km 的颮線呈反向碎塊型消散（圖8a）。在圖8b 中，對比A、B 兩個區域可以發現，MCS_A 南側為南海北部吹向陸面的南風，岸上的擾動位溫為負，但海上的擾動位溫為正。雖然區域A 的對流有效位能僅為473 J/kg（圖8c），但持續南風帶來暖濕氣流和維持不穩定條件，地面增溫增濕，為對流發展提供熱力條件。而區域B中，地面擾動位溫均為負變溫（圖8b），且0～2 km的低層風切變減弱，并表現為冷平流所體現的逆時針旋轉，地面冷空氣入侵，對流發展條件被破壞，冷池的強度大于風切變，MCS_B快速衰亡。

4 颮線各階段組織模態

4.1 初生到成熟的模態穩定期特征

本次颮線的形態最初為斷線型并逐漸增強，發展至成熟時為拖尾型層狀云型颮線。根據分辨率4 km的模擬結果，在5月11日16：00，廣東省處于高對流有效位能的環境下（圖9a），颮線前側及西側較大的對流有效位能值（1 400～2 600 J/kg），且具有大于40 J/kg 的對流抑制（圖9b），與斷線型和拖尾層狀云型的模態颮線的條件吻合（Bluestein& Jain，1985；Parker & Johnson，2000），但都高于東部颮線這兩種模態的對流有效位能范圍（Meng et al.，2013）。珠江口北部粵西與兩廣交界處粗理查森數大于40 的區域比較分散（圖9c），但整體呈緯向分布且與颮線的緯向分布基本一致，因此此次颮線中整體以多單體風暴為主。廣東中部的0～3 km相對風暴螺旋度為30～80 m2/s2（圖9d），中等強度的風暴相對螺旋度有利于斷線型颮線生成模態的形成。而螺旋度高值中心位于颮線移動方向前方的西南側及陽江一帶，大于150 m2/s2。

圖9 2020年5月11日16：00 WRF數值模擬物理量結果Fig.9 WRF numerical simulation physical quantity results at 16:00 on May 11, 2020

4.2 模態轉變期特征

颮線于5 月11 日20：00 進入成熟期，其組織形態的強度達到極值，之后進入衰亡期。利用分辨率為4 km 的WRF 數值模擬結果分析在21：00 颮線從成熟進入衰亡期的物理量變化。珠江口沿岸（113°～116°E）的對流有效位能（圖10a）仍較大，最大具有2 400 J/kg 以上，這也有利于颮線南段在衰亡階段加強，形成后向新生型MCS 的有利條件（李娜等，2013），這與Meng et al.（2013）對東部颮線的統計結果相符合。颮線東、西段的對流有效位能為800～1 600 J/kg，整個颮線的前側對流抑制基本均小于20 J/kg（圖10b）。與我國東部地區的颮線（Meng et al.，2013）相比，華南颮線維持對熱力條件要求更高。粗理查森數（圖10c）在珠江口為40～100，更傾向于多單體風暴；粵東地區大部分為5～15，不利于對流單體風暴的發展；但在粵西地區，粗理查森數為15～40，處于有利于對流單體的發展的區域。風暴相對螺旋度（圖10d）的結論類似，珠江口均大于30 m2/s2，珠江口以東是其分布的大值區，最高值大于150 m2/s2；粵東也不大，但并不具備珠江口的大值區，偏小的風暴相對螺旋度不利于風暴的維持；粵西陽江地區整體的風暴相對螺旋度大于80，其大于150 m2/s2的區域也較珠江口大。較強的低層垂直風切變是粵西MCS 沒有迅速減弱繼續維持發展的重要原因。而中部和西部MCS 分別在單體新生的組織模態和對流與層狀云結構的組織模態上有變異，這是其所在環境動力、熱力條件共同作用決定的。

圖10 2020年5月11日21：00WRF數值模擬物理量結果Fig.10 WRF numerical simulation physical quantity results at 21:00, May 11, 2020

5 結 論

本文利用常規觀測資料、多普勒雷達資料及高分辨率數值模擬結果，對2020 年5 月11 日的華南一次颮線過程的環境背景場和對流模態特征進行了分析。重點研究了颮線的初生、增強、成熟和衰亡共4個階段的組織模態和對流組織特征的演變機理，并得出以下主要結論：

1） 颮線發生在200 hPa急流入口右側的高層強輻散區、500 hPa南支槽前強西南風區、850 hPa切變線南側的低層暖濕平流區中水汽輻合散度最大的區域，及地面輻合線上發生發展。

2） 在初生過程中，颮線以斷線型方式對流單體逐個發展，對流單體內主要是上升氣流，且垂直方向風向呈順時針旋轉，風向切變大，風速切變中等，最初冷池強度較弱，颮線的發展受到環境熱力條件的影響。

3） 颮線發展至成熟階段為拖尾型層狀云型颮線，低層切變和冷池強度逐漸達到平衡狀態，低層大氣處于最強的垂直抬升狀態，颮線回波直立。通過診斷發現，以斷線型的颮線形成的拖尾層狀云型颮線發生在有中到強的對流有效位能、較大的對流抑制的較好的熱力環境條件下。

4） 颮線以反向碎塊型衰亡，其對流組織模態也隨之進入變異期。颮線衰亡是分為3段，衰亡過程中東西兩端的對流組織形態由拖尾層狀云型轉變為平行層狀云型。東段快速減弱，中段減弱過程中受地面輻合線和熱力環境共同作用，衰亡速度相對較慢，其對流單體生成發展的形式轉變為后向新生型，呈弓狀并仍維持拖尾層狀云型的組織模態。而西段在減弱過程中，線狀組織形式轉化為塊狀組織形式。

5） 通過對颮線組織模態轉變過程的環境分析，后向對流新生型對流單體的發生發展主要和近地面熱力環境的作用有關，對流有效位能相對較大。而颮線衰亡的過程中，不同區域的低層風切變和環境條件對衰亡的過程均有貢獻。

相較于我國其他地區的颮線統計結果，華南地區以斷線型模態生成為拖尾層狀云型成熟模態的颮線，所需的對流有效位能數值更高，并且颮線的維持也需要更高的熱力條件。對流抑制能量、粗理查森數、風暴相對螺旋度等在對流單體組織模態方面均有一定的指示意義。