華南颮線升尺度增長(zhǎng)過(guò)程中的多尺度能量相互作用分析

張弛，沈新勇, ，張玲，王林，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(guó)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. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海)，廣東 珠海519082；3. 內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象服務(wù)中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特010051；4. 浙江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州310027）

1 引 言

颮線是一種中尺度強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)，多由線狀分布的雷暴單體排列而成，常伴有劇烈的天氣現(xiàn)象和氣象災(zāi)害，造成人們生命財(cái)產(chǎn)的嚴(yán)重?fù)p失[1]。華南地區(qū)，春季為颮線多發(fā)期，方翀等[2]指出華南西風(fēng)帶颮線的形成主要在春季(3—5 月)，與江淮流域以及華北等地區(qū)颮線發(fā)生的時(shí)間不同[3]。眾多的分析指出，華南颮線發(fā)展與中緯度颮線有一定區(qū)別[4-8]，如從云貴高原、南嶺等地南下的小尺度對(duì)流帶，會(huì)發(fā)展成較大尺度的颮線，即升尺度增長(zhǎng)：颮線的尺度從β中尺度在幾至十幾小時(shí)內(nèi)增長(zhǎng)至α中尺度。Coniglio 等[9]對(duì)一次強(qiáng)風(fēng)暴分析后指出，環(huán)境的中尺度特征有助于颮線的升尺度增長(zhǎng)。本文將對(duì)華南颮線的升尺度過(guò)程進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

颮線的升尺度增長(zhǎng)過(guò)程涉及了不同尺度的系統(tǒng)，包括天氣尺度的環(huán)境場(chǎng)，α中尺度以及β中尺度的對(duì)流系統(tǒng)等。不同尺度的系統(tǒng)之間往往存在著相互作用，天氣尺度的系統(tǒng)往往作為中、小尺度系統(tǒng)的環(huán)境場(chǎng)，為其發(fā)展提供條件，而中、小尺度系統(tǒng)的發(fā)展會(huì)反作用于天氣尺度系統(tǒng)[10-13]。這些相互作用過(guò)程常常伴隨著能量的轉(zhuǎn)化，因此從能量角度考慮不同尺度系統(tǒng)之間的相互作用。在多尺度能量相互作用方面，一般是對(duì)兩種尺度間的能量相互作用進(jìn)行研究[14-16]，而許多中小尺度天氣往往涉及更多尺度系統(tǒng)之間的相互作用，僅從兩個(gè)尺度間的相互作用分析還有不足。沈新勇等[17]重新推導(dǎo)了三個(gè)尺度的能量方程，研究了三個(gè)尺度系統(tǒng)之間的能量相互作用，沙莎等[18]在此基礎(chǔ)上研究了梅雨鋒暴雨中三個(gè)不同尺度能量間的轉(zhuǎn)化。本文將利用沈新勇等[17]的研究成果，對(duì)一次華南颮線升尺度過(guò)程進(jìn)行研究，分析此次過(guò)程中動(dòng)能和位能的變化以及不同尺度系統(tǒng)之間能量的相互作用。

2 資料和方法

2.1 個(gè)例選取和資料介紹

本文選取2016 年4 月12—13 日(世界時(shí)，下同)發(fā)生在華南地區(qū)的一次颮線升尺度過(guò)程進(jìn)行研究，此次過(guò)程包含有多個(gè)不同尺度的天氣系統(tǒng)，包括天氣尺度的高空急流、低空急流、高空槽脊，α中尺度的颮線以及β中尺度的颮線和對(duì)流單體。為更好研究此次過(guò)程中各個(gè)尺度系統(tǒng)之間的能量相互作用，利用WRF 模式進(jìn)行數(shù)值模擬，采用模式模擬數(shù)據(jù)分析不同尺度系統(tǒng)的能量相互作用。本文所選用的資料包括NCEP(National Center for Environmental Prediction)的1 °×1 °再分析資料以及中國(guó)氣象局提供的全國(guó)雷達(dá)組合反射率資料。

2.2 WRF模式模擬方案

本文使用WRF 4.0 對(duì)颮線過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，使用NCEP 1 °×1 °逐6小時(shí)再分析資料作為初始場(chǎng)和邊界條件。模擬采用四層雙向嵌套，分別取分辨率為40.5 km、13.5 km、4.5 km、1.5 km。從外層到內(nèi)層的每一層水平網(wǎng)格數(shù)分別為150×120、205×181、313×208、487×454。垂直方向上的層數(shù)為35 層，模式層頂為50 hPa。模式的初始時(shí)刻為2016 年4 月12 日12 時(shí)，積分24 h。模擬的參數(shù)化方案主要包括：WSM6微物理方案、RRTM長(zhǎng)波輻射方案、Dudhia 短波輻射方案、淺對(duì)流Kain-Fritsch (new Eta) 積云參數(shù)化方案(10 km 以下不使用)、YSU邊界層方案等。

2.3 濾 波

采用Barnes 濾波的方法對(duì)WRF 模擬得到的各場(chǎng)變量進(jìn)行濾波，主要為三個(gè)方向的風(fēng)、氣壓、密度和位溫，得到天氣尺度、α中尺度和β中小尺度及更小尺度擾動(dòng)的信息。Barnse 濾波是一種典型的中尺度濾波方式，在氣象上有廣泛的應(yīng)用[19-21]，由其確定的低通濾波初值場(chǎng)，濾波涉及的變量和參數(shù)包括：某一氣象要素的觀測(cè)值F(xk,yk)，其中(xk,yk)為要素坐標(biāo)，k為要素序號(hào)，參加濾波的樣本數(shù) M，權(quán)重系數(shù)其 中c1 為 濾 波 常 數(shù)，rk為(xk,yk)到(x,y)的距離。為得到更好的結(jié)果，采用公式(1)對(duì)低通濾波得到的初值場(chǎng)F0做進(jìn)一步訂正得到訂正后的要素場(chǎng)：

由于濾波分別需要得到天氣尺度的系統(tǒng)、α中尺度的颮線和β中尺度颮線及更小尺度的對(duì)流單體等系統(tǒng)，因此需要模式資料的網(wǎng)格區(qū)域包含三個(gè)尺度的系統(tǒng)，采用第二層網(wǎng)格資料進(jìn)行濾波并進(jìn)一步做能量分析。

根據(jù)三種尺度的劃分：大于2 000 km 的天氣尺度，200～200 0 km 范圍的α中尺度，小于200 km的β中尺度以及更小尺度(為了后面論述問(wèn)題的方便，這里暫且合并稱為“β中小尺度”)，采用上述Barnes 濾波方法對(duì)WRF 模式輸出的各場(chǎng)變量進(jìn)行濾波，具體濾波方案如下：通過(guò)設(shè)定c1=150 000 km2，和c2=150 000 km2，G=0.3得到2 000 km以上的天氣尺度背景場(chǎng)和2 000 km 以下的波動(dòng)；通過(guò)設(shè) 定c1=3 000 km2和c2=3 000 km2，G=0.3 得 到200 km 以上的波動(dòng)和200 km 以下的β中小尺度波動(dòng)；通過(guò)2 000 km 以下的波動(dòng)減去200 km 以下的波動(dòng)得到200～2 000 km范圍的α中尺度波動(dòng)。

2.4 能量方程

本文采用沈新勇等[17]推導(dǎo)得到的六個(gè)能量方程進(jìn)行診斷分析。本文主要研究各個(gè)尺度系統(tǒng)之間的能量轉(zhuǎn)化，因此主要對(duì)方程中動(dòng)能和位能的變化項(xiàng)、位能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)化項(xiàng)以及動(dòng)能之間的跨尺度轉(zhuǎn)化項(xiàng)進(jìn)行分析。后文涉及的能量方程變量在此進(jìn)行說(shuō)明分別表示β中小尺度、α中尺度和天氣尺度動(dòng)能分別表示β中小尺度、α中尺度和天氣尺度位能；B為動(dòng)能與位能間的轉(zhuǎn)化項(xiàng)；TK為動(dòng)能方程中動(dòng)能之間的跨尺度轉(zhuǎn)化項(xiàng)；下標(biāo)L、α、β分別表示天氣尺度、α中尺度和β中小尺度，例如Tk(β,L)表示天氣尺度動(dòng)能向β中小尺度動(dòng)能的轉(zhuǎn)化，方程各項(xiàng)的表達(dá)式見(jiàn)參考文獻(xiàn)[17]。

3 分析與結(jié)果

3.1 天氣過(guò)程分析與數(shù)值模擬結(jié)果

2016 年4 月12—13 日，華南地區(qū)出現(xiàn)一次颮線天氣過(guò)程，在颮線發(fā)展過(guò)程中，颮線對(duì)流系統(tǒng)存在升尺度增長(zhǎng)過(guò)程，颮線的尺度從β中尺度快速增長(zhǎng)為α中尺度。從雷達(dá)回波分析此次颮線的演變過(guò)程(圖1)。12日18時(shí)，在廣西境內(nèi)的對(duì)流云團(tuán)發(fā)展壯大，出現(xiàn)50 dBZ 的強(qiáng)雷達(dá)回波中心，整個(gè)對(duì)流系統(tǒng)長(zhǎng)度在100～200 km 之間，同時(shí)在對(duì)流云團(tuán)的東側(cè)延伸到廣東北部零散地分布著一些對(duì)流單體。19 時(shí)，廣西境內(nèi)對(duì)流系統(tǒng)向東移動(dòng)并且具有β中尺度颮線特征，30 dBZ 雷達(dá)回波呈線狀分布且強(qiáng)對(duì)流帶明顯，廣東中北部的對(duì)流單體也發(fā)展成多個(gè)β中尺度的對(duì)流系統(tǒng)，并趨于線狀結(jié)構(gòu)。20 時(shí)，廣東西北部和中北部的β中尺度颮線逐漸連接成一條東北-西南走向的線狀結(jié)構(gòu)，颮線合并增強(qiáng)，21 時(shí)出現(xiàn)明顯的α中尺度颮線，中部有明顯的弓形回波。此后直到13 日01 時(shí)颮線處于α中尺度階段，颮線發(fā)展加強(qiáng)，強(qiáng)度也趨于穩(wěn)定。13日01時(shí)以后颮線入海，逐步減弱消散。

圖1 2016年4月12日18:00(a)、19:00(b)、20:00(c)、21:00(d)、22:00(e)、23:00(f)實(shí)況雷達(dá)組合反射率(單位：dBZ)

采用數(shù)值模式模擬此次颮線過(guò)程，從模擬場(chǎng)看(圖2)，模擬的颮線的生命周期與實(shí)況基本一致，颮線移動(dòng)的路徑也大體相同，雖然雷達(dá)回波部分位置稍有偏差，但颮線的升尺度過(guò)程被很好地模擬出來(lái)，因此采用此次模擬的數(shù)據(jù)分析升尺度過(guò)程中不同尺度系統(tǒng)之間的能量轉(zhuǎn)化。

圖2 2016年4月12日18:00(a)、19:00(b)、20:00(c)、21:00(d)、22:00(e)、23:00(f)模擬的雷達(dá)組合反射率(單位：dBZ)

3.2 三個(gè)尺度動(dòng)能與位能變化

排除颮線活動(dòng)區(qū)域地形引起的缺測(cè)，對(duì)2～15 km高度三個(gè)尺度動(dòng)能和位能的變率進(jìn)行分析，同時(shí)為考察三個(gè)尺度系統(tǒng)動(dòng)能在颮線過(guò)程各個(gè)發(fā)展階段的變化，選取包含三個(gè)系統(tǒng)的區(qū)域(100～120 °E，20～30 °N)做區(qū)域平均動(dòng)能隨時(shí)間高度變化的分布圖。

分析颮線過(guò)程中天氣尺度系統(tǒng)動(dòng)能的變化(圖3a)，高層和中低層的動(dòng)能變化總體上相反。颮線運(yùn)動(dòng)區(qū)域高層12 km 高度主要的天氣尺度系統(tǒng)為200 hPa 的高空急流，中層5～9 km 高度主要對(duì)應(yīng)有高空的槽脊系統(tǒng)，而2.5 km 左右高度則有明顯的低空急流。12 日12 時(shí)(圖4a)，華南位于高空急流出口區(qū)右側(cè)，受高空急流次級(jí)環(huán)流下沉氣流影響，對(duì)流的發(fā)生發(fā)展有一定的抑制作用，低層則主要位于低空急流的急流核處，低空急流對(duì)對(duì)流的發(fā)展幫助也較小，對(duì)流的發(fā)展條件還不成熟。而隨著時(shí)間的推移，在對(duì)流發(fā)生前的12 日15 時(shí)開(kāi)始，高空急流所在位置動(dòng)能快速增強(qiáng)，對(duì)應(yīng)高空急流向東延伸，華南區(qū)域脫離急流出口區(qū)，不再受高空急流次級(jí)環(huán)流下沉支的影響，高空急流對(duì)對(duì)流的抑制作用減弱，而此時(shí)低層動(dòng)能增強(qiáng)，對(duì)應(yīng)低空急流增強(qiáng)，但急流位置向南偏移，華南出現(xiàn)在低空急流左側(cè)，受低空急流影響對(duì)流系統(tǒng)開(kāi)始發(fā)展，18時(shí)(圖4b)，對(duì)流生成在低空急流左側(cè)，此后21 時(shí)前，低空急流開(kāi)始減弱，對(duì)颮線的影響減小。13日00時(shí)以后，高空急流斷裂，對(duì)應(yīng)高層動(dòng)能減少。而在中層主要高空槽脊系統(tǒng)，開(kāi)始時(shí)華南位于槽前，隨著時(shí)間的推移槽線減弱，對(duì)應(yīng)動(dòng)能的減少，而13日00時(shí)以后，后來(lái)的脊線逐漸發(fā)展加強(qiáng)，對(duì)應(yīng)動(dòng)能的增加。總體來(lái)看，天氣尺度系統(tǒng)中高空急流開(kāi)始時(shí)抑制對(duì)流的發(fā)展，此后急流增強(qiáng)，對(duì)流的發(fā)展不再受高空急流的抑制，此次颮線的激發(fā)主要受低層低空急流的影響，對(duì)流發(fā)展階段低空急流增強(qiáng)且向南移動(dòng)，低空急流左側(cè)的上升運(yùn)動(dòng)使得對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展，而在颮線形成后，低空急流影響減弱。

對(duì)于α中尺度系統(tǒng)動(dòng)能(圖2b)，和β中小尺度系統(tǒng)動(dòng)能(圖2c)，15 時(shí)對(duì)流單體開(kāi)始發(fā)生發(fā)展，對(duì)應(yīng)β中小尺度動(dòng)能的增長(zhǎng)，而隨著颮線結(jié)構(gòu)的形成，19 時(shí)左右8 km 高度β中小尺度系統(tǒng)動(dòng)能快速增長(zhǎng)，颮線對(duì)流的發(fā)展越來(lái)越旺盛，21 時(shí)出現(xiàn)β中小尺度系統(tǒng)動(dòng)能的增長(zhǎng)的大值中心，且在垂直方向上位于10 km 高度上，表明颮線形成后強(qiáng)度快速增長(zhǎng)，垂直方向上對(duì)流發(fā)展旺盛，颮線對(duì)流云達(dá)到10 km 高度以上，使得高層的β中小尺度系統(tǒng)動(dòng)能增強(qiáng)。而此時(shí)α中尺度系統(tǒng)動(dòng)能從低層到高空都有所增長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)颮線的升尺度增長(zhǎng)，β中尺度的颮線逐漸發(fā)展為α中尺度的颮線。22 時(shí)左右β中小尺度動(dòng)能增長(zhǎng)幅度變小甚至開(kāi)始減弱，而此時(shí)α中尺度系統(tǒng)動(dòng)能還在繼續(xù)增長(zhǎng)，表明此時(shí)颮線主要以α中尺度系統(tǒng)的形式存在，颮線的發(fā)展對(duì)應(yīng)著α中尺度系統(tǒng)動(dòng)能的增強(qiáng)。這點(diǎn)從颮線的入海減弱也可看出，13日01時(shí)颮線入海減弱消亡，對(duì)應(yīng)圖3b中α中尺度系統(tǒng)動(dòng)能的減弱，而β中小尺度系統(tǒng)動(dòng)能早在颮線減弱前的12日23時(shí)就開(kāi)始減弱。

對(duì)于天氣尺度位能的變化(圖3d)，在颮線發(fā)展階段，中低層有明顯的位能的減少，天氣尺度位能向動(dòng)能轉(zhuǎn)化。α中尺度位能和β中小尺度位能的變化量級(jí)相對(duì)較小(圖3e、3f)，在颮線發(fā)展階段都有平均位能的減少，α中尺度位能的減少主要對(duì)應(yīng)颮線的形成和升尺度增長(zhǎng)階段，而β中小尺度系統(tǒng)平均位能的減少在低層最明顯。

圖3 區(qū)域平均的動(dòng)能和位能隨時(shí)間高度變化 a. 天氣尺度動(dòng)能；b. α中尺度動(dòng)能；c. β中小尺度動(dòng)能；d. 天氣尺度位能；e. α中尺度位能；f. β中小尺度位能。橫坐標(biāo)為時(shí)間(12日12時(shí)—13日12時(shí))，縱坐標(biāo)為高度(單位：km)，等值線表示能量的變率(單位：10-3 J/(kg· s))，實(shí)線為正，虛線為負(fù)。在100～120°E，20～30°N范圍計(jì)算三個(gè)尺度動(dòng)能和位能變率的區(qū)域平均值。

圖4 12日12時(shí)高空急流(陰影，單位：m/s)和低空急流(等值線，單位：m/s)(a)，12日18時(shí)雷達(dá)組合反射率(陰影，單位：dBZ)和低空急流(等值線，單位：m/s)(b)

總的來(lái)看，動(dòng)能的變化與此次颮線過(guò)程中各尺度系統(tǒng)的演變有較好的對(duì)應(yīng)，β中小尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)應(yīng)β中小尺度系統(tǒng)動(dòng)能的變化，而在颮線升尺度增長(zhǎng)過(guò)程中，α中尺度系統(tǒng)動(dòng)能快速增長(zhǎng)。

3.3 三個(gè)尺度之間動(dòng)能與位能的轉(zhuǎn)化

考察颮線發(fā)生發(fā)展期間位能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)化，分析天氣尺度位能的轉(zhuǎn)化(圖5a～5c)，在整個(gè)颮線過(guò)程中，主要有天氣尺度位能向三個(gè)尺度系統(tǒng)的動(dòng)能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，但向天氣尺度動(dòng)能的轉(zhuǎn)化最強(qiáng)。對(duì)于天氣尺度系統(tǒng)動(dòng)能和位能之間的轉(zhuǎn)化(圖5a)，12 日12—21 時(shí)在低層有天氣尺度位能向天氣尺度動(dòng)能的轉(zhuǎn)化，低空急流得到發(fā)展，而00時(shí)左右位能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)化中心位于中層，對(duì)應(yīng)高空脊的發(fā)展，而在后期高空急流分裂減弱階段，對(duì)應(yīng)負(fù)的轉(zhuǎn)化中心，高空急流動(dòng)能減少。對(duì)于天氣尺度位能向α中尺度以及β中小尺度系統(tǒng)動(dòng)能的轉(zhuǎn)化而言(圖5b、5c)，兩者大體上較相似，都能從天氣尺度位能中得到一定的能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能使系統(tǒng)發(fā)展，且主要在對(duì)流發(fā)生階段和颮線形成階段的中低層，而這一階段α中尺度系統(tǒng)的動(dòng)能變化不大，可能是此時(shí)α中尺度颮線形成，得到的動(dòng)能通過(guò)轉(zhuǎn)化、耗散所消耗。而在颮線升尺度增長(zhǎng)階段，α中尺度系統(tǒng)轉(zhuǎn)化得到的動(dòng)能有所減少，12 日21 時(shí)—13 日00 時(shí)正是颮線α中尺度動(dòng)能快速增長(zhǎng)的階段，這點(diǎn)在天氣尺度位能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)化上沒(méi)有體現(xiàn)出來(lái)，一定程度上說(shuō)明并不是天氣尺度位能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)化引起颮線的升尺度增長(zhǎng)。最后在颮線入海消亡階段，中高層的α中尺度以及β中小尺度系統(tǒng)還能從天氣尺度系統(tǒng)得到能量，但低層位能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)化為負(fù)值，加速了颮線系統(tǒng)的減弱消亡。

分析α中尺度位能的轉(zhuǎn)化(圖5d～5f)，在整個(gè)颮線發(fā)展過(guò)程中能量主要轉(zhuǎn)化方向也是由位能向動(dòng)能轉(zhuǎn)化，且在強(qiáng)度上轉(zhuǎn)化為天氣尺度的動(dòng)能最多。考察位能轉(zhuǎn)化的分布，α中尺度位能向天氣尺度系統(tǒng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化出現(xiàn)在10 km 以下，對(duì)應(yīng)低空急流和高空槽脊。而α中尺度位能向α中尺度系統(tǒng)和β中小尺度系統(tǒng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化較相似，在颮線形成發(fā)展階段都有α中尺度位能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)化，且在颮線形成階段存在轉(zhuǎn)化的大值中心，促進(jìn)了β中小尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展。此外颮線的升尺度增長(zhǎng)過(guò)程中動(dòng)能的快速增長(zhǎng)在α中尺度位能向α中尺度系統(tǒng)動(dòng)能的轉(zhuǎn)化中并沒(méi)有很好地體現(xiàn)出來(lái)。

對(duì)于β中小尺度位能的轉(zhuǎn)化(圖5g～5i)，β中小尺度位能向天氣尺度動(dòng)能的轉(zhuǎn)化主要集中在低層18 時(shí)之前，而在中高層總體為負(fù)值，β中小尺度環(huán)境場(chǎng)不利于中高層天氣尺度系統(tǒng)的發(fā)展。β中小尺度位能向α中尺度系統(tǒng)和β中小尺度系統(tǒng)動(dòng)能的轉(zhuǎn)化主要在中低層(圖5h、5i)，且向β中小尺度系統(tǒng)轉(zhuǎn)化的動(dòng)能比向α中尺度系統(tǒng)轉(zhuǎn)化的動(dòng)能更大，使得β中小尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展迅速，此外向α中尺度系統(tǒng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化的大值中心出現(xiàn)在颮線形成階段，颮線升尺度增長(zhǎng)過(guò)程動(dòng)能的變化與之沒(méi)有很好的對(duì)應(yīng)，而向β中小尺度系統(tǒng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化的大值中心出現(xiàn)在00時(shí)左右，且對(duì)應(yīng)的高度較低，一定程度上減緩了颮線入海后的消亡過(guò)程。

圖5 區(qū)域平均的三個(gè)尺度間動(dòng)能和位能轉(zhuǎn)化隨時(shí)間高度變化 橫坐標(biāo)為時(shí)間(12日12時(shí)—13日12時(shí))，縱坐標(biāo)為高度(單位：km)，等值線表示能量的變率(單位：10-3 J/(kg·s))，實(shí)線為正，虛線為負(fù)，正值表示位能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)化。

總的來(lái)看，在颮線的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中都能從環(huán)境場(chǎng)中得到位能轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的動(dòng)能，使得β中小尺度對(duì)流系統(tǒng)能快速發(fā)展，而此時(shí)α中尺度的颮線還未形成，向α中尺度轉(zhuǎn)化的動(dòng)能基本被耗散，使得α中尺度動(dòng)能變化不大。在颮線的升尺度增長(zhǎng)過(guò)程中，從環(huán)境場(chǎng)中得到的能量有所減少，颮線的升尺度增長(zhǎng)時(shí)動(dòng)能的快速增長(zhǎng)在位能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)化方面沒(méi)有很好地體現(xiàn)出來(lái)，一定程度上說(shuō)明并不是位能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)化引起颮線的升尺度增長(zhǎng)。

分析三個(gè)尺度系統(tǒng)之間動(dòng)能的轉(zhuǎn)化，對(duì)于α中尺度系統(tǒng)動(dòng)能向天氣尺度系統(tǒng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化項(xiàng)(圖6a)，轉(zhuǎn)化的大值中心出現(xiàn)在8～12 km 的高層，在颮線升尺度增長(zhǎng)階段存在正的轉(zhuǎn)化中心，使得天氣尺度對(duì)應(yīng)的高空急流有所加強(qiáng)，這一階段α中尺度系統(tǒng)從位能轉(zhuǎn)化得到的動(dòng)能部分轉(zhuǎn)化成為天氣尺度動(dòng)能。而在12日22時(shí)—13日03時(shí)，對(duì)應(yīng)α中尺度颮線成熟到減弱階段，8 km以上存在負(fù)的轉(zhuǎn)化中心，對(duì)應(yīng)高空急流的斷裂減弱，此后13日03時(shí)以后的轉(zhuǎn)化為正，α中尺度系統(tǒng)的動(dòng)能再次向天氣尺度動(dòng)能轉(zhuǎn)化。對(duì)于β中小尺度動(dòng)能向天氣尺度動(dòng)能的轉(zhuǎn)化(圖6b)，在颮線發(fā)展過(guò)程中對(duì)應(yīng)有高層8～12 km 的動(dòng)能減少，颮線對(duì)流單體的發(fā)展一定程度上抑制了高層天氣尺度系統(tǒng)的增強(qiáng)。

圖6 同圖5，但為三個(gè)尺度之間動(dòng)能的轉(zhuǎn)化

對(duì)于天氣尺度動(dòng)能向α中尺度系統(tǒng)動(dòng)能的轉(zhuǎn)化(圖6c)，大值中心出現(xiàn)在12 日12—15 時(shí)以及13日06—12 時(shí)的高層，而在颮線升尺度增長(zhǎng)階段沒(méi)有明顯的動(dòng)能轉(zhuǎn)化中心與α中尺度颮線動(dòng)能增長(zhǎng)的中心對(duì)應(yīng)，表明颮線的升尺度增長(zhǎng)受天氣尺度動(dòng)能的轉(zhuǎn)化影響較小，結(jié)合前面位能轉(zhuǎn)化的分析，天氣尺度系統(tǒng)對(duì)于颮線的升尺度增長(zhǎng)過(guò)程的直接影響相對(duì)較小。分析β中小尺度系統(tǒng)動(dòng)能向α中尺度系統(tǒng)動(dòng)能的轉(zhuǎn)化(圖6d)，7～12 km 的高度上，在颮線升尺度增長(zhǎng)發(fā)展對(duì)應(yīng)的12 日21 時(shí)—13 日01 時(shí)存在β中小尺度系統(tǒng)向α中尺度颮線動(dòng)能轉(zhuǎn)化的大值中心，這與颮線升尺度增長(zhǎng)過(guò)程中α中尺度颮線動(dòng)能的快速增長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)，表明颮線升尺度增長(zhǎng)主要是由β中小尺度對(duì)流系統(tǒng)組織合并加強(qiáng)形成的，在升尺度增長(zhǎng)過(guò)程中β中小尺度系統(tǒng)的動(dòng)能大量轉(zhuǎn)化為α中尺度颮線的動(dòng)能，促進(jìn)α中尺度颮線的進(jìn)一步發(fā)展。對(duì)于天氣尺度動(dòng)能向β中小尺度系統(tǒng)動(dòng)能的轉(zhuǎn)化(圖6e)，總體為正的轉(zhuǎn)化，在颮線的形成到升尺度增長(zhǎng)過(guò)程中有明顯的轉(zhuǎn)化中心，表明天氣尺度系統(tǒng)的配置有總體上有助于β中小尺度對(duì)流的發(fā)展加強(qiáng)，并促進(jìn)β中尺度颮線的形成。最后分析α中尺度系統(tǒng)動(dòng)能向β中小尺度動(dòng)能的轉(zhuǎn)化，在颮線升尺度增長(zhǎng)并加強(qiáng)的過(guò)程中，4～6 km 為正值中心，有助于β中小尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展，而在6～10 km 的高度為負(fù)中心，有一定的抑制作用。

總的來(lái)看，在颮線的升尺度增長(zhǎng)過(guò)程中，β中小尺度對(duì)流系統(tǒng)一方面組織增長(zhǎng)為α中尺度颮線，一方面將β中小尺度動(dòng)能轉(zhuǎn)化為α中尺度動(dòng)能使得颮線增強(qiáng)，在此過(guò)程中環(huán)境場(chǎng)對(duì)颮線升尺度增長(zhǎng)過(guò)程的直接影響較小，環(huán)境場(chǎng)主要為β中小尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展加強(qiáng)提供了條件。

4 結(jié) 論

本文從多尺度能量相互作用角度對(duì)2016 年4月12—13日的一次華南颮線升尺度增長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行了研究。在數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，利用Barnse 濾波將三個(gè)尺度系統(tǒng)分離，并利用三個(gè)尺度的動(dòng)能和位能方程研究了颮線升尺度增長(zhǎng)過(guò)程中動(dòng)能和位能的變化，以及三個(gè)尺度間能量的轉(zhuǎn)化。

(1) 此次颮線過(guò)程中對(duì)流發(fā)生在低空急流左側(cè)，低空急流左側(cè)的上升運(yùn)動(dòng)對(duì)對(duì)流的發(fā)展起到激發(fā)作用，且在颮線發(fā)生發(fā)展過(guò)程中存在有位能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)化，使得β中小尺度對(duì)流快速發(fā)展加強(qiáng)。

(2) 動(dòng)能的變化與此次颮線過(guò)程中各尺度系統(tǒng)的演變有較好的對(duì)應(yīng)，β中小尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)應(yīng)β中小尺度系統(tǒng)動(dòng)能的變化，而在颮線升尺度增長(zhǎng)過(guò)程中，α中尺度系統(tǒng)動(dòng)能快速增長(zhǎng)。

(3) 在α中尺度颮線形成前，通過(guò)位能轉(zhuǎn)化得到的α中尺度動(dòng)能多被轉(zhuǎn)化耗散，而在颮線升尺度增長(zhǎng)過(guò)程中，位能轉(zhuǎn)化得到的α中尺度動(dòng)能有所減少，與α中尺度動(dòng)能的快速增長(zhǎng)沒(méi)有很好的對(duì)應(yīng)，此次颮線的升尺度增長(zhǎng)不是由環(huán)境場(chǎng)直接導(dǎo)致的。

(4)β中尺度颮線的合并加強(qiáng)導(dǎo)致了颮線的升尺度增長(zhǎng)，在颮線升尺度增長(zhǎng)過(guò)程中，β中小尺度動(dòng)能轉(zhuǎn)化為α中尺度動(dòng)能使颮線增強(qiáng)，而環(huán)境場(chǎng)通過(guò)位能向β中小尺度動(dòng)能的轉(zhuǎn)化使β中小尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展加強(qiáng)。