基于有限區域風場分解的海南島一次颮線過程演變特征分析

李宏江，曹 潔，李 勛，吳志彥

(1.海南省氣象臺，海南 海口 570203； 2.海南省南海氣象防災減災重點實驗室，海南 海口 570203；3.中國科學院大氣物理研究所云降水物理與強風暴實驗室，北京 100029； 4.俄克拉荷馬大學中尺度氣象研究所，美國 諾曼73072)

颮線是指準連續的能夠帶來區域性雷暴大風的線性對流系統[1-2]。颮線在華南地區頻繁發生，是該地區的主要災害性天氣系統之一[3]。統計結果表明，影響中國東部地區颮線的多數颮線呈西南-東北向，形成方式最多的是斷線型(38%)，多數伴有尾隨層云區[4]。華南西風帶颮線出現于春季和初夏，臺風颮線出現在盛夏，兩類颮線的日變化特征也有所不同[5]。近年來針對致災颮線典型個例，國內學者綜合利用多種觀測資料、采用數值模擬和雷達風場反演等方法進行了大量研究，關于我國颮線形成的環境條件、發展維持機制和致災機理等的認識在不斷加深。颮線的組織結構和維持機制與地面輻合線、雷暴高壓、冷池、風暴自組織等因素有關[6-11]，有利的溫濕度層結、邊界層輻合線、高層輻散、深層或低層垂直風切變等環境條件有利于颮線的發展和維持[12-15]。冷池合并、后側入流急流、風暴內的強下沉氣流或粒子相變產生的下擊暴流等因素，是地面產生颮線大風的主要原因[16-19]；動量下傳、層狀云下沉氣流、特殊地形則可對颮線大風有增幅作用[16,19-20]。由于颮線往往發展迅速，生命時間短，局地性、突發性強，數值模式和基于環流形勢分析的主觀預報容易發生漏報，關于颮線的預報預警則是業務工作的難點[21]。不少研究針對業務預報中的疑難個例，在進行致災機理分析的同時，還總結了預報難點和預警著眼點[18,21-23]。

對于強對流的潛勢分析，預報員往往需要從大尺度環流背景入手。眾所周知，水平風矢量可視作旋轉風和輻散風的和，分別由流函數和勢函數表示。大尺度運動主要是旋轉，且具有準地轉的性質，因而流函數對應的旋轉風分量在大氣環流演變、全球大洋環流模擬分析等方面有著重要應用。通常，速度勢對應的輻散風在量值上較旋轉風小許多，但它代表了穿越等壓線的非地轉運動，是引起大氣垂直運動、產生水汽相變和潛熱釋放的根本原因，在垂直運動、對流發展等方面起著非常重要的作用，對熱帶天氣和中小尺度系統分析而言尤為重要。與全球風場分解不同，中小尺度研究針對有限區域，邊界條件限制下的泊松方程求解往往精度低、效率低。針對以上問題，Chen和Kuo[24-25]提出調和-正弦/余弦函數譜展開法，求解有限區域的流函數和速度勢，有效提高了計算精度[26-27]，曹潔等[28]還用該方法對有限區域Q矢量進行分解，取得了較傳統方法更好的效果。分析表明，該方法可以較好地提取與臺風暴雨增幅有關的前期強輻合信號[29]，更清晰地顯示出臺風[26]和東北冷渦[30]的水汽輸送通道、直觀展現冷渦低層的中小尺度風場及水汽輻合輻散區[30]，在天氣系統診斷中具有重要的應用價值。Xu等[31]設計出格林函數展開的變分算法，解決了中尺度天氣分析經常遇到的地形阻擋、高分辨率數值模式不規則網格帶來的資料缺測及非矩形邊界等問題，且具有很高的計算精度和效率，在提取華北暴雨中的變形場[32]、識別青藏高原渦[33]方面都顯示了獨特的優勢。相比于高分辨率數值模擬龐大的計算代價，有限區域風場分解方法能高效地從常規觀測的風資料本身提取有利于強對流潛勢分析的信息，既能充分運用越來越充足的觀測和模擬資料，又能有效且高效地服務于業務預報。目前，該算法主要應用于中緯度地區的臺風、區域性暴雨過程的天氣尺度和次天氣尺度系統，尚未涉及在熱帶地區強對流過程的中尺度天氣系統的應用分析。

海南島地處熱帶，相較中緯西風帶而言，海南島的大尺度斜壓強迫較弱，對流活動具有明顯的熱帶和中尺度特征。個例分析表明[34-36]，海南島在弱強迫背景下也易出現諸如EF-2級龍卷、颮線等災害性強對流天氣。近年來對海南島強對流的研究雖然逐漸增多，但對影響該地區的強颮線過程仍缺乏針對性分析。此外，以往采用有限區域風場分解方法的應用研究，使用的都是規則的矩形區域資料，要么針對中高緯度天氣過程[30，32]，要么針對臺風天氣[26,29]。考慮海南島地形造成的不規則邊界，針對熱帶地區弱強迫背景下的強對流過程，采用Xu等[31]提出的改進后的算法，能否提取有價值的風場診斷信息？以上問題都值得進行研究。

2020年4月22日下午受罕見弓狀強颮線影響，海南島北部沿海和陸地出現了一次大范圍雷暴大風過程。該次颮線過程發生在副高控制的弱強迫背景下，具有快速發展的特征，基于環流形勢的主觀潛勢分析難以做出預判，業務數值模式對該過程的降水預報也出現明顯漏報。本文擬針對該次過程，綜合海南省區域加密自動站逐小時觀測資料、海口多普勒雷達產品、Himawari-8高分辨率衛星資料和ERA5逐小時再分析資料，嘗試采用有限區域風場分解方法，對該次過程的風暴演變特征和環境風場進行分析，以期尋找可能有助于臨近預警的信息，為海南颮線過程的預報預警提供有益的參考。

1 資料和方法

1.1 資料

本文所使用的資料包括：海南省逐小時區域加密自動站資料、海口S波段多普勒雷達反射率因子和徑向速度產品、Himawari-8靜止衛星紅外通道亮溫和ERA5再分析資料。ERA5再分析資料空間分辨率為0.25°×0.25°，時間分辨率為1小時，包含等壓面資料和地面資料。

1.2 方法

近年來，隨著氣象衛星、多普勒雷達、自動觀測站等多種觀測手段全方位精確監測以及高分辨率數值模擬技術的發展，強對流天氣的業務預報準確率有了一定提高。以往常用的分析手段主要有：常規天氣分析、非常規觀測分析和高分辨率數值模擬。其中常規分析歷史悠久，天氣圖在解釋實際強對流天氣生消的物理機制方面有優勢，然而由于時空分辨率不夠高，對次天氣尺度、中尺度天氣過程的診斷分析效果不佳。雷達、衛星等非常規觀測資料，彌補了常規天氣分析時空分辨率不足的缺點，但資料本身的可靠性及其巨大的數據存儲量是其應用到業務氣象臺站的隱患。高分辨率數值模擬可以提供強對流天氣內部三維結構信息，具有非常高的時空分辨率，但模擬結果與實際天氣事件的一致性和差異真偽待考證，而且模擬需要大計算量和存儲量，不利于業務氣象臺站日常使用。本文擬采用有限區域風場分解方法，作為常規天氣分析的一個補充工具，綜合使用再分析資料、非常規觀測資料和模擬資料，從資料本身出發提取強對流天氣內部結構信息的方法，細致分析出強對流天氣的動熱力結構，旨在加深對強對流天氣生消機理的了解，提高災害天氣監測和預警水平，有益于科學研究和業務應用。

有限區域風場分解的基本原理是全球都適用的亥姆霍茲定律，即：水平風場v的旋轉和輻散分量是由如下的流函數(ψ)和速度勢(χ)決定：

v= ?χ+k×?ψ.

(1)

流函數在大氣環流演變、全球大洋環流模擬分析等方面有重要應用，在分析理想流型結構、熱帶天氣系統分析以及中小尺度系統穩定性中也有一些理論研究；速度勢對應的輻散風代表大氣中的地轉偏差運動，在量值上雖然小很多，但它卻是引起大氣垂直運動、產生水汽相變和潛熱釋放的根本原因，對熱帶天氣系統分析和中小尺度動力學尤為重要。不同于以往直接求解帶邊界條件泊松方程的直接解法，Xu等[29]通過最小化區域積分的原始和重建的水平風場動能之差，建立求解任意形狀有限區域內流函數速度勢的方程和邊界條件耦合方法，其優勢在于既能精確高效地求解有限區域流函數和速度勢，又不受規則區域的限制，對本文研究海南島這樣的不規則地形有限區域問題非常適合。極小值問題的代價函數是：

(2)

(3)

?2ψ=ζ，?2χ=α，對D內任一點；

(4)

?nχ-?sψ=vn，?sχ+ ?nψ=vs，對S上任一點。

(5)

其中，vn和vs分別是邊界上的法向和切向速度。對于任意形狀有限區域問題，方程(4)和(5)的解可以寫成以下兩部分：

ψ=ψi+ψe，χ=χi+χe.

(6)

其中，下標i和e分別代表有限區域內部和外部渦度和散度激發的分量解。它們的數學表達式分別為：

(7a)

(7b)

把(7)得到的流函數和速度勢分量場帶回方程(6)，即得到適合任意形狀邊界的有限區域流函數和速度勢，代回方程(1)便得到風場的旋轉和輻散分量。下文將結合常規天氣分析手段，診斷分解得到的旋轉風和輻散風分量在海南颮線過程中的應用。

2 天氣實況和天氣形勢

2.1 天氣實況

該次颮線過程以直線型災害性大風為主，伴隨局地短時強降水，具有大風風力強、范圍廣、突發性強的特點。颮線于22日下午先后影響海南島西北部近海、瓊州海峽和海南島北部沿海和內陸，自動站監測顯示15:00～19:00時(北京時，下同)海南島東北部地區普遍出現8～10級以上雷暴大風(圖1)，瓊州海峽和海南島北部沿海陣風達11級，風向以西北風為主，其中最大陣風16:50出現在新海港，為29.2 m·s-1(11級)。五指山以北多個測站出現短時強降水，其中南坤鎮黃嶺農場17～18時的小時雨量達45.3 mm。

圖1 2020年4月22日16-19時區域加密自動站極大風(≥17.2 m·s-1)分布(風向桿，單位：m·s-1)Fig.1 Surface observation of the maximum wind velocity ≥17.2 m·s-1 (wind barb, unit: m·s-1) during 16:00-19:00 BT 22 April 2020

2.2 天氣形勢和環境條件

這是一次準正壓類-副高邊緣[37-38]強對流過程。前期受副高穩定控制，海南島北部地區連續3天午后最高氣溫達到35℃以上。基于ERA5再分析資料的22日12時環流分析(圖2)表明，海南島發生對流前500 hPa帶狀副高北界較前日有所南落，但仍穩定控制海南島。伴隨中緯度弱冷空氣南下，低層925 hPa以下有淺薄冷空氣入侵，廣西至越南北部沿海一帶形成鋒生強迫。北部灣、雷州半島以南 925 hPa比濕達到14 g·kg-1以上；廣西中部以南CAPE值在1000～2500 J·kg-1左右；北部灣附近700-1000 hPa風切變矢量差在12 m·s-1以上， 500-1000 hPa風切變矢量差(圖略)也達到20～26 m·s-1。這表明廣西南部到北部灣一帶的動熱力條件均較為有利，大尺度模式對這一帶的對流也有較好的預報能力。而海南島位于切變線南側的暖區中，從22日12時海口附近的探空分析可見，對流區上空熱力不穩定特征較有利：對流有效位能(CAPE)形態呈細長狀且值達到1500 J·kg-1左右；對流抑制(CIN)值很小，抬升凝結高度在900 hPa附近，且900 hPa以下接近干絕熱層結，有利于對流啟動。此外，海南島北部地面露點為22～25℃左右(圖略)，水汽條件也有利于東移風暴發展維持。雖然具備了較好的熱力條件，但大尺度動力強迫特征并不明顯：中低空為弱環境風場，700 hPa以下西南風風速在8 m·s-1以下，500 hPa也僅為12 m·s-1；1000～500 hPa 風切變約為12 m·s-1左右，1000～700 hPa垂直風切變值也接近海南島2016年6月5日強對流過程的弱強迫環境[35]。由于海南島地處熱帶，在暖季尤其午后往往具備高溫、高濕的環境，熱力條件經常有利于局地對流發展。而對于該類具備高度組織化程度和一定維持時間的弓狀颮線，通過常規分析得到的對流前環境動力條件并不明朗，一旦對流觸發，預報員也容易在臨近時效低估其發展強度和生命史。

圖2 2020年4月22日12時颮線發展前的環境條件Fig.2 Environmental conditions at 12:00 BT 22 April 2020 before the quall line formation

3 颮線的形成和演變

颮線是多單體線風暴的一種，單體間的相互作用與颮線的形成和發展密切相關。從形成方式來看，該次颮線屬于斷線型[39]，該類颮線由離散的對流單體發展而來，各單體生成時間相近且排列成線狀，隨著各單體發展，期間不斷有新的單體生成，最后發展成為連續的線狀對流風暴。

由于低層弱冷空氣侵入，22日早上在中南半島北部至廣西西部的鋒生區附近已有對流云團發展(圖略)，并沿副高外圍西南氣流向東北方向移動。午后，東移對流云團開始迅速向南擴展，在廣西南部沿海和雷州半島各形成一條颮線。由海口雷達0.5°仰角基本反射率因子(圖3)可見，至15:46(圖3(a))，廣西南部沿海颮線東移減弱，位于其東側、雷州半島西側的海面上有多個對流單體發展。雷州半島颮線南端的風暴單體有陣風鋒A出流，海南島臨高北部沿海和南部陸地分別有小尺度對流單體B和單體C生成；此外，海南島西北部的輻合線D南側也有對流單體E形成。研究表明[40]，在識別出窄帶回波或清晰的徑向輻合線約1 h后，是雷暴首次觸發的主要時間段。16:03(圖3(b))，雷州半島颮線南端出流的陣風鋒A與臨高北部沿海的單體B相遇，單體B迅速發展加強；在單體B的北側，颮線南端又有陣風鋒F向南移動；臨高南部的單體C和輻合線D南側的單體E也不斷發展，并向輻合線D靠近。至16:20(圖3(c))，北部灣颮線東移過程中繼續減弱，而兩條颮線間的多個對流單體最強反射率因子維持50 dBz以上。臨高北部沿海已形成的多單體風暴迅速發展呈塊狀，同時臨高南側多個單體已沿輻合線D組織發展形成多單體線風暴。剖面分析顯示(圖略)，兩條颮線間多個對流單體的下沉氣流合并形成強冷池，在2 km高度以下出現-25 m·s-1以上的徑向速度大值區。至16:43(圖3(d))，雷州半島颮線、塊狀多單體對流和海南島輻合線上的線狀多單體風暴迅速合并發展，形成東北-西南向的弓形颮線，其前側線狀對流結構密實，帶狀回波反射率因子在50 dBz以上，其上鑲嵌多個對流單體。至 17:18時，弓形颮線50 dBz以上的帶狀強回波寬度增大且結構密實(圖3(e))，其西側減弱的多個塊狀對流回波的出流冷池與颮線后側入流合并，形成橫跨瓊州海峽的后方入流通道。過330°作徑向速度剖面可見(圖3(f))，在雷州半島至定安附近水平距離100 km范圍內，在弓形颮線后側形成大范圍強后側入流區，2 km高度以下的近地面層最大徑向速度絕對值達30 m·s-1以上。

圖3 海口雷達0.5°仰角反射率因子(單位：dBz)和徑向速度(單位：m·s-1)垂直剖面圖Fig.3 Radar reflectivity (unit: dBz) at 0.5° elevation and cross-section of radical velocity (unit: m·s-1) from Haikou Doppler radar

以上分析可見，該次颮線過程發生在弱強迫背景下，具有快速發展的特征。多個局地小尺度對流與陣風鋒、地面β-中尺度輻合線相互作用，在1 h內迅速發展成為高度組織化的弓狀颮線，偏離引導氣流向東南傳播且移速接近15 m·s-1。業務數值模式對該過程出現明顯漏報，而常規潛勢分析也難以對對流強度和風暴類型做出準確預判。那么在常規分析之外，有限區域風場分解方法能否提取對流發展的前期強迫信號，為業務預警提供有益的參考？

4 風場結構分析

4.1 高層風場演變特征

基于ERA5逐時再分析資料，采用風場分解方法對200 hPa風場進行分解，結果如圖4所示。在海南島輻合線上對流觸發前的15:00，廣西南部沿海和雷州半島均有深對流云團形成，此時原始風場200 hPa上為較一致的西南氣流(圖4(a))，從流場形態上難以看出高空輻散強迫特征。而輻散風場上，自23°N的兩廣交界處至海南島一帶為氣流輻散帶(圖4(b))，其上有兩個強分流區與散度大值中心對應，分別位于23°N附近以及海南島西北部；而在輻散區西側，廣西南部沿海至雷州半島一帶為高空輻合區。雷達監測顯示(圖略)，此時位于輻散區下方的雷州半島已形成颮線，海南島西北部海面上有東移對流云團并伴隨陣風鋒出流，且海南島西北部有β-中尺度地面輻合線形成。東移對流云團下游的地面輻合和高空輻散強迫均有利于海南島深對流的爆發。可見，200 hPa高空輻散強迫是海南島對流回波生成和發展的前期信號，而200 hPa原始風場為相對均勻的西南氣流，難以直觀提取高空輻散信息，而基于風場分解得到的輻散風場則清楚地體現了高空輻散區的位置。至16:00(圖4(c))，位于高空輻合區的廣西南部沿海對流云團在東移過程中逐漸減弱，而位于輻散區的雷州半島颮線云團則快速發展，海南島西北部地面輻合線上開始有小尺度對流云團觸發，對比圖3(b)的雷達回波監測表明，此時瓊州海峽、海南島西北部輻合線上的對流單體正不斷合并發展東移。該時次的輻散風分布圖4(d)所示，與上一時次相比，廣西南部至雷州半島西部沿海的高空輻合區范圍縮小，但中心強度基本維持；兩廣交界處至海南島上空仍維持輻散氣流，海南島西北部的強輻散中心北移至雷州半島附近，位于對流云團下游的海南島東半部地區高空輻散增強。17:00，海南島上的多個小尺度對流云團快速發展東移(圖4(e))，與雷州半島颮線相連側向排列形成線狀，紅外云頂最低亮溫達到-80 ℃以下且結構密實，且發展達到強盛階段，形成典型的颮線云團。輻散風場上(圖4(f))，高空輻散中心北收至廣東北部一帶，其南側的海南島附近無明顯分流，高空輻散開始減弱，但仍維持弱輻散氣流。至18:00，強輻散中心繼續北收(圖4(h))，海南島上空輻散進一步減弱，颮線云團亮溫降低(圖4(g))，隨后颮線快速減弱，海南島雷暴大風過程結束。

圖4 200 hPa原始風場(流線)和Himawari-8紅外云圖(左列)；200 hPa輻散風場(流線)和散度(色斑，單位：10-6 s-1)(右列)Fig.4 Original wind field at 200 hPa (stream line) and infrared satellite imagery of Himawari-8(left); divergent component wind field (stream line) and divergence (unit: 10-6 s-1) at 200 hPa

由以上分析可見，在颮線東移發展、影響海南島期間，高空200 hPa原始風場維持相對均勻的西南氣流，難以直觀判斷輻散特征。而風場分解得到的輻散風則清楚地體現了高空輻散強迫的演變：海南島對流發展前，輻散風場在對流區上空有較強的前期輻散信號，已發生的對流傾向于向高空輻散區移動或快速發展；在對流發展的成熟階段，高空輻散開始減弱，隨后對流減弱，風暴成熟期高空輻散的減弱是對流消散的前期信號。風場分解得到的輻散風反映出的輻散中心比原始風場更能體現高空強迫信息，可為對流潛勢診斷提供更為直觀的診斷依據。

4.2 近地面風場特征

前人研究指出[34,36]，陣風鋒、海風鋒等邊界層中尺度輻合線，可能是海南島弱強迫背景下形成超級單體風暴甚至龍卷的重要因子。對華南颮線大風典型個例的研究也表明[5]，地面輻合線、雷暴高壓和冷池的出現在颮線的形成中起到重要作用。而冷池的水平尺度、厚度和強度直接影響地面大風強度[16]。近地面冷池是颮線重要的邊界層特征[6]。該次過程中背景風較弱，颮線在形成后以15 m·s-1的較快速度移動且形成大范圍雷暴大風，這與冷池的驅動作用密不可分。雷達產品剖面顯示在海南島颮線形成之前的16:00左右，在其西側海面由于多個單體的下沉氣流合并，已在2 km高度以下形成持續的強下沉輻散區。由于海面觀測資料稀少，故本文選擇颮線東移影響海南島的主要時段(17:00～19:00)，采用地面加密觀測資料分析冷池的推進特征。

隨著颮線東移發展，海南島西北部陸地在17:00觀測到最低氣溫為21～22℃(圖5(a))，而颮線前側地面最低氣溫則為30℃左右，冷池與颮線前暖空氣之間形成強地面溫度梯度。從降溫幅度來看(圖5(c))，最強降溫區位于澄邁經臨高南部至儋州西部一帶，1h最大降溫幅度達-11℃，1h最大正變壓為 2 hPa。在此期間，海口雷達觀測到颮線后側地面出流持續增強，對應地面觀測記錄，強冷池所經的海口、澄邁北部沿海分別于16:50和16:53測得29.2 m·s-1和29.1 m·s-1(11級)的極大風。基于ERA5逐時地面10m風場資料的分解結果表明，輻散風場上的中β尺度輻合線，其位置正對應著冷池前沿的溫度梯度大值區，體現了颮線后側的西北風和前側的西南風的輻合特征。伴隨颮線和冷池向東南方向快速推進，輻散風場上的輻合線也隨之推進。至18:00(圖5(b)、(d))，輻散風場上的輻合線比原始風場更清晰，位置已經越過海南省東北部的海南角，可見輻散風分量移速快于原始風場。結合自動測站資料，可證實輻散風場比原始風場更接近實際颮線過境位置和速度。此時，輻合線已東移至文昌-瓊中-東方一線，海南島西北半部地區為大范圍強冷池所占據，最低氣溫為21℃左右。最強1h降溫區向東推進至文昌北部沿海經海口、定安至屯昌一帶，1h最大降溫幅度仍達-10℃，1h最大正變壓增至 6 hPa，冷池所經之處多站測得10級大風。從疊加的降水分布可見(圖5(a)、(b))，未來1h降水位于輻合線附近偏暖濕入流一側。

圖5 地面輻散風(流線)和加密自動站觀測Fig.5 Divergent component wind field at the surface (streamline) and surface observation

風暴的移動是平流和傳播的合成[1,41]。該次過程環境引導氣流較弱(圖2(d))，颮線后側大范圍強冷池持續向東南方向推進，不斷造成地面強降溫和正變壓，促使颮線前側西南暖濕入流與颮線后方出流不斷輻合，這說明冷池驅動所形成的傳播作用在風暴的移動中占據主導地位。颮線后側的強下沉輻散、變壓風、冷池密度流，以及上游海面相對平坦的下墊面，均有利于海南島北部地面強風的出現。基于再分析資料進行風場分解得出的輻散風分量，不僅較好地提取了弓形回波凸起處的地面強輻合特征，也體現了颮線冷池向東南方向快速推進的特征。

5 結論與討論

(1)該次颮線過程發生在副高控制的較弱環境風切變的背景下，其形成過程屬于斷線型，多個小尺度對流與陣風鋒、地面β-中尺度輻合線合并發展，在1h內迅速發展成為高度組織化的弓形颮線。對流前的環境條件分析表明，該次過程具備了較好的熱力條件，但大尺度動力強迫特征并不明顯。業務數值模式對該過程出現明顯漏報，通過常規潛勢分析對于對流強度和風暴類型的預判也存在困難。

(2)分解后的高空輻散風場清楚地展現了海南島對流前的高層輻散強迫特征，而在風暴成熟期的高層輻散減弱則早于對流消散。相較原始風場，輻散風場更清楚地提示了對流發展和消散的前期高空強迫信息，可為對流潛勢診斷提供更為直觀的依據。

(3)在環境引導氣流較弱的背景下，颮線后側強冷池的驅動作用在風暴的移動中占據主導地位。相較原始風場，輻散風場上的地面輻合線更清晰，且體現了弓形回波凸起處的地面強輻合特征，也體現了颮線冷池向東南方向快速推進的特征，未來1-h降水位于輻合線附近偏暖濕入流一側。

(4)我們正在對此個例進行高分辨率數值模擬，未來將使用更高時空分辨率的模擬結果，對本文結論做進一步的補充。