地形對華南颮線升尺度影響機制的數值模擬研究

沈新勇 王林 喬娜 尹宜舟 李煥連

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 南方海洋科學與工程廣東省實驗室(珠海), 珠海 519082

3 天津市靜海區氣象局, 天津 301600

4 江蘇省鎮江市氣象局, 鎮江 212000

5 國家氣候中心, 北京 100081

6 中國氣象局氣象干部培訓學院, 北京 100081

1 引言

華南地區地處中國的最南部，地形包括平原、丘陵和山地。山地面積覆蓋廣闊，大約占33%左右，其中主要的山地有武夷山和南嶺。高大的地形對天氣系統的發展也有重要的影響，它可以抬升暖濕空氣，引起條件不穩定和對流不穩定的發展，同時也可以阻擋系統的移動。

有關地形對天氣和氣候的研究比較多，主要集中在動力和熱力方面。徐國昌和張志銀（1983）在研究西北干旱時，發現青藏高原的動力作用對西北干旱具有重要作用。1970年代初Benjamin（1970）和McIntyre（1972）用弱的非線性方法研究了連續層結大氣過山的特征，發現了山脈下游的山脈波和上游的回涌現象。孟英杰等（2010）對湖北2008年十次暴雨過程中地形抬升作用進行統計，發現地形抬升增強和水汽凝結和不穩定能量的釋放。王華等（2019）的研究中也提到太行山的地形抬升作用對強對流單體的發展具有重要作用。Doswell III（1987）指出雷暴一般由低層中尺度系統觸發，觸發的原因和中尺度地形有一定的關系。楊舒楠等（2016）四川盆地地形對強降水有重要作用，其中一個原因就是使得氣流在山前輻合抬升。王瑩等（2018）通過研究海南島地形對降水強度的影響，發現地形越高大，驅動海風發展的海陸感熱通量差異越大，海風環流發展越旺盛，降水強度也越強。段旭等（2018）研究發現云貴高原的大地形阻擋了冷空氣移動，從而導致了準靜止鋒的形成。

颮線是能產生強烈天氣的中小尺度天氣系統，它具有歷時時間短、天氣變化劇烈和破壞性強的特點，常常帶來災害大風、局地暴雨及冰雹等強對流天氣（壽紹文等，2003）。Rotunno et al.（1988）認為當冷池與垂直風切變相互平衡時，有利于颮線的維持與發展。李鴻洲等（1999）的實驗結果表明：在西北流型條件下，高層有較強的冷空氣侵入，低層受地形強迫引起的強烈鋒生，是華北颮線形成和發展的主要動力過程。張樂楠等（2019）研究了東北冷渦背景下的颮線，指出冷渦后部的強風對颮線環流結構改變有重要影響。王瑾婷等（2017）對颮線經過大別山前后的強度做了研究并進行了敏感性試驗，發現地形產生的背風波有利于颮線內部對流單體的發展與加強。孫建華等（2014）通過颮線的水汽敏感性試驗，發現環境場中不同的水汽含量和垂直分布，會影響下沉氣流和冷池強度，從而影響對流的組織形態、維持時間和強度。陶局等（2019）通過填海的敏感性試驗研究了渤海水面對颮線形成過程的影響，發現渤海對颮線的移動速度和颮線的強度的發展具有一定的作用。張騰飛等（2018）通過研究兩次云南南支槽影響下的云南颮線雹暴中尺度和環境場特征，發現了影響兩次過程的環境場的差異。

以往討論高大地形對天氣和氣候的影響研究比較多，但是研究高大地形對颮線的組織和發展的相關內容數量不多，尤其是華南地區南嶺、武夷山對颮線的發展的影響及作用機制研究更顯不足，本文旨在研究南嶺（24°N～26.5°N，111.5°E～115°E）對颮線升尺度及發展變化的作用，為特殊地形下颮線的發展提供一定的參考。

2 個例簡介和模擬方案設置

2.1 個例簡介

本文選取是2016年4月13日的一次颮線過程（圖1）。這次強對流天氣是受切變線和高空槽影響，一條颮線于清晨自西向東影響廣州市，導致廣州出現了強雷雨和7～10級陣風，局部地區瞬時風力達11～13級，同時伴有短時強降水。黃埔區長洲街最大陣風39.9 m s?1（13級），部分路段出現樹木倒伏，甚至折斷。該次颮線在廣東省內歷時9～10個小時，造成嚴重的人員傷亡和財產損失。

圖1 2016年4月12日（a）16:00（協調世界時，下同）、（b）19:00、（c）20:00、（d）23:00、13日（e）00:00和（f）01:00實況雷達組合反射率因子（單位：dBZ）分布Fig. 1 Observed radar composite reflectivity (units: dBZ) from April 12 to 13, 2016: (a) 1600 UTC 12; (b) 1900 UTC 12; (c) 2000 UTC 12; (d) 2300 UTC 12; (e) 0000 UTC 13; (f) 0100 UTC 13

2.2 模擬方案設置

利用WRF4.0模式研究地形在華南颮線升尺度過程中的作用，模式做了四層雙向嵌套（圖2），以（30.36°N，114.19°E）為中心，積分時間從2016年4月12日00:00（協調世界時，下同）到13日06:00，積分步長90 s，水平分辨率分別為40.5 km（d01層）、13.5 km（d02層）、4.5 km（d03層）和1.5 km（d04層）；垂直方向上分為35層，模式頂的氣壓為50 hPa，研究區域為最內層區域，基本涵蓋此次強對流在南嶺前后的發展過程，設置的格點數為694×574，每30分鐘輸出一次。

圖2 WRF模式四重嵌套的模擬區域Fig. 2 Nesting area of WRF model

在d01和d02層中，保留了次網格尺度的淺對流Kain-Fritsch（new Eta）積云對流參數化方案（馬嚴枝等，2012），而在d03和d04層中由于分辨率比較高則關掉了Kain-Fritsch （new Eta）積云對流參數化方案；輻射方案采用的Dudhia 短波輻射方案、RRTM長波輻射方案，微物理方案采用WSM 5類冰雹方案，近地面方案采用Monin-Obukhov方案，陸面過程為Noah陸面過程方案，邊界層方案為YSU方案（王林等，2021）。

為了更好地研究南嶺地形對本次颮線升尺度過程的影響，針對南嶺的地形（圖3），設計了對照試驗（Reference Experiment，也可以理解為“參考試驗”或者“基準試驗”）和敏感性試驗。對照試驗命名為RE，采用了實際的地形高度。另外，定義南嶺山峰的高度為山峰的海拔高度減去周圍平原的海拔高度，設計三組敏感性試驗：（1）ZE試驗：將南嶺山峰抹去，南嶺山峰的高度變為零，意思就是把山峰的海拔高度，降至200 m，和周圍平原的海拔高度基本相當；（2）ZFE試驗：在此，先將南嶺山峰的高度減少為實際山峰高度的0.5倍；（3）OFE試驗：將南嶺山峰高度增加為原來實際山峰高度的1.5倍。

圖3 理想試驗地形高度（單位：m）及敏感性試驗區域（虛線框代表南嶺區域，下同）：（a）ZE試驗；（b）ZFE試驗；（c）RE試驗；（d）OFE試驗Fig. 3 Ideal terrain (units: m) and area of sensitivity tests (dashed frame: Nanling Mountains, the same below): (a) ZE test; (b) ZFE test; (c) RE test;(d) OFE test

3 模擬結果的檢驗

圖4給出了氣象信息中心的自動站與CMORPH融合的逐小時降水量的網格資料的24小時降水與對照試驗做對比。可以看出，對照試驗較好地模擬出了降水位置、走向和中心。降水的中心主要有兩個，一個位于廣東和廣西省中部以及福建南部，另一個位于江西中部以及江西與福建北部交界處，模擬的降水場大值區較實況稍微偏大。總的來看，模擬的降水場較好的反映了實況。

圖4 2016年4月12日06:00至13日06:00（a）實況和（b）對照試驗的24 h降水量（陰影，單位：mm）分布Fig. 4 Distributions of (a) observed and (b) simulated precipitation (shaded, units: mm) from 0600 UTC 12 to 0600 UTC 13 April 2016

圖5是模擬的雷達組合反射率圖，通過對比觀測和模擬，16:00（圖5a）可以看出在廣西中北部和廣東北部都有強對流出現，但是廣西境內的對流范圍比較大，而廣東北部的對流范圍小，呈現零散的分布，強度上和實況觀測的也相當。緊接著，廣西境內的對流開始向東南移動，翻越南嶺，移動過程中層狀云范圍減少，對流云呈線狀，具有了β尺度的颮線結構。而廣東北部南嶺上的對流在下山的過程中迅速發展，強對流的面積增大，由散亂的γ尺度對流單體演變成了具有單體、線狀對流和塊狀并存的復合對流系統（圖5b）。隨后，廣東北部的復合的對流系統也形成了一個β尺度的颮線，并且和從廣西移來的颮線合并，形成了α中尺度的颮線（圖5c）。之后α中尺度的颮線繼續南移并加強，具有更明顯的強的對流線，并且出現了弓狀回波（圖5d–f）。由以上分析可以看出，本次模擬的颮線的位置、強度和范圍和實況（圖1）較為接近，可以做進一步的分析。

圖5 同圖1，但為模式模擬雷達組合反射率因子Fig. 5 Same as Fig. 1, but for simulated combined radar reflectivity

4 模擬結果分析

4.1 地形對颮線形態的影響

通過對雷達回波演變分析得到，在經過南嶺之前（圖略），4組試驗均有較多的對流單體生成，對流云團的分布主要有兩塊區域，一部分位于廣西中部，面積比較大，還有一小部分位于廣東和廣西交界處，比較分散 。經過南嶺前，幾組試驗中，ZFE試驗和RE試驗中，兩廣交界處的對流比較多（圖略）。17:00（圖6a–a3），原兩廣交界處的對流已經上山，對流單體的數量各不相同，RE試驗和ZFE試驗對流單體數較多，且范圍比上山前更大，而ZE試驗和OFE試驗對流有所減弱。此外，原廣西中部的南北向的對流線在南嶺北側斷裂并減弱。過山后（圖6b–b3），4組試驗的對流都得到進一步的發展，形成水平尺度比較大的線狀對流，強對流線非常明顯。但是，從颮線的寬度、內部對流單體數量和組織結構上，ZFE試驗和RE試驗均優于另外兩組。通過以上的分析，強對流在過山前有減弱趨勢，而在過山后有明顯加強，40 dBZ以上的回波面積擴大，并且更有組織，有明顯的α中尺度颮線結構。同時，地形的敏感性試驗也可以看出，在改變地形高度的情況下，增加和減少地形高度對颮線的發展也是有較大影響的，尤其是地形過高時對颮線前期的對流的范圍和強度削弱作用更明顯。

圖6 （a, b）ZE試驗、（a1, b1）ZFE試驗、（a2, b2）RE試驗和（a3, b3）OFE試驗模擬的2016年4月12日17:00（第一行）和21:00（第二行）的雷達回波（陰影，單位：dBZ）Fig. 6 Simulated radar reflectivity (shaded, units: dBZ) respectively by (a, b) ZE test, (a1, b1) ZFE test, (a2, b2) RE test, and (a3, b3) OFE test at 1700 UTC (top line) and 2100 UTC (bottom line) 12 April 2016

4.2 地形對風場和散度場的影響

圖7是2016年4月12日18:00的對照試驗和敏感性試驗模擬的850 hPa風場和散度場分布，圖8是敏感性試驗散度場減去對照試驗散度場得到的三組散度場差值，比較清楚展示了南嶺地形改變后低層氣流運動的改變。可以看出，對照試驗（圖7c），颮線發展期間，廣東和廣西地區主要受西南氣流的影響，廣西中北部和廣東北部存在輻合區（圖7g），尤其在廣西中部地區輻合最強，從風場上也可以看到存在風速和風向的輻合。同時廣東和廣西南部的氣流也達到急流的量級，江西的中南部也存在一支低空急流，并且左側有氣旋式環流，分別對水汽的輸送和低層暖濕空氣的抬升非常有利。在ZFE試驗中（圖7b），地形高度降低后，山脈的阻擋作用減弱，江西中部急流強度有所減弱，但是廣東和廣西南部的急流范圍擴大，急流有所北進。從散度場上看，廣西北部輻合減弱（圖7f）。從散度場差值上看（圖8b），主體的輻合區域（即黑框區域）有明顯的增強，出現帶狀連續的輻合加強區。在ZE試驗中（圖7a），消除地形后，急流又進一步北抬，暖濕空氣沒有了山脈的阻擋，得以繼續向內陸延伸。從散度上看，輻合區在廣西北部重新增強（圖7e）。從散度場差值看（圖8a），帶狀連續的輻合加強區斷裂，分成了三部分，強度也有不同程度減弱。OFE試驗中（圖7d），南嶺地形抬高后，廣東和廣西南部急流減弱南移，江西中南部急流強度和范圍與ZE試驗和ZFE試驗差別不明顯。從散度上（圖7h），可以看出地形高度過高，廣西中北部和廣東北部輻合區面積比對照試驗減少且強度也減弱。從散度場的差值上看（圖8c），主體輻合區出現更明顯的減弱，輻合的加強區進一步縮小，輻散區面積擴大。

圖7 2016年4月12日18:00（a, e）ZE試驗、（b, f）ZFE試驗、（c, g）RE試驗和（d, h）OFE試驗模擬的850 hPa風場（第一行，單位：m s?1）和散度場（第二行，單位：10?5 s?1）。（a–d）中陰影區為風速大于12 m s?1的急流區Fig. 7 Simulated 850 hPa wind field (top line, units: m s?1) and divergence field (bottom line, units: 10?5 s?1) by (a, e) ZE test, (b, f) ZFE test, (c, g)RE test, and (d, h) OFE test at 1800 UTC 12 April 2016. Shadows in (a–d) for the jet with wind speed more than 12 m s?1

圖8 2016年4月12日18:00模擬的敏感性試驗與對照試驗在850 hPa高度上散度場的差值（陰影，單位：10?5 s?1）：（a）ZE減去RE試驗結果；（b）ZFE減去RE試驗結果；（c）OFE減去RE試驗結果。黑色橢圓形框代表颮線的位置Fig. 8 Difference in the divergence between simulated 850 hPa sensitivity tests and the control test（shaded, units: 10?5 s?1) at 1800 UTC on April 12, 2016: (a) ZE minus RE; (b) ZFE minus RE; (c) OFE minus RE；The black oval represent the position of the squall lines

4.3 地形對水汽場的影響

在強對流發生發展的過程中，水汽條件是強對流發展不可或缺的條件，沒有足夠的水汽無法形成對流云團（孫密娜等, 2020）。除此之外，水汽條件也可以增加位勢不穩定性，當有天氣尺度系統或者中尺度系統觸發上升運動后，水汽的凝結潛熱的釋放也是有利于促進對流的進一步發展（翟少婧,2021）。從水汽通量上看（圖9），水汽通量的大值區基本分布在廣東、廣西、江西中南部和福建北部，與低空急流的位置是一致的（圖7）。從四組試驗中，可以看到地形的改變影響到了江西中部和廣東北部水汽通量強度和分布。從四組試驗的水汽通量可以發現，由無地形到地形增加為原來的1.5倍，在（24°～26°N，112°～114°E）區域內，水汽通量依次減弱，24°N以南區域水汽通量大小分布基本一樣。此外，江西中南部存在水汽通量較大的區域，與江西中南部低空急流的位置對應，幾組試驗中，RE試驗在江西中部水汽通量大值區面積較大。從水汽通量散度上看，在廣東南部沿海地區存在水汽輻合區，另外在廣東北部和廣西北部地區也存在水汽的輻合區，而且輻合強度比沿海要強，最大中心可以達到8×10?6g hPa?1cm?2s?1（圖10）。從無地形到有地形的過程中，在廣東和廣西南部的水汽的位置和面積基本變化不大，但是在兩廣北部及其邊界附近水汽通量的輻合區面積和強度存在差別。四組試驗還可以看到，在廣西北部存在一個水汽通量散度負的大值區，這里正是颮線初始對流的一個起點，同時在廣東北部也有比較大的水汽通量輻合區，呈帶狀分布（圖10a–c）。由ZE試驗到RE試驗（圖10a–c），廣西北部的水汽通量輻合正的大值區有一定減弱。另外，從圖10c到圖10d，廣東北部的水汽通量輻合中心也在減弱。由此可見，南嶺在水汽通量及其散度的分布和強度上具有重要影響，如果沒有南嶺的存在，對流云團的強度和分布會發生變化。

圖9 2016年4月12日17:00（a）ZE試驗、（b）ZFE試驗、（c）RE試驗和（d）OFE試驗模擬的850 hPa水汽通量（箭頭和陰影，單位：g hPa?1 cm?1 s?1）Fig. 9 Simulated 850 hPa water vapor flux (arrows and shaded, units: g hPa?1 cm?1 s?1) at 1700 UTC 12 April 2016: (a) ZE test; (b) ZFE test; (c) RE test; (d) OFE test

圖10 同圖9，但為水汽通量散度（陰影，單位：10?6 g hPa?1 cm?2 s?1）Fig. 10 Same as Fig. 9, but for water vapor flux divergence (shaded, units: 10?6 g hPa?1 cm?2 s?1)

4.4 地形對垂直運動和不穩定性的影響

為了研究南嶺地形對此次華南颮線的升尺度發展的影響，繪制了沿（26°N，110°E）到（23°N，115°E）方向上（圖3c中直線AB）的假相當位溫和垂直運動的垂直剖面圖。從RE試驗（圖11c）可以看出，在112°E以東對流層低層存在多個對流比較活躍的區域，并且存在較多的假相當位溫閉合區，低層的假相當位溫也明顯偏高，說明廣東省的水汽和熱量條件充足，適宜強對流的發展。而112°E以西的區域低層對流活動不活躍，但是111.1°～111.7°E之間6～10 km存在大范圍的活躍上升運動，一方面可能是地形抬升導致的上升運動，另一方面是由于存在弱的不穩定性。從ZE試驗和ZFE試驗可以看出，地形進行降低和抹平之后，111.1°～111.7°E之間6～10 km的對流活躍區變窄，強度也出現了減弱，ZE試驗相對來說對流減弱的更明顯。與RE試驗相比，ZE試驗和ZFE試驗假相當位溫的閉合區域分布基本變化不大，低層的假相當位溫梯度基本相同，112°E以東的低層假相當位溫梯度都比較大，而112°E以西假相當位溫梯度小。當地形按比例增加后（圖11d），明顯發現原本在對照試驗中111.1°～111.7°E之間6～10 km的活躍的對流區擴大，在112.2°E處的深厚的對流減弱，114.4°E低層垂直運動也減弱，可能是由于地形抬升以后，高層氣流在前部發生劇烈的抬升（鐘敏等, 2020; 張宏芳等, 2020），而低層的氣流主要以繞流為主。從圖11d還可以看到，地形抬升以后110.6°E這個位置中層的閉合假相當位溫中心消失，113.3°E附近對應的低層的假相當位溫梯度減小。

圖11 2016年4月12日18:00模式模擬的假相位溫線（θse，等值線，間隔：4 K）和垂直運動速度（陰影，單位：m s?1）過圖3c中直線AB的垂直剖面（垂直速度擴大20倍）：（a）ZE試驗；（b）ZFE試驗；（c）RE試驗；（d）OFE試驗Fig. 11 Simulated pseudo-equivalent potential temperature θse (isoline, interval: 4 K) and vertical velocity (shadings, units: m s?1) along AB straight line at 1800 UTC April 12, 2016 (vertical wind speed enlarged 20 times): (a) ZE test; (b) ZFE test; (c) RE test; (d) OFE test

通過以上分析可以發現，地形的作用可以改變垂直運動的分布和強度，地形整體變高后中高層運動明顯加強，而對不穩定層結分布影響比較小。

4.5 地形對低層垂直風切變的影響

一般來說，強對流的發展離不開垂直風切變，較強的垂直風切變可以帶走高空的熱量，維持垂直方向的不穩定，同時也可以維持強對流前部的上升氣流和尾部的下沉運動（姚晨等, 2013; 鄭淋淋和孫建華, 2016; 吳紫煜等, 2016）。通常使用的比較多的有0～3 km的低層垂直風切變和0～6 km的中低層的垂直切變，一般0～3 km的垂直風切變對颮線的組織和發展作用最大（Fovell et al., 1998; Weisman et al., 2004）。圖12為19:00的0.5～3 km的垂直風切變和雷達組合反射率，此時颮線處于β中尺度的颮線。為了更好的研究地形對垂直風切變的影響，我們把未合并的兩部分對流分開研究。在ZE試驗中，d1中的最大垂直切變在28 m s?1，d2中的最大垂直風切變在20 m s?1（圖12a）。在ZFE試驗中，地形減去一半后，d1區域切變減弱為20 m s?1，d2區域最大垂直切變仍為20 m s?1，但是部分區域切變有減弱（圖12b）。RE試驗相比ZFE試驗，雖然最大切變值不變，但是局部垂直風切變進一步減弱（圖12c）。當地形高度抬升（圖12d），發現垂直風切變進一步減弱，兩個區域的最大值都只有16 m s?1，有的地方垂直風切變甚至消失。綜合四組試驗，d1區域對流云團受垂直風切變改變的影響不如d2區域明顯，可能d1區地面存在輻合中心（圖7e–h），即使切變有一定的減弱依然可以維持對流存在。以上可以看出南嶺地形的改變對華南地區垂直風切變有明顯的影響，南嶺地形過高對垂直風切變有一定的抑制作用，從而對強對流的系統的組織和發展不利。

圖12 2016年4月12日19:00 模擬的雷達組合反射率（陰影，單位：dBZ）和0.5～3 km垂直風切變（風羽，單位：m s?1）分布：（a）ZE試驗；（b）ZFE試驗；（c）RE試驗；（d）OFE 試驗。橢圓D1和橢圓D2表示β中尺度颮線的位置Fig. 12 Distributions of simulated combined radar reflectivity (shaded, units: dBZ) and 0.5–3 km vertical wind shear (barbs, units: m s?1) at 1900 UTC April 12, 2016: (a) ZE test; (b) ZFE test; (c) RE test; (d) OFE test. The oval d1 and the oval d2 represent the position of meso-β-scale squal lines

5 總結與討論

本文利用NCEP/NCAR再分析資料以及中尺度WRF數值模式對2016年4月13日華南地區的一次颮線升尺度過程進行模擬，并通過地形敏感度試驗分析了南嶺地形對華南颮線的發生發展的影響，發現地形改變后，華南地區的水平風場、垂直運動、水汽條件、假相當位溫和垂直風切變都有明顯的變化，地形通過直接影響相關的氣象要素，從而間接影響了颮線的形態和強度，并得到了以下的結論：

（1）總的來看，強對流在過山后比過山前發展要強烈，水平的尺度增長較大。但是，不同高度的地形敏感度試驗表明，地形過高和過低對于颮線對流的發展都是不利的，不利于對流風暴單體的產生。因此，適宜的地形高度（500～1000 m）對于風暴的發展更有利。

（2）從850 hPa風場，南嶺地形對華南地區的急流北進起到了阻擋作用，地形越高，對急流北進阻礙越大。但是江西中南部的急流卻增強，可能是由于地形的阻擋，氣流繞流增加，動量集中，因此在江西中南部的急流會隨著地形高度增加而增強。在散度場上，無地形試驗中廣西中北部輻合最強，1.5倍地形高度試驗在廣東北部的輻合最弱，可能高大地形使得氣流繞流明顯。

（3）從850 hPa的水汽通量和水汽通量散度上看，南嶺地形對局部地區的水汽輸送有重要影響，（24°～26°N，112°～114°E）區域內水汽通量隨地形高度增加是減弱的。無地形到真實高度，廣西北部的水汽通量輻合在減弱，而廣東北部水汽通量輻合由無地形到加高地形過程中一直減弱，各區域水汽通量和通量散度的變化較好的反映了對流的分布。

（4）地形變高以后，垂直運動是顯著加強的，而不穩定層結的分布變化不大。另外，垂直風切變對地形的改變比較敏感，地形過高會使垂直風切變減弱。

最后要說明的是，本文設置了實際山峰高度的對照試驗以及無山峰高度、半山峰高度和1.5倍山峰高度等三組敏感性試驗，得到了一些研究結果。為了更加細致地分析地形的作用，另外還做了0.25倍山峰高度、0.75倍山峰高度以及1.25倍山峰高度等三組敏感性試驗。從敏感性試驗結果來看，補充的三組敏感性試驗結果和原來的試驗結果一致。盡管山峰高度做了進一步的細化，但是氣象要素場的分布具有相似特征，得出的結論是一樣的，在此就不再贅述了。