滇東北一次颮線過程數值模擬及診斷分析

馬紅 胡勇 余加貴 馬勛豪

摘要 采用數值模擬方法對2007年6月14日滇東北一次颮線過程進行診斷分析。結果表明：對流層低層中尺度渦旋是颮線形成和維持的主要原因。冷空氣入侵導致對流層中層形成較強的南北風切變，南北氣流的匯合造成大氣上冷下暖的不穩定結構，為強對流天氣的發生發展提供了較好的動力和熱力條件。颮線前沿存在強烈的氣流輻散輻合，從而導致劇烈的局地上升和下沉運動，并形成局地垂直環流，是冰雹和大風產生的直接原因。颮線前沿氣旋性和反氣旋性渦度發展旺盛，且強烈發展的正負渦度區和氣流的垂直運動相配合。

關鍵詞 颮線；中尺度渦旋；垂直環流；數值模擬

中圖分類號：P458 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）09–0-03

颮線是一種典型的強對流天氣，屬于中小尺度對流系統，具有風向突變、風速劇增、氣壓涌升、氣溫驟降的特征，常常伴有雷暴、大風、短時強降水和冰雹等災害性天氣。人們對颮線形成機理進行了全面深入的研究，取得了豐碩的研究成果。Chong等[1]使用多普勒天氣雷達資料對颮線三維風場的研究表明，熱帶颮線系統在其前緣存在對流上曳氣流和下曳氣流。姚葉青等[2]利用多普勒雷達資料研究了颮線發展過程中垂直結構的演變特征。廖曉農等[3]研究發現，后側入流急流促使颮線回波帶快速移動是形成地面大風的主要原因，深厚的中氣旋、低層徑向速度輻合、高層輻散等在構成弓形回波的強對流單體形成過程中起了重要作用。梁俊平等[4]的研究表明，強的垂直風切變位于對流層中下層，配合一定的動力抬升條件，有利于超級單體和颮線的發生發展。周圍等[5]的研究表明，位勢散度是引起位勢穩定度局地變化的主要強迫項。隨著高分辨率中尺度數值模式的應用和精細化預報要求的提高，一些對颮線的中尺度數值模擬研究取得了明顯進展。研究揭示了颮線的中小尺度結構特征、熱力動力特征，使得人們對颮線的發生發展機制有了更清晰的認識。

2007年6月14日下午，一條長約300 km的颮線自南向北襲擊了位于滇東北的昭通市，地面觀測資料表明，颮線影響前后氣壓增加了3～5 hPa，溫度劇降6～8 ℃。颮線所過之處出現了8～10級大風和強雷暴、冰雹天氣，冰雹直徑最大達4 cm，大風吹倒400多棵大樹，農作物受損嚴重，造成巨大經濟損失。颮線經過的地區沒有明顯降水，該次颮線以大風冰雹天氣為主。由于此次颮線具有明顯的中尺度特征，空間尺度較小，生命史較短（約為6 h），實況資料無法反映颮線發生時的物理量特征，故采用高分辨率中尺度WRF模式對過程進行數值模擬，利用格距10 km、每隔3 h模式輸出結果，對颮線過程的物理量特征進行診斷分析，以找出颮線發生、發展、消亡過程的演變特征，探討颮線的形成機理。

1 資料和方法

采用美國的高分辨率中尺度WRF模式，采用二重雙向嵌套方案，模擬區域的網格中心為27.4°N、103.7°E（昭通雷達所在位置）。第一重嵌套區域格距為30 km，格點數為61×61；第二重嵌套區域的格距為10 km，格點數為97×97，覆蓋了颮線影響區和昭通雷達探測范圍。

二重嵌套選取的微物理過程和積云參數化方案分別為：第一重嵌套區域采用的是Thompson微物理過程方案，Kain-Fritsch（new Eta）積云參數化方案；第二重嵌套區域采用的是WSN 6-class graupel微物理過程方案、Grell-Devenyi? ensemble積云參數化方案。其余的輻射、近地面和邊界層均采用：Rrtm長波輻射方案、Dudhia短波輻射方案、Monin-Obukhov地面層物理過程方案、Thermaldiffusion陸面參數過程和YSU邊界層方案。

數值模擬的初始場選取的資料是NCEP 1°×1°再分析資料，模式初始時間為2007年6月14日08：00，積分48 h，第一重嵌套每隔12 h、第二重嵌套每隔3 h輸出模式模擬結果，二重嵌套均是每隔6 h更換側邊界條件。使用GrADS繪圖軟件對模式輸出資料進行后處理，以生成降水量、風場和有關診斷量

產品。

2 降雨模擬結果分析

由于該過程數值模擬選取的尺度較小，模擬區域內氣象基本站分布太稀，而2007年加密自動站尚未建立，不易進行雨量對比，且該次颮線造成的主要是大風和冰雹天氣，降水較少，故采用昭通雷達站觀測的雷達回波作為模擬效果檢驗。

昭通雷達位于27.4°N，103.7°E，雷達監測半徑為150 km，雷達覆蓋范圍為26～29°N和102 ～105.5°E，故選取該范圍的模式輸出降水進行對比分析。

從模式輸出降水（圖1a）來看，降水開始于昭通南部，之后出現在西北方。由于該次颮線以大風冰雹天氣為主，降水并不明顯，數值模式沒有模擬出颮線前沿的降水，但模擬出颮線過境后西北方的降水。與14日19：00昭通雷達基本反射率因子進行（圖1b）對比后發現，模擬的降雨區域與實況位置接近。

3 颮線過程診斷分析

3.1 對流層低層中尺度低渦的生成

從2007年6月14日模式輸出流場來看，最明顯的特征是對流層低層出現中尺度氣旋性和反氣旋性渦旋。14日11：00颮線生成前模式輸出700 hPa流場（圖2a）上昭通南方有一個中尺度反氣旋性渦旋，17：00（圖2b）颮線發展時反氣旋性渦旋向東移動。同時，在東北方有1個中尺度氣旋性渦旋生成，和負渦度區對應。23：00颮線減弱后中尺度渦旋也隨之減弱消失。中尺度渦旋出現的時間和颮線生命史有一定的對應關系，反映了局地對流發展的演變趨勢。

3.2 中尺度對流系統水平風場結構

由于該次颮線過程發生在鋒前暖區中，從u風模式輸出結果（圖3a）來看，14：00颮線形成之前，風暴區整層為一致的西風氣流控制，300 hPa以上有20 m/s的高空西風急流。17：00（圖3b）颮線發展時高空西風急流范圍擴大，風速明顯加快，25 m/s的高空西風急流向西擴展到103°E附近。

從6月14日模式輸出v風演變圖來看，14：00颮線發生之前，本地上空低層為弱偏南氣流控制，而高層為強大的北風控制，北風中心風速達30 m/s，說明高層有冷空氣入侵。17：00颮線發展時，對流層低層南風厚度加大，并向上擴展，從而在對流層中層形成南北氣流的匯合。20：00颮線發展到最強時南風迅速向上擴展，南風風速大值區向上擴展到300 hPa附近。23：00后500～750 hPa南風風速增加到10 m/s，從而在105～106o E之間形成較強的南北風切變。南北氣流的匯合造成大氣上冷下暖的不穩定結構，為強對流天氣的發生發展提供了較好的動力和水汽條件。

3.3 颮線發展過程中垂直風場特征

對流層中高層的環流配置能更清楚地揭示中尺度系統的結構及其發生發展的過程。由于颮線幾乎為東西向，17：00～20：00颮線形成并加強時，颮線前沿位于27～29°N之間，沿28°N的垂直速度剛好穿過颮線前沿強單體。從模式輸出6月14日沿28°N垂直速度垂直剖面圖上可看出，14：00颮線形成前垂直速度較小，17：00颮線形成后垂直速度迅速加強，颮線前沿上空的垂直速度呈柱狀分布，強上升運動劇烈且近乎垂直，一直延伸至對流層頂150 hPa附近，強中心位于500～600 hPa，中心數值為0.6 m/s，說明颮線前沿存在很強的上升運動。在其西側同樣高度有1支弱的下沉補償氣流，中心數值為-0.3 m/s。20：00颮線發展到最強時垂直速度達到最強，正速度區強中心上升到200～400 hPa之間，在正速度區之下有3個負速度區，強中心位于500～600 hPa之間，中心數值增加到-0.8 m/s。可見在強上升氣流之間分別存在下沉補償氣流，說明颮線前沿存在多個很強的局地垂直環流，具有對流風暴云的結構特征。23：00颮線減弱過境后垂直速度迅速減弱，垂直速度柱狀分布特征消失。由此可見，颮線前沿上空存在很強的上升運動和局地垂直環流，是造成冰雹和大風天氣的直接影響系統。

4 中尺度對流系統云中液態水含量演變特征

由模式輸出液態水演變特征可以看出，20：00（圖4a）颮線發展至最強時，沿颮線前沿500 hPa以下有多個液態水大值區，中心數值為0.5 g/kg，23：00（圖4b）液態水中心數值維持，高度向上擴展到450 hPa附近，之后高度便開始下降，中心數值減小。由此可見，該次颮線過程中液態水含量相對較小，說明水汽條件較差，是只出現大風冰雹而未出現明顯降水的主要原因之一。

5 結論

（1）模式輸出高空流場上，對流層低層出現中尺度氣旋性和反氣旋性渦旋。中尺度渦旋出現的時間和颮線生命史有明顯的對應關系，是颮線形成和維持的直接原因。u、v風場上颮線生成之前，整層為一致的西風氣流控制，颮線發展時高空西風急流明顯東移。颮線生成之前，低層為弱偏南氣流控制，而高層為強大的北風控制，說明高層有冷空氣入侵。颮線發展時，對流層低層南風厚度加大并向上擴展至350 hPa附近，從而在對流層中層形成南北氣流的匯合。颮線發展至最強時南風迅速向上擴展，在中層形成強的南北風切變，南北氣流的匯合造成大氣上冷下暖的不穩定結構，為強對流天氣的發生發展提供了較好的動力和熱力條件。

（2）颮線前沿存在強烈的氣流輻散輻合，從而導致劇烈的局地上升和下沉運動，是造成冰雹和大風的直接原因。颮線前沿氣旋性和反氣旋性渦度發展旺盛，且強烈發展的正負渦度區和氣流的垂直運動相配合。颮線前部高層以正渦度區為主，中層則以負渦度區為主，對流層中層的氣旋性旋轉明顯強于低層，是颮線成熟階段的特征之一。

（3）在垂直速度垂直剖面圖上，颮線形成前垂直速度較小，颮線形成后垂直速度迅速加快，颮線前沿上空的垂直速度呈柱狀分布，一直延伸至對流層。颮線過境時，垂直速度達到最強，正速度區強中心上升，中心數值增加。

400 hPa以下存在幾個交替的正負速度區，說明颮線前沿存在很強的上升運動和局地垂直環流。

（4）液態水演變特征上颮線發展至最強時沿颮線前沿500 hPa以下有多個液態水大值區，但中心數值較小，說明水汽條件較差，是只出現大風冰雹而未出現明顯降水的主要原因之一。

參考文獻

[1] Chong M， Tesud J， Roux E. Three-dimension wind field analysis from dual-Doppler radar data[J]. Climate Appl Meteor， 1983， 22（7）： 1204-1215.

[2] 姚葉青，俞小鼎.一次典型颮線過程多普勒天氣雷達資料分析[J].高原氣象， 2008，27（2）：373-381.

[3] 廖曉農，俞小鼎.北京地區一次罕見的雷暴大風過程特征分析[J].高原氣象， 2008，27（6）：1350-1362.

[4] 梁俊平，張一平.2013年8月河南三次西南氣流型強對流天氣分析[J].氣象， 2015，41（11）：1328-1340.

[5] 周圍，包云軒，冉令坤，等.一次颮線過程對流穩定度演變的診斷分析[J].大氣科學，2018，42（2）：339-356.

Numerical Simulation and Diagnostic Analysis of A Squall Line Process in Northeast Yunnan

Ma Hong et al（Meteorological Bureau of Zhaotong City， Zhaotong， Yunnan 657000）

Abstract Used numerical simulation methods to diagnose and analyze a squall line process in northeastern Yunnan on June 14， 2007. The results showed that mesoscale eddies in the lower troposphere were the main cause of the formation and maintenance of squall lines. The invasion of cold air led to the formation of strong north-south wind shear in the middle troposphere， and the convergence of north-south airflow resulted in the unstable structure of cold upper atmosphere and warm lower atmosphere， providing better dynamic and thermal conditions for the occurrence and development of severe convective weather. There was a strong divergence and convergence of airflow at the front of the squall line， leading to intense local upward and downward movements， and the formation of local vertical circulation， which was the direct cause of hail and strong winds. The cyclonic and anticyclone vorticity in the front of the squall line develop vigorously， and the strongly developed positive and negative vorticity areas match with the vertical movement of the air flow.

Key words Squall line; Mesoscale eddies; Vertical circulation; Numerical simulation