滇东北一次飑线过程数值模拟及诊断分析

马红 胡勇 余加贵 马勋豪

摘要 采用数值模拟方法对2007年6月14日滇东北一次飑线过程进行诊断分析。结果表明：对流层低层中尺度涡旋是飑线形成和维持的主要原因。冷空气入侵导致对流层中层形成较强的南北风切变，南北气流的汇合造成大气上冷下暖的不稳定结构，为强对流天气的发生发展提供了较好的动力和热力条件。飑线前沿存在强烈的气流辐散辐合，从而导致剧烈的局地上升和下沉运动，并形成局地垂直环流，是冰雹和大风产生的直接原因。飑线前沿气旋性和反气旋性涡度发展旺盛，且强烈发展的正负涡度区和气流的垂直运动相配合。

关键词 飑线；中尺度涡旋；垂直环流；数值模拟

中图分类号：P458 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2023）09–0-03

飑线是一种典型的强对流天气，属于中小尺度对流系统，具有风向突变、风速剧增、气压涌升、气温骤降的特征，常常伴有雷暴、大风、短时强降水和冰雹等灾害性天气。人们对飑线形成机理进行了全面深入的研究，取得了丰硕的研究成果。Chong等[1]使用多普勒天气雷达资料对飑线三维风场的研究表明，热带飑线系统在其前缘存在对流上曳气流和下曳气流。姚叶青等[2]利用多普勒雷达资料研究了飑线发展过程中垂直结构的演变特征。廖晓农等[3]研究发现，后侧入流急流促使飑线回波带快速移动是形成地面大风的主要原因，深厚的中气旋、低层径向速度辐合、高层辐散等在构成弓形回波的强对流单体形成过程中起了重要作用。梁俊平等[4]的研究表明，强的垂直风切变位于对流层中下层，配合一定的动力抬升条件，有利于超级单体和飑线的发生发展。周围等[5]的研究表明，位势散度是引起位势稳定度局地变化的主要强迫项。随着高分辨率中尺度数值模式的应用和精细化预报要求的提高，一些对飑线的中尺度数值模拟研究取得了明显进展。研究揭示了飑线的中小尺度结构特征、热力动力特征，使得人们对飑线的发生发展机制有了更清晰的认识。

2007年6月14日下午，一条长约300 km的飑线自南向北袭击了位于滇东北的昭通市，地面观测资料表明，飑线影响前后气压增加了3～5 hPa，温度剧降6～8 ℃。飑线所过之处出现了8～10级大风和强雷暴、冰雹天气，冰雹直径最大达4 cm，大风吹倒400多棵大树，农作物受损严重，造成巨大经济损失。飑线经过的地区没有明显降水，该次飑线以大风冰雹天气为主。由于此次飑线具有明显的中尺度特征，空间尺度较小，生命史较短（约为6 h），实况资料无法反映飑线发生时的物理量特征，故采用高分辨率中尺度WRF模式对过程进行数值模拟，利用格距10 km、每隔3 h模式输出结果，对飑线过程的物理量特征进行诊断分析，以找出飑线发生、发展、消亡过程的演变特征，探讨飑线的形成机理。

1 资料和方法

采用美国的高分辨率中尺度WRF模式，采用二重双向嵌套方案，模拟区域的网格中心为27.4°N、103.7°E（昭通雷达所在位置）。第一重嵌套区域格距为30 km，格点数为61×61；第二重嵌套区域的格距为10 km，格点数为97×97，覆盖了飑线影响区和昭通雷达探测范围。

二重嵌套选取的微物理过程和积云参数化方案分别为：第一重嵌套区域采用的是Thompson微物理过程方案，Kain-Fritsch（new Eta）积云参数化方案；第二重嵌套区域采用的是WSN 6-class graupel微物理过程方案、Grell-Devenyi  ensemble积云参数化方案。其余的辐射、近地面和边界层均采用：Rrtm长波辐射方案、Dudhia短波辐射方案、Monin-Obukhov地面层物理过程方案、Thermaldiffusion陆面参数过程和YSU边界层方案。

数值模拟的初始场选取的资料是NCEP 1°×1°再分析资料，模式初始时间为2007年6月14日08：00，积分48 h，第一重嵌套每隔12 h、第二重嵌套每隔3 h输出模式模拟结果，二重嵌套均是每隔6 h更换侧边界条件。使用GrADS绘图软件对模式输出资料进行后处理，以生成降水量、风场和有关诊断量

产品。

2 降雨模拟结果分析

由于該过程数值模拟选取的尺度较小，模拟区域内气象基本站分布太稀，而2007年加密自动站尚未建立，不易进行雨量对比，且该次飑线造成的主要是大风和冰雹天气，降水较少，故采用昭通雷达站观测的雷达回波作为模拟效果检验。

昭通雷达位于27.4°N，103.7°E，雷达监测半径为150 km，雷达覆盖范围为26～29°N和102 ～105.5°E，故选取该范围的模式输出降水进行对比分析。

从模式输出降水（图1a）来看，降水开始于昭通南部，之后出现在西北方。由于该次飑线以大风冰雹天气为主，降水并不明显，数值模式没有模拟出飑线前沿的降水，但模拟出飑线过境后西北方的降水。与14日19：00昭通雷达基本反射率因子进行（图1b）对比后发现，模拟的降雨区域与实况位置接近。

3 飑线过程诊断分析

3.1 对流层低层中尺度低涡的生成

从2007年6月14日模式输出流场来看，最明显的特征是对流层低层出现中尺度气旋性和反气旋性涡旋。14日11：00飑线生成前模式输出700 hPa流场（图2a）上昭通南方有一个中尺度反气旋性涡旋，17：00（图2b）飑线发展时反气旋性涡旋向东移动。同时，在东北方有1个中尺度气旋性涡旋生成，和负涡度区对应。23：00飑线减弱后中尺度涡旋也随之减弱消失。中尺度涡旋出现的时间和飑线生命史有一定的对应关系，反映了局地对流发展的演变趋势。

3.2 中尺度对流系统水平风场结构

由于该次飑线过程发生在锋前暖区中，从u风模式输出结果（图3a）来看，14：00飑线形成之前，风暴区整层为一致的西风气流控制，300 hPa以上有20 m/s的高空西风急流。17：00（图3b）飑线发展时高空西风急流范围扩大，风速明显加快，25 m/s的高空西风急流向西扩展到103°E附近。

從6月14日模式输出v风演变图来看，14：00飑线发生之前，本地上空低层为弱偏南气流控制，而高层为强大的北风控制，北风中心风速达30 m/s，说明高层有冷空气入侵。17：00飑线发展时，对流层低层南风厚度加大，并向上扩展，从而在对流层中层形成南北气流的汇合。20：00飑线发展到最强时南风迅速向上扩展，南风风速大值区向上扩展到300 hPa附近。23：00后500～750 hPa南风风速增加到10 m/s，从而在105～106º E之间形成较强的南北风切变。南北气流的汇合造成大气上冷下暖的不稳定结构，为强对流天气的发生发展提供了较好的动力和水汽条件。

3.3 飑线发展过程中垂直风场特征

对流层中高层的环流配置能更清楚地揭示中尺度系统的结构及其发生发展的过程。由于飑线几乎为东西向，17：00～20：00飑线形成并加强时，飑线前沿位于27～29°N之间，沿28°N的垂直速度刚好穿过飑线前沿强单体。从模式输出6月14日沿28°N垂直速度垂直剖面图上可看出，14：00飑线形成前垂直速度较小，17：00飑线形成后垂直速度迅速加强，飑线前沿上空的垂直速度呈柱状分布，强上升运动剧烈且近乎垂直，一直延伸至对流层顶150 hPa附近，强中心位于500～600 hPa，中心数值为0.6 m/s，说明飑线前沿存在很强的上升运动。在其西侧同样高度有1支弱的下沉补偿气流，中心数值为-0.3 m/s。20：00飑线发展到最强时垂直速度达到最强，正速度区强中心上升到200～400 hPa之间，在正速度区之下有3个负速度区，强中心位于500～600 hPa之间，中心数值增加到-0.8 m/s。可见在强上升气流之间分别存在下沉补偿气流，说明飑线前沿存在多个很强的局地垂直环流，具有对流风暴云的结构特征。23：00飑线减弱过境后垂直速度迅速减弱，垂直速度柱状分布特征消失。由此可见，飑线前沿上空存在很强的上升运动和局地垂直环流，是造成冰雹和大风天气的直接影响系统。

4 中尺度对流系统云中液态水含量演变特征

由模式输出液态水演变特征可以看出，20：00（图4a）飑线发展至最强时，沿飑线前沿500 hPa以下有多个液态水大值区，中心数值为0.5 g/kg，23：00（图4b）液态水中心数值维持，高度向上扩展到450 hPa附近，之后高度便开始下降，中心数值减小。由此可见，该次飑线过程中液态水含量相对较小，说明水汽条件较差，是只出现大风冰雹而未出现明显降水的主要原因之一。

5 结论

（1）模式输出高空流场上，对流层低层出现中尺度气旋性和反气旋性涡旋。中尺度涡旋出现的时间和飑线生命史有明显的对应关系，是飑线形成和维持的直接原因。u、v风场上飑线生成之前，整层为一致的西风气流控制，飑线发展时高空西风急流明显东移。飑线生成之前，低层为弱偏南气流控制，而高层为强大的北风控制，说明高层有冷空气入侵。飑线发展时，对流层低层南风厚度加大并向上扩展至350 hPa附近，从而在对流层中层形成南北气流的汇合。飑线发展至最强时南风迅速向上扩展，在中层形成强的南北风切变，南北气流的汇合造成大气上冷下暖的不稳定结构，为强对流天气的发生发展提供了较好的动力和热力条件。

（2）飑线前沿存在强烈的气流辐散辐合，从而导致剧烈的局地上升和下沉运动，是造成冰雹和大风的直接原因。飑线前沿气旋性和反气旋性涡度发展旺盛，且强烈发展的正负涡度区和气流的垂直运动相配合。飑线前部高层以正涡度区为主，中层则以负涡度区为主，对流层中层的气旋性旋转明显强于低层，是飑线成熟阶段的特征之一。

（3）在垂直速度垂直剖面图上，飑线形成前垂直速度较小，飑线形成后垂直速度迅速加快，飑线前沿上空的垂直速度呈柱状分布，一直延伸至对流层。飑线过境时，垂直速度达到最强，正速度区强中心上升，中心数值增加。

400 hPa以下存在几个交替的正负速度区，说明飑线前沿存在很强的上升运动和局地垂直环流。

（4）液态水演变特征上飑线发展至最强时沿飑线前沿500 hPa以下有多个液态水大值区，但中心数值较小，说明水汽条件较差，是只出现大风冰雹而未出现明显降水的主要原因之一。

参考文献

[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] 姚叶青，俞小鼎.一次典型飑线过程多普勒天气雷达资料分析[J].高原气象， 2008，27（2）：373-381.

[3] 廖晓农，俞小鼎.北京地区一次罕见的雷暴大风过程特征分析[J].高原气象， 2008，27（6）：1350-1362.

[4] 梁俊平，张一平.2013年8月河南三次西南气流型强对流天气分析[J].气象， 2015，41（11）：1328-1340.

[5] 周围，包云轩，冉令坤，等.一次飑线过程对流稳定度演变的诊断分析[J].大气科学，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