飑线是一种中尺度强对流天气系统, 多由线状分布的雷暴单体排列而成, 常伴有剧烈的天气现象和气象灾害, 造成人们生命财产的严重损失^[1]。华南地区, 春季为飑线多发期, 方翀等^[2]指出华南西风带飑线的形成主要在春季(3—5月), 与江淮流域以及华北等地区飑线发生的时间不同^[3]。众多的分析指出, 华南飑线发展与中纬度飑线有一定区别^[4-8], 如从云贵高原、南岭等地南下的小尺度对流带, 会发展成较大尺度的飑线, 即升尺度增长: 飑线的尺度从β中尺度在几至十几小时内增长至α中尺度。Coniglio等^[9]对一次强风暴分析后指出, 环境的中尺度特征有助于飑线的升尺度增长。本文将对华南飑线的升尺度过程进行进一步的研究。

飑线的升尺度增长过程涉及了不同尺度的系统, 包括天气尺度的环境场, α中尺度以及β中尺度的对流系统等。不同尺度的系统之间往往存在着相互作用, 天气尺度的系统往往作为中、小尺度系统的环境场, 为其发展提供条件, 而中、小尺度系统的发展会反作用于天气尺度系统^[10-13]。这些相互作用过程常常伴随着能量的转化, 因此从能量角度考虑不同尺度系统之间的相互作用。在多尺度能量相互作用方面, 一般是对两种尺度间的能量相互作用进行研究^[14-16], 而许多中小尺度天气往往涉及更多尺度系统之间的相互作用, 仅从两个尺度间的相互作用分析还有不足。沈新勇等^[17]重新推导了三个尺度的能量方程, 研究了三个尺度系统之间的能量相互作用, 沙莎等^[18]在此基础上研究了梅雨锋暴雨中三个不同尺度能量间的转化。本文将利用沈新勇等^[17]的研究成果, 对一次华南飑线升尺度过程进行研究, 分析此次过程中动能和位能的变化以及不同尺度系统之间能量的相互作用。

本文选取2016年4月12—13日(世界时, 下同)发生在华南地区的一次飑线升尺度过程进行研究, 此次过程包含有多个不同尺度的天气系统, 包括天气尺度的高空急流、低空急流、高空槽脊, α中尺度的飑线以及β中尺度的飑线和对流单体。为更好研究此次过程中各个尺度系统之间的能量相互作用, 利用WRF模式进行数值模拟, 采用模式模拟数据分析不同尺度系统的能量相互作用。本文所选用的资料包括NCEP(National Center for Environmental Prediction)的1 °×1 °再分析资料以及中国气象局提供的全国雷达组合反射率资料。

本文使用WRF 4.0对飑线过程进行数值模拟, 使用NCEP 1 °×1 °逐6小时再分析资料作为初始场和边界条件。模拟采用四层双向嵌套, 分别取分辨率为40.5 km、13.5 km、4.5 km、1.5 km。从外层到内层的每一层水平网格数分别为150×120、205×181、313×208、487×454。垂直方向上的层数为35层, 模式层顶为50 hPa。模式的初始时刻为2016年4月12日12时, 积分24 h。模拟的参数化方案主要包括: WSM6微物理方案、RRTM长波辐射方案、Dudhia短波辐射方案、浅对流Kain-Fritsch (new Eta) 积云参数化方案(10 km以下不使用)、YSU边界层方案等。

采用Barnes滤波的方法对WRF模拟得到的各场变量进行滤波, 主要为三个方向的风、气压、密度和位温, 得到天气尺度、α中尺度和β中小尺度及更小尺度扰动的信息。Barnse滤波是一种典型的中尺度滤波方式, 在气象上有广泛的应用^[19-21], 由其确定的低通滤波初值场, 滤波涉及的变量和参数包括: 某一气象要素的观测值F(x_k, y_k), 其中(x_k, y_k)为要素坐标, k为要素序号, 参加滤波的样本数M, 权重系数w_k=exp(-r_k²/(4c1)), 其中c1为滤波常数, r_k为(x_k, y_k)到(x, y)的距离。为得到更好的结果, 采用公式(1)对低通滤波得到的初值场F⁰做进一步订正得到订正后的要素场:

其中订正后的权重函数w'_k=exp(-r_k²/(4Gc2)), G和c2为滤波常数, 要素值与初值的差值D(x_k, y_k)=F(x_k, y_k)-F_{(xk, yk)}⁰。

由于滤波分别需要得到天气尺度的系统、α中尺度的飑线和β中尺度飑线及更小尺度的对流单体等系统, 因此需要模式资料的网格区域包含三个尺度的系统, 采用第二层网格资料进行滤波并进一步做能量分析。

根据三种尺度的划分: 大于2 000 km的天气尺度, 200~200 0 km范围的α中尺度, 小于200 km的β中尺度以及更小尺度(为了后面论述问题的方便, 这里暂且合并称为“β中小尺度”), 采用上述Barnes滤波方法对WRF模式输出的各场变量进行滤波, 具体滤波方案如下: 通过设定c1=150 000 km², 和c2=150 000 km², G=0.3得到2 000 km以上的天气尺度背景场和2 000 km以下的波动; 通过设定c1=3 000 km²和c2=3 000 km², G=0.3得到200 km以上的波动和200 km以下的β中小尺度波动; 通过2 000 km以下的波动减去200 km以下的波动得到200~2 000 km范围的α中尺度波动。

本文采用沈新勇等^[17]推导得到的六个能量方程进行诊断分析。本文主要研究各个尺度系统之间的能量转化, 因此主要对方程中动能和位能的变化项、位能向动能的转化项以及动能之间的跨尺度转化项进行分析。后文涉及的能量方程变量在此进行说明: K'、$\tilde K$、K分别表示β中小尺度、α中尺度和天气尺度动能; A'、$\tilde A$、A分别表示β中小尺度、α中尺度和天气尺度位能; B为动能与位能间的转化项; T_K为动能方程中动能之间的跨尺度转化项; 下标L、α、β分别表示天气尺度、α中尺度和β中小尺度, 例如T_{k(β, L})表示天气尺度动能向β中小尺度动能的转化, 方程各项的表达式见参考文献[17]。

2016年4月12—13日, 华南地区出现一次飑线天气过程, 在飑线发展过程中, 飑线对流系统存在升尺度增长过程, 飑线的尺度从β中尺度快速增长为α中尺度。从雷达回波分析此次飑线的演变过程(图 1)。12日18时, 在广西境内的对流云团发展壮大, 出现50 dBZ的强雷达回波中心, 整个对流系统长度在100~200 km之间, 同时在对流云团的东侧延伸到广东北部零散地分布着一些对流单体。19时, 广西境内对流系统向东移动并且具有β中尺度飑线特征, 30 dBZ雷达回波呈线状分布且强对流带明显, 广东中北部的对流单体也发展成多个β中尺度的对流系统, 并趋于线状结构。20时, 广东西北部和中北部的β中尺度飑线逐渐连接成一条东北-西南走向的线状结构, 飑线合并增强, 21时出现明显的α中尺度飑线, 中部有明显的弓形回波。此后直到13日01时飑线处于α中尺度阶段, 飑线发展加强, 强度也趋于稳定。13日01时以后飑线入海, 逐步减弱消散。

图 1

图 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)实况雷达组合反射率(单位：dBZ)

采用数值模式模拟此次飑线过程, 从模拟场看(图 2), 模拟的飑线的生命周期与实况基本一致, 飑线移动的路径也大体相同, 虽然雷达回波部分位置稍有偏差, 但飑线的升尺度过程被很好地模拟出来, 因此采用此次模拟的数据分析升尺度过程中不同尺度系统之间的能量转化。

图 2

图 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)模拟的雷达组合反射率(单位：dBZ)

排除飑线活动区域地形引起的缺测, 对2~15 km高度三个尺度动能和位能的变率进行分析, 同时为考察三个尺度系统动能在飑线过程各个发展阶段的变化, 选取包含三个系统的区域(100~120 °E, 20~30 °N)做区域平均动能随时间高度变化的分布图。

分析飑线过程中天气尺度系统动能的变化(图 3a), 高层和中低层的动能变化总体上相反。飑线运动区域高层12 km高度主要的天气尺度系统为200 hPa的高空急流, 中层5~9 km高度主要对应有高空的槽脊系统, 而2.5 km左右高度则有明显的低空急流。12日12时(图 4a), 华南位于高空急流出口区右侧, 受高空急流次级环流下沉气流影响, 对流的发生发展有一定的抑制作用, 低层则主要位于低空急流的急流核处, 低空急流对对流的发展帮助也较小, 对流的发展条件还不成熟。而随着时间的推移, 在对流发生前的12日15时开始, 高空急流所在位置动能快速增强, 对应高空急流向东延伸, 华南区域脱离急流出口区, 不再受高空急流次级环流下沉支的影响, 高空急流对对流的抑制作用减弱, 而此时低层动能增强, 对应低空急流增强, 但急流位置向南偏移, 华南出现在低空急流左侧, 受低空急流影响对流系统开始发展, 18时(图 4b), 对流生成在低空急流左侧, 此后21时前, 低空急流开始减弱, 对飑线的影响减小。13日00时以后, 高空急流断裂, 对应高层动能减少。而在中层主要高空槽脊系统, 开始时华南位于槽前, 随着时间的推移槽线减弱, 对应动能的减少, 而13日00时以后, 后来的脊线逐渐发展加强, 对应动能的增加。总体来看, 天气尺度系统中高空急流开始时抑制对流的发展, 此后急流增强, 对流的发展不再受高空急流的抑制, 此次飑线的激发主要受低层低空急流的影响, 对流发展阶段低空急流增强且向南移动, 低空急流左侧的上升运动使得对流系统发生发展, 而在飑线形成后, 低空急流影响减弱。

图 3

图 3 区域平均的动能和位能随时间高度变化 a. 天气尺度动能；b.α中尺度动能；c.β中小尺度动能；d. 天气尺度位能；e.α中尺度位能；f.β中小尺度位能。横坐标为时间(12日12时—13日12时)，纵坐标为高度(单位：km)，等值线表示能量的变率(单位：10-3 J/(kg· s))，实线为正，虚线为负。在100~120°E，20~30°N范围计算三个尺度动能和位能变率的区域平均值。

图 4

图 4 12日12时高空急流(阴影，单位：m/s)和低空急流(等值线，单位：m/s)(a)，12日18时雷达组合反射率(阴影，单位：dBZ)和低空急流(等值线，单位：m/s)(b)

对于α中尺度系统动能(图 2b), 和β中小尺度系统动能(图 2c), 15时对流单体开始发生发展, 对应β中小尺度动能的增长, 而随着飑线结构的形成, 19时左右8 km高度β中小尺度系统动能快速增长, 飑线对流的发展越来越旺盛, 21时出现β中小尺度系统动能的增长的大值中心, 且在垂直方向上位于10 km高度上, 表明飑线形成后强度快速增长, 垂直方向上对流发展旺盛, 飑线对流云达到10 km高度以上, 使得高层的β中小尺度系统动能增强。而此时α中尺度系统动能从低层到高空都有所增长, 对应飑线的升尺度增长, β中尺度的飑线逐渐发展为α中尺度的飑线。22时左右β中小尺度动能增长幅度变小甚至开始减弱, 而此时α中尺度系统动能还在继续增长, 表明此时飑线主要以α中尺度系统的形式存在, 飑线的发展对应着α中尺度系统动能的增强。这点从飑线的入海减弱也可看出, 13日01时飑线入海减弱消亡, 对应图 3b中α中尺度系统动能的减弱, 而β中小尺度系统动能早在飑线减弱前的12日23时就开始减弱。

对于天气尺度位能的变化(图 3d), 在飑线发展阶段, 中低层有明显的位能的减少, 天气尺度位能向动能转化。α中尺度位能和β中小尺度位能的变化量级相对较小(图 3e、3f), 在飑线发展阶段都有平均位能的减少, α中尺度位能的减少主要对应飑线的形成和升尺度增长阶段, 而β中小尺度系统平均位能的减少在低层最明显。

总的来看, 动能的变化与此次飑线过程中各尺度系统的演变有较好的对应, β中小尺度对流系统的发展对应β中小尺度系统动能的变化, 而在飑线升尺度增长过程中, α中尺度系统动能快速增长。

考察飑线发生发展期间位能向动能的转化, 分析天气尺度位能的转化(图 5a~5c), 在整个飑线过程中, 主要有天气尺度位能向三个尺度系统的动能进行转化, 但向天气尺度动能的转化最强。对于天气尺度系统动能和位能之间的转化(图 5a), 12日12—21时在低层有天气尺度位能向天气尺度动能的转化, 低空急流得到发展, 而00时左右位能向动能的转化中心位于中层, 对应高空脊的发展, 而在后期高空急流分裂减弱阶段, 对应负的转化中心, 高空急流动能减少。对于天气尺度位能向α中尺度以及β中小尺度系统动能的转化而言(图 5b、5c), 两者大体上较相似, 都能从天气尺度位能中得到一定的能量转化为动能使系统发展, 且主要在对流发生阶段和飑线形成阶段的中低层, 而这一阶段α中尺度系统的动能变化不大, 可能是此时α中尺度飑线形成, 得到的动能通过转化、耗散所消耗。而在飑线升尺度增长阶段, α中尺度系统转化得到的动能有所减少, 12日21时—13日00时正是飑线α中尺度动能快速增长的阶段, 这点在天气尺度位能向动能的转化上没有体现出来, 一定程度上说明并不是天气尺度位能向动能的转化引起飑线的升尺度增长。最后在飑线入海消亡阶段, 中高层的α中尺度以及β中小尺度系统还能从天气尺度系统得到能量, 但低层位能向动能的转化为负值, 加速了飑线系统的减弱消亡。

图 5

图 5 区域平均的三个尺度间动能和位能转化随时间高度变化 横坐标为时间(12日12时—13日12时)，纵坐标为高度(单位：km)，等值线表示能量的变率(单位：10-3 J/(kg·s))，实线为正，虚线为负，正值表示位能向动能的转化。

分析α中尺度位能的转化(图 5d~5f), 在整个飑线发展过程中能量主要转化方向也是由位能向动能转化, 且在强度上转化为天气尺度的动能最多。考察位能转化的分布, α中尺度位能向天气尺度系统的动能转化出现在10 km以下, 对应低空急流和高空槽脊。而α中尺度位能向α中尺度系统和β中小尺度系统的动能转化较相似, 在飑线形成发展阶段都有α中尺度位能向动能的转化, 且在飑线形成阶段存在转化的大值中心, 促进了β中小尺度对流系统的发展。此外飑线的升尺度增长过程中动能的快速增长在α中尺度位能向α中尺度系统动能的转化中并没有很好地体现出来。

对于β中小尺度位能的转化(图 5g~5i), β中小尺度位能向天气尺度动能的转化主要集中在低层18时之前, 而在中高层总体为负值, β中小尺度环境场不利于中高层天气尺度系统的发展。β中小尺度位能向α中尺度系统和β中小尺度系统动能的转化主要在中低层(图 5h、5i), 且向β中小尺度系统转化的动能比向α中尺度系统转化的动能更大, 使得β中小尺度对流系统发展迅速, 此外向α中尺度系统动能转化的大值中心出现在飑线形成阶段, 飑线升尺度增长过程动能的变化与之没有很好的对应, 而向β中小尺度系统动能转化的大值中心出现在00时左右, 且对应的高度较低, 一定程度上减缓了飑线入海后的消亡过程。

总的来看, 在飑线的发生发展过程中都能从环境场中得到位能转化为系统的动能, 使得β中小尺度对流系统能快速发展, 而此时α中尺度的飑线还未形成, 向α中尺度转化的动能基本被耗散, 使得α中尺度动能变化不大。在飑线的升尺度增长过程中, 从环境场中得到的能量有所减少, 飑线的升尺度增长时动能的快速增长在位能向动能的转化方面没有很好地体现出来, 一定程度上说明并不是位能向动能的转化引起飑线的升尺度增长。

分析三个尺度系统之间动能的转化, 对于α中尺度系统动能向天气尺度系统的动能转化项(图 6a), 转化的大值中心出现在8~12 km的高层, 在飑线升尺度增长阶段存在正的转化中心, 使得天气尺度对应的高空急流有所加强, 这一阶段α中尺度系统从位能转化得到的动能部分转化成为天气尺度动能。而在12日22时—13日03时, 对应α中尺度飑线成熟到减弱阶段, 8 km以上存在负的转化中心, 对应高空急流的断裂减弱, 此后13日03时以后的转化为正, α中尺度系统的动能再次向天气尺度动能转化。对于β中小尺度动能向天气尺度动能的转化(图 6b), 在飑线发展过程中对应有高层8~12 km的动能减少, 飑线对流单体的发展一定程度上抑制了高层天气尺度系统的增强。

图 6

图 6 同图 5，但为三个尺度之间动能的转化

对于天气尺度动能向α中尺度系统动能的转化(图 6c), 大值中心出现在12日12—15时以及13日06—12时的高层, 而在飑线升尺度增长阶段没有明显的动能转化中心与α中尺度飑线动能增长的中心对应, 表明飑线的升尺度增长受天气尺度动能的转化影响较小, 结合前面位能转化的分析, 天气尺度系统对于飑线的升尺度增长过程的直接影响相对较小。分析β中小尺度系统动能向α中尺度系统动能的转化(图 6d), 7~12 km的高度上, 在飑线升尺度增长发展对应的12日21时—13日01时存在β中小尺度系统向α中尺度飑线动能转化的大值中心, 这与飑线升尺度增长过程中α中尺度飑线动能的快速增长相对应, 表明飑线升尺度增长主要是由β中小尺度对流系统组织合并加强形成的, 在升尺度增长过程中β中小尺度系统的动能大量转化为α中尺度飑线的动能, 促进α中尺度飑线的进一步发展。对于天气尺度动能向β中小尺度系统动能的转化(图 6e), 总体为正的转化, 在飑线的形成到升尺度增长过程中有明显的转化中心, 表明天气尺度系统的配置有总体上有助于β中小尺度对流的发展加强, 并促进β中尺度飑线的形成。最后分析α中尺度系统动能向β中小尺度动能的转化, 在飑线升尺度增长并加强的过程中, 4~6 km为正值中心, 有助于β中小尺度对流系统的发展, 而在6~10 km的高度为负中心, 有一定的抑制作用。

总的来看, 在飑线的升尺度增长过程中, β中小尺度对流系统一方面组织增长为α中尺度飑线, 一方面将β中小尺度动能转化为α中尺度动能使得飑线增强, 在此过程中环境场对飑线升尺度增长过程的直接影响较小, 环境场主要为β中小尺度对流系统的发展加强提供了条件。

本文从多尺度能量相互作用角度对2016年4月12—13日的一次华南飑线升尺度增长过程进行了研究。在数值模拟基础上, 利用Barnse滤波将三个尺度系统分离, 并利用三个尺度的动能和位能方程研究了飑线升尺度增长过程中动能和位能的变化, 以及三个尺度间能量的转化。

(1) 此次飑线过程中对流发生在低空急流左侧, 低空急流左侧的上升运动对对流的发展起到激发作用, 且在飑线发生发展过程中存在有位能向动能的转化, 使得β中小尺度对流快速发展加强。

(2) 动能的变化与此次飑线过程中各尺度系统的演变有较好的对应, β中小尺度对流系统的发展对应β中小尺度系统动能的变化, 而在飑线升尺度增长过程中, α中尺度系统动能快速增长。

(3) 在α中尺度飑线形成前, 通过位能转化得到的α中尺度动能多被转化耗散, 而在飑线升尺度增长过程中, 位能转化得到的α中尺度动能有所减少, 与α中尺度动能的快速增长没有很好的对应, 此次飑线的升尺度增长不是由环境场直接导致的。

(4) β中尺度飑线的合并加强导致了飑线的升尺度增长, 在飑线升尺度增长过程中, β中小尺度动能转化为α中尺度动能使飑线增强, 而环境场通过位能向β中小尺度动能的转化使β中小尺度对流系统发展加强。