2009年6月14日的一次飑线过程的模拟以及结构和传播分析外文翻译资料

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2009年6月14日的一次飑线过程的模拟以及结构和传播分析

摘要

本文用高等区域预测系统模式很好的模拟了2009年6月14日发生于江苏和安徽境内的一次飑线过程。基于高分辨率的时空资料，对飑线的结构特征与传播机制进行了详细的分析。同时对飑线的动力学与热力学结构特征以及它们的原因进行详细分析。研究发现，非平衡流场在飑线发展过程中对于激发重力波有着关键作用。WAVE-CISK过程中的辐合过程维持了重力波的传播与发展。飑线的传播和发展主要依赖于中层重力波与锋前冷的出流的相互作用。新生单体由冷湖的出流不断产生，之后被强烈的上升运动加强并抬升。在特定的相态，新单体出现时伴随着重力波抬升，造成导致飑线发展的强烈的上升运动。

关键词：飑线，结构特征，重力波，冷湖出流

ABSTRACT

A squall line on 14 June 2009 in the provinces of Jiangsu and Anhui was well simulated using the Advanced Regional Prediction System (ARPS) model. Based on high resolution spatial and temporal data, a detailed analysis of the structural features and propagation mechanisms of the squall line was conducted. The dynamic and thermodynamic structural characteristics and their causes were analyzed in detail. Unbalanced flows were found to play a key role in initiating gravity waves during the squall linersquo;s development. The spread and development of the gravity waves were sustained by convection in the wave-CISK process. The squall linersquo;s propagation and development mainly relied on the combined effect of gravity waves at the midlevel and cold outflow along the gust front. New cells were continuously forced by the cold pool outflow and were enhanced and lifted by the intense upward motion. At a particular phase, the new cells merged with the updraft of the gravity waves, leading to an intense updraft that strengthened the squall line.

Key words: squall line, structural feature, gravity wave, cold pool outflow

Citation: Liu, L., L. K. Ran, and X. G. Sun, 2015: Analysis of the structure and propagation of a simulated squall line on 14 June 2009. Adv. Atmos. Sci., 32(8), 1049–1062, doi: 10.1007/s00376-014-4100-9.

1、引言

飑线是有组织的对流系统（MCS，之后简称MCS）的一个重要类型，而MCS多伴有如雷暴、大风、冰雹、龙卷等灾害性天气。因此飑线过程值得广泛研究。

早在二十世纪50年代，一些高瞻远瞩的研究者们（Newton,1950,Fujita1955）便开始了对飑线的研究。Fujita（1955）证实了如飑线前低压、中-高压、飑线尾流低压等结构特征。在二十世纪60年代，Browing和Ludlam提出了经典的雷暴3维结构模型。随着科技的发展，飑线的结构与特征已经可以通过多普特雷达的观测来详细记录（）。Houze等（1989）建立了用于描述飑线内部环流的精细化理论模型。Weisman（1992）通过一个3维理想化模拟研究了后部入流在一个长生命期的中尺度对流系统中的作用。Yang和Houze(1995b)通过多种敏感性测试研究了微物理过程对飑线系统的影响。Trier等（1996）运用一个数值云模式模拟了一个海洋性热带飑线并研究了表面通量和微物理过程对飑线的结构和演变的影响。Fovell(2002)运用了经典的云模式和精简的PM模式验证了飑线的上升环境内，有组织的对流的作用。Parker和Johnson（2000）以及Gallus等（2008）通过雷达探测到的多个案例对对流系统进行分类。

中国学者通过模式模拟与雷达观测的手段也发表了关于飑线的一些研究成果。Cai等（1998）基于观测资料分析了飑线的云系和散度场特征。He等研究了江淮地区暖季的飑线过程，并描述了明显的飑线前低压和飑线后部的中尺度低压。Yao等（2005）总结出大的垂直风切变以及强烈的上升运动与下沉运动的相互作用维持了飑线过程。还有很多学者利用高分辨率的数值模式对飑线进行研究。

关于飑线的传播，NEWTONi(1950，1966)与Fujita(1955)首次发现垂直风切变在飑线发展中的重要性。经典的飑线传播机制是冷出流的辐合造成了新的单体生成（(Smull and Houze,1985; Johnson and Hamilton, 1988）。Rotunno等与Weisman等利用3维数值模型研究了垂直风切变对飑线结构和演变的作用。例如RKW理论，这一理论中由底层垂直风切变导致的正的水平涡度与冷的出流造成的负的水平涡度的相互结合维持了飑线的发展。之后，Weisman（2004）以及Weisman和Rotunno（2005）基于一简化的2维涡度流函数模型验证了RKW的理论。其他的研究者也提出冷的出流保证了飑线的发展这样的理论（Wilhelmson and Chen, 1982; Fovell and Ogura, 1989; Bryan et al., 2006）。Chen和Wang(2012)利用RKW理论分析了发生于中国北部的一次飑线过程中，底层的动力学和热力学作用，以及伴有高CAPE值和底自由对流高度的浮力环境场的作用。Stobie等描述了发生在美国中北部的一次强雷暴，这次雷暴的空间分布以及移动都与观测到的重力波相一致。ZHANG和Fritsch(1987)研究了重力波和飑线的相互作用并阐明重力波由超地转急流激发随后被强对流运动加强。Yang和Houze（1995a）推测雷暴的多细胞结构是与重力波相关的，同时常被称为“切断”过程实际上就是是重力波现象。Zhang等（2001）利用小波分析来说明地转调整会持续激发重力波波列。Li(1976,1978,1981)提出重力波有助于激发强降水以及分析到的飑线过程中重力波的非线性作用。Xu和Sun（2003）研究了梅雨锋期间重力波对暴雨的作用。Gong等（2005）研究了波-对流相互作用以及验证了强雷暴中重力波的传播理论。Zhu等（2009）基于小波分析发现从太行山生成的背风波可是是飑线的触发机制。

由于飑线尺度小持续时间短所以很难用传统观测资料和再分析资料来研究它。本文利用高等区域预测系统模式中的高时空分辨率资料来研究飑线的特征。第二节就模式进行了介绍。第三节验证模拟结果。第四节讨论了飑线在不同阶段的热力、动力特征。第五节探究了飑线的传播机制，第六节提出了此次个例的概念模型。正片文章的总结于最后一节给出。

2.模式描述

ARPS是由俄克拉荷马大学的风暴分析预测中心开发的非静力中尺度模拟模式。该模式是适用于类似中尺度、风暴尺度等小时空尺度的系统。本文利用ARPS模拟了2009年6月14日的一次强飑线过程。模式的初始和水平边界条件来自于国家环境预测/国家大气研究中心（NCEP/NCAR）全球预测系统的0.5*0.5度的再分析资料。山东、江苏、安徽、浙江的8个雷达的径向速度和反射率资料通化化入ARPS模式。1区域的空间分辨率是3km，模拟开始于世界时2009年6月14日0600，并连续积分到2009年6月15日0600时。模式垂直方向有53层，每层大小为500m。1区域采用冰微物理参数化方案，并每隔12分钟利用轻推法同化雷达观测资料。

2区域格点分辨率为1km(803*803个格点)；从世界时08点积分8小时。采用的参数化方案有：3次总体微物理你过程参数化、1.5阶湍流动能闭合参数化方案、大气辐射传输参数化方案、两层土壤方案。模式输出时间间隔为10分钟。详细的模式描述在表1中给出。

3、 模式验证与飑线的演变

中尺度对流系统可以分为两类：线性与非线性系统。Parker和Johnson（2000）基于雷达观测到的88个线性中尺度对流系统的特征，提出了一种新的分类，包扩具有尾随层状、前导层状和平行层状云类型。TS模型被发现是线性MCS的主要组织形式。在这一基础上，Gallus等给出了两个新的线性对流系统类型：弓状回波和非层状。在这一案例中，初始和成熟阶段表现为TS原型，衰减阶段表现为PS原型。

图1比较了世界时0830、1030和1300的观测和模拟雷达反射率。三个时刻分别代表了飑线的初

始阶段（0600-0850UTC），成熟阶段（0900-1150UTC）以及衰减阶段（1410-1520UTC）。0600时许多对流单体在山东和安徽交界处生成并向东南方向移动。在0830（图1a），对流单体增强并在江苏和安徽境内组织成一长约300km宽约50km的线性对流系统（用#1标出）。雷达回波强度超出60dBZ。由于冷湖出流的辐合作用，新对流单体在飑线前沿不断生成，并加入到移动的飑线系统中。在飑线向南移动和发展的过程中，其内部不断有新对流单体的生成、发展和衰弱。图1c（1030）表示飑线成熟阶段。前沿的对流线增强并南移，后部为广阔的层状云区；这一阶段显现出成熟的TS原型特征。与此同时，在河南和山东省出现另一个中尺度对流系统。对流单体向南移动并在1200时组织成飑线（用#2标出）。最后阶段（图1e）,第一个飑线系统减弱并变成层状云与对流线平行的PS原型。强雷达回波区收缩减弱并最终消散。在这一阶段，第一个飑线后的第二个飑线系统增强之后减弱。第一个飑线系统持续了约9小时，第二个飑线大约持续约6小时。第一个飑线较第二个飑线强度大且持续时间长，同时它的影响更大。这里我们主要讨论第一个飑线。

比较模拟和观测，尽管模拟的雷达回波区域较大较强，但是强雷达回波中心、移动速度和分布情况与观测相吻合。从TS原型转为PS原型的过程以及原始飑线后部新飑线的生成都被成功模拟出来。在江苏和安徽生成的第一个飑线增强南移。新对流单体在飑线前沿不断生成并加入对流系统中。与此同时，第二个飑线系统增强并组织成中尺度对流系统。如上所述，模拟结果成功的再现了强对流过程和风暴的演变过程。接下来模拟数据将被用来详细分析飑线的结构和传播机制。

4、 动力和热力结构

全面了解飑线的结构特征为进一步研究飑线的演变和传播机制打下基础。首先计算了动力和热力结构，并在下面进行阐述。

飑线系统从西北移向东南，经向速度大于纬向速度。这里我们关注沿东经119.8度的经向切面。飑线有两部分组成，一部分是系统前沿的对流区域，最强的上升运动就出现在这里。另一个部分是飑线后部的层状云区域，在这一区域雷达反射率较弱并有大范围的层状云降水。在TS原型的成熟阶段，飑线系统强度最强并对周围环境影响最大，而后在PS阶段开始减弱。因此本文主要注重成熟阶段。需要注意的是PS阶段和减弱阶段合并为一个阶段。

图2展现了风暴相对经向速度的演变过程。起初在系统前沿对流区域的边界层内有强的入流，并在飑线中分为两支。一支在对流区域，伴随有飑线后部上层后部出流。另一支在飑线前有上层出流。需要注意的是对流区域中层出现的负值区域，这一区域可以用RKW理论来解释（）。起初，因

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