基于有限区域风场分解的海南岛一次飑线过程演变特征分析

李宏江，曹 洁，李 勋，吴志彦

(1.海南省气象台，海南 海口 570203； 2.海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海南 海口 570203；3.中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴实验室，北京 100029； 4.俄克拉荷马大学中尺度气象研究所，美国 诺曼73072)

飑线是指准连续的能够带来区域性雷暴大风的线性对流系统[1-2]。飑线在华南地区频繁发生，是该地区的主要灾害性天气系统之一[3]。统计结果表明，影响中国东部地区飑线的多数飑线呈西南-东北向，形成方式最多的是断线型(38%)，多数伴有尾随层云区[4]。华南西风带飑线出现于春季和初夏，台风飑线出现在盛夏，两类飑线的日变化特征也有所不同[5]。近年来针对致灾飑线典型个例，国内学者综合利用多种观测资料、采用数值模拟和雷达风场反演等方法进行了大量研究，关于我国飑线形成的环境条件、发展维持机制和致灾机理等的认识在不断加深。飑线的组织结构和维持机制与地面辐合线、雷暴高压、冷池、风暴自组织等因素有关[6-11]，有利的温湿度层结、边界层辐合线、高层辐散、深层或低层垂直风切变等环境条件有利于飑线的发展和维持[12-15]。冷池合并、后侧入流急流、风暴内的强下沉气流或粒子相变产生的下击暴流等因素，是地面产生飑线大风的主要原因[16-19]；动量下传、层状云下沉气流、特殊地形则可对飑线大风有增幅作用[16,19-20]。由于飑线往往发展迅速，生命时间短，局地性、突发性强，数值模式和基于环流形势分析的主观预报容易发生漏报，关于飑线的预报预警则是业务工作的难点[21]。不少研究针对业务预报中的疑难个例，在进行致灾机理分析的同时，还总结了预报难点和预警着眼点[18,21-23]。

对于强对流的潜势分析，预报员往往需要从大尺度环流背景入手。众所周知，水平风矢量可视作旋转风和辐散风的和，分别由流函数和势函数表示。大尺度运动主要是旋转，且具有准地转的性质，因而流函数对应的旋转风分量在大气环流演变、全球大洋环流模拟分析等方面有着重要应用。通常，速度势对应的辐散风在量值上较旋转风小许多，但它代表了穿越等压线的非地转运动，是引起大气垂直运动、产生水汽相变和潜热释放的根本原因，在垂直运动、对流发展等方面起着非常重要的作用，对热带天气和中小尺度系统分析而言尤为重要。与全球风场分解不同，中小尺度研究针对有限区域，边界条件限制下的泊松方程求解往往精度低、效率低。针对以上问题，Chen和Kuo[24-25]提出调和-正弦/余弦函数谱展开法，求解有限区域的流函数和速度势，有效提高了计算精度[26-27]，曹洁等[28]还用该方法对有限区域Q矢量进行分解，取得了较传统方法更好的效果。分析表明，该方法可以较好地提取与台风暴雨增幅有关的前期强辐合信号[29]，更清晰地显示出台风[26]和东北冷涡[30]的水汽输送通道、直观展现冷涡低层的中小尺度风场及水汽辐合辐散区[30]，在天气系统诊断中具有重要的应用价值。Xu等[31]设计出格林函数展开的变分算法，解决了中尺度天气分析经常遇到的地形阻挡、高分辨率数值模式不规则网格带来的资料缺测及非矩形边界等问题，且具有很高的计算精度和效率，在提取华北暴雨中的变形场[32]、识别青藏高原涡[33]方面都显示了独特的优势。相比于高分辨率数值模拟庞大的计算代价，有限区域风场分解方法能高效地从常规观测的风资料本身提取有利于强对流潜势分析的信息，既能充分运用越来越充足的观测和模拟资料，又能有效且高效地服务于业务预报。目前，该算法主要应用于中纬度地区的台风、区域性暴雨过程的天气尺度和次天气尺度系统，尚未涉及在热带地区强对流过程的中尺度天气系统的应用分析。

海南岛地处热带，相较中纬西风带而言，海南岛的大尺度斜压强迫较弱，对流活动具有明显的热带和中尺度特征。个例分析表明[34-36]，海南岛在弱强迫背景下也易出现诸如EF-2级龙卷、飑线等灾害性强对流天气。近年来对海南岛强对流的研究虽然逐渐增多，但对影响该地区的强飑线过程仍缺乏针对性分析。此外，以往采用有限区域风场分解方法的应用研究，使用的都是规则的矩形区域资料，要么针对中高纬度天气过程[30，32]，要么针对台风天气[26,29]。考虑海南岛地形造成的不规则边界，针对热带地区弱强迫背景下的强对流过程，采用Xu等[31]提出的改进后的算法，能否提取有价值的风场诊断信息？以上问题都值得进行研究。

2020年4月22日下午受罕见弓状强飑线影响，海南岛北部沿海和陆地出现了一次大范围雷暴大风过程。该次飑线过程发生在副高控制的弱强迫背景下，具有快速发展的特征，基于环流形势的主观潜势分析难以做出预判，业务数值模式对该过程的降水预报也出现明显漏报。本文拟针对该次过程，综合海南省区域加密自动站逐小时观测资料、海口多普勒雷达产品、Himawari-8高分辨率卫星资料和ERA5逐小时再分析资料，尝试采用有限区域风场分解方法，对该次过程的风暴演变特征和环境风场进行分析，以期寻找可能有助于临近预警的信息，为海南飑线过程的预报预警提供有益的参考。

1 资料和方法

1.1 资料

本文所使用的资料包括：海南省逐小时区域加密自动站资料、海口S波段多普勒雷达反射率因子和径向速度产品、Himawari-8静止卫星红外通道亮温和ERA5再分析资料。ERA5再分析资料空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为1小时，包含等压面资料和地面资料。

1.2 方法

近年来，随着气象卫星、多普勒雷达、自动观测站等多种观测手段全方位精确监测以及高分辨率数值模拟技术的发展，强对流天气的业务预报准确率有了一定提高。以往常用的分析手段主要有：常规天气分析、非常规观测分析和高分辨率数值模拟。其中常规分析历史悠久，天气图在解释实际强对流天气生消的物理机制方面有优势，然而由于时空分辨率不够高，对次天气尺度、中尺度天气过程的诊断分析效果不佳。雷达、卫星等非常规观测资料，弥补了常规天气分析时空分辨率不足的缺点，但资料本身的可靠性及其巨大的数据存储量是其应用到业务气象台站的隐患。高分辨率数值模拟可以提供强对流天气内部三维结构信息，具有非常高的时空分辨率，但模拟结果与实际天气事件的一致性和差异真伪待考证，而且模拟需要大计算量和存储量，不利于业务气象台站日常使用。本文拟采用有限区域风场分解方法，作为常规天气分析的一个补充工具，综合使用再分析资料、非常规观测资料和模拟资料，从资料本身出发提取强对流天气内部结构信息的方法，细致分析出强对流天气的动热力结构，旨在加深对强对流天气生消机理的了解，提高灾害天气监测和预警水平，有益于科学研究和业务应用。

有限区域风场分解的基本原理是全球都适用的亥姆霍兹定律，即：水平风场v的旋转和辐散分量是由如下的流函数(ψ)和速度势(χ)决定：

v= ∇χ+k×∇ψ.

(1)

流函数在大气环流演变、全球大洋环流模拟分析等方面有重要应用，在分析理想流型结构、热带天气系统分析以及中小尺度系统稳定性中也有一些理论研究；速度势对应的辐散风代表大气中的地转偏差运动，在量值上虽然小很多，但它却是引起大气垂直运动、产生水汽相变和潜热释放的根本原因，对热带天气系统分析和中小尺度动力学尤为重要。不同于以往直接求解带边界条件泊松方程的直接解法，Xu等[29]通过最小化区域积分的原始和重建的水平风场动能之差，建立求解任意形状有限区域内流函数速度势的方程和边界条件耦合方法，其优势在于既能精确高效地求解有限区域流函数和速度势，又不受规则区域的限制，对本文研究海南岛这样的不规则地形有限区域问题非常适合。极小值问题的代价函数是：

(2)

(3)

∇2ψ=ζ，∇2χ=α，对D内任一点；

(4)

∂nχ-∂sψ=vn，∂sχ+ ∂nψ=vs，对S上任一点。

(5)

其中，vn和vs分别是边界上的法向和切向速度。对于任意形状有限区域问题，方程(4)和(5)的解可以写成以下两部分：

ψ=ψi+ψe，χ=χi+χe.

(6)

其中，下标i和e分别代表有限区域内部和外部涡度和散度激发的分量解。它们的数学表达式分别为：

(7a)

(7b)

把(7)得到的流函数和速度势分量场带回方程(6)，即得到适合任意形状边界的有限区域流函数和速度势，代回方程(1)便得到风场的旋转和辐散分量。下文将结合常规天气分析手段，诊断分解得到的旋转风和辐散风分量在海南飑线过程中的应用。

2 天气实况和天气形势

2.1 天气实况

该次飑线过程以直线型灾害性大风为主，伴随局地短时强降水，具有大风风力强、范围广、突发性强的特点。飑线于22日下午先后影响海南岛西北部近海、琼州海峡和海南岛北部沿海和内陆，自动站监测显示15:00～19:00时(北京时，下同)海南岛东北部地区普遍出现8～10级以上雷暴大风(图1)，琼州海峡和海南岛北部沿海阵风达11级，风向以西北风为主，其中最大阵风16:50出现在新海港，为29.2 m·s-1(11级)。五指山以北多个测站出现短时强降水，其中南坤镇黄岭农场17～18时的小时雨量达45.3 mm。

图1 2020年4月22日16-19时区域加密自动站极大风(≥17.2 m·s-1)分布(风向杆，单位：m·s-1)Fig.1 Surface observation of the maximum wind velocity ≥17.2 m·s-1 (wind barb, unit: m·s-1) during 16:00-19:00 BT 22 April 2020

2.2 天气形势和环境条件

这是一次准正压类-副高边缘[37-38]强对流过程。前期受副高稳定控制，海南岛北部地区连续3天午后最高气温达到35℃以上。基于ERA5再分析资料的22日12时环流分析(图2)表明，海南岛发生对流前500 hPa带状副高北界较前日有所南落，但仍稳定控制海南岛。伴随中纬度弱冷空气南下，低层925 hPa以下有浅薄冷空气入侵，广西至越南北部沿海一带形成锋生强迫。北部湾、雷州半岛以南 925 hPa比湿达到14 g·kg-1以上；广西中部以南CAPE值在1000～2500 J·kg-1左右；北部湾附近700-1000 hPa风切变矢量差在12 m·s-1以上， 500-1000 hPa风切变矢量差(图略)也达到20～26 m·s-1。这表明广西南部到北部湾一带的动热力条件均较为有利，大尺度模式对这一带的对流也有较好的预报能力。而海南岛位于切变线南侧的暖区中，从22日12时海口附近的探空分析可见，对流区上空热力不稳定特征较有利：对流有效位能(CAPE)形态呈细长状且值达到1500 J·kg-1左右；对流抑制(CIN)值很小，抬升凝结高度在900 hPa附近，且900 hPa以下接近干绝热层结，有利于对流启动。此外，海南岛北部地面露点为22～25℃左右(图略)，水汽条件也有利于东移风暴发展维持。虽然具备了较好的热力条件，但大尺度动力强迫特征并不明显：中低空为弱环境风场，700 hPa以下西南风风速在8 m·s-1以下，500 hPa也仅为12 m·s-1；1000～500 hPa 风切变约为12 m·s-1左右，1000～700 hPa垂直风切变值也接近海南岛2016年6月5日强对流过程的弱强迫环境[35]。由于海南岛地处热带，在暖季尤其午后往往具备高温、高湿的环境，热力条件经常有利于局地对流发展。而对于该类具备高度组织化程度和一定维持时间的弓状飑线，通过常规分析得到的对流前环境动力条件并不明朗，一旦对流触发，预报员也容易在临近时效低估其发展强度和生命史。

图2 2020年4月22日12时飑线发展前的环境条件Fig.2 Environmental conditions at 12:00 BT 22 April 2020 before the quall line formation

3 飑线的形成和演变

飑线是多单体线风暴的一种，单体间的相互作用与飑线的形成和发展密切相关。从形成方式来看，该次飑线属于断线型[39]，该类飑线由离散的对流单体发展而来，各单体生成时间相近且排列成线状，随着各单体发展，期间不断有新的单体生成，最后发展成为连续的线状对流风暴。

由于低层弱冷空气侵入，22日早上在中南半岛北部至广西西部的锋生区附近已有对流云团发展(图略)，并沿副高外围西南气流向东北方向移动。午后，东移对流云团开始迅速向南扩展，在广西南部沿海和雷州半岛各形成一条飑线。由海口雷达0.5°仰角基本反射率因子(图3)可见，至15:46(图3(a))，广西南部沿海飑线东移减弱，位于其东侧、雷州半岛西侧的海面上有多个对流单体发展。雷州半岛飑线南端的风暴单体有阵风锋A出流，海南岛临高北部沿海和南部陆地分别有小尺度对流单体B和单体C生成；此外，海南岛西北部的辐合线D南侧也有对流单体E形成。研究表明[40]，在识别出窄带回波或清晰的径向辐合线约1 h后，是雷暴首次触发的主要时间段。16:03(图3(b))，雷州半岛飑线南端出流的阵风锋A与临高北部沿海的单体B相遇，单体B迅速发展加强；在单体B的北侧，飑线南端又有阵风锋F向南移动；临高南部的单体C和辐合线D南侧的单体E也不断发展，并向辐合线D靠近。至16:20(图3(c))，北部湾飑线东移过程中继续减弱，而两条飑线间的多个对流单体最强反射率因子维持50 dBz以上。临高北部沿海已形成的多单体风暴迅速发展呈块状，同时临高南侧多个单体已沿辐合线D组织发展形成多单体线风暴。剖面分析显示(图略)，两条飑线间多个对流单体的下沉气流合并形成强冷池，在2 km高度以下出现-25 m·s-1以上的径向速度大值区。至16:43(图3(d))，雷州半岛飑线、块状多单体对流和海南岛辐合线上的线状多单体风暴迅速合并发展，形成东北-西南向的弓形飑线，其前侧线状对流结构密实，带状回波反射率因子在50 dBz以上，其上镶嵌多个对流单体。至 17:18时，弓形飑线50 dBz以上的带状强回波宽度增大且结构密实(图3(e))，其西侧减弱的多个块状对流回波的出流冷池与飑线后侧入流合并，形成横跨琼州海峡的后方入流通道。过330°作径向速度剖面可见(图3(f))，在雷州半岛至定安附近水平距离100 km范围内，在弓形飑线后侧形成大范围强后侧入流区，2 km高度以下的近地面层最大径向速度绝对值达30 m·s-1以上。

图3 海口雷达0.5°仰角反射率因子(单位：dBz)和径向速度(单位：m·s-1)垂直剖面图Fig.3 Radar reflectivity (unit: dBz) at 0.5° elevation and cross-section of radical velocity (unit: m·s-1) from Haikou Doppler radar

以上分析可见，该次飑线过程发生在弱强迫背景下，具有快速发展的特征。多个局地小尺度对流与阵风锋、地面β-中尺度辐合线相互作用，在1 h内迅速发展成为高度组织化的弓状飑线，偏离引导气流向东南传播且移速接近15 m·s-1。业务数值模式对该过程出现明显漏报，而常规潜势分析也难以对对流强度和风暴类型做出准确预判。那么在常规分析之外，有限区域风场分解方法能否提取对流发展的前期强迫信号，为业务预警提供有益的参考？

4 风场结构分析

4.1 高层风场演变特征

基于ERA5逐时再分析资料，采用风场分解方法对200 hPa风场进行分解，结果如图4所示。在海南岛辐合线上对流触发前的15:00，广西南部沿海和雷州半岛均有深对流云团形成，此时原始风场200 hPa上为较一致的西南气流(图4(a))，从流场形态上难以看出高空辐散强迫特征。而辐散风场上，自23°N的两广交界处至海南岛一带为气流辐散带(图4(b))，其上有两个强分流区与散度大值中心对应，分别位于23°N附近以及海南岛西北部；而在辐散区西侧，广西南部沿海至雷州半岛一带为高空辐合区。雷达监测显示(图略)，此时位于辐散区下方的雷州半岛已形成飑线，海南岛西北部海面上有东移对流云团并伴随阵风锋出流，且海南岛西北部有β-中尺度地面辐合线形成。东移对流云团下游的地面辐合和高空辐散强迫均有利于海南岛深对流的爆发。可见，200 hPa高空辐散强迫是海南岛对流回波生成和发展的前期信号，而200 hPa原始风场为相对均匀的西南气流，难以直观提取高空辐散信息，而基于风场分解得到的辐散风场则清楚地体现了高空辐散区的位置。至16:00(图4(c))，位于高空辐合区的广西南部沿海对流云团在东移过程中逐渐减弱，而位于辐散区的雷州半岛飑线云团则快速发展，海南岛西北部地面辐合线上开始有小尺度对流云团触发，对比图3(b)的雷达回波监测表明，此时琼州海峡、海南岛西北部辐合线上的对流单体正不断合并发展东移。该时次的辐散风分布图4(d)所示，与上一时次相比，广西南部至雷州半岛西部沿海的高空辐合区范围缩小，但中心强度基本维持；两广交界处至海南岛上空仍维持辐散气流，海南岛西北部的强辐散中心北移至雷州半岛附近，位于对流云团下游的海南岛东半部地区高空辐散增强。17:00，海南岛上的多个小尺度对流云团快速发展东移(图4(e))，与雷州半岛飑线相连侧向排列形成线状，红外云顶最低亮温达到-80 ℃以下且结构密实，且发展达到强盛阶段，形成典型的飑线云团。辐散风场上(图4(f))，高空辐散中心北收至广东北部一带，其南侧的海南岛附近无明显分流，高空辐散开始减弱，但仍维持弱辐散气流。至18:00，强辐散中心继续北收(图4(h))，海南岛上空辐散进一步减弱，飑线云团亮温降低(图4(g))，随后飑线快速减弱，海南岛雷暴大风过程结束。

图4 200 hPa原始风场(流线)和Himawari-8红外云图(左列)；200 hPa辐散风场(流线)和散度(色斑，单位：10-6 s-1)(右列)Fig.4 Original wind field at 200 hPa (stream line) and infrared satellite imagery of Himawari-8(left); divergent component wind field (stream line) and divergence (unit: 10-6 s-1) at 200 hPa

由以上分析可见，在飑线东移发展、影响海南岛期间，高空200 hPa原始风场维持相对均匀的西南气流，难以直观判断辐散特征。而风场分解得到的辐散风则清楚地体现了高空辐散强迫的演变：海南岛对流发展前，辐散风场在对流区上空有较强的前期辐散信号，已发生的对流倾向于向高空辐散区移动或快速发展；在对流发展的成熟阶段，高空辐散开始减弱，随后对流减弱，风暴成熟期高空辐散的减弱是对流消散的前期信号。风场分解得到的辐散风反映出的辐散中心比原始风场更能体现高空强迫信息，可为对流潜势诊断提供更为直观的诊断依据。

4.2 近地面风场特征

前人研究指出[34,36]，阵风锋、海风锋等边界层中尺度辐合线，可能是海南岛弱强迫背景下形成超级单体风暴甚至龙卷的重要因子。对华南飑线大风典型个例的研究也表明[5]，地面辐合线、雷暴高压和冷池的出现在飑线的形成中起到重要作用。而冷池的水平尺度、厚度和强度直接影响地面大风强度[16]。近地面冷池是飑线重要的边界层特征[6]。该次过程中背景风较弱，飑线在形成后以15 m·s-1的较快速度移动且形成大范围雷暴大风，这与冷池的驱动作用密不可分。雷达产品剖面显示在海南岛飑线形成之前的16:00左右，在其西侧海面由于多个单体的下沉气流合并，已在2 km高度以下形成持续的强下沉辐散区。由于海面观测资料稀少，故本文选择飑线东移影响海南岛的主要时段(17:00～19:00)，采用地面加密观测资料分析冷池的推进特征。

随着飑线东移发展，海南岛西北部陆地在17:00观测到最低气温为21～22℃(图5(a))，而飑线前侧地面最低气温则为30℃左右，冷池与飑线前暖空气之间形成强地面温度梯度。从降温幅度来看(图5(c))，最强降温区位于澄迈经临高南部至儋州西部一带，1h最大降温幅度达-11℃，1h最大正变压为 2 hPa。在此期间，海口雷达观测到飑线后侧地面出流持续增强，对应地面观测记录，强冷池所经的海口、澄迈北部沿海分别于16:50和16:53测得29.2 m·s-1和29.1 m·s-1(11级)的极大风。基于ERA5逐时地面10m风场资料的分解结果表明，辐散风场上的中β尺度辐合线，其位置正对应着冷池前沿的温度梯度大值区，体现了飑线后侧的西北风和前侧的西南风的辐合特征。伴随飑线和冷池向东南方向快速推进，辐散风场上的辐合线也随之推进。至18:00(图5(b)、(d))，辐散风场上的辐合线比原始风场更清晰，位置已经越过海南省东北部的海南角，可见辐散风分量移速快于原始风场。结合自动测站资料，可证实辐散风场比原始风场更接近实际飑线过境位置和速度。此时，辐合线已东移至文昌-琼中-东方一线，海南岛西北半部地区为大范围强冷池所占据，最低气温为21℃左右。最强1h降温区向东推进至文昌北部沿海经海口、定安至屯昌一带，1h最大降温幅度仍达-10℃，1h最大正变压增至 6 hPa，冷池所经之处多站测得10级大风。从叠加的降水分布可见(图5(a)、(b))，未来1h降水位于辐合线附近偏暖湿入流一侧。

图5 地面辐散风(流线)和加密自动站观测Fig.5 Divergent component wind field at the surface (streamline) and surface observation

风暴的移动是平流和传播的合成[1,41]。该次过程环境引导气流较弱(图2(d))，飑线后侧大范围强冷池持续向东南方向推进，不断造成地面强降温和正变压，促使飑线前侧西南暖湿入流与飑线后方出流不断辐合，这说明冷池驱动所形成的传播作用在风暴的移动中占据主导地位。飑线后侧的强下沉辐散、变压风、冷池密度流，以及上游海面相对平坦的下垫面，均有利于海南岛北部地面强风的出现。基于再分析资料进行风场分解得出的辐散风分量，不仅较好地提取了弓形回波凸起处的地面强辐合特征，也体现了飑线冷池向东南方向快速推进的特征。

5 结论与讨论

(1)该次飑线过程发生在副高控制的较弱环境风切变的背景下，其形成过程属于断线型，多个小尺度对流与阵风锋、地面β-中尺度辐合线合并发展，在1h内迅速发展成为高度组织化的弓形飑线。对流前的环境条件分析表明，该次过程具备了较好的热力条件，但大尺度动力强迫特征并不明显。业务数值模式对该过程出现明显漏报，通过常规潜势分析对于对流强度和风暴类型的预判也存在困难。

(2)分解后的高空辐散风场清楚地展现了海南岛对流前的高层辐散强迫特征，而在风暴成熟期的高层辐散减弱则早于对流消散。相较原始风场，辐散风场更清楚地提示了对流发展和消散的前期高空强迫信息，可为对流潜势诊断提供更为直观的依据。

(3)在环境引导气流较弱的背景下，飑线后侧强冷池的驱动作用在风暴的移动中占据主导地位。相较原始风场，辐散风场上的地面辐合线更清晰，且体现了弓形回波凸起处的地面强辐合特征，也体现了飑线冷池向东南方向快速推进的特征，未来1-h降水位于辐合线附近偏暖湿入流一侧。

(4)我们正在对此个例进行高分辨率数值模拟，未来将使用更高时空分辨率的模拟结果，对本文结论做进一步的补充。