九岭山地形对弓形飑线形成影响的模拟分析

曹 倩 ， 章毅之 ， 易艳红 ， 刘雅楠 ， 刘良玉

1.江西省气象科学研究所， 江西 南昌 3300962.宜春市气象局， 江西 宜春 336000

0 引 言

飑线是由一系列活跃的对流云带侧向排列而成的线状或带状的中尺度对流系统，过境时易产生雷暴、暴雨、大风、冰雹和龙卷等天气。其中，弓形飑线常常与下击暴流或强烈的地面直线大风相伴(Nolen,1959;Wakimoto et al,2006;Wheatley et al,2006)，比普通的直线形飑线更易产生强灾害性天气(Przybylinski,1995；Atkins et al,2005；梁建宇和孙建华,2012；刘香娥和郭学良，2012)，因此一直是国内外同行研究的重点和难点。

近年来，对弓形飑线的研究工作较多。例如，Weisman(2001)通过数值模拟研究发现后侧入流急流是形成弓形回波的重要原因。金龙等(2013)利用多种观测资料和双多普勒雷达反演的三维风场，分析一次弓形回波的三维结构和演变机制发现，降水的拖曳及蒸发冷却在地面形成强冷池，冷池触发的干冷后侧入流在弓形回波前侧下沉，促使回波演变成弓形。公衍铎等(2019)和罗琪等(2019)综合多种观测资料和NECP分析资料，分别分析了发生在我国北方的强弓状飑线的形成和维持机制，均发现对流层中层强后侧入流和大的温度露点差导致强下层辐散气流形成，是飑线演变成弓状结构的主要原因。

上述研究对弓形飑线形成的中尺度系统有重要的指示作用，而对影响其演变机制的揭示还不够，特别是地形对飑线发展演变的影响涉及较少，使得飑线上山、下山过程中如何演变很难把握，进而难以预测其引发灾害的强度及位置。江西省坐落于长江中下游，中部丘陵起伏，东西南三面环山，在地形的影响下强对流天气多发(邓诗茹和邹海波，2015；刘亚楠等，2021；张娟娟等，2021)。以往造成江西地区大范围雷暴大风的飑线大多产生于临近省份，并逐渐移入江西。为了提高江西地区飑线天气的预报预警能力，尝试对移入江西的飑线做地形敏感性试验，以探究地形对飑线演变特征的影响是非常有必要的。因此，文中首先利用GSI-3DVar同化系统同化多部多普勒雷达的径向风和反射率因子资料获得一个相对准确的初始场后，采用WRF模式对2016年4月16日对由湖南移入江西的一次弓形飑线天气过程进行数值模拟研究和地形敏感性试验，以揭示地形对弓形飑线形成和演变的影响。

1 个例介绍

文中研究的强对流天气于2016年4月16日01时(北京时，下同)在湖南生成，此后逐步发展并快速向东移动，于04时演变成尺度较小的直线形飑线并进入江西，之后直线形飑线经过位于江西、湖南两省交界处的九岭山后演变成标准的弓形飑线，08时进入消散阶段。此次飑线过程伴随雷暴大风和短时强降水天气，造成27个县(市)出现短时强降水(≥20 mm/h)，以都昌县46.2 mm/h为最大，以及8个区域自动气象站出现短时10级以上雷雨大风，其中以金溪县合市站33.8 m/s为最大。

利用美国国家环境预报中心(NCEP)提供的每6 h一次、分辨率为1°×1°的再分析资料，分析此次强对流天气过程的大尺度环境背景。2016年4月15日20时500 hPa环流形势(图略)显示，中高纬地区，巴尔喀什湖一带存在一个强大的高压脊，脊前不断有冷空气沿新疆西部进入我国。中低纬地区，从河套地区到华北地区低槽加深东移，低槽后部不断有冷空气扩散南下，青藏高原地区有一低槽位于四川省西部，江西省中北部处于槽前西南急流中，并且温度槽落后于高度槽，强烈的斜压效应使得高空低槽不断发展东移，到16日02时低槽已经东移至重庆和贵州东部。槽后扩散南下的冷空气与西南暖湿气流在湖南地区上空交汇是触发此次强对流天气的重要因素。分析850 hPa和700 hPa形势场(图1)发现，湖南省西部和江西省中北部均受西南暖湿气流控制，其中700 hPa层的相对湿度为60%—80%，而850 hPa层上大部分区域相对湿度均大于80%。西南暖湿气流为飑线的发生提供了充足的水汽，且低层水汽比高层更加充沛。850 hPa层上湖南地区出现了西北风与西南风切变，这也有利于触发此次飑线天气。

2 雷达回波分析

九岭山为东北—西南走向狭长的条状山峰，最大高度超过1 500 m(图2)。图3给出了直线形飑线经过九岭山逐渐演变成弓形飑线的过程实况。16日04时左右线状强回波带从湖南移入江西宜春市(图3a)，此时其水平尺度还不大，层云降水区也不宽。之后，线状强回波带逐渐东移爬山，其东北侧有分散的对流单体生成并与主体合并(图3b、c)。05时，飑线结构清晰，宜春市存在一条东北—西南向带状强对流回波区，最大回波强度超过55 dBz，此时飑线前1 h所经之处均变成层状云降水区。此后，飑线主体东移下山，其形状由直线形逐渐演变成弓形，中心回波强度均维持在55dBz以上(图3d、e)。

图1 2016年4月16日02时700 hPa(a)、850 hPa(b)风场(矢线，单位：m/s)、温度场(红实线，单位：℃)和相对湿度场(填色，单位：%)

图2 九岭山海拔分布(单位：m；白色虚线内为九岭山)

06:30，飑线主体发展成熟，强对流区高度组织化，成为一个标准的弓形飑线，并伴有宽广的层云降水区，以及在强对流区和层云区中间存在有界弱回波区(图3f)。

3 模拟试验设计

3.1 雷达径向风同化方法

文中，采用Liang(2007)和Chen等(2017)改进后的基于IVAP( integrating velocity-azimuth process)方法的雷达径向风观测算子，在同化雷达观测时观测参数由雷达径向风及其空间分布特征计算而来，同时同化径向风和切向风信息。IVAP观测算子的观测空间(Y1、Y2)和分析空间(H1、H2)分别为：

(1)

(2)

3.2 云分析简介

GSI(Gridpoint Statistical Interpolation)云分析模块可以结合地面观测、卫星观测、雷达观测等多种观测资料计算云量，反演计算云冰、云水、雪、雨、雹等混合比。文中采用GSI中的云分析方法同化雷达反射率因子。使用RUC层云方案(Weygandt et al,2006)计算云水和冰的混合比，使用Thomps-on方案(Thompson et al,2004)计算雪、雨和雹的混合比。采用APPS方案(Hu et al,2006)调整云内的温度(假定云内温度垂直变化为湿绝热过程)，使云中温度与云场一致。采用RUC层云方案(Weygandt et al,2006)调整云中的水汽。

图3 观测的2016年4月16日04:00(a)、04:30(b)、05:00(c)、05:30(d)、06:00(e)、06:30(f)雷达组合反射率(单位：dBz)

3.3 资料来源和试验设计

研究使用WRF-ARW V3.9.1和GSI-3DVar V3.4分别作为预报模式和资料同化系统。采用三重嵌套方案，模拟区域中心为(30°N，114°E)(图略)。外层网格数为301×301，水平格距为9 km；第二层网格数为391×397，水平格距为3 km；最内层网格数为601×466，水平格距为1 km。垂直方向有50层，模式顶高为50 hPa。由每6 h一次、分辨率为1°×1°的NCEP再分析资料，通过WPS初始化模块处理得到2016年4月16日02时的插值场，以之作为初始背景场和侧边界场。同时，采用GSI自带的云分析方法(Hu et al，2006)同化江西省南昌、宜春、景德镇、上饶和抚州5部多普勒雷达的反射率因子资料，又采用IVAP方法(Liang,2007；Chen et al,2017)同化上述5部雷达的径向风资料。之后，以02时同化后的分析场作为初始场，向前预报6 h至08时结束，积分时间步长为30 s，每30 min输出一次结果。模式主要参数化方案为WDM6云微物理方案、RRTM长波辐射方案、Dudhia短波辐射方案、Noah陆面过程、YSU边界层方案、Monin-Obukhov地表方案，在第一重嵌套中采用Kain-Fritsch积云对流方案，第二重和第三重嵌套中关闭积云对流方案。文中主要对第三层网格的模拟结果进行分析。

为了探讨九岭山地形对直线形飑线演变成弓形飑线过程的影响，设计了两组试验：1)控制试验(CTLT)，模式使用真实的地形，模拟此次飑线经过九岭山后的发展演变过程；2) 模拟过程中将九岭山地形高度减半(HALF)，以分析地形对弓形飑线形成的影响。

4 模拟结果及分析

4.1 模拟雷达反射率与实况对比

将控制试验模拟的雷达组合反射率(图4)与实况观测(图3)对比分析发现，16日04:00(图4a)，线状强回波带从宜春市西部进入江西，其北侧出现了与实况类似的新生对流单体；随着线状强回波带东移爬山，北侧有分散的对流单体与其合并，强回波带水平尺度逐渐变大(图4b、c)；此后，系统东移下山的过程中，强回波带逐渐由直线形演变成弓形，中心强度大于55 dBz(图4d—f)。对比整个模拟过程，控制试验模拟的强对流区中心强度、位置和走向与实况有所差别，且模拟的层状云降水区过小；但是控制试验能够基本再现了直线形飑线经过九岭山后其尺度逐渐增大并演变成弓形飑线的过程。因此，CTLT试验的模拟结果可以用来探讨地形对弓形飑线形成的影响。

HALF试验模拟结果(图5)显示，将九岭山地形高度减半后，模拟的飑线发展演变过程与CTLT试验模拟结果有明显区别。总体来看，HALF试验和CTLT试验模拟的飑线移动速度均与实况一致。04:00—05:00时段(图5a—c)，HALF试验和CTLT试验模拟的飑线略相似均表现为直线形飑线水平尺度逐渐增大并向东移动，但CTLT试验模拟的强对流区较HALF试验略宽。飑线下山后(图5d—f)，HALF试验模拟的飑线仍然表现为直线形并继续向东移动，未能演变成弓形飑线，模拟的飑线发展演变过程与实况有很大差距。由此可知，九岭山地形直接影响飑线能否由直线形演变成弓形。

图4 CTLT试验模拟的2016年4月16日04:00(a)、04:30(b)、05:00(c)、05:30(d)、06:00(e)、06:30(f)雷达组合反射率(单位：dBz)

图5 同图4，但为HALF试验

4.2 动力和热力特征对比分析

后部入流急流和冷池是影响飑线演变成弓形的重要因素(Weisman,2001；金龙等，2013)。文中将通过对比分析两组试验的三维风场结构和近地面冷池，探讨地形对弓状飑线形成影响的内在原因。

图6显示了CTLT试验模拟的飑线由直线形演变成弓形过程中不同高度的风暴相对风场(即水平风场剔除飑线系统的水平移动速度)。04:30(图6a1—c1)，直线形飑线南段经过九岭山下山后，在1 km高度上出现了明显的后侧入流，其平均速度约为16.5 m/s，2 km高度上还未出现后侧入流，在3 km 高度上出现风速辐合。05:00—05:30时段(图6a2—c2、6a3—c3)，直线形飑线东移至完全下山过程中，在1 km和2 km高度上均出现了后侧入流，其平均速度约分别为23.2 m/s和17.8 m/s，1 km高度上的气流强于2 km高度，3 km高度上仍然存在风速的辐合。直线形飑线东移下山后(图6a4—c4、6a5—c5)，飑线由直线形逐渐演变成弓形，其后侧1 km和2 km高度上的后侧入流急流仍然非常强，其平均速度分别维持在24.5 m/s和19 m/s左右。在3 km高度上弓形飑线的北端出现了气旋性涡旋，飑线后侧也出现了一致的西风，但后向入流的强度明显弱于低层。中低层后侧入流急流和气旋涡度的出现均有利于飑线由直线形演变成弓形。

HALF试验模拟结果(图7)显示，降低九岭山地形高度后，所有时次1 km和2 km高度上的后侧入流气流比CTLT试验均显著偏小，尤其是气流下山后，1 km和2 km高度上的后侧入流气流速度比CTLT试验分别偏小6 m/s和10 m/s左右，因此HALF试验中2 km高度上的后侧入流气流非常弱。HALF试验中，在3 km高度上存在与1 km和2 km高度同位置、同强度的后侧入流，飑线前侧未出现明显的入流，这些也与CTLT试验结果存在明显差异。HALF试验与CTLT试验相似之处为05:30以后在3 km高度上飑线的北端也出现了气旋性涡旋。由此可知，气流在经过九岭山地形后下山增强，使得飑线后侧入流急流明显增强，进而导致飑线由直线形演变成弓形；当地形不存在后，气流下山则不会明显增强，飑线继续维持直线形并继续向前传播。

图8和图9分别给出了CTLT试验和HALF试验模拟的近地面小时变温和950 hPa地面风场。CTLT试验结果显示，在04:00—05:00时段(图8a—c)飑线东移下山过程中，冷池强度很弱，其中心值仅为-2 ℃，但在此过程中冷池面积逐渐增大，且伴随冷池出现的冷池出流也逐渐增强。此后，继续东移过程中(图8d—e)，冷池强度逐渐增大，冷池出流的强度也逐渐增大。当飑线演变成标准弓状回波时(图8f)，冷池中心强度低于-4 ℃。HALF试验结果(图9)显示，在04:00—05:00时段冷池及伴随的冷池出流的强度仅略弱于CTLT试验，但是飑线下山后的05:30—06:30时段，冷池及伴随的冷池出流的强度与CTRL试验差距更大。

对比分析实况(图10)和CTLT、HALF试验模拟的04时、05时、06时地面小时变温场发现，相较于HALF试验，CTRL试验模拟的冷池位置、范围和强度与实况更接近。由此可知，由于九岭山地形的存在，飑线在下山东移过程中冷池强度增强，导致飑线系统内的温度梯度增大，使得飑线后侧的入流也增强，进而有利于飑线向弓形演变；当地形不存在时，飑线东移过程中其后侧的冷池强度减弱，伴随的冷池出流减弱，飑线系统内的温度梯度同时也减小，飑线后侧的入流也减弱，此时飑线在东移过程中未能由直线形演变成弓形。

5 总结与讨论

利用GSI-3DVar同化系统中IVAP雷达径向风观测算子同化多部多普勒雷达径向风资料，采用云分析方法同化多部多普勒雷达的反射率资料后，将同化结果作为初始场，再利用WRF模式对2016年4月16日发生在江西省西北部的一次飑线天气过程进行数值模拟，探讨地形对飑线形成的影响及其原因，得到以下主要结论：

1) 此次飑线在高空低槽东移、西南急流、低层风切变和地面弱冷空气共同影响的背景下形成，水汽条件充沛。真实地形情景下模拟的雷达回波演变特征与实况相似，飑线在爬山的过程中尺度逐渐增大，下山后其形状由直线形逐渐演变成弓形。

图6 CTLT试验模拟的2016年4月16日1 km(左)、2 km(中)、3 km(右)高度风暴相对风场(矢线，单位：m/s)和雷达反射率因子(填色，单位：dBz)(蓝色等值线表示海拔大于500 m地形)(a.04:30，b.05:00，c.05:30，d.06:00，e.06:30)

图7 同图6，但为HALF试验

2) 飑线从九岭山东侧下山过程中气流增强，形成较强的后侧入流急流和近地面冷池，其形状也由直线形逐渐演变成弓形；当降低九岭山地形高度后，飑线东移过程中后侧入流气流明显减弱，且冷池范围和强度均减弱，其形状未能由直线形演变成弓形。

图8 CTLT模拟的2016年4月16日04:00(a)、04:30(b)、05:00(c)、05:30(d)、06:00(e)、06:30(f)950 hPa风场(矢线，单位：m/s)和小时变温场(填色，单位：℃)

图9 同图8，但为HALF试验

综上所述，九岭山地形直接影响飑线能否由直线形演变成弓形。然而，以上结论仅仅针对一次飑线过程，得到的结论不一定具有普适性，还需要综合多个飑线个例进行分析。并且，对于机理的分析还仅仅是定性分析，在今后的研究中需要通过定量计算来深入探究地形影响的内在机制。

图10 观测的2016年4月16日04:00(a)、05:00(b)、06:00(c)小时变温场(单位：℃)