一次强对流过程的数值模拟及结构分析

慕熙昱 葛文忠 方德贤

（南京大学中尺度灾害性天气教育部重点实验室 南京 210093）

摘 要：2003年4月12日，一条飑线袭击了江西、福建、浙江，所到之处出现冰雹、大风等强烈天气，这次过程强度强，影响范围大，三省交界及附近区域有二十几个测站出现冰雹、大风，冰雹直径有的达3cm以上，最大风速达32 m/s。本文利用建阳新一代天气雷达探测到的回波以及中尺度非静力数值模式（MM5）对这次过程进行数值模拟的模拟结果，对这次强对流过程的发生发展演变过程，强风暴单体的弓形回波、悬挂、入流缺口、涡旋等结构特征以及动力热力等特征进行分析，希望能够对强对流系统的识别与预报提供帮助。

关键词：强对流系统 雷达回波 数值模拟 弓形回波 中气旋

引 言：

中尺度强对流系统经常造成冰雹、大风、雷暴等严重的灾害性天气，带来巨大的损失。如何利用现有的观测手段及气象资料对这种强对流天气进行识别及预报，国际国内有很多人

【】

对此进行过多方面的研究分析。马翠平，张培昌1曾提出利用多普勒雷达观测的径向速度与实际气流间的几何关系，结合蓝金模式的中气旋模拟多普勒径向速度图，确定近似轴对称

【】

的中气旋中心及最大风速；廖玉芳2等利用新一代多普勒天气雷达资料分析了一次强对流

【】

系列风暴的钩状回波、悬垂回波、穹隆和三体散射；陈华，谈哲敏3通过对热带气旋的分析发现，热带气旋具有较强的螺旋性，热带气旋的发展过程就是螺旋度增强的过程；

B.Goldbaum

【4】

等指出螺旋度机制引导产生大气和流体中的扰动演变；蒙伟光

【6】

【5】

等利用湿位涡守

【7】

恒和倾斜涡度发展理论对华南暴雨和中尺度对流系统进行分析；胡福泉Kaltenbock 也对对流系统进行过分析。

[8]

等利用假相当位温的

和Rudolf

保守性对层结对流性不稳定进行判断，对强对流天气进行短时预报；Akos Horvath

2003年4月12日发生在江西、福建以及浙江地区的强对流过程是一次非常典型的强对流个例，它嵌套在大尺度的背景场中，对流云团不断在建阳西侧产生、加强，随环境流场由西向东移动，进而影响建阳附近地区。从雷达观测上还发现了弓形回波这一典型的强对流天气系统，下面就从地形、动力及热力方面对这次过程进行详细的分析。 一、 天气背景

中尺度系统的产生必然有适合它的大尺度的背景，本次过程的天气背景图如图1所示。从图1（a）可见强对流系统作用的区域位于高空500hPa高度场槽前，并且槽后温度低，槽前温度高，可知有明显的冷平流注入槽内。在建阳地区500hPa高空盛行稳定的西南气流。从图1（b）和图1（c）可以看出，850hPa在建阳西边存在一条长度约10个经距的切变线；在地面，建阳西侧也存在一条长约6、7个经距的冷锋，说明本次天气系统是一个强大的系统。从图1（b）和(c)中可以看出，对流发生区域位于850hPa切变线前面，也刚好位于地面冷锋的前端；850hPa切变线后方盛行东北气流，前方盛行西南气流，地面冷锋后盛行偏北气流，锋前盛行偏南气流，两支方向几乎截然相反的气流在此交汇，会产生强的切变甚至气旋。从背景场上可见，建阳及附近地区有发生强对流的条件。

（a） （b） （c）

图1，2003年4月12日00时（世界时），建阳天气形势图

（a）500hPa （b）850hPa （c）地面

二、雷达回波分析

本文中用到的雷达资料来自建阳新一代多普勒天气雷达（CINRAD）采用9层体扫模式观测到的资料。从2003年4月12日05时30分（世界时）开始，仰角为1.3度的雷达回波图（如图2所示）上可以看到，8点之前为弓形回波生成的阶段，也就是整个过程的发展阶段，在这一段时间里，回波由开始的一个小单体逐渐加强，很快的发展起来，后面发展形成的单体与它连接，形成一个长度约400km的强对流复合体。

图2 （a）～（q）2003年4月12日，05：30～10：30，1.3度仰角PPI

从图2（a）中看到，位于雷达中心西北方向200km距离的一块回波（图中红色方框表示区域，定义为第一块回波）还很弱，大部分为低于20dBz强度的回波，只有中心强度达到33～37dBz。雷达正北方向距离中心120km左右的回波（图中紫色方框表示的区域，定义为第二块回波）强度比较大，回波中出现大面积强度超过25dBz的回波，中心强度达到37～41dBz。这时两块回波之间还有几十km的距离。在第一块回波的西南方向还有两小块强度比较大的回波（图中黑色方框表示的区域，定义为第三块回波）。约15分钟后从图2（b）中，此时可以发现第一块回波已经发展加强，回波面积增大，回波强度也增大；第二块回波的面积和强度都减弱。两块回波之间的距离已经很小，几乎连接起来。第三块回波也已经移动到第一块回波的边缘，几乎连接起来。此时三块回波已几乎形成一个整体。约60分钟以后，从图2（c）上可以看出，第二块回波已经接近消散，原来的第一块和第三块回波已经发展加强成一个强对流单体，回波边缘整齐，中心强度达到50dBz。在雷达中心的西边距离200km处又出现两块中心强度达到37－41dBz的强回波块。约90分钟后，到07：02（图2（d））在雷达正北方向的回波边缘更整齐，强中心的面积增大，并且强中心结构也更加密实。雷达西边的两块对流性回波已经连成一片，面积增大。约两小时后在07：33（图2（e））建阳西边和北边的回波已经连起来成一个强对流复合体，整体向东移动。在回波前边边缘整体，回波强度大, 并且可以看出，此时的强中心回波由倾斜状态（东北－西南向）变成南北方向，

【8】

此时弓形回波形成。随后，飑线上其它部分也形成或发展出强单体，至07：58（图2（f））在建阳西北方向距建阳70～80km处沿东北西南方向，可以看到四个相对的强度达50－55dBz的强回波中心连成一条线，此时弓形回波达到最强。回波云头的强中心清楚的表现出一个向后的钩状。随后，回波的演变如图2（g）～（j）所示。约3小时后，至08：34（图2（k）），可以看到此时回波又倾斜，呈逗点形状。在持续四个小时后，弓形回波趋于消散（图2（l）～（q）），呈普通的强对流系统影响建阳地区。

图3，2003-04-12，08：15，回波顶高度示意图 （此图利用9层体扫数据插值成，所以会有环形出现）

（a） （b）

图4，2003-04-12，08：15，沿PPI各个强回波中心垂直剖面

回波顶高度是强对流系统的一个重要特征，从4月12日8点15分的回波顶高度的PPI

图（图3）上看到，回波中多处回波顶高度达到或超过13km，沿PPI图中各个强回波中心（图4（a）所示）做垂直剖面得到图4（b）。对图4（b）进行分析发现，在飑线上有多个回波中心，20dBz回波顶高度都达到15km，最高达到18km；中心强度都超过50dBz，最强达到70dBz。从图4（a）和（b）上还可以看出，最大的回波高度出现在建阳西北方向距离90km处，回波顶高度达到15km，对这个方向的垂直剖面图（图5）进行分析可以发现20dbz回波顶高度达到15km，50dbz回波顶高度达到9km，回波中心最强的地方，强度达到65dbz，高度有5km，60dbz的回波顶高超过6km。在6km处，50dbz的强中心明显向前方突出，形

【】

成悬挂回波。张鸿发9等对钩状回波的研究发现：钩状回波出现在强雷暴云移动方向后端的右侧，在雷达回波RHI显示上钩状回波与垂直剖面的悬挂体相对应；钩状处的悬挂体与回波主体(回波墙)之间有弱回波区或穹窿存在。

图5，2003－04－12，08：15，290度方位角垂直剖面

图6，图6，2003－04－12，08：15，200km探测范围，PPI

(a)1.5度仰角，强度PPI（b）2.4度仰角，强度PPI

（c）2.4度仰角，速度PPI

大量雷达观测和研究表明，除了回波顶高度外；回波高、中、低层回波在相应平面上的位置是如何配置的也是非常重要的。若环境大气的风垂直切变较强，上升速度较大，使得中低层回波强度梯度在低层如流一侧最大高层最大回波强度位于低层最大强度梯度区，中层强回波廓线向低层入一侧伸展，悬于低层回波区之上。由于低层上升速度较强，使在该处形成的降水质点被携带上升，形成了低层无回波（或回波很弱）类似穹隆状的弱回波区（WER）【10】

。对比分析图6（a）和（b）可以看出，在低仰角强度PPI（a）中，方框内的强度明显低于（b）中，并且同等强度的回波范围要小。从（c）中可以看到在方框内存在正负速度中心，有明显的风切变。对这一区域进行弱回波区的分析（如图7所示）发现，该区域强度确实存在由低层到高层先逐渐减弱后逐渐增强的现象，证明在方框里有弱回波区存在。

图7，2003-04-12，08：15，弱回波区分析结果图

图8，2003-04-12，08：03～08：33，VWP风场

一般强对流天气都产生在一定强度的水平风随高度变化的风场中，适当的水平风垂直切

【】

变有利于风暴的加强和较长时间的维持10。从2003年4月12日08：03～08：33VAD风场图（如图8所示）上可以看到，在这个持续的时间段上，从地面向上到3km高度有明显的顺时针方向的转动，并且风速也从低层到高层逐渐增大。说明风向和风速都有切变。这也是强对流天气的一个重要特征。

合成反射率是利用体扫数据，将对应垂直方向最大强度回波显示出来。雷达很难将暴雨和冰雹直接区分开来，但是大于55dBz的地方经常会产生冰雹。图9为2003年4月12日08：15合成反射率图，从图中可见，沿回波带上多处有65dBz的强度。图10为此时对应的垂直累积液态水（VIL）分布图，可以看到多个强中心对应的VIL已经达到20kg/m2。虽然

【】

有人对利用VIL进行冰雹预报提出置疑，但是观测证实大的VIL还是与冰雹有关系11。

图9，2003-04-12，08：15，合成反射率

图10，2003-04-12，08：15，垂直累积液态水（VIL）分布图

三、数值模式模拟结果分析

本例采用中尺度非静力数值模式MM5V3。模式水平方向均采用二重双向嵌套网格，粗网格区域格距为33公里，格点数为77×77；细网格区域格距为11公里，格点数为136×136。垂直方向采用坐标，模拟中取不等距的23层。网格中心位于建阳（118.15E, 27.35N）。

初始场采用NCEP（10×10）逐12小时再分析资料。在云物理方案中采用混合冰相，积云对流参数化方案采用Kuo方案，行星边界层参数化方案采用Blackadar高分辨率方案，大气辐射参数化方案采用Dudhia的云辐射方案，模式积分时间为24小时。 1、流场分析

从模拟结果的24小时流场（图略）来看，对流系统处于北方的东北气流和南方的西南气流共同影响下，因此在长度大约400km的系统内有多个中心，飑线内有强对流单体、弓形回波等等结构存在。弓形回波的一个重要特征是：回波前端是一个气旋性结构，尾端是一个反气旋性结构，在这两个结构之间有强的入流，从图11上能清楚的看到这一点。图中两个红色的方框表示气旋性结构，绿色方框表示反气旋性结构。从建阳西边的比较强的一组弓形回波结构看到在气旋结构和反气旋结构的中间有非常强的气流。在环境流场和柯氏力的作用下，反气旋性结构收到抑制，不如气旋性结构明显，所以只能看到反气旋性质的结构，却没有反气旋。这种多个弓形回波的结构与雷达观测的多中心的结果也是相符合的。

图11, 2003-04-12，10：00，模式模拟900hPa流场

2、探空曲线分析

利用探空曲线可以清楚的看到层结以及风随高度的变化，这对分析系统的时间演变和空间变化很有用，此外环境温度和气块温度的差异是表征有效位能的一个重要量，有效位能直接关系对流的发展。图12是建阳西边一个对流系统过境的点（1170E，280N）在不同时刻的探空曲线图。红色曲线表示气块温度，蓝色曲线表示环境温度。从图（a）（此时该点还没有受到对流系统的影响）中可以看到此时气块温度和环境温度相差不大，说明有效位能不大；从右侧风随高度变化示意图以及左上角的风矢端迹图看到此时风随高度的变化也不大。在对流系统刚好影响该点（图（b）所示）时，在500hPa～400hPa气块温度比环境温度高出50C。此时层结非常不稳定；风随高度变化图和风矢端迹图都表明风随高度增加有明显的逆转。表明此时对流发展旺盛。对应于此时的流场图上可以看出，此时该点正受弓形回波影响（图11所示）。到对流系统移出该点（图（c）所示）后，虽然风随高度增加还有逆转，但是气块温度与环境稳定差别不大，对流活动减弱，趋于消散。

（a） （b） （c）

图12，2003-04-12，点（1170E，280N）在对流发展前、中、后期的探空曲线

3、垂直结构分析

图13（a）为09点对飑线上一个强中心沿从西向东方向做的垂直剖面图。从图中可以

看到此时对流发展非常强烈，云顶达到200hPa。环境风从低到高逐渐增大，这使得整个回波稍微向前倾斜，云毡向前突出。在对流系统中间从地面到云顶都有强烈的上升运动，在近地面云底前方也有10 cm/s的上升运动（图中桔色框内所示），顶部上升速度达到183cm/s；中心的前后各有一个下沉中心，后部的下沉中心前端伸入对流云内（图中蓝色方框所示），下沉气流速度最大达6.2cm/s，前部的下沉中心位于对流云的外面，最大下沉速度达11.3 cm/s。这种速度结构说明对流系统还处在发展、维持期。图13（b）为10点对同一位置所做的垂直剖面。经过一个小时的发展，可以看到此时对流系统中心向前倾斜的更大，强对流中心顶高降低， 中间的上升速度由183 cm/s降到46.6 cm/s，并且上升速度中心离地；对流系统中的后半部都是下沉气流，下沉速度由6.2cm/s增加到9.9cm/s；回波前部的下沉中心增强，下沉中心位于云毡部位，最大下沉速度达21.5cm/s。此时对流已经开始减弱。

（a） （b）

图13，2003-04-12，沿（114.20E，26.70N）～（117.90E，27.10N）垂直剖面

（a）09：00 （b）10：00

4、螺旋度、有效位能、静力稳定度分析

螺旋度被定义为一个能产生速度和涡旋矢量的标量。它描述在旋转方向的流体运动或者运动

【】

方向的旋转量。在物理本质上，螺旋度反映了流体涡管相互扭结的程度12。很多人曾对对流系统中的螺旋度进行研究，发现气旋形成的过程也就是螺旋度增大的过程，螺旋度对稳定气旋及其长久的生命期具有重要的作用。环境流场的初始螺旋型结构有利于风暴的发展，在风暴的初始阶段，低的螺旋度有利于非线性能量转换成对流尺度，加速对流的和发展。在风暴的成熟阶段，螺旋度是高的，高的螺旋度能维持对流单体强盛期的能量并且使对流单体的生命期延长。正的旋转度大值中心及其演变较好地对应和反映了暴雨中心及造成暴雨的中尺度涡旋的发生位置及演变,较大的螺旋度值是暴雨及低层中尺度低涡和地面气旋系统发生发展的机制之一。图14（a）～（c）为06时、10时和14时的螺旋度流场平面分部图，图中黑点为建阳。可以看出06时在建阳附近螺旋度值不大，建阳西边高值区的范围也很小，最大值有418m2s-2。但是在系统旺盛的10时，可以看出螺旋度高值区的范围增大，最大值也增至580 m2s-2。在14时，此时对流系统已经过境，但是可以看到建阳西边、西北边依然

【】

有螺旋度高值区，最大有467 m2s-2。有效位能是指大气中能转化成动能的一部分能量13。它的计算是从自由对流高度到气块可以维持平衡的自由面的总浮力能。图15（a）～（c）为06时、10时和14时的有效位能分布图。对比图（a）和图（b）可以看到，随着对流过程的发展，有效位能最大值由2188J/Kg增加到3140J/Kg，有效位能高值区（1920，紫颜色）范围增大超过一倍。到14时（图（c））可以看到，此时高值区范围缩小到10时的一半，但是峰值依然有2940。图16（a）～（c）为系统发展前、中、后期的静力稳定度图。在系统发展前期（图（a））建阳西侧出现负的静力稳定度-0.0236，表明此时大气不稳定，对流正在发展；至10时（图（b））对流旺盛时可以看到静力稳定度为-0.037，不稳定加深；此后系统开始消散，至13时（图略）静力稳定度已经升高到-0.0006，大气近乎于稳定；14时（图（c））静力稳定度升高到0.037，这表明此时大气已经相当稳定。从上面的分析可以看出，静力稳定度随对流系统的发展非常敏感，对流系统开始发展的时候静力稳定度迅速增加，当对流系统开始消散的时候静力稳定度也迅速减弱；但是螺旋度和有效位能随对流发展不是很敏感，在对流发展阶段，螺旋度和有效位能先于系统的出现，迅速增大，在系统从旺盛期开始消亡阶段，螺旋度和有些位能依然能够持续很长时间的高值。

（a） （b） （c）

图14，2003-04-12，螺旋度平面分布图 （a）06：00 （b）10：00 （c）14：00

（a） （b） （c）

图15，2003-04-12，有效位能平面分布图 （a）06：00 （b）10：00 （c）14：00

（a） （b） （c）

图16，2003-04-12，静力稳定度平面分布图 （a）06：00 （b）10：00 （c）14：00

5、散度、涡度、上升速度分析

散度、涡度、上升速度在不同高度层的搭配是产生中尺度暴雨或强对流天气的重要判据，本节利用散度、涡度、上升速度以及温度平流在垂直方向的搭配分析对流系统。图17（a）为06时500hPa的上升速度图，此时对流处于发展期，从图中可以看出建阳西边有大面积的上升速度区，最大上升速度达到36.9cm/s，在两片大面积的上升区之间有一条狭窄的下沉速度带，下沉速度最大有8.37 cm/s；到08时（图17（b）所示），在上升速度区前面有大面积的下沉速度区，两者面积相当，上升最大速度几乎维持不变，而下降速度增至13.53 cm/s；至10时（图17（c）所示），建阳附件大部分区域为下沉速度区，上升速度降为26.77 cm/s，下沉速度有16.41 cm/s。可见在对流发展的开始阶段，上升速度很大，上升速度区面积也很大，当系统从旺盛期开始消散时，上升速度区面积减小，速度也减小，下沉速度开始增强。

（a） （b） （c）

图17，2003-04-12，500hPa垂直速度图 （a）06：00 （b）08：00 （c）10：00

（a） （b） （c）

图18（a），2003-04-12，散度、回波垂直剖面 （a）06：00 （b）10：00 （c）14：00

图18为对流发展三个事情散度和回波的垂直剖面。从图（a）上可以看到在对流发展初期，单体内从底到顶都有很强的负散度，说明此时整个系统都有强烈的辐合；到08时（图（b））系统依然在发展，此时云底有强烈的辐合，达到-51.45×10-5s-1，云顶还有很强的负散度，但是在500hPa～400hPa之间已经出现最大27.44×10-5s-1的辐散；在系统从强盛开始消弱的时候（图（c）），云底的辐合减弱为-25.7×10-5s-1，单体在低于500hPa处有明显的辐散。从这里的分析可以知道，在对流发展初期，单体内从底到顶有很强的辐合上升运动，当对流发展起来之后在500hPa附近开始出现辐散，在对流逐渐消散的时候，出现辐散的高度降低。 四、结论

通过对2003年4月12日发生在江西、浙江、福建三省交界处的一个对流过程，可以得出以下结论：

1、中尺度强对流系统的发生有适合它的大尺度背景的存在。

2、强对流系统云顶高度和强中心高度都很高，可以达到15km，强回波中心高度达到6km；对流系统内的风随高度增加有逆时针方向的切变。 3、在用雷达观测时，高层仰角的回波强度比低层仰角的回波强度强时要警惕弱回波的出现，这是强对流系统的一个重要特征。

4、可以用合成反射率和垂直累积含水量进行强对流天气的判断。

5、中尺度地形对中尺度系统的发生发展有重要的影响，特别是迎风破和喇叭口地形经常会产生新的单体或者加强已经存在的单体。

6、弓形回波的流场结构中前端存在气旋性结构，尾端存在反气旋性结构。

7、静力稳定度随对流系统的发展很敏感，当对流系统发展时，静力稳定度迅速减小，当对流系统从强盛开始消弱后，静力稳定度迅速增大。

8、螺旋度和有效位能随对流系统的发展而增大，当对流系统开始消散时，螺旋度和有效位能开始减小，但是减小的速度落后对流消散的速度。

9、在对流发展的初期，整个单体内几乎都是辐合上升区，但是当系统达到强盛状态，在500hPa附近会出现辐散区，随着系统的消散辐散区高度降低。

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