蘇濤， 苗峻峰*， 蔡親波

1 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京　210044 2 海南省氣象臺(tái)， ?？凇?70203

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海南島海風(fēng)雷暴結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬

蘇濤1， 苗峻峰1*， 蔡親波2

1 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京210044 2 海南省氣象臺(tái)， ?？?70203

摘要本文利用高分辨率WRF模式對(duì)2012年7月20日發(fā)生在海南地區(qū)的一次海風(fēng)雷暴過(guò)程進(jìn)行模擬，探討了海南島復(fù)雜地形下海風(fēng)雷暴的結(jié)構(gòu)、發(fā)展演變過(guò)程及其觸發(fā)機(jī)制.結(jié)果表明，海南島北部向內(nèi)陸傳播的海風(fēng)與南部受地形阻擋的海風(fēng)相遇后會(huì)形成海風(fēng)輻合帶，輻合帶能影響當(dāng)?shù)氐纳⒍群蜏u旋特征，為雷暴的發(fā)生發(fā)展提供有利的動(dòng)力和熱力學(xué)條件.海南島受熱帶海洋的影響較大，當(dāng)?shù)氐乃麠l件和對(duì)流潛勢(shì)長(zhǎng)期保持著有利于對(duì)流發(fā)展的狀態(tài)，自由對(duì)流高度始終處于較低的位置，一旦海風(fēng)輻合帶來(lái)的抬升運(yùn)動(dòng)克服對(duì)流抑制到達(dá)自由對(duì)流高度后，對(duì)流就能自主地發(fā)展起來(lái)，所以單純的海風(fēng)輻合也常常能觸發(fā)當(dāng)?shù)氐膹?qiáng)雷暴.雷暴發(fā)生發(fā)展過(guò)程中對(duì)流參數(shù)存在明顯的變化，其演變曲線的突變位置對(duì)雷暴的發(fā)生有一定的指示作用.海南島的海風(fēng)雷暴過(guò)程與當(dāng)?shù)氐膹?fù)雜地形密切相關(guān)，地形的動(dòng)力阻擋作用影響著低層海風(fēng)的輻合以及對(duì)流的發(fā)展.

關(guān)鍵詞復(fù)雜地形； 海風(fēng)雷暴； 海風(fēng)輻合線； 強(qiáng)對(duì)流天氣； 高分辨率數(shù)值模擬

The WRF-ARW model (Version 3.6) coupled with the Noah land surface is used to simulate the sea breeze thunderstorm over the Hainan Island during July 20, 2012. The characteristics of thunderstorm over complex terrain are analyzed with radar, satellite, sounding and surface observations data. The structure and evolution of thunderstorm as well as its trigger mechanism are also discussed. This paper is intended to represent the mechanism of sea breeze thunderstorm and improve the forecasting performance.

As a typical sea breeze thunderstorm day, there was a significant wind shift around the island. The low-level sea breeze and land cover caused a unique water vapor distribution, which provided the conditions for local thunderstorm to produce precipitation. The convective instability layer emerged in the southern part of the island, which was conducive to the formation and development of the convective activity. While the cold air in the north of island broke the unstable layer, the convection occurrence became more difficult in this region. After the sea breeze formed along the coast, it penetrated inland and developed gradually. Because of the topography forcing, northern and southern sea breezes met in the vicinity of Baoting station. As a result, a significant sea breeze convergence zone has formed, affecting local divergence and characteristics of vortex. Under the favorable dynamical condition, the local thunderstorm weather occurred. When sea breeze thunderstorm over Hainan is discussed, we should not only concern with the development of the sea breeze front, but also need to analyze the local distribution of convective inhibition. The evolution of local energy and convective parameters can indicate the arise of sea breeze thunderstorm in temporal and spatial scales. The large convective available potential energy (CAPE) and small convective inhibition (CIN) have provided favorable conditions for the development of thunderstorm before it occurred. As the occurrence of thunderstorm, the instability energy was released. The CAPE decayed rapidly and the CIN began to rise. It was a symbol that thunderstorm system has entered into the decline stage.

This study indicated that the characteristics of the sea breeze and thunderstorm can be reasonably simulated by WRF model. Under the influence of the tropical ocean, the water vapor, convective potential energy and the level of free convection keep long-lasting development state which is favorable for the convection. The convection would develop autonomously when the uplift produced by sea breeze convergence overcome the convective inhibition and reach free convection level, so the sea breeze convergence can often trigger thunderstorm in Hainan. The sea breeze thunderstorm is closely related to the local terrain, which affects the spatial and temporal distributions of low-level wind and convection convergence zone. This study is conducive to understand sea breeze thunderstorm over Hainan Island and the key factor to forecast it, but we still need further studies of more cases to support the relevant conclusion.

1引言

雷暴是在發(fā)展旺盛的積雨云中產(chǎn)生的，常伴有雷電、大風(fēng)和陣性降水.隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展以及城市化進(jìn)程的不斷加快，雷暴作為一種常見的災(zāi)害性強(qiáng)對(duì)流天氣，一直受到科學(xué)家們的高度關(guān)注(Kuhn et al., 1971; Rust and Doviak, 1982; Dickerson et al., 1987; 徐蓉等, 2013).雷暴的發(fā)展依賴于大氣的動(dòng)力、熱力和水汽條件，常由近地面中尺度系統(tǒng)觸發(fā)(Moncrieff and Miller, 1976; Colby, 1984; Wang et al., 2013; 汪雅等, 2013; 楊薇等, 2014; 苗峻峰, 2014).

海風(fēng)(Sea Breeze, SB)是沿海地區(qū)重要的中尺度環(huán)流現(xiàn)象之一，是由海陸熱力差異所引起的局地大氣環(huán)流(曹德貴，1993；薛德強(qiáng)等，1995；Miao et al., 2003, 2009; Miller et al., 2003; Crosman and Horel, 2010).海風(fēng)鋒(Sea Breeze Front, SBF)作為一種邊界層中尺度輻合線，與沿海地區(qū)雷暴的產(chǎn)生、組織和發(fā)展關(guān)系密切(Carey and Rutledge, 2000; Crook, 2001; Fovell, 2005; Azorin-Molina et al., 2015).海風(fēng)能提供抬升條件，誘發(fā)雷暴產(chǎn)生，同時(shí)雷暴的發(fā)展又能影響該地區(qū)的海風(fēng)和海風(fēng)鋒(Chen et al., 2014).本文把這種由海風(fēng)(鋒)引發(fā)的雷暴稱之為海風(fēng)雷暴(Sea Breeze Thunderstorm)(Pielke et al., 1991; May et al., 2002; Azorin-Molina et al., 2014).

Pearce(1955)利用非線性方程計(jì)算了海陸風(fēng)環(huán)流的變化，為海風(fēng)環(huán)流的數(shù)值模擬研究奠定了基礎(chǔ).隨后，Estoque(1961)改進(jìn)了Pearce的加熱函數(shù)，模擬出了海風(fēng)的鋒面特征.早期的二維模式只能從側(cè)面反映出海風(fēng)雷暴的存在，不能模擬出完整的海風(fēng)雷暴.Pielke(1974), Pielke和Mahrer(1978)引入實(shí)際海岸線和地形并改進(jìn)地面加熱部分，建立了首個(gè)比較完善的三維原始方程模式，模擬了佛羅里達(dá)地區(qū)的一次對(duì)流天氣過(guò)程，并用觀測(cè)資料對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)模式能大概地模擬出雷暴等強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生時(shí)間和地點(diǎn)，對(duì)近地面風(fēng)場(chǎng)和溫度的模擬效果較好，這標(biāo)志著海風(fēng)雷暴數(shù)值模擬研究的真正開始.隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和模式的不斷改進(jìn)，氣象學(xué)家通過(guò)數(shù)值模擬探討了海風(fēng)雷暴發(fā)生的熱力和動(dòng)力學(xué)條件、結(jié)構(gòu)和特征、發(fā)展演變過(guò)程及其觸發(fā)機(jī)制.Keenan等(1994)在對(duì)海風(fēng)雷暴的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，海風(fēng)雷暴的垂直結(jié)構(gòu)與內(nèi)陸一般雷暴相似，海風(fēng)鋒可以觸發(fā)多個(gè)復(fù)雜的雷暴單體，這些單體不斷合并加強(qiáng)，最終沿著海風(fēng)輻合線形成有組織的雷暴.Laird等(1995)對(duì)佛羅里達(dá)地區(qū)的一次雷暴事件進(jìn)行了討論，揭示出海風(fēng)鋒與天氣系統(tǒng)擾動(dòng)、近地面輻合線以及雷暴出流等系統(tǒng)的相互作用能導(dǎo)致成片雷暴的產(chǎn)生.Wissmeier等(2010)對(duì)達(dá)爾文島附近的海風(fēng)雷暴進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明海風(fēng)鋒對(duì)地面有明顯的增濕作用，同時(shí)還能提供輻合上升運(yùn)動(dòng)，在雷暴發(fā)生發(fā)展過(guò)程中起著胚胎和組織對(duì)流的作用.由于資料和技術(shù)的限制，國(guó)內(nèi)外海風(fēng)雷暴的相關(guān)研究主要集中在佛羅里達(dá)、澳大利亞和以天津?yàn)榇淼牟澈车貐^(qū)(Cooper et al., 1982; Keenan et al., 1989; Goler et al., 2006; 易笑園等, 2012, 2014; Liang and Wang, 2015).

海南島四面環(huán)海，受海洋的影響大，海陸風(fēng)強(qiáng)盛(朱乾根等，1983).當(dāng)?shù)卮髿庵泻胸S富的水汽，在山谷風(fēng)、海陸風(fēng)等局地環(huán)流的作用下，對(duì)流天氣發(fā)生頻繁，是我國(guó)著名的雷暴高發(fā)區(qū)，幾乎全年都有可能產(chǎn)生海風(fēng)雷暴(辛吉武等, 2008).海南島地處熱帶，太陽(yáng)輻射強(qiáng)，植被覆蓋面積大，海岸線和地形相對(duì)復(fù)雜，使得當(dāng)?shù)氐暮ｏL(fēng)雷暴具有一定的特殊性和復(fù)雜性.海風(fēng)雷暴的研究工作主要集中在沿海地區(qū)，很少涉及海南這樣的孤立島嶼，科學(xué)家們重點(diǎn)探討了海風(fēng)(鋒)觸發(fā)沿海雷暴的機(jī)制以及海風(fēng)雷暴的基本結(jié)構(gòu)，并對(duì)此形成了一定的了解，但是海風(fēng)(鋒)提供的抬升運(yùn)動(dòng)相對(duì)較弱，通常需要與其他系統(tǒng)相互作用才能觸發(fā)雷暴(王彥等, 2014; 劉彬賢等, 2015)，從整個(gè)島嶼的角度討論多條單純海風(fēng)(鋒)相互作用觸發(fā)雷暴的工作相對(duì)較少；并且海風(fēng)雷暴的發(fā)生區(qū)域多為沿海平坦地區(qū)，復(fù)雜地形下海風(fēng)雷暴的研究并不多；另外大部分?jǐn)?shù)值模擬所使用的是理想化模式，而且模式的分辨率比較低，無(wú)法捕捉到完全物理過(guò)程和真實(shí)下墊面情況下海風(fēng)雷暴的精細(xì)結(jié)構(gòu).本文利用高分辨率WRF(Weather Research and Forecasting)模式對(duì)海南島的一次海風(fēng)雷暴過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，揭示了復(fù)雜地形下海風(fēng)雷暴的結(jié)構(gòu)、發(fā)展演變過(guò)程及其觸發(fā)機(jī)制，以利于更好地了解海風(fēng)誘發(fā)雷暴的機(jī)理，提高其預(yù)報(bào)預(yù)警水平.

2資料介紹和個(gè)例選取

本文所選用的資料主要包括氣象臺(tái)站溫、壓、濕、風(fēng)等常規(guī)觀測(cè)數(shù)據(jù)和當(dāng)?shù)乩走_(dá)數(shù)據(jù)，NCEP-FNL提供的1°×1°逐6 h全球分析場(chǎng)資料，自動(dòng)站與CMORPH(The Climate Prediction Center Morphing Method)融合的1°×1°逐時(shí)降水資料，國(guó)家衛(wèi)星氣象中心的風(fēng)云衛(wèi)星遙感資料，歐洲中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)的ERA-Interim資料，NOAA/ESRL(National Oceanic and Atmospheric Administration/Earth System Research Laboratory)提供的探空資料.

2012年7月20日下午，海南島南北兩側(cè)的海風(fēng)在向內(nèi)陸傳播的過(guò)程中發(fā)生碰撞，造成了局地強(qiáng)雷暴天氣.整個(gè)雷暴過(guò)程從15∶00 BST(北京時(shí)，下同)左右開始，到18∶00趨于結(jié)束，強(qiáng)降水主要集中在南部地區(qū).從當(dāng)天的天氣形勢(shì)可以看出(圖略)，500 hPa西風(fēng)槽位于貝加爾湖至內(nèi)蒙古一帶，華南地區(qū)受副熱帶高壓外圍控制，海南處于副高的底后部；850 hPa海南周圍的等值線稀疏，水平氣壓梯度較小，背景風(fēng)場(chǎng)相對(duì)較弱，沒有明顯的天氣系統(tǒng).

此次雷暴過(guò)程的降水落區(qū)主要集中在南部的保亭和五指山等地，局地性較強(qiáng)，同時(shí)島嶼的東北部也存在著對(duì)流活動(dòng)，并在定安附近形成了小雨量級(jí)的降水(圖1a).地面觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在此次雷暴過(guò)程中保亭站的降水量最大，單站小時(shí)降水量達(dá)到了61 mm.在該站的溫度-對(duì)數(shù)壓力圖上(圖1b)，當(dāng)?shù)貙?duì)流有效位能(Convective Available Potential Energy, CAPE)達(dá)到了2523 J·kg-1，而對(duì)流抑制能量(Convective Inhibition, CIN)很小，有利于強(qiáng)對(duì)流和雷暴的形成，可降水量(Precipitable Water, PW)大于5 cm，降水條件相對(duì)較好.相當(dāng)黑體亮溫(Black Body Temperature, TBB)能反映出降水和對(duì)流活動(dòng)的分布情況，其量值大小與降水強(qiáng)度存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，亮溫越低表示對(duì)流越活躍(劉韻蕊和張熠, 2011; 卓鴻等, 2012).從云頂亮溫的演變(圖2)可以看出，下午15∶00左右海南南部和東北部有對(duì)流活動(dòng)形成，對(duì)應(yīng)著保亭、五指山和定安降水過(guò)程的開始，16∶00—17∶00對(duì)流活動(dòng)的范圍迅速擴(kuò)大，強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，之后系統(tǒng)逐漸減弱消散，雷暴過(guò)程趨于結(jié)束.

圖1　(a) 2012年7月20 日自動(dòng)站與CMORPH融合資料的24 h累積降水(單位：mm)；(b) 2012年7月20 日14∶00保亭站的T-lnP圖

圖2　2012年7月20 日的相當(dāng)黑體亮溫(單位：℃)(a) 15∶00； (b) 16∶00； (c) 17∶00； (d) 18∶00.

此次海風(fēng)雷暴發(fā)生在較為穩(wěn)定的環(huán)流形勢(shì)中，具有突發(fā)性特征，持續(xù)時(shí)間短、降水強(qiáng)度大、局地性強(qiáng)，是一次典型的雷暴單體事件，其發(fā)生發(fā)展與低層的海風(fēng)環(huán)流有關(guān).本文選取此次海風(fēng)雷暴過(guò)程作為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)診斷和數(shù)值模擬分析，探討海風(fēng)與雷暴之間的關(guān)系.

3模式定制

本文采用中尺度模式WRF-ARW V3.6(Skamarocket al.,2008)對(duì)此次海風(fēng)雷暴的演變過(guò)程和三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬.WRF-ARW模式是新一代可壓縮的非靜力平衡模式，正廣泛應(yīng)用于中小尺度對(duì)流系統(tǒng)的模擬，對(duì)海風(fēng)雷暴有一定的模擬能力(Wissmeier et al., 2010).

此次模擬的起始時(shí)間為2012年7月19日02∶00 BST，積分46 h，前22 h為模式調(diào)整(spin-up)時(shí)間.試驗(yàn)所選用的物理參數(shù)化方案如表1所示，其中D3和D4區(qū)域因?yàn)樗礁窬嘈∮? km，所以并未使用積云對(duì)流參數(shù)化方案(Wang et al., 2015).模式的初始場(chǎng)和邊界條件由NCEP-FNL 1°×1°的再分析資料提供，模擬采用雙向反饋的四重嵌套方案(圖3a)，模式的最外層區(qū)域覆蓋了亞洲大部分地區(qū)，包含了各個(gè)尺度的背景強(qiáng)迫信息；模式最里層嵌套區(qū)域?yàn)楹Ｄ蠉u及其周邊海域，陸地和海洋的比例約為1∶1，有利于海風(fēng)的充分激發(fā).模式嵌套區(qū)域的水平分辨率分別為27、9、3、1 km；垂直方向?yàn)椴坏乳g距的35個(gè)σ層，模式層頂氣壓為100 hPa.模式采用了WRF(V3.6)中新的地理數(shù)據(jù)和NCEP的MODIS_30s土地利用類型數(shù)據(jù)，能夠相對(duì)準(zhǔn)確地反映出海南島的地形和土地利用情況.

圖3　模擬區(qū)域示意圖(a) 模式嵌套區(qū)域；(b) D4區(qū)域的地形(單位：m)；(c) D4區(qū)域的土地利用類型.

物理過(guò)程選用的參數(shù)化方案短波輻射Dudhia方案(Dudhia,1989)長(zhǎng)波輻射RRTM方案(Mlaweretal.,1997)微物理學(xué)Linetal.方案(Linetal.,1983)積云參數(shù)化(僅D1、D2)Kain-Fritsch方案(Kain,2004)邊界層YSU方案(Hongetal.,2006)陸面過(guò)程N(yùn)oah方案(ChenandDudhia,2001)

海南島地勢(shì)復(fù)雜，西南部山地高聳，以五指山、雅加大嶺和鸚哥嶺三大山脈為核心，向外逐級(jí)遞減，構(gòu)成了典型的環(huán)形層狀地貌(圖3b)，是研究復(fù)雜地形下海風(fēng)雷暴的理想?yún)^(qū)域.海南的土地利用類型以農(nóng)田(黃色)和森林(綠色)為主，城市(紅色)多分布在以?？诤腿齺啚榇淼难睾５貐^(qū)(圖3c).

4模擬與觀測(cè)的比較

本文利用臺(tái)站提供的實(shí)際觀測(cè)資料，選取瓊海、陵水、東方、?？谒膫€(gè)站點(diǎn)，分別代表海南島東南西北四個(gè)方向，將各站點(diǎn)實(shí)際觀測(cè)的近地面風(fēng)場(chǎng)與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，檢驗(yàn)此次過(guò)程的模擬效果，同時(shí)了解當(dāng)天海南島的風(fēng)場(chǎng)特征和海陸風(fēng)的具體表現(xiàn).在亞洲夏季風(fēng)的影響下，海南島月平均(2012年7月)近地面風(fēng)場(chǎng)主要表現(xiàn)為偏南風(fēng)，風(fēng)向在白天出現(xiàn)了較小的擾動(dòng)，但在總體上基本保持穩(wěn)定(圖4).雷暴發(fā)生當(dāng)天風(fēng)向的日變化與平均后的演變相差較大，島嶼的東部、南部和北部都存在明顯的風(fēng)向轉(zhuǎn)變，由夜間的離岸風(fēng)變?yōu)榘滋斓南虬讹L(fēng)，轉(zhuǎn)向的角度接近于180°；風(fēng)速在白天有著顯著的增加，與平均場(chǎng)的變化基本一致，但午后最大風(fēng)速要略大于平均的最大風(fēng)速，表現(xiàn)出了典型的海風(fēng)特征.由于偏西背景風(fēng)的存在，島嶼西部東方站的風(fēng)向變化較小，一直維持著海洋吹向陸地的偏西風(fēng).各站風(fēng)速的日變化曲線比較相似，隨著海風(fēng)的發(fā)展，風(fēng)速逐漸變大，最大風(fēng)速都出現(xiàn)在午后，說(shuō)明白天海風(fēng)的強(qiáng)度大于夜間陸風(fēng)，在偏西背景風(fēng)的影響下，海風(fēng)在各站的表現(xiàn)有所不同，西部東方站風(fēng)速偏大，東部瓊海站風(fēng)速偏小.島嶼東西兩側(cè)的海陸風(fēng)特征與偏西背景風(fēng)密切相關(guān)，瓊海站海風(fēng)的開始時(shí)間相對(duì)較晚，直到午后才逐漸形成海風(fēng)，東方站全天都表現(xiàn)為向岸風(fēng)，在背景風(fēng)的阻擋下夜間陸風(fēng)難以形成；而島嶼南北兩側(cè)受背景風(fēng)的影響較小，海風(fēng)都在上午爆發(fā)，持續(xù)到傍晚結(jié)束，但是南北兩側(cè)的海風(fēng)也存在差異，在島嶼南部復(fù)雜地形的作用下，陵水站海風(fēng)的開始時(shí)間遲于北部海口站，該站風(fēng)向風(fēng)速波動(dòng)頻繁，演變過(guò)程沒有海口站規(guī)律.通過(guò)觀測(cè)和模擬的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，兩者的日變化曲線接近，說(shuō)明模式對(duì)近地面風(fēng)場(chǎng)有著較好的模擬能力，反映出了海風(fēng)的主要特征.

從?？谡撅L(fēng)廓線的對(duì)比(圖5a)來(lái)看，模擬風(fēng)速、風(fēng)向隨高度的變化與觀測(cè)結(jié)果較為吻合，變化趨勢(shì)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)基本一致，說(shuō)明模式較好地模擬出了雷暴發(fā)生當(dāng)天大氣的垂直結(jié)構(gòu).圖5b是7月20日15∶00—18∶00累計(jì)降水量的對(duì)比，從圖中可知，本次海風(fēng)雷暴過(guò)程的局地性比較強(qiáng)，降水主要集中在保亭、五指山附近，保亭的降水達(dá)到了暴雨量級(jí)，模擬的降水區(qū)域和降水強(qiáng)度與觀測(cè)結(jié)果基本相同.模擬的最大降水不是正好出現(xiàn)在保亭站，而是在其南側(cè)，這可能是由于觀測(cè)站的分布不夠密集，造成了觀測(cè)的最大降水出現(xiàn)在保亭的假象，使得觀測(cè)和模擬的降水落區(qū)出現(xiàn)了小的偏差.從雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的對(duì)比(圖6)可以看出，模式能較好地模擬出雷暴出現(xiàn)的時(shí)間和地點(diǎn)，模擬的雷達(dá)反射率強(qiáng)度與觀測(cè)值相差不大，對(duì)流中心的強(qiáng)度大致保持在50 dBZ以上.總的來(lái)說(shuō)，此次海風(fēng)雷暴過(guò)程的模擬效果相對(duì)較好，能基本反映出雷暴單體的相關(guān)信息.

5模擬結(jié)果分析

5.1水汽條件和假相當(dāng)位溫特征

雷暴是一種劇烈的天氣現(xiàn)象，在其發(fā)生發(fā)展期間會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致近地面的各種氣象要素發(fā)生變化(陳洪濱和朱彥良, 2012).隨著海風(fēng)雷暴的逐漸移近，保亭站的氣象要素表現(xiàn)為氣壓涌升、氣溫驟降、風(fēng)速增大(圖略)，這種氣象要素的明顯變化對(duì)雷暴的發(fā)生有一定的指示作用，能為強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)提供一些先兆特征.

海南島四面環(huán)海，在熱帶海洋的影響下，常年都具有較好的水汽條件(圖7b)，這使得海南當(dāng)?shù)氐膶?duì)流以濕對(duì)流為主，雷暴過(guò)程常伴有降水產(chǎn)生.在此次雷暴發(fā)生之前，保亭、五指山等南部山區(qū)的相對(duì)濕度達(dá)到了90%以上(圖7a)，為這次雷暴過(guò)程在該地區(qū)的降水提供了條件.海南島低層海風(fēng)相互作用形成了一條海風(fēng)輻合帶(圖中用黑色粗線標(biāo)記)，在該輻合帶的影響下，島嶼東南沿海存在一條水汽高值帶與之相對(duì)應(yīng).而南部山區(qū)充沛的水汽可能與植被覆蓋有關(guān)，植被的蒸騰作用能使局地的水汽含量增加，同時(shí)森林中風(fēng)速小、氣溫低，有利于水汽的保持(Kelliher et al.,1997).五指山、鸚哥嶺等山區(qū)的下墊面以常綠林為主(圖3b)，森林覆蓋率接近100%，因此該地區(qū)的水汽含量比較高，同時(shí)相對(duì)濕度的氣候場(chǎng)也表現(xiàn)出了森林覆蓋區(qū)的水汽含量大于其他下墊面區(qū)域的特征(圖7b).

圖4　2012年7月20日模擬、觀測(cè)以及月平均風(fēng)向(左側(cè)，單位：°)、風(fēng)速(右側(cè)，單位：m·s-1)的比較(a) 瓊海站； (b) 陵水站； (c) ?？谡?； (d) 東方站.

圖5　(a) 2012年7月20日08:00海口站模擬與觀測(cè)風(fēng)速(WS, 單位：m s-1)、風(fēng)向(WD, 單位：°)的比較；(b) 2012年7月20日15∶00—18∶00模擬(陰影)和觀測(cè)(數(shù)值)累計(jì)降水量(單位：mm)的比較

圖6　2012年7月20日16:00反射率的比較(a) 雷達(dá)觀測(cè)的反射率(單位：dBZ)； (b) 模擬的反射率(單位：dBZ).

圖7　(a) 2012年7月20 日15∶00的10 m風(fēng)場(chǎng)(單位m·s-1)和2 m相對(duì)濕度場(chǎng)(單位：%)；(圖中黑色粗線所標(biāo)記的位置為海風(fēng)輻合帶)(b) 海南島近30年7月份平均的2 m相對(duì)濕度場(chǎng)(單位：%)

熱帶地區(qū)水汽源匯和動(dòng)力輸送是約束水汽循環(huán)、影響水汽分布的有效機(jī)制(平凡和羅哲賢, 2007)，考慮到此次雷暴主要是由海南島南北兩側(cè)經(jīng)向海風(fēng)相互碰撞造成的，為了討論在海風(fēng)輸送作用和地形動(dòng)力阻擋下當(dāng)?shù)厮麠l件的變化，本文經(jīng)雷暴中心(18.65°N, 109.7°E)作一條經(jīng)向剖面(圖3b中AB線)，討論海風(fēng)向內(nèi)陸推進(jìn)過(guò)程中物理量的垂直分布情況.圖8給出了該剖面圖上水汽混合比的分布，從圖中可以看出09∶00混合比的等值線相對(duì)平穩(wěn)，陸地上的水汽低于兩側(cè)的海洋，等值線呈現(xiàn)兩側(cè)高中間低的“V”字型，這是因?yàn)楹Ｑ笙聣|面的含水量比陸地高得多，從而影響了低層的濕度；隨著時(shí)間的推移，兩側(cè)的海風(fēng)開始向內(nèi)陸輸送水汽，使得內(nèi)陸的水汽含量逐漸增加，并產(chǎn)生了波動(dòng)，同時(shí)隨著太陽(yáng)輻射能量在地面的積聚，下墊面的蒸發(fā)作用迅速增強(qiáng)，湍流、對(duì)流等垂直運(yùn)動(dòng)越發(fā)活躍，更易將低層的水汽輸送到高層，“V”字型逐漸變成了“A”字型，表示陸地上空的濕度高于海洋.保亭、五指山等強(qiáng)降水區(qū)的混合比在15∶00達(dá)到最高，近地面超過(guò)了20 g·kg-1，為該地區(qū)的降水提供了條件，這與圖7中顯示的結(jié)果是一致的.

假相當(dāng)位溫θse是體現(xiàn)溫度、氣壓、濕度等綜合特征的物理量，它對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展有著較好的指示意義(鄭永光等, 2007).由于海南島的最高地形在1.8 km左右，常規(guī)意義上的850 hPa高度層上存在被地形覆蓋的虛假信息.為了便于分析，本文選擇在2.0 km(約800 hPa)高度層上討論相關(guān)物理量的變化.從2 km高度上θse的分布(圖9a)可以看出，海南島南部山區(qū)和東部沿海為θse的高值區(qū)，最大值在360 K以上，對(duì)應(yīng)著高能暖濕氣流區(qū)，暖濕氣流的存在能有效地加強(qiáng)當(dāng)?shù)氐膶?duì)流不穩(wěn)定(劉建勇等, 2012)，造成了南部保亭、五指山以及東北部定安等地的對(duì)流活動(dòng).假相當(dāng)位溫隨高度的變化是引起對(duì)流性不穩(wěn)定局地變化的主要原因之一(韓丁等, 2013)，在圖9b中，假相當(dāng)位溫呈現(xiàn)出隨高度增加而減小的總體趨勢(shì)，在熱帶海洋的影響下，海南島南北兩側(cè)及其鄰近海域低層的假相當(dāng)位溫都超過(guò)了360 K，但海洋上θse高值區(qū)的厚度明顯小于陸地的，其344 K等值線處于2 km以下，而在陸地上卻接近3 km.海南島南部的θse隨高度增加嚴(yán)格減小，低層等值線比較密集，垂直遞減率大，表示該地區(qū)低層受暖濕氣流控制，高層為較為干冷的氣流，屬于對(duì)流不穩(wěn)定性層結(jié)，一旦有合適的擾動(dòng)就能觸發(fā)對(duì)流上升運(yùn)動(dòng)；而在海南島北部19.7°N附近，1 km以下的θse等值線呈鉤狀，表示有冷空氣侵入到近地面層，干冷與暖濕空氣在此處交匯，下暖上冷的不穩(wěn)定層結(jié)遭到破壞，使得海南島北部對(duì)流活動(dòng)的形成變得相對(duì)困難.

5.2水平結(jié)構(gòu)特征

海風(fēng)雷暴發(fā)生當(dāng)天，海南島背景風(fēng)場(chǎng)較弱，沒有明顯的天氣系統(tǒng)，海-陸間的局地環(huán)流比較清楚，容易被識(shí)別和捕捉.從風(fēng)場(chǎng)隨時(shí)間的演變(圖10)可以看出，20日上午海南受偏西背景風(fēng)控制(圖10a)，氣流受到山區(qū)的阻擋，出現(xiàn)繞流和爬坡.爬坡的氣流到達(dá)山區(qū)時(shí)不再呈現(xiàn)規(guī)則的西南風(fēng)，而是表現(xiàn)為比較混亂的風(fēng)場(chǎng)；繞流的部分在海南東北部形成偏西、西北氣流.島嶼的北側(cè)海域存在較弱的偏北風(fēng)，可能是受到了南亞大陸殘余陸風(fēng)的影響.隨著太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)，海陸熱力差異逐漸增加，海風(fēng)開始在沿海地區(qū)形成(圖10b)，東部沿海出現(xiàn)了海風(fēng)的輻合，隨后海風(fēng)進(jìn)一步增強(qiáng)發(fā)展并不斷地向內(nèi)陸推進(jìn).15∶00—18∶00海風(fēng)發(fā)展到最為強(qiáng)盛的階段(圖10c和圖10d)，在海南島的東部沿海到南部山區(qū)一帶，形成了明顯的輻合系統(tǒng)，分別對(duì)應(yīng)著保亭、五指山以及定安的對(duì)流活動(dòng)和降水(圖1a).海南島海風(fēng)的這種分布規(guī)律、發(fā)展過(guò)程和持續(xù)時(shí)間與之前張振州等人(2014)所得到的結(jié)論是一致的.當(dāng)?shù)氐暮ｏL(fēng)輻合線通常由向內(nèi)陸傳播的北部海風(fēng)與受地形阻擋的南部海風(fēng)相遇形成，同時(shí)在熱帶海洋的影響下，當(dāng)?shù)睾ｏL(fēng)消散得比較晚，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，直到傍晚仍然保持活躍.

圖8　2012年7月20日沿圖3b中AB線水汽混合比(單位：g·kg-1)的垂直剖面圖(a) 09∶00； (b) 12∶00； (c) 15∶00； (d) 18∶00. 橫坐標(biāo)上的藍(lán)色區(qū)域代表海洋，灰色區(qū)域代表陸地；白色區(qū)域是被地形覆蓋的部分.

圖9　2012年7月20日15∶00的(a)2 km高度假相當(dāng)位溫水平分布(單位：K)；(b)沿圖3b中AB線的垂直剖面(單位：K)

圖10　2012年7月20日的10 m風(fēng)場(chǎng)(單位：m·s-1)(a) 09∶00； (b) 12∶00； (c) 15∶00； (d) 18∶00.圖中陰影表示地形高度(單位：m)

圖11　2012年7月20日沿圖3b中AB線的10 m風(fēng)場(chǎng)(矢量箭頭，單位：m·s-1)時(shí)間-經(jīng)向剖面圖(圖中虛線包圍的部分表示北部海風(fēng)，實(shí)線包圍的表示南部海風(fēng))；圖形右側(cè)是對(duì)應(yīng)的地形剖面 (橫坐標(biāo)為地形高度，單位：m)

圖12　2012年7月20日的模擬反射率(陰影，單位：dBZ)(a) 15∶00； (b) 16∶00； (c) 17∶00； (d) 18∶00.

沿海復(fù)雜地形是影響海陸風(fēng)和海風(fēng)雷暴的重要因子之一(Sow et al., 2011).海南島地勢(shì)復(fù)雜，表現(xiàn)為典型的環(huán)形層狀地貌，是研究復(fù)雜地形下海風(fēng)雷暴的理想?yún)^(qū)域.從10 m風(fēng)場(chǎng)和地形的剖面圖(圖11)可以看出，早上07∶00左右島嶼北部沿海已經(jīng)開始有海風(fēng)形成，隨著時(shí)間的推移逐漸向南傳播，傳播的過(guò)程中海風(fēng)得到發(fā)展，風(fēng)向發(fā)生調(diào)整，風(fēng)速逐漸增大.南部海風(fēng)的形成相對(duì)較晚(11∶00左右)，但是海風(fēng)形成初期風(fēng)速就比較強(qiáng)，接近4 m·s-1，這可能是由于島嶼南部地形復(fù)雜，較弱的海風(fēng)難以維持和傳播；只有當(dāng)海陸溫差足夠大，海風(fēng)比較強(qiáng)時(shí)，它才能克服山地的阻擋，逐漸向內(nèi)陸傳播.南北兩支海風(fēng)向內(nèi)陸傳播的距離明顯不同，北部地勢(shì)相對(duì)平坦，有利于海風(fēng)的侵入，海風(fēng)向內(nèi)陸傳播的距離長(zhǎng)，同時(shí)海風(fēng)在向內(nèi)陸傳播的過(guò)程中逐漸增強(qiáng)，海風(fēng)抵達(dá)鸚哥嶺山脈(19.3°N)時(shí)，偏北風(fēng)速已經(jīng)達(dá)到6 m·s-1，使得海風(fēng)能越過(guò)山脈繼續(xù)向南傳播，海風(fēng)越山后強(qiáng)度有所減弱，風(fēng)速變成了4 m·s-1；而南部海風(fēng)的形成和發(fā)展受到了地形的阻擋，向北傳播的距離相對(duì)較短，未能形成明顯的越山氣流.15∶00左右南北兩支海風(fēng)在山脈南側(cè)的保亭(18.65°N, 109.7°E)附近相遇，并造成了當(dāng)?shù)氐睦妆┨鞖夂蛷?qiáng)降水活動(dòng).

氣象雷達(dá)可以掃描對(duì)流系統(tǒng)的三維層面，展現(xiàn)其平面影像和垂直狀況，能直接反映出雷暴的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，同時(shí)雷達(dá)反射率與降水強(qiáng)度之間也存在著指數(shù)關(guān)系(Uijlenhoet, 2001).圖12表示雷暴發(fā)生期間雷達(dá)反射率的演變，從中可以看出，雷暴形成階段(圖12a)，雷達(dá)反射率的分布比較散亂，強(qiáng)度較弱，最大反射率在40 dBZ左右，這種大范圍的零散對(duì)流主要是由午后輻射增暖所造成的.雷暴成熟階段(圖12b)，保亭及其西側(cè)逐漸發(fā)展形成了兩條西北-東南走向的強(qiáng)回波帶，圖6a中觀測(cè)的雷達(dá)回波以及圖5b中模擬的降水也呈現(xiàn)出了類似的帶狀分布，表明除了保亭有雷暴發(fā)生之外，其西南側(cè)也存在弱的雷暴單體，但是由于當(dāng)?shù)貨]有觀測(cè)站記錄，所以在實(shí)況上未能發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的雷暴活動(dòng)和降水，這也表明常規(guī)觀測(cè)不易捕捉到完整的雷暴信息.17∶00—18∶00太陽(yáng)輻射的變化導(dǎo)致了海風(fēng)強(qiáng)度的減弱，從而無(wú)法為對(duì)流提供足夠的抬升條件，雷暴開始進(jìn)入消散階段，整個(gè)雷暴過(guò)程趨于結(jié)束(圖12c和圖12d).

海風(fēng)輻合帶不僅能夠影響低層環(huán)流場(chǎng)和水汽的分布，還能改變當(dāng)?shù)氐纳⒍群蜏u旋特征，為對(duì)流的發(fā)展提供動(dòng)力學(xué)條件.圖13a是雷暴發(fā)展旺盛時(shí)期(16∶00)海南島2 km高度散度場(chǎng)和降水量的疊加，圖中的散度低值區(qū)與風(fēng)場(chǎng)上的輻合帶相對(duì)應(yīng).雖然海風(fēng)輻合帶附近存在有利的水汽條件和上升運(yùn)動(dòng)，但此次雷暴過(guò)程主要發(fā)生在輻合帶南端的保亭站附近，東部沿海輻合區(qū)并未形成明顯的降水.雷暴的發(fā)生發(fā)展需要充沛的水汽、較強(qiáng)的抬升運(yùn)動(dòng)以及不穩(wěn)定層結(jié)等條件，所以東部沿海輻合線上沒有形成強(qiáng)對(duì)流可能是受到了當(dāng)?shù)貙咏Y(jié)狀況和不穩(wěn)定能量的限制，該問(wèn)題將在后面加以討論.垂直螺旋度(Vertical Helicity)是垂直速度與渦度垂直分量的乘積，是描述環(huán)境風(fēng)場(chǎng)氣流旋轉(zhuǎn)程度和運(yùn)動(dòng)強(qiáng)弱的動(dòng)力參數(shù)，可以有效地表征潛在不穩(wěn)定能量的釋放，準(zhǔn)確地反映強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)的動(dòng)力場(chǎng)結(jié)構(gòu)(Lilly, 1986; Molinari and Vollaro, 2008; 冉令坤和楚艷麗, 2009).從垂直螺旋度的分布(圖13b)可以看出，雷暴發(fā)生期間保亭、五指山等地的低層存在一個(gè)等值線高值區(qū)，與該時(shí)刻的雷達(dá)反射率以及降水的分布一致，表明該區(qū)域有較強(qiáng)的渦旋和垂直運(yùn)動(dòng).此次雷暴與低層海風(fēng)所形成的輻合帶密切相關(guān)，輻合帶南端的動(dòng)力學(xué)條件有利于雷暴的發(fā)展，海風(fēng)輻合能引發(fā)低層的渦旋和垂直運(yùn)動(dòng)，觸發(fā)局地強(qiáng)對(duì)流活動(dòng).

5.3垂直結(jié)構(gòu)特征

上述水平風(fēng)場(chǎng)和環(huán)流場(chǎng)的分布揭示出雷暴的發(fā)生發(fā)展與低層的海風(fēng)輻合密切相關(guān).為了更加深入地了解低層海風(fēng)增強(qiáng)垂直運(yùn)動(dòng)從而誘發(fā)雷暴產(chǎn)生的具體過(guò)程，本節(jié)對(duì)海風(fēng)雷暴的垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行了討論.首先從風(fēng)場(chǎng)的垂直分布(圖14a)可以看出，海南島低層表現(xiàn)為南北海風(fēng)的輻合，島嶼北部的海風(fēng)相對(duì)強(qiáng)盛，低層的偏北風(fēng)達(dá)到了6 m·s-1以上，海風(fēng)的厚度接近2 km；島嶼南部的海風(fēng)相對(duì)較弱，風(fēng)速不大，海風(fēng)厚度不到1 km，但其海風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)比較完整，18.7°N附近表現(xiàn)出了海風(fēng)頭部(Sea Breeze Head, SBH)的特征，而且在1 km高度上存在明顯的海風(fēng)回流，這可能與地形和高空風(fēng)有關(guān)，南部的陡峭地形，阻擋了海風(fēng)的推進(jìn)，強(qiáng)迫氣流抬升從而形成了高空回流；同時(shí)高空的氣流也有利于海風(fēng)回流的形成.向南傳播的北部海風(fēng)克服地形阻擋與南部較為淺薄的海風(fēng)在保亭(18.65°N, 109.7°E)附近相遇，并與海風(fēng)回流和越山氣流相互作用，造成了該地區(qū)的垂直運(yùn)動(dòng)，但其表現(xiàn)得并不是特別的強(qiáng)盛，中心垂直風(fēng)速約為2.0 m·s-1.地形的阻擋減弱了海風(fēng)的強(qiáng)度，導(dǎo)致其輻合產(chǎn)生的強(qiáng)垂直運(yùn)動(dòng)主要集中在2～3 km以下，未能伸展得太高.低層上升運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)著強(qiáng)的正螺旋度中心，但是由于受到垂直運(yùn)動(dòng)延伸高度的限制，高層只顯示出弱的螺旋度負(fù)值區(qū)，并未形成強(qiáng)的負(fù)值中心.圖14b給出的是保亭站垂直速度和雨水混合比隨時(shí)間和高度的變化，等值線所表示的垂直速度與陰影區(qū)所表示的雨水混合比之間有著很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，雷暴發(fā)生期間存在較強(qiáng)的垂直沿保亭(18.65°N, 109.7°E)分別作經(jīng)向和緯向剖面(圖15和圖16)，以便討論雷暴的發(fā)生發(fā)展在經(jīng)緯向上的差異，圖中反射率的演變能直接反映出雷暴強(qiáng)度和位置的變化.由于受到地形分布的影響，雷暴在經(jīng)向和緯向上的表現(xiàn)明顯不同.從雷暴形成到消散的過(guò)程中(15∶00—17∶00)，雷暴單體向北移動(dòng)了10 km左右，但向西卻移動(dòng)了近30 km，雷暴向北移動(dòng)的距離明顯小于向西移動(dòng)的距離；同時(shí)雷暴在北移的過(guò)程中減弱消散的速度相對(duì)較快，17∶00已經(jīng)趨向于消亡，回波主體強(qiáng)度小于30 dBZ，但雷暴的西移受地形影響較小，雷暴在17∶00仍然表現(xiàn)得比較強(qiáng)盛，雷達(dá)回波接近50 dBZ.此次海風(fēng)雷暴的垂直結(jié)構(gòu)與一般內(nèi)陸雷暴基本相似，但也存在不同于常規(guī)雷暴的地方.此次雷暴的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中，雖然當(dāng)?shù)氐拇怪边\(yùn)動(dòng)沒有超過(guò)3 km，垂直風(fēng)速也不是太強(qiáng)，但是雨水混合比的分布卻達(dá)到了5～6 km(圖14)，雷達(dá)反射率更是伸展到了10 km以上.海南島位于低緯地區(qū)，受熱帶海洋影響大，水汽、動(dòng)力和熱力條件都比較有利，所以海風(fēng)輻合和垂直抬升條件不需要太強(qiáng)就能克服對(duì)流抑制達(dá)到自由對(duì)流高度，自主的發(fā)展對(duì)流，這也是海南島常年雷暴頻發(fā)的主要原因之一.

圖13　2012年7月20 日16∶00的(a)2 km高度水平散度場(chǎng)(等值線，單位：10-4 S-1)和小時(shí)降水量(陰影，單位：mm)；(b)2 km高度垂直螺旋度(等值線，單位：10-6 m·s-2)和模擬的2D反射率(陰影，單位：dBZ)

圖14　(a) 2012年7月20日16∶00沿圖3b中AB線風(fēng)場(chǎng)(矢量箭頭，w擴(kuò)大10后合并，單位：m·s-1)、垂直速度(陰影，單位：m·s-1)和垂直螺旋度(等值線，單位：10-5 m·s-2)的剖面圖； (b) 2012年7月20日的垂直速度(等值線，單位：m·s-1)和雨水混合比(陰影，單位：g·kg-1)的時(shí)間-高度剖面圖

圖15　2012年7月20日沿保亭(18.65°N, 109.7°E)的模擬反射率經(jīng)向剖面圖(單位：dBZ)，(a)15∶00，(b)16∶00，(c)17∶00，(d)18∶00和(e)地形高度剖面圖(單位：m)以及雷暴各階段的位置(箭頭)

圖16　2012年7月20日沿保亭(18.65°N, 109.7°E)的模擬反射率緯向剖面(單位：dBZ)，(a)15∶00,(b)16∶00,(c)17∶00,(d)18∶00和(e)地形高度剖面(單位：m)以及雷暴各階段的位置(箭頭)

圖17　2012年7月20 日15∶00的(a)對(duì)流有效位能(CAPE),(b)對(duì)流抑制能量(CIN)的水平分布(單位：J·kg-1)

圖18　2012年7月20 日雷暴區(qū)域的(a)對(duì)流有效位能(CAPE)、對(duì)流抑制能量(CIN)(單位：J·kg-1),(b)邊界層高度(PBLH)、自由對(duì)流高度(LFC)隨時(shí)間的演變(單位：m)

運(yùn)動(dòng)和較大的雨水混合比，垂直速度的最大值約為2.0 m·s-1，出現(xiàn)在2 km附近，雨水混合比的高值中心為2.0 g·kg-1，出現(xiàn)在1 km附近.雖然垂直運(yùn)動(dòng)和雨水混合比的高值中心都出現(xiàn)在低層，但其在垂直方向上卻伸展得比較高，雨水混合比0.2 g·kg-1的陰影區(qū)甚至延伸到了5～6 km高度處.

5.4局地能量分析

前文在分析雷暴的水平結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)島嶼東部沿海的海風(fēng)輻合未能誘發(fā)雷暴的原因可能與當(dāng)?shù)氐膶咏Y(jié)狀況和不穩(wěn)定能量有關(guān)，本文將在這一部分對(duì)局地能量和層結(jié)狀況進(jìn)行重點(diǎn)討論.在描述大氣對(duì)流潛勢(shì)的參數(shù)中，對(duì)流有效位能和對(duì)流抑制能量的物理意義最為清晰(Moncrieff and Miller, 1976; Colby, 1984)，對(duì)流有效位能越大，對(duì)流抑制能量越小，則雷暴或深厚濕對(duì)流就越容易發(fā)生.圖17a是對(duì)流有效位能的分布情況，其分布類型與相對(duì)濕度(圖7a)以及低層散度(圖13a)一致，高值區(qū)在東南沿海的海風(fēng)輻合帶附近，有利于該區(qū)雷暴等強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展，但在圖17b中東部沿?；咎幱陉幱皡^(qū)，表示該地區(qū)有著較高的的對(duì)流抑制能量，強(qiáng)對(duì)流難以形成和發(fā)展.東南沿海地區(qū)低層海風(fēng)輻合所產(chǎn)生的抬升運(yùn)動(dòng)只能促使對(duì)流抑制能量較低的南端產(chǎn)生對(duì)流活動(dòng)，而東部沿海雖然位于輻合帶上，但同時(shí)也處在較大的對(duì)流抑制區(qū)中，海風(fēng)的垂直運(yùn)動(dòng)無(wú)法克服當(dāng)?shù)氐膶?duì)流抑制，從而不能形成有組織的對(duì)流.

考慮到保亭單站對(duì)流參數(shù)演變的隨機(jī)性太強(qiáng)，文中根據(jù)雷暴的發(fā)生發(fā)展過(guò)程(圖12)，對(duì)雷暴發(fā)生區(qū)域(18.4—18.9°N, 109.4—110°E)的對(duì)流參數(shù)進(jìn)行平均，得到相關(guān)物理量的演變曲線(圖18).圖18a中顯示出雷暴發(fā)生前CAPE比較大，超過(guò)了2000 J·kg-1，CIN比較小，處于10 J·kg-1以下，為雷暴的形成提供了有利的條件.兩者在15∶00左右都存在一個(gè)明顯的拐點(diǎn)，這恰好是雷暴發(fā)生的時(shí)間.雷暴發(fā)生后不穩(wěn)定能量得到釋放，有效位能迅速衰減，對(duì)流抑制能量上升，對(duì)流潛勢(shì)減弱，層結(jié)逐漸趨于穩(wěn)定.因此分析對(duì)流參數(shù)演變曲線的突變位置，對(duì)雷暴發(fā)生的時(shí)間有一定的指示和預(yù)報(bào)意義.邊界層高度(Planetary Boundary Layer Height, PBLH)和自由對(duì)流高度(Level of Free Convection, LFC)能反映出低層大氣的湍流活動(dòng)和層結(jié)狀況(圖18b).隨著時(shí)間的推移，通常太陽(yáng)輻射會(huì)逐漸增強(qiáng)，邊界層高度不斷增加，當(dāng)太陽(yáng)輻射減弱時(shí)，邊界層高度會(huì)隨之減小，但是由于雷暴的存在，在其強(qiáng)垂直運(yùn)動(dòng)的影響下，保亭站附近的邊界層高度在1 km左右維持了一段時(shí)間，直到雷暴活動(dòng)結(jié)束才再次開始減小.在自由對(duì)流高度之下，氣塊的抬升需克服對(duì)流抑制，當(dāng)氣塊突破該高度層后可以通過(guò)浮力做功來(lái)獲得能量，從而使對(duì)流得到發(fā)展，在雷暴發(fā)生過(guò)程中自由對(duì)流高度較低，位于700 m附近，意味著當(dāng)?shù)貙?duì)流的觸發(fā)不需要太強(qiáng)的擾動(dòng)，單純的海風(fēng)輻合完全可以誘發(fā)雷暴的產(chǎn)生.

6總結(jié)和討論

本文利用WRF-ARW模式(V3.6)，對(duì)2012年7月20日發(fā)生在海南的一次海風(fēng)雷暴過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)合臺(tái)站常規(guī)觀測(cè)資料、雷達(dá)資料、衛(wèi)星資料以及探空資料分析了此次雷暴的三維結(jié)構(gòu)、發(fā)展演變過(guò)程及其觸發(fā)機(jī)制，討論了海南島復(fù)雜地形下海風(fēng)雷暴的特征.

海風(fēng)雷暴發(fā)生當(dāng)天，島嶼四周存在明顯的風(fēng)向轉(zhuǎn)變，海風(fēng)特征典型，同時(shí)WRF模式較為準(zhǔn)確地反映出了海風(fēng)的主要特征以及雷暴的相關(guān)信息.海南島的低層海風(fēng)和植被覆蓋造成了獨(dú)特的水汽分布形式，為當(dāng)?shù)乩妆┗顒?dòng)產(chǎn)生降水提供了有利條件.雷暴發(fā)生當(dāng)天，海南島南部表現(xiàn)為對(duì)流不穩(wěn)定性層結(jié)，有利于對(duì)流活動(dòng)的形成和發(fā)展；而在島嶼北部，低層冷空氣的入侵破壞了下暖上冷的不穩(wěn)定層結(jié)，使得該地區(qū)對(duì)流的觸發(fā)變得相對(duì)困難.海南島的海風(fēng)形成后，逐漸發(fā)展并向內(nèi)陸推進(jìn)，在地形的作用下，南北兩支海風(fēng)在保亭附近相遇，形成了顯著的海風(fēng)輻合區(qū)，影響當(dāng)?shù)氐纳⒍群蜏u旋特征，為對(duì)流的發(fā)展提供了有利的動(dòng)力學(xué)條件，最終造成了當(dāng)?shù)氐睦妆┨鞖?

沿海雷暴特別是強(qiáng)雷暴的產(chǎn)生通常依賴于海風(fēng)與其他中尺度系統(tǒng)的相互作用，單純的海風(fēng)輻合是難以形成觸發(fā)機(jī)制的(Carbone et al.,2000;王彥等,2011)，但是由于海南島位于低緯地區(qū)，受熱帶海洋的影響較大，水汽和熱力條件長(zhǎng)期保持著有利于對(duì)流發(fā)展的狀態(tài)，抬升條件只需要使氣塊克服對(duì)流抑制達(dá)到自由對(duì)流高度，不穩(wěn)定能量就能得到強(qiáng)烈的釋放，對(duì)流可以自主地發(fā)展和加強(qiáng)，因此海南島單純海風(fēng)的輻合也能觸發(fā)當(dāng)?shù)氐膹?qiáng)雷暴.

海南島地理位置特殊，自由對(duì)流高度通常比較低，容易觸發(fā)對(duì)流，只要局地對(duì)流抑制不強(qiáng)，微弱的擾動(dòng)都有可能觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流的產(chǎn)生，所以在探討海南島的海風(fēng)雷暴時(shí)，不僅要關(guān)注海風(fēng)(鋒)的發(fā)展情況，還需要分析當(dāng)?shù)貙?duì)流抑制能量的分布狀況.同時(shí)局地能量和對(duì)流參數(shù)的演變能夠指示和預(yù)報(bào)海風(fēng)雷暴發(fā)生的區(qū)域和時(shí)間.雷暴發(fā)生前CAPE比較大，CIN小，為雷暴的發(fā)生發(fā)展提供了有利條件，雷暴發(fā)生后不穩(wěn)定能量得到釋放，有效位能迅速衰減，對(duì)流抑制能量開始上升，標(biāo)志著雷暴系統(tǒng)進(jìn)入消亡階段.

在整個(gè)海風(fēng)雷暴的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中，地形的作用不可忽視(洪雯和王毅勇，2010)，復(fù)雜的地形影響著當(dāng)?shù)睾ｏL(fēng)雷暴的發(fā)生地點(diǎn)、移動(dòng)距離以及雷暴的主體強(qiáng)度.本文考慮了地形對(duì)海風(fēng)雷暴的動(dòng)力阻擋作用，對(duì)地形熱力效應(yīng)并沒有展開過(guò)多的討論.海風(fēng)在誘發(fā)沿海雷暴的同時(shí)，雷暴也能影響海風(fēng)，海風(fēng)雷暴的發(fā)生發(fā)展能改變地表的氣象要素，使近地面形成中尺度高壓，抑制海風(fēng)的發(fā)展，導(dǎo)致海風(fēng)的維持時(shí)間明顯縮短，陸風(fēng)提前爆發(fā)(Chen et al., 2014).文中主要分析了海風(fēng)對(duì)雷暴的觸發(fā)作用，并沒有討論雷暴影響海風(fēng)的具體表現(xiàn)，希望在今后的工作中能進(jìn)行更加深入的研究.此外，本文僅探討了一次海風(fēng)雷暴過(guò)程，仍需要大量的個(gè)例研究來(lái)驗(yàn)證相關(guān)結(jié)論.

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(本文編輯胡素芳)

基金項(xiàng)目公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(GYHY201306009)資助.

作者簡(jiǎn)介蘇濤,男，1992年生，碩士研究生，研究方向?yàn)閺?qiáng)對(duì)流天氣. E-mail: sutao175819@163.com *通訊作者苗峻峰，男，教授，博士生導(dǎo)師, 研究方向?yàn)橹谐叨葦?shù)值模擬. E-mail: miaoj@nuist.edu.cn

doi:10.6038/cjg20160106 中圖分類號(hào)P401

收稿日期2015-04-13，2015-10-09收修定稿

A numerical simulation of sea breeze thunderstorm structure over the Hainan Island

SU Tao1, MIAO Jun-Feng1*, CAI Qin-Bo2

1KeyLaboratoryofMeteorologicalDisasterofMinistryofEducation,NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing210044,China2HainanMeteorologicalObservatory,Haikou570203,China

AbstractThe land-sea breeze system is a wind pattern that is observed in coastal regions. It is generated by the differences in the heat budgets of the land and sea surfaces. The role of the sea breeze circulation, including the sea breeze front, in triggering thunderstorm has long been recognized. The afternoon thunderstorms triggered by sea breeze can affect the basic characteristics of the sea breeze and its change. In this paper, the thunderstorm caused by sea breeze is called sea breeze thunderstorm. Surrounded by the sea, Hainan Island has strong sea breeze and rich water vapor under the influence of tropical ocean. It has a high incidence of sea breeze thunderstorm, which is triggered by interaction of local circulations such as land-sea breeze and mountain-valley breeze.

KeywordsComplex terrain; Sea breeze thunderstorm; Sea breeze convergence zone; Severe convective weather; High-resolution simulation

蘇濤， 苗峻峰， 蔡親波. 2016. 海南島海風(fēng)雷暴結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬.地球物理學(xué)報(bào)，59(1):59-78,doi:10.6038/cjg20160106.

Su T, Miao J F, Cai Q B. 2016. A numerical simulation of sea breeze thunderstorm structure over the Hainan Island.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(1):59-78,doi:10.6038/cjg20160106.