安禮政 劉安寧 宋昊冬 夏網(wǎng)萍 王蓓元

(1 淮安市氣象局，江蘇 淮安 223000；2 江蘇省氣象臺(tái)，南京 210041)

引 言

中尺度對(duì)流系統(tǒng)(Mesoscale Convective System，MCS)是造成暴雨、冰雹、雷雨大風(fēng)和龍卷等災(zāi)害性天氣的重要系統(tǒng)，其水平尺度為2～2 000 km，具有旺盛的對(duì)流活動(dòng)特征。MCS往往由對(duì)流單體、多單體風(fēng)暴和超級(jí)單體風(fēng)暴以各種形式組織而成[1-3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)MCS的結(jié)構(gòu)存在不同定義。MacGorman， et al[4]認(rèn)為MCS是一群與環(huán)境相互作用并能改變環(huán)境的雷暴群且隨后產(chǎn)生比單個(gè)雷暴單體更大更長(zhǎng)生命周期的中尺度對(duì)流系統(tǒng)。Schunmacherd， et al[5]用雷達(dá)反射率因子定義了MCS，將其定義為對(duì)流系統(tǒng)中反射率因子大于40 dBZ的區(qū)域且范圍大于100 km，持續(xù)時(shí)間為3～24 h。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為MCS在其生命周期里包含一定程度對(duì)流發(fā)展的結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)可能是有組織的線狀或準(zhǔn)圓形，也可能是無(wú)組織的，但均能產(chǎn)生強(qiáng)降水，MCS生命周期內(nèi)包含有組織或者無(wú)組織的對(duì)流發(fā)展結(jié)構(gòu)[6-7]。

觀測(cè)資料時(shí)空分辨率的提高以及計(jì)算機(jī)性能的飛速發(fā)展加深了對(duì)MCS演變過(guò)程大尺度環(huán)流背景和MCS形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征的影響的認(rèn)識(shí)。胡寧等[8]利用多源觀測(cè)資料和中尺度數(shù)值模式(Weather Research and Forecasting Model，WRF)模擬分析了華南地區(qū)具有兩種不同形態(tài)特征的MCS影響過(guò)程，論證了環(huán)境條件對(duì)于對(duì)MCS形態(tài)的影響。王曉芳等[9]對(duì)一次由地面風(fēng)場(chǎng)輻合線觸發(fā)的帶狀MCS研究表明此次過(guò)程中整個(gè)對(duì)流帶呈波動(dòng)分布，對(duì)流層中低層有低渦活動(dòng)，在低渦和地面輻合線共同觸發(fā)下產(chǎn)生相應(yīng)的氣流輻合區(qū)并演變?yōu)镸CS。張晰瑩等[10]結(jié)合多種觀測(cè)資料分析同樣表明地面輻合線和高空切變線的一致性觸發(fā)促使MCS發(fā)展并向不穩(wěn)定能量區(qū)移動(dòng)。

江淮地區(qū)是我國(guó)MCS的多發(fā)地區(qū)，MCS的活動(dòng)特征受到廣大學(xué)者的關(guān)注。研究表明梅雨期間是江淮地區(qū)MCS的活動(dòng)多發(fā)時(shí)期，且多以邊發(fā)展邊東移特征為主[11-12]。王曉芳等[13-14]研究了梅雨期中尺度對(duì)流系統(tǒng)的活動(dòng)特征和天氣背景，長(zhǎng)江中下游地區(qū)梅雨期線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生個(gè)數(shù)比非線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生個(gè)數(shù)略多，而江淮梅雨期間高溫高濕環(huán)境是各類線狀MCS發(fā)展環(huán)境的共同特征。劉瑞翔等[15-16]利用FY2的黑體溫度(Black Body Temperature， TBB)資料研究了江淮地區(qū)MCS的統(tǒng)計(jì)特征，并研究了伴隨中尺度對(duì)流渦旋(Mesoscale Convectlve Vortex, MCV)特征的MCS過(guò)程中MCV對(duì)于激發(fā)和加強(qiáng)原有對(duì)流系統(tǒng)的作用，探討其對(duì)于形成持續(xù)性降水的影響。張舒陽(yáng)等[17]借助WRF模式對(duì)于江淮地區(qū)梅雨鋒過(guò)程中MCS造成的暴雨過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，探討環(huán)境背景此次MCS過(guò)程的影響。

然而上述研究大多基于較強(qiáng)天氣尺度強(qiáng)迫背景下出現(xiàn)的MCS過(guò)程，目前對(duì)于弱天氣尺度強(qiáng)迫背景下的MCS活動(dòng)特征的研究依然相對(duì)較少。本文利用多源觀測(cè)資料，結(jié)合高分辨率WRF數(shù)值模式對(duì)造成淮北地區(qū)較強(qiáng)降水的一次弱天氣尺度強(qiáng)迫背景下的MCS過(guò)程進(jìn)行分析與模擬，對(duì)地面輻合線在其演變過(guò)程中的作用進(jìn)行討論，以期為該類型MCS造成的強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)提供參考。

1 天氣實(shí)況

2016年8月7日淮北地區(qū)出現(xiàn)中到大雨，局部暴雨降水過(guò)程(圖1)。其中江蘇徐州、宿遷與安徽東部交界處較強(qiáng)降水區(qū)域是由一次弱天氣尺度強(qiáng)迫背景下的MCS過(guò)程造成的，國(guó)家站中江蘇省睢寧站(58130)和安徽省五河站(58129)分別出現(xiàn)了84.3 mm和64.6 mm的暴雨，江蘇省睢寧站(58130)、泗洪站(58135)和安徽省五河站(58129)均出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水(圖1紅色五角星處)。上述3個(gè)站降水強(qiáng)度逐時(shí)變化如圖1b所示，結(jié)果表明此次MCS過(guò)程強(qiáng)降水時(shí)段集中在12—16時(shí)(北京時(shí)，下同)之間，降水對(duì)流性特征明顯，強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間較短，各地降水強(qiáng)度差異較大，最大降水強(qiáng)度為79.2 mm·h-1，于13—14時(shí)出現(xiàn)在睢寧站。

2 資料與方法

使用的資料包括常規(guī)的地面、高空觀測(cè)資料，美國(guó)國(guó)家環(huán)境氣象中心和美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCEP/NCAR) FNL 1°×1°空間分辨率逐日4次的再分析資料(https://rda.ucar.edu/datasets/ds083.2/)；FY2-G的5 km空間分辨率逐時(shí)的云頂輻散溫度(TBB)資料(http://data.cma.cn/data/cdcdetail/dataCode/SK.0613.001.html)；淮安雷達(dá)站(站號(hào)9517，高度67.7 m，緯度33.2428°N， 經(jīng)度118.8258°E)組合反射率因子產(chǎn)品。

圖1 2016年8月7日08—20時(shí)12 h累積降水量實(shí)況(a， 單位: mm; 其中圖中紅色標(biāo)識(shí)處分別表示睢寧站、泗洪站和五河站) 和出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水國(guó)家站的降水強(qiáng)度逐時(shí)變化特征(b， 單位: mm·h-1)Fig.1 Distribution of observed 12 hours accumulated precipitation (a， unit: mm; the red pentacles indicate the location of Suining station， Sihong station and Wuhe station) from 08∶00 BST to 20∶00 BST on 7 August 2016 and hourly change of precipitation intensity (b， unit: mm·h-1) of the stations which occurred short-time heavy precipitation

圖2 WRF模擬區(qū)域設(shè)置Fig.2 Map of WRF model domains

利用WRF4.0中尺度數(shù)值模式對(duì)此次MCS過(guò)程進(jìn)行模擬。采用3層嵌套網(wǎng)格(圖2)，水平分辨率分別為27 km、9 km、3 km，垂直方向上有40層，模式頂為50 hPa。模式從2018年6月27日08時(shí)開(kāi)始積分，積分時(shí)長(zhǎng)為24 h，以NCEP/NCAR FNL再分析資料作為初始場(chǎng)和邊界條件。云微物理參數(shù)化方案采用LIN方案，邊界層采用Mellor-Yamada-Janjic方案，外層兩個(gè)網(wǎng)格對(duì)流參數(shù)化方案采用Katin-Fritsch方案，內(nèi)層網(wǎng)格關(guān)閉對(duì)流參數(shù)化方案。作為對(duì)比的降水實(shí)況資料為中國(guó)氣象局的CMORPH(CPC MORPHing technique) 0.1°×0.1°空間分辨率的逐時(shí)降水融合產(chǎn)品，該資料有效利用了地面觀測(cè)和衛(wèi)星反演降水各自的優(yōu)勢(shì)，在降水量和空間分布上更為合理，相比于常規(guī)的站點(diǎn)資料在分析區(qū)域性降水分布特征中具有優(yōu)勢(shì)[18-20]。

3 MCS環(huán)流形勢(shì)及診斷分析

3.1 MCS環(huán)流形勢(shì)

本次MCS過(guò)程發(fā)生在弱天氣尺度強(qiáng)迫背景下(圖3)。2016年8月7日08時(shí)200 hPa高空急流位于45 °N以北，我國(guó)中部地區(qū)有深厚的切斷低壓形成的高空冷渦活動(dòng)，而淮北地區(qū)處于高壓脊控制，有利于高空輻散(圖3a)。高空冷渦從200 hPa一直延伸至500 hPa，臺(tái)灣東部西北太平洋地區(qū)有殘留熱帶低壓活動(dòng)，淮北地區(qū)處于兩個(gè)高空低壓之間(圖3b)。850 hPa江蘇東部均為殘留熱帶低壓外圍偏東轉(zhuǎn)東南氣流控制(圖3c)，存在一定的海上水汽的輸送。地面圖上淮北地區(qū)處于低壓倒槽的頂部(圖3d)，存在較明顯東南風(fēng)轉(zhuǎn)東北風(fēng)向切變，但是由于風(fēng)速較小，地面輻合較弱。

8月7日08時(shí)徐州站探空資料(圖4)表明925～500 hPa均為弱的西南氣流控制，水汽輸送作用較弱，對(duì)流層中低層濕度較大，但是700 hPa以下對(duì)流層低層相對(duì)較干。對(duì)流指數(shù)表明此時(shí)K指數(shù)達(dá)到37℃，CAPE值達(dá)到2 133 J·kg-1且呈狹長(zhǎng)帶狀分布，抬升凝結(jié)高度(Lifting Condensation Level, LCL)較低為999 hPa，對(duì)流抑制能量(Convective Inhibition, CIN)為0 J·kg-1，地面出現(xiàn)輻合后極易觸發(fā)對(duì)流，此外0～6 km垂直風(fēng)切變較小為0.47×10-2s-2，上述對(duì)流指數(shù)均為有利于出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的特征[21]。

圖3 2016年8月7日08時(shí)(a) 200 hPa、(b) 500 hPa、(c) 850 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)和(d)海平面氣壓場(chǎng) (其中陰影為水平風(fēng)速，單位：m·s-1；a—c中等值線為位勢(shì)高度，單位：10 gpm；d中等值線為海平面氣壓，單位：hPa)Fig.3 The composite of geopotential height field (contours， unit: 10 gpm) for (a) 200 hPa，(b) 500 hPa，(c) 850 hPa, while mean sea level pressure field (d, contours， unit: hPa) with wind speed field (shaded areas， unit: m·s-1) at 08∶00 BST on August 7, 2016

圖4 徐州站(58027)2016年8月7日08時(shí)探空?qǐng)DFig.4 T-lnP plot of Xuzhou sounding station (58027) at 08∶00 BST on August 7, 2016

圖5 2016年8月7日02時(shí)—8日02時(shí)假相當(dāng)位溫 垂直剖面(單位：K)Fig.5 Cross section of regional average θse (unit: K) from 02∶00 BST on 7 to 02∶00 BST on 8 August, 2016

3.2 物理量診斷

3.2.1 不穩(wěn)定層結(jié)診斷

利用淮北MCS主要影響地區(qū)區(qū)域平均(33° ～ 34°N，118° ～ 119°E)的假相當(dāng)位溫的垂直變化分析對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)的變化特征(圖5)。結(jié)果表明淮北地區(qū)不穩(wěn)定條件適宜，有利于對(duì)流活動(dòng)。前期較強(qiáng)MCS對(duì)流活動(dòng)出現(xiàn)前500 hPa以下均為對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)，低層假相當(dāng)位溫垂直梯度較大，隨著下墊面氣溫升高和低層偏南暖濕氣流的影響850 hPa以下假相當(dāng)位溫逐漸升高，500 ～ 700 hPa受冷渦外圍偏干冷空氣影響假相當(dāng)位溫有所降低，進(jìn)而導(dǎo)致午后對(duì)流層中低層對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)增強(qiáng)，更有利于對(duì)流活動(dòng)增強(qiáng)。14時(shí)之后MCS對(duì)流活動(dòng)增強(qiáng)后，低層假相當(dāng)位溫逐漸降低導(dǎo)致對(duì)流層中層對(duì)流不穩(wěn)定性增強(qiáng)但是低層對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)減弱。

3.2.2 水汽和動(dòng)力條件診斷

圖6 2016年8月7日08時(shí)(a)925 hPa水汽通量(箭矢，單位：10-4g·cm-1·s-1·hPa-1)、水汽通量散度(陰影，單位：10-5g·cm-2·s-1·hPa-1)和大氣可降水量(等值線，單位：kg·m-2)(a中紅色五角星為睢寧站位置)、(b)200 hPa散度(單位：10e-6s-1)、(c)850 hPa散度(單位：10 e-6s-1)和(d)850 hPa垂直速度(單位：Pa·s-1)Fig.6 (a)Distribution of moisture flux (arrows， unit: 10-5g·cm-2·s-1·hPa-1)， divergence of moisture flux (shaded areas， unit: 10-5g·cm-2·s-1·hPa-1) at 925 hPa and precipitable water (a; contours， unit: kg·m-2) (the red pentacle inFig.a indicates the location of Suining station)，(b) divergence of 200 hPa (unit: 10e-6s-1) ，(c)divergence at 850 hPa (unit: 10 e-6s-1) and vertical velocity at 850 hPa (unit: Pa·s-1) at 08∶00 BST on August 7， 2016

首先利用925 hPa的水汽通量、水汽通量散度和整層大氣可降水量分析本次MCS過(guò)程的水汽條件(圖6)。8月7日08時(shí)水汽通量分布表明淮北地區(qū)水汽主要來(lái)自于西北太平洋洋面和臺(tái)灣東部殘留熱帶低壓外圍偏東風(fēng)轉(zhuǎn)東南風(fēng)的水汽輸送(圖6a)，量值較小，為2×10-5g·cm-2·s-1·hPa-1左右，水汽輸送作用較弱，此時(shí)淮北地區(qū)存在弱的水汽通量散度輻合中心，大氣可降水量分析表明安徽北部、江蘇西北部、山東大部分地區(qū)較大超過(guò)63 kg·m-2。本次MCS過(guò)程最大降水強(qiáng)度出現(xiàn)的睢寧站(圖6a中紅色五角星處)位于低層水汽通量輻合區(qū)域內(nèi)，HYSPLIT后向軌跡模式分析表明睢寧地區(qū)低層水汽主要來(lái)源于臺(tái)灣東部的熱帶低壓外圍(圖略)，與低層偏東風(fēng)轉(zhuǎn)東南風(fēng)水汽通量輸送對(duì)應(yīng)。上述水汽分析表明此次MCS過(guò)程前期水汽條件較為充足，有利于出現(xiàn)較高強(qiáng)度降水，但是整體水汽輸送作用較弱，不利于較強(qiáng)降水的維持。

利用散度和垂直速度診斷本次MCS過(guò)程動(dòng)力條件。200 hPa由于處于高壓脊控制，淮北大部分地區(qū)高空有較強(qiáng)輻散，有利于該地區(qū)對(duì)流發(fā)展增強(qiáng)(圖6b)。但是850 hPa沒(méi)有明顯輻合(圖6c)，垂直上升運(yùn)動(dòng)除了徐州部分地區(qū)外整體較弱(圖6d)。因此，本次過(guò)程大尺度背景場(chǎng)強(qiáng)迫產(chǎn)生的垂直上升運(yùn)動(dòng)較弱。

4 MCS與地面輻合線特征分析

從雷達(dá)回波和TBB兩個(gè)角度分析本次MCS過(guò)程的演變特征，進(jìn)而結(jié)合地面流場(chǎng)和出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的地區(qū)降水強(qiáng)度變化分析MCS演變過(guò)程中地面輻合線與降水的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

地面輻合線與MCS對(duì)流活動(dòng)之間有著密切地聯(lián)系，并且通過(guò)影響對(duì)流活動(dòng)進(jìn)而引起降水強(qiáng)度的變化。8月7日08時(shí)江蘇中部地面有弱的東南風(fēng)風(fēng)速輻合(圖7a)，初生對(duì)流于09時(shí)左右在徐州和宿遷交界處觸發(fā)(圖8a)。11時(shí)隨著地面倒槽逐漸南移，淮北出現(xiàn)明顯南北向地面輻合線(圖7b)，沿此輻合線對(duì)流增強(qiáng)，強(qiáng)回波逐漸發(fā)展為明顯的東北—西南向線狀對(duì)流形式，回波強(qiáng)度可達(dá)50 dBZ以上(圖8b)，TBB產(chǎn)品表明此時(shí)云頂亮溫低于-52℃的冷云區(qū)逐漸出現(xiàn)(圖9a)，隨著對(duì)流發(fā)展，冷云區(qū)范圍向東北和西南方向發(fā)展，逐漸呈現(xiàn)出線狀MCS特征。此時(shí)泗洪站處于地面輻合線上負(fù)散度中心附近，對(duì)流發(fā)展后出現(xiàn)較明顯降水，降水強(qiáng)度于13時(shí)達(dá)到峰值27.3 mm·h-1(圖1b)，13時(shí)地面流場(chǎng)轉(zhuǎn)為輻散后降水強(qiáng)度迅速減弱(圖7c)。11—13時(shí)睢寧站始終處于地面輻合流場(chǎng)中，有利于對(duì)流觸發(fā)增強(qiáng)，13—14時(shí)不斷有40 dBZ以上的較強(qiáng)回波通過(guò)睢寧站(圖8c)，導(dǎo)致該地區(qū)雨強(qiáng)達(dá)到79.2 mm·h-1；14時(shí)之后該地區(qū)地面同樣轉(zhuǎn)為輻散型流場(chǎng)，降水強(qiáng)度迅速減弱(圖7d)。

圖7 2016年8月7日地面流場(chǎng)和散度(其中紅色標(biāo)識(shí)處分別代表睢寧站、泗洪站和五河站；陰影單位：10-5s-1)：(a) 08時(shí); (b) 11時(shí);(c)13時(shí); (d)14時(shí); (e)15時(shí); (f)16時(shí)Fig.7 The surface flow field and divergence on August 7 (The red pentacles indicate the location of Suining station， Sihong station and Wuhe station; shaded areas， unit: 10-5s-1) at: (a) 08∶00 BST; (b) 11∶00 BST; (c) 13∶00 BST; (d) 14∶00 BST;(e) 15∶00 BST; (f) 16∶00 BST

從地面流場(chǎng)來(lái)看，倒槽逐漸南壓和成熟對(duì)流單體下層的雷暴高壓低層輻散型流場(chǎng)與地面環(huán)境風(fēng)場(chǎng)共同作用導(dǎo)致14時(shí)之后原有淮北地區(qū)經(jīng)向地面輻合線逐漸順時(shí)針轉(zhuǎn)為偏緯向的東北—西南向地面輻合線(圖7d)。新的對(duì)流單體主要在江蘇淮北MCS西南側(cè)觸發(fā)生成，東北側(cè)逐漸轉(zhuǎn)為層狀云降水回波區(qū)，TBB圖表現(xiàn)為大范圍的云頂亮溫小于-52℃的冷云覆蓋區(qū)(圖9b)。安徽東部出現(xiàn)明顯地面輻合中心，五河站處于此地面輻合中心附近，MCS對(duì)流發(fā)展旺盛(圖8d)，15時(shí)降水強(qiáng)度達(dá)到峰值37.3 mm·h-1，地面開(kāi)始轉(zhuǎn)為輻散流場(chǎng)，對(duì)流活動(dòng)減弱，回波強(qiáng)度逐漸減小為35 dBZ以下的層狀云降水回波(圖8d)，降水強(qiáng)度也大大減弱，淮北大范圍TBB小于-52℃的冷云覆蓋區(qū)與層狀云降水區(qū)相對(duì)應(yīng)(圖9c)。16時(shí)地面輻合中心南移至安徽中部(圖7f)，MCS向南移動(dòng)，此后TBB小于-52℃的冷云覆蓋區(qū)由線狀轉(zhuǎn)為橢圓狀(圖9d和圖9e)，表現(xiàn)為MβCCS的特征。20時(shí)MCS對(duì)流趨于消散，影響基本結(jié)束(圖9f)。

綜上所述，本次MCS過(guò)程中對(duì)流主要在地面輻合線附近觸發(fā)增強(qiáng)，MCS移動(dòng)和形態(tài)變化特征與地面輻合線演變較為一致：前期對(duì)流在淮北經(jīng)向地面輻合線附近發(fā)展，MCS表現(xiàn)為線狀；后期地面輻合線南移并轉(zhuǎn)為緯向，對(duì)流活動(dòng)向南發(fā)展，MCS也逐漸轉(zhuǎn)為非線狀MβCCS類型。此外地面流場(chǎng)的演變與降水強(qiáng)度有著密切的聯(lián)系，短時(shí)強(qiáng)降水一般出現(xiàn)在地面輻合線上輻合中心附近，在出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水前地面輻合有增強(qiáng)的趨勢(shì)，當(dāng)?shù)孛媪鲌?chǎng)轉(zhuǎn)為輻散時(shí)，降水強(qiáng)度迅速減弱。

圖8 2016年8月7日淮安雷達(dá)站組合反射率因子(單位：dBZ)：(a) 08時(shí)53分;(b) 11時(shí)01分;(c) 14時(shí)01分;(d) 15時(shí)05分Fig.8 Composite radar reflectivity of Huaian radar station on August 7，2016(units: dBZ): (a) 08∶53 BST; (b) 11∶01 BST; (c) 14∶01 BST; (d) 15∶05 BST

圖9 2016年8月7日TBB(紅色等值線代表-52℃的TBB等值線；單位：℃):(a) 11時(shí); (b)14時(shí); (c)15時(shí); (d) 16時(shí); (e) 17時(shí); (f)20時(shí)Fig.9 Distributions of TBB(shaded areas, unit:℃; the red isoline represent -52℃ isoline of TBB) on August 7， 2016:(a) 11∶00 BST; (b) 14∶00 BST; (c) 15∶00 BST; (d) 16∶00 BST; (e) 17∶00 BST; (f)20∶00 BST

5 WRF模擬結(jié)果

5.1 降水和環(huán)流模擬效果檢驗(yàn)

利用WRF模式模擬本次弱強(qiáng)迫背景下的MCS過(guò)程。首先評(píng)估模式對(duì)于過(guò)程降水與環(huán)流背景的模擬表現(xiàn)。模擬和實(shí)況江蘇淮北地區(qū)以及安徽中北部地區(qū)強(qiáng)降水帶均呈現(xiàn)出東北—西南向分布特征(圖10)，模擬的雨帶位置相比實(shí)況略偏西北，其中山東南部以及江蘇北部強(qiáng)降水量級(jí)相比實(shí)況偏大，降水對(duì)流特征更加明顯。

圖10 2016年8月7日08—20時(shí)(a)CMORPH產(chǎn)品和(b)模擬12 h降水量(單位:mm)Fig.10 Distributions of 12-hr accumulated precipitation of (a)CMPRPH data and (b)simulation(unit: mm) from 08∶00 BST to 20∶00 BST on August 7, 2016

圖11 2016年8月7日08時(shí)850 hPa水平風(fēng)場(chǎng)(填色，單位：m·s-1) 和大氣可降水量模擬結(jié)果(等值線，單位：kg·m-2)Fig.11 The simulated wind speed field for 850 hPa (shaded areas， unit: m·s-1) and precipitable water (contours， unit: kg·m-2) at 08∶00 BST on August 7，2016

從8月7日08時(shí)850 hPa低層水平風(fēng)場(chǎng)模擬表現(xiàn)來(lái)看，模擬的低層江蘇地區(qū)東南風(fēng)和偏南風(fēng)相比實(shí)況偏強(qiáng)(圖11)。由于海洋上東南風(fēng)增強(qiáng)導(dǎo)致水汽輸送作用增強(qiáng)，模式中低層水汽相比實(shí)況條件更好，江蘇淮北地區(qū)、安徽北部以及山東地區(qū)模擬大氣可降水量相比實(shí)況偏大，其中山東北部與江蘇交界處相比實(shí)況偏大3 ～ 6 kg·m-2，最終強(qiáng)降水帶位置相比實(shí)況偏西北，局部降水量級(jí)偏大。

5.2 MCS與地面輻合線特征的模擬

模式能夠較好地反演出本次MCS過(guò)程中地面輻合線的演變特征。8月7日08時(shí)和11時(shí)江蘇地區(qū)地面東南風(fēng)相比實(shí)況偏強(qiáng)，導(dǎo)致山東南部至安徽中部的經(jīng)向地面輻合線位置相比實(shí)況偏西北0.5個(gè)緯距，云頂亮溫和組合反射率因子表明初始對(duì)流位置同樣略偏西北(圖12a和圖12b)。15時(shí)江蘇和安徽交界處MCS低層出現(xiàn)明顯的輻散型流場(chǎng)與環(huán)境流場(chǎng)結(jié)合在MCS南側(cè)出現(xiàn)明顯地面輻合線，地面輻合線南移有多個(gè)對(duì)流單體在此觸發(fā)增強(qiáng)，MCS對(duì)流活動(dòng)逐漸南移，但是位置相比實(shí)況略偏西北(圖12c)。18時(shí)之后安徽中部地面輻散型流場(chǎng)已經(jīng)占主導(dǎo)，MCS對(duì)流活動(dòng)逐漸減弱(圖12d)?？傊?，模式能夠較好地模擬出MCS演變過(guò)程中與地面輻合線的相互作用，但是地面輻合線和MCS對(duì)流活動(dòng)的位置相比實(shí)況偏西北。

5.3 MCS對(duì)流傳播機(jī)制模擬

圖12 2016年8月7日地面流場(chǎng)、組合反射率因子(陰影，單位：dBZ)和-52℃的TBB等值線(紫色等值線)模擬結(jié)果(c中藍(lán)實(shí)線為117.4°E經(jīng)向剖面)：(a) 09時(shí); (b) 11時(shí); (c) 15時(shí); (d) 18時(shí)Fig.12 The simulated composite of surface flow field， radar reflectivity (shaded areas， unit: dBZ) and -52℃ isoline of TBB (the purple isoline; The blue soild line shows warp proflile of 117.4°E) at: (a) 09∶00 BST; (b) 11∶00 BST; (c) 15∶00 BST; (d) 18∶00 BST

圖13 2016年8月7日14時(shí)和15時(shí)反射率因子和經(jīng)向垂直環(huán)流(a、c ;其中陰影為反射率因子，單位：dBZ; 流線為ν和ω經(jīng)向垂直環(huán)流)， 散度和假相當(dāng)位溫沿117.4°E經(jīng)向剖面圖(b、d，其中陰影為散度，單位：10-5s-1；等值線為假相當(dāng)位溫，單位：K)：(a、b)14時(shí)；(c、d)15時(shí)Fig.13 The simulated cross-section at 117.4°E of simulated reflectivity (shaded areas， units: dBZ) and the ν-ω meridional vertical circulation (a，c)， divergence and pseudo-equivalent potential temperature (b，d， units:10-5s-1 and k) on August 7， 2016: (a,b)14∶00 BST; (c,d)15∶00 BST

利用117.4°E經(jīng)向剖面(圖12c中藍(lán)線位置，與江蘇西北部至安徽中部一帶經(jīng)向強(qiáng)回波帶對(duì)應(yīng))分析本次MCS演變過(guò)程中對(duì)流傳播機(jī)制以及相應(yīng)的地面輻合線結(jié)構(gòu)特征。由于環(huán)境場(chǎng)0 ～ 6 km垂直風(fēng)切變較小，對(duì)流單體傾斜不明顯，并且成熟對(duì)流單體的強(qiáng)回波質(zhì)心均位于對(duì)流層中下層，為高降水效率強(qiáng)回波(圖13a和圖13c)。14時(shí)34°N附近對(duì)流單體上升運(yùn)動(dòng)主要位于600 hPa以上，地面至600 hPa北部為下沉運(yùn)動(dòng)，南部有弱的上升運(yùn)動(dòng)(圖13a)，在散度場(chǎng)(圖13b)上表現(xiàn)為500 hPa附近為弱輻合區(qū)，200 hPa以上為輻散區(qū)，這些特征表明該對(duì)流單體處于發(fā)展成熟至消亡階段。近地面層存在弱輻散區(qū)，與對(duì)流單體低層雷暴高壓輻散流場(chǎng)相對(duì)應(yīng)，向南輻散氣流與地面偏南風(fēng)在33.8°N附近結(jié)合導(dǎo)致該區(qū)域出現(xiàn)地面輻合線，散度場(chǎng)上較明顯輻合，在此地面輻合線附近有處于發(fā)展成熟階段的較強(qiáng)對(duì)流單體，內(nèi)部有整層的傾斜上升氣流，上升速度隨著高度增加而增加，40 dBZ較強(qiáng)回波一直延伸至150 hPa附近，從散度場(chǎng)上看地面至300 hPa存在較明顯輻合，150 hPa有較強(qiáng)輻散。在33.8°N附近地面輻合線上有暖濕空氣抬升進(jìn)入成熟階段的對(duì)流單體內(nèi)，其中低層暖濕空氣抬升后一部分進(jìn)入后部增加消亡的對(duì)流單體下沉氣流內(nèi)，最終在兩個(gè)分部存于發(fā)展成熟和消亡階段的對(duì)流單體之間形成弱的經(jīng)向垂直環(huán)流。15時(shí)33.8°N的對(duì)流單體已經(jīng)有所減弱，40 dBZ強(qiáng)回波降低至200 hPa，低層輻合和高層輻散均減弱，200 hPa附近有較強(qiáng)輻散，500～200 hPa均為上升運(yùn)動(dòng)，對(duì)流層中低層出現(xiàn)下次運(yùn)動(dòng)，而34°N附近對(duì)流單體同樣趨于減弱，回波強(qiáng)度減弱至35 dBZ以下(圖13c)，此時(shí)隨著雷暴單體出流邊界的南移，地面輻合線也南移至33.2°N，有新的對(duì)流單體開(kāi)始觸發(fā)，并在地面輻合線和其北部趨于減弱的對(duì)流單體之間形成明顯的經(jīng)向垂直環(huán)流。本次MCS過(guò)程中對(duì)流存在向南傳播特征，在此過(guò)程中伴隨雷暴高壓外圍輻散型流場(chǎng)出現(xiàn)的地面輻合線逐漸南移，對(duì)流單體在地面輻合線附近觸發(fā)并逐漸完成更替。

從假相當(dāng)位溫經(jīng)向剖面看出處于不同發(fā)展階段的對(duì)流單體的環(huán)境場(chǎng)的對(duì)流不穩(wěn)定度的垂直分布特征存在較大差異。對(duì)流發(fā)生前整層有較強(qiáng)的對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)，有利于對(duì)流觸發(fā)。處于地面輻合線附近的發(fā)展階段的對(duì)流單體由于低層暖濕空氣的抬升作用導(dǎo)致850 hPa 假相當(dāng)位溫等值線密集，假相當(dāng)位溫垂直梯度增大，對(duì)流不穩(wěn)定度增強(qiáng)，有利于對(duì)流活動(dòng)產(chǎn)生和增強(qiáng)(圖13b、13d)。處于發(fā)展成熟階段的14時(shí)33.8°N附近的對(duì)流單體850 hPa存在假相當(dāng)位溫垂直向上的輸送導(dǎo)致假相當(dāng)位溫等值線向上突起，進(jìn)而導(dǎo)致對(duì)流層中低層對(duì)流不穩(wěn)定度減弱(圖13b)，對(duì)流活動(dòng)即將減弱。而15時(shí)34°N附近處于消亡階段的對(duì)流單體400 hPa以下假相當(dāng)位溫垂直梯度大大減小，整層對(duì)流不穩(wěn)定度相比對(duì)流發(fā)生前大大減弱(圖13d)。

綜上所述，MCS在逐漸南移過(guò)程中完成了對(duì)流單體的更替過(guò)程，這主要是由于成熟對(duì)流單體低層輻散流場(chǎng)與環(huán)境流場(chǎng)結(jié)合在其南部產(chǎn)生地面輻合線，低層暖濕空氣在此傾斜抬升進(jìn)而在其南部觸發(fā)對(duì)流；此外處于不同發(fā)展階段的對(duì)流單體的環(huán)境場(chǎng)的對(duì)流不穩(wěn)定度的垂直分布特征存在明顯差異。

6 結(jié)論

本文利用多源觀測(cè)資料和WRF中尺度數(shù)值模式對(duì)的2016年8月7日弱天氣尺度強(qiáng)迫背景下影響淮北地區(qū)的MCS過(guò)程進(jìn)行了分析診斷和模擬，分別從天氣形勢(shì)、對(duì)流發(fā)生條件等角度進(jìn)行分析，進(jìn)而討論了地面輻合線在MCS演變過(guò)程中與MCS的相互作用，并通過(guò)WRF模式模擬兩者的演變特征，分析MCS演變過(guò)程中對(duì)流的觸發(fā)增強(qiáng)機(jī)制。得到結(jié)論如下：(1)造成本次淮北地區(qū)局地較強(qiáng)降水的MCS過(guò)程出現(xiàn)在弱天氣尺度強(qiáng)迫背景場(chǎng)下：對(duì)流層高層輻散但是低層輻合較弱，系統(tǒng)性上升運(yùn)動(dòng)較弱，地面上淮北地區(qū)處于低壓倒槽的頂部，有地面風(fēng)向切變產(chǎn)生的地面輻合。本次過(guò)程中對(duì)流層低層存在由西北太平洋向淮北地區(qū)的偏東風(fēng)轉(zhuǎn)東南風(fēng)的水汽輸送，淮北大部分地區(qū)大氣可降水量達(dá)到63 kg·m-2，對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)深厚，有利于產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水，但是低層水汽輸送作用較弱且水汽輻合較弱，不利于強(qiáng)降水的維持。(2)本次過(guò)程中地面輻合線在MCS對(duì)流活動(dòng)演變過(guò)程中扮演著重要作用，MCS移動(dòng)和形態(tài)變化特征與地面輻合線演變較為一致：前期對(duì)流在淮北地區(qū)地面偏經(jīng)向地面輻合線附近觸發(fā)，MCS形態(tài)表現(xiàn)為線狀；后期由于倒槽南移加上地面成熟對(duì)流單體下層雷暴高壓輻散流場(chǎng)共同作用地面輻合線南移并轉(zhuǎn)為緯向，對(duì)流向南發(fā)展增強(qiáng)，對(duì)流單體組織形式逐漸轉(zhuǎn)為非線狀，MCS轉(zhuǎn)為非線狀MβCCS類型。地面流場(chǎng)的演變與降水強(qiáng)度之間有著密切的聯(lián)系，短時(shí)強(qiáng)降水一般出現(xiàn)在地面輻合線上輻合中心附近，出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水前地面輻合有增強(qiáng)的趨勢(shì)，當(dāng)?shù)孛媪鲌?chǎng)轉(zhuǎn)為輻散時(shí)，降水強(qiáng)度迅速減弱。(3)WRF中尺度數(shù)值模式較好地模擬出江蘇淮北地區(qū)以及安徽中北部地區(qū)強(qiáng)降水帶東北—西南向分布特征，強(qiáng)降水量級(jí)相比實(shí)況偏大，這主要是因?yàn)槟M的低層江蘇地區(qū)東南風(fēng)和偏南風(fēng)相比實(shí)況偏強(qiáng)，低層水汽條件相比實(shí)況更好；模式能夠較好地反演出MCS演變過(guò)程中對(duì)流的發(fā)展情況和地面輻合線變化特征，并且也能夠很好的反演出地面輻合線對(duì)于MCS不同階段的影響以及兩者之間的相互作用。(4)本次過(guò)程中MCS在逐漸南移過(guò)程中完成了對(duì)流單體的更替過(guò)程，成熟對(duì)流單體低層輻散流場(chǎng)與環(huán)境流場(chǎng)結(jié)合在其南部產(chǎn)生地面輻合線，低層暖濕空氣在此傾斜抬升進(jìn)而在其南部觸發(fā)對(duì)流。處于發(fā)展階段的對(duì)流單體由于地面輻合線上暖濕空氣的抬升作用，低層對(duì)流不穩(wěn)定度增強(qiáng)；發(fā)展成熟階段的對(duì)流單體對(duì)流層中低層對(duì)流不穩(wěn)定度減弱；消亡階段的對(duì)流單體，整層對(duì)流不穩(wěn)定度相比對(duì)流發(fā)生前大大減弱。