基于波作用方程的南疆西部干旱區(qū)暴雨的組織化機(jī)理研究

李娜 冉令坤 焦寶峰 常友治 謝越

1 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所, 北京 100029

2 南京信息工程大學(xué), 南京 210044

1 引言

暴雨的組織化是非常復(fù)雜的物理過程，它研究暴雨系統(tǒng)中的對(duì)流單體何時(shí)何地生消、如何排列，形成有組織的系統(tǒng)，從而產(chǎn)生強(qiáng)降水，其是暴雨研究和預(yù)報(bào)的重要方面（丁一匯, 2019）。在多尺度天氣系統(tǒng)相互作用下，影響暴雨組織化的因素有很多，既包含天氣尺度系統(tǒng)的外強(qiáng)迫因素，如垂直風(fēng)切變、干侵入、不穩(wěn)定、水汽集中、鋒生等（Bluestein and Jain, 1985; Parker and Johnson, 2000;Schumacher and Johnson, 2005; Zheng et al., 2013; 陳明軒等, 2013; 孫建華等, 2014; 張建軍等, 2016; 盛杰等, 2020），也包含暴雨系統(tǒng)內(nèi)部的自組織和相互作用過程，如凝結(jié)潛熱、對(duì)流造成擾動(dòng)氣壓梯度等（李春虎, 2011; 劉建勇等, 2012），而數(shù)值模式通常無(wú)法完全再現(xiàn)這些復(fù)雜過程，極大影響了暴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性（閔錦忠和吳乃庚, 2020）。

新疆地處我國(guó)西北內(nèi)陸干旱、半干旱區(qū)。中亞低渦（槽）是影響新疆暴雨的關(guān)鍵系統(tǒng)，在南亞高壓、高空急流、低空急流的密切配合下，可誘發(fā)有組織的中尺度對(duì)流系統(tǒng)，造成暴雨甚至極端暴雨（楊蓮梅等, 2015; 謝澤明等, 2018; 劉晶等, 2019;黃昕等, 2021）。南疆位于天山以南，中部大部地區(qū)是沙漠，常年降水稀少，但南疆西部昆侖山與天山交匯形成喇叭口區(qū)，強(qiáng)勁的塔里木東風(fēng)急流灌入其中，與地形輻合在該地區(qū)多誘發(fā)暴雨，加之該地區(qū)地形復(fù)雜，沙漠、冰川、綠洲并存的下墊面影響，常使有組織的對(duì)流變得分散且強(qiáng)度不一，導(dǎo)致南疆暴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性較其他地區(qū)明顯偏低（張?jiān)苹莸?2015; 莊曉翠等, 2017）。近年來，南疆極端暴雨有顯著增加趨勢(shì)，逐漸引起關(guān)注，有數(shù)據(jù)顯示，2011～2020年較1961～1970年，南疆暴雨總量增加了113.3%，暴雨日數(shù)增加94.4%，誘發(fā)的山洪災(zāi)害也十分嚴(yán)重，可見，研究南疆暴雨組織化過程及機(jī)制，加深對(duì)南疆極端降水產(chǎn)生機(jī)理的理解，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

波作用密度是基于大氣尺度分解的物理量，表征疊加于基本流上的擾動(dòng)強(qiáng)度，波作用方程是波作用密度傾向方程，包含影響動(dòng)熱力擾動(dòng)變化的基本物理過程（Chen et al., 2003; Ran and Li, 2014; Li et al., 2021）。將產(chǎn)生暴雨的對(duì)流系統(tǒng)視為疊加于環(huán)境基本氣流上的擾動(dòng)系統(tǒng)，就能夠通過波作用密度與波作用方程定量研究暴雨對(duì)流系統(tǒng)的組織化過程及關(guān)鍵影響機(jī)制。目前，有關(guān)暴雨組織化的理論多通過理想數(shù)值試驗(yàn)獲得，通過改變環(huán)境條件，分析對(duì)流系統(tǒng)的敏感性變化，提煉影響對(duì)流組織化的關(guān)鍵要素和物理過程，如RKW理論（Rotunno et al.,1988）。然而，實(shí)際對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展要比理想試驗(yàn)中的簡(jiǎn)化系統(tǒng)復(fù)雜得多，尤其對(duì)南疆這種地形效應(yīng)和非均勻下墊面影響顯著的地區(qū)，理想動(dòng)力框架下的理論通常無(wú)法很好解釋對(duì)流系統(tǒng)多尺度演變過程。垂直速度是描述對(duì)流發(fā)展的重要物理量，許多研究還通過垂直速度變化方程或垂直速度診斷方程分析垂直運(yùn)動(dòng)發(fā)展，進(jìn)而討論對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展，但垂直速度變化方程僅包含浮力和氣壓梯度力影響，無(wú)法細(xì)致反映對(duì)流組織化的復(fù)雜物理過程；而垂直運(yùn)動(dòng)診斷方程雖然包含豐富的物理過程，但對(duì)高分辨率的數(shù)值資料求解困難。因此，為研究南疆暴雨的組織化過程，本文引入位渦波作用密度表征擾動(dòng)對(duì)流系統(tǒng)的變化，通過波作用方程的定量診斷分析，探討對(duì)流系統(tǒng)內(nèi)擾動(dòng)變化機(jī)理，提煉影響南疆暴雨組織化的關(guān)鍵物理過程。

本文章節(jié)安排如下：第二節(jié)對(duì)位渦波作用密度和波作用方程進(jìn)行了具體介紹；第三節(jié)介紹了本文選取的南疆暴雨過程及其發(fā)生的大尺度環(huán)境條件，第四節(jié)對(duì)選取的南疆暴雨進(jìn)行了數(shù)值模擬和驗(yàn)證，第五節(jié)采用波作用密度與波作用方程對(duì)南疆暴雨組織化過程進(jìn)行了診斷分析，第六節(jié)給出了本文結(jié)論。

2 位渦波作用密度與波作用方程

Ran and Li（2014）考慮中尺度波流相互作用將大氣基本量進(jìn)行尺度分解，基于位渦得到了僅包含基本態(tài)氣流的基本態(tài)位渦，同時(shí)包含基本態(tài)和擾動(dòng)的一階位渦和僅包含擾動(dòng)氣流的位渦波作用密度，并推導(dǎo)了相關(guān)波作用方程。位渦波作用密度（A）具有如下形式：

式（1）中，位渦波作用密度與濕位渦具有相似形式（吳國(guó)雄等, 1995; Gao et al., 2009），均是渦度矢量與位溫梯度的耦合，區(qū)別是波作用密度僅包含疊加于基本氣流之上的擾動(dòng)信息，適合描述擾動(dòng)的結(jié)構(gòu)和演變。

基于雷諾平均的尺度分解方法，Li et al.（2021）推導(dǎo)了描述位渦波作用密度變化的波作用方程：

其中，

其中， ?·FA1為基本氣流引起的平流波作用通量散度， ?·FA2為擾動(dòng)氣流引起的部分一階擾動(dòng)位渦的擾動(dòng)通量散度項(xiàng)， ?·FA3為擾動(dòng)非地轉(zhuǎn)風(fēng)與擾動(dòng)位溫耦合散度項(xiàng)， ?·FA4為擾動(dòng)平流與擾動(dòng)平流平均的差值散度項(xiàng)，? ·FAex為基本態(tài)位渦與平均波作用密度的交換項(xiàng)。

將產(chǎn)生暴雨的對(duì)流系統(tǒng)視為疊加于環(huán)境基本氣流上的擾動(dòng)系統(tǒng)，擾動(dòng)的發(fā)展應(yīng)同時(shí)包含大氣動(dòng)力擾動(dòng)和熱力擾動(dòng)，位渦波作用密度[式（1）]是擾動(dòng)水平風(fēng)速（u、v，動(dòng)力擾動(dòng)）和擾動(dòng)廣義位溫（θ，熱力擾動(dòng)）的耦合，因而在一定程度上能夠描述擾動(dòng)對(duì)流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征。進(jìn)一步，位渦波作用方程[式（2）]是由擾動(dòng)風(fēng)速傾向方程和擾動(dòng)廣義位溫方程推導(dǎo)而得（Li et al., 2021），兩個(gè)方程包含引起擾動(dòng)風(fēng)速變化和擾動(dòng)廣義位溫變化的全部物理過程，這使波作用方程同時(shí)耦合了驅(qū)動(dòng)對(duì)流系統(tǒng)動(dòng)、熱力擾動(dòng)發(fā)展的多個(gè)物理因素，從而能夠比較全面地體現(xiàn)引起擾動(dòng)對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展演變的物理過程。

考慮上述位渦波作用密度和波作用方程與擾動(dòng)對(duì)流系統(tǒng)的物理關(guān)聯(lián)，對(duì)波作用方程各強(qiáng)迫項(xiàng)[式（3）～（7）]物理意義進(jìn)行分析。將基本態(tài)氣流（uˉ、vˉ、θˉe等）視為能夠影響對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展的環(huán)境大氣，產(chǎn)生暴雨的對(duì)流系統(tǒng)為疊加于基本態(tài)氣流之上的擾動(dòng)。 ?·FA1是基本氣流對(duì)位渦波作用密度的平流散度，體現(xiàn)了環(huán)境氣流對(duì)擾動(dòng)對(duì)流系統(tǒng)的平流輸送，這種平流作用是對(duì)流系統(tǒng)移動(dòng)的主要?jiǎng)恿Α?·FA2為非均勻基本態(tài)（環(huán)境大氣）和對(duì)流系統(tǒng)內(nèi)擾動(dòng)的耦合作用，體現(xiàn)環(huán)境大氣通過耦合對(duì)流擾動(dòng)驅(qū)動(dòng)對(duì)流發(fā)展演變的過程，其中環(huán)境大氣信息包括基本態(tài)垂直風(fēng)切變、垂直渦度、濕斜壓性和穩(wěn)定度，這些要素對(duì)對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展的作用已被許多研究證實(shí)。?·FA3和 ?·FA4僅包含擾動(dòng)態(tài)，不包含基本態(tài)，體現(xiàn)的是對(duì)流系統(tǒng)內(nèi)部不同擾動(dòng)之間的耦合作用，包括動(dòng)力擾動(dòng)和熱力擾動(dòng)的擾動(dòng)平流、擾動(dòng)水平渦度（與動(dòng)力擾動(dòng)有關(guān)的垂直風(fēng)切變）、擾動(dòng)垂直渦度、擾動(dòng)穩(wěn)定度及擾動(dòng)斜壓性，這些由對(duì)流發(fā)展導(dǎo)致的非均勻擾動(dòng)通過相互作用又反向影響對(duì)流的進(jìn)一步發(fā)展。? ·FAex也包含了非均勻基本態(tài)與擾動(dòng)的耦合，這一點(diǎn)與 ?·FA2類 似，但 ?·FAex同時(shí)出現(xiàn)在基本態(tài)位渦方程與平均波作用方程中且符號(hào)相反（Li et al., 2021），因而表征的是環(huán)境大氣與擾動(dòng)對(duì)流系統(tǒng)反饋?zhàn)饔?，其不僅能夠引起對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展，還會(huì)同時(shí)造成環(huán)境大氣的改變。

對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展演變是復(fù)雜的非線性過程，周圍環(huán)境大氣對(duì)其激發(fā)和組織化有重要影響，包括垂直風(fēng)切變、對(duì)流穩(wěn)定度、水汽及它們的非均勻性；同時(shí)，對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展過程造成的風(fēng)速擾動(dòng)和溫度擾動(dòng)也會(huì)反之影響其進(jìn)一步發(fā)展，如冷池、地面輻散出流、非絕熱加熱、重力波等；不僅如此，對(duì)流系統(tǒng)在發(fā)展過程中向環(huán)境產(chǎn)生反饋，改變環(huán)境大氣，從而反過來進(jìn)一步影響對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展。通過上述波作用方程強(qiáng)迫項(xiàng)的分析可發(fā)現(xiàn)，通過合適的尺度分解，波作用方程能夠包含這些影響對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展的物理過程。因此，本文擬采用位渦波作用密度和波作用方程對(duì)南疆西部一次暴雨過程進(jìn)行診斷分析，以剖析影響南疆干旱區(qū)極端降水的關(guān)鍵物理過程。

3 個(gè)例簡(jiǎn)介

3.1 過程概況

本文采用個(gè)例為2019年9月9～10日新疆西北部天山附近發(fā)生的一次系統(tǒng)性暴雨過程（以下稱為“9.9”暴雨過程）。圖1為9月9日18時(shí)（協(xié)調(diào)世界時(shí)，下同）至10日18時(shí)過程降水，降水?dāng)?shù)據(jù)來自CMORPH（Climate Prediction Center Morphing Technique，成璐等, 2014）融合降水資料。大于5 mm(24 h)?1的降水區(qū)顯示“9.9”暴雨過程主要分布于天山附近，呈不規(guī)則東北—西南走向的帶狀結(jié)構(gòu)，帶狀降水內(nèi)部分散多個(gè)大于25 mm (24 h)?1的暴雨中心，以南疆天山南側(cè)的暴雨中心最為顯著（圖1b藍(lán)色框），這些暴雨中心尺度在50～200 km，是明顯的中β尺度降水，且不同暴雨中心雖然發(fā)生在不同地區(qū)，但帶狀的組織排列形式顯著。

圖1 （a）南疆地區(qū)地形圖片，（b）2019年9月9日18時(shí)（協(xié)調(diào)世界時(shí)，下同）至9月10日18時(shí)24小時(shí)降水量（單位：mm，來源為Cmorph資料）分布Fig. 1 (a) Picture of the terrain in southern Xinjiang, (b) 24-h accumulated precipitation (units: mm) observed by Cmorph data from 1800 UTC 9 September to 1800 UTC 10 September 2019

3.2 大尺度環(huán)流特征

大尺度環(huán)流、水汽輸送和地形是影響新疆地區(qū)降水結(jié)構(gòu)和分布的三個(gè)主要因子?！?.9”暴雨過程發(fā)生在新疆強(qiáng)降水典型天氣形勢(shì)下（圖2a），高層200 hPa，新疆南側(cè)為南亞高壓，北側(cè)為切斷低渦減弱形成的傾斜低槽，南亞高壓與低槽之間等高線密集，副熱帶西風(fēng)急流強(qiáng)勁，降水區(qū)位于急流內(nèi)部靠近出口區(qū)左側(cè)位置。500 hPa高度上（圖2b），新疆西北部中高緯地區(qū)為減弱切斷低渦形成的傾斜低槽，降水區(qū)位于槽前等高線密集的強(qiáng)風(fēng)速帶中。650 hPa高度上（圖2c），相當(dāng)位溫表征的冷暖氣團(tuán)對(duì)峙顯著，對(duì)應(yīng)500 hPa低槽的位置為冷氣團(tuán)，青藏高原及南部地區(qū)為暖區(qū)，新疆降水區(qū)位于等相當(dāng)位溫線密集的鋒區(qū)內(nèi)，且存在一條強(qiáng)烈水汽輻合帶。對(duì)流層低層，700 hPa高度上，低槽與副熱帶高壓東西分布于新疆西北和東部，副熱帶高壓外緣一股氣流自東向西沿著青藏高原進(jìn)入南疆西部，之后氣流氣旋性旋轉(zhuǎn)，在天山南坡形成輻合。如圖2d，天山南坡存在大于8 m s?1的大風(fēng)速區(qū)，大風(fēng)速區(qū)內(nèi)出現(xiàn)大于12 m s?1的低空急流，有助于形成強(qiáng)烈輻合和水汽集中?？梢?，“9.9”暴雨過程是在高空有利的環(huán)流背景下配合低空急流、低層鋒面、水汽輻合等形成。

4 數(shù)值模擬與驗(yàn)證

4.1 數(shù)值方案設(shè)計(jì)

采用WRF模式（WRF-ARW 4.0，Advanced Research Weather Research and Forecasting Model,Skamarock et al., 2008）對(duì)“9.9”暴雨過程進(jìn)行高分辨率數(shù)值模擬，以再現(xiàn)中尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展演變過程，獲得高分辨率資料進(jìn)行更細(xì)致分析和討論。模式區(qū)域中心位于（45°N, 124°E），水平分辨率為3 km，水平格點(diǎn)數(shù)為901×901，垂直層次61層，模式層頂50 hPa，近地面和高層模式層加密。模式采用的物理方案包括RRTMG長(zhǎng)波和短波輻射方案，YSU邊界層方案，Noah陸面過程及WSM6云微物理方案。模式初始場(chǎng)和測(cè)邊界采用0.5°×0.5°水平分辨率，垂直層次有31層的ECWMF/ERA5再分析場(chǎng)數(shù)據(jù)。模式初始時(shí)刻為2019年9月9日00時(shí)，積分48 h。

4.2 模擬效果驗(yàn)證

2019年9月9日18時(shí) 至9月10日00時(shí) 是“9.9”暴雨過程南疆天山南坡主強(qiáng)降水觸發(fā)和組織化階段。圖3對(duì)該階段6 h和1 h累積降水的觀測(cè)與模擬對(duì)比。如圖3a，Cmorph資料顯示新疆地區(qū)降水分為兩個(gè)地區(qū)：天山北側(cè)帶狀降水及天山北側(cè)新疆西部邊境降水，天山南側(cè)降水強(qiáng)度相對(duì)較強(qiáng)，存在四個(gè)線狀排列的降水中心（圖3a中藍(lán)色方框區(qū)域），其中（40°N, 77°E）附近的中心強(qiáng)度最強(qiáng)，6 h累積降水量在20 mm以上。對(duì)比圖3b，WRF模式比較好地再現(xiàn)了觀測(cè)的降水特點(diǎn)，模擬的天山南側(cè)降水（圖3b中的藍(lán)色框區(qū)域）也呈帶狀結(jié)構(gòu)，位置和強(qiáng)度與觀測(cè)相當(dāng)。另外，因模式降水包含新疆國(guó)界線外的中亞地區(qū)降水，能夠比較好地體現(xiàn)“9.9”暴雨過程的整體降水結(jié)構(gòu)。由圖3b可發(fā)現(xiàn)，與圖2中傾斜低槽和冷鋒對(duì)應(yīng)，該次過程整體降水也呈現(xiàn)不規(guī)則帶狀結(jié)構(gòu)，天山以北降水與天山以南降水還形成了雙雨帶特征。上述特征在1 h降水的對(duì)比中也能夠看出。如圖3c–e，9月9日23時(shí)，TBB分布、Cmorph資料及模式1 h降水均呈現(xiàn)一致的雙帶狀降水結(jié)構(gòu)，而且天山南側(cè)雨帶內(nèi)多個(gè)降水中心達(dá)到短時(shí)強(qiáng)降水強(qiáng)度，模擬較觀測(cè)降水偏強(qiáng)，但發(fā)生位置和尺度基本與Cmorph資料一致?？梢?，WRF模式比較好地再現(xiàn)了“9.9”暴雨過程，模擬結(jié)果有效可用。

圖2 2019年9月10日00時(shí)（a）200 hPa位勢(shì)高度（黑色實(shí)線，單位：dagpm）、風(fēng)速（填色，單位：m s?1），（b）500 hPa位勢(shì)高度（黑色實(shí)線，單位：gpm）、風(fēng)速（填色，單位：m s?1），（c）650 hPa相當(dāng)位溫（黑色實(shí)線，單位：K）、水汽通量散度輻合（填色，單位：10?9 kg cm?2 s?1 hPa?1），（d）700 hPa風(fēng)矢量（風(fēng)向桿，單位：m s?1）、風(fēng)速（填色，單位：m s?1）。圖b、c中的紅色矩形區(qū)域表示降水區(qū)，圖d中的綠色箭頭表示水汽輸送方向Fig. 2 (a) Geopotential height (black lines, units: dagpm) and wind speed (shadings, units: m s?1) at 200 hPa, (b) geopotential height (black lines,units: gpm) and wind speed (shadings, units: m s?1) at 500 hPa, (c) equivalent potential temperature (black lines, units: K) and convergence (shadings,units: 10?9 kg cm?2 s?1 hPa?1) of moisture flux divergence at 650 hPa, (d) wind (barbs, units: m s?1) and wind speed (shadings, units: m s?1) at 700 hPa at 0000 UTC 10 September 2019. In Figs. b, c, red rectangles represent precipitation area; in Fig. d, the green arrow represents direction of water vapor transport

圖3 2019年9月9日18時(shí)至9月10日00時(shí)（a）Cmorph資料、（b）WRF模式模擬的6小時(shí)累積降水量（單位：mm）；2019年9月9日23時(shí)（c）云頂亮溫（單位：°C），（d）Cmorph資料、（e）WRF模式模擬的1 h累積降水量（單位：mm）。藍(lán)色矩形框區(qū)表示天山南坡降水區(qū)域Fig. 3 (a) Cmorph data and (b) WRF simulated 6-h accumulated precipitation (units: mm) during 1800 UTC 9 September to 0000 UTC 10 September 2019; (c) TBB (black body temperature, units: °C), 1-h accumulated precipitation (units: mm) from (d) Cmorph data and (e) WRF simulated at 2300 UTC 9 September 2019. The blue rectangles represent the precipitation area of the southern slope of the Tianshan Mountains

5 波作用密度與暴雨組織化過程

利用上述模擬試驗(yàn)高分辨率的雷達(dá)組合回波輸出，首先對(duì)“9.9”暴雨過程南疆天山南雨帶的組織化過程進(jìn)行分析。9月9日18時(shí)（圖4a），天山南坡出現(xiàn)多個(gè)對(duì)流單體，沿天山地形（約40.5°N）呈緯向線狀排列；19時(shí)，部分單體增強(qiáng)，增強(qiáng)的單體對(duì)應(yīng)了新發(fā)展的三條垂直于山體的經(jīng)向?qū)α骶€（圖4b中虛線），經(jīng)向?qū)α骶€發(fā)展的一種可能機(jī)制是過山氣流形成經(jīng)向負(fù)渦度帶造成慣性不穩(wěn)定，觸發(fā)對(duì)流發(fā)展（Li et al., 2022）；20時(shí)（圖4c），三條經(jīng)向?qū)α骶€略有增強(qiáng)，同時(shí)塔里木盆地西緣自昆侖山北坡向北，出現(xiàn)多個(gè)對(duì)流線發(fā)展（圖4c中實(shí)線），對(duì)流線間隔約30～50 km，具有類似波動(dòng)傳播的特點(diǎn)。21時(shí)（圖4d），天山南坡的經(jīng)向?qū)α鹘Y(jié)構(gòu)消失，沿著天山地形發(fā)展出一條較強(qiáng)對(duì)流線，而塔里木盆地西緣兩山之間對(duì)流線增多。22時(shí)（圖4e），其中四條對(duì)流線發(fā)展增強(qiáng)，而其他對(duì)流線則基本消失。之后1 h，23時(shí)（圖4f），對(duì)流線增強(qiáng)的同時(shí)，角度也發(fā)生變化，四條對(duì)流線逐漸形成一條有組織的東北—西南走向帶狀對(duì)流系統(tǒng)，尺度增大，長(zhǎng)度達(dá)400 km，寬度約100 km?？梢?，天山南坡雨帶經(jīng)歷了由小尺度對(duì)流單體形成對(duì)流線，對(duì)流線發(fā)展增強(qiáng)，形成帶狀對(duì)流系統(tǒng)的復(fù)雜組織化過程。

圖4 2019年9月9日南疆暴雨雷達(dá)組合回波（單位：dBZ）分布：（a）18時(shí)；（b）19時(shí)；（c）20時(shí)；（d）21時(shí)；（e）22時(shí)；（f）23時(shí)。實(shí)線表示對(duì)流線東西走向，虛線表示對(duì)流線南北走向Fig. 4 Distributions of composite radar reflectivity (units: dBZ) of heavy rain in southern Xinjiang at (a) 1800 UTC, (b) 1900 UTC, (c) 2000 UTC,(d) 2100 UTC, (e) 2200 UTC, (f) 2300 UTC on 9 September 2019. The solid (dashed) lines represent the east–west (south–north) trend of the streamline

波作用密度表征的擾動(dòng)強(qiáng)度也隨著對(duì)流的增強(qiáng)而增強(qiáng)，對(duì)應(yīng)三個(gè)時(shí)刻的位渦波作用密度垂直分布如圖6所示，三個(gè)時(shí)刻的垂直剖面均經(jīng)過對(duì)流線L2（圖5）。垂直方向上對(duì)流發(fā)展區(qū)位渦波作用密度出現(xiàn)顯著高值區(qū)，且隨著對(duì)流發(fā)展而發(fā)展。21時(shí)（圖6a），對(duì)流位于8 km以下的淺對(duì)流階段，對(duì)應(yīng)的波作用密度高值區(qū)發(fā)展高度也位于8 km以下；22時(shí)（圖6b），深對(duì)流發(fā)展，位渦波作用密度發(fā)展高度也達(dá)10 km以上；23時(shí)（圖6c），對(duì)流線L2進(jìn)一步發(fā)展，并向低緯傾斜，波作用密度的垂直結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生變化。

圖5 2019年9月9日（a）21時(shí)、（b）22時(shí)、（c）23時(shí)位渦波作用密度的絕對(duì)值垂直積分平均（陰影，單位：10?7 K s?1）與雷達(dá)組合回波（等值線，單位：dBZ）的水平分布，圖5a–c中藍(lán)色直線分別經(jīng)過76°E、76.5°E、77°E，分別為圖6a–c剖面所在位置Fig. 5 Horizontal distributions of the averaged vertical integrated absolute potential vorticity wave-activity density (shadings, units: 10?7 K s?1) and composite radar reflectivity (isolines, units: dBZ) at (a) 2100 UTC, (b) 2200 UTC, (c) 2300 UTC on 9 September 2019. In Figs. 5a–c, the blue lines go through 76°E, 76.5°E, 77°E, corresponding to the locations of the sections in Figs. 6a–c

圖6 2019年9月9日位渦波作用密度垂直分布（陰影，單位：10?8 K s?1 m?1）：（a）21時(shí)沿76°E（圖5a藍(lán)色直線）剖面；（b）22時(shí)沿76.5°E（圖5b藍(lán)色直線）剖面；（c）23時(shí)沿77°E（圖5c藍(lán)色直線）剖面。灰色實(shí)線為地形高度線（單位：km），綠色柱為1 h累積降水量（單位：mm），黑色等值線為雷達(dá)回波（單位：dBZ）Fig. 6 Vertical distributions of potential vorticity wave-activity density (shadings, units: 10?8 K s?1 m?1) along (a) 76°E (the blue line in Fig. 5a) at 2100 UTC, (b) 76.5°E (the blue line in Fig. 5b) at 2200 UTC,and (c) 77°E (the blue line in Fig. 5c) at 2300 UTC on 9 September 2019. The gray solid line is the terrain (units: km), the green bar represents the 1-h precipitation (units: mm), and the black line denote the radar reflectivity (units: dBZ)

波作用密度與暴雨對(duì)流組織化的這種相關(guān)性來自對(duì)流發(fā)展過程中伴隨其產(chǎn)生的多個(gè)物理要素的擾動(dòng)，盡管對(duì)流發(fā)展直接表現(xiàn)是垂直速度的發(fā)展，但對(duì)流系統(tǒng)的組織化演變并非單物理因子的變化，而是整個(gè)對(duì)流大氣多種動(dòng)熱力擾動(dòng)的發(fā)展，這些擾動(dòng)配合垂直對(duì)流，共同作用，驅(qū)動(dòng)對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展和組織化，而位渦波作用密度耦合了這些非均勻的動(dòng)熱力擾動(dòng)，因而能夠表征對(duì)流系統(tǒng)的組織化過程。

6 基于波作用方程的組織化機(jī)制分析

進(jìn)一步，采用波作用方程分析影響“9.9”暴雨過程南疆暴雨組織化的主要機(jī)制。圖7為“9.9”暴雨過程組織化階段21～23時(shí)對(duì)流發(fā)展區(qū)域平均的方程各強(qiáng)迫項(xiàng)隨高度的變化，其中各強(qiáng)迫項(xiàng)已給權(quán)重A/|A|（下文中的強(qiáng)迫項(xiàng)均已作權(quán)重處理），這樣處理的目的是避免波作用密度符號(hào)影響分析。進(jìn)行權(quán)重后，當(dāng)強(qiáng)迫項(xiàng)大于0時(shí)，表示波作用密度的強(qiáng)度增強(qiáng)（正值增大，負(fù)值減?。?，對(duì)流系統(tǒng)的擾動(dòng)增強(qiáng)，當(dāng)強(qiáng)迫項(xiàng)小于0時(shí)，說明波作用密度的強(qiáng)度減弱（正值減小，負(fù)值增大），對(duì)流系統(tǒng)擾動(dòng)減弱。另外，因 ?·FA3較其他項(xiàng)小兩個(gè)量級(jí)，已忽略。

21時(shí)（圖7a），對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展初期，位渦波作用密度的總強(qiáng)迫 ?·F（黑色線）自下而上基本為正值分布（僅5～6 km高度出現(xiàn)負(fù)值區(qū)），表明對(duì)流系統(tǒng)內(nèi)擾動(dòng)的整體增強(qiáng)，對(duì)該分布起主要作用的是 ?·FAex（紫色線），即環(huán)境基本態(tài)與擾動(dòng)對(duì)流系統(tǒng)的相互反饋，其在4 km高度的邊界層出現(xiàn)極大正高值，導(dǎo)致總強(qiáng)迫在該高度也出現(xiàn)極大正高值，引起邊界層位渦波作用密度增強(qiáng)，對(duì)流系統(tǒng)的擾動(dòng)增強(qiáng)?？倧?qiáng)迫 ?·F的另一極大正高值出現(xiàn)在9 km高度，? ·FAex也是主要貢獻(xiàn)項(xiàng)，位渦波作用密度在高層的增強(qiáng)預(yù)示對(duì)流向高層深對(duì)流的發(fā)展。22時(shí)（圖7b），對(duì)流系統(tǒng)組織化過程中，波作用方程總強(qiáng)迫在1～4 km以下的邊界層及7～9 km高度的對(duì)流層中上層出現(xiàn)負(fù)值分布，1 km以下的近地面層，4～6 km及10～12 km為正值分布，負(fù)值分布的主要貢獻(xiàn)項(xiàng)為 ?·FA2（綠色線），而正值分布在不同層次，主要貢獻(xiàn)項(xiàng)也不同，近地面層僅包含對(duì)流擾動(dòng)的 ?·FA4（藍(lán)色線）起主要作用，4～6 km的對(duì)流層中層 ?·FA1（紅色線）起主要作用，10～12 km的高層? ·FA4（ 藍(lán)色線）與? ·FAex（紫色線）同時(shí)起作用。23時(shí)（圖7c），帶狀對(duì)流系統(tǒng)形成，8 km以下的對(duì)流層中低層，波作用方程的負(fù)強(qiáng)迫進(jìn)一步增大，正強(qiáng)迫減小，除了 ?·FA2（綠色線）的作用， ?·FA4（藍(lán)色線）出現(xiàn)極大負(fù)值也是重要的因素；9 km以上的對(duì)流層高層， ?·FAex（紫色線）仍然是維持總強(qiáng)迫正高值分布和高空擾動(dòng)發(fā)展的主要項(xiàng)。

圖7 2019年9月9日（a）21時(shí)、（b）22時(shí)、（c）23時(shí)位渦波作用方程各強(qiáng)迫項(xiàng)水平平均（單位：10?9 K m s?2）以及各強(qiáng)迫項(xiàng)之和（黑色線）的垂直廓線。紅色線： ?·FA1； 綠色線： ?·FA2；藍(lán)色線： ?·FA4 ；紫色線： ?·FAex。 ?·FA3較其他項(xiàng)小兩個(gè)量級(jí)，已忽略。不同時(shí)刻的水平平均為該時(shí)刻四條對(duì)流線各自小區(qū)域（圖5中的紅色框區(qū)域）平均后的均值Fig. 7 Vertical profiles of the horizontal averaged total forcing (black lines, units: 10?9 K m s?2) of potential vorticity wave-activity relation and its components at (a) 2100 UTC, (b) 2200 UTC, and (c) 2300 UTC on 9 September 2019. The red, green, blue, and purple lines represent?·FA1(the divergence of the wave-activity density flux by the basic flow), ?·FA2 (the flux divergence of part of first-order perturbation potential vorticity by perturbation flow), ?·FA4 (divergence of the differences between perturbation advection and averaged perturbation advection ), and ?·FAex (the exchange between the basic-state potential vorticity and averaged wave-activity density), respectively. ?·FA3 (the divergence of the coupling of ageostrophic perturbation wind and perturbation potential temperature) is ignored due to its small magnitude. The horizontal averaged quantities in certain time is obtained by firstly conducing the average respectively over the four small regions corresponding to the four convective lines (red boxes in Fig. 5) and then doing an average to the four averaged results

上述區(qū)域平均的垂直廓線基本說明波作用方程右端項(xiàng)在暴雨對(duì)流組織化過程中對(duì)擾動(dòng)增強(qiáng)的促進(jìn)作用，下面以對(duì)流線L2為例，具體討論主導(dǎo)對(duì)流系統(tǒng)組織化的關(guān)鍵物理過程。圖8給出了與圖5相同層次波作用總強(qiáng)迫絕對(duì)值垂直積分的水平分布，雖然波作用總強(qiáng)迫的符號(hào)具有清晰物理意義，但絕對(duì)值的垂直積分能夠體現(xiàn)波作用總強(qiáng)迫在對(duì)流線區(qū)域的主要作用區(qū)域，表征未來擾動(dòng)最可能產(chǎn)生較大變化（增強(qiáng)或減弱）的區(qū)域。

圖8 2019年9月9日（a）21時(shí)、（b）22時(shí)、（c）23時(shí)位渦波作用方程總強(qiáng)迫（陰影，單位：10?9 K s?2）與雷達(dá)組合回波（等值線，單位：dBZ）的水平分布。圖b中紅色虛線表征波作用強(qiáng)迫大于6×10?9 K s?2區(qū)域，紅色箭頭表征波作用強(qiáng)迫中心區(qū)Fig. 8 Horizontal distributions of the total forcing (shadings, units:10?9 K s?2) of potential vorticity wave-activity relation and composite radar reflectivity (isolines, units: dBZ) at (a) 2100 UTC, (b) 2200 UTC,and (c) 2300 UTC on 9 September 2019. In Fig. b, regions with the forcing larger than 6×10?9 K s?2 are enclosed by the red dotted lines.The red arrow indicates the center of the forcing

對(duì)圖8的分析表明，波作用方程包含影響對(duì)流組織化的關(guān)鍵物理過程，從而使波作用總強(qiáng)迫的演變與對(duì)流區(qū)發(fā)展演變呈現(xiàn)較高一致性。圖8以雷達(dá)組合回波表征了對(duì)流線的組織化過程，回波的分布和演變是云體演變和云內(nèi)降水物質(zhì)集中的體現(xiàn)，而云體的演變也伴隨著云體內(nèi)部動(dòng)熱力擾動(dòng)的變化，是多種動(dòng)熱力物理過程的驅(qū)動(dòng)和配合的結(jié)果。波作用方程是描述云體擾動(dòng)強(qiáng)度演變的方程，因而能夠在一定程度上反映云體的變化趨勢(shì)。從另一角度，對(duì)流系統(tǒng)本身相對(duì)于周圍環(huán)境大氣就是一種擾動(dòng)，雷達(dá)組合回波表征的云體形態(tài)的改變也是擾動(dòng)結(jié)構(gòu)改變的反映。

《上海護(hù)理》為上海護(hù)理學(xué)會(huì)主辦、國(guó)內(nèi)外公開發(fā)行的綜合性護(hù)理學(xué)技術(shù)類期刊。本刊以廣大護(hù)士為主要讀者對(duì)象，主要報(bào)道護(hù)理學(xué)領(lǐng)域領(lǐng)先的科研成果和臨床經(jīng)驗(yàn)、護(hù)理學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)、護(hù)理教學(xué)理論和方法以及與護(hù)理密切相關(guān)的基礎(chǔ)理論研究成果。本刊的辦刊宗旨是:貫徹黨和國(guó)家的衛(wèi)生工作方針政策，貫徹理論與實(shí)踐、普及與提高相結(jié)合的方針，反映我國(guó)護(hù)理臨床、科研工作的重大進(jìn)展，促進(jìn)國(guó)內(nèi)外護(hù)理學(xué)術(shù)交流。

圖9 2019年9月9日22時(shí)（a）0.25～6 km、（b）6～12 km高度平均的位渦波作用方程總強(qiáng)迫（陰影，單位：10?9 K s?2）與雷達(dá)組合回波（等值線，單位：dBZ）的水平分布。紅色實(shí)線為未來1 h（23時(shí)）45 dBZ等值線（參考圖8c），以表征對(duì)流線的變化趨勢(shì)。圖a中，紅色虛線區(qū)域是對(duì)流區(qū)位渦波作用方程總強(qiáng)迫大于0的區(qū)域Fig. 9 Horizontal distributions of the total forcing (shadings, units: 10?9 K s?2) of potential vorticity wave-relation equation averaged over (a) 0.25–6 km and (b) 6–12 km and composite radar reflectivity (isolines, units: dBZ) at 2200 UTC on 9 September 2019. The solid red lines represent the shape of the 45-dBZ contours (refer to Fig. 8c) in the following 1 h (2300 UTC), which characterizes the changing trend of convective lines. In Fig. a, the red dashed line indicates the positive area of the total forcing of potential vorticity wave-relation equation

圖10給出了0.25～6 km高度平均的波作用方程各強(qiáng)迫分項(xiàng) ?·FA1??·FAex，可更為清晰看出對(duì)流線L2中四個(gè)總強(qiáng)迫高值區(qū)的貢獻(xiàn)項(xiàng)：對(duì)中心“1”區(qū)起主要作用的是 ?·FA1，對(duì)中心“2”起主要作用的為 ?·FA2，對(duì)中心“3”起主要作用的為?·FAex,對(duì)中心“4”起主要作用的是 ?·FA4，表明不同物理過程的相互配合影響對(duì)流組織化過程。

圖10 2019年9月9日22時(shí)0.25～6 km平均的（a） ?·FA1、 （b） ?·FA2 、（c） ?·FA4 、（d） ?·FAex與雷達(dá)組合回波（等值線，單位：dBZ）的水平分布。紅色虛線表征對(duì)流區(qū)波作用強(qiáng)迫大于0的區(qū)域，紅色實(shí)線為未來1 h（23時(shí)）45 dBZ等值線Fig. 10 Horizontal distributions of (a) ?·FA1, (b) ?·FA2 , (c) ?·FA4 , and (d) ?·FAex averaged over 0.25–6 km and composite radar reflectivity(isolines, units: dBZ) at 2200 UTC on 9 September 2019. The red dashed lines indicate the positive area of the forcing components, and the solid red lines denote the shape of the 45-dBZ contours in the following 1 h (2300 UTC)

由式（3～7）可知， ?·FA1?·FAex包含的過程十分復(fù)雜，每個(gè)項(xiàng)進(jìn)行散度運(yùn)算后[式（2）]均包含十幾個(gè)分項(xiàng)，為了發(fā)現(xiàn)其中的主要項(xiàng)，將每個(gè)強(qiáng)迫分項(xiàng)再次進(jìn)行分解運(yùn)算，提取其中的主要貢獻(xiàn)項(xiàng)討論波作用方程包含的主要物理過程。

6.1 基本態(tài)氣流對(duì)波作用密度的平流散度

將波作用密度式（1）分為三項(xiàng)：波作用密度描述的也是式（8）中擾動(dòng)風(fēng)切變、擾動(dòng)斜壓性、擾動(dòng)渦度和擾動(dòng)穩(wěn)定度耦合的擾動(dòng)強(qiáng)度。 ?·FA1可寫為

圖11為沿76.7°E經(jīng)過中心“1”波作用總強(qiáng)迫， ?·FA1及其分項(xiàng)的垂直分布。圖11a中與中心“1”對(duì)應(yīng)波作用總強(qiáng)迫高值區(qū)位于強(qiáng)對(duì)流中心北側(cè)，相同位置上，圖11b中 ?·FA1出現(xiàn)相當(dāng)強(qiáng)度的正值中心，進(jìn)一步說明其對(duì)中心“1”的貢獻(xiàn)。式（9）中的各項(xiàng)數(shù)值對(duì)比發(fā)現(xiàn)，對(duì)該中心起主要作用的是緯向基本流對(duì)擾動(dòng)位溫梯度和擾動(dòng)風(fēng)切變的平流輸送，即 ??(A1)/?x（圖11c）。將其進(jìn)一步整理，

發(fā)現(xiàn)，非均勻擾動(dòng)廣義位溫基本態(tài)平流與擾動(dòng)風(fēng)切變的耦合是決定中心“1”分布的關(guān)鍵要素，與之有關(guān)的擾動(dòng)廣義位溫在6 km高度水平分布及擾動(dòng)經(jīng)向風(fēng)的垂直分布如圖12所示。圖12a中，6 km高度環(huán)境大氣盛行西南風(fēng)，對(duì)流線內(nèi)有兩個(gè)擾動(dòng)廣義位溫高值帶，是對(duì)流線內(nèi)的暖區(qū)（W），與水汽上升造成的凝結(jié)潛熱釋放有關(guān)。平均風(fēng)將其向東北方向輸送，使中心“1”區(qū)中層加熱，更易形成該區(qū)低層不穩(wěn)定，增強(qiáng)對(duì)流，同時(shí)擾動(dòng)廣義位溫平流在水平方向的非均勻性使“1”區(qū)擾動(dòng)斜壓性增強(qiáng)，水平方向冷暖對(duì)比的增強(qiáng)有助于對(duì)流發(fā)展，配合低層輻合、中層輻散的擾動(dòng)經(jīng)向風(fēng)垂直分布，“1”區(qū)的對(duì)流發(fā)展增強(qiáng)，從而使對(duì)流線向東北—西南向延伸。

圖112019年9月9日22時(shí)沿76.7°E的（a）位 渦波作 用方程 總強(qiáng) 迫，（b）?·FA1， （c）?·FA1中的 分項(xiàng)??(A1)/?x、（d）?[?(??θ′e/?x)/?x](?v′/?z)的垂直分布，單位：10?8 Ks?2 m?1。黑色等值線為雷達(dá)回波（單位：dBZ），灰色實(shí)線為地形高度線（單位：km），綠色柱為1 h累積降水量（單位：mm），下同F(xiàn)ig.11Vertical distributions of(units:10?8 K s?2 m?1) (a) thetotalforcingof potentialvorticitywave-relationequation,(b)?·FA1,(c)component??(A1)/?xof?·FA1, (d)component?[?(??θ′e/?x)/?x](?v′/?z)of?·FA1along 76.7°E at2200 UTC on9 September2019. Theblacklines denote the radar reflectivity (units: dBZ), the gray solid lines denote the terrain (units: km), the green bars denote the 1-h precipitation (units: mm), the same below

圖12 2019年9月9日22時(shí)（a）6 km高度擾動(dòng)廣義位溫（陰影，單位：K）和環(huán)境大氣平均流場(chǎng)水平分布（等值線，單位：m s?1），（b）沿76.7°E的擾動(dòng)經(jīng)向風(fēng)速垂直分布（陰影，單位：m s?1）Fig. 12 (a) Perturbation-generalized potential temperature (shadings, units: K) at 6-km height and basic state wind stream (isolines, units: m s?1) and(b) vertical distribution of perturbation meridional wind speed along 76.7°E at 22 UTC on 9 September 2019

6.2 非均勻基本態(tài)與擾動(dòng)的耦合散度

根據(jù)上述分析，中心“2”主要與 ?·FA2有關(guān)。22時(shí)沿76.53°E的經(jīng)過中心“2”的 ?·FA2垂直剖面如圖13所示，對(duì)中心“2”起主要貢獻(xiàn)的異常高值區(qū)位于強(qiáng)對(duì)流中心南部邊緣(圖13a標(biāo)號(hào)“2”所在位置)，表明該區(qū)域擾動(dòng)增強(qiáng)，對(duì)流線L2向南的發(fā)展增強(qiáng)。將? ·FA2進(jìn)行分項(xiàng)計(jì)算：

其中，對(duì)中心“2”有主要貢獻(xiàn)作用的為??[w′(?/?z)(?θ′e/?y)]/?z（圖13b）。將其進(jìn)一步分解：

分析發(fā)現(xiàn) ?·FA2中對(duì)中心“2”的正強(qiáng)迫中心的關(guān)鍵作用項(xiàng)是?(?w′/?z)(?θ′e/?y)(?uˉ/?z)?w′[?(?θ′e/?y)/?z](?uˉ/?z)（圖13c、d），二者之和為經(jīng)向擾動(dòng)斜壓性的擾動(dòng)垂直通量在垂直方向的非均勻性與環(huán)境平均風(fēng)切變的耦合作用。

圖13 2019年9月9日22時(shí)沿76.53°E的（a）? ·FA2 、（b） ?·FA2 中的分項(xiàng)? ?[w′(?/?z)(?θ′e/?y)]/?z 、（c）? (?w′/?z)(?θ′e/?y)(?/?z)、（d）? w′[?(?θ′e/?y)/?z](?/?z)的垂直分布，單位：10?8 K s?2 m?1Fig. 13 Vertical distributions (units: 10?8 K s?2 m?1) of (a) ?·FA2 , (b) component ??[w′(?/?z)(?θ′e/?y)]/?z, (c) component? (?w′/?z)(?θ′e/?y)(?/?z) , and (d) component ? w′[?(?θ′e/?y)/?z](?/?z) of ? ·FA2along 76.53°E at 2200 UTC on 9 September 2019

6.3 基本態(tài)與擾動(dòng)的相互反饋

中心“3”主要與基本態(tài)位渦與位渦波作用密度的相互反饋項(xiàng)? ·FAex有關(guān)。與上述分解方法類似，將? ·FAex進(jìn)行分解運(yùn)算：

可發(fā)現(xiàn)中心“3”區(qū)對(duì) ?·FAex有關(guān)鍵貢獻(xiàn)作用的為?[w′(?θ′e/?z)(?uˉ/?z)]/?y（圖14a–c）。將該項(xiàng)進(jìn)行分解：

圖14 2019年9月9日22時(shí) 沿76.48°E的（a） ?·F 、（b） ?·FAex、 （c） ?·FAex中 的 分 項(xiàng) ?[w′(?θ′e/?z)(?uˉ/?z)]/?y 和（d）{?[w′(?θ′e/?z)]/?y}(?uˉ/?z)的垂直分布，單位：10?8 K s?2 m?1Fig. 14 Vertical distributions (units: 10?8 K s?2 m?1) of (a) ?·F , (b) ?·FAex, (c) component ?[w′(?θ′e/?z)(?uˉ/?z)]/?y and (d) component{?[w′(?θ′e/?z)]/?y}(?uˉ/?z) of ? ·FAex along 76.48°E at 2200 UTC on 9 September 2019

可進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，擾動(dòng)位溫的擾動(dòng)垂直輸送經(jīng)向梯度與垂直風(fēng)切變的耦合對(duì)中心“3”起主要貢獻(xiàn)作用。

對(duì)比式（12）和（14）的主要項(xiàng)可發(fā)現(xiàn)，兩類主要貢獻(xiàn)項(xiàng)反映的物理要素均是擾動(dòng)垂直速度、凝結(jié)潛熱引起的擾動(dòng)位溫的水平和垂直非均勻性及環(huán)境垂直風(fēng)切變，表明這些在對(duì)流過程中產(chǎn)生的垂直動(dòng)量和溫度變化配合環(huán)境大氣對(duì)對(duì)流系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展演變的作用，主要體現(xiàn)的是與熱力有關(guān)的過程。擾動(dòng)廣義位溫和擾動(dòng)垂直速度在4.5 km高度上的分布如圖15所示，相比于圖12a，4.5 km高度上的擾動(dòng)廣義位溫冷暖對(duì)比更強(qiáng)，對(duì)流線L2北側(cè)和南側(cè)為暖區(qū)，有強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)與之配合，說明其和上升氣流造成的水汽凝結(jié)潛熱釋放有關(guān)。兩條暖區(qū)之間為東西走向的狹長(zhǎng)冷區(qū)，配合下沉氣流。水平擾動(dòng)風(fēng)場(chǎng)顯示北側(cè)暖區(qū)的氣流由北側(cè)和西側(cè)卷入，南側(cè)暖區(qū)入流由南側(cè)卷入，對(duì)流線西側(cè)為冷區(qū)，干冷空氣隨氣旋性旋轉(zhuǎn)氣流進(jìn)入對(duì)流線，造成水汽蒸發(fā)吸熱，在對(duì)流線中部形成狹長(zhǎng)的下沉氣流（圖15b），且下沉氣流帶冷區(qū)存在向外輻散氣流，向北輻散氣流與北側(cè)入流匯合，形成東西走向的輻合線，維持北側(cè)對(duì)流，向南輻散出流與南側(cè)入流匯合，維持對(duì)流線北側(cè)對(duì)流?？梢?，對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展和維持與擾動(dòng)位溫、擾動(dòng)風(fēng)速有直接聯(lián)系。東西走向的擾動(dòng)廣義位溫高值帶和低值帶使對(duì)流大氣呈現(xiàn)強(qiáng)擾動(dòng)斜壓特征，而式（12）和（14）表明 ?·FA2和 ?·FAex均是在環(huán)境垂直風(fēng)切變的配合下，通過擾動(dòng)垂直速度的輸送增加對(duì)流大氣的擾動(dòng)斜壓性，進(jìn)而維持或促進(jìn)對(duì)流發(fā)展。? ·FAex主要促進(jìn)北側(cè)對(duì)流的發(fā)展，其主要通過擾動(dòng)斜壓性的垂直輸送及擾動(dòng)垂直散度增加斜壓性； ?·FA2促進(jìn)對(duì)流向南側(cè)的發(fā)展，其主要通過潛熱垂直平流的水平非均勻性增加斜壓性。二者共同作用，增加強(qiáng)對(duì)流區(qū)在南北方向的尺度。

圖15 2019年9月9日22時(shí)4.5 km高度的（a）擾動(dòng)位溫（陰影，單位：K）、擾動(dòng)風(fēng)場(chǎng)（箭頭，單位：m s?1）以及（b）擾動(dòng)垂直速度（陰影，單位：m s?1）的水平分布，（c）沿76.48°E的擾動(dòng)廣義位溫（陰影，單位：K）和垂直流場(chǎng)（箭頭，經(jīng)向風(fēng)單位：m s?1，垂直速度單位：10?1 m s?1）垂直分布Fig. 15 Horizontal distributions of (a) perturbation-generalized potential temperature (shadings, units: K) and perturbation wind field (arrows, units:m s?1), (b) vertical-perturbation vertical velocity at 4.5-km height, (c) vertical distributions of perturbation-generalized potential temperature (shadings,units: K) and vertical circulation (arrows, meridional wind units: m s?1, vertical velocity units: 10?1 m s?1) along 76.48°E at 2200 UTC on 9 September 2019

6.4 不同動(dòng)熱力擾動(dòng)的耦合作用

以上過程均是在環(huán)境風(fēng)場(chǎng)的配合下起作用，?·FA4是僅包含擾動(dòng)的作用下，對(duì)中心“4”起關(guān)鍵作用。將其分解為

發(fā)現(xiàn)，? ?[v′·?u′(?θ′e/?y)]/?z為主要作用項(xiàng)（圖16a–c），將該項(xiàng)展開為

圖16 2019年9月9日22時(shí) 沿76.38°E的（a） ?·F 、（b） ?·FA4 、（c） ?·FA4 中 的 分 項(xiàng) ??[v′·?u′(?θ′e/?y)]/?z 和（d）?(?v′/?z)(?u′/?y)(?θ′e/?y)?v′[?(?u′/?z)/?y](?θ′e/?y)的垂直分布，單位：10?8 K s?2 m?1Fig. 16 Vertical distributions (units: 10?8 Ks?2 m?1) of (a) ?·F , (b) ?·FA4 , (c) component ??[v′·?u′(?θ′e/?y)]/?z, and (d) component?(?v′/?z)(?u′/?y)(?θ′e/?y)?v′[?(?u′/?z)/?y](?θ′e/?y) of ? ·FA4 along 76.38°E at 2200 UTC on 9 September 2019

可進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)其中的關(guān)鍵過程，即?(?v′/?z)(?u′/?y)(?θ′e/?y)?v′[?(?u′/?z)/?y](?θ′e/?y)（圖16d），主要是水平擾動(dòng)風(fēng)場(chǎng)與擾動(dòng)斜壓性的相互作用，擾動(dòng)斜壓性的作用在上述過程中已經(jīng)說明，而 ?·FA4的主要作用是通過擾動(dòng)風(fēng)場(chǎng)的演變驅(qū)動(dòng)對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展。如圖17，與中心“4”對(duì)應(yīng)的位置，除了具有強(qiáng)斜壓性之外，北側(cè)對(duì)流線外為擾動(dòng)西風(fēng)，南側(cè)對(duì)流線內(nèi)為擾動(dòng)?xùn)|風(fēng)，低層為擾動(dòng)北風(fēng)，氣流灌入對(duì)流線，高層為擾動(dòng)南風(fēng)形成的出流，低層擾動(dòng)北風(fēng)將對(duì)流線北側(cè)西風(fēng)向?qū)α骶€內(nèi)部輸送，高層擾動(dòng)南風(fēng)將擾動(dòng)?xùn)|風(fēng)向?qū)α骶€外部輸送，從而增加了高低層擾動(dòng)緯向風(fēng)的垂直梯度，水平渦度發(fā)展，促進(jìn)垂直對(duì)流的發(fā)展。

圖17 2019年9月9日22時(shí)沿75.38°E的（a）擾動(dòng)緯向風(fēng)速（陰影，單位：m s?1）、（b）擾動(dòng)經(jīng)向風(fēng)速（陰影，單位：m s?1）、（c）擾動(dòng)廣義位溫（陰影，單位：K）和垂直流場(chǎng)（箭頭，經(jīng)向風(fēng)單位：m s?1，垂直速度單位：10?1 m s?1）垂直分布Fig. 17 Vertical distributions of (a) perturbation zonal wind speed (shadings, units: m s?1), (b) perturbation meridional wind speed (shadings, units:m s?1), (c) perturbation-generalized potential temperature (shadings, units: K) and vertical circulation (arrows, meridional wind units: m s?1, vertical velocity units: 10?1 m s?1) and along 76.38°E at 2200 UTC on 9 September 2019

7 結(jié)論

本文基于高分辨率數(shù)值模擬，研究了一次南疆西部干旱區(qū)暴雨的組織化過程和機(jī)制。將產(chǎn)生暴雨的對(duì)流系統(tǒng)視為疊加在環(huán)境基本氣流上的擾動(dòng)系統(tǒng)，本研究采用位渦波作用密度和波作用方程對(duì)影響暴雨對(duì)流系統(tǒng)組織化的關(guān)鍵物理過程進(jìn)行了細(xì)致分析和討論。

2019年9月9日暴雨發(fā)生在南疆天山南側(cè)，從產(chǎn)生淺對(duì)流發(fā)展為有組織的帶狀系統(tǒng)歷經(jīng)約5小時(shí)，過程中小尺度對(duì)流單體首先產(chǎn)生，并形成東西方向的對(duì)流線，之后多條對(duì)流線發(fā)展增強(qiáng)、轉(zhuǎn)向連結(jié)，最后形成東北—西南向的帶狀系統(tǒng)。整層大氣絕對(duì)值積分的位渦波作用密度對(duì)該過程有良好反映，高值區(qū)的分布形態(tài)和演變與雷達(dá)回波發(fā)展一致。波作用密度與暴雨對(duì)流組織化高度相關(guān)的物理意義在于，對(duì)流云體的演變是大氣多種動(dòng)熱力擾動(dòng)相互配合、共同作用的結(jié)果，位渦波作用密度將其中的關(guān)鍵擾動(dòng)有機(jī)耦合在一起，因而與對(duì)流系統(tǒng)的組織化表現(xiàn)出較高一致性。以此為基礎(chǔ)，描述位渦波作用密度變化的波作用方程能夠用來研究驅(qū)動(dòng)對(duì)流系統(tǒng)組織化發(fā)展的物理因素。

研究發(fā)現(xiàn)，波作用方程在中低層的正高值區(qū)比較好地契合了對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)，包括強(qiáng)對(duì)流的增強(qiáng)及對(duì)流系統(tǒng)內(nèi)部對(duì)流線由東西走向組織為東北—西南走向的演變過程。通過對(duì)波作用方程右端各強(qiáng)迫分項(xiàng)尤其是其中起關(guān)鍵作用的物理因素的分析，將波作用方程體現(xiàn)的影響對(duì)流組織化的關(guān)鍵物理過程總結(jié)為概念模型（圖18）。東西向的對(duì)流線演變?yōu)闁|北—西南向的帶狀對(duì)流系統(tǒng)包括對(duì)流的增強(qiáng)和南北尺度的增大，對(duì)流線東北側(cè)弱對(duì)流區(qū)的發(fā)展有重要作用，對(duì)該區(qū)對(duì)流有關(guān)鍵影響是基本態(tài)氣流波擾動(dòng)的平流輸送的水平非均勻性，該區(qū)西側(cè)為強(qiáng)對(duì)流區(qū)造成的加熱，即正擾動(dòng)位溫，強(qiáng)平均西風(fēng)將西側(cè)強(qiáng)對(duì)流區(qū)潛熱向該弱對(duì)流區(qū)輸送，與其東側(cè)的相對(duì)冷區(qū)形成強(qiáng)斜壓性，配合低層入流、高層出流的擾動(dòng)經(jīng)向風(fēng)切變環(huán)流，導(dǎo)致該區(qū)對(duì)流發(fā)展。

圖18 根據(jù)波作用方程診斷的南疆暴雨組織化概念模型。紅色箭頭為上升流，藍(lán)色箭頭為下沉流，深藍(lán)色箭頭框?yàn)榫曄蚧練饬?，虛線箭頭為擾動(dòng)緯向風(fēng)，藍(lán)色虛線為低層擾動(dòng)氣流形成的鋒面或輻合線Fig. 18 Concept model of the organization process diagnosed from the wave-activity relation equation in southern Xinjiang. The red arrow indicates ascending flow, the blue arrow indicates descending flow, the dark blue arrow box is zonal basic flow, the dashed arrow is the perturbation zonal flow,the blue dashed line is the front or convergence line formed by the low-level perturbation flow

強(qiáng)對(duì)流區(qū)的維持和南北向發(fā)展與多個(gè)物理過程有關(guān)。強(qiáng)對(duì)流區(qū)南北兩側(cè)分別存在一個(gè)擾動(dòng)經(jīng)向風(fēng)入流，空氣進(jìn)入后上升凝結(jié)，釋放潛熱，導(dǎo)致強(qiáng)對(duì)流區(qū)南北側(cè)分別存在一個(gè)正擾動(dòng)廣義位溫區(qū)，而強(qiáng)對(duì)流區(qū)中部則為下沉區(qū)，下沉氣流蒸發(fā)吸熱，對(duì)應(yīng)擾動(dòng)廣義位溫負(fù)值區(qū)，同時(shí)下沉氣流在低層向外輻散，與南部入流形成輻合，維持強(qiáng)對(duì)流的發(fā)展。從熱力角度，持續(xù)的上升和下沉氣流不斷使上升區(qū)加熱，下沉區(qū)冷卻，增強(qiáng)對(duì)流大氣的擾動(dòng)斜壓性，引起更強(qiáng)烈的冷暖空氣對(duì)峙，對(duì)流增強(qiáng)。從動(dòng)力角度，對(duì)流系統(tǒng)南、北兩側(cè)的入流區(qū)為擾動(dòng)?xùn)|風(fēng)，對(duì)流區(qū)內(nèi)為擾動(dòng)西風(fēng)，從而形成氣旋性擾動(dòng)環(huán)流，抽吸大氣使對(duì)流增強(qiáng)，引起低層入流、高層出流增強(qiáng)，維持上升氣流發(fā)展；除了經(jīng)向風(fēng)形成的切變環(huán)流，對(duì)流系統(tǒng)在低層的擾動(dòng)?xùn)|風(fēng)也存在入流，配合中層擾動(dòng)西風(fēng)，形成緯向切變環(huán)流，擾動(dòng)經(jīng)向風(fēng)將其向?qū)α髦行膮^(qū)輸送，引起中心區(qū)擾動(dòng)切變?cè)鰪?qiáng)，誘發(fā)更強(qiáng)的垂直運(yùn)動(dòng)。

以上研究通過波作用密度和波作用方程對(duì)影響南疆干旱區(qū)暴雨組織化進(jìn)行定量診斷，目的在于發(fā)現(xiàn)其中的關(guān)鍵物理過程，同時(shí)應(yīng)注意到南疆暴雨是在南疆特殊地形和下墊面條件下形成，加上水汽輸送機(jī)制的不同，其組織化特點(diǎn)應(yīng)與我國(guó)東部暴雨具有顯著區(qū)別，后續(xù)研究將關(guān)注南疆暴雨區(qū)別于我國(guó)東部暴雨的特點(diǎn)、南疆小尺度地形和特殊的干旱下墊面對(duì)其的影響和作用機(jī)制。