與直線型對流大風(fēng)相關(guān)的強(qiáng)風(fēng)暴形態(tài)結(jié)構(gòu)和熱動(dòng)力學(xué)過程*

孫繼松

1 中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081 2 南京氣象科技創(chuàng)新研究院，南京 210041

提 要： 從預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)的視角，重點(diǎn)討論了直線型對流大風(fēng)形成機(jī)理與對流風(fēng)暴形態(tài)結(jié)構(gòu)演變、風(fēng)暴內(nèi)部熱動(dòng)力學(xué)與云-水微物理過程之間的科學(xué)邏輯關(guān)系，以及它們在現(xiàn)代業(yè)務(wù)觀測體系中的“顯性表征”，對一些存在不同觀點(diǎn)或解釋的科學(xué)問題進(jìn)行了探討，以期幫助相關(guān)人員科學(xué)理解“觀測現(xiàn)象”背后的物理邏輯、提高科學(xué)預(yù)警能力。主要結(jié)論：對流風(fēng)暴引發(fā)的直線型地面強(qiáng)風(fēng)，直接驅(qū)動(dòng)因子來自于風(fēng)暴內(nèi)部的垂直運(yùn)動(dòng)，而垂直運(yùn)動(dòng)的主要貢獻(xiàn)來自于“熱力學(xué)作用造成的擾動(dòng)氣壓垂直變化”和對流冷池效應(yīng)強(qiáng)迫，它們又與風(fēng)暴內(nèi)部的蒸發(fā)(凝結(jié))、融化(凝華)等云-水微物理過程直接相關(guān)；這些熱動(dòng)力學(xué)和云-水微物理過程的演變可以通過一系列的“觀測現(xiàn)象”表征出來，例如雷達(dá)觀測到的弱回波槽口、后側(cè)入流急流、中層徑向強(qiáng)輻合、中氣旋、陣風(fēng)鋒等,以及地面氣象要素隨時(shí)間的劇烈變化。線型風(fēng)暴系統(tǒng)的形態(tài)變化特征是由于風(fēng)暴系統(tǒng)內(nèi)部的動(dòng)力學(xué)過程或者風(fēng)暴系統(tǒng)與環(huán)境大氣相互作用導(dǎo)致的，并不是所有的線型風(fēng)暴系統(tǒng)都會演變?yōu)楣瓲罨夭ㄌ卣鞯娘R線；RKW理論本質(zhì)上解釋了整體颮線系統(tǒng)與環(huán)境風(fēng)垂直切變之間的相互作用問題，實(shí)質(zhì)上環(huán)境風(fēng)場更多是在主導(dǎo)颮線移動(dòng)和傳播，而颮線的發(fā)展、維持可能主要是由風(fēng)暴內(nèi)部的熱動(dòng)力學(xué)過程控制的。

引 言

隨著我國精細(xì)化探測能力和預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)的發(fā)展，強(qiáng)對流天氣的業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)能力總體上呈現(xiàn)明顯上升趨勢(唐文苑等，2017;俞小鼎和鄭永光，2020；Zhang et al,2020)。然而，目前對于短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹、雷暴大風(fēng)和龍卷等強(qiáng)風(fēng)暴的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)預(yù)警能力仍然很低。主要原因在于，對我國不同區(qū)域復(fù)雜而獨(dú)特的天氣氣候背景下的不同類型、不同尺度的強(qiáng)風(fēng)暴系統(tǒng)精細(xì)化結(jié)構(gòu)演變與風(fēng)暴內(nèi)部的熱動(dòng)力學(xué)過程、云微物理過程及其地面災(zāi)害性天氣現(xiàn)象之間的科學(xué)邏輯關(guān)系認(rèn)識不足，風(fēng)暴尺度動(dòng)力學(xué)理論本身的完善程度遠(yuǎn)不及天氣尺度動(dòng)力學(xué)和次天氣尺度動(dòng)力學(xué)，因此面對迅速發(fā)展演變的對流風(fēng)暴系統(tǒng)，很多一線預(yù)報(bào)員依然停留在“看圖說話”、線性外推或者基于短時(shí)臨近客觀預(yù)報(bào)系統(tǒng)的主觀解釋上，而有些主觀判斷的依據(jù)未必完全源于對不同類型風(fēng)暴演變過程動(dòng)力學(xué)的科學(xué)認(rèn)識，更多的是基于并不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃^“經(jīng)驗(yàn)判斷”或者半經(jīng)驗(yàn)式的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，從某些觀測現(xiàn)象來推斷可能引發(fā)什么類型的天氣災(zāi)害，這必然造成有效預(yù)警時(shí)效短、預(yù)警針對性差等問題。盡管基于對流可分辨的數(shù)值預(yù)報(bào)模式在一定程度上能夠提升組織化程度較高的對流系統(tǒng)影響范圍以及對流降水系統(tǒng)的預(yù)報(bào)能力，但是在可預(yù)見的未來若干年內(nèi)，業(yè)務(wù)模式依然不太可能大幅提高極端對流性災(zāi)害天氣的直接預(yù)報(bào)能力，例如對極端性短時(shí)強(qiáng)降水、大冰雹、極端陣風(fēng)和龍卷等天氣現(xiàn)象的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。而對這些天氣現(xiàn)象的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)預(yù)警正是拯救生命、有效降低災(zāi)害損失的前提。因此，正確理解對流風(fēng)暴生命史過程中一系列形態(tài)結(jié)構(gòu)特征的演變過程及其內(nèi)在的熱動(dòng)力學(xué)主導(dǎo)機(jī)制，依托精細(xì)化多源觀測資料，依然是科學(xué)有效預(yù)警不同類型強(qiáng)對流災(zāi)害天氣的主要手段。

能夠預(yù)報(bào)“對流風(fēng)暴系統(tǒng)”并不等于能夠預(yù)報(bào)“強(qiáng)對流災(zāi)害天氣”，正如我們能夠準(zhǔn)確預(yù)報(bào)天氣系統(tǒng)(如高空槽、低渦、鋒面等)的演變，并不等于我們能夠準(zhǔn)確預(yù)報(bào)這些天氣系統(tǒng)到底能夠帶來多大的降水量一樣。與強(qiáng)對流風(fēng)暴有關(guān)的災(zāi)害性天氣一般包括短時(shí)強(qiáng)降水、直線型對流大風(fēng)、冰雹和龍卷，只有將風(fēng)暴熱動(dòng)力學(xué)知識“具象化”地與高分辨率觀測資料結(jié)合起來，才能理解“觀測現(xiàn)象”背后的物理學(xué)邏輯，從而實(shí)現(xiàn)基于科學(xué)邏輯的針對性預(yù)警。限于篇幅，本文將主要從預(yù)報(bào)預(yù)警的業(yè)務(wù)角度出發(fā)，討論直線型對流大風(fēng)與對流風(fēng)暴結(jié)構(gòu)演變、風(fēng)暴內(nèi)部熱動(dòng)力學(xué)與云-水微物理過程之間的科學(xué)邏輯關(guān)系，以期幫助預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)人員理解強(qiáng)風(fēng)暴系統(tǒng)一系列觀測現(xiàn)象演變背后的物理邏輯，進(jìn)而提高強(qiáng)風(fēng)暴分類預(yù)警的針對性和有效性。

1 直線型對流大風(fēng)的形成機(jī)制

與強(qiáng)對流過程有關(guān)的地面對流大風(fēng)可以簡單地分為三類(孫繼松等，2014)：離向風(fēng)暴系統(tǒng)的大風(fēng)(包括下?lián)舯┝鳌⒊隽麝囷L(fēng))、指向風(fēng)暴系統(tǒng)的前側(cè)入流大風(fēng)和高速旋轉(zhuǎn)大風(fēng)(包括龍卷、塵卷)。前兩類可以被統(tǒng)稱為直線型對流大風(fēng)。上述大風(fēng)既可以由孤立對流風(fēng)暴(單體或超級單體)造成，也可以出現(xiàn)在高度組織化的多單體對流系統(tǒng)中，如線型對流系統(tǒng)(颮線)、非線型對流多單體風(fēng)暴系統(tǒng)等。對流性大風(fēng)必然是由對流風(fēng)暴引發(fā)的，但是對流風(fēng)暴不一定都會產(chǎn)生地面大風(fēng)，這是因?yàn)椴煌膶α黠L(fēng)暴內(nèi)部存在不同的熱動(dòng)力學(xué)和云-水微物理過程。

從動(dòng)力學(xué)的角度來看，地面水平風(fēng)必然是與大氣中的垂直運(yùn)動(dòng)伴隨的。取一個(gè)以對流風(fēng)暴邊沿為界的大氣柱，對于不可壓的氣柱來說：

(1)

式中v′是流線s方向的擾動(dòng)風(fēng)速，于是可以得到距離垂直運(yùn)動(dòng)中心一定距離的水平擾動(dòng)風(fēng)速：

(2)

因此風(fēng)暴前側(cè)的強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)(updraft)和風(fēng)暴后側(cè)的強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)(downdraft)必然對應(yīng)有低層大風(fēng)：由于地面的垂直速度為零，即w0=0,在強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)的前側(cè)，因?yàn)?w/?z>0，低層水平風(fēng)為指向風(fēng)暴系統(tǒng)的入流大風(fēng), 強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)的前側(cè)為指向風(fēng)暴前側(cè)的出流大風(fēng)(?w/?z<0)，強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)的后側(cè)為指向風(fēng)暴后側(cè)的出流大風(fēng)(此處Δx<0)(圖1a)。指向風(fēng)暴的入流大風(fēng)之所以很少被關(guān)注，是因?yàn)槠錁O大風(fēng)不一定出現(xiàn)在地面上，例如高架雷暴中的入流大風(fēng)、對流冷池上的入流大風(fēng)很少被地面觀測站捕捉到，但存在地形起伏的區(qū)域容易被監(jiān)測到，例如從2016年 6月6日發(fā)生在湖北的一次颮線造成的地面大范圍對流大風(fēng)事件中(圖1b)可以清晰地看到位于陣風(fēng)鋒后側(cè)的入流大風(fēng)。

測站觀測的是全風(fēng)速，在不考慮風(fēng)暴移動(dòng)的情況下，v=V+v′，其中V為環(huán)境風(fēng)速。當(dāng)對流風(fēng)暴位于地面冷鋒上或者氣旋后側(cè)時(shí)，更容易形成單一指向的極端出流大風(fēng)，此時(shí)強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)前側(cè)的擾動(dòng)風(fēng)速與環(huán)境風(fēng)方向一致(如圖1a中的A點(diǎn))，強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)后側(cè)的地面風(fēng)向與環(huán)境風(fēng)方向相反，在遠(yuǎn)端被快速削弱，于是我們看到圖1a中由下?lián)舯┝髟斐傻妮椛畹孛娲箫L(fēng)，最大負(fù)速度(指向雷達(dá))的位置(如圖1a中的B點(diǎn))比最大正速度的位置(A點(diǎn))更靠近下?lián)舯┝髦行牡奈恢?；同理，?dāng)風(fēng)暴位于地面氣旋前側(cè)時(shí)，因風(fēng)暴入流與氣旋環(huán)境風(fēng)的風(fēng)向相同，地面觀測站上更容易觀測到地面極端入流大風(fēng)而減弱出流大風(fēng)風(fēng)速。

圖1 (a)典型下?lián)舯┝鬟^程中0.5°仰角觀測到的雷達(dá)徑向速度示意圖(改繪自Markowski and Richardson，2010；黃色箭頭為環(huán)境風(fēng)方向，紅星位置對應(yīng)下沉氣流中心，A、B點(diǎn)分別為最大正、負(fù)徑向速度的位置)；(b)2016年6月6日一次對流大風(fēng)事件中颮線系統(tǒng)對應(yīng)的當(dāng)前一小時(shí)內(nèi)地面極大風(fēng)與1.5°仰角雷達(dá)反射率(引自郭英蓮和孫繼松,2019；粉色圈內(nèi)為入流風(fēng)，棕色圈為極大風(fēng)出現(xiàn)位置)Fig.1 (a) Radar radial velocity of a typical downburst observed at 0.5° elevation (adapted from Markowski and Richardson, 2010; the yellow arrow represents the ambient wind direction, and red star corresponds to downdraft center; A, B indicate the maximum positive and minimum negative radial velocities, separately), and (b) surface extreme gale within the current hour corresponding to a squall line and radar reflectivity at 1.5° elevation on 6 June 2016(adapted from Guo and Sun, 2019; the pink circle represents surface inflow wind and the brown circle refers to the extreme gale within an hour)

那么，風(fēng)暴內(nèi)部的強(qiáng)垂直運(yùn)動(dòng)是如何形成的呢？取追隨風(fēng)暴系統(tǒng)移動(dòng)的坐標(biāo)系(這樣可以大致忽略環(huán)境平流作用的影響)，可以得到垂直運(yùn)動(dòng)方程(Takemi and Satomura，2000；Peters et al,2019)：

[B′-g(qc+qr+qi+qs+qg)]

(3)

風(fēng)暴系統(tǒng)內(nèi)的云水物質(zhì)拖曳項(xiàng)總是造成向下的強(qiáng)迫作用，擾動(dòng)氣壓的動(dòng)力學(xué)垂直變化項(xiàng)大多數(shù)情況下起到阻尼作用，一般認(rèn)為這兩項(xiàng)對強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)形成過程相對于熱力學(xué)效應(yīng)要弱得多(Wakimoto and Bringi，1988；Proctor，1989；許煥斌和魏紹遠(yuǎn)，1995；Fu and Guo，2007；Mahale et al，2016)。這一點(diǎn)可以從某些極端短時(shí)強(qiáng)降水事件中并不存在地面大風(fēng)的對流事件中被證實(shí)：盡管存在高密度大粒徑水物質(zhì)拖曳效應(yīng)，但地面風(fēng)速很小，與之對應(yīng)的地面冷池很弱(表明風(fēng)暴中不存在強(qiáng)烈的蒸發(fā)和融化)，這樣的天氣表現(xiàn)一般發(fā)生在較為深厚的飽和濕環(huán)境中。

在存在明顯干層和一定垂直風(fēng)切變環(huán)境下的對流風(fēng)暴中，在風(fēng)暴前側(cè)弱回波區(qū)附近，存在強(qiáng)烈的水汽凝結(jié)和凝華過程，潛熱釋放造成?P′b/?z<0，氣塊向上加速；同時(shí)該區(qū)域低層為指向前側(cè)的強(qiáng)位溫梯度(冷濕指向暖干，B′>0)，氣塊向上加速，它們的共同作用加強(qiáng)了上升氣流；在水凝物下落區(qū)后側(cè)，由于存在強(qiáng)烈的蒸發(fā)、冰相水物質(zhì)融化過程，冷卻效應(yīng)必然造成最大融化、蒸發(fā)層擾動(dòng)氣壓比低層更大，即?P′b/?z>0，氣塊向下加速，同時(shí)低層形成由蒸發(fā)冷中心指向后側(cè)的位溫梯度(B′<0)，它們的共同作用進(jìn)一步加強(qiáng)了下沉氣流。因此，風(fēng)暴內(nèi)部的非絕熱過程是垂直運(yùn)動(dòng)(downdraft,updraft)強(qiáng)弱變化的主要強(qiáng)迫源。從2016年6月30日15:03雙多普勒雷達(dá)反演的青島附近三維風(fēng)場(圖2)可以清楚地看到地面極端大風(fēng)主要強(qiáng)迫源的作用：其中風(fēng)暴頂部存在明顯的回波缺口，該缺口的形成主要是由于蒸發(fā)、融化作用造成(Mahale et al，2016)，由于該區(qū)域存在強(qiáng)烈的蒸發(fā)冷卻、融化冷卻和大粒子拖曳，因此對應(yīng)著最強(qiáng)的下沉氣流，這支下沉氣流也是地面極端大風(fēng)的主要強(qiáng)迫源；另外，風(fēng)暴后側(cè)的下沉入流、低層密度流(斜壓強(qiáng)迫)也是地面極端大風(fēng)形成的重要機(jī)制之一。

圖2 2016年6月30日15:03雙多普勒雷達(dá)反演的風(fēng)場(風(fēng)矢)和雷達(dá)反射率因子(填色)的垂直剖面(引自萬夫敬等，2021)Fig.2 Vertical cross-section of radar reflectivity (shaded) and winds (vector) retrieved by the dual-Doppler radar at 15:03 BT 30 June 2016 (cited from Wan et al, 2021)

2 觀測現(xiàn)象與對流大風(fēng)形成機(jī)制的邏輯關(guān)系

風(fēng)暴內(nèi)部的垂直運(yùn)動(dòng)與地面大風(fēng)存在直接的對應(yīng)關(guān)系，然而現(xiàn)代觀測系統(tǒng)幾乎仍然無法直接觀測到“垂直運(yùn)動(dòng)速度”，即便是利用雷達(dá)天頂徑向速度(此時(shí)的徑向速度就是垂直運(yùn)動(dòng)速度)也存在極大誤差，這是由于水凝物下落速度“污染”造成無法直接觀測到“空氣”的垂直運(yùn)動(dòng)。但是，通過雷達(dá)觀測和地面要素觀測，是可以間接揭示風(fēng)暴內(nèi)部的某些動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)和云微物理過程的，這是透過“觀測現(xiàn)象”來識別(客觀或主觀)是否存在地面災(zāi)害性大風(fēng)的主要依據(jù)，因此理解觀測現(xiàn)象背后的物理邏輯是科學(xué)發(fā)布不同類型對流災(zāi)害天氣預(yù)警的前提。

2.1 陣風(fēng)鋒與地面極端大風(fēng)

圖3 2021年4月30日19—23時(shí)江蘇如東站氣溫(紅線)、氣壓(黑線)、極大風(fēng)向(風(fēng)羽)風(fēng)速(藍(lán)線)的時(shí)間演變(引自吳海英等，2022)Fig.3 Time series of temperature (red line), pressure (black line), maximum wind direction (wind barb) and speed (blue line) at Rudong Station of Jiangsu Province from 19:00 BT to 23:00 BT 30 April 2021 (cited from Wu et al, 2022)

2.2 后側(cè)入流急流、后側(cè)入流槽口、中層強(qiáng)輻合(MARC)、中氣旋與地面大風(fēng)

圖4 (a)風(fēng)暴后側(cè)向下伸展的后側(cè)入流急流(引自梁維亮等，2016)和(b)颮線系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)垂直剖面(加工自Houze，1989)Fig.4 (a) The descending rear inflow jet from radar radial velocity (cited from Liang et al, 2016), and (b) vertical cross-section of dynamic structure in a typical squall line (adapted from Houze, 1989)

在強(qiáng)風(fēng)暴系統(tǒng)的雷達(dá)徑向速度圖上，常常可以看到風(fēng)暴中層的正負(fù)速度對，如果該“速度對”是不旋轉(zhuǎn)的，被稱為“中層徑向輻合”；如果是旋轉(zhuǎn)的速度對，則被稱為“中氣旋”。從空氣質(zhì)量守恒的角度來說，近地面層的強(qiáng)輻散(如下?lián)舯┝?必然對應(yīng)風(fēng)暴中層的徑向強(qiáng)輻合(MARC)，因此徑向強(qiáng)輻合常?？梢宰鳛榈孛鎻?qiáng)風(fēng)的預(yù)警指標(biāo)。從Houze(1989)給出的概念模型(圖4b)可以理解徑向強(qiáng)輻合與風(fēng)暴前側(cè)入流和后側(cè)入流的關(guān)系：如果在某一個(gè)雷達(dá)仰角觀測中，這一高度上的前側(cè)入流與后側(cè)入流強(qiáng)度相同，徑向強(qiáng)輻合的徑向風(fēng)速呈對稱分布，否則為非對稱分布，左側(cè)速度越大(出現(xiàn)明顯的后側(cè)入流急流)，下沉氣流強(qiáng)度越強(qiáng)，對應(yīng)地面強(qiáng)風(fēng)越大。

依據(jù)對流風(fēng)暴內(nèi)部中氣旋出現(xiàn)的高度不同，被分別稱為“中層中氣旋”(mid-level mesocyclone)和“低層中氣旋”(low-level mesocyclone)，中層中氣旋和低層中氣旋可能是兩個(gè)相互獨(dú)立的渦旋系統(tǒng)(圖5a)。低層中氣旋被認(rèn)為是與龍卷渦旋直接相關(guān)的渦旋，因此有些強(qiáng)風(fēng)暴存在龍卷渦旋特征(TVS)而沒有觀測到中氣旋，而大多數(shù)具有中氣旋特征的超級單體并不會引發(fā)龍卷。這兩種中氣旋的初始渦度來源不同，尺度上一般也存在差異：超級單體中必然存在中層中氣旋(是否存在中氣旋是判斷風(fēng)暴是否為超級單體風(fēng)暴的主要判據(jù)之一)，它是低層強(qiáng)垂直切變(或者說水平渦度)在強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)拉伸作用下演變成為垂直渦度的結(jié)果，其水平尺度可達(dá)幾千米至十幾千米甚至更大；低層中氣旋水平尺度往往更小，一般緊貼超級單體勾狀回波的云墻(wall cloud)，其垂直渦度首先產(chǎn)生于后側(cè)傾斜下沉氣流(RFD)的水平渦管中，之后垂直渦管快速拉伸增強(qiáng)被認(rèn)為是低層中氣旋的主要產(chǎn)生機(jī)制(Markowski and Richardson，2010)，因此，后側(cè)下沉氣流(Wurman et al，2012)以及與之相關(guān)的冷池水平斜壓渦度被認(rèn)為對低層中氣旋的產(chǎn)生至關(guān)重要(Markowski and Richardson，2009；2014；2017)。

中氣旋不是下?lián)舯┝?或者對流大風(fēng))的必然伴隨現(xiàn)象(或者說不是必要條件)，也就是說，是否存在中氣旋本身不能單獨(dú)作為地面大風(fēng)的預(yù)警指標(biāo)，例如干空氣夾卷進(jìn)入一般風(fēng)暴系統(tǒng)，完全由蒸發(fā)融化過程產(chǎn)生的下?lián)舯┝?Mahale et al，2016)，特別是干下?lián)舯┝黠L(fēng)暴中很少觀測到中層中氣旋而更容易觀測到徑向強(qiáng)輻合；在整層接近飽和的環(huán)境大氣中發(fā)展起來的、以短時(shí)強(qiáng)降水為主要特征的一些超級單體(即存在明顯的中層中氣旋特征)，也不會出現(xiàn)地面強(qiáng)風(fēng)。但是中層中氣旋的旋轉(zhuǎn)加速、垂直拉伸過程往往預(yù)示可能產(chǎn)生很強(qiáng)的下?lián)舯┝?，例如?021年“4·30”強(qiáng)風(fēng)事件中，一個(gè)超級單體造成江蘇淮北極端對流大風(fēng)(下?lián)舯┝?時(shí)刻，中氣旋同時(shí)出現(xiàn)向上和向下的強(qiáng)烈拉伸過程并伴隨著旋轉(zhuǎn)性快速增強(qiáng)、渦旋半徑收縮(圖5b)，這是由于超級單體前側(cè)的強(qiáng)上升氣流與后側(cè)的強(qiáng)下沉氣流大多存在“耦合”關(guān)系，否者超級單體是無法維持的：中氣旋垂直拉伸過程表明前側(cè)低層入流正在快速增強(qiáng)，為了保持風(fēng)暴內(nèi)部大氣質(zhì)量的近似平衡狀態(tài)，后側(cè)下沉入流必然也會快速增強(qiáng)，即下沉氣流加強(qiáng)；根據(jù)角動(dòng)量守恒原理，旋轉(zhuǎn)速度加快必然伴隨渦旋半徑收縮。

圖5 (a)超級單體風(fēng)暴內(nèi)部渦線結(jié)構(gòu)與中氣旋(引自Markowski et al，2008)；(b)2021年4月30日一次超級單體下?lián)舯┝鬟^程中的中氣旋直徑(柱狀)、底高(虛線)和頂高(點(diǎn)劃線)、切變值(實(shí)線)的時(shí)序變化(引自吳海英等，2022)Fig.5 (a) The vortex line structure inside a supercell storm and mesocyclone (cited from Markowski et al, 2008), and (b) time series of mesocyclone diameter (column), bottom height (dashed line)， top height (dotted line) and shear (solid line)during a supercell downburst on 30 April 2021(cited from Wu et al, 2022)

3 關(guān)于颮線和RKW理論的應(yīng)用問題

颮線是一類高度組織化的多單體線型風(fēng)暴系統(tǒng)，往往造成大范圍災(zāi)害性對流大風(fēng)，在我國中東部平原地區(qū)比較常見(Meng et al，2013)。大多數(shù)颮線的演變進(jìn)程與Fujita(1981)給出的弓狀回波(颮線)演變概念模型類似，極端大風(fēng)一般出現(xiàn)在“弓”的頂端或鉤狀回波附近，與下?lián)舯┝?DB)對應(yīng)(圖6a)。弓狀回波的形成很大程度上與后側(cè)入流急流的強(qiáng)迫有關(guān)(圖6b)：下?lián)舯┝鞯暮髠?cè)必然存在更強(qiáng)的水平補(bǔ)償氣流，即出現(xiàn)后側(cè)入流急流；后側(cè)入流急流與兩側(cè)環(huán)境氣流之間的速度差分別構(gòu)成氣旋式(cyclonic)、反氣旋式(anticyclonic)切變，造成颮線兩端相對向內(nèi)彎曲，形成弓狀回波；如果環(huán)境場存在深厚干層，與后側(cè)入流急流軸對應(yīng)必然出現(xiàn)“弱回波槽口”。

圖6 (a)弓狀回波(颮線)演變概念模型(引自Fujita,1981)和(b)成熟颮線的動(dòng)力學(xué)特征(黑點(diǎn)為下?lián)舯┝靼l(fā)生的位置)Fig.6 (a) Schematic showing the evolution of a squall line with bow echo (adapted from Fujita, 1981) and (b) the dynamic structure of a mature squall line(Black spots represent positions of downburst events)

直線形態(tài)的多單體對流風(fēng)暴系統(tǒng)演變?yōu)楣瓲铒R線的另外一種機(jī)制，與不同單體的傳播速度差異有關(guān)。如果颮線系統(tǒng)移動(dòng)前方存在非均勻的水汽輻合(如與線性風(fēng)暴存在交角的海風(fēng)鋒、湖風(fēng)鋒或者其他類型的輻合線)，颮線前側(cè)的陣風(fēng)鋒與之相互作用，更容易誘發(fā)新生風(fēng)暴，新生風(fēng)暴與原來的直線型風(fēng)暴系統(tǒng)合并后快速發(fā)展，其后側(cè)原來的老單體因失去水汽供應(yīng)而逐漸減弱，直線形態(tài)的颮線演變?yōu)楣瓲铒R線(孫繼松等，2013；萬夫敬等，2021；雷蕾等，2021)?？傊?，線型風(fēng)暴系統(tǒng)的形變特征是由于風(fēng)暴系統(tǒng)內(nèi)部的動(dòng)力學(xué)過程或者風(fēng)暴系統(tǒng)與環(huán)境相互作用造成不同位置的單體傳播速度差異導(dǎo)致的，因此，并不是所有的線型風(fēng)暴系統(tǒng)都一定會演變?yōu)楣瓲罨夭ㄌ卣鞯娘R線。

Rotunno、 Klemp和 Weisman 于1988年提出了一種長生命史強(qiáng)颮線的維持機(jī)制(Rotunno et al，1988)，被稱為RKW理論。其核心思想是當(dāng)颮線冷池強(qiáng)度與低層環(huán)境風(fēng)垂直切變強(qiáng)度達(dá)到平衡時(shí)(即：C/ΔU≈1，其中C為冷池強(qiáng)度，ΔU為低層垂直風(fēng)切變)，颮線強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)并維持，因此這一理論也被稱為水平渦度平衡理論。后來Weisman(1993)對該理論做了進(jìn)一步完善，考慮垂直風(fēng)切變時(shí)加入了后側(cè)入流急流。盡管該理論發(fā)表后引發(fā)了一些爭論(Weisman and Rotunno，2004；2005)，該理論依然被廣泛用來討論颮線系統(tǒng)的演變機(jī)制(陳明軒和王迎春，2012；袁招洪，2021)。為了更好地理解RKW理論的實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用中所面臨的問題，需要對該理論推導(dǎo)過程中的一些限定條件進(jìn)行剖析。

忽略摩擦效應(yīng)，將三維渦度方程展開，可以得到指向y軸方向的水平渦度方程為：

(4)

式中：ξ=?u/?z-?w/?x，為指向y方向的水平渦度，B為冷池強(qiáng)度。

不考慮地轉(zhuǎn)效應(yīng)，將質(zhì)量方程代入式(4)，可以得到：

(5)

對式(5)進(jìn)行空間積分可以得到：

(6)

由于上述邊界條件的限定，RKW理論本質(zhì)上只能用來解釋“風(fēng)暴系統(tǒng)整體”與環(huán)境垂直切變之間的相互作用問題，其利用邊界設(shè)定條件“巧妙地”規(guī)避了颮線內(nèi)部動(dòng)力學(xué)過程在風(fēng)暴系統(tǒng)發(fā)展、維持過程中的作用。實(shí)質(zhì)上環(huán)境風(fēng)場更多是在主導(dǎo)著颮線移動(dòng)和傳播，颮線的發(fā)展、維持主要是由風(fēng)暴內(nèi)部的動(dòng)力學(xué)過程控制的(如圖4b所示)，如果將式(5)的空間積分邊界改為圖7的紅色位置：即左右邊界取在冷池前側(cè)的最大溫度梯度區(qū)，右邊界R1緊貼冷池前沿，其上空只存在強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)(updraft)，左邊界L1地面之上由強(qiáng)下沉氣流控制(downdraft)，上邊界取在風(fēng)暴內(nèi)部(厚度為H>d)。利用上述邊界條件對式(5)進(jìn)行空間積分可以得到：

圖7 成熟颮線剖面示意圖(d為冷池厚度，L、R、h分別為RKW理論定義的左、右側(cè)邊界和積分高度；L1、R1、H分別為本文選取的左、右邊界和積分高度；紅色箭頭為冷池密度流方向，左右兩側(cè)的黑色箭頭代表風(fēng)暴后側(cè)的下沉氣流和風(fēng)暴前側(cè)的上升氣流)Fig.7 Schematic diagram of a mature squall line section (d is thickness of the cool pool; L, R, h represent the left boundary, right boundary and integral height in RWK theory; L1, R1, H are the left boundary, right boundary and integral height in this paper; the red arrow indicates the direction of cool pool density flow; the black arrows in left and right sides represent the rear downdraft and front updraft of the storm, separately)

(7)

(8)

式中：uR1,0為氣壓梯度力(PGF)造成的地面陣風(fēng)，wH,L1、wH,R1分別對應(yīng)下沉氣流、上升氣流的強(qiáng)度。如果取風(fēng)暴追隨坐標(biāo)，不考慮摩擦損耗，地面陣風(fēng)與冷池密度流相同，即：

因此：

(9)

4 結(jié)論與討論

以正確理解風(fēng)暴動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論為前提，利用高時(shí)空分辨率觀測資料作為具象化的認(rèn)知工具，輔以方便快捷的工作平臺，才能夠?qū)崿F(xiàn)真正的強(qiáng)對流天氣災(zāi)害的科學(xué)預(yù)警。從這個(gè)角度來說，現(xiàn)代天氣業(yè)務(wù)對從事臨近預(yù)報(bào)預(yù)警工作的專業(yè)人員的科學(xué)素養(yǎng)要求極高：由于目前有關(guān)風(fēng)暴氣象學(xué)的基礎(chǔ)理論遠(yuǎn)不如天氣尺度氣象學(xué)完備，需要不斷追蹤風(fēng)暴尺度動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)與云微物理學(xué)等基礎(chǔ)研究進(jìn)展，并將這些知識“具象化”地與高分辨率觀測資料結(jié)合起來，才能理解“觀測現(xiàn)象”背后的物理學(xué)邏輯，從而達(dá)到更具針對性預(yù)警的目的。正是從這一角度出發(fā)，本文從預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)的視角，重點(diǎn)討論了直線型對流大風(fēng)形成機(jī)理與對流風(fēng)暴結(jié)構(gòu)演變、風(fēng)暴內(nèi)部熱動(dòng)力學(xué)與云水微物理過程之間的科學(xué)邏輯關(guān)系，以及它們在現(xiàn)代業(yè)務(wù)觀測體系中的“顯性表征”，以期幫助預(yù)報(bào)員能夠科學(xué)理解“觀測現(xiàn)象”背后的物理機(jī)制。簡單歸納如下：

(1)對流風(fēng)暴引發(fā)的直線型地面強(qiáng)風(fēng)，直接驅(qū)動(dòng)因子來自于風(fēng)暴內(nèi)部的垂直運(yùn)動(dòng)，而垂直運(yùn)動(dòng)的主要貢獻(xiàn)來自于“熱力學(xué)作用造成的擾動(dòng)氣壓垂直變化”和“冷池效應(yīng)”，這兩項(xiàng)又與風(fēng)暴內(nèi)部的蒸發(fā)(凝結(jié))、融化(凝華)等云-水微物理過程直接相關(guān)。

(2)上述熱動(dòng)力學(xué)和云-水微物理過程的演變可以通過一系列的“觀測現(xiàn)象”表征出來，例如雷達(dá)觀測到的弱回波槽口、下沉的后側(cè)入流急流、中層強(qiáng)輻合、中氣旋、陣風(fēng)鋒等以及地面氣象要素隨時(shí)間的劇烈變化。

(3)線型風(fēng)暴系統(tǒng)的形變特征是由于風(fēng)暴系統(tǒng)內(nèi)部的動(dòng)力學(xué)過程或者風(fēng)暴系統(tǒng)與環(huán)境相互作用造成不同位置的單體傳播速度差異導(dǎo)致的，并不是所有的線型風(fēng)暴系統(tǒng)都會演變?yōu)楣瓲罨夭ㄌ卣鞯娘R線。

(4)RKW理論本質(zhì)上只能用來解釋“整體風(fēng)暴系統(tǒng)”與環(huán)境垂直切變之間的相互作用問題，實(shí)質(zhì)上環(huán)境風(fēng)場更多是在主導(dǎo)著颮線移動(dòng)和傳播，颮線的發(fā)展、維持可能主要是由風(fēng)暴內(nèi)部的動(dòng)力學(xué)過程控制的。

對流系統(tǒng)內(nèi)部的下沉氣流被認(rèn)為能夠?qū)⑺絼?dòng)量從高層帶到低層，在近地面產(chǎn)生較強(qiáng)的輻散氣流，這一過程被認(rèn)為是產(chǎn)生地面大風(fēng)的重要?jiǎng)恿W(xué)過程，預(yù)報(bào)員將其稱為動(dòng)量下傳過程(張琳娜等，2018；侯淑梅等，2022；王一童等，2022；彭霞云等，2022)，這一現(xiàn)象在雷達(dá)徑向速度剖面圖上表征為一支向下伸展的后側(cè)入流急流(如圖2、圖4)。從能量學(xué)的角度來看，動(dòng)量下傳可以被理解為中層水平動(dòng)能(與中層后側(cè)入急流對應(yīng))在下沉氣流(與強(qiáng)下沉氣流對應(yīng))的“傳導(dǎo)”作用下，轉(zhuǎn)化為近地面層的水平動(dòng)能(與地面水平大風(fēng)對應(yīng))的過程，向下的后側(cè)入流急流可以被視為動(dòng)能輸送帶。所謂“動(dòng)量下傳”這一觀點(diǎn)還缺乏足夠的理論依據(jù)或極高分辨率觀測事實(shí)(例如分鐘以下時(shí)間分辨率的觀測資料)的支撐。從能量轉(zhuǎn)換的角度來看，風(fēng)暴后部的強(qiáng)下沉氣流更多來源于向下勢能(即負(fù)浮力)的轉(zhuǎn)化過程(向下的勢能轉(zhuǎn)化為下沉動(dòng)能)，而中層后側(cè)入流急流的增強(qiáng)過程可能與這支下沉氣流的水平補(bǔ)償效應(yīng)有關(guān)，這是由質(zhì)量方程決定的；從觀測事實(shí)來看，王一童等(2022)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在34次存在后側(cè)入流急流對應(yīng)的超級單體致災(zāi)大風(fēng)(極大風(fēng)速達(dá)到25 m·s-1以上)事件中，僅有12次出現(xiàn)后側(cè)入流急流高度下降，表明所謂的動(dòng)量下傳僅在少數(shù)超級單體造成的地面大風(fēng)事件中能夠被識別出來，而且超級單體內(nèi)的后側(cè)入流急流也并非是連續(xù)存在的。上述觀測事實(shí)暗示，后側(cè)入流急流增強(qiáng)過程與下沉氣流引發(fā)的下?lián)舯┝骱芸赡苁峭瑫r(shí)發(fā)生的，并不存在明確的“自上而下的傳導(dǎo)”時(shí)序問題，即只有當(dāng)下?lián)舯┝靼l(fā)生時(shí)，才能觀測到后側(cè)入流急流增強(qiáng)過程，因而后側(cè)入流急流不是連續(xù)存在的，而且伴隨著地面極端大風(fēng)的后側(cè)入流急流也并不總是存在高度下降過程。當(dāng)然，這些現(xiàn)象也可能是由于目前業(yè)務(wù)雷達(dá)觀測方式的時(shí)間分辨率不夠高造成的。因此，對流風(fēng)暴內(nèi)部的熱動(dòng)力學(xué)過程非常復(fù)雜，還存在著很多不同的解釋或觀點(diǎn)，需要不斷探索和求證。