科研解读 | 对流触发新机制研究：阵风锋与中层垂直风切变的相互作用

作者 | Dr.阿不都外力（新疆大学）

对流触发（Convection Initiation，CI）是指空气粒子获得和维持正浮力后被抬升到自由对流高度之上，并最终形成深对流云团的过程。到目前为止，人们对对流系统的认识取得了很大的进展，然而对CI的认识仍然很有限。多项研究指出，CI是在强对流天气预报过程中难度最大，预报效果最差的一环，可以说是世界性难题。

2016年6月10日在渤海湾地区发生一次强对流天气过程，造成短时强降水、冰雹和大风等灾害（1小时最大降水达到55.9 mm，冰雹直径达50 mm，最大风速达到26 m s−1）。天津市多普勒天气雷达观测表明，当天下午大概3点开始在北京上空产生一个较小的对流系统并向东南偏东方向移动，大概下午5点时在其南面约10-20公里处可以看到一条阵风锋，并且一直往东南方向移动。在此过程中，阵风锋附近连续出现多个对流单体，而且大部分新生对流单体在尺度和强度上都得到了快速发展，并最终与其后方的对流系统合并，进一步维持和加强了该对流系统。那么，该阵风锋对其附近的CI过程提供了什么样的作用？该阵风锋附近出现的CI机制与前人的发现相比是否有不一样的有趣故事呢？

围绕上述问题，本研究利用WRF模式对本次过程中阵风锋引起的CI过程成功进行模拟。首先，利用高时空分辨率资料进行拉格朗日后向粒子轨迹分析发现对流单体中绝大部分空气粒子在对流触发前45 min内来自于边界层以上的自由大气中，因此可以判断该对流属于“高架对流”。其次，在粒子轨迹上进行垂直加速度动量诊断分析，把空气粒子获得的垂直加速度分解为动力加速度和浮力（热力）加速度两个部分，发现本次CI背后的主要作用是动力加速度。然后，通过滞弹性近似，把动力加速度分解为伸展项、水平弯曲项、垂直扭转项和垂直速度平方跟空气密度垂直变化有关项（称为密度有关项）等多个项，进一步分析发现该动力加速度中垂直扭转项占决定性作用。最后，为了进一步确认该垂直扭转作用背后的物理意义，作者结合对流触发前的垂直流场、散度场和粒子轨迹等特征分析发现，在该阵风锋前沿的向前倾斜的上升气流和来自阵风锋前方的另一支气流在阵风锋上方附近辐合并受到该位置3-5 km 高度处的垂直风切变形成了垂直扭转现象。

在本研究中，离地面3-5 km高度处阵风锋上方的环境垂直风切变造成的水平涡度（以上分析中表现为垂直扭转作用）形成了低气压扰动，从而形成了垂直向上的气压梯度力。在这种垂直向上的气压梯度力作用下，阵风锋前沿的向前倾斜的上升气流和来自阵风锋前方的另一支气流进一步辐合，并形成更强的上升运动，从而造成了阵风锋前沿上方的CI（如下图1和2所示）。该研究提出了与经典RKW理论（Rotunno等，1988）不同的一种中层垂直风切变影响CI的一种新的观点，有助于提高对CI机制的认识。

以上研究已发表在《Journal of Geophysical Research: Atmospheres》期刊，新疆大学资源与环境科学学院阿不都外力·阿不力克木博士为第一作者，南京大学大气科学学院徐昕副教授和天津市人工影响天气办公室王彦研究员为通讯作者。

论文信息：

Abuduwaili Abulikemu, Yan Wang, Runxiang Gao, Yuan Wang, Xin Xu. (2019). A numerical study of convection initiation associated with a gust front in Bohai Bay region, North China. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 124(24),13843-13860. https://doi.org/10.1029/2019JD030883.

图1.本次过程中阵风锋附近的对流触发机理概念模型（不同时刻的垂直剖面图）

图2.本次过程中阵风锋附近的对流触发机理概念模型（三维立体效果图）

论文下载地址：

[1]

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2019JD030883