元慧慧，鐘中，李杰，鄭紅蓮，張春華

(1.中國人民解放軍61741部隊，北京100081;2.解放軍理工大學氣象學院，江蘇南京211101)

0 引言

副熱帶西風急流是東亞環(huán)流系統(tǒng)的重要成員，常年在我國中緯度地區(qū)上空活動，與季風變異、寒潮、鋒面以及我國東部降水均有著密切的關系。很多研究都表明東亞大氣環(huán)流的季節(jié)轉換、季風區(qū)雨季的開始和結束都與西風急流位置及其南北移動和強度變化有密切的聯(lián)系(Hoskins and Valdes，1990;朱乾根，2001;Yang et al.，2002;周兵等，2003;張耀存和郭蘭麗，2005)，急流的發(fā)展又與大尺度的環(huán)流調整有關(陶詩言等，1958;Chang et al.，2002;黃興春和江靜，2008)，而地轉適應是其本質。按照地轉適應理論，實際天氣系統(tǒng)的演變過程可以近似地看成是一連串的地轉適應狀態(tài)的發(fā)展演變過程，是由非地轉平衡狀態(tài)向地轉平衡狀態(tài)轉變的過程，即在這個過程中非地轉平衡氣流是驅動大氣運動尤其是中緯度大氣運動的源動力。高空急流非地轉所造成的適應過程在對流層中、上層的鋒生過程中起著重要作用(Charney，1947;李勇紅和張可蘇，1992)。從這個角度來看，加深對高空急流的非地轉平衡問題的認識不僅具有理論意義，而且還具有重要的實際意義，它對我們分析理解一些天氣現(xiàn)象的產生和發(fā)展都是十分重要的。

隨著近年來中尺度氣象學的研究和中尺度模式的不斷完善，為研究急流強度變化過程中的非地轉平衡運動提供了條件。Fritts and Luo(1992)利用一個二維模式討論了急流附近在地轉適應過程中激發(fā)出來的重力波特征，指出急流附近非地轉運動是重力慣性波的一個重要源區(qū)。許小峰和孫照渤(2003)通過數(shù)值模擬分析了大尺度環(huán)流調整后的地轉平衡被破壞、非平衡流出現(xiàn)、急流建立及重力波的發(fā)生與傳播。本文通過對急流強度變化過程中的中尺度數(shù)值模擬結果進行診斷分析，揭示了高空急流非地轉平衡特征，并探討了急流非地轉性與中尺度暴雨的關系。

1 數(shù)值模擬

1.1 方案設計

模擬選用NCEP/NCAR再分析資料(1°×1°)作為初始場和邊界條件，利用第3版MM5模式對高空急流區(qū)進行模擬。水平格距為15 km，區(qū)域范圍為(105～155°E，20～50°N)。垂直方向采用在200 hPa加密的σ坐標，共有不等距的29層。對“03.7”江淮暴雨過程中最強的一次降水過程進行模擬，時間為2003年7月4日12時—7月6日12時(世界時，下同)，共積分48 h，積分步長為60 s，側邊界每6 h更換一次，每10 min輸出一次積分結果。

地形資料使用分辨率為30'的模式地形資料，蘭勃托地圖投影。側邊界采用松弛邊界條件的指數(shù)方案。對流參數(shù)化方案選用Grell方案;邊界層過程的模擬選擇了Blackadar高分辨率方案。

1.2 模擬效果檢驗

使用NCEP/NCAR再分析格點資料(1°×1°)和GPCP降水資料(1°×1°)作為觀測資料與模擬結果進行對比。NCEP/NCAR資料與模擬場在各等壓面上的風場、溫度場、高度場之間的相關系數(shù)隨著模擬時間的增加略有下降，但大多都在0.8以上?？傮w看來，模擬結果與檢驗資料相關較好，位勢高度場相關最好，相關系數(shù)在0.95以上，高層緯向風分布形勢的模擬好于中低層，中低層溫度分布形勢的模擬比高層好，中層經向風場的模擬比高層和低層好。

由積分48 h的模擬場與NCEP/NCAR資料做對比可以發(fā)現(xiàn)，模式很好地模擬出了200 hPa急流區(qū)的風場(圖1a、b)，與實況相比，模擬場中的風速等值線平滑中存在小擾動，可見與光滑的NCEP/NCAR再分析場相比，MM5模式可以更細致地反映大氣運動狀態(tài)，這也是高分辨率模擬的優(yōu)勢所在。850 hPa上(圖1c、d)溫度基本呈現(xiàn)由西南向東北逐漸降低的分布特征，我國東北和日本上空的等高線密集區(qū)模擬得較好，位于朝鮮半島上空的低壓模擬得略偏西南。

2 急流強度變化的非地轉特征診斷

2.1 非地轉特征與急流強度的變化

“急流生成函數(shù)”(壽紹文，2003)定義為:

還可寫成

其中:Va為y方向風的非地轉分量。對于副熱帶高空急流來說，起作用的主要是－f▽2Va項，因此，高始增大。這說明偏差風對急流的強度變化及其程度均有一定的指示性，地轉偏差與急流短期強度的變化有密切的聯(lián)系。

48 h急流強度呈如圖2所示的振蕩變化趨勢，在此選取一個急流增強的短期過程:7月6日01—06時作為討論對象。圖3為7月6日01—06時平均非地轉風分布，可見，急流區(qū)內(30 m/s等風速線以內)基本為平均非地轉風的正值區(qū)，最大值區(qū)域位于急流中心北側，主要的負值區(qū)位于急流入口區(qū)附近。急流核南側非地轉風呈反氣旋式切變，入口區(qū)呈反氣旋式切變，入口區(qū)以北和出口區(qū)以北有弱氣旋式切變，非地轉性很小。

2.2 非地轉平衡分析

從非地轉的本質上說，它是由地轉平衡被破壞后而產生的一種實際風速超過地轉風的現(xiàn)象。它反映了大氣環(huán)流中風壓場的一種相互適應的過程，而這種地轉適應過程是高空急流建立和發(fā)展的一個根本的動力機制。下面將針對高空急流的非地轉風渦度水平分布特征及其垂直結構進行分析。

圖4為7月6日01—06時200 hPa急流區(qū)域非地轉風渦度水平分布。由01—06時平均非地轉風渦度分布(圖4g)可見，非地轉風渦度的分布并不簡單地是大尺度資料顯示的“四象限”分布，還存在著中尺度的特征:極值區(qū)域大小只有中尺度的范圍，且正負相間。這些中尺度渦度極值區(qū)主要集中于3個區(qū)域:太行山脈、長白山脈以及日本本州島。與地形(圖4h)對比可發(fā)現(xiàn)，這3個區(qū)域均對應于高度超過1 000 m的中尺度地形區(qū)域，這說明高空急流的非地轉渦度大值區(qū)與中尺度地形對應相關。在5 h急流增強的過程中，位于太行山脈和本州島上空的非地轉渦度極值區(qū)范圍和強度不斷擴大，長白山脈上空的非地轉渦度極值區(qū)范圍和強度不斷減小(圖略)。

結合01—06時降水量分布(圖5a)和累計降水量分布(圖5b)可見，位于朝鮮半島以南的強降雨帶位于急流核的南側，但是與高空非地轉風渦度的極值區(qū)沒有明顯的對應關系。然而太行山脈附近和東北的兩個中尺度降水區(qū)分別與兩個非地轉風渦度極值密集區(qū)相對應，日本島上空的渦度極值區(qū)與降水沒有明顯的對應關系。01—06時太行山上空非地轉渦度增強迅速(圖4a—f)，相對應圖5a中太行山附近出現(xiàn)大量中尺度降水區(qū)，最大降水量達到30 mm。長白山附近上空的非地轉渦度在此段時間內明顯減小，因此地面沒有明顯降水，但是累計降水量較大(圖5b)，這正說明非地轉渦度的變化與中尺度降水關系密切。

圖3 7月6日01:00—06:00的平均非地轉風(陰影區(qū))、非地轉風風矢量(等值線為平均緯向風速;單位:m/s)Fig.3 Average ageostrophic wind(shaded areas)and ageostrophic wind vector between 0100 UTC and 0600 UTC 6 July(isolines denote average zonal wind;units:m/s)

圖4 7月6日非地轉風場和非地轉風渦度場(a.01時;b.02時;c.03時;d.04時;e.05時;f.06時;g.01—06時的平均;等值線為非地轉風場，單位:m/s;陰影為渦度場，單位:10－5s－1)及地形(h;單位:m)Fig.4 Ageostrophic wind(isolines;units:m/s)and ageostrophic vorticity(shaded areas;units:10－5s－1)on July 6(a.0100 UTC;b.0200 UTC;c.0300 UTC;d.0400 UTC;e.0500 UTC;f.0600 UTC;g.0100—0600 UTC average)and terrain(h;units:m)

圖5 7月6日01—06時降水量(a)和7月6日06時累計降水量(b)分布(單位:mm)Fig.5 Distributions of(a)precipitation from 0100 to 0600 UTC and(b)accumulative precipitation at 0600 UTC 6 July(units:mm)

3 結論

利用數(shù)值模式的高分辨率模擬結果研究了夏季東亞副熱帶西風急流短期強度變化過程中的非地轉平衡特征。結果表明:

1)急流區(qū)為非地轉風的正值區(qū)，最大值區(qū)域位于急流中心北側，主要的負值區(qū)位于急流入口區(qū)附近。急流核南側非地轉風呈反氣旋式切變，入口區(qū)呈反氣旋式切變，入口區(qū)北側和出口區(qū)北側有弱氣旋式切變。

2)非地轉風對急流的強度變化及其程度均有一定的指示性，地轉偏差與急流短期強度的變化有密切的聯(lián)系。急流區(qū)平均偏差風的短期變化與平均風速位相基本一致，能反映急流強度變化的規(guī)律;最大偏差風的變化趨勢與最大緯向風基本一致，但最大偏差風的變化超前于緯向風的變化。

3)非地轉風渦度的分布不是簡單的大尺度資料顯示的“四象限”分布，還存在著中尺度的特征:極值區(qū)域大小只有中尺度的范圍，且正負相間。這些中尺度渦度極值區(qū)主要集中于3個區(qū)域:太行山脈、長白山脈以及日本本州島。這3個區(qū)域均對應于高度超過1 000 m的中尺度地形區(qū)域，高空急流的非地轉渦度大值區(qū)與中尺度地形相對應。中尺度降水區(qū)與非地轉風渦度極值密集區(qū)相對應。

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