陳鵬,徐海明,林永輝

(1.南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210044;2.中國(guó)氣象科學(xué)研究院 災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081;3.重慶市氣象臺(tái),重慶 401147)

渦度收支與潛熱釋放對(duì)西南低渦形成的作用

陳鵬1,2,3,徐海明1,林永輝2

(1.南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210044;2.中國(guó)氣象科學(xué)研究院 災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081;3.重慶市氣象臺(tái),重慶 401147)

利用中尺度WRF模式對(duì)2008年6月30日—7月1日生成于川東南地區(qū)的一個(gè)西南低渦的發(fā)生發(fā)展過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。模擬結(jié)果顯示低渦首先出現(xiàn)在850 hPa上,幾個(gè)小時(shí)后700 hPa上才有低渦生成,850 hPa低渦的形成與西南低空急流有著密切的聯(lián)系。通過(guò)ω方程的診斷分析表明,渦度的水平平流項(xiàng)和輻散項(xiàng)對(duì)850 hPa低渦的形成起主要作用,而潛熱釋放對(duì)850 hPa低渦的形成作用不大;潛熱加熱是700 hPa氣流不斷輻合從而形成低渦的主要因子。干敏感性試驗(yàn)研究進(jìn)一步證實(shí)了潛熱釋放對(duì)850 hPa低渦的影響不明顯,但是會(huì)導(dǎo)致700 hPa上氣旋性的切變加強(qiáng)輻合從而形成低渦。

西南低渦;低空急流;潛熱釋放;暴雨

0 引言

西南低渦是在我國(guó)青藏高原地形影響下以及在一定的環(huán)流背景形勢(shì)下產(chǎn)生的中間尺度天氣系統(tǒng)(陶詩(shī)言,1980)。吳國(guó)雄和劉還珠(1999)指出西南低渦的產(chǎn)生是地形作用的結(jié)果。Kuo et al.(1986)認(rèn)為500 hPa上東移短波槽的強(qiáng)迫動(dòng)力作用會(huì)產(chǎn)生西南低渦。沈如桂等(1983)研究發(fā)現(xiàn)西南低渦的形成是季風(fēng)槽的氣旋性渦度輸送和來(lái)自孟加拉灣的熱帶季風(fēng)的水汽在低渦區(qū)輻合所致。鄒波和陳忠明(2000)發(fā)現(xiàn)大氣邊界層頂?shù)姆瞧胶鈩?dòng)力強(qiáng)迫及500 hPa 正渦度平流的動(dòng)力作用對(duì)低渦的形成和發(fā)展有重要貢獻(xiàn)。高守亭(1987)采用定常二層模式討論較小地形及高、低層流場(chǎng)配置對(duì)西南低渦形成的動(dòng)力作用,指出西南低渦的形成與盆地、河谷以及其上空氣流分層有關(guān),上、下為西風(fēng)分層時(shí),低層的淺薄暖濕西風(fēng)有利于西南低渦的形成;在上、下為東、西風(fēng)分層時(shí),上層淺薄東風(fēng)有利于西南低渦的形成。王賽西(1992)從角動(dòng)量輸送方面指出低渦源地正角動(dòng)量的大量增加為西南渦的形成提供了必須的動(dòng)力,對(duì)西南渦的生成具有一定的促進(jìn)作用。陳忠明(2007)應(yīng)用動(dòng)力分析方法發(fā)現(xiàn),在大氣運(yùn)動(dòng)處于不平衡狀態(tài)下,慣性重力內(nèi)波的發(fā)展可能是西南低渦發(fā)展的一種物理機(jī)制。另外當(dāng)氣塊沿等θ面絕熱下滑而誘發(fā)的垂直渦度快速增長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了下沉氣柱由于密度壓縮誘發(fā)的渦度增長(zhǎng)值時(shí),也會(huì)導(dǎo)致了西南低渦的形成(吳國(guó)雄和劉還珠,1999)。

實(shí)際上,大氣熱力作用(尤其是潛熱作用)在西南低渦發(fā)展中的重要地位也一直為大家所認(rèn)同(劉紅武和李國(guó)平,2008)。李國(guó)平等(1991)利用熱成風(fēng)適應(yīng)理論表明由于地面感熱加熱與暖平流作用在西南低渦源地形成較大的非熱成風(fēng)渦度,在一定的層結(jié)和尺度條件下,其適應(yīng)調(diào)整在低層形成暖性熱低壓(即暖性西南低渦)。盧敬華(1988)通過(guò)研究也認(rèn)為正的非熱成風(fēng)渦度是低渦生成的一個(gè)重要指標(biāo)。俞樟孝等(1982)研究指出低層暖平流的作用會(huì)破壞西南地區(qū)的平衡,產(chǎn)生出非熱成風(fēng)渦度,通過(guò)非熱成風(fēng)渦度引起的調(diào)整變化,以及地形作用,從而低層產(chǎn)生一個(gè)暖性低渦。對(duì)于凝結(jié)潛熱釋放的作用,一般認(rèn)為是西南渦得以維持和發(fā)展的主要機(jī)制(濮梅娟等,1989;Wang et al.,1993;Chen et al.,1997)。趙平和孫淑清(1991)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)潛熱通過(guò)加強(qiáng)西南低渦上空高層輻散和低層輻合,使該低渦發(fā)展。郭大梅和丁治英(2005)認(rèn)為潛熱釋放與降水之間的正反饋有利于氣旋的加深發(fā)展。

以上的研究由于所選擇的個(gè)例不同,得到的形成機(jī)理也不相同,這充分說(shuō)明了西南低渦形成發(fā)展的多樣性和復(fù)雜性,對(duì)其形成機(jī)理無(wú)疑值得進(jìn)一步研究和探討。本文對(duì)2008年6月30日—7月1日生成于川東南地區(qū)的一個(gè)西南低渦的發(fā)生發(fā)展過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

1 數(shù)值模擬

利用WRF模式對(duì)這個(gè)西南低渦進(jìn)行數(shù)值模擬,以2008年6月30日00時(shí)(世界時(shí),下同)為初始時(shí)刻,積分到7月2日00時(shí)。模式使用粗細(xì)嵌套網(wǎng)格方案,粗細(xì)網(wǎng)格中水平分辨率分別為45 km和15 km。模擬格點(diǎn)數(shù)分別為100×112 、142×148,中心位于105°E、35°N。網(wǎng)格和次網(wǎng)格尺度降水采用Kain-Fritsch積云對(duì)流參數(shù)化方案,行星邊界層物理過(guò)程采用Yonsei University方案,側(cè)邊界條件采用NCEP 每6 h一次的1°×1°的格點(diǎn)資料。

對(duì)比2008年6月30日12時(shí)850 hPa流場(chǎng)實(shí)況(圖1a)和模擬(圖1b),可以看出在川東南地區(qū)模擬流場(chǎng)和實(shí)況流場(chǎng)都有氣旋式渦旋,渦旋中心的位置大體吻合,整個(gè)流場(chǎng)的形勢(shì)也基本上一致,模擬效果較好。所以本文利用WRF模式的高分辨率輸出資料對(duì)此次低渦的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程進(jìn)行研究分析。

2 西南低渦的發(fā)生發(fā)展

2.1 850 hPa西南低渦

從模擬的850 hPa流場(chǎng)可以看到氣旋性閉合環(huán)流初見(jiàn)于2008年6月30日12時(shí),位于(105.6°E,28.1°N)附近。6月30日14時(shí),川東南地區(qū)低渦形成,低渦中心略向北移動(dòng)。16時(shí)低渦中心移至(105.6°E,28.3°N)附近,強(qiáng)度逐漸加強(qiáng),低渦的尺度也進(jìn)一步擴(kuò)大。隨后低渦強(qiáng)度繼續(xù)增大,其中心仍向北移動(dòng)(圖略)。

圖1 2008年6月30日12時(shí)850 hPa流場(chǎng)(陰影為地形高度大于1 500 m) a.實(shí)況;b.模擬Fig.1 The 850 hPa stream fields at 1200 UTC 30 June 2008(shaded area:terrain height>1 500 m) a.observation;b.simulation

圖2 2008年6月30日全風(fēng)速(a,c;單位:m/s)和渦度場(chǎng)(b,d;單位:10-4 s-1)沿105.6°E的緯度—高度剖面 a,b.12時(shí);c,d.14時(shí)Fig.2 Latitude-height vertical cross sections of (a,c)wind speed (units:m/s) and (b,d)vorticity fields (units:10-4 s-1) along 105.6°E on 30 June 2008 a,b.1200 UTC;c,d.1400 UTC

低空急流對(duì)低渦的發(fā)展有著重要的作用(何編等,2012)。由圖2a可以看到,初始低渦形成時(shí)(6月30日12時(shí)),850 hPa上存在強(qiáng)度為16 m/s的低空急流,在急流的北面有一個(gè)渦度值為5×10-4s-1的輻合中心,位于(105.6°E,28.1°N)(圖2b),這和氣旋性閉合環(huán)流的中心吻合。6月30日14時(shí)(圖2c),低層低空急流強(qiáng)度增大為18 m/s,川東南地區(qū)低層的渦度輻合中心的強(qiáng)度也在增大,強(qiáng)度為6×10-4s-1(圖2d),此時(shí)氣旋性閉合環(huán)流由于強(qiáng)的輻合作用已經(jīng)發(fā)展成為中尺度低渦。6月30日16時(shí)低渦中心向北移動(dòng)的同時(shí),急流軸向北移動(dòng),中心強(qiáng)度增強(qiáng),相應(yīng)的低渦中心的渦度值增大(圖略)。可以看出,低空急流核前方為風(fēng)速梯度最大的地方,也就是氣流輻合最大的地方。在低空急流軸的北側(cè),有氣旋性風(fēng)速切變產(chǎn)生正渦度,為低空的輻合起到了加速的作用,這有利于低渦的形成(王歡和倪允琪,2006)。西南低空急流的發(fā)展和維持,是暴雨低渦形成和持續(xù)發(fā)展的重要?jiǎng)恿W(xué)條件(程麟生等,1995)。

下面通過(guò)渦度收支方程(朱愛(ài)軍和潘益農(nóng),2007)分析方程中各項(xiàng)對(duì)低渦形成的作用,渦度收支方程的表達(dá)式如下:

圖3 2008年6月30日渦度收支方程各項(xiàng)區(qū)域(104.9～105.5°E,28.9～29.5°N)平均的垂直分布(單位:10-8 s-2) a.12時(shí);b.14時(shí);c.16時(shí)Fig.3 The vorticity budget equation at (a)1200 UTC,(b)1400 UTC,(c)1600 UTC 30 June 2008:The regional average (28.9—29.5°N,104.9—105.5°E) vertical distribution of horizontal advection(long dotted line with ○)、vertical transportation(short dotted line with solid ○)、horizontal convergence and divergence(dotted line with □)、twist(attunements line with solid □) and the total vorticity balance(solid line with *)(units:10-8 s-2)

從圖3可以看出渦度水平平流項(xiàng)(A項(xiàng))是渦旋變化的最大貢獻(xiàn)項(xiàng)。水平輻合項(xiàng)(C項(xiàng))對(duì)中低層渦度也為正貢獻(xiàn)、對(duì)高層則為負(fù)貢獻(xiàn),但是水平輻合項(xiàng)的作用相對(duì)水平平流項(xiàng)的作用要弱一些。在低渦形成過(guò)程中,垂直輸送項(xiàng)在低層對(duì)正渦度有正貢獻(xiàn),對(duì)于高層正渦度的貢獻(xiàn)基本很小。

6月30日12時(shí)總的渦度收支分布是:低層900～700 hPa之間為正渦度收支,主要是渦度水平平流項(xiàng)的作用,垂直輸送項(xiàng)對(duì)正渦度的收支也有一定貢獻(xiàn),此時(shí)850 hPa出現(xiàn)氣旋性輻合。700～500 hPa之間,主要為負(fù)渦度收支(圖3a)。6月30日14時(shí),850 hPa正渦度收支增大為2.6×10-8s-1,水平平流項(xiàng)的值相比12時(shí)也增大0.5個(gè)單位(圖3b)。6月30日16時(shí),低層水平平流項(xiàng)(A項(xiàng))和水平輻合輻散項(xiàng)(C項(xiàng))對(duì)總渦度收支的正貢獻(xiàn)作用是最主要的。相比形成初期,中層的水平輻散加大,低層850 hPa正渦度收支的最大值繼續(xù)增大,低渦的強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)(圖3c)。

由渦度收支的各項(xiàng)可以知道,水平渦度平流項(xiàng)和輻散項(xiàng)均起到最主要的作用。對(duì)低層850 hPa低渦的形成發(fā)展,水平平流項(xiàng)起直接作用;水平平流最高層為負(fù),中低層為正,產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng),從而引起中低層輻合,對(duì)低渦發(fā)展起作用;垂直輸送項(xiàng)對(duì)中低層總渦度始終是正貢獻(xiàn),對(duì)低層低渦的發(fā)展有間接作用;而扭轉(zhuǎn)項(xiàng)主要是對(duì)總渦度發(fā)展的貢獻(xiàn)不大。

850 hPa渦度圖(圖略)可以看到6月30日12時(shí)在川東南地區(qū)存在一條正的渦度帶,并且有一渦度中心。在正渦度帶以西有一負(fù)渦度帶。兩小時(shí)后正渦度帶仍然穩(wěn)定在川東南地區(qū),負(fù)渦度帶略有東移向正渦度帶靠近,正渦度帶的低渦中心向北緩慢移動(dòng),中心強(qiáng)度也有增強(qiáng)。6月30日15時(shí)正渦度低渦中心繼續(xù)北移,中心強(qiáng)度繼續(xù)增強(qiáng),相應(yīng)的850 hPa的低渦中心也在向北移動(dòng)。同時(shí)15時(shí)水平輻合輻散項(xiàng)作用增強(qiáng),這說(shuō)明水平輻合使得移動(dòng)的低渦系統(tǒng)加強(qiáng),而低渦中心不斷北移主要是因?yàn)樗狡搅鬏斔偷淖饔谩?/p>

模擬區(qū)域平均的視熱源Q1和視水汽匯Q2的時(shí)間—高度演變(圖略)顯示,在低層Q1和Q2都為正值,6月30日14時(shí)最大的加熱中心位于850 hPa,Q2的強(qiáng)度略強(qiáng)于Q1。這表明低層水汽輻合上升會(huì)釋放凝結(jié)潛熱,這將會(huì)導(dǎo)致低層位勢(shì)高度降低,在降水中心附近會(huì)造成額外的氣壓梯度,從而加強(qiáng)流向輻合區(qū)的中尺度低空急流(喬林等,2009),低空急流的增強(qiáng)進(jìn)而引起低層輻合的加強(qiáng),低渦進(jìn)一步加強(qiáng)。

通過(guò)以上的分析可以看出,氣流繞過(guò)高原后通過(guò)水平平流的輸送作用在川東南地區(qū)匯合,而且低空急流的發(fā)展正好對(duì)應(yīng)著川東南地區(qū)850 hPa中尺度低渦的發(fā)生,所以此次個(gè)例中低層850 hPa低渦的形成與西南低空急流有著密切的關(guān)系,而潛熱釋放對(duì)850 hPa低渦的后續(xù)發(fā)展和維持有著較為重要的作用。

2.2 700 hPa西南低渦

700 hPa上閉合環(huán)流的出現(xiàn)晚于850 hPa的渦旋,6月30日21時(shí)700 hPa才出現(xiàn)低渦(圖4a)。30日22時(shí)低渦強(qiáng)度增強(qiáng),中西北移(圖4b)。6月30日18時(shí)、19時(shí)700 hPa上川東南地區(qū)位勢(shì)高度逐漸減弱,在6月30日19時(shí)形成低值中心,中心大致在(105.1°E,29.1°N),風(fēng)場(chǎng)也在不斷的向低值中心輻合(圖略)。在低值中心形成之前川東南地區(qū)就已經(jīng)有對(duì)流降水的發(fā)生,但降水強(qiáng)度在不斷減小,降水一直持續(xù)到6月30日22時(shí),降水中心和700 hPa低渦中心沒(méi)有重合,位置相對(duì)低渦中心偏南。

假相當(dāng)位溫θse、相對(duì)濕度、風(fēng)矢量的高度—緯度剖面顯示在6月30日18時(shí)一直到21時(shí)在800～600 hPa間始終存在著暖濕空氣帶(圖5),這和降水過(guò)程中潛熱釋放加熱有一定的關(guān)系。由于暖濕帶的存在,700 hPa上先是有弱低渦生成,此后氣體濕度的增大,低渦中心的輻合強(qiáng)度也增大。相比之下,在800 hPa以下為干冷空氣帶,這主要是由于空氣在下降時(shí)的凝結(jié)冷卻所致,從而在川東南地區(qū)形成一個(gè)冷池,而且冷卻作用會(huì)加強(qiáng)空氣的下沉運(yùn)動(dòng)以及中層的輻合(Lafoe and Moncrieff,1989),所以700 hPa的潛熱加熱和800 hPa以下的凝結(jié)冷卻對(duì)700 hPa的低渦形成都有影響。

圖4 2008年6月30日700 hPa流場(chǎng)(陰影為地形高度大于3 000 m) a.21時(shí);b.22時(shí)Fig.4 The 700 hPa stream fields at (a)2100 UTC and (b) 2200 UTC 30 June 2008(shaded area:terrain height>3 000 m)

圖5 2008年6月30日θse(實(shí)線(xiàn);單位:K)、相對(duì)濕度(虛線(xiàn);單位:%)、風(fēng)矢量(單位:10-1 m/s)沿105.2°E的緯度—高度剖面 a.18時(shí);b.19時(shí)Fig.5 The latitude-height vertical cross sections of θse (solid line;units:K),relative humidity (dotted line;units:%),wind vector(units:10-1 m/s) along 105.2°E at (a)1800 UTC and (b)1900 UTC 30 June 2008

圖5中還可以看到在低渦中心上部,上升運(yùn)動(dòng)引起輻合增強(qiáng),而在低渦中心下部的下沉運(yùn)動(dòng)是較弱的,這使得潛熱加熱對(duì)低渦產(chǎn)生的作用強(qiáng)于低層凝結(jié)冷卻對(duì)低渦產(chǎn)生的作用,潛熱釋放應(yīng)該對(duì)氣流的上升以及低渦的生成和加強(qiáng)起到很重要的作用。另一方面低渦產(chǎn)生后也通過(guò)輻合上升運(yùn)動(dòng)向高層帶去更多暖濕空氣從而加強(qiáng)潛熱加熱作用,潛熱加熱再作用低渦的加強(qiáng),形成反饋?zhàn)饔谩?/p>

圖6 2008年6月30日18時(shí)沿105.2°E溫度擾動(dòng)(a,單位:℃;等值線(xiàn)間隔為0.5 ℃)、擾動(dòng)θse(b,單位:K;等值線(xiàn)間隔為0.5 K)、擾動(dòng)位渦(c,單位:PVU;等值線(xiàn)間隔為0.5 PVU)垂直剖面Fig.6 The vertical cross sections of (a)temperature perturbation (units:℃;contour lines spacing of 0.5 ℃),(b)θse perturbation(units:K;contour lines spacing of 0.5 K),(c)PV perturbation vertical section(units:PVU;contour lines spacing of 0.5 PVU) at 1800 UTC 30 June 2008

Hoskins and Berrisford(1988)指出位渦是研究中緯度現(xiàn)象的一種簡(jiǎn)單而又簡(jiǎn)明的方法。丁治英等(2010)發(fā)現(xiàn)低層的正位渦通過(guò)上升運(yùn)動(dòng)向上傳遞,導(dǎo)致了高層位渦正異常,高層位渦的正異常又可導(dǎo)致低層的氣旋性渦度進(jìn)一步加大并使降水加大。Zhang and Fritsch(1988)通過(guò)集合預(yù)報(bào)的分析發(fā)現(xiàn)對(duì)流層中上層潛熱釋放的產(chǎn)生以及位渦值的增大會(huì)增強(qiáng)中層渦旋。而且一些研究結(jié)果表明潛熱釋放使得位渦再分配,從而使得負(fù)位渦異常區(qū)和與之相關(guān)的反氣旋環(huán)流在最大加熱層上部形成。相反,正位渦異常區(qū)與氣旋環(huán)流在最大加熱層下部發(fā)生發(fā)展(Thorpe,1985;Haynes and McIntyre,1987;Raymond and Jiang,1990)。

沿29.1°N的經(jīng)向風(fēng)和位渦的經(jīng)度—高度剖面(圖略)顯示,在700 hPa低渦中心的位渦值由6月30日18時(shí)的1 PVU(1 PVU=10-6m2·K·s-1·kg-1)增大到30日20時(shí)的2.5 PVU,并且低渦中心的渦度值也由1.5×10-4s-1變?yōu)?.0×10-4s-1,垂直上升運(yùn)動(dòng)也在增強(qiáng)。這表明在潛熱釋放過(guò)程,正位渦異常大值對(duì)應(yīng)暖濕加熱區(qū)域,對(duì)低渦的形成和發(fā)展很著重要的影響。

此外也可通過(guò)擾動(dòng)量的變化來(lái)分析潛熱釋放對(duì)低層低渦形成的影響。6月30日18時(shí),從擾動(dòng)量的垂直分布圖6a中可以看到,700 hPa為相對(duì)暖的區(qū)域,是θse高值區(qū),這主要是暖濕氣流上升過(guò)程中引起的潛熱釋放的結(jié)果;700 hPa以下為相對(duì)冷區(qū),是θse低值區(qū),這是凝結(jié)冷卻使得低層溫度降低的結(jié)果。位渦垂直剖面顯示,700 hPa為位渦大值區(qū)域,6月30日19時(shí)(圖7),川東南地區(qū)700 hPa有暖區(qū)中心形成,此時(shí)低渦也輻合生成,在低渦中心也有位渦大值中心生成。從渦度廓線(xiàn)也可以看到700 hPa上渦度的值也在略微的隨時(shí)間增加,這說(shuō)明潛熱釋放引起了對(duì)流層低層位渦的增加,導(dǎo)致了渦度的增加。而且氣流在川東南地區(qū)低層的風(fēng)速隨時(shí)間也在不斷的增大,低層的輻合最大值由1.5×10-4s-1變?yōu)?.0×10-4s-1。低層的強(qiáng)的輻合導(dǎo)致強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng),暖濕氣流在上升過(guò)程中釋放潛熱導(dǎo)致了位渦的增加,對(duì)應(yīng)的正渦度也在增加,流場(chǎng)的氣旋性彎曲也顯著增強(qiáng),從而逐漸形成氣旋性的渦旋(圖7b)。所以潛熱釋放是導(dǎo)致低層700 hPa渦度增加從而不斷輻合形成低渦的主要因子。

圖7 2008年6月30日19時(shí)沿105.2°E溫度擾動(dòng)(a,單位:℃;等值線(xiàn)間隔為0.5 ℃)、擾動(dòng)θse(b,單位:K;等值線(xiàn)間隔為0.5 K)、擾動(dòng)位渦(c,單位:PVU;等值線(xiàn)間隔為0.5 PVU)垂直剖面Fig.7 The vertical cross sections of (a)temperature perturbation (units:℃;contour lines spacing of 0.5 ℃),(b)θse perturbation(units:K;contour line spacing of 0.5 K),(c)PV perturbation vertical section(units:PVU;contour line spacing of 0.5 PVU) at 1900 UTC 30 June 2008

圖8 2008年6月30日18時(shí)區(qū)域平均(104.9～105.5°E,28.9～29.5°N)凝結(jié)加熱率(實(shí)線(xiàn);單位:K·d-1)、散度(空心○虛線(xiàn);單位:10-4 s-1)、渦度(點(diǎn)劃線(xiàn);單位:10-4 s-1)和垂直速度(實(shí)心○虛線(xiàn);單位:m/s)的垂直廓線(xiàn)及ω方程1、2、3三項(xiàng)垂直運(yùn)動(dòng)分量(b)Fig.8 (a)The regional average(28.9—29.5°N,104.9—105.5°E) vertical profile of condensation heating rate(solid line;units:K·d-1),the divergence(dashed lines;units:10-4 s-1),the vorticity(attunements line;units:10-4 s-1) and vertical velocity(solid line;units:m/s) and (b)vertical movement of the three components are calculated respectively in ω equation at 1800 UTC 30 June 2008

再利用潛熱加熱率公式(Kuo,1974),對(duì)低渦發(fā)生發(fā)展進(jìn)行診斷分析。6月30日18時(shí)(圖8a)區(qū)域平均的凝結(jié)加熱率、散度、渦度和垂直速度的垂直廓線(xiàn)顯示,最強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)處于中層500 hPa,中層處于輻合狀態(tài),凝結(jié)潛熱加熱率最大值位于800 hPa。利用考慮了非絕熱加熱的ω方程,進(jìn)一步診斷各項(xiàng)物理因子對(duì)垂直運(yùn)動(dòng)的影響。其中:等號(hào)右邊第一項(xiàng)為渦度平流垂直變化項(xiàng);第二項(xiàng)為溫度平流拉普拉斯項(xiàng);第三項(xiàng)為非絕熱加熱項(xiàng),分別稱(chēng)為1、2、3項(xiàng),在對(duì)各項(xiàng)計(jì)算過(guò)程中采用的都是一種近似的計(jì)算。圖8b為6月30日18時(shí)各項(xiàng)對(duì)垂直速度的影響,可以看出在500 hPa沒(méi)有明顯的溫度平流,但是有明顯的正渦度平流。在對(duì)流層低層,潛熱加熱對(duì)垂直運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn)較為重要,尤其是低層700 hPa潛熱加熱造成的上升運(yùn)動(dòng)超過(guò)了低層暖平流的作用。此時(shí)在800 hPa以下有冷平流的作用,造成下沉運(yùn)動(dòng)。

圖9 2008年6月30日19時(shí)區(qū)域平均(104.9～105.5°E,28.9～29.5°N)凝結(jié)加熱率(實(shí)線(xiàn);單位:K·d-1)、散度(空心○虛線(xiàn);單位:10-4 s-1)、渦度(點(diǎn)劃線(xiàn);單位:10-4 s-1)和垂直速度(實(shí)心○虛線(xiàn);單位:m/s)的垂直廓線(xiàn)及ω方程1、2、3三項(xiàng)垂直運(yùn)動(dòng)分量(b)Fig.9 (a)The regional average(28.9—29.5°N,104.9—105.5°E) vertical profile of condensation heating rate(solid line;units:K·d-1),the divergence(dashed lines;units:10-4 s-1),the vorticity(attunements line;units:10-4 s-1) and vertical velocity(solid line;units:m/s) and (b)vertical movement of the three component are calculated respectively in ω equation at 1900 UTC 30 June 2008

圖9a可見(jiàn),6月30日19時(shí)渦度和散度廓線(xiàn)表明最強(qiáng)的輻合仍然位于對(duì)流層低層,800～600 hPa之間,輻合最大值為2×10-4s-1,相比前一個(gè)小時(shí)變化不大。對(duì)流層中層以上400 hPa存在一個(gè)較大的輻散層,上升速度中心最大值為1.5 m/s,高度在500 hPa左右。散度的結(jié)構(gòu)和渦度結(jié)構(gòu)近于反位相,這和朱愛(ài)軍和潘益農(nóng)(2007)研究是一致的。對(duì)流層低層有在兩個(gè)正渦度中心,一個(gè)在850 hPa,另一個(gè)在700 hPa。此時(shí)低層700 hPa凝結(jié)加熱率比18時(shí)有所增大,但是仍然為負(fù)。ω方程診斷的各強(qiáng)迫項(xiàng)對(duì)應(yīng)的垂直速度表明(圖9b),凝結(jié)加熱項(xiàng)強(qiáng)迫上升運(yùn)動(dòng)在對(duì)流層低層700 hPa上的作用是最重要的,最大值達(dá)到2 m/s,相比前一個(gè)小時(shí)有所增大。這表明降水導(dǎo)致的凝結(jié)加熱對(duì)700 hPa低渦輻合起很大的作用。此時(shí)渦度平流垂直變化對(duì)上升運(yùn)動(dòng)的作用為負(fù)貢獻(xiàn),但是溫度平流在低層700 hPa上表現(xiàn)為正貢獻(xiàn)。而且800 hPa以下仍然有冷平流導(dǎo)致一定的下沉運(yùn)動(dòng),在對(duì)流層中層由于湍流混合作用較強(qiáng),溫度平流較弱,對(duì)垂直運(yùn)動(dòng)基本沒(méi)有貢獻(xiàn)(喬林等,2009)。

6月30日20時(shí),850 hPa的渦度值減小,而700 hPa低渦中心的渦度值略有增大,低層潛熱加熱率繼續(xù)增大,約為1 K/h,同時(shí)潛熱加熱對(duì)低層輻合和上升運(yùn)動(dòng)的影響進(jìn)一步增強(qiáng)(圖略),在高層溫度平流對(duì)上升運(yùn)動(dòng)的影響很小,但是渦度平流對(duì)垂直上升運(yùn)動(dòng)有著很強(qiáng)的貢獻(xiàn)。

通過(guò)上面的分析可以表明,隨著低渦的形成和成熟,低渦的下部出現(xiàn)與下沉運(yùn)動(dòng)相伴的輻散結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)與Maddox(1983)及Menard and Fritsch(1989)提出的成熟時(shí)的中尺度對(duì)流輻合體相類(lèi)似,即對(duì)流層高層與低層都為輻散外流,而對(duì)流層中層出現(xiàn)氣旋性結(jié)構(gòu)。

3 數(shù)值敏感試驗(yàn)

通過(guò)干敏感性試驗(yàn)進(jìn)一步研究潛熱釋放對(duì)700 hPa低渦的影響,它與全因子的不同之處就是模擬當(dāng)中沒(méi)有降水凝結(jié)潛熱釋放的作用,因此它與全因子試驗(yàn)的差異,可以認(rèn)為是由凝結(jié)潛熱過(guò)程所致。

從6月30日全因子模擬850 hPa流場(chǎng)和干試驗(yàn)?zāi)M850 hPa流場(chǎng)對(duì)比(圖略)可以看到,去除了潛熱釋放后在川東南地區(qū)仍有中尺度的低渦生成,低渦中心和尺度基本上和全因子模擬的結(jié)果相近,這表明潛熱釋放對(duì)850 hPa上低渦的影響可以忽略。而從700 hPa流場(chǎng)可以看到,6月30日21時(shí)在四川盆地中部形成一個(gè)低渦(圖4a)。30日22時(shí)該中尺度渦旋逐漸加強(qiáng),低渦中心略向北移動(dòng)(圖4c)。如果將模式中的潛熱釋放關(guān)掉后,可以看到在6月30日21時(shí)、22時(shí)川東南附近的地區(qū)沒(méi)有中尺度渦旋形成(圖略),這說(shuō)明在700 hPa上降水發(fā)生過(guò)程中潛熱的釋放會(huì)導(dǎo)致氣旋性的切變加強(qiáng)輻合從而形成低渦。

圖10 2008年6月30日18時(shí)(a,b)、19(c,d)區(qū)域平均(104.9～105.5°E,28.9～29.5°N)的位勢(shì)高度(點(diǎn)線(xiàn);單位:dagpm)、溫度(實(shí)線(xiàn);單位℃)的垂直廓線(xiàn)(a,c)和低渦中心(105.2°E,29.1°N)的渦度(點(diǎn)線(xiàn);單位:10-4 s-1)和散度(實(shí)線(xiàn);單位:10-4 s-1)(b,d)的垂直廓線(xiàn)Fig.10 The regional average (28.9—29.5°N,104.9—105.5°E) (a,c)height (point line;units:dagpm),temperature (solid line;units:℃),vertical profile and (b,d)low vortex center (29.1°N,105.2°E) vorticity (point line;line;units:10-4 s-1),divergence(solid line;units:10-4 s-1) at (a,b)1800 UTC and (c,d)1900 UTC 30 June 2008

為了更進(jìn)一步通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)來(lái)反映潛熱釋放對(duì)700 hPa低渦的作用,利用全因子模擬和去掉潛熱釋放后模擬的各個(gè)變量的差值進(jìn)行分析。首先全因子模擬和去掉潛熱釋放后模擬的溫度場(chǎng)和高度場(chǎng)之差的區(qū)域平均的垂直分布(圖10a、10c)中可以看出,潛熱釋放使得800～400 hPa之間的大氣都減壓,而400 hPa以上是大氣加壓,并且高層的加壓比低層的減壓大。從溫度垂直廓線(xiàn)中看以看到凝結(jié)潛熱加熱了800～400 hPa之間較深厚的大氣層,最大加熱中心位于400 hPa附近。從兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的渦度和散度的差值顯示,在6月30日18時(shí)低渦形成初期,凝結(jié)潛熱對(duì)暴雨區(qū)正渦度的貢獻(xiàn)較弱,700 hPa正渦度差值中心值為1.0×10-4s-1(圖10b)。6月30日19時(shí)低渦形成,700 hPa正渦度差值明顯增大,中心強(qiáng)度達(dá)到2.6×10-4s-1(圖10d),700 hPa以下有很明顯的低層正渦度輻合場(chǎng),700 hPa以上為負(fù)渦度場(chǎng)。通過(guò)上面的分析可知,降水過(guò)程中凝結(jié)潛熱的釋放加熱了大氣層,由熱成風(fēng)的關(guān)系,暴雨區(qū)北側(cè)高空西北氣流加強(qiáng),空氣質(zhì)量大量流出,即高空輻散加強(qiáng),同時(shí)低層出現(xiàn)減壓和輻合(張曉芳和陸漢城,2006),這使得700 hPa上氣旋性切邊加強(qiáng)輻合,從而轉(zhuǎn)變成氣旋性渦旋。所以潛熱加熱直接增暖了中低層大氣,增強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng),促使700 hPa低渦的形成。這和趙平和孫淑清(1991)潛熱加熱不影響西南低渦的形成的研究結(jié)果不同。

通過(guò)上面的分析,可以認(rèn)為降水過(guò)程中由于水汽充足,低層強(qiáng)輻合引起上升運(yùn)動(dòng)的同時(shí),引起水汽的凝結(jié)。由于凝結(jié)潛熱的釋放,增強(qiáng)了川東南地區(qū)低層輻合、高層輻散以及中低層正渦度的發(fā)展,所以水汽凝結(jié)、釋放潛熱是700 hPa低渦形成的主要原因。

4 結(jié)論與討論

本文運(yùn)用WRF模式模擬了2008年6月30日到7月1日生成于川東南地區(qū)的一個(gè)西南低渦的發(fā)生發(fā)展過(guò)程。數(shù)值模擬診斷分析表明:

1)閉合性的氣旋中心首先在850 hPa上生成,850 hPa低渦的形成與西南低空急流有著密切的關(guān)系,潛熱釋放對(duì)850 hPa低渦的后續(xù)發(fā)展和維持有著較為重要的作用。

2)渦度收支的各項(xiàng)表明水平渦度平流項(xiàng)和輻散項(xiàng)均起到最主要的作用。對(duì)低層850 hPa低渦的形成發(fā)展,水平平流項(xiàng)起直接作用;垂直平流項(xiàng)對(duì)中低層總渦度始終是正貢獻(xiàn),對(duì)低層低渦的發(fā)展有間接作用;而扭轉(zhuǎn)項(xiàng)主要是對(duì)總渦度發(fā)展的貢獻(xiàn)不大。

3)通過(guò)凝結(jié)潛熱率公式和非絕熱加熱的ω方程表明,潛熱加熱對(duì)700 hPa流場(chǎng)的輻合有著重要的影響,能夠引起該層渦旋不斷輻合從而形成低渦。

4)干敏感試驗(yàn)表明潛熱釋放對(duì)850 hPa低渦的生成可以忽略,但在700 hPa上會(huì)導(dǎo)致氣旋性的切變加強(qiáng)輻合從而形成低渦,潛熱釋放對(duì)700 hPa低渦的生成起主要是作用。

通過(guò)本例的研究分析,對(duì)西南渦形成過(guò)程有了一些初淺的認(rèn)識(shí),但是對(duì)西南地區(qū)來(lái)講,由于受到青藏高原大地形的影響,西南渦的形成原因本身就是一個(gè)難點(diǎn)。因此還應(yīng)該針對(duì)多個(gè)個(gè)例開(kāi)展深入分析,進(jìn)一步深入研究西南渦形成的機(jī)理和特點(diǎn)。

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(責(zé)任編輯：劉菲)

Theinfluenceoflow-leveljetandlatentheatreleaseontheformationofasouthwestvortex

CHEN Peng1,2,3,XU Hai-ming1,LIN Yong-hui2

(1.School of Atmospheric Science,NUIST,Nanjing 210044,China;2.State Key Laboratory of Severe Weather,Chinese Academy of Meteorological Sciences,Beijing 100081,China;3.Chongqing Meteorological Observatory,Chongqing 401147,China)

Using mesoscale simulation WRF model,the formation and development of a southwest vortex occurred over Sichuan province on June 30 and July 1,2008 were investigated.The results indicated that the southwest vortex primarily emerged at 850 hPa and then formed at 700 hPa after several hours.The formation of the southwest vortex at 850 hPa was directly connected with low-level jet.The diagnostic analysis ofωequation showed that the horizontal advection of vorticity and divergence mainly influenced the formation of the southwest vortex at 850 hPa while latent heat release was not important to its genesis.The results also indicated that the latent heating was the key factor for the formation of the southwest vortex at 700 hPa.The dry sensitive experiment further confirmed that latent heat release had little influence on the southwest vortex at 850 hPa,but it caused strong convergence of cyclonic shear circulation and finally formed the vortex at 700 hPa.

southwest vortex;low-level jet;latent heat release;heavy rain

2012-10-16；改回日期2012-12-17

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2012CB417202);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40745026;40875035);公益性行業(yè)(氣象)科研專(zhuān)項(xiàng)(GYHYQX2007-6-20);中國(guó)氣象科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)(2007Y002);中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究專(zhuān)項(xiàng)(2008LASWZ103)

陳鵬,碩士,研究方向?yàn)橹行〕叨葦?shù)值模擬及天氣分析,chenpeng8495@126.com.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20121016001.

1674-7097(2014)05-0575-10

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A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20121016001

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