中尺度高空急流—鋒云系與暴雨的結構及演變機制的動力學研究.pdf

1、高空急流一鋒是對流層上部最突出的天氣系統(tǒng)之一，它對中尺度災害天氣發(fā)生發(fā)展過程具有十分重要的作用。本文以我國上空的副熱帶高空西風急流為研究對象，通過常規(guī)觀測、衛(wèi)星、雷達資料分析以及新一代高分辨率中尺度數(shù)值模式(WRF)模擬，對2005年6月、2006年5月和6月發(fā)生在我國東部的三次高空急流相關的天氣過程中高空急流．鋒云系與急流．鋒暴雨中尺度系統(tǒng)的特征、三維結構以及發(fā)生發(fā)展和演變過程的動力學機制進行了研究，得到的主要結果如下： 1．

2、典型的高空急流一鋒系統(tǒng)在衛(wèi)星云圖上具有四個基本特征：葉狀云、渦旋逗點云系、暗帶以及急流出口區(qū)右側(cè)排列有序的對流云團波串或橫向云帶。它們所出現(xiàn)的位置、微物理結構都具有明顯特征。由中高云組成的葉狀云帶主要集中在急流軸的南側(cè)，呈西南一東北走向，在紅外和水汽圖像上幾乎為不透明。從其微物理結構來看，這條葉狀云帶的高層主要由密實的冰晶、雪粒子構成，而位于零度線以下則主要由云水粒子構成，它們大量集中在云帶的西南端，這里對應南方強降水區(qū)。水汽圖像上，“

3、S”水汽型北邊界以北的暗區(qū)位于急流的氣旋性彎曲一側(cè)。這條狹窄暗帶沿著葉狀云北側(cè)邊緣分布，隨著氣流向下游平流，卷入下游的云團，形成逗點云。在急流氣旋性切變一側(cè)產(chǎn)生的一些云帶在形成逗點云之前常會表現(xiàn)為發(fā)展中的對流云團波串或者橫向云帶形式。這些對流云團波串或橫向云帶常常是隨著急流靠近，急流核的中心風速加大而產(chǎn)生的，且它們通常相對固定地出現(xiàn)在急流出口區(qū)的左側(cè)附近，隨環(huán)境風方向向下游方向排列。就其微物理結構來看，急流氣旋性切變一側(cè)的云系內(nèi)的微物理

4、垂直結構與急流反氣旋性切變一側(cè)基本相同，但是急流氣旋性切變一側(cè)云系的云冰、云水含量相對較低。 2．急流軸南北兩側(cè)的云系都具有鋒面云系的特征，但具有不同的發(fā)生發(fā)展機制。從氣流軌跡分析來看，急流軸以南的葉狀云帶的形成主要受西南、東南和西北氣流等三股氣流的影響。云帶主要由西南和東南暖濕空氣輻合抬升形成。而由西北干冷空氣形成的干帶，一部分從高層向下侵入到葉狀云尾部的層狀降水區(qū)內(nèi)，與這里由降水拖帶產(chǎn)生的下沉空氣相遇，形成強而一致的下沉氣流

5、致使云帶后部云區(qū)逐漸變窄云項降低直至最后消散，而另一部分氣流到達對流層中低層后又轉(zhuǎn)為上升運動，疊置在低層的暖濕氣流之上，造成大氣不穩(wěn)定度增大，因此整個急流反氣旋性切變一側(cè)的云帶可以被看作是干帶與暖輸送帶相互作用的結果。急流北側(cè)的云系也沿鋒面發(fā)展，但云系高度較低。此處的云帶主要是由槽后西北氣流在下沉輻散過程中與地面低壓相遇，受地面摩擦輻合作用而被強迫抬升，在抬升過程中又將低空西南暖濕空氣輸送到高空而形成的。 3．水汽圖像上在高空急

6、流氣旋性彎曲一側(cè)的狹長的暗帶對應于低濕、高位渦區(qū)。位渦場和濕度場的特征表明高空急流氣旋性彎曲一側(cè)的暗區(qū)是高空干空氣侵入的源頭。干侵入機制對促進急流兩側(cè)云系發(fā)展都具重要作用，一方面干侵入過程中干冷空氣使對流層中低層的濕度減小，造成大氣上干冷、下暖濕的不穩(wěn)定結構，促進急流云系內(nèi)深對流發(fā)展。另一方面，干侵入過程引起位渦下傳，導致低空正位渦和風場異常，誘生地面氣旋發(fā)展，因此它還可能是導致急流軸氣旋性切變一側(cè)的云團無論在產(chǎn)生時具有何種形態(tài)最終都表

7、現(xiàn)為渦度逗點狀形態(tài)特征的關鍵的動力機制。濕位渦的分布特征表明急流軸附近的大氣具有較大的濕斜壓性。從穩(wěn)定性角度看，急流軸兩側(cè)特別是急流軸反氣旋性切變一側(cè)葉狀云系產(chǎn)生和發(fā)展除了與對流不穩(wěn)定機制有關，還可能受條件性對稱不穩(wěn)定機制的影響。條件性對稱不穩(wěn)定有利于傾斜對流的發(fā)生發(fā)展，這種傾斜對流對處于強風速切變環(huán)境中的急流云系長時間維持和發(fā)展是至關重要的。 4．急流云系上的不穩(wěn)定能量具有不均勻分布的特征。從能量分布特征來看，有兩個對流有效位

8、能的高值中心，分別位于急流軸反氣旋性切變一側(cè)的葉狀云系的后部，以及急流軸氣旋性切變一側(cè)的逗點云系的凹部到頭部的一個相對較小的區(qū)域內(nèi)。而下沉對流有效位能的大值中心分別對應于急流核入口區(qū)的左側(cè)和出口區(qū)的右側(cè)，它們在云圖上與無云區(qū)相對應。這進一步證實了云圖上位于急流氣旋性切變一側(cè)的暗區(qū)是高空干冷空氣下沉侵入的表征。 5．急流的運動學結構分析表明，在急流核兩端(入口區(qū)和出口區(qū))非地轉(zhuǎn)風具有明顯的氣旋性切變特征，而急流核南北兩側(cè)非地轉(zhuǎn)風則

9、具有反氣旋性切變的特點。在渦度場上，急流核的入口區(qū)和出口區(qū)兩端都為非地轉(zhuǎn)風正渦度區(qū)，而在急流軸兩側(cè)則為非地轉(zhuǎn)風負渦度區(qū)，其結構與Cunningham和Keyser(2000)提出的急流非地轉(zhuǎn)風渦度“四象限”分布特征基本一致。 6．應用羅斯貝數(shù)(Ro)和非線性平衡方程的殘差(ANBE)診斷發(fā)現(xiàn)，高空急流氣旋性一側(cè)靠近出口區(qū)的地方為Ro和△NBE大值區(qū)，ANBE的量級達到10<'-8>S<'-1>。從ANBE的含義可知，高空急流氣旋

10、性一側(cè)靠近出口區(qū)的地方具有明顯的非地轉(zhuǎn)性。而且隨著急流的曲率加大，這種非地轉(zhuǎn)性進一步增強。另外，從Richardson數(shù)(Ri<,g>)分析來看，高空急流出口區(qū)也是切變不穩(wěn)定區(qū)，這里正對應于急流出口區(qū)附近的中尺度重力波發(fā)生區(qū)和強降水區(qū)。 7．根據(jù)小波分析的多分辨率頻域濾波特性，構造了基于小波變換的帶通濾波器以分析高空急流出口區(qū)引發(fā)的重力波的特征。分析結果表明，位于我國上空的副熱帶高空西風急流出口區(qū)附近的重力波的水平波長一般在10

11、0-500km，振幅約為1-10hPa，垂直速度場上的波動略落后于位溫場上波動，位相差約1/4個水平波長。具有明顯的中尺度重力波的特征，從云系分布特征看，云圖上急流出口區(qū)左側(cè)出現(xiàn)的對流云團波串和橫向云帶與該處的中尺度重力波關系密切。 8．就地轉(zhuǎn)適應與切變不穩(wěn)定在高空急流出口區(qū)附近所產(chǎn)生的中尺度重力波的發(fā)生發(fā)展中的作用來說，高空急流出口區(qū)附近中尺度重力波是在地轉(zhuǎn)調(diào)整加快以及切變不穩(wěn)定快速增大的過程中產(chǎn)生發(fā)展起來的，且產(chǎn)生位置位于非

12、地轉(zhuǎn)平衡能量的下游頻散區(qū)與切變不穩(wěn)定區(qū)的疊合區(qū)內(nèi)。從地轉(zhuǎn)調(diào)整和切變不穩(wěn)定的產(chǎn)生順序來看，地轉(zhuǎn)調(diào)整提前于切變不穩(wěn)定產(chǎn)生。高空急流氣旋性切變一側(cè)的高位渦區(qū)與該處的△NBE正值區(qū)具有很好的對應關系。根據(jù)ANBE與位渦(PV)的含義可知，急流出口區(qū)附近的中尺度重力波可能是由高空鋒系統(tǒng)內(nèi)的一股具有強非地轉(zhuǎn)平衡性的氣流所引發(fā)的。 9．對2005年6月10日在我國東北地區(qū)發(fā)生的一次急流鋒暴雨(以下簡稱“05.06”暴雨)發(fā)生機制的分析結果表明

13、，此次暴雨是發(fā)生在高空槽東移加深過程中的一次中尺度對流天氣過程。從大尺度特征來看，中尺度對流系統(tǒng)處于前傾疏散的高空槽槽前，高空輻散，低空輻合，為MCS發(fā)生提供了有利的大尺度動力條件；暴雨發(fā)生前對流層低層有西南一東北走向的濕舌，為暴雨提供了有利的水汽條件；高空干冷平流與低空的暖濕平流形成的差動平流，則為此次暴雨提供了不穩(wěn)定條件。此外，從地面接收到的太陽輻射能量分布情況來看，下墊面不均勻加熱引起的熱力環(huán)流是這次暴雨過程中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展

14、的一個重要的觸發(fā)機制。從中尺度對流系統(tǒng)特征看，影響沙蘭河上游的中尺度對流系統(tǒng)具有多單體風暴結構特征的孤立對流系統(tǒng)的特征，而且系統(tǒng)中氣流具有后方入流前方出流的特點。從對流系統(tǒng)的移動規(guī)律來看，導致沙蘭河上游暴雨的雷暴云為左移風暴。 10．就高空急流的作用而言，“05.06”暴雨的雨帶以及衛(wèi)星與雷達回波圖上顯示出對流云團與由高空急流出口區(qū)上激發(fā)的中尺度重力波時空分布特征相吻合，高空急流出口區(qū)所激發(fā)的中尺度重力波對觸發(fā)和維持此次暴雨過程

15、具有重要作用。高空急流出口區(qū)引起的高層的重力波把能量向下輸送，使低層波動加強，在上下兩列波動垂直方向同相疊加的地區(qū)產(chǎn)生出大振幅的中尺度重力波，引發(fā)強降水。此外，在研究中發(fā)現(xiàn)，“05．06”暴雨過程中強對流云團分布與地面切變線走向具有很好的一致性，但是在這條切變線上對流強弱分布卻是不均勻的，其中在弧形切變線轉(zhuǎn)折處對流最強。分析認為，造成這種現(xiàn)象的一種可能解釋是，這是由切變線走向與盛行環(huán)境風向的配置關系引起的；而從波動能量傳播與不穩(wěn)定能量關