重力波與低緯高原地區(qū)MβCSs地域特征的關(guān)系

朱莉,丁治英,張騰飛,李華宏

(1.云南省氣象臺(tái),云南昆明 650034;2.南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,江蘇南京 210044)

重力波與低緯高原地區(qū)MβCSs地域特征的關(guān)系

朱莉1,2,丁治英2,張騰飛1,李華宏1

(1.云南省氣象臺(tái),云南昆明 650034;2.南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,江蘇南京 210044)

利用MM5(V3.6)模式對(duì)2003年6月低緯高原地區(qū)一次大暴雨過程進(jìn)行了數(shù)值模擬和地形敏感性試驗(yàn),從重力波的角度研究低緯高原地區(qū)MβCSs生命史較短這一地域特征形成的原因。分析表明,大氣穩(wěn)定層結(jié)利于重力波的產(chǎn)生和傳播,重力波的傳播導(dǎo)致MβCSs的能量向兩側(cè)快速頻散,使得成熟的MβCSs主體強(qiáng)度減弱,兩側(cè)有新的MβCSs生成并發(fā)展,中心降水也迅速減弱。地形敏感性試驗(yàn)表明,低緯高原地形使得大氣在不穩(wěn)定能量積累以后很快釋放觸發(fā)強(qiáng)降水,大氣隨即轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定層結(jié),利于重力波的快速傳播和MβCSs主體能量的迅速頻散,使得低緯高原地區(qū)觸發(fā)暴雨的MβCSs生命史較短,引發(fā)的降水具有突發(fā)性強(qiáng)、歷時(shí)短的特征。

重力波;MβCSs地域特征;數(shù)值模擬;地形作用

0 引言

中尺度重力波常和雨帶、颮線、強(qiáng)雹暴、暴雨和暴雪等天氣相伴,相關(guān)研究表明,對(duì)流、密度波動(dòng)、地轉(zhuǎn)調(diào)整、地形強(qiáng)迫等是大振幅中尺度重力波產(chǎn)生的重要機(jī)制和波能來源[1-3]。朱利華等[4]指出強(qiáng)對(duì)流天氣突然爆發(fā)的原因之一是中尺度重力波非線性相互作用。有關(guān)中尺度重力波的識(shí)別、特征和作用分析是中尺度氣象學(xué)研究的一個(gè)重要問題。國外對(duì)重力波特征的分析多以實(shí)測(cè)資料和數(shù)值分析為基礎(chǔ),而我國在該方面的研究則多集中于理論方面[5]。有關(guān)地形強(qiáng)迫產(chǎn)生定常地形波(背風(fēng)波)的理論已經(jīng)很成熟[6],即在穩(wěn)定層結(jié)大氣中,一定強(qiáng)度的氣流越過山脊后可形成準(zhǔn)靜止性重力波,但地形是否可作為傳播性重力波的重要波動(dòng)來源或動(dòng)力機(jī)制尚不清楚。Zhang和Koch[7]分析美國對(duì)流降水合作試驗(yàn)(CCO PE)觀測(cè)到的中尺度重力波過程時(shí)發(fā)現(xiàn)波動(dòng)是由地形密度流產(chǎn)生的,并通過數(shù)值試驗(yàn)肯定了地形效應(yīng)在傳播性重力波發(fā)生過程中的作用。自從Zhang和Koch[7]利用模式開展對(duì)大振幅重力波研究之后,中尺度數(shù)值模式已成為解釋重力波結(jié)構(gòu)、產(chǎn)生和維持機(jī)制的重要工具。我國的云貴高原位于青藏高原東南側(cè),屬于低緯高原地區(qū),地形復(fù)雜,強(qiáng)對(duì)流災(zāi)害性天氣頻繁發(fā)生,直接引發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣的M CS與長江黃河中下游地區(qū)相比生命史較短,觸發(fā)的暴雨有突發(fā)性強(qiáng)、歷時(shí)短的地域特征。2003年6月16—17日,云南的大理、楚雄等地發(fā)生了大到暴雨天氣過程,其中楚雄站12h累積降水量高達(dá)159.7mm(圖1a),自動(dòng)站逐時(shí)降雨量顯示強(qiáng)降水集中在3h之內(nèi),每小時(shí)降水最大值為72mm(圖2a),為低緯高原一次罕見的強(qiáng)對(duì)流暴雨天氣過程。朱莉和丁治英[8]使用MM5模式對(duì)本次大暴雨過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,從動(dòng)力和熱力原因分析了觸發(fā)大暴雨過程的MβCSs的結(jié)構(gòu)特征及其形成原因,本文試圖從重力波的角度對(duì)觸發(fā)大暴雨過程的β中尺度對(duì)流系統(tǒng)MβCSs生命史較短的原因進(jìn)行深入探討,研究地形對(duì)重力波的作用及重力波與MβCSs地域特征的關(guān)系。

1 模擬方案設(shè)計(jì)和模擬效果檢驗(yàn)

使用PSU/NCAR開發(fā)的非靜力中尺度數(shù)值模式MM5(V3.6),采用精度為1°×1°,時(shí)間間隔為6h的NCEP/NCAR全球再分析資料作為模式初始場(chǎng),垂直方向共23層,模式頂為100hPa,采用雙向兩重嵌套網(wǎng)格,粗網(wǎng)格中心位置為(101.25°E,25°N),水平格點(diǎn)數(shù)分別為81×81和91×91,水平格距分別為54km和18km。模式物理過程側(cè)邊界采用張弛的流入流出方案,地面采用5層土壤模式,加入淺對(duì)流作用。粗網(wǎng)格和細(xì)網(wǎng)格使用的顯式物理過程均為Graupel(reisner2);粗網(wǎng)格使用的積云參數(shù)化方案為Betts-Miller方案,細(xì)網(wǎng)格使用Grell積云參數(shù)化方案;粗細(xì)網(wǎng)格均使用M RF行星邊界層方案和C loud大氣輻射方案。

對(duì)比細(xì)網(wǎng)格模擬12h累積降水量(圖1b)和實(shí)況(圖1a)發(fā)現(xiàn),模式結(jié)果較好地再現(xiàn)了主要雨區(qū)分布、走向和形狀特征。模擬降水中心緯向位置與實(shí)況相近,但在經(jīng)向上西偏約兩個(gè)經(jīng)距,中心強(qiáng)度比實(shí)況偏小。從模擬的降水中心每小時(shí)降水曲線(圖2b)可以看出,模擬每時(shí)降水的增減趨勢(shì)與實(shí)況每時(shí)降水特點(diǎn)相吻合,且模擬降水最大值出現(xiàn)時(shí)間與實(shí)況基本一致,只是降水強(qiáng)度偏小。模擬的12h累積降水達(dá)81.3mm,每小時(shí)降水量10mm以上的降水持續(xù)3h,且集中在3h內(nèi),根據(jù)西部高原地區(qū)降水量級(jí)定義[9]和暴雨每小時(shí)降水標(biāo)準(zhǔn)[10],模擬結(jié)果已經(jīng)能夠從時(shí)空尺度和降水特征上反映β中尺度對(duì)流系統(tǒng)特征。

圖1 2003年6月16日12時(shí)—17日00時(shí)12h累積降水(單位:mm) a.實(shí)況;b.模擬Fig.1 The12hr accumulated precipitation from12:00June16,2003to00:00June17,2003(units:mm) a.observed precipitation;b.simulated precipitation

圖2 6月16日12時(shí)—17日12時(shí)楚雄自動(dòng)站(a)及細(xì)網(wǎng)格模擬降水中心(99.2°E,26°N)(b)的時(shí)降水變化Fig.2 (a)The observed precipitation per hour at Chuxiong automatic weather station from12:00June16to12:00June17(units:mm);(b)The precipitation changes by hour at the fine domain simulated rainfall center(26°N,99.2°E)during12:00June16and12:00June17

粗網(wǎng)格模擬流場(chǎng)與實(shí)況場(chǎng)對(duì)比發(fā)現(xiàn),模式較好地模擬出了500hPa實(shí)況圖上中心位于滇桂交界處的反氣旋、滇西北的西風(fēng)脊以及700hPa實(shí)況圖上位于滇西北的輻合氣流,位置偏差不明顯(圖略)。模擬位勢(shì)高度場(chǎng)也與實(shí)況大尺度環(huán)流特征對(duì)應(yīng)較好(圖略)。相對(duì)于模式對(duì)高度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)的模擬效果而言,降水模擬效果稍差,這可能與模式對(duì)高原地區(qū)濕物理過程處理的困難有關(guān)。考慮到降水的定量預(yù)報(bào)和落區(qū)預(yù)報(bào)存在很大的困難,本次的模擬結(jié)果總的來說較為成功,為接下來對(duì)MβCSs的分析奠定了基礎(chǔ)。

2 MβCSs結(jié)構(gòu)分析

云水是一個(gè)較為直觀的用來描述中尺度對(duì)流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的物理量,沿25.9°N作云水、相當(dāng)位溫和垂直環(huán)流的緯向垂直剖面綜合圖(圖3)發(fā)現(xiàn),在這一緯度的剖面上主要由兩個(gè)對(duì)流系統(tǒng)引發(fā)強(qiáng)降水,水平尺度約為100km,單個(gè)對(duì)流系統(tǒng)水平尺度約為50 km,根據(jù)尺度劃分標(biāo)準(zhǔn),這兩個(gè)對(duì)流系統(tǒng)為β中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MβCSs)。從自動(dòng)站逐時(shí)降水曲線(圖2a)可以看出,本次強(qiáng)降水主要集中在12日14—16時(shí)(世界時(shí),下同),由圖3可見,強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)段兩個(gè)對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生相互作用。16日13時(shí),兩個(gè)對(duì)流系統(tǒng)連接在一起,大于0.1g/kg的云水垂直伸展高度達(dá)到約400hPa,模擬暴雨中心(99.2°E)東部MβCSs的中心云水強(qiáng)度大于西邊的MβCSs,云水最大值中心出現(xiàn)在475hPa高度上,達(dá)1g/kg,對(duì)流系統(tǒng)在700～550hPa高度上相當(dāng)位溫呈倒“V”字形結(jié)構(gòu),相當(dāng)位溫梯度較大,積累了較強(qiáng)的對(duì)流不穩(wěn)定能量,對(duì)應(yīng)微弱的垂直上升運(yùn)動(dòng)(圖3a)。16日14時(shí),兩個(gè)對(duì)流系統(tǒng)大于0.1g/kg的云水垂直伸展高度均有增加,延伸高度略超過400hPa,且厚度增加,但中心云水減小至0.6g/kg,在兩個(gè)對(duì)流系統(tǒng)的下游衍生出一個(gè)小的對(duì)流系統(tǒng),模擬暴雨中心的對(duì)流系統(tǒng)在550hPa高度以下仍維持弱的對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié),對(duì)應(yīng)強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動(dòng)(圖3b)。16日15時(shí),兩個(gè)連接在一起的對(duì)流系統(tǒng)開始分離,中間的對(duì)流系統(tǒng)大于0.1g/kg的云水垂直伸展高度有所下降,且中心云水值減弱,其上游和下游的對(duì)流系統(tǒng)云水垂直伸展高度和中心云水值都有所增加,強(qiáng)降水的發(fā)生釋放不穩(wěn)定能量,使得模擬暴雨中心中低層由強(qiáng)不穩(wěn)定層結(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定層結(jié),垂直上升運(yùn)動(dòng)減弱(圖3c)。16日16時(shí),中間的對(duì)流系統(tǒng)云水垂直伸展高度和中心云水值繼續(xù)減小,其上游和下游的對(duì)流系統(tǒng)云水垂直伸展高度和中心云水值繼續(xù)增大,且上游對(duì)流系統(tǒng)的中心云水值增大到1.1g/kg,模擬暴雨中心上空垂直上升運(yùn)動(dòng)減弱,低層仍維持穩(wěn)定層結(jié)(圖3d)。16日17時(shí),中間和上游的對(duì)流系統(tǒng)再次連接在一起,頂高有所降低,其下游的對(duì)流系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)展,垂直上升運(yùn)動(dòng)繼續(xù)減弱,低層維持穩(wěn)定層結(jié)(圖3e),到了18時(shí),中間的云水強(qiáng)度又開始增強(qiáng),兩側(cè)的云水開始衰退(圖3f)。

圖3 16日13時(shí)(a)、14時(shí)(b)、15時(shí)(c)、16時(shí)(d)、17時(shí)(e)、18時(shí)(f)相當(dāng)位溫(等值線,單位:K)、云水(陰影,單位:g/kg)以及垂直環(huán)流沿25.9°N的緯向剖面(圖中黑色陰影為地形)Fig.3 The longitude-height cross section of potential temperature(is oline,units:K),cloud water(shaded area,units:g/kg)and vertical circulation along25.9°N(shaded areas denote terrains)at(a)13:00,(b)14:00,(c)15:00,(d)16:00,(e)17:00,and(f)18:00on June16

從以上分析可以清楚地看出云水的震蕩,呈波狀變化,兩個(gè)主要的MβCSs的相互作用引發(fā)了強(qiáng)降水,最強(qiáng)降水出現(xiàn)前中低層積聚了強(qiáng)對(duì)流不穩(wěn)定能量,對(duì)流不穩(wěn)定能量的釋放觸發(fā)強(qiáng)降水,使得低層的不穩(wěn)定層結(jié)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定層結(jié),之后云水出現(xiàn)了明顯的震蕩現(xiàn)象,中部MβCSs的能量向兩側(cè)頻散,使得其上游和下游的MβCSs發(fā)展壯大,中心降水強(qiáng)度減弱。

3 重力波的判別及其產(chǎn)生條件

3.1 物理量分布特征

從第2節(jié)對(duì)云水結(jié)構(gòu)特征的演變分析中可大致判斷MβCSs強(qiáng)度隨中低層對(duì)流不穩(wěn)定能量的釋放呈現(xiàn)的波狀變化,中低層穩(wěn)定層結(jié)利于重力波的產(chǎn)生和傳播。重力波的存在還可以通過低層渦度散度的平面分布來判斷。從2003年6月16日16時(shí)、17時(shí)700hPa渦度和散度的配置情況(圖4)可以看出,16時(shí)、17時(shí)正渦度和正散度的位置均相差半個(gè)位相差(π/2),渦度零線均正好處于輻合中心。從低層散度場(chǎng)的水平分布看出散度場(chǎng)呈正負(fù)散度相間分布的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu),根據(jù)重力波的結(jié)構(gòu)特征[10]可以判斷重力波的存在。

圖4 2003年6月16日16時(shí)(a,b)、17時(shí)(c,d)700hPa渦度(a,c;單位:10-5s-1)、散度(b,d;單位:10-5s-1)水平分布(圖中貫穿南北的實(shí)線為云南西部邊界,箭頭表示輻合中心)Fig.4 a.the distribution of vorticity at700hPa at16:00;b.the distribution of divergence at700hPa at16:00;c.the distribution of vorticity at700hPa at17:00;d.the distribution of divergence at700hPa at17:00on June16,2003

3.2 理查森數(shù)(Ri)的計(jì)算

一般來說,重力波形成在理查森數(shù)(Ri)小于0.5的穩(wěn)定氣層中[10],因此,大氣有穩(wěn)定層存在時(shí),可以將Ri<0.5作為重力波產(chǎn)生的判據(jù)。理查森數(shù)可表示為[10]

其中:Δp是兩等壓面間的氣壓差;θse是兩等壓面假相當(dāng)位溫的平均值;Δ θse為兩等壓面間假相當(dāng)位溫差;ΔVh為兩等壓面之間的水平風(fēng)速差。利用控制試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算時(shí),取500hPa和700hPa分別代表上下層。

模擬暴雨中心理查森數(shù)(Ri)的計(jì)算數(shù)值結(jié)合云水的變化(圖3)可以看出重力波的產(chǎn)生和傳播及其對(duì)能量的頻散作用。16日15時(shí)以后,對(duì)流不穩(wěn)定能量的釋放使得中低層轉(zhuǎn)為穩(wěn)定層結(jié)(圖3),理查森數(shù)計(jì)算結(jié)果顯示:16日15時(shí),模擬暴雨中心Ri=-1.094 4,小于0.5,云水的垂直結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)明顯的震蕩現(xiàn)象,中間云水強(qiáng)度和厚度減弱,兩側(cè)云水的厚度和高度增強(qiáng)(圖3c),可判斷有重力波的產(chǎn)生;16日16時(shí),模擬暴雨中心處Ri=0.451,小于0.5,對(duì)應(yīng)同時(shí)次云水的垂直結(jié)構(gòu)仍維持明顯的震蕩現(xiàn)象(圖3d);16日17時(shí)模擬暴雨中心處Ri=1.478 1,大于0.5,模擬暴雨中心處不再有重力波產(chǎn)生,云水還有較弱的震蕩現(xiàn)象(圖3e),可以看出重力波向兩側(cè)的傳播;到了18時(shí)模擬暴雨中心Ri=5.584 7,遠(yuǎn)大于0.5,中間和兩側(cè)的云水在強(qiáng)度和厚度上均大幅減弱,震蕩現(xiàn)象不明顯(圖3f),說明重力波在暴雨區(qū)的傳播趨于減弱。

從以上分析可以看出,當(dāng)中低層大氣變?yōu)榉€(wěn)定層結(jié)以后,16日15—16時(shí)模擬暴雨中心處開始有重力波形成,之后重力波快速地向兩側(cè)傳播,云水結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的震蕩現(xiàn)象,僅3h之后,重力波的傳播對(duì)MβCSs能量的頻散效應(yīng)趨于結(jié)束,使得MβCSs快速衰退。

3.3 不穩(wěn)定條件對(duì)重力波傳播的作用分析

重力波常在穩(wěn)定大氣中傳播,而對(duì)流有效位能(CA PE)是指示氣層穩(wěn)定度的一個(gè)較為有效的參數(shù),因此對(duì)CA PE值的計(jì)算也可以判斷氣層是否具備重力波產(chǎn)生和傳播的條件。

圖5 16日12時(shí)低緯高原地區(qū)有效位能的平面分布(單位:J/kg;▲處為實(shí)況最大降水中心)Fig.5 The distribution of CA PE(units:J/kg)at12:00 on June16on low latitude plateau(▲is the precipitation center)

圖6 16日12時(shí)(a)、13時(shí)(b)、14時(shí)(c)模擬的強(qiáng)降水中心上空T-lnp圖Fig.6 Simulated T-lnp graph above heavy precipitation center at(a)12:00,(b)13:00,and(c)14:00on June 16

從16日12時(shí)實(shí)況對(duì)流有效位能(CA PE)的平面分布(圖5)和模擬的強(qiáng)降水中心上空T-lnp圖(圖6)可以看出,模式輸出資料計(jì)算模擬強(qiáng)降水中心上空的CA PE值與實(shí)況降水中心的CA PE值對(duì)應(yīng)較好,16日12時(shí)CA PE值均在600J/kg,因此用模式輸出結(jié)果繪制的T-lnp圖是較為可信的。16日12時(shí),模擬的強(qiáng)降水中心上空CA PE值為598 J/kg,整層相對(duì)濕度(RH)都在75%以上,溫度露點(diǎn)差T-Td的值很小,抬升指數(shù)Li指數(shù)為-2(L i<0),但絕對(duì)值較小(圖6a),大氣處于較弱的濕不穩(wěn)定狀態(tài);到了13時(shí),CA PE值減小為315J/kg,整層相對(duì)濕度(RH)仍在75%以上,T-Td的值仍很小,大氣濕度較大,不穩(wěn)定度略有減小,但L i指數(shù)仍為-1(L i<0),大氣同樣處于弱不穩(wěn)定區(qū)(圖6b);14時(shí),CA PE值減小到25J/kg,整層濕度仍然很大,從700～300hPa高度相對(duì)濕度均在90%以上水汽條件仍然較好,但是Li指數(shù)為0(圖6c),不穩(wěn)定能量大量釋放,大氣變?yōu)橹行詫咏Y(jié),15時(shí)之后,Li大于0,氣層轉(zhuǎn)為穩(wěn)定層結(jié)(圖略)。綜上所述。12—13時(shí)Li都小于0,大氣為弱不穩(wěn)定,不利于重力波的傳播,15時(shí)以后L i大于0,對(duì)流有效位能的大量釋放導(dǎo)致強(qiáng)降水的發(fā)生,大氣隨后變?yōu)榉€(wěn)定層結(jié),利于重力波的產(chǎn)生和傳播,MβCSs主體能量在重力波的傳播作用下快速向兩側(cè)頻散,因此MβCSs在成熟后大約2h的時(shí)間就走向了衰退。不穩(wěn)定能量的快速釋放使得降水強(qiáng)度大、突發(fā)性強(qiáng),然而重力波傳播導(dǎo)致的能量快速頻散使得MβCSs生命史較短,引發(fā)的降水同樣具備歷時(shí)短的特征。

4 地形對(duì)重力波作用的分析

為了研究地形對(duì)重力波的作用,在控制試驗(yàn)的基礎(chǔ)上將低緯高原地形高度減半進(jìn)行地形敏感性試驗(yàn)。用地形敏感試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算(取500hPa和800 hPa分別代表上下層)在1h降水最大的15時(shí)、16時(shí)的理查森數(shù),15時(shí)模擬強(qiáng)降水中心Ri=0.558 5,大于0.5,16時(shí)Ri=2.152 5,遠(yuǎn)大于0.5;同時(shí)計(jì)算對(duì)流有效位能數(shù)值(表1),從計(jì)算結(jié)果看出,12時(shí)強(qiáng)降水中心上空CA PE值達(dá)到了2 051J/kg,13時(shí)減小到1 807J/kg,但仍然較大,到了14時(shí)減小到414J/kg,對(duì)流不穩(wěn)定能量開始緩慢釋放,之前大氣始終維持不穩(wěn)定狀態(tài)。從云水緯向垂直結(jié)構(gòu)的演變(圖7)也可以看出,地形高度減半后,模擬強(qiáng)降水中心中低層從最強(qiáng)降水發(fā)生前的的13時(shí)到強(qiáng)降水結(jié)束后的17時(shí)始終維持對(duì)流不穩(wěn)定,并且Ri始終大于0.5,這樣的條件不利于重力波的產(chǎn)生和傳播,在這段時(shí)間內(nèi)云水在緯向上沒有出現(xiàn)明顯的震蕩現(xiàn)象,并且降水強(qiáng)度有顯著增加,12h累積雨量高達(dá)200mm以上(圖略),表明地形高度減半后大氣維持不穩(wěn)定層結(jié)的時(shí)間延長,不利于重力波的產(chǎn)生和傳播,能量不易向外頻散,MβCSs主體得以維持并發(fā)展,使得強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間得以延長,降水強(qiáng)度增加。由此可以看出地形對(duì)重力波的產(chǎn)生傳播和MβCSs地域特征的形成有著較為重要的作用。

圖7 6月16日地形敏感性試驗(yàn)相當(dāng)位溫(等值線,單位:K)、云水(陰影,單位:g/kg)、垂直環(huán)流沿25.95°N的緯向垂直剖面(圖中黑色陰影為地形) a.13時(shí);b.15時(shí);c.16時(shí);d.17時(shí)Fig.7 The longitude-height cross section of potential temperature(isoline,units:K),cloud water(shaded area,units:g/kg)and vertical circulation along25.95°N(shaded areas denote terrains)by terrain sensitivity experim ent at(a)13:00,(b)15:00,(c)16:00,and(d)17:00on June16

表1 控制試驗(yàn)和地形敏感性試驗(yàn)對(duì)流有效位能隨時(shí)間的變化Table1 The hourly changing of CAPE by control experiment and terrain sensitivity experimentJ/kg

5 結(jié)論

(1)本次強(qiáng)降水由MβCSs引發(fā),強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)段有兩個(gè)主要的對(duì)流系統(tǒng)相互作用,強(qiáng)降水發(fā)生前,低層相當(dāng)位溫梯度較大,表明低層蓄積了較大的不穩(wěn)定能量,強(qiáng)不穩(wěn)定能量的釋放觸發(fā)強(qiáng)降水,隨著降水的發(fā)生,模擬暴雨中心低層不穩(wěn)定能量釋放,氣層變?yōu)榉€(wěn)定層結(jié),主體MβCSs云水的強(qiáng)度減弱,其兩側(cè)的云水強(qiáng)度增加,表明MβCSs能量向外頻散。

(2)中低層大氣變?yōu)榉€(wěn)定層結(jié)后云水呈現(xiàn)波狀震蕩現(xiàn)象,渦度中心和散度中心的位置相差半個(gè)位相差,渦度零線正好位于輻合中心,可綜合判斷重力波的存在。

(3)當(dāng)中低層大氣轉(zhuǎn)為穩(wěn)定層結(jié)后,在模擬暴雨中心Ri小于0.5的時(shí)段內(nèi),對(duì)應(yīng)時(shí)次云水垂直結(jié)構(gòu)有明顯的震蕩現(xiàn)象,可判斷重力波的產(chǎn)生和傳播,而Ri遠(yuǎn)大于0.5的時(shí)候,云水的震蕩現(xiàn)象表現(xiàn)不明顯,重力波在暴雨區(qū)的傳播趨于減弱。

(4)對(duì)流有效位能的大量釋放導(dǎo)致強(qiáng)降水的發(fā)生,大氣隨后變?yōu)榉€(wěn)定層結(jié),利于重力波的傳播,MβCSs主體能量在重力波的傳播作用下快速向兩側(cè)頻散,因此MβCSs在成熟后大約2h的時(shí)間就走向衰退。不穩(wěn)定能量的快速釋放使得降水強(qiáng)度大、突發(fā)性強(qiáng),然而重力波傳播導(dǎo)致的能量快速頻散使得MβCSs生命史較短,引發(fā)的降水同樣具備歷時(shí)短的特征。

(5)地形高度減半后對(duì)流不穩(wěn)定能量加大,大氣不穩(wěn)定層結(jié)維持時(shí)間延長,降水增強(qiáng),MβCSs云水結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)向兩側(cè)增強(qiáng)的現(xiàn)象,說明大氣的較強(qiáng)不穩(wěn)定狀態(tài)不利于重力波的產(chǎn)生和傳播。低緯高原海拔高度較高,地形的原因使得不穩(wěn)定能量維持時(shí)間較短,釋放較快,大氣很快由不穩(wěn)定轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定層結(jié),利于重力波的產(chǎn)生和傳播,使得MβCSs主體能量快速頻散,因此地形對(duì)低緯高原地區(qū)重力波的產(chǎn)生傳播起著重要的作用,同時(shí)也是低緯高原地區(qū)降水突發(fā)性強(qiáng)、歷時(shí)短的主要原因。

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Relationship between Gravity Wave and MβCSs's Local Features on Low Latitude Plateau

ZHU Li1,2,DING Zhi-ying2,ZHANG Teng-fei1,LIHua-hong1

(1.Yunnan Meteorological Observatory,Kunming 650034,China;2.School of Atmospheric Sciences,NUIST,Nanjing 210044,China)

MM5(V3.6)was used to make numerical modeling on a heavy storm rainfall event which occurred on low latitude plateau in June 2003.Terrain sensitivity experiment was carried out to study the reasons of MβCSs's structure features on low latitude plateau by using Gravity Wave theory.The result show s that stable stratification is beneficial for gravity wave's growing and spreading,and the spreading of gravity w ave leads to rapid dispersing of energy,which wakens the main part of MβCSs and produces new MβCSs around.Thus,precipitation is promptly weakened.Terrain sensitivity exper im ent reveals that the terrain of low latitude plateau makes strong unstable energy release rapidly,which attributes to heavy precipitation.Thus,the at mosp here changes to stable stratification,which is beneficial for Gravity Wave's rapidsp reading and the rapid dispersing of main part of MβCSs.Therefore,on low latitude of plateau,the MβCSs which contribute to storm rainfall have short life-time,and the storm rainfall breaks out intensively in a short time.

gravity wave;MβCSs's local features;numerical modeling;orographic effect

P458.2

A

1674-7097(2010)05-0561-08

2009-01-05;改回日期:2009-02-26

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40975037);云南省社會(huì)發(fā)展科技計(jì)劃(2009CA014);NSFC-云南聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目(U0933603)

朱莉(1981—),女,云南大理人,碩士,工程師,研究方向?yàn)橹谐叨忍鞖鈩?dòng)力學(xué)、中尺度數(shù)值模擬,julia_11301011@163.com.

朱莉,丁治英,張騰飛,等.重力波與低緯高原地區(qū)MβCSs地域特征的關(guān)系[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),2010,33(5):561-568.

Zhu L i,D ing Zhi-ying,Zhang Teng-fei,et al.Relationship between gravity wave and MβCSs's local features on low latitude plateau[J].Trans A tmos Sci,2010,33(5):561-568.

(責(zé)任編輯:劉菲)