副熱帶高空急流的非地轉(zhuǎn)平衡特征

元慧慧，鐘中，李杰，鄭紅蓮，張春華

(1.中國(guó)人民解放軍61741部隊(duì)，北京100081;2.解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院，江蘇南京211101)

0 引言

副熱帶西風(fēng)急流是東亞環(huán)流系統(tǒng)的重要成員，常年在我國(guó)中緯度地區(qū)上空活動(dòng)，與季風(fēng)變異、寒潮、鋒面以及我國(guó)東部降水均有著密切的關(guān)系。很多研究都表明東亞大氣環(huán)流的季節(jié)轉(zhuǎn)換、季風(fēng)區(qū)雨季的開始和結(jié)束都與西風(fēng)急流位置及其南北移動(dòng)和強(qiáng)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(diào)整有關(guān)(陶詩(shī)言等，1958;Chang et al.，2002;黃興春和江靜，2008)，而地轉(zhuǎn)適應(yīng)是其本質(zhì)。按照地轉(zhuǎn)適應(yīng)理論，實(shí)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(zhuǎn)適應(yīng)狀態(tài)的發(fā)展演變過程，是由非地轉(zhuǎn)平衡狀態(tài)向地轉(zhuǎn)平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過程，即在這個(gè)過程中非地轉(zhuǎn)平衡氣流是驅(qū)動(dòng)大氣運(yùn)動(dòng)尤其是中緯度大氣運(yùn)動(dòng)的源動(dòng)力。高空急流非地轉(zhuǎn)所造成的適應(yīng)過程在對(duì)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(gè)角度來看，加深對(duì)高空急流的非地轉(zhuǎn)平衡問題的認(rèn)識(shí)不僅具有理論意義，而且還具有重要的實(shí)際意義，它對(duì)我們分析理解一些天氣現(xiàn)象的產(chǎn)生和發(fā)展都是十分重要的。

隨著近年來中尺度氣象學(xué)的研究和中尺度模式的不斷完善，為研究急流強(qiáng)度變化過程中的非地轉(zhuǎn)平衡運(yùn)動(dòng)提供了條件。Fritts and Luo(1992)利用一個(gè)二維模式討論了急流附近在地轉(zhuǎn)適應(yīng)過程中激發(fā)出來的重力波特征，指出急流附近非地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是重力慣性波的一個(gè)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(diào)整后的地轉(zhuǎn)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(duì)急流強(qiáng)度變化過程中的中尺度數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行診斷分析，揭示了高空急流非地轉(zhuǎn)平衡特征，并探討了急流非地轉(zhuǎn)性與中尺度暴雨的關(guān)系。

1 數(shù)值模擬

1.1 方案設(shè)計(jì)

模擬選用NCEP/NCAR再分析資料(1°×1°)作為初始場(chǎng)和邊界條件，利用第3版MM5模式對(duì)高空急流區(qū)進(jìn)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(biāo)，共有不等距的29層。對(duì)“03.7”江淮暴雨過程中最強(qiáng)的一次降水過程進(jìn)行模擬，時(shí)間為2003年7月4日12時(shí)—7月6日12時(shí)(世界時(shí)，下同)，共積分48 h，積分步長(zhǎng)為60 s，側(cè)邊界每6 h更換一次，每10 min輸出一次積分結(jié)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(cè)邊界采用松弛邊界條件的指數(shù)方案。對(duì)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(yàn)

使用NCEP/NCAR再分析格點(diǎn)資料(1°×1°)和GPCP降水資料(1°×1°)作為觀測(cè)資料與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。NCEP/NCAR資料與模擬場(chǎng)在各等壓面上的風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)、高度場(chǎng)之間的相關(guān)系數(shù)隨著模擬時(shí)間的增加略有下降，但大多都在0.8以上?？傮w看來，模擬結(jié)果與檢驗(yàn)資料相關(guān)較好，位勢(shì)高度場(chǎng)相關(guān)最好，相關(guān)系數(shù)在0.95以上，高層緯向風(fēng)分布形勢(shì)的模擬好于中低層，中低層溫度分布形勢(shì)的模擬比高層好，中層經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)的模擬比高層和低層好。

由積分48 h的模擬場(chǎng)與NCEP/NCAR資料做對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，模式很好地模擬出了200 hPa急流區(qū)的風(fēng)場(chǎng)(圖1a、b)，與實(shí)況相比，模擬場(chǎng)中的風(fēng)速等值線平滑中存在小擾動(dòng)，可見與光滑的NCEP/NCAR再分析場(chǎng)相比，MM5模式可以更細(xì)致地反映大氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這也是高分辨率模擬的優(yōu)勢(shì)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(guó)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(qiáng)度變化的非地轉(zhuǎn)特征診斷

2.1 非地轉(zhuǎn)特征與急流強(qiáng)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(fēng)的非地轉(zhuǎn)分量。對(duì)于副熱帶高空急流來說，起作用的主要是－f▽2Va項(xiàng)，因此，高始增大。這說明偏差風(fēng)對(duì)急流的強(qiáng)度變化及其程度均有一定的指示性，地轉(zhuǎn)偏差與急流短期強(qiáng)度的變化有密切的聯(lián)系。

48 h急流強(qiáng)度呈如圖2所示的振蕩變化趨勢(shì)，在此選取一個(gè)急流增強(qiáng)的短期過程:7月6日01—06時(shí)作為討論對(duì)象。圖3為7月6日01—06時(shí)平均非地轉(zhuǎn)風(fēng)分布，可見，急流區(qū)內(nèi)(30 m/s等風(fēng)速線以內(nèi))基本為平均非地轉(zhuǎn)風(fēng)的正值區(qū)，最大值區(qū)域位于急流中心北側(cè)，主要的負(fù)值區(qū)位于急流入口區(qū)附近。急流核南側(cè)非地轉(zhuǎn)風(fēng)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(zhuǎn)性很小。

2.2 非地轉(zhuǎn)平衡分析

從非地轉(zhuǎn)的本質(zhì)上說，它是由地轉(zhuǎn)平衡被破壞后而產(chǎn)生的一種實(shí)際風(fēng)速超過地轉(zhuǎn)風(fēng)的現(xiàn)象。它反映了大氣環(huán)流中風(fēng)壓場(chǎng)的一種相互適應(yīng)的過程，而這種地轉(zhuǎn)適應(yīng)過程是高空急流建立和發(fā)展的一個(gè)根本的動(dòng)力機(jī)制。下面將針對(duì)高空急流的非地轉(zhuǎn)風(fēng)渦度水平分布特征及其垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

圖4為7月6日01—06時(shí)200 hPa急流區(qū)域非地轉(zhuǎn)風(fēng)渦度水平分布。由01—06時(shí)平均非地轉(zhuǎn)風(fēng)渦度分布(圖4g)可見，非地轉(zhuǎn)風(fēng)渦度的分布并不簡(jiǎn)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(fù)相間。這些中尺度渦度極值區(qū)主要集中于3個(gè)區(qū)域:太行山脈、長(zhǎng)白山脈以及日本本州島。與地形(圖4h)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，這3個(gè)區(qū)域均對(duì)應(yīng)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(zhuǎn)渦度大值區(qū)與中尺度地形對(duì)應(yīng)相關(guān)。在5 h急流增強(qiáng)的過程中，位于太行山脈和本州島上空的非地轉(zhuǎn)渦度極值區(qū)范圍和強(qiáng)度不斷擴(kuò)大，長(zhǎng)白山脈上空的非地轉(zhuǎn)渦度極值區(qū)范圍和強(qiáng)度不斷減小(圖略)。

結(jié)合01—06時(shí)降水量分布(圖5a)和累計(jì)降水量分布(圖5b)可見，位于朝鮮半島以南的強(qiáng)降雨帶位于急流核的南側(cè)，但是與高空非地轉(zhuǎn)風(fēng)渦度的極值區(qū)沒有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。然而太行山脈附近和東北的兩個(gè)中尺度降水區(qū)分別與兩個(gè)非地轉(zhuǎn)風(fēng)渦度極值密集區(qū)相對(duì)應(yīng)，日本島上空的渦度極值區(qū)與降水沒有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。01—06時(shí)太行山上空非地轉(zhuǎn)渦度增強(qiáng)迅速(圖4a—f)，相對(duì)應(yīng)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(dá)到30 mm。長(zhǎng)白山附近上空的非地轉(zhuǎn)渦度在此段時(shí)間內(nèi)明顯減小，因此地面沒有明顯降水，但是累計(jì)降水量較大(圖5b)，這正說明非地轉(zhuǎn)渦度的變化與中尺度降水關(guān)系密切。

圖3 7月6日01:00—06:00的平均非地轉(zhuǎn)風(fēng)(陰影區(qū))、非地轉(zhuǎn)風(fēng)風(fēng)矢量(等值線為平均緯向風(fēng)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(zhuǎn)風(fēng)場(chǎng)和非地轉(zhuǎn)風(fēng)渦度場(chǎng)(a.01時(shí);b.02時(shí);c.03時(shí);d.04時(shí);e.05時(shí);f.06時(shí);g.01—06時(shí)的平均;等值線為非地轉(zhuǎn)風(fēng)場(chǎng)，單位:m/s;陰影為渦度場(chǎng)，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(shí)降水量(a)和7月6日06時(shí)累計(jì)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(jié)論

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

1)急流區(qū)為非地轉(zhuǎn)風(fēng)的正值區(qū)，最大值區(qū)域位于急流中心北側(cè)，主要的負(fù)值區(qū)位于急流入口區(qū)附近。急流核南側(cè)非地轉(zhuǎn)風(fēng)呈反氣旋式切變，入口區(qū)呈反氣旋式切變，入口區(qū)北側(cè)和出口區(qū)北側(cè)有弱氣旋式切變。

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

3)非地轉(zhuǎn)風(fēng)渦度的分布不是簡(jiǎn)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(fù)相間。這些中尺度渦度極值區(qū)主要集中于3個(gè)區(qū)域:太行山脈、長(zhǎng)白山脈以及日本本州島。這3個(gè)區(qū)域均對(duì)應(yīng)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(zhuǎn)渦度大值區(qū)與中尺度地形相對(duì)應(yīng)。中尺度降水區(qū)與非地轉(zhuǎn)風(fēng)渦度極值密集區(qū)相對(duì)應(yīng)。

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