加熱和水汽對(duì)兩例高原低渦影響的數(shù)值試驗(yàn)

宋雯雯 李國平 唐錢奎

1 成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院，高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610225

2 中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081

3 成都市氣象局，成都 610071

加熱和水汽對(duì)兩例高原低渦影響的數(shù)值試驗(yàn)

宋雯雯1，2李國平1，2唐錢奎3

1 成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院，高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610225

2 中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081

3 成都市氣象局，成都 610071

利用衛(wèi)星黑體亮度溫度 （TBB）資料、NCEP 1°×1°再分析資料以及中尺度非靜力平衡模式MM5，對(duì)2005年7月28～29日和2009年7月29～31日兩次高原低渦過程進(jìn)行了控制試驗(yàn)以及絕熱、無地表感熱、地表感熱加倍、無蒸發(fā)效應(yīng)、無凝結(jié)潛熱、無水汽等六組敏感性試驗(yàn)，著重討論了2005年7月28～29日高原低渦發(fā)生、發(fā)展及結(jié)構(gòu)特征演變。結(jié)果表明：控制試驗(yàn)?zāi)M出的500hPa低渦中心位置和低渦結(jié)構(gòu)與實(shí)況基本吻合。絕熱條件對(duì)低渦形成、發(fā)展及結(jié)構(gòu)變化的影響最為顯著；凝結(jié)潛熱、水汽對(duì)低渦的形成不具有決定性影響，但對(duì)低渦的維持以及結(jié)構(gòu)特征演變起關(guān)鍵作用；地表蒸發(fā)潛熱對(duì)低渦的發(fā)展有一定影響，無地表蒸發(fā)潛熱使低渦的強(qiáng)度略有減弱；地表感熱對(duì)低渦的影響因個(gè)例不同而有所差異，并且在低渦的不同發(fā)展階段也不盡相同，另外還與低渦發(fā)展階段是在白天還是夜晚有關(guān)。

高原低渦 數(shù)值試驗(yàn) 加熱 水汽 結(jié)構(gòu) 影響

1 引言

高原低渦是夏季高原500hPa上的主要降水系統(tǒng)之一，它一般在高原上生消，但在有利的環(huán)流形勢(shì)配合下也可東移，影響高原鄰近地區(qū)的降水 （錢正安等，1984）。對(duì)高原低渦及其數(shù)值試驗(yàn)已有不少研究 （羅四維等，1991；丁治英等，1994；李國平等，2002；李國平和徐琪，2005；黃楚惠和李國平，2009；屠妮妮和何光碧，2010）。喬全明和張雅高（1994）指出盛夏時(shí)高原低渦的云型與海洋上熱帶氣旋非常類似，螺旋結(jié)構(gòu)十分明顯。李國平和蔣靜（2000）利用相平面分析法，得到兩類有意義的孤立波解，并且重點(diǎn)分析了一類具有間斷點(diǎn)的奇異孤立波解的特征，從理論上論證了高原低渦具有的渦眼（或稱之為空心）和暖心結(jié)構(gòu)。在高原低渦的數(shù)值模擬中，丁治英和呂君寧 （1990）利用原始方程模式模擬了一次高原低渦東移過程，發(fā)現(xiàn)非絕熱因子只影響高原低渦的強(qiáng)度，其中輻射加熱對(duì)高原低渦強(qiáng)度影響最大。羅四維和楊洋 （1992）利用中尺度模式MM4對(duì)一次高原低渦的生成發(fā)展過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，指出這次低渦主要由非絕熱過程引起的，而動(dòng)力過程是次要的；在非絕熱過程中，地表感熱通量的貢獻(xiàn)最大。陳伯民和錢正安（1995）利用一有限區(qū)域模式，通過綜合訂正初始風(fēng)場(chǎng)和相對(duì)濕度場(chǎng)，改進(jìn)模式的物理過程，對(duì)低渦降水過程進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明改進(jìn)后模式可明顯改善高原地區(qū)的降水預(yù)報(bào)。陳伯民等 （1996）利用一有限區(qū)域模式對(duì)三例高原低渦過程設(shè)計(jì)了10組試驗(yàn)方案，指出高原低渦是強(qiáng)烈依賴于青藏高原地形，同時(shí)又受層結(jié)穩(wěn)定度、地面熱通量和凝結(jié)潛熱控制的局地性低壓渦旋。Dell'osso and Chen（1986）、Shen et al.（1986a）的模式試驗(yàn)都顯示了潛熱對(duì)低渦發(fā)展的重要性。Wang（1987）利用GFDL中尺度有限區(qū)域模式研究了1979年夏季造成暴雨的2個(gè)暖性高原低渦個(gè)例，以及低渦發(fā)展的垂直結(jié)構(gòu)特征和成熟階段有利于低渦東移的環(huán)流條件，提出了青藏高原暖性低渦發(fā)展的一種機(jī)制。Chang et al.（1998）用數(shù)值模式模擬了邊界層和非絕熱加熱對(duì)移出青藏高原后迅速發(fā)展的低渦的作用。但已有的對(duì)高原低渦的數(shù)值試驗(yàn)主要集中在低渦形成和發(fā)展的條件，對(duì)低渦內(nèi)部特殊結(jié)構(gòu) （渦眼等）還沒有較仔細(xì)的研究，并且所選個(gè)例年代較久遠(yuǎn)，所用模式也有較大局限性。

本文利用美國賓夕法尼亞州立大學(xué) （PSU）和美國國家大氣研究中心 （NCAR）聯(lián)合開發(fā)的中尺度非靜力平衡模式MM5，在模式原有控制試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了6組敏感性試驗(yàn)，通過對(duì)比控制試驗(yàn)與敏感性試驗(yàn)的差異，對(duì)2005年7月28～29日（以下簡(jiǎn)稱個(gè)例1）和2009年7月29～31日 （以下簡(jiǎn)稱個(gè)例2）的兩次高原低渦過程進(jìn)行研究，著重討論了2005年7月28～29日高原低渦的發(fā)生、發(fā)展以及結(jié)構(gòu)特征演變。

2 天氣過程和黑體亮度溫度資料分析

2.1 個(gè)例1

2005年7月28日18時(shí) （協(xié)調(diào)世界時(shí)，下同），500hPa上在89°E和35°N處高度場(chǎng)已有一閉合的低值中心，在低值區(qū)出現(xiàn)了南風(fēng)和西北風(fēng)的弱切變，隨后低渦開始發(fā)展。29日00時(shí)，低值中心移到90°E和35°N，低值區(qū)等高線已不閉合，成為一低槽。此低渦過程生命史較短，在高原上生消，系統(tǒng)淺薄，在低渦發(fā)展過程中并未出現(xiàn)降水。

由FY－2C氣象衛(wèi)星反演得到的1小時(shí)間隔的黑體亮度溫度 （簡(jiǎn)稱TBB）資料分析可知 （圖1），28日21時(shí)，高原低渦對(duì)流云團(tuán)發(fā)展強(qiáng)烈；22時(shí)，對(duì)流云團(tuán)繼續(xù)發(fā)展，云帶呈現(xiàn)一定的螺旋狀結(jié)構(gòu)；23時(shí)，低渦中心出現(xiàn)了一個(gè)少云區(qū)，即渦心出現(xiàn)了與熱帶氣旋類低渦類似的渦眼結(jié)構(gòu)；29日02時(shí)，渦眼結(jié)構(gòu)和云帶螺旋結(jié)構(gòu)減弱消失。

2.2 個(gè)例2

2009年7月29日00時(shí)，在高原西部改則地區(qū)附近有一高原低渦生成。隨后，高原低渦東移，29日12時(shí)，低渦東移至高原中部。30日00時(shí)，低渦移出高原。31日00時(shí)，低渦轉(zhuǎn)變?yōu)橐粶\槽。此低渦生命史較長(zhǎng)，東移出高原后造成四川盆地暴雨過程。

由TBB資料分析可知（圖略），29日10時(shí)，在高原上已有明顯的對(duì)流云團(tuán)出現(xiàn)，12時(shí)，對(duì)流云團(tuán)呈現(xiàn)螺旋狀結(jié)構(gòu)，而云團(tuán)中心有一個(gè)無云區(qū)，即低渦中心出現(xiàn)渦眼 （空心）結(jié)構(gòu)；13時(shí)，渦眼范圍變大，云帶的螺旋結(jié)構(gòu)減弱；18時(shí)，對(duì)流云團(tuán)向東發(fā)展，渦眼結(jié)構(gòu)消失。

圖1 2005年7月28～29日FY－2CTBB的空間分布 （單位：℃）：（a）28日21時(shí)；（b）28日22時(shí)；（c）28日23時(shí)；（d）29日02時(shí)Fig.1 Space distribution of FY－2CTBB（Temperature of Brightness Blackbody）from 28to 29Jul 2005（units：℃）：（a）2100UTC on 28 Jul；（b）2200UTC on 28Jul；（c）2300UTC on 28Jul；（d）0200UTC on 29Jul

3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

利用中尺度氣象模式MM5對(duì)兩次高原低渦過程進(jìn)行數(shù)值模擬。個(gè)例1模擬采用雙向二重嵌套，模式區(qū)域中心位置為 （35°N，90°E），母區(qū)域格點(diǎn)數(shù)為100×100，水平分辨率為30km，子區(qū)域格點(diǎn)數(shù)為145×145，水平分辨率為10km。模式垂直方向?yàn)椴坏染?0層，頂層氣壓為100hPa。模式中采用的物理過程方案有：簡(jiǎn)單冰顯示方案、Grell積云對(duì)流參數(shù)化方案、Eta邊界層方案、CCM2輻射方案。內(nèi)外兩個(gè)模擬區(qū)域采用的方案完全相同。模式使用NCEP每6小時(shí)一次的1°×1°再分析資料作為初始場(chǎng)及側(cè)邊界條件。模擬的初始時(shí)刻為2005年7月28日12時(shí)，共積分24小時(shí)。

個(gè)例2模式區(qū)域中心位置為 （35°N，92°E），也是采取雙重嵌套的高分辨率網(wǎng)格區(qū)域，母區(qū)域水平分辨率為30km，有160×160個(gè)格點(diǎn)，子區(qū)域水平分辨率為10km，有250×250個(gè)格點(diǎn)。模式采用的物理過程方案同個(gè)例1。模擬的初始時(shí)刻為2009年7月29日00時(shí)，共積分67小時(shí)。文中主要針對(duì)個(gè)例2從初生到剛移出高原這一階段進(jìn)行分析。

本文著重分析母區(qū)域的結(jié)果。為了進(jìn)一步探討非絕熱加熱以及水汽等對(duì)高原低渦形成發(fā)展以及結(jié)構(gòu)演變特征的作用，設(shè)計(jì)了以下數(shù)值試驗(yàn)方案。

試驗(yàn)1（控制試驗(yàn)）：模式中包含所有物理過程，反映了模式對(duì)此高原低渦的模擬能力。此后的試驗(yàn)都是以控制試驗(yàn)為基礎(chǔ)，改變某一部分并與它做對(duì)比。

試驗(yàn)2（絕熱）：模擬過程中是絕熱的，即不考慮非絕熱加熱的作用，其余同試驗(yàn)1。

試驗(yàn)3（無地面感熱）：不考慮模式中的地面感熱通量，其余同試驗(yàn)1。

試驗(yàn)4（地面感熱加倍）：將模式中的地面感熱通量加倍，其余同試驗(yàn)1。

試驗(yàn)5（無蒸發(fā)效應(yīng)）：除去試驗(yàn)1中的地面潛熱通量，其余不變。

試驗(yàn)6（無凝結(jié)潛熱）：不考慮模式中的凝結(jié)潛熱的作用，其余同試驗(yàn)1。

試驗(yàn)7（無水汽）：模擬過程中不考慮水汽的作用，其余同試驗(yàn)1。

各模擬試驗(yàn)方案總結(jié)如表1所示。

表1 模擬試驗(yàn)方案總結(jié)Table 1 Summary of simulation experiment scheme

圖2 2005年7月29日00時(shí)500hPa流場(chǎng)：（a）實(shí)況；（b）模擬Fig.2 Flow field at 500hPa at 0000UTC 29Jul 2005：（a）Observation；（b）simulation

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 控制試驗(yàn)

從控制試驗(yàn)?zāi)M的個(gè)例1中7月29日00時(shí)500hPa流場(chǎng)與實(shí)況流場(chǎng)的對(duì)比圖 （圖2）可以看出，模式成功地模擬出了本次高原低渦，且低渦位置與實(shí)況基本吻合，模擬的氣旋性環(huán)流中心位置也與實(shí)況非常接近。

同時(shí)，模式對(duì)低渦結(jié)構(gòu)的模擬也與實(shí)況基本吻合。圖3為7月29日00時(shí)渦度沿90°E的經(jīng)向垂直剖面。從實(shí)況中可知，低渦中心有一略向北伸展的正渦度柱，高度伸展到350hPa，正渦度柱中心值為6×10－5s－1。模式較好地模擬出了這個(gè)正渦度柱，但高度只伸展到300hPa，且中心值達(dá)到9×10－5s－1，略大于實(shí)況。

對(duì)比個(gè)例2中渦度場(chǎng) （圖4）與流場(chǎng) （圖略）的實(shí)況與模擬圖，發(fā)現(xiàn)模式對(duì)低渦的形成以及結(jié)構(gòu)特征等都模擬得較好。

從整體上看，控制試驗(yàn)較好地模擬出了兩次高原低渦過程，因此可用控制試驗(yàn)結(jié)果作為參考，來對(duì)比分析控制試驗(yàn)與敏感性試驗(yàn)的差異，進(jìn)而探討影響高原低渦結(jié)構(gòu)特征變化的因子。

4.2 絕熱條件的影響

為了揭示絕熱條件對(duì)高原低渦發(fā)生發(fā)展以及結(jié)構(gòu)特征演變的影響，我們?cè)O(shè)計(jì)了試驗(yàn)2。此敏感性試驗(yàn)與控制試驗(yàn)的差異可認(rèn)為是由絕熱條件引起的。

個(gè)例1中，從控制試驗(yàn)?zāi)M的500hPa流場(chǎng)可以看出 （圖略），7月28日18時(shí)，（34°N，88°E）已有氣旋性環(huán)流生成，形成渦旋結(jié)構(gòu)，隨后氣旋性環(huán)流略向東北移。28日23時(shí)，閉合環(huán)流中心移到（35°N，90°E），29日02時(shí)，氣旋性環(huán)流趨于減弱消失。試驗(yàn)2中，不考慮加熱作用后，一直未能形成閉合環(huán)流中心，這說明加熱作用對(duì)低渦的形成和發(fā)展有非常重要的作用。

控制試驗(yàn)與絕熱試驗(yàn)的渦度、散度差異可以更清楚地反映出加熱對(duì)低渦動(dòng)力結(jié)構(gòu)的影響?？刂圃囼?yàn)中，低渦形成初期，渦區(qū)450hPa以下為正渦度區(qū)，450hPa以上為負(fù)渦度區(qū)，而渦心偏北的36°N正渦度柱伸展高度達(dá)400hPa，中心值為9×10－5s－1；到了28日23時(shí)，即低渦的成熟階段，渦區(qū)正渦度柱迅速發(fā)展，伸展高度達(dá)到了300hPa，正渦度中心位于400hPa，中心值增加到15×10－5s－1（圖5a）。從散度場(chǎng)看，低渦形成初期，渦區(qū)南側(cè)為輻散，北側(cè)為輻合，輻散中心位于300hPa，輻合中心位于400hPa；低渦成熟階段，輻散區(qū)向北移，在35.5°N發(fā)展為一個(gè)高度伸展到200hPa的狹窄帶，而渦區(qū)北側(cè)的輻合區(qū)中心值增加到20×10－5s－1（圖6a）。

圖3 2005年7月29日00時(shí)沿90°E的渦度場(chǎng)垂直剖面 （單位：10－5s－1）：（a）實(shí)況；（b）模擬Fig.3 Vertical cross section of vorticity field along 90°E at 0000UTC 29Jul 2005（units：10－5s－1）：（a）Observation；（b）simulation

圖4 2009年7月30日00時(shí)沿102°E的渦度場(chǎng)垂直剖面，其余同圖3Fig.4 Same as Fig.3，but for vorticity field along 102°E at 0000UTC 30Jul 2009

絕熱過程中，低渦形成初期，雖然渦區(qū)在450hPa以下仍然為正渦度區(qū)，但范圍遠(yuǎn)小于控制實(shí)驗(yàn)，450hPa以上負(fù)渦度值也遠(yuǎn)小于控制實(shí)驗(yàn)；從散度場(chǎng)上看，渦區(qū)低層和高層輻合，中層輻散，散度值明顯減小，強(qiáng)度變?nèi)?，最大輻合值和輻散值僅為－4×10－5s－1和4×10－5s－1。低渦成熟階段，渦區(qū)的正渦度柱幾乎消失，整層都被負(fù)渦度控制 （圖5b），散度場(chǎng)上也基本為輻散 （圖6b）。

從控制試驗(yàn)給出的低渦成熟階段渦心處 （90°E和35°N）400～300hPa平均垂直速度的時(shí)間剖面圖 （圖7a）可知，渦心處20：30開始出現(xiàn)下沉氣流，下沉氣流一直維持到23時(shí)，與衛(wèi)星TBB資料揭示的高原低渦的渦眼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)時(shí)段基本相符。而從28日23時(shí)垂直速度的緯向剖面也可看出 （圖略），渦心從低層到高層均為下沉運(yùn)動(dòng)，高度幾乎伸展到200hPa，下沉中心位于300hPa，達(dá)到－4×10－2m／s，而渦心四周為上升運(yùn)動(dòng)。渦心的垂直結(jié)構(gòu)分布與動(dòng)力學(xué)理論分析得到的高原低渦結(jié)構(gòu)特征 （李國平和蔣靜，2000）也基本相符，即渦眼處為下沉運(yùn)動(dòng)。在絕熱過程中 （圖7b），渦心垂直速度僅在21時(shí)至22時(shí)短暫地出現(xiàn)了下沉運(yùn)動(dòng)，下沉運(yùn)動(dòng)最大值僅為－2.5×10－2m／s。

圖5 2005年7月28日23時(shí)沿90°E的渦度場(chǎng)剖面圖 （單位：10－5s－1）：（a）試驗(yàn)1；（b）試驗(yàn)2；（c）試驗(yàn)3；（d）試驗(yàn)4；（e）試驗(yàn)5；（f）試驗(yàn)6；（g）試驗(yàn)7Fig.5 The cross section of vorticity field through 90°E at 2300UTC 28Jul 2005（units：10－5s－1）：（a）Experiment 1；（b）experiment 2；（c）experiment 3；（d）experiment 4；（e）experiment 5；（f）experiment 6；（g）experiment 7

圖8給出了7月28日23時(shí)沿35°N的500～300hPa平均溫度場(chǎng)分布?？刂圃囼?yàn)中 （圖8a），渦心區(qū)域的溫度高于四周，具有暖心結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)2中（圖8b）雖然也呈現(xiàn)出暖心狀態(tài)，但渦心區(qū)域最高溫度僅為－11.3℃，低于試驗(yàn)1。

絕熱條件下，個(gè)例2中高原低渦也一直未形成（圖略）。以上分析反過來說明，非絕熱加熱不僅對(duì)低渦的生成和發(fā)展有重要影響，同時(shí)對(duì)低渦渦眼結(jié)構(gòu)的形成也有重要作用。

圖6 同圖5，但為散度場(chǎng)Fig.6 The same as Fig.5，but for divergence field

4.3 地面感熱的影響

圖9給出了個(gè)例1渦區(qū)平均的地面感熱通量和潛熱通量的時(shí)間剖面圖，由圖可見，在整個(gè)低渦發(fā)展過程中，由于是在夜晚，地表熱通量很小，地面感熱通量幾乎為零，偶爾甚至出現(xiàn)負(fù)值 （即大氣加熱地面）。而29日00時(shí)以后，地面感熱通量才迅速增大。地表潛熱通量與感熱通量變化基本一致。而個(gè)例2中 （圖10），7月29日00時(shí)～12時(shí)為低渦形成和發(fā)展階段，感熱通量和潛熱通量都較大。

為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)地面感熱對(duì)高原低渦結(jié)構(gòu)特征的作用，試驗(yàn)3去掉了地面感熱通量。從個(gè)例1的500hPa流場(chǎng)圖中（圖略）可看出，去掉地面感熱以后，積分12小時(shí)低渦氣旋性環(huán)流依然存在，只是閉合環(huán)流范圍略小于控制試驗(yàn)。試驗(yàn)3中，整個(gè)過程中的渦度、散度、垂直速度和溫度與控制試驗(yàn)相差不大，只是中心強(qiáng)度稍小于控制試驗(yàn) （圖5c、6c、7c、8c）。成熟階段渦心依然為下沉運(yùn)動(dòng)，說明渦眼仍然存在，只是伸展高度降低到250hPa，中心值減小到－2×10－2m／s。

個(gè)例2去掉地面感熱通量后，未形成閉合的氣旋性環(huán)流（圖略）。說明地面感熱對(duì)個(gè)例2的形成起重要作用。

為了更準(zhǔn)確地討論地面感熱對(duì)高原低渦的影響，我們做了試驗(yàn)4，將地面感熱加倍。結(jié)果個(gè)例1的500hPa流場(chǎng)與控制試驗(yàn)相比無太大差異，低渦形成初期，渦區(qū)正渦度范圍略大于控制試驗(yàn)；低渦成熟階段，渦區(qū)的正渦度柱發(fā)展強(qiáng)于控制試驗(yàn) （圖5d），伸展高度到達(dá)200hPa，正渦度中心值增加到18×10－5s－1。但散度、垂直速度、溫度也與控制試驗(yàn)相差不大 （圖6d、7d、8d）。

個(gè)例2將地面感熱加倍后，500hPa流場(chǎng)顯示出高原低渦形成（圖略）。控制試驗(yàn)中7月29日12時(shí)，低渦中心兩側(cè)各有一個(gè)正渦度柱，而渦心處于相對(duì)低值區(qū) （圖11a）。試驗(yàn)4中 （圖11b），渦區(qū)正渦度顯著增強(qiáng)，左側(cè)的正渦度柱伸展高度更是達(dá)到了對(duì)流層頂，且強(qiáng)度達(dá)到22×10－5s－1，低渦中心也由弱的正渦度變?yōu)樨?fù)渦度控制。而渦眼區(qū)下沉運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度在29日11時(shí)由－0.09m／s增加到－0.5 m／s（圖12）。

圖7 個(gè)例1低渦成熟階段渦心 （35°N，90°E）處400～300hPa平均垂直速度的時(shí)間剖面圖 （單位：10－2 m／s）。其余同圖5Fig.7 Same as Fig.5，but for time cross section of vertical velocity averaged over 400－300hPa at vortex core（35°N，90°E）at mature stage of the vortex for case 1

圖8 2005年7月28日23時(shí)沿35°N的500～300hPa平均溫度場(chǎng)分布 （單位：℃）。其余同圖5Fig.8 Same as Fig.5，but for temperature field distribution averaged over 500－300hPa through 35°N at 2300UTC 28Jul 2005

由以上分析可知，地面感熱對(duì)兩例高原低渦形成、發(fā)展以及結(jié)構(gòu)特征等的影響不同。不少研究認(rèn)為感熱在低渦形成中具有重要作用 （羅四維和楊洋，1992；陳伯民等，1996），也有學(xué)者認(rèn)為感熱不利于低渦的形成 （Dell'osso and Chen，1986），同時(shí)Shen et al.（1986b）也指出，地面感熱在雨季中只能對(duì)大尺度環(huán)流起附加的修改作用，24小時(shí)內(nèi)一般不能顯著改變高原渦流場(chǎng)的總體特征。造成這種差異的原因是由于地面感熱通量在低渦不同發(fā)展階段的作用不同，并且與低渦發(fā)展階段是白天還是夜間有關(guān)。

4.4 地面潛熱的影響

試驗(yàn)5中不計(jì)蒸發(fā)效應(yīng) （即無地面蒸發(fā)潛熱），個(gè)例1積分12小時(shí)后流場(chǎng)中仍有一弱的閉合氣旋性環(huán)流中心 （圖略），但范圍極小，環(huán)流中心比控制試驗(yàn)偏西一個(gè)經(jīng)度，周圍的氣旋性環(huán)流也轉(zhuǎn)變?yōu)榉礆庑原h(huán)流。

對(duì)比試驗(yàn)5與控制試驗(yàn)的結(jié)果差異可見，低渦形成初期，無地面潛熱時(shí)，渦心偏北的36°N正渦度柱伸展高度高于控制試驗(yàn)，達(dá)到300hPa，正渦度中心也由450hPa升高到400hPa；散度場(chǎng)上，渦區(qū)南側(cè)為輻散場(chǎng)，北側(cè)為輻合場(chǎng)，中心值小于控制試驗(yàn)。低渦成熟階段，正渦度伸展到了200hPa，中心位于400hPa，中心值為12×10－5s－1（圖5e），而渦區(qū)的散度 （圖6e）在350hPa以下幾乎減小為零，在250hPa有一個(gè)較強(qiáng)的輻散中心，中心值為18×10－5s－1。

圖9 個(gè)例1渦區(qū)平均的地表熱通量的時(shí)間剖面圖 （單位：102 W／m2）：（a）感熱；（b）潛熱Fig.9 Time cross sections of surface（a）sensible heat flux and（b）latent heat flux averaged over vortex area for case 1

圖10 同圖9，但為個(gè)例2Fig.10 The same as Fig.9，but for case 2

圖11 2009年7月29日12時(shí)沿33.5°N的渦度場(chǎng)垂直剖面 （單位：10－5s－1）：（a）試驗(yàn)1；（b）試驗(yàn)4Fig.11 Vertical cross section of vorticity field along 33.5°N at 1200UTC 29Jul 2009（unit：10－5s－1）：（a）Experiment 1；（b）experiment 4

同樣，無地面潛熱后，從渦心處垂直速度的時(shí)間剖面圖 （圖7e）可知，渦心下沉運(yùn)動(dòng)在28日20時(shí)出現(xiàn)，22時(shí)即轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙\(yùn)動(dòng)，上升速度約為2×10－2m／s。另外，28日23時(shí)垂直速度剖面圖也反映出了渦心下沉運(yùn)動(dòng)的減弱。溫度場(chǎng)上，渦心區(qū)域的最高溫度增加到－10.3℃ （圖8e）。

個(gè)例2積分一段時(shí)間后，低渦的氣旋性環(huán)流消失，且渦度、散度、垂直速度等物理量的強(qiáng)度減弱（圖略）。由此可見，無地面蒸發(fā)潛熱時(shí)，低渦強(qiáng)度比控制試驗(yàn)略有減弱，說明地面潛熱通量對(duì)低渦的發(fā)展有一定作用。

圖12 個(gè)例2渦心 （33.5°N，92.7°E）處400～300hPa平均垂直速度的時(shí)間剖面圖 （單位：m／s），其余同圖11Fig.12 Same as Fig.11，but for time cross section of vertical velocity averaged over 400－300hPa at vortex core（33.5°N，92.7°E）for case 2

4.5 凝結(jié)潛熱的影響

當(dāng)不計(jì)凝結(jié)潛熱時(shí)，個(gè)例1積分7小時(shí)后，在（33°N，87°E）有一弱氣旋性環(huán)流生成，環(huán)流中心比控制試驗(yàn)偏南一個(gè)緯度和偏西一個(gè)經(jīng)度，但積分10小時(shí)后低渦氣旋性環(huán)流完全消失 （圖略）。

低渦形成初期，渦度與控制試驗(yàn)相比無太大差異，但散度變化較大，渦區(qū)南側(cè)的輻散中心由250 hPa下降到350hPa，中心值由18×10－5s－1下降到6×10－5s－1，渦區(qū)北側(cè)的輻合中心值也由－15×10－5s－1下降到了－6×10－5s－1。隨著低渦發(fā)展到了成熟階段，渦區(qū)渦度分布 （圖5f）和初期相比變化明顯，正渦度柱消失，渦區(qū)北側(cè)的負(fù)渦度柱也消失，整個(gè)渦區(qū)被弱的負(fù)渦度控制，散度場(chǎng)中渦區(qū)散度分布 （圖6f）和控制試驗(yàn)相比差異也很大，強(qiáng)的正負(fù)散度中心消失，渦區(qū)被弱的輻散氣流控制。

從垂直速度的時(shí)間剖面圖上看 （圖7f），在低渦主要發(fā)展階段，渦心一直保持上升運(yùn)動(dòng)，28日23時(shí)，渦心處上升運(yùn)動(dòng)已達(dá)到4×10－2m／s，渦眼結(jié)構(gòu)一直未能形成。溫度場(chǎng)依然保持一定的暖心結(jié)構(gòu)，但溫度整體低于控制試驗(yàn) （圖8f）。

個(gè)例2積分一段時(shí)間后，同樣的低渦氣旋性環(huán)流消失，且低渦的結(jié)構(gòu)特征變化也較大 （圖略）。

以上結(jié)果分析說明，凝結(jié)潛熱對(duì)低渦形成不具有決定性影響，但對(duì)低渦的維持和發(fā)展起著關(guān)鍵性的作用。

4.6 水汽的影響

若在低渦過程中不考慮水汽，個(gè)例1積分7小時(shí)后，低渦出現(xiàn)弱氣旋性環(huán)流，此后氣旋性環(huán)流并未向東北移，而是維持在原地，積分11小時(shí)后消失 （圖略）。

從無水汽時(shí)的渦度場(chǎng)和散度場(chǎng)可見，低渦形成初期，渦區(qū)正負(fù)渦度分布與控制試驗(yàn)類似，但450hPa以上負(fù)渦度值遠(yuǎn)小于控制試驗(yàn)，散度場(chǎng)上渦區(qū)除了在中層有一個(gè)小范圍的輻散區(qū)，其余均為輻合氣流控制。低渦成熟階段，僅在36°N的400 hPa上有一個(gè)3×10－5s－1的正渦度中心，其余都為負(fù)渦度區(qū) （圖5g）。散度場(chǎng)上 （圖6g），強(qiáng)而狹窄的輻散帶消失，渦區(qū)北側(cè)的輻合帶變?yōu)榱艘粋€(gè)弱的輻散區(qū)。

從28日23時(shí)渦心 （35°N，90°E）處400～300hPa的平均垂直速度可見（圖7g），渦心處一直保持為上升運(yùn)動(dòng)，未出現(xiàn)下沉運(yùn)動(dòng)，即沒有形成渦眼結(jié)構(gòu)。垂直剖面圖也顯示渦區(qū)整層為上升運(yùn)動(dòng)。溫度場(chǎng)在渦心區(qū)域升高到－10.2℃ （圖8g）。

個(gè)例2積分后出現(xiàn)弱的氣旋性環(huán)流，一段時(shí)間后消失（圖略）。這說明水汽對(duì)低渦發(fā)展以及低渦渦眼結(jié)構(gòu)的形成具有重要作用。

5 結(jié)論

本文通過中尺度非靜力平衡模式MM5對(duì)2005年7月28～29日和2009年7月29～31日的兩例高原低渦過程進(jìn)行了控制試驗(yàn)和6組敏感性試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

（1）控制試驗(yàn)?zāi)茌^好地模擬出高原低渦中心位置以及低渦結(jié)構(gòu)，因此可用控制試驗(yàn)為參照，通過與敏感性試驗(yàn)的對(duì)比來研究高原低渦的影響因子。

（2）絕熱條件對(duì)低渦形成、發(fā)展及結(jié)構(gòu)變化的影響非常明顯。在絕熱條件下，閉合環(huán)流和渦眼結(jié)構(gòu)均不能形成，且渦度、散度的強(qiáng)度也大大減弱，這反襯出非絕熱加熱對(duì)高原低渦作用的重要性。

（3）地表感熱對(duì)個(gè)例1影響不大，但對(duì)個(gè)例2的形成及結(jié)構(gòu)特征有重要作用。造成這種差異的原因可能是由于地面感熱通量在低渦不同發(fā)展階段的作用不同，并且與低渦發(fā)展階段是在白天還是夜晚有關(guān)。

（4）地表蒸發(fā)潛熱對(duì)低渦的發(fā)展有一定作用，無地表蒸發(fā)潛熱可使低渦的強(qiáng)度略有減弱。

（5）凝結(jié)潛熱和水汽對(duì)低渦的形成并不具有決定性作用，但對(duì)低渦的維持以及結(jié)構(gòu)的演變有關(guān)鍵性影響。若不考慮凝結(jié)潛熱和水汽作用，低渦形成一段時(shí)間后會(huì)很快消失，同時(shí)低渦中心的渦度、散度以及垂直運(yùn)動(dòng)場(chǎng)會(huì)發(fā)生明顯改變，低渦也不再具有熱帶氣旋類低渦那樣的渦眼結(jié)構(gòu)。

以上通過中尺度數(shù)值模式對(duì)高原低渦影響因子的敏感性試驗(yàn)所進(jìn)行的研究是初步的，其揭示的現(xiàn)象需要更多個(gè)例的數(shù)值試驗(yàn)來豐富，也需要通過低渦加密觀測(cè)資料的分析來印證，以及用其他研究手段的結(jié)果來補(bǔ)充、完善。

致謝感謝評(píng)審專家對(duì)本文提出的建設(shè)性意見。

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Numerical Simulation of the Effect of Heating and Water Vapor on Two Cases of Plateau Vortex

SONG Wenwen1，2，LI Guoping1，2，and TANG Qiankui3

1CollegeofAtmosphericSciencesandKeyLaboratoryofPlateauAtmosphere＆EnvironmentofSichuanProvince，Chengdu UniversityofInformationTechnology，Chengdu610225
2StateKeyLaboratoryofSevereWeather，ChineseAcademyofMeteorologicalSciences，Beijing100081
3ChengduMeteorologicalBureau，Chengdu610071

By using the satellite Temperature of Brightness Blackbody（TBB）data，NCEP 1°×1°reanalysis data，and nonhydrostatic mesoscale numerical model MM5，control experiment and six sensitivity experiments which are adiabatic，no surface sensible heating，double surface sensible heating，no evaporation effect，no latent heat of condensation，and no water vapor，are performed for two cases of plateau vortex occurring during 28－29July 2005and 29－31July 2009，and the happening，development，and structure change of the plateau vortex during 28－29July 2005are mainly discussed.The results show that the vortex center and the vortex structure at 500hPa simulated in the control experiment are the same as actuality.The adiabatic conditions affect the formation，development and structure change of the vortex most remarkably.The latent heat of condensation and the water vapor do not play decisive roles in formation of the vortex，but play key roles in vortex maintenance and structure characteristics evolvement.Surface latent heat has some effect on the development of the vortex，and no surface latent heat slightly decreases the strength of the vortex.The effect of surface sensible heat on the vortex is different for different cases，and depends on the developing stage of the vortex，and also that the developing stage is daytime or night.

plateau vortex，numerical simulation，heating，water vapor，structure characteristics，effect

1006－9895（2012）01－0117－13

P435

A

宋雯雯，李國平，唐錢奎.2012.加熱和水汽對(duì)兩例高原低渦影響的數(shù)值試驗(yàn) ［J］.大氣科學(xué)，36（1）：117－129.Song Wenwen，Li Guoping，Tang Qiankui.2012.Numerical simulation of the effect of heating and water vapor on two cases of plateau vortex［J］.Chinese Journal of Atmospheric Sciences（in Chinese），36（1）：117－129.

2010－11－25，2011－09－19收修定稿

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目40875023，財(cái)政部、科技部公益性行業(yè) （氣象）科研專項(xiàng)GYHY201006014，災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題重點(diǎn)項(xiàng)目2009LASW－A01

宋雯雯，女，1986年出生，碩士，主要從事天氣動(dòng)力學(xué)和中尺度數(shù)值模擬研究。E－mail：songww8682＠sina.com