凝結(jié)潛熱在高原渦東移發(fā)展不同階段作用的初步研究

董元昌，李國平

（成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院，四川成都610225）

0 引言

青藏高原低渦（以下簡稱高原渦）是夏季青藏高原（以下簡稱高原）地區(qū)出現(xiàn)的主要的天氣系統(tǒng)。大部分高原渦在高原上產(chǎn)生和消失，小部分則可以移出高原。高原渦是高原主要的降水系統(tǒng)，若其移出高原則會(huì)對(duì)高原周邊和下游地區(qū)的降水產(chǎn)生重大影響，常常引發(fā)高原以東地區(qū)的暴雨、強(qiáng)對(duì)流等災(zāi)害性天氣。20世紀(jì)60年代以來，中國氣象工作者對(duì)高原渦作了長期研究，對(duì)高原渦的形成、發(fā)展、路徑和生命史等性質(zhì)有了一定的認(rèn)識(shí)。影響高原渦生成發(fā)展的因素分為動(dòng)力作用和熱力作用。在熱力作用中水汽扮演了十分重要的角色。一方面高原渦的影響主要表現(xiàn)為降水，另一方面水汽蒸發(fā)和凝結(jié)潛熱的釋放又對(duì)高原渦的發(fā)生發(fā)展起重要作用，因此加強(qiáng)水汽及其加熱對(duì)高原渦作用的研究，對(duì)更深刻地認(rèn)識(shí)高原渦具有重要意義。

潛熱加熱對(duì)渦旋系統(tǒng)的維持作用前人已做出許多方面的探索。丁治英等[1]在研究臺(tái)風(fēng)耗散及維持過程中指出：在無外接系統(tǒng)配合時(shí)，潛熱釋放是臺(tái)風(fēng)維持的主要原因，同時(shí)也指出水汽的量會(huì)對(duì)潛熱加熱作用有重要影響。錢正安等[2]指出潛熱加熱作用使得空氣柱的氣溫升高，造成高層升壓、低層降壓，有加強(qiáng)氣旋性環(huán)流的作用，但從潛熱加熱到其他場的變化有不同程度的時(shí)間滯后性。張曉芳等[3]在研究梅雨鋒暴雨過程中發(fā)現(xiàn)潛熱加熱存在正反饋機(jī)制，即潛熱加強(qiáng)了垂直運(yùn)動(dòng)，使大氣高層輻散、低層輻合，而這種高低層散度場的配置又加強(qiáng)了垂直運(yùn)動(dòng)，使得低層水汽上升繼續(xù)釋放潛熱。趙平等[4]在研究西南渦時(shí)發(fā)現(xiàn)潛熱加熱在垂直方向上的不同分布會(huì)影響低渦的發(fā)展，低層的加熱往往有利于西南渦的發(fā)展，高層加熱則對(duì)發(fā)展不利。臧增亮等[5]研究表明如果沒有潛熱的釋放，水汽對(duì)背風(fēng)波的影響十分有限。潛熱的釋放會(huì)破壞原先大氣的層結(jié)分布，造成特定區(qū)域強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動(dòng)。對(duì)于高原渦而言，垂直運(yùn)動(dòng)是維持渦區(qū)上層輻散、下層輻合的關(guān)鍵。高原的熱力作用是青藏高原影響天氣、氣候的主要因子之一。吳國雄等[6]論證了高原加熱的氣候影響。趙瑞星[7]研究表明水汽的移動(dòng)加熱特性是天氣系統(tǒng)上游效應(yīng)的重要因素。Shen et al.[8]提出感熱和潛熱在高原渦發(fā)生發(fā)展過程中所起作用不同。認(rèn)為由于失去了潛熱加熱的作用，高原渦在移出高原之后減弱消失。Bin Wang等[9－11]通過數(shù)值模擬的方法揭示了潛熱釋放是雨季高原背風(fēng)渦發(fā)生發(fā)展的重要影響因素。郁淑華[12]指出高原渦的形成與印度洋、阿拉伯海等地區(qū)輸送水汽的流場維持有關(guān)。水汽渦旋的位置對(duì)高原渦的移動(dòng)有重要指示作用。郁淑華等[13]發(fā)現(xiàn)水汽對(duì)高原渦形成與發(fā)展的影響存在個(gè)例差異，并指出差異的原因主要與水汽在輸送過程中是否發(fā)生相變釋放潛熱有關(guān)。宋雯雯等[14]的數(shù)值模擬認(rèn)為土壤蒸發(fā)潛熱對(duì)高原渦的作用不太明顯，大氣凝結(jié)潛熱對(duì)高原渦的生成不起決定性作用，但對(duì)高原渦的維持和結(jié)構(gòu)演變有關(guān)鍵影響。徐裕華和濮梅娟[15]的數(shù)值研究同樣證實(shí)了潛熱加熱對(duì)高原渦發(fā)展的重要作用。文中以2005年5月1～3日（以下簡稱“5.01”過程）和2005年6月23～28日（簡稱“6.23”過程）兩次高原渦為個(gè)例，進(jìn)行大氣加熱的診斷計(jì)算，主要分析了凝結(jié)潛熱加熱對(duì)高原渦發(fā)展東移的影響，并初步探討了潛熱加熱影響高原渦生命史的可能機(jī)制。

1 資料及計(jì)算方法

運(yùn)用美國NCEP1°×1°每日4次的再分析資料以及中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的中國地面降水日值0.5°×0.5°格點(diǎn)數(shù)據(jù)集（V2.0），并參考了成都高原氣象研究所《青藏高原低渦切變線年鑒（2005）》[16]中高原渦的中心位置。經(jīng)過驗(yàn)證NCEP資料分析出的500hPa高原渦的位置及強(qiáng)度與年鑒統(tǒng)計(jì)的高原渦位置和強(qiáng)度十分接近（圖略）。

視熱源Q1代表單位時(shí)間單位質(zhì)量空氣由于感熱加熱引起的增溫率，視水汽匯Q2代表單位時(shí)間單位質(zhì)量水汽凝結(jié)釋放的熱量引起的大氣增溫率，計(jì)算公式分別為：

式中下標(biāo)t，h和ω分別代表時(shí)間變化項(xiàng)，平流項(xiàng)和垂直輸送項(xiàng)，其它皆為氣象常用物理量符號(hào)。

2 2005年高原渦概況及大尺度水汽、風(fēng)場

2.1 全年高原渦概況

2005年共發(fā)生47次高原渦過程（圖1），多數(shù)發(fā)生在高原東部。除2月、11月、12月其余月份均有高原渦發(fā)生。其中4月、6月、7月高原渦發(fā)生次數(shù)最多，分別為8次、10次、8次。5月上半月、6月下半月、7月下半月是高原渦的多發(fā)時(shí)段，5月、6月移出高原的高原渦最多，占全年移出量的67%。全部高原渦均出現(xiàn)降水過程，文中選取該年5月1～4日（以下簡稱“5.01”過程）和6月23～28日（以下簡稱“6.23”過程）兩個(gè)東移高原渦個(gè)例分別出現(xiàn)在高原渦移出頻次最高的兩個(gè)月，“5.01”高原渦過程降水持續(xù)影響中國中西部十余省份，降水持續(xù)時(shí)間2～4日。其中四川、安徽等地出現(xiàn)了大片25mm以上的降水區(qū)域，極值雨量出現(xiàn)在四川蓬溪（170.9mm）。相比之下“6.23”高原渦過程降水影響區(qū)域更廣（20省份，甚至影響到了東北地區(qū)），降水持續(xù)時(shí)間更長（2～6日），累計(jì)降水量更大（遼寧、吉林等多地出現(xiàn)大片降水量超過50mm的區(qū)域），極值區(qū)域在四川蓬溪（181.6mm）。

圖1 2005年4～10月高原渦發(fā)生頻次分布圖

3.2 兩次高原渦個(gè)例的發(fā)展過程

“5.01”過程的高原渦生成于（90.7°E；32.3°N），消亡于（108°E；34°N），2005年5月1日12時(shí)（UTC，下同）在500hPa高度上出現(xiàn)，初生階段550～450hPa高度上流場特征明顯。5月2日18時(shí)東移到100°E附近（開始下坡），下坡過程中高原渦的垂直厚度增加。5月3日12時(shí)垂直厚度又一次突然增厚，5月4日00時(shí)迅速減弱、消亡，歷時(shí)66小時(shí)?！?.23”過程的高原渦生成于（96°E；33°N），消亡于（125°E；43°N），2005年6月23日00時(shí)在500hPa上出現(xiàn)，6月23日12時(shí)東移到100°E附近（開始下坡），6月26日18時(shí)移動(dòng)到（115°E；41°N）附近（完全移出高原），下坡過程中和下坡后，高原渦的垂直厚度增厚且維持，6月28日12時(shí)消亡，歷時(shí)132小時(shí)（文中只討論其前90小時(shí)發(fā)展過程）。

圖2 兩次高原渦垂直厚度的時(shí)間－高度剖面圖

兩次高原渦過程（圖2）按照東移的位置可以分為下坡前、下坡中、下坡后3個(gè)階段。初生階段主要在近地面氣層中，厚度大約100hPa；在東移過程中，在沒有下坡之前，高原渦厚度變小，一直呈現(xiàn)比較淺薄的狀態(tài)，且明顯的低渦中心不總是在500hPa高度上，而是在550～400hPa上下變動(dòng)。在下坡過程中，高原渦的厚度大幅增加，“5.01”過程高原渦在下坡過程中，低渦中心在300hPa都可見，垂直厚度超過250hPa。“6.23”過程的高原渦發(fā)展過程與“5.01”過程類似，前期淺薄，低渦中心在500hPa上下小幅移動(dòng)，在下坡過程中低渦伸展厚度迅速增大。

2.3 “5.01”過程的水汽場和風(fēng)場

高原渦發(fā)生時(shí)期的500hPa高度場上（圖3a），高原的主體部分位于西風(fēng)槽底部，風(fēng)速較小。高原以南的西南風(fēng)比較強(qiáng)盛，孟加拉灣的濕潤空氣帶一直延伸到高原東部（105°E以東地區(qū)），高原東部有明顯的濕潤區(qū)。高原以北的西北風(fēng)也比較強(qiáng)盛，濕潤氣流和干冷氣流在高原東部輻合，高原以外的濕空氣主要來自南部的孟加拉灣和高原以西的上游地區(qū)。

2.4 “6.23”過程的水汽場和風(fēng)場

高原渦發(fā)生時(shí)期（圖3b），高原北側(cè)的西風(fēng)氣流比較平直，高原南部的西南風(fēng)較弱。印度半島、孟加拉灣及中南半島有大片濕潤帶。高原主體水汽比較充沛（大值中心達(dá)到4.5g／kg）且呈現(xiàn)西北、東南兩個(gè)濕潤區(qū)，東南部更為濕潤。高原南部邊緣處有較大的水汽梯度，這是由于高原的阻擋作用，高原以南的水汽未能全部進(jìn)入高原主體。

圖3 兩次高原渦發(fā)生時(shí)期風(fēng)場（單位：m／s）、比濕（單位：g／kg）時(shí)間平均圖

2.5 高原渦高發(fā)和少發(fā)時(shí)段的水汽垂直分布

下面對(duì)比分析高原渦高發(fā)期和少發(fā)期水汽垂直分布狀況。2005年5月下半月是高原渦少發(fā)時(shí)段，水汽的垂直分布如圖4（a），0.5g／kg等值線處于350hPa附近，高原東部濕層較西部略厚，垂直梯度小。2005年6月下半月是高原渦多發(fā)期如圖4（b），濕層明顯增厚：90°E以東地區(qū)，0.5g／kg等值線已經(jīng)上升到300hPa以上高度，高原東部濕層明顯高于西部，且垂直方向上濕度梯度顯著加大。為高原渦的發(fā)生發(fā)展提供了有利的水汽層結(jié)條件。

圖4 比濕的緯向（28°N～33°N）平均剖面圖

3 高原渦東移發(fā)展過程分析

3.1 水汽、渦度上傳特征

圖5 “5.01”過程的比濕（單位：g／kg）和相對(duì)渦度（單位：10－5·s－1）時(shí)間－高度剖面圖

“5.01”過程的高原渦在東移過程中，渦柱內(nèi)伴有明顯的水汽上傳現(xiàn)象（圖5a）。從5月1日12時(shí)～5月3日00時(shí)，伴隨高原渦的濕度中心從600hPa一直上升到250hPa附近，此時(shí)高原渦已經(jīng)東移到（103°E；33°N）附近。高原渦的最大渦度中心也同時(shí)上傳。5月3日00時(shí)之后，高原渦處于下坡過程，水汽在高原渦的下坡過程中由于強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，加速凝結(jié)釋放潛熱，同時(shí)大氣濕度下降。5月3日00時(shí)～5月4日18時(shí)左右，整層渦度迅速加大（圖5b）。此次高原渦過程以103°E為界可分為兩個(gè)階段，第一階段（低渦移出高原前）水汽和渦度的上傳有較好的一致性，說明前期潛熱加熱對(duì)高原渦強(qiáng)弱的起主要作用。第二階段在高原渦下坡的過程中，垂直速度加大，水汽加速凝結(jié)，高原渦區(qū)域大氣水汽量迅速下降（圖7a），這一階段由于渦柱內(nèi)水汽含量下降，潛熱加熱率為負(fù)值，所以潛熱加熱并不是高原渦渦度增強(qiáng)的因素。5月3日18時(shí)之后，垂直方向上沒有出現(xiàn)上傳的水汽大值中心，高原渦的暖中心消失。此次高原渦過程經(jīng)歷了下坡前穩(wěn)定發(fā)展，下坡時(shí)迅速增強(qiáng)，最終在109°E附近消亡的發(fā)展歷程。

“6.23”過程的高原渦下坡前的水汽、渦度在垂直方向上與“5.01”過程基本一致（圖6），有較為一致的水汽、渦度上傳現(xiàn)象。不同的是，此次高原渦過程在7月25日00時(shí)（東移到109°E）之后，上升運(yùn)動(dòng)減弱，低層又重新出現(xiàn)了上傳的水汽大值中心。潛熱加熱使得高原渦在下坡之后暖心結(jié)構(gòu)繼續(xù)維持，低渦也繼續(xù)東移發(fā)展。

圖6 “6.23”過程的比濕（單位：g／kg）和相對(duì)渦度（單位：10－5·s－1）的時(shí)間－高度剖面圖

圖7 兩次高原渦過程的比濕、垂直速度（單位：g／kg，10－1·Pa／s）的緯向平均時(shí)間－高度剖面圖

3.2 潛熱加熱的作用

一般情況下，高原上空的大氣溫度會(huì)隨著高度的增加而降低。由圖8可知，同一時(shí)刻高原上空600～200hPa有40K左右的溫度差，但高原渦的暖中心溫度從底層到高層始終保持在270K左右。由圖8（a），圖9（a）和圖10（a）可以看出，“5.01”過程的高原渦生成初期，渦區(qū)的暖中心從5月1日12時(shí)的600hPa左右，逐漸上升到5月3日00時(shí)的200hPa以上。5月2日06時(shí)到5月3日00時(shí)，400～150hPa高度上為整層Q2的正值區(qū)，最大中心加熱率5K·d－1，位置在400hPa以上，與高原渦的暖中心位置比較一致。與此同時(shí)，Q1在相同高度層上則為整層負(fù)值區(qū)，最大負(fù)值中心位于600hPa附近（－30K·d－1）。Q1、Q2的這種分布狀況說明在高原渦下坡之前，大氣加熱主要是由潛熱釋放造成的。在下坡過程中，垂直速度突然增大，如圖垂直速度由5月2日00時(shí)的－0.02pa／s上升到6小時(shí)后的－0.1pa／s，短時(shí)間內(nèi)增加了5倍，之后一直處于加強(qiáng)狀態(tài)。強(qiáng)烈的上升作用導(dǎo)致水汽加速凝結(jié)，大氣水汽含量下降，如圖7垂直速度增大后，高原渦區(qū)域的比濕下降了30%～50%。這使得水汽凝結(jié)產(chǎn)生的潛熱釋放減少，高原渦的暖中心消失，大氣溫度在短時(shí)間內(nèi)下降到230K左右。

在“5.01”過程的高原渦下坡過程中，高原渦的強(qiáng)度加強(qiáng)（垂直增厚、中心正相對(duì)渦度加強(qiáng)）。由于下坡過程中渦柱內(nèi)水汽含量銳減，潛熱加熱作用對(duì)高原渦下坡加強(qiáng)的貢獻(xiàn)微乎其微。水汽含量的降低，潛熱加熱作用減弱，高原渦的暖中心結(jié)構(gòu)消失，高原渦在下坡之后，強(qiáng)度迅速減弱，隨后消亡?！?.01”過程潛熱加熱主要發(fā)生在高原渦下坡前期（5月2日06時(shí)～5月3日00時(shí)）如圖8，5月12日00時(shí)左右和下坡過程后期（5月3日12時(shí)），這與此次高原渦下坡前期水汽大量凝結(jié)和后期高原渦減弱消失前厚度突然增厚有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。“6.23”過程的高原渦在強(qiáng)度上的變化與“5.01”過程類似。水汽凝結(jié)潛熱作用區(qū)域較小，但強(qiáng)度較大（圖9b）。在其完全下高原之后，低層充足的水汽供應(yīng)通過550～250hPa水汽潛熱加熱使得高原渦在其完全移出高原之后依舊維持暖中心結(jié)構(gòu)，所以“6.23”過程的高原渦得以繼續(xù)存在、發(fā)展，而不同于“5.01”過程的高原渦下坡后迅速減弱消亡。

垂直速度、水汽含量和潛熱加熱3者關(guān)系較為復(fù)雜，上節(jié)和圖7已經(jīng)說明了垂直速度和水汽含量的基本關(guān)系。值得注意的是：水汽含量的減少會(huì)削弱潛熱加熱的作用，垂直運(yùn)動(dòng)的增加是造成大氣中水汽凝結(jié)減少的重要原因，但是垂直速度與潛熱加熱卻不是簡單的反相關(guān)關(guān)系。對(duì)照?qǐng)D7（a）和圖8（b）可知，在5月2日12時(shí)，垂直速度大幅增加的時(shí)段，Q2出現(xiàn)了大片大值區(qū)域。垂直速度的突然增加導(dǎo)致低渦區(qū)水汽在短時(shí)間內(nèi)集中凝結(jié)，使得之后大氣變得干燥，潛熱加熱作用大大削弱，在這點(diǎn)上垂直速度是不利于高原渦的長期發(fā)展的。但如果水汽量充足，凝結(jié)的水汽能夠得到及時(shí)補(bǔ)充，較大的垂直速度又能使高原渦區(qū)域始終獲得較大的潛熱加熱，垂直速度對(duì)高原渦的發(fā)展又是十分有利的。如圖6（a）和圖9（b），6月25日12時(shí)之后水汽量增加、潛熱加熱加強(qiáng)正好說明了這一點(diǎn)。

圖8 高原渦東移過程的溫度（單位：K）緯向平均高度－時(shí)間剖面圖

圖10 高原渦東移過程的Q1／Cp（單位：K·d－1）緯向平均高度－時(shí)間剖面圖

“5.01”過程高原渦前期潛熱加熱（圖8b）主要發(fā)生在5月2日12時(shí)～5月3日00時(shí)，期間高原渦中心位置處于（92°E～101°E；31°N～34°N）（圖11a）。后期潛熱加熱主要發(fā)生在5月3日12時(shí)左右，期間高原渦中心位置大約位于（107°E；33°N）（圖11b）?！?.23”過程前期潛熱加熱過程（圖9b）主要發(fā)生在6月23日12時(shí)到6月24日00時(shí)之間，期間高原渦中心位置處于（101°E～103°E；32°N～33°N）（圖11d）。后期潛熱加熱主要發(fā)生在6月25日00時(shí)到6月26日00時(shí)，期間高原渦中心位置大約位于（108°E～114°E；36°N～38°N）（圖11d）。兩次高原渦過程的4次主要潛熱加熱過程均發(fā)生在當(dāng)日24小時(shí)累計(jì)降水大值中心附近，圖中點(diǎn)線框區(qū)域?yàn)闈摕峒訜崞陂g高原渦中心的活動(dòng)區(qū)域。4次潛熱加熱均伴有明顯的降水過程，間接佐證了再分析資料計(jì)算出的潛熱加熱在高原地區(qū)的真實(shí)性。

圖11 24h降水量（單位：mm）與對(duì)應(yīng)時(shí)段高原渦中心位置（點(diǎn)線框標(biāo)注）

5 結(jié)束語

利用NCEP1°×1°再分析資料，通過大氣熱源的診斷計(jì)算研究了2005年兩次高原渦東移過程中垂直結(jié)構(gòu)的特征及其演變，重點(diǎn)分析了水汽及其凝結(jié)潛熱對(duì)高原渦的作用，得出以下主要結(jié)論：

（1）高原渦多發(fā)期，高原垂直方向上水汽梯度增大，濕層增厚明顯。

（2）兩次高原渦在發(fā)展東移過程的前期（未下坡前），在垂直方向上有明顯的水汽、渦度上傳現(xiàn)象，且兩者在垂直方向上的大值中心存在很好的一致性。

（3）渦柱內(nèi)潛熱釋放對(duì)高原渦垂直厚度、強(qiáng)度有重要影響，潛熱加熱作用的發(fā)揮主要在高原渦下坡之前和下坡后期以及下坡之后（即移到四川盆地），潛熱加熱使得高原渦保持暖心結(jié)構(gòu)，暖心結(jié)構(gòu)對(duì)高原渦能否維持具有較好的指示作用。

（4）潛熱加熱作用是高原渦下坡之后能否繼續(xù)維持、發(fā)展的重要因素。

限于篇幅，高原渦在下坡過程中渦度加強(qiáng)的動(dòng)力成因有待后續(xù)研究。另外，文中潛熱加熱區(qū)與降水大值區(qū)并不完全重合，而是出現(xiàn)在大值中心或大值區(qū)附近，其原因也值得進(jìn)一步分析。

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