云輻射效應(yīng)對(duì)一次高原低渦過程影響的數(shù)值模擬研究

陳逸豪 范廣洲

（成都信息工程大學(xué)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/氣候與環(huán)境變化聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，成都 610225）

0 引言

青藏高原是全球海拔最高、地形最為復(fù)雜的高原，青藏高原的熱力作用[1-2]和動(dòng)力作用[3-4]，對(duì)我國及整個(gè)東亞地區(qū)的天氣氣候有著重要的作用[5]。青藏高原低渦（以下簡稱高原低渦）是指夏半年發(fā)生在青藏高原主體上的一種α中尺度低壓渦旋，其主要活動(dòng)于500 hPa等壓面上，平均水平尺度在400～500 km左右，發(fā)展旺盛期可達(dá)600～800 km，生命周期約1～3 d。高原低渦一般在青藏高原中西部生成，沿高原切變線或輻合帶東移發(fā)展，常在高原東半部下坡處減弱消失。而在有利的環(huán)流條件下，可東移出高原，高原低渦東移出高原后，不僅影響中國的范圍廣，還可能影響到朝鮮半島、日本，其強(qiáng)度和性質(zhì)也會(huì)有變化[6]。

云是地-氣系統(tǒng)輻射收支的主要調(diào)控者[7]，云可以通過反射和吸收太陽短波輻射，從而減少到達(dá)地面的太陽輻射，即云的“陽傘效應(yīng)”[8]；還可通過吸收和反射地表發(fā)射的長波輻射，同時(shí)自身也能向外發(fā)射熱輻射，增加地面的凈輻射，即云的“溫室效應(yīng)”[9]。由于青藏高原的獨(dú)特地理位置和氣候背景，造成青藏高原上空的云也表現(xiàn)出獨(dú)特的特征，云的類型、空間分布、宏觀和微觀物理特征、日變化、季節(jié)變化以及年際變化都與周邊地區(qū)有著顯著的差異；同時(shí)也使其上空的空氣密度比同緯度平原地區(qū)上空明顯較小，因此青藏高原地區(qū)云-輻射表現(xiàn)出獨(dú)特的空間結(jié)構(gòu)[10]。Yan等[11]指出在青藏高原地區(qū)，云對(duì)大氣的短波輻射效應(yīng)為加熱，而對(duì)大氣層長波輻射效應(yīng)為冷卻，并且在垂直方向上，夏季青藏高原地區(qū)地表上空8 km的位置存在一個(gè)強(qiáng)的輻射冷卻層，而在其下方存在一個(gè)強(qiáng)的輻射加熱層。同時(shí)云輻射強(qiáng)迫也存在著明顯的晝夜變化，云在夜間為增溫效應(yīng)，而在白天表現(xiàn)為冷卻效應(yīng)[12]。這種云輻射效應(yīng)獨(dú)特的水平和垂直分布，以及晝夜變化，對(duì)地表和大氣熱力場(chǎng)分布起著重要的作用。

眾所周知，云區(qū)和周圍晴空區(qū)之間的輻射加熱差會(huì)造成水平散度場(chǎng)的變化，從而調(diào)節(jié)著對(duì)流運(yùn)動(dòng)[13]。Webster等[14]指出云底處表現(xiàn)為顯著的凈輻射加熱作用，而在云頂處表現(xiàn)為凈輻射冷卻作用，凈的輻射加熱或冷卻作用表現(xiàn)出日循環(huán)特征，在午后通過云砧吸收短波輻射加熱上層大氣，減小大氣穩(wěn)定度；而在夜間通過云頂長波輻射冷卻，增加大氣穩(wěn)定度。同時(shí)云-輻射之間還存在著相互作用的過程，Tao等[15]指出，云和輻射場(chǎng)之間主要通過以下幾種方式相互作用：云頂長波冷卻和云底長波加熱，改變?cè)频臒崃咏Y(jié)；云區(qū)和周圍晴空區(qū)的輻射差異造成向云區(qū)的輻合增強(qiáng)；大尺度的輻射冷卻可能改變環(huán)境場(chǎng)（如水汽條件）。而這種云和輻射間的相互作用對(duì)中尺度系統(tǒng)的組織、結(jié)構(gòu)以及降水過程都造成了巨大的影響。葛旭陽等[16]利用WRF模式（V3.3.1）研究了在理想條件下，云輻射強(qiáng)迫效應(yīng)對(duì)熱帶氣旋發(fā)展和結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)云輻射效應(yīng)可通過改變熱帶氣旋云區(qū)的輻射分布來影響對(duì)流活動(dòng)，進(jìn)而影響其發(fā)展和結(jié)構(gòu)；特別是在熱帶氣旋的發(fā)展階段，對(duì)流云區(qū)的云頂輻射冷卻和內(nèi)部輻射加熱作用降低了熱帶氣旋內(nèi)部的靜力穩(wěn)定度，更容易激發(fā)出更多更強(qiáng)的對(duì)流活動(dòng)。

研究表明，高原低渦的形成和發(fā)展與地面和大氣非絕熱加熱場(chǎng)的分布和變化有著密切的關(guān)系[17-18]，高原低渦的生成也與高原短波輻射加熱密切相關(guān)[19]。許威杰等[20]利用WRF模式研究了凝結(jié)潛熱對(duì)高原低渦過程的影響，指出凝結(jié)潛熱加熱有利于低渦的增強(qiáng)和東移，證明了水汽條件在低渦發(fā)展過程中的重要性。李國平等[21]利用相平面分析法，從理論上證明了高原低渦的渦眼和暖心結(jié)構(gòu)。董元昌等[22]根據(jù)潛熱能的空間分布證實(shí)了高原低渦在成熟階段出現(xiàn)與臺(tái)風(fēng)類似的螺旋結(jié)構(gòu)。在低渦熱力結(jié)構(gòu)方面，初生渦從地面到100 hPa都是暖性結(jié)構(gòu)，成熟渦低層是冷中心，高層是暖中心[23]。楊穎璨等[24]猜測(cè)低渦的暖心結(jié)構(gòu)可能與太陽輻射加熱、強(qiáng)暖平流或高原感熱加熱有關(guān)。然而，目前關(guān)于非絕熱加熱對(duì)高原低渦的影響的研究多集中于地表感潛熱和大氣潛熱加熱，而關(guān)于云輻射強(qiáng)迫效應(yīng)對(duì)高原低渦的影響研究則較少，采用數(shù)值模式探究云輻射效應(yīng)對(duì)低渦發(fā)展和結(jié)構(gòu)的影響更為少見，因此本文利用美國環(huán)境預(yù)測(cè)中心（NCEP）和美國國家大氣研究中心（NCAR）等科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合開發(fā)的中尺度天氣模式（WRF）3.8.1版本，對(duì)2015年8月5—7日的一次高原低渦過程進(jìn)行研究，以探究云輻射強(qiáng)迫效應(yīng)對(duì)高原低渦結(jié)構(gòu)和發(fā)展的影響及其影響機(jī)制。

1 模式介紹及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

利用WRFV3.8.1模式對(duì)2015年8月5—7日的一次高原低渦過程進(jìn)行了4組數(shù)值模擬試驗(yàn)。模擬區(qū)域中心位置為34°N，90°E，采用雙重嵌套網(wǎng)格，外層網(wǎng)格的水平分辨率為30 km，格點(diǎn)數(shù)為225×156，內(nèi)層網(wǎng)格的水平分辨率為10 km，格點(diǎn)數(shù)為379×271。模式垂直分層為30層，頂層氣壓為50 hPa。初始條件和邊界條件使用每6 h一次的1°×1°水平分辨率NCEPFNL全球再分析資料。模式物理過程參數(shù)化方案為：WSM6云微物理參數(shù)化方案、RRTM長波輻射方案、Dudhia短波輻射方案、修正的MM5 Monin-Obukhov方案、Noah陸面過程方案、YSU邊界層方案和Kain-Fritsch積云對(duì)流參數(shù)化方案，模式內(nèi)外層采用的參數(shù)化方案完全相同。本文主要研究云輻射效應(yīng)對(duì)高原低渦過程的影響，由于大氣輻射加熱相比于感熱加熱和潛熱加熱為次要的非絕熱加熱作用，再加上本來模式達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需要的spin-up時(shí)間，所以云輻射效應(yīng)對(duì)大氣中各物理量的影響需要一段時(shí)間才會(huì)表現(xiàn)出來，因此選取不同初始積分時(shí)間進(jìn)行模擬試驗(yàn)，以查看云輻射效應(yīng)對(duì)此次高原低渦過程不同階段的影響，以及白天和夜間云輻射效應(yīng)的不同作用。試驗(yàn)方案如下：

試驗(yàn)1：模式中包括所有的物理過程，從2015年8月4日00：00（世界時(shí)，下同）開始積分，總共積分72 h，記為CTL1試驗(yàn)。

試驗(yàn)2：關(guān)閉模式中云對(duì)大氣輻射光學(xué)厚度的影響（即icloud=0），其余與CTL1試驗(yàn)相同，記為no_CRF1試驗(yàn)。

試驗(yàn)3：模式選取的參數(shù)化方案與CTL1試驗(yàn)完全相同，從2015年8月5日00：00開始積分，總共積分48 h，記為CTL2試驗(yàn)。

試驗(yàn)4：關(guān)閉大氣中云對(duì)大氣輻射光學(xué)厚度的影響（即icloud=0），其余與CTL1試驗(yàn)相同，記為no_CRF2試驗(yàn)。

此外，為了更好地區(qū)分白天和夜間云輻射效應(yīng)的不同作用，結(jié)合研究區(qū)域的時(shí)區(qū)劃分和CERES衛(wèi)星短波入射輻射通量資料，定義：白天為每天的00：00—12：00；夜間為12：00—次日00：00。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 天氣過程介紹

2015年8月5日00：00，亞歐中高緯地區(qū)500 hPa高度場(chǎng)呈現(xiàn)“兩槽一脊”的環(huán)流形勢(shì)（圖略）。烏拉爾山及貝加爾湖以東為低槽，青藏高原主體以北被一高脊控制，那曲地區(qū)以西有閉合低壓系統(tǒng)生成。2015年8月5日18：00，低壓系統(tǒng)緩慢東移加強(qiáng)，在那曲地區(qū)逐漸形成暖性高原低渦，造成了高原那曲地區(qū)的一次典型的高原低渦降水過程，之后低渦緩慢移出高原。根據(jù)500 hPa風(fēng)場(chǎng)和位渦分布（圖1），將此次高原低渦過程分為3個(gè)階段：高原低渦生成階段（2015年8月5日06：00—18：00）：那曲地區(qū)逐漸出現(xiàn)氣旋性風(fēng)場(chǎng)，高原低渦生成；高原低渦成熟階段（2015年8月5日18：00—6日00：00）：氣旋性風(fēng)場(chǎng)范圍擴(kuò)大，強(qiáng)度也增強(qiáng)，高原低渦在這段時(shí)間最為強(qiáng)盛，外圍出現(xiàn)了螺旋狀云帶，中心出現(xiàn)無云區(qū)（圖2b紅圈）；高原低渦東移階段（2015年8月6日00：00—7日00：00）：高原低渦快速向東移動(dòng)，低渦南側(cè)的槽線向西南方向延伸，7日00：00，低渦移至100°E以東。

圖1 2015年8月5日06:00（a），18:00（b），6日00:00（c）和18:00（d）500hPa風(fēng)場(chǎng)（單位：m/s）和位渦場(chǎng)分布（單位：10-5s-1）Fig.1 Distribution of 500hPa wind field (unit:m/s) and potential vortex field (unit:10-5s-1) on 5,at 06:00 (a),18:00 (b) and at 00:00 (c),18:00 (d) on 6 August 2015 at 06:00 UTC (a),18:00 UTC (b) and at 00:00 (c),18:00 UTC (d) on 6 August 2015

圖2 2015年8月5日18：00（a）和6日00：00（b）FY-2G云頂亮溫TBB分布，以及CTL1（c）和CTL2（d）試驗(yàn)21：00模式輸出云頂溫度分布（紅圈為渦眼結(jié)構(gòu)）Fig.2 The distribution of FY-2G TBB at 18:00 UTC (a),00:00 UTC (b) on 5 August 2015,and the model output cloud top temperature distribution of CTL1 (c) and CTL2 (d) at 21:00 UTC (The red circle is the vortex eye structure)

2.2 模式模擬能力

為了驗(yàn)證WRF模式對(duì)此次高原低渦過程發(fā)生發(fā)展、移動(dòng)及其結(jié)構(gòu)的模擬能力，選用NCEP-FNL再分析資料與兩組控制試驗(yàn)的高原低渦移動(dòng)路徑進(jìn)行對(duì)比（圖3）。就低渦移動(dòng)路徑來看，模式可以較好地模擬出此次高原低渦的移動(dòng)過程，總體移動(dòng)路徑與再分析資料相一致，但也偶有偏移。江吉喜等[25]以及徐祥德等[26]使用TBB（Black Body Temperature）黑體亮度溫度資料研究了青藏高原地區(qū)對(duì)流云和中尺度對(duì)流系統(tǒng)的活動(dòng)，認(rèn)為TBB資料可用于判斷青藏高原上空對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的強(qiáng)弱；張立鵬等[27]利用風(fēng)云衛(wèi)星TBB等資料評(píng)估WRF模式不同參數(shù)化方案對(duì)云頂溫度模擬的能力，指出WRF模式可以較好地模擬出云頂高度和云頂溫度，其中3種單參數(shù)方案對(duì)云頂溫度模擬能力最好。在此為了驗(yàn)證模式對(duì)于發(fā)展成熟時(shí)期低渦結(jié)構(gòu)的模擬能力，利用FY-2G衛(wèi)星等效黑體亮溫TBB資料與模式輸出的云頂溫度分布進(jìn)行對(duì)比，不難發(fā)現(xiàn)，模式可以模擬出低渦成熟階段其中心的渦眼（渦心無云區(qū)）和外圍的螺旋狀云帶結(jié)構(gòu)，但是渦眼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的時(shí)間相比于觀測(cè)早3 h左右，并且模擬結(jié)果中低渦東側(cè)的云偏多?？傮w來說，模式較好地模擬出了此次高原低渦過程發(fā)展移動(dòng)狀況及其成熟階段的結(jié)構(gòu)。

圖3 FNL再分析資料（a），CTL1（b）和CTL2（c）試驗(yàn)的2015年8月5日06：00—6日18：00高原低渦移動(dòng)路徑Fig.3 FNL reanalysis data (a),CTL1 (b) and CTL2 (c) test of the movement path of the plateau vortex from 06:00 UTC on 5 August to 18:00 UTC on 6 August 2015

從模擬結(jié)果的渦區(qū)（29°—35°N，85°—95°E）500 hPa平均絕對(duì)渦度（圖4a，4c）和平均風(fēng)速（圖4b，4d）來看，8月5日06：00—18：00這4組模擬試驗(yàn)中的渦度和風(fēng)速都迅速增大，說明此時(shí)低渦正快速發(fā)展增強(qiáng)，而后緩慢減弱。在有無云輻射效應(yīng)模擬的差異方面，相比于no_CRF1試驗(yàn)，CTL1試驗(yàn)?zāi)M的高原低渦強(qiáng)度在整個(gè)低渦過程中都更強(qiáng)；CTL2試驗(yàn)與no_CRF2試驗(yàn)相比，在高原低渦生成階段的強(qiáng)度相當(dāng)，但CTL2試驗(yàn)?zāi)M的高原低渦持續(xù)時(shí)間更長，減弱時(shí)間更晚。此外，兩組CTL試驗(yàn)與兩組no_CRF試驗(yàn)?zāi)M的高原低渦強(qiáng)度差異均是大約在模式積分24 h之后才開始變得顯著。這與葛旭陽等[16]利用WRF模式研究云輻射效應(yīng)對(duì)熱帶氣旋的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)控制試驗(yàn)和敏感性試驗(yàn)之間的差異在積分36 h之后才開始變得明顯的結(jié)果類似。因此，主要利用CTL1和no_CRF1試驗(yàn)的結(jié)果來討論云輻射效應(yīng)在高原低渦生成和成熟階段造成的影響；而積分48 h之后云輻射效應(yīng)可能使得大氣中各物理量場(chǎng)出現(xiàn)了較大的偏差，no_CRF1試驗(yàn)中低渦東移階段甚至缺少閉合的氣旋性風(fēng)場(chǎng)，不利于討論云輻射在此次高原低渦東移過程中對(duì)大氣中各物理量場(chǎng)的影響，此時(shí)CTL2和no_CRF2試驗(yàn)在積分24 h之后云輻射效應(yīng)的作用逐漸表現(xiàn)出來，因此利用CTL2和no_CRF2試驗(yàn)討論高原低渦東移階段中云輻射效應(yīng)的影響。

圖4 CTL1（紅線）和no_CRF1（藍(lán)線）試驗(yàn)（a，b）渦區(qū)（29°—35°N，85°—95°E）500 hPa絕對(duì)渦度（a）和風(fēng)速（b）變化；CTL2（紅線）和no_CRF2（藍(lán)線）試驗(yàn)（c，d）渦區(qū)500 hPa絕對(duì)渦度（c）和風(fēng)速（d）變化Fig.4 Absolute vorticity (a) and wind speed (b) at 500 hPa over vortex area (29°—35°N,85°—95°E) of CTL1 (red line)and no_CRF1 (blue line);absolute vorticity (c) and wind speed (d) at 500 hPa over vortex area of CTL2 (red line) and no_CRF2 (blue line)

2.3 高原低渦生成階段中云輻射效應(yīng)的影響

通過CTL1試驗(yàn)和no_CRF1試驗(yàn)的500 hPa風(fēng)場(chǎng)之差（圖5）可以看出，在有云輻射效應(yīng)的模擬中，高原低渦在生成階段氣旋性風(fēng)場(chǎng)形成更快，并且強(qiáng)度也更強(qiáng)。5日09：00（圖5a），CTL1試驗(yàn)中高原低渦生成源地南側(cè)的偏南氣流明顯比no_CRF1試驗(yàn)強(qiáng)，有利于水汽向渦區(qū)輸送，對(duì)低渦的發(fā)展加強(qiáng)起著不可忽視的作用；而5日15時(shí)，CLT1試驗(yàn)相比于no_CRF1試驗(yàn)的500 hPa風(fēng)場(chǎng)分布，在氣旋性風(fēng)場(chǎng)中心處的風(fēng)場(chǎng)輻合氣流更強(qiáng)，更有利于對(duì)流的產(chǎn)生和凝結(jié)潛熱的釋放。

圖5 2015年8月5日09:00（a）和15:00（b）CTL1與no_CRF1試驗(yàn)的500hPa風(fēng)場(chǎng)差值（CTL1-no_CRF1）分布（單位：m/s）Fig.5 Distribution of the 500hPa wind field difference between CTL1 and no_CRF1 (CTL1-no_CRF1) at 09:00 UTC(a) and 15:00 UTC (b) on 5 August 2015 (unit:m/s)

對(duì)比5日06：00—12：00兩組試驗(yàn)沿28°—32°N平均垂直速度剖面圖，在no_CRF1試驗(yàn)中（圖6a），渦區(qū)東南側(cè)（91°—93°E）出現(xiàn)了一個(gè)上升運(yùn)動(dòng)大值區(qū)，平均垂直速度最大超過-0.5 Pa/s，500 hPa風(fēng)場(chǎng)分布上，表現(xiàn)為偏北風(fēng)和偏南風(fēng)的輻合；而在CTL1試驗(yàn)中（圖6b），垂直速度則較弱，平均強(qiáng)度不超過0.3 Pa/s。結(jié)合此時(shí)沿28°—32°N的CTL1試驗(yàn)與no_CRF1試驗(yàn)平均大氣輻射加熱率之差剖面圖（圖6c），發(fā)現(xiàn)位于85°—92°E，250～150 hPa高度的大氣中存在著輻射加熱中心，強(qiáng)度超過4 K/d，高空存在的輻射加熱中心會(huì)導(dǎo)致氣溫直減率的減小，從而增加大氣靜力穩(wěn)定度，抑制對(duì)流的產(chǎn)生[28]；而在no_CRF1試驗(yàn)中則沒有輻射加熱中心出現(xiàn)，加上白天地表加熱較強(qiáng)，CAPE值較大，容易觸發(fā)對(duì)流，而對(duì)流的出現(xiàn)會(huì)使得低層氣流輻合，通過補(bǔ)償作用將周圍空氣吸入，不利于此時(shí)氣旋性風(fēng)場(chǎng)南側(cè)偏南氣流向北發(fā)展和水汽向渦區(qū)輸送。

圖6 2015年8月5日06：00—12：00CTL1（a）和no_CRF1（b）試驗(yàn)平均垂直速度，和CTL1-no_CRF1試驗(yàn)平均輻射加熱率沿28°—32°N剖面Fig.6 Cross section of vertical velocity averaged along 28°-32°N of CTL1 (a) and no_CRF1 (b) on 5 August 201506:00 to 12:00,and that of radiation heating rate of CTL1-no_CRF1

根據(jù)渦區(qū)南側(cè)（85°—95°E，28°—32°N）的平均CAPE值變化（圖7），CAPE值存在著明顯的日變化，主要表現(xiàn)為在白天的大值和在夜間的小值，白天由于太陽輻射加熱地表，使得溫度垂直遞減率加大，減小大氣穩(wěn)定度，造成對(duì)流有效位能較大；到了夜間，地表長波冷卻使得溫度垂直遞減率減小，從而增加大氣穩(wěn)定度，使對(duì)流有效位能減小。就兩組試驗(yàn)中的差異來看，在低渦生成階段（積分第30～第42時(shí)）中CTL1試驗(yàn)的CAPE值明顯較小，小約50～100 J/kg，這進(jìn)一步驗(yàn)證了Harrop等[28]得出的云可在白天通過吸收太陽輻射，降低溫度垂直遞減率，增加大氣穩(wěn)定度，從而抑制對(duì)流的結(jié)論。綜上所述，白天云輻射效應(yīng)通過增加渦區(qū)南側(cè)的大氣穩(wěn)定度，抑制對(duì)流，使得偏南氣流可將水汽向渦區(qū)輸送，對(duì)高原低渦的生成和降水提供必要的水汽條件。

圖7 CTL1（紅線）和no_CRF1（藍(lán)線）試驗(yàn)渦區(qū)南側(cè)（28°—32°N，85°—95°E）的平均CAPE值變化Fig.7 CAPE of CTL1 (red line) and no_CRF1 (blue line)averaged over south side of vortex area (28°—32°N,85°—95°E)

到了夜間（5日15：00），高原低渦逐漸發(fā)展成熟，500 hPa風(fēng)場(chǎng)分布上（圖5b），CTL1試驗(yàn)相比于no_CRF1試驗(yàn)在低渦中心的東側(cè)有一輻合區(qū)，因此推測(cè)在此區(qū)域的垂直運(yùn)動(dòng)更強(qiáng)，有利于低渦的發(fā)展和移動(dòng)。結(jié)合5日12：00—18：00沿32°—34°N平均的垂直速度剖面圖（圖8a，8b），發(fā)現(xiàn)在CTL1試驗(yàn)中，低渦中心東側(cè)（91°—95°E的位置）存在較強(qiáng)的上升氣流，最大垂直速度達(dá)-1.5 Pa/s，高度達(dá)150 hPa，不論強(qiáng)度和范圍都比no_CRF1試驗(yàn)更強(qiáng)更大，與500 hPa風(fēng)場(chǎng)表現(xiàn)出的渦心東側(cè)相對(duì)輻合區(qū)相對(duì)應(yīng)；渦心西側(cè)也有一個(gè)上升氣流區(qū)，但范圍相對(duì)較小，渦心處（89°—91°E）則垂直運(yùn)動(dòng)不明顯。在低渦生成階段，低層輻合和上升運(yùn)動(dòng)是低渦東移發(fā)展的主要因子[24]，所以可認(rèn)為CTL1試驗(yàn)中更強(qiáng)的上升氣流可造成低層氣壓降低和氣旋性輻合也更強(qiáng)，有利于高原低渦發(fā)展移動(dòng)。對(duì)比同一時(shí)段兩組試驗(yàn)大氣輻射加熱率差值分布（圖8c），不難發(fā)現(xiàn)，相比于no_CRF1試驗(yàn)，CTL1試驗(yàn)中在上升氣流中心的上方存在輻射冷卻中心，強(qiáng)度超過10 K/d，在夜間缺少太陽短波輻射的情況下，云頂長波輻射冷卻作用占主導(dǎo)，長波輻射冷卻會(huì)增加大氣溫度直減率，從而導(dǎo)致靜力穩(wěn)定度減弱，增強(qiáng)對(duì)流活動(dòng)[29-30]。因此可認(rèn)為夜間云頂長波輻射冷卻通過減小高原低渦中心東側(cè)的大氣穩(wěn)定度，從而增強(qiáng)對(duì)流，利于高原低渦發(fā)展東移。

圖8 2015年8月5日12：00—18：00CTL1（a）和no_CRF1（b）試驗(yàn)平均垂直速度和CTL1-no_CRF1試驗(yàn)平均輻射加熱率沿32°—34°N剖面Fig.8 Cross section of vertical velocity averaged along 32°-34°N of CTL1 (a) and no_CRF1 (b) on 5 August 201512:00 to 18:00,and that of radiation heating rate of CTL1-no_CRF1

2.4 云輻射效應(yīng)對(duì)成熟階段低渦結(jié)構(gòu)的影響

利用模式輸出的云頂溫度分布對(duì)比兩組試驗(yàn)?zāi)M的低渦成熟時(shí)的結(jié)構(gòu)（圖9），可以看出云輻射效應(yīng)對(duì)其結(jié)構(gòu)造成了較大的影響，CTL1試驗(yàn)中可以模擬出高原低渦外圍形成的螺旋狀云系和中心的渦眼結(jié)構(gòu)（無云區(qū)），與臺(tái)風(fēng)的結(jié)構(gòu)類似，也與FY-2G衛(wèi)星云圖觀測(cè)的高原低渦結(jié)構(gòu)類似；而在no_CRF1試驗(yàn)中，外圍的螺旋狀云系不明顯且缺少渦眼結(jié)構(gòu)。以下通過對(duì)比兩組試驗(yàn)?zāi)M的低渦水平風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)、對(duì)流以及輻射加熱率分布來討論云輻射效應(yīng)對(duì)高原低渦動(dòng)力和熱力結(jié)構(gòu)的影響。

圖9 2018年8月5日18：00（a，b）和21：00（c，d）CTL1（a，c）和no_CRF1（b，d）試驗(yàn)的云頂溫度分布（紅圈為渦心位置）Fig.9 Distribution of cloud top temperature of CTL1 (a,c) and no_CRF1 (b,d) at 18:00 UTC (a,b) and 21:00 UTC (c,d)5 August 2018(the red circle is the position of the vortex center)

對(duì)比CTL1和no_CRF1試驗(yàn)中沿渦心的軸對(duì)稱平均切向風(fēng)分布（圖10a，10b），注意到兩組試驗(yàn)中的風(fēng)場(chǎng)均呈現(xiàn)低層氣旋性、高層反氣旋性風(fēng)場(chǎng)分布，并且氣旋性風(fēng)場(chǎng)的最大中心均是在高度1 km、距渦心3個(gè)經(jīng)緯度左右距離的位置。二者的差異方面，CTL1試驗(yàn)中低層切向風(fēng)強(qiáng)度明顯更強(qiáng)；此外，CTL1試驗(yàn)中正切向風(fēng)（氣旋性風(fēng)場(chǎng)）在距渦心1個(gè)經(jīng)緯度距離的位置可以發(fā)展到更高的高度（6 km以上），形成類似于臺(tái)風(fēng)中的眼壁結(jié)構(gòu)；而no_CRF1試驗(yàn)中低（高）層的（反）氣旋性風(fēng)場(chǎng)的厚度比CTL1試驗(yàn)中的更薄（厚）。這與Ge等[13]通過研究熱帶氣旋，發(fā)現(xiàn)其云區(qū)和晴空區(qū)的輻射差異造成的非絕熱加熱分布可引起邊界層內(nèi)流，從而導(dǎo)致切向風(fēng)和風(fēng)暴尺寸的增加的結(jié)果相似。通過沿渦心的軸對(duì)稱平均垂直速度分布（圖10c，10d），發(fā)現(xiàn)在CTL1試驗(yàn)中，距渦心1個(gè)經(jīng)緯度的范圍內(nèi)，下沉運(yùn)動(dòng)占據(jù)主導(dǎo)，并向上延伸到9 km的高度，高原低渦渦心處高層輻合、低層輻散并伴隨有下沉運(yùn)動(dòng)的配置有利于渦心處無云區(qū)的產(chǎn)生[18]，表現(xiàn)出渦眼結(jié)構(gòu)，同時(shí)，在渦心1個(gè)經(jīng)緯度距離以外，4個(gè)經(jīng)緯度距離以內(nèi)的范圍內(nèi)為上升氣流主導(dǎo)，利于周圍的云區(qū)形成；而no_CRF1試驗(yàn)中，渦心處5 km高度的位置有一強(qiáng)上升氣流區(qū)，最強(qiáng)強(qiáng)度超過-0.3 Pa/s，不利于渦心晴空區(qū)的形成，而渦心周圍的低層為弱下沉氣流，對(duì)流強(qiáng)度較弱，也不利于對(duì)流云的形成，因此no_CRF1試驗(yàn)中低渦成熟階段的對(duì)流云顯著較少。

圖10 2015年8月5日21：00CTL1（a，c，e）和no_CRF1（b，d，f）試驗(yàn)中沿渦心的平均切向風(fēng)（a，b）（單位：m/s）和垂直速度（c，d）（單位：Pa/s），以及18：00（e）和21：00（f）平均輻射加熱率（單位：K/d）半徑-高度剖面圖Fig.10 Radius-height cross section of tangential wind (a,b) (unit:m/s) and vertical velocity (c,d) (unit:Pa/s) of CTL1 (a,c,e) and no_CRF1 (b,d,f) averaged along the vortex center at 21:00 UTC,and that of radiation heating rate (unit:K/d) at 18:00 UTC (e) and 21:00 UTC (f) 5 August 2015

從沿渦心的軸對(duì)稱溫度離差分布圖（圖11）可以發(fā)現(xiàn)，CTL1試驗(yàn)?zāi)M的低渦在5日18：00（圖11a）表現(xiàn)為暖心結(jié)構(gòu)，暖中心向上延伸到8 km，地表為冷中心；到了21：00（圖11c），渦心處逐漸轉(zhuǎn)為冷中心，在低渦眼壁區(qū)仍為暖中心。而no_CRF1試驗(yàn)?zāi)M的高原低渦在成熟階段暖心結(jié)構(gòu)更加明顯，在距渦心一個(gè)經(jīng)緯度的范圍內(nèi)均為暖中心，其強(qiáng)度也比CTL1試驗(yàn)更強(qiáng)，并且5日18：00—21：00時(shí)的變化不大（圖11b，11d）。結(jié)合CTL1-no_CRF1試驗(yàn)的平均大氣輻射加熱率分布（圖11c），由于夜間缺少太陽輻射加熱，整層大氣基本都為輻射冷卻主導(dǎo)，渦心處輻射冷卻中心集中在5 km以下，而其周圍的輻射冷卻中心均位于9 km的高度，這種輻射冷卻中心“內(nèi)低外高”的垂直分布，主要是由于夜間渦心無云區(qū)地表冷卻和外圍云區(qū)云頂冷卻造成的。一方面，從熱源強(qiáng)迫對(duì)邊界層流場(chǎng)結(jié)構(gòu)作用的角度[31]，輻射冷卻中心的分布和溫度變化均滿足在渦心處“內(nèi)冷外熱”型加熱分布，因此有利于渦心下沉運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生；另一方面，從輻射冷卻影響溫度垂直分布，從而影響大氣穩(wěn)定度[29-30]的角度來說，渦心無云區(qū)地表冷卻作用增加了溫度垂直遞減率，加大穩(wěn)定度，不利于對(duì)流產(chǎn)生，而外圍云區(qū)云頂輻射冷卻作用減弱溫度直減率，減小穩(wěn)定度，利于對(duì)流的產(chǎn)生。這種渦心下沉，周圍上升的垂直運(yùn)動(dòng)分布，又反過來促進(jìn)了內(nèi)部無云區(qū)和外圍云區(qū)的形成，構(gòu)成一個(gè)正反饋過程，因此在有云輻射效應(yīng)的模擬中更有利于低渦渦眼結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。

圖11 2015年8月5日18：00（a，b）和21：00（c，d）和CTL1（a，c）和no_CRF1（b，d）試驗(yàn)中沿渦心的平均溫度離差半徑-高度剖面圖（單位：K）Fig.11 Radius-height cross section of temperature deviation of CTL1 (a,c) and no_CRF1 (b,d) averaged along the vortex center at 18:00 UTC (a,b) and 21:00 UTC (c,d) on 5 August 2018

2.5 高原低渦快速東移階段中云輻射效應(yīng)的影響

為了研究高原低渦快速東移階段中云輻射效應(yīng)的影響，選取29°—35°N，90°—100°E作為此次低渦過程的東移區(qū)，分別計(jì)算CTL2和no_CRF2試驗(yàn)6日00：00—7日00：00東移區(qū)平均500 hPa絕對(duì)渦度及其增長率、垂直速度以及300～100 hPa大氣輻射加熱率的變化，對(duì)此階段云輻射效應(yīng)對(duì)高原低渦東移階段強(qiáng)度和移動(dòng)速度的影響進(jìn)行分析。

從6日00：00—7日00：00高原低渦東移區(qū)500 hPa平均絕對(duì)渦度變化（圖12a）可以發(fā)現(xiàn)，絕對(duì)渦度從6日00：00—15：00逐漸增強(qiáng)，6日15：00—7日00：00減弱，反映了高原低渦的東移過程。6日00：00—12：00，CTL2試驗(yàn)?zāi)M的絕對(duì)渦度較大，且兩組試驗(yàn)絕對(duì)渦度之差從6日00：00開始逐漸增加，到06：00二者差異達(dá)到最大，超過0.5×10-5s-1，之后二者差異逐漸減?。?日12：00，no_CRF2東移區(qū)平均絕對(duì)渦度變得比CRF2試驗(yàn)更大；6日18時(shí)二者的差異又開始逐漸減小，同時(shí)整個(gè)東移區(qū)的平均絕對(duì)渦度也逐漸減小，此時(shí)低渦逐漸東移至100°E以東的區(qū)域。從渦度增長率（圖12c）來看，在6日00：00—06：00（早晨至中午），CTL2試驗(yàn)的東移區(qū)渦度增長速率更快，而到了6日06：00—15：00左右（中午至傍晚），則no_CRF2試驗(yàn)的渦度增長率更快；15：00—20：00（夜間），東移區(qū)平均絕對(duì)渦度開始減小，而此時(shí)no_CRF2試驗(yàn)渦度減弱速率更快；20：00之后低渦移至100°E以東的地區(qū)，兩組試驗(yàn)渦度增長率的差異變得較小。

低渦強(qiáng)度的變化可能是由垂直運(yùn)動(dòng)引起的低層輻合變化造成的[31]，通過東移區(qū)平均垂直速度的變化（圖12b），不難發(fā)現(xiàn)，從6日00：00—09：00，上升運(yùn)動(dòng)明顯增強(qiáng)，而后逐漸減弱；到了6日18：00，垂直運(yùn)動(dòng)不明顯，平均強(qiáng)度小于0.05 Pa/s。對(duì)比CTL2和no_CRF2試驗(yàn)東移區(qū)平均垂直運(yùn)動(dòng)差異，6日00：00—06：00（早晨至中午），CTL2試驗(yàn)的上升運(yùn)動(dòng)更強(qiáng)；而從6日07：00—15：00（中午至傍晚），此時(shí)no_CRF2試驗(yàn)上升運(yùn)動(dòng)更強(qiáng)，但兩組試驗(yàn)垂直運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度減弱，到18：00以后低渦移出高原，垂直運(yùn)動(dòng)不明顯。

以上分析表明在低渦東移階段中，東移區(qū)渦度和垂直運(yùn)動(dòng)均存在著晝夜變化。結(jié)合前人的研究[32]，夜間云頂長波冷卻效應(yīng)比內(nèi)部長波保溫效應(yīng)強(qiáng)；而在白天，云區(qū)存在著很強(qiáng)的太陽輻射加熱作用[29]；Zhao等[33]也指出，云輻射效應(yīng)存在著晝夜變化。所以可以推測(cè)，低渦東移階段中，云輻射效應(yīng)的晝夜變化可能引起低渦強(qiáng)度的晝夜變化。對(duì)比東移區(qū)CTL2-no_CRF2試驗(yàn)300～100 hPa大氣輻射加熱率（圖12d），發(fā)現(xiàn)6日00：00—04：00，上層大氣為輻射冷卻主導(dǎo)，強(qiáng)度逐漸轉(zhuǎn)弱，可能與夜間缺少太陽輻射，云頂長波冷卻主導(dǎo)，而到了白天，云內(nèi)部吸收短波輻射逐漸增強(qiáng)有關(guān)；6日05：00—10：00，上層大氣變?yōu)檩椛浼訜嶙饔弥鲗?dǎo)，此時(shí)正處于中午到午后，太陽短波輻射強(qiáng)度較強(qiáng)，云內(nèi)部吸收太陽輻射大于云頂長波輻射冷卻，因此此時(shí)上層大氣為輻射加熱；而到了6日11：00之后，隨著太陽短波輻射逐漸減弱，上層大氣又變?yōu)樵祈旈L波輻射冷卻主導(dǎo)，并維持整個(gè)夜間。

圖12 CTL2（紅線）和no_CRF2（藍(lán)線）試驗(yàn)在低渦東移區(qū)（29°—35°N，90°—100°E）500 hPa絕對(duì)渦度（a），平均垂直速度（b），500 hPa絕對(duì)渦度增長率（c）和CTL2與no_CRF2試驗(yàn)300～100 hPa輻射加熱率差值（CTL2-no_CRF2）（d）變化Fig.12 Variation of absolute vorticity (a),vertical velocity (b),absolute vorticity growth rate (c) at 500 hPa of CTL2 (red line) and no_CRF2 (blue line),and that of 300～100 hPa radiation heating rate difference between CTL2 and no_CRF2 (d) averaged over 29°-35°N,90°-100°E

總體來看，東移過程中CTL2和no_CRF2試驗(yàn)中低渦的強(qiáng)度及其變化速率和垂直運(yùn)動(dòng)變化之差存在晝夜變化，而這種變化與300～100 hPa大氣輻射加熱率變化較為一致，總體上表現(xiàn)為正午前后的輻射加熱，和其余時(shí)間的輻射冷卻，然而注意到絕對(duì)渦度增長速率和垂直速度差異的變化落后于輻射加熱率的變化2～3 h左右，這可能是因?yàn)榇髿廨椛浼訜崾谴髿庵写我姆墙^熱加熱過程，并且動(dòng)力場(chǎng)需要一段時(shí)間來適應(yīng)熱力場(chǎng)的變化[34]，因此，云通過可能調(diào)節(jié)晝夜間大氣輻射加熱率垂直分布的變化，影響大氣穩(wěn)定度，進(jìn)而控制著高原低渦東移過程中強(qiáng)度和移動(dòng)的晝夜變化；而當(dāng)?shù)蜏u東移出高原后，其強(qiáng)度減弱，云輻射效應(yīng)的影響變得不顯著。

3 結(jié)果與討論

本文主要利用NCEP-FNL再分析資料驅(qū)動(dòng)WRF（V3.8.1）模式，對(duì)2015年8月5—7日的一次高原低渦進(jìn)行模擬，并關(guān)閉云輻射效應(yīng)（icloud=0）做敏感性試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：總體來說，有云輻射效應(yīng)的模擬相比于無云輻射效應(yīng)的模擬中，生成的高原低渦強(qiáng)度更強(qiáng)，維持的時(shí)間更長，并且渦心結(jié)構(gòu)更加明顯，說明云輻射效應(yīng)對(duì)高原低渦的發(fā)生發(fā)展及其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定的影響。

進(jìn)一步的分析表明，云輻射效應(yīng)主要通過改變高原低渦云區(qū)的輻射分布來影響大氣穩(wěn)定度，進(jìn)而影響低渦的發(fā)生發(fā)展及其結(jié)構(gòu)特征，并且在高原低渦活動(dòng)的不同階段云輻射效應(yīng)的作用不同，具體來說表現(xiàn)為：在高原低渦的生成階段，白天云通過吸收太陽短波輻射，加熱上空大氣，減小大氣垂直遞減率，抑制低渦東南側(cè)對(duì)流，減小低層由于質(zhì)量補(bǔ)償作用引起的輻合，從而增加低層氣旋性風(fēng)場(chǎng)和向低渦東側(cè)的水汽輸送；夜間云頂輻射冷卻作用主導(dǎo)，而云中下層通過長波逆輻射作用對(duì)大氣進(jìn)行保溫，從而增加中上層大氣不穩(wěn)定度，導(dǎo)致垂直運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)，從而有利于高原低渦的發(fā)展和東移。隨著高原低渦發(fā)展進(jìn)入成熟階段，低渦中心逐漸形成渦眼結(jié)構(gòu)，渦心無云區(qū)和周圍云區(qū)在夜間輻射冷卻的水平和垂直差異，改變大氣穩(wěn)定度的水平和分布，從而造成空氣在渦心下沉、周圍上升，這反過來促進(jìn)渦心無云區(qū)和周圍云區(qū)的形成，構(gòu)成一個(gè)正反饋過程，促進(jìn)渦眼結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。在高原低渦的東移階段中，云輻射效應(yīng)可能對(duì)低渦的強(qiáng)度和東移速率的變化造成了一定的影響，而當(dāng)?shù)蜏u移出高原主體后，其強(qiáng)度逐漸減弱，此時(shí)云輻射效應(yīng)的影響則變得不顯著。

然而，本文得出的結(jié)論是基于個(gè)例研究的結(jié)果，還需在未來對(duì)更多的高原低渦個(gè)例進(jìn)行模擬試驗(yàn)，以明確云輻射效應(yīng)對(duì)高原低渦過程的影響。此外，本文未排除下墊面、低渦與環(huán)境場(chǎng)之間的相互作用對(duì)模擬試驗(yàn)的影響，在今后的工作中有必要對(duì)其進(jìn)一步研究。