理想模擬的溫帶氣旋中冷暖輸送帶特征分析

王迪 張熠 儲(chǔ)可寬 王新敏 3

1 南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，中尺度災(zāi)害性天氣教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210093

2 中國氣象局河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450003

3 河南省氣象臺(tái)，鄭州 450003

1 引言

溫帶氣旋是中緯度地區(qū)非常典型的高影響天氣系統(tǒng)，它的出現(xiàn)極易引起風(fēng)暴潮、狂風(fēng)、暴雨、沙塵暴等災(zāi)害性天氣（趙琳娜和趙思雄, 2004; 趙兵科等, 2008; 劉寧微等, 2009; 趙思雄等, 2018; Fu et al.,2020），對(duì)當(dāng)?shù)丶跋掠蔚貐^(qū)的天氣和氣候產(chǎn)生重大影響。盡管針對(duì)溫帶氣旋的研究由來已久，不過隨著觀測(cè)手段和數(shù)值模擬精細(xì)化水平的不斷提升，在當(dāng)下探究溫帶氣旋的精細(xì)結(jié)構(gòu)仍具有重要意義。

以 往 的 研 究（如Shaw and Lempfert, 1906;Bjerknes, 1919; Bjerknes and Solberg, 1922;Browning and Pardoe, 1973; Carlson, 1980; Young et al., 1987; Wernli, 1997; 熊 秋芬 等, 2013; Smart and Browning, 2014; Catto et al., 2015; 趙宇等, 2018）表明，輸送帶氣流是溫帶氣旋中引發(fā)災(zāi)害性天氣的重要結(jié)構(gòu)，特別是冷、暖兩類輸送帶。提升對(duì)輸送帶特征的認(rèn)識(shí)，對(duì)于準(zhǔn)確把握氣旋產(chǎn)生的災(zāi)害性天氣，深入理解中緯度天氣系統(tǒng)（Dacre et al., 2019），甚至改進(jìn)數(shù)值模式預(yù)報(bào)性能（Gray et al., 2014）都非常有價(jià)值。

暖輸送帶（Warm Conveyor Belt）是從對(duì)流層低層低緯度向極地運(yùn)動(dòng)且具有上升特性的暖濕氣流，對(duì)氣旋云系和降水的形成影響顯著（Harrold, 1973;Browning, 1986, 1990; Eckhardt et al., 2004; Flaounas et al., 2018）。它在上升過程中可以將低層水汽、動(dòng)量以及邊界層內(nèi)污染物等輸送到自由大氣（Sinclair et al., 2008），同時(shí)上升氣流中位渦的非絕熱變化也會(huì)對(duì)高空脊區(qū)的發(fā)展、羅斯貝波傳播以及下游天氣過程產(chǎn)生重要影響（Methven, 2015）。Carlson（1980）認(rèn)為暖輸送帶是在暖區(qū)中平行冷鋒向北運(yùn)動(dòng)并且在暖鋒上方反氣旋式運(yùn)動(dòng)到對(duì)流層上層的氣流。Browning（1986）把暖輸送帶劃分為“相對(duì)冷鋒后傾上升”和“相對(duì)冷鋒前傾上升”兩支氣流。隨后的研究（Browning and Roberts, 1994;Browning, 1997; Martínez-Alvarado et al., 2014）又依據(jù)暖輸送帶上升位置的不同及對(duì)氣旋云系形成的重要性，將其歸納為主暖輸送帶（WCB1）和次暖輸送帶（WCB2），WCB1 沿著冷鋒反氣旋式運(yùn)動(dòng)到對(duì)流層頂，而WCB2 繞著氣旋中心氣旋式運(yùn)動(dòng)到對(duì)流層中層。而Schemm et al.（2013）發(fā)現(xiàn)在理想濕斜壓波發(fā)展過程中暖輸送帶主要在后彎暖鋒區(qū)（bent-back front）附近上升。

冷輸送帶（Cold Conveyor Belt）是從氣旋低壓東部冷區(qū)向低壓中心運(yùn)動(dòng)的氣流帶，是逗點(diǎn)云系的重要組成部分（Carlson, 1980），有利于氣旋尾部強(qiáng)陣風(fēng)的出現(xiàn)（Smart and Browning, 2014; Coronel et al., 2016），而且它的溫濕特性影響著地面降水相態(tài)和強(qiáng)度（Schultz, 2001）。對(duì)于冷輸送帶的結(jié)構(gòu)，Carlson（1980）認(rèn)為它從地面低壓東側(cè)的高壓區(qū)后部出發(fā)，反氣旋式運(yùn)動(dòng)并且在低壓中心附近迅速上升到對(duì)流層中高層。Browning（1986）指出它也可能環(huán)繞低壓中心氣旋式下沉。Mass and Schultz（1993）識(shí)別的冷輸送帶在對(duì)流層低層從暖鋒北側(cè)氣旋式運(yùn)動(dòng)到冷鋒區(qū)。Schultz（2001）的研究也分析出在對(duì)流層低層呈氣旋式運(yùn)動(dòng)的冷輸送帶，并且認(rèn)為Carlson（1980）識(shí)別的冷輸送帶應(yīng)該是介于氣旋式冷輸送帶和暖輸送帶之間的變換形態(tài)。Ziv et al.（2010）對(duì)地中海地區(qū)8 次冬季氣旋內(nèi)冷輸送帶結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，所有的氣旋都存在始終在低層運(yùn)動(dòng)的冷輸送帶，而有一半不具有反氣旋式上升氣流帶。Schemm and Wernli（2014）認(rèn)為冷輸送帶上升運(yùn)動(dòng)較弱，主要在對(duì)流層低層沿著后彎暖鋒氣旋式運(yùn)動(dòng)。

前人的研究工作都認(rèn)識(shí)到輸送帶的重要作用，并從不同角度進(jìn)行了探究分析，但是對(duì)于其結(jié)構(gòu)特征的認(rèn)知還是有所不同。為了進(jìn)一步探究冷、暖輸送帶氣流的精細(xì)結(jié)構(gòu)特征，考慮到理想試驗(yàn)?zāi)軌蜉^好再現(xiàn)氣旋典型結(jié)構(gòu)并能有效消除地形、個(gè)例特殊性等因素的影響（Schemm et al., 2013），本文采用WRF 理想斜壓波模式模擬濕過程中溫帶氣旋的發(fā)展演變過程，并在此基礎(chǔ)上識(shí)別并探究冷、暖輸送帶的結(jié)構(gòu)特征。本文第2 節(jié)主要闡述數(shù)值模式及模擬方案的設(shè)計(jì)，第3 節(jié)著重分析濕過程中理想溫帶氣旋的演變特征，第4 節(jié)側(cè)重探究輸送帶結(jié)構(gòu)和物理特征，最后是結(jié)論和展望。

2 數(shù)值模式和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文采用WRF-ARW V3.5.1 模式對(duì)濕物理過程中的理想斜壓波進(jìn)行數(shù)值模擬，參數(shù)化方案選用Kessler 暖云微物理方案（Kessler, 1969）疊加Kain-Fritsch 積云對(duì)流參數(shù)化方案（Kain and Fritsch,1990, 1993），同時(shí)關(guān)閉地面通量交換、摩擦和輻射等不影響氣旋結(jié)構(gòu)的物理過程，使得構(gòu)造的模式大氣更“干凈”，從而突出斜壓和非絕熱加熱對(duì)氣旋發(fā)展的作用。模式假定在?平面下，科氏參數(shù)取常數(shù)?=10?4s?1，模式層頂設(shè)為16 km，采用通量形式的完全可壓縮非靜力方程作為控制方程組。垂直方向采用地形跟隨坐標(biāo)系，均勻劃分為64 層，分辨率為250 m。水平方向采用Arakawa-C 網(wǎng)格，模擬的矩形區(qū)域網(wǎng)格分辨率為20 km，東西方向長(zhǎng)14000 km，采用周期性邊界，南北方向?qū)?000 km，設(shè)為對(duì)稱性邊界。

為使模擬的斜壓波得到快速增長(zhǎng)，研究參考Tan et al.（2004）、 張熠和談?wù)苊簦?007）改進(jìn)了WRF 理想斜壓波模式的初始場(chǎng)，采用位渦反演方法由二維位渦場(chǎng)反演得到東西向均勻的二維準(zhǔn)地轉(zhuǎn)平衡的斜壓基本氣流場(chǎng)。然后根據(jù)位渦發(fā)展理論（Hoskins et al., 1985），加入三維溫度擾動(dòng)異常破壞二維平衡場(chǎng)的穩(wěn)定性，從而觸發(fā)斜壓波擾動(dòng)發(fā)展過程。溫度擾動(dòng)的振幅為2 K，水平半徑為1000 km，垂直半徑為8 km，擾動(dòng)中心大體位于模擬區(qū)域內(nèi)東西方向900 km、南北方向4100 km 且垂直方向8 km 處（圖1b）。這樣構(gòu)造的初始場(chǎng)具有強(qiáng)烈的斜壓性，在局地?zé)崃Σ环€(wěn)定的觸發(fā)下非常有利于氣旋的快速發(fā)展。圖1a 顯示模式初始場(chǎng)的南北方向垂直剖面，在對(duì)流層頂附近存在中心值超過65 m s?1的西風(fēng)急流，急流中心隨著高度增加向南傾斜，急流中心區(qū)等位溫線密集，對(duì)流層頂折疊明顯。初始溫濕場(chǎng)呈現(xiàn)“南暖北冷”、“南濕北干”的結(jié)構(gòu)，在對(duì)流層低層更明顯，與實(shí)際大氣特征基本一致。

3 理想斜壓波發(fā)展過程

圖2 為模擬的斜壓波在低層925 hPa 的演變特征。模式積分至60 h，模擬區(qū)域內(nèi)溫壓場(chǎng)擾動(dòng)明顯，出現(xiàn)一條寬廣的斜壓帶，形成深厚低壓槽（標(biāo)識(shí)“L”），若以水平位溫梯度超過2.5 K (100 km)?1的區(qū)域代表鋒區(qū)，低槽附近出現(xiàn)西北—東南向的暖鋒區(qū)，而冷鋒鋒生相對(duì)較弱。至84 h，低槽發(fā)展為閉合低壓中心（主氣旋），同時(shí)在其上下游均出現(xiàn)新的低壓擾動(dòng)，氣旋中心附近等位溫線更加密集，冷、暖鋒鋒生作用加強(qiáng)，暖鋒環(huán)繞氣旋中心彎曲延伸，形成典型“后彎”結(jié)構(gòu)（bent-back）。96 h 以后冷鋒顯著增強(qiáng)，近乎與暖鋒正交，形成“T 狀”鋒區(qū)（T-bone zone），同時(shí)暖空氣進(jìn)一步收縮成一條伸向氣旋中心的暖舌。120 h 時(shí)，暖舌斷裂形成孤立暖心（warm seclusion），鋒面錮囚，此時(shí)主氣旋達(dá)到成熟階段。126 h 以后冷鋒逐漸遠(yuǎn)離暖鋒，主氣旋趨于消亡（圖略）。盡管與以往的研究（張熠和談?wù)苊? 2007; Schemm et al., 2013; Schemm and Wernli, 2014）采用不同的數(shù)值模式和初始場(chǎng)構(gòu)造，但是模擬的氣旋演變結(jié)果卻非常類似，均符合Shapiro-Keyser 氣旋模型（Shapiro and Keyser, 1990）主要特征，大體都經(jīng)歷了初生、增強(qiáng)、錮囚、衰亡四個(gè)階段，呈現(xiàn)出典型的暖鋒“后彎”、“T 狀”鋒區(qū)以及孤立暖心結(jié)構(gòu)。這說明本試驗(yàn)設(shè)計(jì)合理，捕捉到了溫帶氣旋發(fā)展的主要特征，可用于分析溫帶氣旋的結(jié)構(gòu)。

圖2 模式積分60～126 h 時(shí)段內(nèi)鋒面氣旋在對(duì)流層低層925 hPa 的發(fā)展演變特征。圖（a–e）中灰實(shí)線為等高線（間隔50 gpm），黑實(shí)線為等位溫線（間隔2 K）；圖（f–j）中實(shí)線為等高線（間隔50 gpm），符號(hào)L 標(biāo)識(shí)主氣旋的中心，填色表示水平位溫梯度 [間隔0.5 K (100 km)?1]Fig.2 Development evolution of the frontal cyclone in the lower level of 925 hPa during the simulation period from 60 h to 126 h. Gray and black lines respectively indicate the height (every 50 gpm) and potential temperature (every 2 K) in Figs. (a–e). Solid lines indicate the height (every 50 gpm), and the symbol “L” denotes the primary cyclone center with the horizontal potential temperature gradient shaded [every 0.5 K (100 km)?1] in Figs. (f–j)

圖1（a）模式初始基本場(chǎng)和（b）溫度擾動(dòng)（等值線，間隔0.2 K）的垂直剖面。圖（a）中紅色實(shí)線為緯向風(fēng)速等值線（間隔5 m s?1），深灰色實(shí)線表征位溫（間隔6 K），粗虛線為對(duì)流層頂（1.5 PVU 的等位渦線，1 PVU=10?6 K kg?1 m2 s?1），填色表示相對(duì)濕度（間隔10%）Fig.1 Vertical profile of (a) the initial basic field and (b) temperature perturbation (contours, interval 0.2 K) in the numerical model. Red solid lines indicate the zonal wind speed (every 5 m s?1), and dark gray solid lines show the potential temperature (every 6 K). The thick dash line represents the 1.5 PVU (1 PVU=10?6 K kg?1 m2 s?1) tropopause with the relative humidity shaded (every 10%) in (a)

從主氣旋中心氣壓變化特征來看（圖3），模式積分前48 h 內(nèi)氣旋發(fā)展緩慢，此后隨著高低空系統(tǒng)的相互作用，氣旋進(jìn)入快速發(fā)展階段（Zhang et al., 2016），中心氣壓迅速下降，在96～120 h時(shí)段內(nèi)中心氣壓遞減率達(dá)到37 hPa (24 h)?1，滿足爆 發(fā) 性 氣 旋 的 強(qiáng) 度 標(biāo) 準(zhǔn)（Sanders and Gyakum,1980）。下文將選取這一時(shí)段來分析氣旋內(nèi)部的輸送帶結(jié)構(gòu)特征。

圖3 主氣旋中心氣壓時(shí)間演變特征Fig.3 Temporal evolution of central pressure values of the primary cyclone

4 理想溫帶氣旋的三維輸送帶結(jié)構(gòu)

由于以往研究對(duì)輸送帶的定義多是定性描述，在客觀分析輸送帶時(shí)需要將定性描述轉(zhuǎn)化為定量指標(biāo)，不過目前尚未形成統(tǒng)一的定量篩選標(biāo)準(zhǔn)。Wernli and Davies（1997）將輸送帶定義為連貫的軌跡束，并運(yùn)用拉格朗日方法進(jìn)行識(shí)別追蹤。首先通過后向或前向追蹤計(jì)算一定時(shí)段內(nèi)大量空氣塊的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后設(shè)定一種或多種物理特征篩選標(biāo)準(zhǔn)[如運(yùn)動(dòng)到高層時(shí)位渦超過2 PUV（1 PVU=10?6K kg?1m2s?1，下同）、運(yùn)動(dòng)過程中比濕下降超過10 g kg?1等] 來識(shí)別輸送帶。本文借鑒這種思路，利用WRF 后處理軟件RIP（Read/Interpolate/Plot）進(jìn)行軌跡計(jì)算及繪圖，該軟件提供的軌跡計(jì)算模塊主要利用速度場(chǎng)（u,v,w）采用線性插值方法計(jì)算軌跡，詳細(xì)說明參見軟件說明書第6 節(jié)（https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/docs/ripug.htm [2020-08-06]）。本文分析了主氣旋鋒面附近大量格點(diǎn)氣塊從96 h 到120 h 的前向運(yùn)動(dòng)軌跡，然后根據(jù)物理特性不同設(shè)定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)篩選輸送帶，并通過軌跡相對(duì)氣旋中心運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)特征歸納分類。為使分析的氣塊軌跡既具有氣象學(xué)統(tǒng)計(jì)意義又保持樣本數(shù)目一致性，對(duì)各類輸送帶均選取特征最明顯的30 條軌跡進(jìn)行合成分析。

4.1 暖輸送帶

在前人的描述中，暖輸送帶一般始于對(duì)流層低層暖區(qū)內(nèi)且具有明顯上升特性。Schemm et al.（2013）采用48 小時(shí)內(nèi)上升高度超過600 hPa 篩選主氣旋中暖輸送帶，采用48 小時(shí)內(nèi)上升高度超過525 hPa 篩選下游氣旋中暖輸送帶。參照此標(biāo)準(zhǔn)，本文假定暖輸送帶在模式積分96 h 時(shí)從925 hPa 冷鋒前暖區(qū)內(nèi)出發(fā)，24 小時(shí)內(nèi)上升到500 hPa 以上。

圖4 所示為篩選的暖輸送帶在模式積分96～120 h 內(nèi)相對(duì)氣旋中心的運(yùn)動(dòng)軌跡，依據(jù)軌跡的運(yùn)動(dòng)形態(tài)可劃分為兩支氣流。一支暖輸送帶起初在暖區(qū)內(nèi)一直向北運(yùn)動(dòng)，隨后在暖鋒附近上升，當(dāng)?shù)竭_(dá)對(duì)流層上層時(shí)逐漸順時(shí)針向氣旋下游運(yùn)動(dòng)。與Schemm et al.（2013）一樣，可定義為“前傾上升”暖輸送帶（簡(jiǎn)稱fWCB）。從沿著暖輸送帶軌跡各物理量及其平均值隨時(shí)間變化特征來看（圖5），fWCB 在102 h 之前垂直速度近乎為零，向北水平運(yùn)動(dòng)過程中逐漸趨于飽和，比濕、位溫及位渦保持守恒。102～112 h 內(nèi)fWCB 在暖鋒附近快速上升，平均垂直速度最大達(dá)0.6 m s?1，最終到達(dá)330 hPa高度層附近。在105 h 之前，氣流柱垂直拉伸，相對(duì)渦度始終為正（AVO>1f，f為地轉(zhuǎn)渦度特征值，取常數(shù)10?4s?1，下同）。在水汽相變加熱作用下，位渦平均從0.3 PVU 增加到0.8 PVU。此后fWCB向下游運(yùn)動(dòng)進(jìn)入高壓脊區(qū)，相對(duì)渦度逐漸轉(zhuǎn)為負(fù)值，同時(shí)凝結(jié)潛熱釋放減弱，導(dǎo)致位渦逐漸減小到零值附近，在高層出流區(qū)形成明顯負(fù)位渦異常，有利于高空高壓脊加強(qiáng)，從而促進(jìn)高層槽脊系統(tǒng)發(fā)展（Hoskins, 2015）。上升過程中水汽飽和凝結(jié)，比濕迅速下降，產(chǎn)生大量降水。圖6a 給出102～108 h內(nèi)累積降水和fWCB 水平軌跡分布，降水呈“逗點(diǎn)”狀分布在冷、暖鋒附近，氣旋東側(cè)及西北側(cè)均出現(xiàn)降水極值中心區(qū)，以東側(cè)降水最強(qiáng)。此時(shí)段內(nèi)fWCB 正位于氣旋東側(cè)降水極值區(qū)上空，從氣旋南側(cè)暖區(qū)向西北方向旋轉(zhuǎn)上升，6 h 內(nèi)比濕平均減少6.5 g kg?1以上（圖5）。為了更清晰地展示暖輸送帶與降水落區(qū)的配置，圖6b 分析了106 h沿著fWCB 經(jīng)過降水中心時(shí)軌跡大致位置的垂直剖面，此時(shí)對(duì)流層400 hPa 以下均為飽和大濕度區(qū)，在600 hPa 左右出現(xiàn)南北兩個(gè)垂直速度大值中心，fWCB 出現(xiàn)在兩個(gè)速度中心區(qū)內(nèi)，上升速度均超過0.4 m s?1，最高可達(dá)1.26 m s?1，絕對(duì)渦度平均是地轉(zhuǎn)渦度的1.6 倍（圖5）。112 h 以后氣流帶主要向著氣旋下游水平運(yùn)動(dòng)，在對(duì)流層高層略有下沉，位溫基本保持312 K。整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中fWCB 相當(dāng)位溫基本守恒，近乎濕絕熱變化。

另一支暖輸送帶從冷鋒附近暖區(qū)出發(fā)沿著冷鋒向北傾斜上升，隨后沿著后彎暖鋒相對(duì)氣旋中心逆時(shí)針后向傾斜上升（圖4）。這支氣流與前人（Browning, 1986; Schemm et al., 2013）描 述 的“后傾上升”暖輸送帶（簡(jiǎn)稱rWCB）特征大體類似，不過Browning（1986）和Schemm et al.（2013）分析的rWCB 始終沿著冷鋒運(yùn)動(dòng)，文中分析的rWCB 卻先后沿著冷鋒和后彎暖鋒，出現(xiàn)兩次位置和速率明顯不同的上升過程。由圖5 可知，rWCB在運(yùn)動(dòng)過程中仍是濕絕熱變化，相當(dāng)位溫與fWCB相差不大。在96～112 h 內(nèi)氣流沿著冷鋒緩慢上升到740 hPa 左右，比濕減少、位溫升高、位渦略有波動(dòng)，各物理量相比于fWCB 變化緩慢。112 h 以后，氣流沿著后彎暖鋒爬升，上升幅度平均約為300 hPa (8h)?1，位溫大幅增加，水汽含量迅速遞減。類似fWCB，在117 h 之前相對(duì)渦度迅速增大，平均位渦增加到0.6 PVU。此后氣流相對(duì)渦度減小，潛熱釋放減弱，最終在高層420 hPa 高度位渦不斷降低到0 值附近，同樣在高層產(chǎn)生負(fù)位渦異常區(qū)。rWCB 在上升過程中比濕平均下降7.5 g kg?1，同樣產(chǎn)生大量水汽凝結(jié)，有利于冷鋒前降水和氣旋東側(cè)降水極值中心區(qū)的出現(xiàn)（圖略）?？偟膩碚f，兩支暖輸送帶初始溫濕特性相差不大，均對(duì)降水的增強(qiáng)和維持具有重要作用，但fWCB 垂直上升更旺盛，各物理量變化更強(qiáng)烈。

圖4 暖輸送帶在模式積分96～120 h 內(nèi)相對(duì)氣旋中心運(yùn)動(dòng)軌跡的示意圖：（a）暖輸送帶軌跡的水平投影，疊加96 h 的925 hPa 等位溫線（實(shí)線，間隔2 K）和等高線（虛線，間隔50 gpm）；（b）同圖（a），但背景疊加的是120 h 的溫壓場(chǎng)；軌跡在（c）東西方向和（d）南北方向的垂直投影。圖中紅色軌跡矢為“前傾上升”支（fWCB），藍(lán)色軌跡矢為“后傾上升”支（rWCB），箭矢間隔6 hFig.4 Trajectories of warm conveyor belts relative to the cyclone motion during the simulation period from 96 h to 120 h. Shown are horizontal snapshots at (a) 96 h and (b) 120 h, where solid lines are the potential temperature (solid lines, every 2 K) and dash lines are the height (dash lines,every 50 gpm) at the 925 hPa. Vertical profiles of trajectories are presented in the (c) west–east and (d) north–south direction. Red streamlines are“f orward-sloping ascent” (fWCB) branches, and blue trajectories are “rearward-sloping ascent” (rWCB), where the arrows are added every 6 h

圖5 沿暖輸送帶的主要物理量隨時(shí)間演變特征。氣壓（p，單位：hPa），位溫（TH，單位：K），位渦（PV，單位：PVU），比濕（Qv，單位：g kg?1），垂直速度（W，單位：10?2 m s?1)，相當(dāng)位溫（ETH，單位：K），絕對(duì)渦度（AVO，單位：1 f， f 為地轉(zhuǎn)渦度，取特征值10?4 s?1），相對(duì)濕度（RH）。藍(lán)色加號(hào)和紅色圓圈分別表示不同時(shí)刻“前傾上升”（fWCB）和“后傾上升”（rWCB）支氣流軌跡點(diǎn)的特征值，實(shí)線為30 條軌跡上各物理量的平均值Fig.5 Temporal evolution of key parameters along the warm conveyor belts shown as pressure (p, units: hPa), potential temperature (TH, units: K),potential vorticity (PV, units: PVU), specific humidity (Qv, units: g kg?1), vertical velocity (W, units: cm s?1), equivalent potential temperature (ETH,units: K), absolute vorticity (AVO, units:1 f, f denotes geostrophic vorticity, taking eigenvalue 10?4 s?1), and relative humidity (RH). Blue plus signs and red circles indicate the “forward-sloping ascent” (fWCB) and “rearward-sloping ascent” (rWCB), respectively, with solid lines representing the average values

圖6（a）模式積分108 h 時(shí)刻過去6 小時(shí)累積降水與“前傾上升”暖輸送帶（fWCB）軌跡的水平分布，其中淺灰色細(xì)實(shí)線表示等位溫線（間隔2 K），點(diǎn)虛線表示海平面氣壓（間隔5 hPa），深灰色實(shí)線表示降水零值線，填色為降水量（單位：mm），帶狀實(shí)線表示30 條輸送帶的軌跡束，箭頭指向軌跡運(yùn)動(dòng)方向，標(biāo)志“L”表示氣旋中心，線AB 指示模式積分106 h 后軌跡的大致位置。（b）沿模式積分106 h時(shí)刻的fWCB 軌跡大致位置AB 的垂直剖面，其中數(shù)字為輸送帶編號(hào)（編號(hào)所對(duì)應(yīng)高度即為此刻空氣粒子所在高度），淺灰色實(shí)線為等位溫線（間隔2 K），兩條粗實(shí)線分別對(duì)應(yīng)相對(duì)濕度90 %和95 %等值線，填色表示垂直速度（間隔20 cm s?1）Fig.6 (a) Distribution of accumulative precipitation and “forward-sloping ascent” (fCCB) trajectories in the last 6 h in the simulation time of 108 h,where the thin gray line indicates the potential temperature (every 2 K), the dot-dash line denotes the sea level pressure (every 5 hPa), the thick gray line represents the zero line shaded with the rainfall amount(units: mm), arrow lines denote 30 trajectories with the arrow pointing to the motion direction, the symbol “L” is the cyclone center, and the line AB shows the approximate position of trajectories in the simulation time of 106 h. (b)Vertical profile of fCCB trajectories across the line AB in (a) at 106 h, where the numbers indicate trajectories with the height corresponding to the numbers representing the height of air particles, thin gray lines show the potential temperature (every 2 K), and two thick solid lines respectively represent the relative humidity of 90% and 95% with the vertical velocity (every 20 cm s?1) shaded

4.2 冷輸送帶

從對(duì)此前冷輸送帶結(jié)構(gòu)研究的回顧來看，一些學(xué)者認(rèn)為冷輸送帶從對(duì)流層低層出發(fā)，存在明顯上升特性（Carlson, 1980; Ziv et al., 2010），而有些學(xué)者認(rèn)為它主要在對(duì)流層低層運(yùn)動(dòng)（Mass and Schultz, 1993; Schultz, 2001），可能環(huán)繞氣旋中心下沉（Browning, 1986），也可能出現(xiàn)弱上升運(yùn)動(dòng)（Schemm and Wernli, 2014）。為更全面探究冷輸送帶結(jié)構(gòu)，本文結(jié)合此前幾種描述的共性特征，僅設(shè)定冷輸送帶起始于大氣低層925 hPa 氣旋低壓中心東側(cè)暖鋒前的冷區(qū)內(nèi)。篩選出的冷輸送帶根據(jù)分裂位置和運(yùn)動(dòng)形態(tài)的不同大體可以歸納為四支氣流帶（圖7），即“后傾上升”支（簡(jiǎn)稱rCCB）、“前傾上升”支（簡(jiǎn)稱fCCB）、“環(huán)氣旋后傾”支（簡(jiǎn)稱crCCB）和“環(huán)氣旋前傾”支（簡(jiǎn)稱cfCCB）。

圖7 同圖4，但為冷輸送帶的軌跡示意圖。（a，b）軌跡水平投影疊加96 h 的925 hPa 溫壓場(chǎng)，（c，d）軌跡水平投影疊加120 h 的925 hPa溫壓場(chǎng)，（e）軌跡在東西方向的垂直投影，（f）軌跡在南北方向的垂直投影。圖中藍(lán)色、紅色、綠色和橙色軌跡線分別表示“前傾上升”支（fCCB）、“后傾上升”支（rCCB）、“環(huán)氣旋后傾”支（crCCB）和“環(huán)氣旋前傾”支（cfCCB）冷輸送帶Fig.7 Same as Fig.4 but for trajectories of cold conveyor belts. Shown are horizontal snapshots with the 925 hPa temperature-pressure field at (a, b)96 h and (c, d) 120 h. Vertical profiles of trajectories are presented in the (e) west-east and (f) north-south direction. Blue trajectories are “forwardsloping ascent” (fCCB) types, and the red trajectories are the “rearward-sloping ascent” (rCCB), while green trajectories are “wrapping around the cyclone and rearward-sloping” (crCCB), and orange trajectories are “wrapping around the cyclone and forward-sloping” (cfCCB)

rCCB 和fCCB 這兩支氣流上升特征明顯，起初靠近暖鋒，朝向氣旋中心在暖鋒鋒前上升，運(yùn)動(dòng)到氣旋中心東北側(cè)后出現(xiàn)分裂，rCCB 繼續(xù)向著氣旋中心上游沿著后彎暖鋒運(yùn)動(dòng)，而fCCB 則朝向氣旋下游運(yùn)動(dòng)。圖8 所示為沿著兩支軌跡束的物理量變化特征，它們總體性質(zhì)差異不大，在96～108 h內(nèi)，均表現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)上升特征，平均上升到500 hPa高度以上，期間水汽不斷凝結(jié)，比濕遞減至0.5 g kg?1以下。兩類氣流垂直渦度幾乎同步變化，先增加后減小，同時(shí)由于水汽凝結(jié)加熱作用隨高度變化，位渦也出現(xiàn)類似變化，峰值出現(xiàn)時(shí)間略晚于渦度，平均變幅均超過1 PVU，rCCB 更是高達(dá)2.5 PVU。兩支氣流在低層750 hPa 左右形成平均超過2PVU的位渦峰值，有利于產(chǎn)生正位渦異常區(qū)，促進(jìn)低層系統(tǒng)發(fā)展（Hoskins et al., 1985）。由于fCCB 初始位置更靠近暖鋒，溫濕特性更顯著，相當(dāng)位溫更大，上升運(yùn)動(dòng)更強(qiáng)。這兩支冷輸送帶對(duì)降水同樣有促進(jìn)作用，圖9a 所示為96～102 h 的累積降水和rCCB軌跡分布，此時(shí)段內(nèi)rCCB 軌跡水平方向大體呈東南—西北走向，在氣旋東側(cè)降水極值區(qū)內(nèi)旋轉(zhuǎn)上升，比濕平均下降約3.5 g kg?1。從99 h 沿rCCB 軌跡的垂直剖面（圖9b）可見，此時(shí)rCCB 氣流位于低層暖鋒鋒區(qū)內(nèi)，處于飽和狀態(tài)，垂直速度大多在0.15 m s?1以上，最大超過0.5 m s?1，同時(shí)伴隨強(qiáng)烈的渦旋特征，相對(duì)渦度平均為1.8f，水汽凝結(jié)作用強(qiáng)烈，平均位渦達(dá)3 PVU。fCCB 在上升運(yùn)動(dòng)過程中與降水落區(qū)的配置關(guān)系也與此類似（圖略）。最后12 h 內(nèi)，rCCB 在高空槽區(qū)緩慢上升到460 hPa附近，近似濕絕熱變化，各物理量特征變化不大；fCCB 在高空脊區(qū)內(nèi)反氣旋式旋轉(zhuǎn)下沉，平均降至550 hPa 附近，絕對(duì)渦度一度減小到?0.2f，下沉過程中可能受下落的凝結(jié)水蒸發(fā)作用的影響，比濕略有增加。

圖8 同圖5，但為“后傾上升”（rCCB，紅色圓圈）和“前傾上升”（fCCB，藍(lán)色加號(hào)）冷輸送帶Fig.8 Same as Fig.5, but red circles and blue plus signs respectively represent the “rearward-sloping ascent” (rCCB) and “forward-sloping ascent”(fCCB) cold conveyor belts

圖9 同圖6，但為（a）102 h 的過去6 小時(shí)累積降水及“后傾上升”冷輸送帶（rCCB）軌跡，及（b）沿99 h 的 rCCB 軌跡Fig.9 Same as Fig.6, but (a) for the accumulative rainfall and “rearward-sloping ascent” (rCCB) trajectories in the last 6 h at 102 h, (b) for the rCCB trajectories at 99 h

結(jié)合圖7 和圖10 來看，crCCB 和cfCCB 這兩支冷輸送帶始終在對(duì)流層低層運(yùn)動(dòng)，均始于遠(yuǎn)離暖鋒的鋒前冷區(qū)內(nèi)，水汽含量較少，起初向著氣旋中心運(yùn)動(dòng)，受高空下落的水凝物蒸發(fā)作用的影響，比濕略增加，cfCCB 更明顯。此后cfCCB 在氣旋中心偏北側(cè)環(huán)繞氣旋中心氣旋式旋轉(zhuǎn)上升，平均上升到720 hPa 左右。在弱上升過程中氣流物理量特征變化類似rCCB，平均來看，比濕下降1.4 g kg?1，垂直渦度增加2f，位渦增加2PVU，同樣在低層氣旋中心附近形成正位渦異常區(qū)，利于低層系統(tǒng)發(fā)展。105 h 以后cfCCB 從氣旋偏西側(cè)繼續(xù)環(huán)繞氣旋中心氣旋式下沉到閉合暖心內(nèi)，在下沉運(yùn)動(dòng)前期受到干侵入氣流的影響，比濕不斷減小，后期在暖心附近水汽含量又略有增加。而crCCB 在到達(dá)氣旋中心附近以后先環(huán)繞氣旋中心上升運(yùn)動(dòng)到氣旋偏西側(cè)850 hPa 高度以下，102 h 以后繼續(xù)向氣旋上游順時(shí)針下沉，最終降至地面附近，進(jìn)入主氣旋后側(cè)的高壓區(qū)內(nèi)。在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，crCCB 氣流基本以水平運(yùn)動(dòng)為主，垂直運(yùn)動(dòng)很弱，最大垂直速度不超過0.15 m s?1，除濕度參量外各物理量變化幅度不大。cfCCB 和crCCB 這兩支氣流雖然一直在對(duì)流層低層運(yùn)動(dòng)，但其環(huán)氣旋中心的弱上升運(yùn)動(dòng)也利于氣旋中心西北側(cè)暖鋒彎背處產(chǎn)生弱降水，本文因篇幅所限未給出分析圖。

圖10 同圖5，但為 “環(huán)氣旋前傾”（cfCCB，橙色加號(hào)）和“環(huán)氣旋后傾”（crCCB，綠色圓圈）冷輸送帶Fig.10 Same as Fig.5, but orange plus signs and green circles respectively represent the “wrapping around the cyclone and forward-sloping”(cfCCB) and “wrapping around the cyclone and rearward-sloping” (crCCB) cold conveyor belts

5 結(jié)論與展望

本文通過拉格朗日軌跡篩選分析方法，詳細(xì)探究了理想濕過程模擬中溫帶氣旋內(nèi)部冷、暖輸送帶的精細(xì)結(jié)構(gòu)，對(duì)比分析了各類輸送帶運(yùn)動(dòng)過程中物理量演變特征，最終歸納出了新的冷、暖輸送帶概念模型（圖11）。文章主要得到如下結(jié)論：

圖11 理想溫帶氣旋內(nèi)部冷、暖輸送帶示意圖。圖中上、下兩層分別為400 hPa 和925 hPa 高度層，實(shí)線表示等位溫線（間距2 K），虛線代表等高線（間距50 gpm），粗灰實(shí)線為過去6 h 降水零線。標(biāo)志L 指示氣旋低壓中心，鋒面用傳統(tǒng)符號(hào)表示，紅、藍(lán)實(shí)線分別表示暖、冷輸送帶Fig.11 Conceptual model of cold and warm conveyor belts in the idealized extratropical cyclone where the upper is the height of 400 hPa and the lower is 925 hPa, solid lines indicate the potential temperature(every 2 K), gray dash lines represent the height (every 50 gpm), thick gray solid line is the zero line of accumulative precipitation in the last 6 h. Symbol “L” is the cyclone center, and the front is presented by the conventional symbol with red and blue arrow lines denoting the warm and cold conveyor belts, respectively

（1）在本文歸納的輸送帶概念模型中，根據(jù)輸送帶軌跡相對(duì)氣旋中心運(yùn)動(dòng)特征，可將暖輸送帶大體劃分為“前傾上升”（fWCB）和“后傾上升”（rWCB）兩支氣流，將冷輸送帶歸納為“后傾上升”（rCCB）、“前傾上升”（fCCB）、“環(huán)氣旋前傾”（cfCCB）和“環(huán)氣旋后傾”（crCCB）四支氣流。

（2）盡管與此前的研究（Schemm et al., 2013;Martínez-Alvarado et al., 2014）采用不同的模式構(gòu)造和輸送帶閾值判別標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)暖輸送帶特征的認(rèn)識(shí)基本一致。兩支暖輸送帶氣流均起始于低層冷鋒前暖區(qū)內(nèi)，旋轉(zhuǎn)上升運(yùn)動(dòng)到對(duì)流層中高層，在高空輸送帶出流區(qū)產(chǎn)生負(fù)位渦擾動(dòng)，影響高層槽脊系統(tǒng)的發(fā)展。它們?cè)谏仙^程中向上輸送水汽，對(duì)鋒面附近降水極值區(qū)的形成和維持有顯著影響。fWCB 上升運(yùn)動(dòng)更強(qiáng)烈，物理特征變化更明顯，到達(dá)對(duì)流層中高層后向氣旋中心下游運(yùn)動(dòng)，而rWCB 在對(duì)流層中高層朝向氣旋中心上游運(yùn)動(dòng)。與此前研究明顯不同的是，研究發(fā)現(xiàn)rWCB 并非一直在冷鋒或后彎暖鋒附近上升，而是先沿著冷鋒上升隨后沿著后彎暖鋒上升。

（3）對(duì)于起始于暖鋒前冷區(qū)的冷輸送帶，本文研究不僅證實(shí)了此前研究描述的上升類和低層運(yùn)動(dòng)類特征（Carlson, 1980; Browning, 1986; Schultz,2001），而且發(fā)現(xiàn)它們可以更精細(xì)地呈現(xiàn)出四支氣流結(jié)構(gòu)，揭示了更為精細(xì)的結(jié)構(gòu)。rCCB 和fCCB這兩支冷輸送帶，性質(zhì)與暖輸送帶相似，具有明顯的上升運(yùn)動(dòng)特征，對(duì)暖鋒附近降水極值區(qū)的形成和維持有顯著影響。相比暖輸送帶，它們雖然初始溫濕特征較弱，但是旋轉(zhuǎn)特征更強(qiáng)，位渦變化更劇烈。rCCB 沿著暖鋒及“后彎”暖鋒向氣旋移動(dòng)方向后側(cè)上升，這支氣流在此前研究中尚未提及。fCCB先在暖鋒鋒前旋轉(zhuǎn)上升，隨后朝向氣旋移動(dòng)方向反氣旋式下沉。另兩支主要在低層運(yùn)動(dòng)的冷輸送帶前期朝向氣旋中心運(yùn)動(dòng)，隨后環(huán)繞氣旋中心后向運(yùn)動(dòng)，先弱上升到氣旋中心偏西側(cè)然后下降，上升過程中也產(chǎn)生少量水汽凝結(jié)，有助于氣旋偏西北側(cè)暖鋒彎背處弱降水極值中心區(qū)的形成，尤其是cfCCB 氣流。相比此前的研究，本文發(fā)現(xiàn)cfCCB和crCCB兩支氣流在運(yùn)動(dòng)到氣旋南側(cè)后還會(huì)出現(xiàn)分裂，分別朝著氣旋運(yùn)動(dòng)方向下游和上游緩慢下沉。

研究對(duì)冷、暖輸送帶進(jìn)行了較為細(xì)致的歸納分析，也發(fā)現(xiàn)了一些有別于以往研究的結(jié)構(gòu)特征，但是本文工作仍存在一些局限性。首先對(duì)軌跡篩選標(biāo)準(zhǔn)和樣本數(shù)的選擇具有一定的主觀性，這難免會(huì)對(duì)定量分析結(jié)果產(chǎn)生影響。而且，研究雖然發(fā)現(xiàn)了一些與以往不同的結(jié)構(gòu)特征，但對(duì)出現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)特征差異的原因和不同形態(tài)輸送帶的形成機(jī)理還需要進(jìn)一步揭示，同時(shí)也需要選用更多實(shí)際樣本來佐證模型的合理性。這些都值得今后進(jìn)一步研究分析。

致謝感謝南京大學(xué)談?wù)苊艚淌谠谀Ｊ匠跏紙?chǎng)構(gòu)造中的幫助和指導(dǎo)，感謝賓夕法尼亞州立大學(xué)的張福青教授生前和衛(wèi)俊宏博士在理想試驗(yàn)?zāi)M方面的建議。感謝兩位匿名審稿人對(duì)本文提出的寶貴建議。