中尺度高空急流—锋云系与暴雨的结构及演变机制的动力学研究

【摘要】： 高空急流—锋是对流层上部最突出的天气系统之一，它对中尺度灾害天气发生发展过程具有十分重要的作用。本文以我国上空的副热带高空西风急流为研究对象，通过常规观测、卫星、雷达资料分析以及新一代高分辨率中尺度数值模式(WRF)模拟，对2005年6月、2006年5月和6月发生在我国东部的三次高空急流相关的天气过程中高空急流-锋云系与急流-锋暴雨中尺度系统的特征、三维结构以及发生发展和演变过程的动力学机制进行了研究，得到的主要结果如下： 1．典型的高空急流—锋系统在卫星云图上具有四个基本特征：叶状云、涡旋逗点云系、暗带以及急流出口区右侧排列有序的对流云团波串或横向云带。它们所出现的位置、微物理结构都具有明显特征。由中高云组成的叶状云带主要集中在急流轴的南侧，呈西南—东北走向，在红外和水汽图像上几乎为不透明。从其微物理结构来看，这条叶状云带的高层主要由密实的冰晶、雪粒子构成，而位于零度线以下则主要由云水粒子构成，它们大量集中在云带的西南端，这里对应南方强降水区。水汽图像上，“S”水汽型北边界以北的暗区位于急流的气旋性弯曲一侧。这条狭窄暗带沿着叶状云北侧边缘分布，随着气流向下游平流，卷入下游的云团，形成逗点云。在急流气旋性切变一侧产生的一些云带在形成逗点云之前常会表现为发展中的对流云团波串或者横向云带形式。这些对流云团波串或横向云带常常是随着急流靠近，急流核的中心风速加大而产生的，且它们通常相对固定地出现在急流出口区的左侧附近，随环境风方向向下游方向排列。就其微物理结构来看，急流气旋性切变一侧的云系内的微物理垂直结构与急流反气旋性切变一侧基本相同，但是急流气旋性切变一侧云系的云冰、云水含量相对较低。 2．急流轴南北两侧的云系都具有锋面云系的特征，但具有不同的发生发展机制。从气流轨迹分析来看，急流轴以南的叶状云带的形成主要受西南、东南和西北气流等三股气流的影响。云带主要由西南和东南暖湿空气辐合抬升形成。而由西北干冷空气形成的干带，一部分从高层向下侵入到叶状云尾部的层状降水区内，与这里由降水拖带产生的下沉空气相遇，形成强而一致的下沉气流致使云带后部云区逐渐变窄云顶降低直至最后消散，而另一部分气流到达对流层中低层后又转为上升运动，叠置在低层的暖湿气流之上，造成大气不稳定度增大，因此整个急流反气旋性切变一侧的云带可以被看作是干带与暖输送带相互作用的结果。急流北侧的云系也沿锋面发展，但云系高度较低。此处的云带主要是由槽后西北气流在下沉辐散过程中与地面低压相遇，受地面摩擦辐合作用而被强迫抬升，在抬升过程中又将低空西南暖湿空气输送到高空而形成的。 3．水汽图像上在高空急流气旋性弯曲一侧的狭长的暗带对应于低湿、高位涡区。位涡场和湿度场的特征表明高空急流气旋性弯曲一侧的暗区是高空干空气侵入的源头。干侵入机制对促进急流两侧云系发展都具重要作用，一方面干侵入过程中干冷空气使对流层中低层的湿度减小，造成大气上干冷、下暖湿的不稳定结构，促进急流云系内深对流发展。另一方面，干侵入过程引起位涡下传，导致低空正位涡和风场异常，诱生地面气旋发展，因此它还可能是导致急流轴气旋性切变一侧的云团无论在产生时具有何种形态最终都表现为涡度逗点状形态特征的关键的动力机制。湿位涡的分布特征表明急流轴附近的大气具有较大的湿斜压性。从稳定性角度看，急流轴两侧特别是急流轴反气旋性切变一侧叶状云系产生和发展除了与对流不稳定机制有关，还可能受条件性对称不稳定机制的影响。条件性对称不稳定有利于倾斜对流的发生发展，这种倾斜对流对处于强风速切变环境中的急流云系长时间维持和发展是至关重要的。 4．急流云系上的不稳定能量具有不均匀分布的特征。从能量分布特征来看，有两个对流有效位能的高值中心，分别位于急流轴反气旋性切变一侧的叶状云系的后部，以及急流轴气旋性切变一侧的逗点云系的凹部到头部的一个相对较小的区域内。而下沉对流有效位能的大值中心分别对应于急流核入口区的左侧和出口区的右侧，它们在云图上与无云区相对应。这进一步证实了云图上位于急流气旋性切变一侧的暗区是高空干冷空气下沉侵入的表征。 5．急流的运动学结构分析表明，在急流核两端(入口区和出口区)非地转风具有明显的气旋性切变特征，而急流核南北两侧非地转风则具有反气旋性切变的特点。在涡度场上，急流核的入口区和出口区两端都为非地转风正涡度区，而在急流轴两侧则为非地转风负涡度区，其结构与Cunningham和Keyser(2000)提出的急流非地转风涡度“四象限”分布特征基本一致。 6．应用罗斯贝数(Ro)和非线性平衡方程的残差(ΔNBE)诊断发现，高空急流气旋性一侧靠近出口区的地方为Ro和ΔNBE大值区，ΔNBE的量级达到10~(-8)s~(-1)。从ΔNBE的含义可知，高空急流气旋性一侧靠近出口区的地方具有明显的非地转性。而且随着急流的曲率加大，这种非地转性进一步增强。另外，从Richardson数(Ri_g)分析来看，高空急流出口区也是切变不稳定区，这里正对应于急流出口区附近的中尺度重力波发生区和强降水区。 7．根据小波分析的多分辨率频域滤波特性，构造了基于小波变换的带通滤波器以分析高空急流出口区引发的重力波的特征。分析结果表明，位于我国上空的副热带高空西风急流出口区附近的重力波的水平波长一般在100-500km，振幅约为1—10hPa，垂直速度场上的波动略落后于位温场上波动，位相差约1／4个水平波长。具有明显的中尺度重力波的特征，从云系分布特征看，云图上急流出口区左侧出现的对流云团波串和横向云带与该处的中尺度重力波关系密切。 8．就地转适应与切变不稳定在高空急流出口区附近所产生的中尺度重力波的发生发展中的作用来说，高空急流出口区附近中尺度重力波是在地转调整加快以及切变不稳定快速增大的过程中产生发展起来的，且产生位置位于非地转平衡能量的下游频散区与切变不稳定区的叠合区内。从地转调整和切变不稳定的产生顺序来看，地转调整提前于切变不稳定产生。高空急流气旋性切变一侧的高位涡区与该处的△NBE正值区具有很好的对应关系。根据ΔNBE与位涡(PV)的含义可知，急流出口区附近的中尺度重力波可能是由高空锋系统内的一股具有强非地转平衡性的气流所引发的。 9．对2005年6月10日在我国东北地区发生的一次急流锋暴雨(以下简称“05.06”暴雨)发生机制的分析结果表明，此次暴雨是发生在高空槽东移加深过程中的一次中尺度对流天气过程。从大尺度特征来看，中尺度对流系统处于前倾疏散的高空槽槽前，高空辐散，低空辐合，为MCS发生提供了有利的大尺度动力条件；暴雨发生前对流层低层有西南—东北走向的湿舌，为暴雨提供了有利的水汽条件；高空干冷平流与低空的暖湿平流形成的差动平流，则为此次暴雨提供了不稳定条件。此外，从地面接收到的太阳辐射能量分布情况来看，下垫面不均匀加热引起的热力环流是这次暴雨过程中尺度对流系统发生发展的一个重要的触发机制。从中尺度对流系统特征看，影响沙兰河上游的中尺度对流系统具有多单体风暴结构特征的孤立对流系统的特征，而且系统中气流具有后方入流前方出流的特点。从对流系统的移动规律来看，导致沙兰河上游暴雨的雷暴云为左移风暴。 10．就高空急流的作用而言，“05.06”暴雨的雨带以及卫星与雷达回波图上显示出对流云团与由高空急流出口区上激发的中尺度重力波时空分布特征相吻合，高空急流出口区所激发的中尺度重力波对触发和维持此次暴雨过程具有重要作用。高空急流出口区引起的高层的重力波把能量向下输送，使低层波动加强，在上下两列波动垂直方向同相叠加的地区产生出大振幅的中尺度重力波，引发强降水。此外，在研究中发现，“05.06”暴雨过程中强对流云团分布与地面切变线走向具有很好的一致性，但是在这条切变线上对流强弱分布却是不均匀的，其中在弧形切变线转折处对流最强。分析认为，造成这种现象的一种可能解释是，这是由切变线走向与盛行环境风向的配置关系引起的；而从波动能量传播与不稳定能量关系来看，这种现象又可能和高空急流激发的中尺度重力波的传播方向与湿舌的走向有关。除了非地转平衡性以外，高空急流所引起的中高层大气切变不稳定也是造成沙兰河上游中尺度对流系统左移的一个重要动力条件。