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暴雨研究论文:国内地区低空急流研发趋向

2013/01/21 阅读:

作者:赛瀚苗峻峰单位:南京信息工程大学大气科学学院

低空急流的特征

1低空急流的分类

(1)按所在高度大致分为自由大气低空急流、边界层低空急流。①自由大气低空急流。发生在边界层以上,大致位于850~600hPa之间,东亚低空急流、美洲东岸低空急流和东非急流这3支大尺度准定常低空急流就属于这种。与我国夏季雨带密切相关的东亚低空急流,生成于青藏高原东南侧与副热带高压(以下简称副高)的西侧或北侧之间广阔的区域上。与暴雨相关的大尺度低空急流主要存在于850~700hPa之间,多在夏季、大地形的东侧发生,急流上为准地转或弱的超地转,持续时间较长,尺度在1000km以上,一般有高空急流与之相配合。②边界层低空急流。发生在大气边界层以内,大致位于850hPa以下,边界层内的低空急流包括次天气尺度或中间尺度低空急流和夜间低空急流。

中间尺度低空急流是在一定的大尺度环境场中发展起来的,常与扰动相联系,最大风速中心与暴雨中心及低涡相配置,尺度一般在1000km以下,位于这些系统的东南侧并与它一起移动;夜间低空急流比中尺度低空急流高度低,强风出现在夜间,具有较强的垂直风速切变和日变化,且有边界层逆温与之相重合,有着强烈的超地转性,但与暴雨的关系不大。一般把位于900hPa以下的低空急流称为超低空急流。

(2)按来向分为低空西南风急流、东南风急流、内陆地区偏东风急流、偏北风急流。①西南风急流。一般出现在东亚大陆东岸,位于副高的西北侧与大地形、大陆低气压系统或登陆的台风之间,生成地区有相对的集中性,随副高的进退而移动。华南地区的西南低空急流还与季风有关,属于天气尺度或中尺度系统。②东南风急流。东亚地区环流的经向度较大,副高北抬,赤道辐合带位置偏北,我国沿海有台风或热带气旋活动并与东移受阻的西风带低槽相对应时,在台风与副高之间极易形成较为强烈的东南风低空急流。东南风低空急流是中、低纬系统相互作用的纽带,是由低纬向中纬输送水汽的重要通道。③内陆地区偏东风急流。我国内陆的新疆塔里木盆地东部经常出现一支东风急流,其距地面实际高度为900m左右,具有明显的日变化。在华北平原还会出现极地高压入海后的回流偏东风急流。④偏北风急流。来自于我国北方的干冷气团南下,由于能量下传及台湾海峡的狭管效应或流入登陆的台风中,易出现东北风低空急流,它是一支干冷气流;还有少数的西北风急流,主要与冷空气沿西路南下或者位于台湾东北海面的台风有关。我国的低空急流风向一般以偏南风为主,而对于夜间低空急流来说,其风向、风速、高度等在不同地方存在不同的差异,要具体情况具体分析。

2气候学特征

2.1空间分布

我国低空急流易在高原或山区东侧的平原地区形成,由于我国东部沿海水汽含量旺盛,而西部内陆地区较为干旱,所以不同地理条件下的低空急流具有一定的差异。

(1)沿海低空急流。我国沿海地区的大中尺度低空急流多起源于水汽充沛的洋面,与冷空气、副高、季风关系非常密切。沿海地区的降水大部分都与低空急流有关,它为降水提供充足的水汽和热量。例如:大陆上低值系统东移至沿海地区,易在低值系统与副高之间出现西南风或偏南风低空急流;在我国夏季出现的梅雨锋及伴随其出现的低空急流易在我国东部沿海地区产生暴雨;而且沿海地区常有台风登陆,在台风与副高之间易形成东南风低空急流,急流上的扰动会导致强对流天气的发生或加强;华南沿海地区低空急流可能是产生在冷锋前并随冷空气南下、中南半岛和南海北部西南季风加强北上造成的,或两者共同作用产生的,其强度及分布情况与广东中南部地区山脉关系密切;台湾海峡特殊的地理条件造就了低空急流形成要受到副高、冷空气、季风、台风或其他热带系统活动的影响。

(2)内陆低空急流。内陆地区尤其是西北地区为干旱、半干旱气候,低空急流对暴雨的作用主要是起水汽辐合和抬升作用。邓子风等指出南疆东风急流与我国沿海西南急流相比,急流中心的强度、尺度相当,而高度偏低。宫德吉等指出冬季内蒙古地区的低空偏南急流是西风带大型环流调整的产物,且一般在两天之内有雨(雪)的天气发生。内陆地区低空急流按地形划分如下:①平原低空急流:主要与副高、西风带、季风有关,与副高关系最为密切,易在副高西侧出现低空急流;还有长江中下游平原的梅雨锋低空急流和华北平原的极地高压入海后的回流偏东风急流。②山区低空急流:与青藏高原的关系非常密切,气流遇山区折向并加速出现低空急流;在地形的背风坡和山后的平原地区有利于急流的产生。丁仁海等研究九华山区下垫面对降水的影响时指出,低空急流过山产生的垂直上升运动使得低层暖湿气流辐合加强,并与降水时的凝结加热共同作用使低空急流持续发展。夜间低空急流则与斜坡地形热力差异引起的斜压性和山谷风环流有关,一般出现在夜间逆温层顶。

2.2时间分布

大尺度的低空急流一般没有明显的日变化特征,但是中尺度低空急流和夜间低空急流一般都具有明显的日变化特征。江南地区大、中尺度低空急流具有明显的季节变化,多发生在4—7月,而东北地区在全年都有低空急流活动。夜间低空急流的日变化表现在:风速在夜间开始增大,最大风速中心出现在02:00—08:00之间,凌晨为最大值,这时风的垂直切变最强。

3天气学特征

伴随有强对流天气的低空急流,急流轴及其左侧一般为强烈的气旋性切变,出现辐合上升运动。急流区恒与温度场中的暖舌相结合,在急流区尚未形成之前已开始出现暖舌,在暖舌两侧则相应存在冷舌,上升区主要与暖舌结合,且存在最大比湿中心,与强对流天气区相对应。急流轴右侧为负涡度区,出现辐散下沉运动,下沉区主要与冷舌结合,此处为干区,一般不会出现暴雨。低空急流两侧的上升、下沉气流,在高层向南、低层向北穿越急流区,形成一个完整的垂直环流圈。如果是与冷锋相配合的低空急流,则还有一支气流在高层向北运动,下沉于冷锋后部。急流一般具有强大的水平风速切变和垂直风速切变。

低空急流机制

1低空急流的非地转性质

(1)地转偏差。低空急流具有显著的地转偏差,而大气中持续稳定的地转偏差又是促使急流形成、维持与移动的重要因素。地转偏差的产生是由于低槽前正涡度平流及西南气流的质量辐合,造成低层等压面下降、位势梯度增大的结果。在急流区位置,急流出现前12h会出现负的地转偏差,急流出现时为正的地转偏差,急流减弱时呈现负的或近于零的地转偏差状态,而急流强度的局地变化,主要与地转偏差的垂直切变(即热成风偏差)的垂直分布关系密切。

(2)超地转特征。低空急流轴上出现风速的激增时,气压场变化尚很迟缓,以致出现很强的超地转,也表明低空急流是一种极不平衡的高速气流,这种不平衡性易激发出中尺度系统而导致暴雨的发生。超地转主要出现在发展的低空急流左侧,以左前部为最强,此处辐合上升、对流活动和经圈环流都很强,它们与急流的非地转性呈正相关。在急流轴附近,实测风速远大于地转风速;随着低空急流的不断增强,风场的地转平衡被破坏变为超地转,强对流天气发生在风场超地转最大时;随后暴雨结束,低空急流随之减弱,地转风激增使得气压场向风场调整,达到地转平衡。而地转偏差、高空动量下传、变压风、对流体产生动压力的集合效果、压能场对质点以实测风运动所做的功等促使了超地转现象的形成。

(3)低空急流风速脉动的重力惯性波特征。低空急流轴上风速的变化是不均匀的,存在着一种周期很短而振幅极大的波动(风的脉动),它通过一次次风速的突增来体现低空急流轴上的强风,具有重力惯性波的性质。重力惯性波从急流轴上顺风外传会从环境场获得能量而发展,逆风外传则被环境场吸收能量而减弱;如果波动从急流轴外向急流轴方向传播,则逆风传播的扰动要发展,顺风传播的扰动要减弱。急流轴上的风速脉动可以触发暴雨。大气运动的适应理论指出,地转偏差能够激发出重力惯性波,重力惯性波强度与地转偏差强度成正比,这种重力波系与中尺度的辐合场相联系。随着重力惯性波对能量的频散,超地转现象逐渐消失,这时急流轴上的脉动也相应缓和,暴雨也就很快停止。低空急流轴周围的强风速切变能够促使重力波的不稳定发展,基本风场中的急流中心高度越低,重力波则越易获得不稳定发展。

2低空急流的不稳定性

低空急流具有极强的动力与热力不稳定性,有利于中小尺度系统发展。里查逊数Ri是小尺度扰动发展的一个标志,小的Ri数反映了边界层中的不稳定性。低空急流的左前方为一个Ri数负值区,这正是低层最不稳定的地区,Ri的小值区常常与暴雨区相联系。低空急流的发展是起伏式的,急流的消散较快,当Ri≤0.25达到切变不稳定的临界条件时低空急流加速崩溃。

低空急流的形成原因

1地形影响

我国的天气尺度偏南风急流大部分是由副高西侧的东南风气流遇高原或其他山脉后,沿其绕流并进一步加速后形成的。青藏高原对低空急流的形成起了重要的侧边界作用,如果没有高原存在则低层无急流。而季风带来的巨大偏西风动量作为低空急流的动量来源,与副高、西风带短波槽脊的发展共同构成了我国大尺度低空急流形成的背景流场。例如:当副高加强西伸、西风带槽加深东移,则会出现较大的变高梯度,产生变压风,出现风场向质量场调整,风速加大,产生低空急流,低空急流在变高梯度最大区形成。海陆分布的热力作用造成强大的东西向温度梯度也有利于形成强风。山区东侧的平坦地形夜间稳定边界层内的低空急流的形成原因可以用Blackadar的惯性振荡理论来解释。白天和夜间的地表辐射温度差异促使夜间逆温层生成、抬升并发展成深厚的稳定边界层,白天边界层活跃的涡流在夜间逆温层顶以上湍流应力迅速变为零,而逆温层内由于风速的巨大切变而仍然存在,因此在逆温层顶上部的风速产生周期性振荡,在午夜后逆温层顶附近形成低空急流。还有可能是西风气流过山后出现背风波,在山后正涡度区下方有利于急流发生发展。斜坡地形夜间低空急流受山地与平原间的地形斜压性影响产生热成风、山谷风环流,在逆温层高度上产生低空急流。

2高空动量下传

在高空急流的出口区和高空急流入口区的质量调整产生变压风使对流层下部有低空急流发展。在高空急流中心附近的地转不平衡,使入口区的右侧造成一个高空辐散区,从而使对流层下部质量调整引起辐合,由此产生了对流层下部的负变高区和向该区辐合的变压风,此变压风作为低层返回分支构成跨越低空急流的横向逆环流,促使低层西南气流左偏并加速从而形成低空急流。在高空急流的出口区,变压风作用使得低层的实测风偏向低压一侧,低层空气动能增大促使低空急流形成。据统计,低空急流出现同时伴随高空急流存在的约占85%。高、低空急流的耦合方式在江淮地区主要为槽前-右后型,而在34°N以北一般常见于槽前-前部交叉型;在高空急流出口区为低空急流轴与高空急流轴相交,在入口区为低空急流轴与高空急流轴相平行。高空急流周围正的涡度平流和温度平流产生的非热成风向热成风调整的过程促使低空急流形成和发展。

3凝结潜热加热

对流凝结加热是暴雨过程中低空急流形成、维持的重要原因之一。暴雨具有的时效短、雨量大且集中的特点,能够释放出大量的凝结潜热,使有效位能增加,从而引起扰动发展。不稳定层结大气中,由于水汽凝结潜热的加热作用造成特定风场和垂直环流间相互促进发展,两者相互的正反馈过程促使水平风场加强,低空急流形成、发展。在扰动场的作用下,大气层结越不稳定,水汽凝结加热作用越强,形成的低空急流的强度也越强。在实际大气状况下,低空急流的形成是反映非地转运动、动力、热力等几种因子的综合作用的结果。何建中指出,强的边界层低空急流是波动动量水平输送、地形的动力作用、大气热力作用引起的动量垂直输送和地形热力作用的共同结果。

低空急流与天气的关系

低空急流之所以能受到如此多学者的关注,主要原因之一就是其与暴雨(或暴雪)具有紧密的联系。据统计,不管是华南前汛期暴雨、长江流域梅雨,还是华北暴雨(暴雪),大多数情况下都存在着低空急流。但是也不是所有低空急流都有暴雨伴随,孙淑清等指出,若低空偏南强风速轴不具备输送和积累水汽的性能且具有很大的稳定性,则此急流即为“空急流”过程。但是本文所研究的低空急流一般都伴随降水等天气现象。低空急流的超地转现象与强对流天气的发生相联系,低空急流不仅能把低层水汽、热量集中往下游输送,使下游地区造成或增大位势不稳定,且能在其左前方范围内造成强烈的辐合上升运动,特别是如果在急流左侧有很强的切变正涡度时,则更有利于产生强上升运动,这些都是暴雨发生的重要条件。

绝大部分暴雨发生在低空急流的左侧,与上升中心、水汽辐合中心基本上相重合,低空急流之下水汽向左侧的横向输送及急流下方风向随高度顺转为暴雨提供了大量的水汽和对流不稳定。但也有观点认为,在梅雨锋低空急流中,由于梅雨锋与低空急流的共同作用,降水中心有位于低空急流的出口区但偏于低空急流轴右侧的趋向。低空急流的出现为暴雨预报提供了相当有用的信息,据统计,从急流建立到暴雨发生间隔的日数大多是0~4天,约占80%。低空急流与暴雨是相互促进的,低空急流的存在有利于暴雨的发生,而暴雨的发生又促进了急流的形成和维持。低空急流中风的脉动能够触发中尺度雨团的发生,与暴雨关系最密切的次天气尺度低空急流常发生在暴雨之前,对暴雨区起着暖湿输送带、动力抬升和触发作用。在暴雨产生发展阶段,天气系统通过低空急流促成暴雨,而暴雨活动通过激发一个不平衡增量促使上升运动加大来加强暴雨过程本身及维持并增强低空急流。除此以外,低空急流与其他强对流天气、台风、沙尘暴等关系也非常密切。

小结与讨论

对于中国广袤的土地来说,目前的高空探测站相对稀疏,不能够反映局地低空急流特征。根据国内外低空急流的研究发现,低空急流一般发生在凌晨(通常情况下发生在当地时间22:00至次日08:00之间),但是我国的高空探测站每天的观测时间为北京时间08:00和20:00,常规探空资料的观测时间与低空急流发生的时间不匹配,所以不易观测到低空急流。又由于加密观测的成本较高,运用不是很广泛,而数值研究也是近几年才出现的,所以国内对低空急流的专门研究较少,而间接研究的比较多。目前,国内对低空急流进行的加密观测,一般运用小球测风、气象塔、系留气球测风、雷达等,有了相对较好的研究成果。中国的低空急流研究在对低空急流的定义上还没有形成统一的具体的标准,而且中国地理条件复杂,气候差异大,又受到资料的限制,缺乏比较完整的地理性、季节性、空间性变化规律的气候概念。研究中国低空急流的气候特征时,大多都是运用背景场的气候平均值,对急流自身的气候特征反映不足。对中国地区低空急流研究的展望如下:

①增加我国各地的加密观测设备,为更好的捕捉、研究局地地区的低空急流提供良好的观测条件;

②中国地区面积广大、地形复杂,需要不同的省、市开展对局地地区低空急流的观测研究,找出不同地区低空急流的特殊性;

③找出不同地区的低空急流与强对流、沙尘暴等天气现象之间的异同点,总结出局地地区低空急流影响的强对流天气的预报着眼点;

④根据中国地区低空急流的特殊性,对中国地区低空急流的选取提出一个精确的定义;

⑤中国城市化飞速发展,城市不断扩大,人口不断增长,城市小尺度范围内的低空急流有可能会受到城市热岛、建筑物、人类活动等特殊下垫面条件的影响。

暴雨研究论文:国内地区低空急流研发趋向

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