cha71 結合衛(wèi)星云圖資料的青藏高原低渦結構的天氣動力學分析《高原氣象學進展》課件

1、cha7+1 cha7+1 結合衛(wèi)星云圖資料的青藏高原低渦結構的結合衛(wèi)星云圖資料的青藏高原低渦結構的天氣動力學分析天氣動力學分析 高原氣象學進展課件高原氣象學進展課件成都信息工程學院大氣科學系2高原低渦及研究概況高原低渦及研究概況兩例高原低渦環(huán)流背景分析兩例高原低渦環(huán)流背景分析兩例高原低渦衛(wèi)星云圖分析兩例高原低渦衛(wèi)星云圖分析高原低渦物理量場的診斷分析高原低渦物理量場的診斷分析高原低渦動力機制分析高原低渦動力機制分析高原低渦與熱帶氣旋類低渦的聯(lián)系高原低渦與熱帶氣旋類低渦的聯(lián)系總結總結成都信息工程學院大氣科學系31 1、高原低渦及研究概況、高原低渦及研究概況1.1 1.1 由于青藏高原獨特的地形與

2、地理環(huán)境，形成特有由于青藏高原獨特的地形與地理環(huán)境，形成特有的高原天氣系統(tǒng)，它的活動不僅影響高原地區(qū)，還東的高原天氣系統(tǒng)，它的活動不僅影響高原地區(qū)，還東移影響我國高原以東廣大地區(qū)。尤其是夏季，我國暴移影響我國高原以東廣大地區(qū)。尤其是夏季，我國暴雨洪澇、泥石流滑坡災害多發(fā)，給國民經(jīng)濟建設和人雨洪澇、泥石流滑坡災害多發(fā)，給國民經(jīng)濟建設和人民的生命財產造成嚴重的損失，這些災害的發(fā)生在很民的生命財產造成嚴重的損失，這些災害的發(fā)生在很大程度上與高原低渦等低值系統(tǒng)東移出青藏高原相關。大程度上與高原低渦等低值系統(tǒng)東移出青藏高原相關。高原低渦等低值系統(tǒng)東移對我國東部、長江、黃淮流高原低渦等低值系統(tǒng)東移對我國東

3、部、長江、黃淮流域的嚴重洪澇影響很大，甚至可影響到朝鮮半島與日域的嚴重洪澇影響很大，甚至可影響到朝鮮半島與日本。本。成都信息工程學院大氣科學系61.4 本研究的方法本研究的方法 成都信息工程學院大氣科學系72、兩例高原低渦環(huán)流背景分析兩例高原低渦環(huán)流背景分析 2005 2005年年7 7月月2929日和日和20062006年年8 8月月1414日日500500hPahPa高度場，實線高度場，實線為等高線，斷線為等溫線，時間為北京時，下同），兩例為等高線，斷線為等溫線，時間為北京時，下同），兩例低渦的環(huán)流型為平直西風型環(huán)流。低渦的環(huán)流型為平直西風型環(huán)流。500500hPahPa在高原北側中高在高

4、原北側中高緯度為比較平直的西風，高原北側（緯度為比較平直的西風，高原北側（3535N,90N,90E E）附近為附近為西風槽底，高原東邊界處為西伸的西太平洋高壓脊，高原西風槽底，高原東邊界處為西伸的西太平洋高壓脊，高原南側為印度低壓，此時高原西側的伊朗高壓東伸還不明顯。南側為印度低壓，此時高原西側的伊朗高壓東伸還不明顯。而后一例低渦西側伊朗高壓東伸已很明顯。這樣的流型有而后一例低渦西側伊朗高壓東伸已很明顯。這樣的流型有利于風場在高原上形成輻合，從而有利于形成高原低渦。利于風場在高原上形成輻合，從而有利于形成高原低渦。 圖 1 2005年7月29日08點500hPa高度場 圖 1 2005年7月

5、29日08點500hPa高度場 圖 1 2005年7月29日08點500hPa高度場 圖 1 2005年7月29日08點500hPa高度場 圖 1 2005年7月29日08點500hPa高度場圖 2 2006年8月14日20點500hPa高度場圖3 2005年7月29日02點500hPa綜合圖低渦處于低渦處于4暖脊區(qū)，為暖渦暖脊區(qū)，為暖渦 圖4 2005年7月29日08點500hPa綜合圖 abcd圖圖5 20065 2006年年8 8月月1414日日2020點綜合圖點綜合圖a a：500hPa500hPa，b b：400hPa400hPa，c c：300hPa, d300hPa, d：200

6、hPa200hPa有的低渦結構較淺薄有的低渦結構較淺薄 成都信息工程學院大氣科學系11 由于高原上站點稀少，用常規(guī)資料很難捕由于高原上站點稀少，用常規(guī)資料很難捕捉到中小尺度天氣系統(tǒng)（如高原低渦），但用捉到中小尺度天氣系統(tǒng)（如高原低渦），但用時空分辨率高的靜止衛(wèi)星云圖，不僅可以觀測時空分辨率高的靜止衛(wèi)星云圖，不僅可以觀測大范圍云系分布，而且可以觀測中小尺度云系大范圍云系分布，而且可以觀測中小尺度云系的發(fā)生、發(fā)展和消散演變的全過程。的發(fā)生、發(fā)展和消散演變的全過程。 acb圖 6 2005年7月29日風云2C分裂窗圖像（a：5點，b：6:30，c：8點）形成一成熟的高原低渦，具有明顯的眼結構，眼區(qū)水

7、平直徑約形成一成熟的高原低渦，具有明顯的眼結構，眼區(qū)水平直徑約35km，眼區(qū)為少云區(qū)，溫度，眼區(qū)為少云區(qū)，溫度明顯高于周圍云體。這類高原低渦具有眼和暖心結構明顯高于周圍云體。這類高原低渦具有眼和暖心結構 。 圖7 2005年7月29日6：30風云2C水汽圖 圖8 2005年7月29日6：30MTSAT紅外1標準區(qū)域云圖 此例低渦持續(xù)時間較長，雖仍未達到發(fā)展型渦標準，但有此例低渦持續(xù)時間較長，雖仍未達到發(fā)展型渦標準，但有降水。在低渦控制范圍內的申扎和定日兩站都有觀測到降水，降水。在低渦控制范圍內的申扎和定日兩站都有觀測到降水，申扎站申扎站12小時（小時（14日日20點點15日日08點）降水量達點

8、）降水量達7mm，定日為定日為0.6mm。從圖從圖9中可看到本次中可看到本次低渦起源于一個對流擾動群，隨著低渦起源于一個對流擾動群，隨著時間推移，對流云群發(fā)展壯大形成時間推移，對流云群發(fā)展壯大形成。 2006年年8月月14日低渦個例日低渦個例（a） （b） （c） （d） （e） （f） 圖圖9 20069 2006年年8 8月月1414日風日風云云2 2C C紅外云圖高原低紅外云圖高原低渦發(fā)展過程渦發(fā)展過程（a a： 14 14點，點，b b： 15 15：3030，c c ：1717：3030，d d： 1919點，點，e e： 20 20點，點，f f ：2222：3030）眼區(qū)外圍是對

9、流強盛區(qū)，而眼區(qū)外圍是對流強盛區(qū)，而渦眼區(qū)為干區(qū)，表明渦眼區(qū)渦眼區(qū)為干區(qū)，表明渦眼區(qū)有弱的下沉氣流。有弱的下沉氣流。 圖10 2006年8月14日19點風云2C水汽圖 圖11 2006年8月14日19：33MTSAT紅外1標準區(qū)域云圖 成都信息工程學院大氣科學系15 診斷計算采用診斷計算采用NCEP FNL（Global Final Analyses）資料，經(jīng)緯網(wǎng)格距為資料，經(jīng)緯網(wǎng)格距為1 1，每天，每天4次觀測（世界時次觀測（世界時00點，點，06點，點，12點，點，18點），點），垂直方向為垂直方向為26層。我們選擇對生命史相對較長的層。我們選擇對生命史相對較長的2006年年8月月14日低

10、渦過程進行診斷計算日低渦過程進行診斷計算，選取北，選取北京時京時14點和點和20點的資料。點的資料。初生渦：初生渦：圖圖12 200612 2006年年8 8月月1414日日1414點點500500hPahPa流場流場 圖圖13 200613 2006年年8 8月月1414日日1414點點500500hPahPa渦度場渦度場（單位：（單位：10105 5s s1 1） 成熟渦成熟渦: : 圖圖15 200615 2006年年8 8月月1414日日2020點點500500hPahPa渦度場渦度場（單位：（單位：10105 5s s1 1） 圖圖14 200614 2006年年8 8月月1414日

11、日2020點點500500hPahPa流場流場 圖圖1 17 207 20點垂直速度點垂直速度經(jīng)向剖面圖（按經(jīng)向剖面圖（按8686E E取剖面，單位：取剖面，單位：10102 2 hPahPa* *s s1 1） 渦心在近地層渦心在近地層550百帕百帕以下為下沉運動，以下為下沉運動，以上為相對渦區(qū)較弱的上升運動。以上為相對渦區(qū)較弱的上升運動。 圖圖16 200616 2006年年8 8月月1414日日2020點點500500hPahPa散度場散度場（單位：（單位：10105 5s s1 1） 成都信息工程學院大氣科學系195.1 非線性慣性重力內波的幾類孤立波解非線性慣性重力內波的幾類孤立波解

12、 考慮感熱加熱作用，并設它為常數(shù)考慮感熱加熱作用，并設它為常數(shù)Q，采用，采用z坐標坐標系，考慮二維問題（系，考慮二維問題（xz面），忽略地形摩擦作用面），忽略地形摩擦作用（地形只作為背景條件）及擾動南北向變化，采用（地形只作為背景條件）及擾動南北向變化，采用f常常數(shù)近似（即數(shù)近似（即ff0const.），則可建立如下形式的大氣），則可建立如下形式的大氣方程組：方程組：0uuu1puwf vtxzx 。0vvvuwf u =txz0www1puwgtxzz 。2Nu w = - Q txg。uw0 xz（1）（2）（3）（4）（5）2N其中是層結穩(wěn)定度參數(shù)。令：gz。0(u , v , w ,p

13、, ) = U ( ), V( ), W( ), p( ), ( ) （6）采用相平面分析方法，將（6）式代入上述方程組，并消去V,P,W得到U得單變量方程為：2222222222222Uf nN kUngkQ1U(nk )(nk )Uk(nk )Uk 。 上式為非線性方程，U=0顯然是它的一個平衡點，考慮到慣性重力內波的快波特性，利用非線性項展開法將 項在該平衡點作泰勒級數(shù)展開并略去二次以上項得： 1U k 2222222322223223222QQ(f nN k )ngkngkUN kUU0(nk )(nk )(nk )。（8）式再對 微商得：222223233223223Q(fnN k

14、)ngkUN kUU2U0(nk )(nk )。 （9）式就是KdV方程所對應的常微分方程，令 ：（7）（8）（9）以 乘以（10）式并對 積分得：22222223Q(f nN k )ngka(nk )。23223N kb(nk )222Qngkc(nk )。222 + a U + b U + c = 0 UU（8）式可簡寫為：其中C1為積分常數(shù)。此問題的定解條件可以設為：,0,0UU UU 時，。由定解條件可以求得C1，(11)式可變?yōu)椋?24()()()223UbUUU UaUUUbUaU2b=( 。-U ）-。）( 。（。+2c)3200 2bU + 2 aU + 2 c =0 當 ,即

15、 時，上式變?yōu)椋?0 U =(4)2aabcb （10）2231111()223UaUbUcUC(11)（12）224()() (3UbUUaU2b。-U-。)3024,33bbBEaU 0令A=-U()UUABUE 則（12）式可化為：可以證明正負號并不影響積分結果，對（可以證明正負號并不影響積分結果，對（1313）式只討論）式只討論取正號的情形。令取正號的情形。令F= U + A F= U + A ，積分上式得：，積分上式得：C2 dFFBFEAB其中其中C C2 2也為積分常數(shù)。（也為積分常數(shù)。（1414）式左端積分值可分為下面幾）式左端積分值可分為下面幾種情況來求出。種情況來求出。（1

16、3）（14）成都信息工程學院大氣科學系2422 arctanBFEABCABEABE22C2 3a3abUaU2U+3U )2b2b。+-。-（。tan（）2當當 E AB E AB 0 0 時，時， 積分（積分（1414）式得：）式得：2tan C C2 2作為波形的初位相角，在不改變波形的前提下，作為波形的初位相角，在不改變波形的前提下，適當平移適當平移 坐標軸坐標軸總可以使總可以使C C2 2=0=0。另外考慮到。另外考慮到 的偶的偶函數(shù)特性，則有：函數(shù)特性，則有：22 3a3abUaU2U+3U )2b2b。+-。-（。tan（）2解得：解得：（15）（16）（17）b. 第二類波解：

17、雙曲正割函數(shù)解第二類波解：雙曲正割函數(shù)解0()0EABBFEABEAB當，且時()ln()EABBFEABEABBFEABEAB3（C）dEAB3（C）令 , 注意到 且 F=U+AF=U+A，最后可得:221cosh()22dddEABeeBF2sech 同樣平移同樣平移 軸可以使軸可以使C3=0C3=0，考慮，考慮 是偶函數(shù)，通通過變量代換得過變量代換得:2sech2EABEABUAB 3（C）（18）（19）23a-a-2bUU = U - (3U +)sech ()2b2。此式為此式為KdVKdV方程的經(jīng)典孤立波解。此波是由平流產生的非線方程的經(jīng)典孤立波解。此波是由平流產生的非線性作用

18、引起波的突陡和慣性重力內波產生的頻散效應達到性作用引起波的突陡和慣性重力內波產生的頻散效應達到平衡時產生的，同時大氣層結和非絕熱加熱也有重要作用。平衡時產生的，同時大氣層結和非絕熱加熱也有重要作用。 c. 第三類波解：雙曲余割函數(shù)解第三類波解：雙曲余割函數(shù)解 當當 ，且，且 ，即，即 時，時，按照上面的積分方法得到：按照上面的積分方法得到：EAB0 ()0BFEABEABBF04()ln()()BFEABEABEAB CBFEABEAB（20）（21）同樣平移同樣平移 軸，使得軸，使得C C4 4=0=0，考慮，考慮 的偶函數(shù)性，把的偶函數(shù)性，把A=A= ，B= ， E = E = 代入得：代

19、入得：又令 ，并利用F=U+A,則4()eEAB C221sinh()22eeeEABeeBF 由于2BF(EAB)EABBF(EAB)EABelnln()BF(EAB)EABBF最后可求得：最后可求得：24csch C2EABEABUAB （）2cschU。2b-34baU3 。 2a2bUUU(3U)csch () 3a。+。+2b2（23）（22）該式為該式為KdVKdV方程的奇異孤立波解，在方程的奇異孤立波解，在 =0=0處，該類奇異處，該類奇異孤立波解存在間斷點（圖孤立波解存在間斷點（圖1818）。這與高原低渦在衛(wèi)星）。這與高原低渦在衛(wèi)星云圖上反映的無云區(qū)（空心區(qū)）有對應關系。云圖上

20、反映的無云區(qū)（空心區(qū)）有對應關系。圖18 奇異孤立波的示意圖成都信息工程學院大氣科學系29根據(jù)量綱分析，根據(jù)量綱分析， 的量級小于的量級小于 ，則有：，則有：上式對上式對 微分并代入（微分并代入（9 9）式后由（）式后由（1 1）（）（6 6）式得：）式得： 221()TPfkvngRR nk。由狀態(tài)方程由狀態(tài)方程 ：PRT。 式中式中R R為空氣的比氣體常數(shù)。則：為空氣的比氣體常數(shù)。則：PTR。f kU。ng0T（24）（25）（26）（27）成都信息工程學院大氣科學系30 可見高原低渦的溫度場分布為：除渦心（間斷點）可見高原低渦的溫度場分布為：除渦心（間斷點）外，其余渦區(qū)外，其余渦區(qū) 0

21、0，即離渦心越近，溫度越高，離，即離渦心越近，溫度越高，離渦心越遠，溫度越低。說明高原低渦在一定條件下與渦心越遠，溫度越低。說明高原低渦在一定條件下與熱帶氣旋一樣，也是一種暖心結構，這也符合前述的熱帶氣旋一樣，也是一種暖心結構，這也符合前述的高原低渦溫度場水平分布的天氣學分析以及衛(wèi)星云圖高原低渦溫度場水平分布的天氣學分析以及衛(wèi)星云圖觀測事實。觀測事實。 T成都信息工程學院大氣科學系316、高原低渦與熱帶氣旋類低渦的聯(lián)系高原低渦與熱帶氣旋類低渦的聯(lián)系 青藏高原青藏高原500hPa低渦的天氣學診斷和動力學結構分析低渦的天氣學診斷和動力學結構分析表明：由于青藏高原下墊面的熱力性質與熱帶海洋有相似表明：由于青藏高原下墊面的熱力性質與熱帶海洋有相似之處，所以不少高原低渦的結構與海洋上的熱帶氣旋或熱之處，所以不少高原低渦的結構與海洋上的熱帶氣旋或熱帶氣旋類低渦（帶氣旋類低渦（TCLV, tropical