東海氣旋風(fēng)垂直切變與垂直渦度關(guān)系的svd分析

東海氣旋風(fēng)垂直切變與垂直渦度關(guān)系的svd分析

1海洋不夠嚴(yán)格的斜壓系統(tǒng)近年來，許多人研究了溫帶海洋氣體形成的物理機(jī)制?？偟膩碚f，影響氣體形成的物理因素主要包括軸流、溫度流、潛熱加熱、海上氣交換（下墊面潛熱和感熱傳輸）、與非地幔加速、摩擦和傾斜不穩(wěn)定等。然而，到目前為止，還沒有確定哪一個(gè)或哪一個(gè)因素最重要。Sanders等曾指出,北大西洋氣旋的強(qiáng)烈發(fā)展與高空氣旋性渦度平流向洋面氣旋的逼近是一致的.彭公炳對1個(gè)東海氣旋的診斷分析指出,在氣旋發(fā)生的初期直至強(qiáng)烈發(fā)展期均表現(xiàn)出溫度平流項(xiàng)大于渦度平流項(xiàng).李長青、丁一匯對西北太平洋1個(gè)爆發(fā)性溫帶氣旋的動(dòng)力分析也表明,在氣旋發(fā)展初期溫度平流起主要作用.Rogers和Bosart對大西洋氣旋的研究發(fā)現(xiàn),初期氣旋是1個(gè)弱的淺薄的斜壓系統(tǒng),此時(shí)溫度平流對氣旋的發(fā)展有重要貢獻(xiàn),之后當(dāng)高空槽(與此有關(guān)的差動(dòng)渦度平流)到達(dá)氣旋上空時(shí),氣旋得到迅速發(fā)展.Anthes等的研究結(jié)果表明,對流層低層的斜壓不穩(wěn)定性對氣旋初期的發(fā)展是主要的,而潛熱釋放則是氣旋后期發(fā)展的1個(gè)重要因素.Hayashi和Golder對一般干、濕模式的對比試驗(yàn)表明,潛熱釋放使得靜力穩(wěn)定度減小,促使斜壓不穩(wěn)定增長,有利于氣旋的發(fā)展.另外,Winston和Pyke的研究表明,海洋溫帶氣旋往往發(fā)生在感熱和潛熱通量強(qiáng)的地區(qū).Kung的計(jì)算結(jié)果表明,在氣旋迅速加深階段,感熱和潛熱通量均有明顯的增大.可見,感熱和潛熱通量對氣旋的發(fā)生發(fā)展亦起了積極作用.長期以來,斜壓不穩(wěn)定被認(rèn)為是中緯度天氣尺度系統(tǒng)的主要啟動(dòng)機(jī)制,氣旋發(fā)生的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,爆發(fā)性氣旋發(fā)生的高頻區(qū)也是斜壓區(qū),因而斜壓過程可能是溫帶低壓發(fā)生和發(fā)展的前提條件.本文的目的,在于通過氣旋個(gè)例的分析,對大氣斜壓性的作用作進(jìn)一步的分析和探討.2海洋氣候條件2.1主客觀天氣天氣的發(fā)展階段經(jīng)過對多個(gè)氣旋個(gè)例的研究,發(fā)現(xiàn)1990年、1993年在20°～50°N,90°～140°E區(qū)域內(nèi)有兩個(gè)氣旋的發(fā)展與其中尺度數(shù)值模擬的結(jié)果是一致的.1990年個(gè)例從6月7日18時(shí)(北京時(shí),下同)開始入海到9日09時(shí)發(fā)展成熟,江淮氣旋地面中心氣壓由998.7hPa降到982.5hPa的最低,然后強(qiáng)度開始減弱;個(gè)例2氣旋從6月21日18時(shí)到23日09時(shí)地面中心氣壓由1001.3hPa降到993.8hPa.其間兩例氣旋都未經(jīng)歷爆發(fā)性發(fā)展,即地面氣旋中心氣壓降小于24hPa/24h(在標(biāo)準(zhǔn)60°N)或12hPa/12h(在標(biāo)準(zhǔn)45°N).本文配合海洋現(xiàn)場調(diào)查只研究東海區(qū)域(25°～33°N,120°～130°E)的氣旋過程,因此只選取了1990年6月7日18時(shí)至8日06時(shí)(地面氣旋中心氣壓由998.7hPa降為991.5hPa,位置由31.5°N,120°E移至33.2°N,122°E)和1993年6月21日18時(shí)至22日06時(shí)(地面氣旋中心氣壓由1001.3hPa降為997.4hPa,位置由31.7°N,119.5°E移至31.8°N,122.4°E)的兩個(gè)過程.根據(jù)以上資料,分別定義1990年、1993年兩個(gè)例氣旋的發(fā)展階段為3個(gè)時(shí)刻,1990年個(gè)例:初始時(shí)刻(6月7日18時(shí)),發(fā)展時(shí)刻一(6月8日00時(shí)),發(fā)展時(shí)刻二(6月8日06時(shí));1993年個(gè)例:初始時(shí)刻(6月21日18時(shí)),發(fā)展時(shí)刻一(6月22日00時(shí)),發(fā)展時(shí)刻二(6月22日06時(shí)).2.2天氣背景及大尺度環(huán)境條件分析以1990年個(gè)例為例分析其入海發(fā)展初期的大尺度條件.江淮氣旋入海初期(初始時(shí)刻)其附近有較大風(fēng)區(qū)存在,最大風(fēng)速在12m/s以上;氣旋發(fā)生在200hPa高空急流區(qū)南側(cè)(圖1),這里存在明顯的高空輻散場,氣旋北側(cè)最大輻散值為5.4×10-5s-1(見圖2);地面氣旋位于高空輻散區(qū)(見圖2中▲位置),高空500hPa短波槽東移為氣旋發(fā)展帶來了冷空氣(見圖3),而海上副高西側(cè)的暖平流帶來了暖空氣,從而形成這一地區(qū)的斜壓帶,氣旋中心位于斜壓帶內(nèi).同時(shí)副高西北邊緣850hPa中的空氣非常潮濕,且與南風(fēng)區(qū)重合,這有利于水汽的向北輸送,為氣旋迅速發(fā)展提供了充沛的水汽條件(圖略).初始和發(fā)展時(shí)刻一氣旋附近的風(fēng)場垂直結(jié)構(gòu)有明顯差異,發(fā)展時(shí)刻一氣旋左側(cè)北風(fēng)發(fā)展到了500hPa高度(見圖4)而東風(fēng)發(fā)展到了700hPa(圖略),風(fēng)垂直切變增大.氣旋入海前后垂直速度分布和強(qiáng)度也發(fā)生了變化(見圖5),初始時(shí)刻氣旋中心以北最大上升運(yùn)動(dòng)值為-8.3×10-3hPa/s,發(fā)展時(shí)刻一為-14.5×10-3hPa/s,兩個(gè)時(shí)刻氣旋中心主要位于上升運(yùn)動(dòng)區(qū),但發(fā)展時(shí)刻一的上升區(qū)更大,運(yùn)動(dòng)也更強(qiáng)烈.由以上天氣及大尺度環(huán)境條件分析可以看出,氣旋的初期發(fā)展是在斜壓區(qū)中進(jìn)行的.為研究大氣斜壓性在兩例氣旋初期發(fā)展中的作用,我們引入了傾斜渦度發(fā)展(slantwisevorticitydevelopment)理論,建立了風(fēng)垂直切變(大氣斜壓性)與垂直渦度的關(guān)系,并在對風(fēng)垂直切變進(jìn)行個(gè)例分析的同時(shí),了解大氣斜壓作用的重要性.3風(fēng)速垂直切變與濕斜壓度的關(guān)系在Boussinesq近似條件下使用濕球位溫,Bennetts和Hoskins研究了濕位渦的特性,并建立了描述濕位渦變化的方程,吳國雄等在此基礎(chǔ)上經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),在絕熱無摩擦的飽和空氣條件下,濕位渦(Pm)是守恒的:DΡmDt=0或Ρm=αξa?Δθe=常數(shù)?其中,α為比容;ξa為絕對渦度矢量;θe=θexp(Lqs/CpTe)≈θ(1+Lqs/CTe),θe為濕位溫,Lqs為潛熱系數(shù),Cp為比熱常數(shù),Te是相當(dāng)溫度,qs是飽和比濕.假設(shè)空氣是飽和的且沿θe面下滑足夠緩慢,以使氣塊物理性質(zhì)與周圍環(huán)境相適應(yīng).在同一坐標(biāo)系中將Pm的表達(dá)式展開,忽略諸小項(xiàng)后則有Ρm=Ρ1+Ρ2=常數(shù)?其中?{Ρ1=-gξp?θe?p?Ρ2=-g?Κ×??V?p?Δpθe?于是,絕對渦度的垂直分量ξp=-(Ρm-Ρ2)/gθep=-(Ρm+g?Κ×??V?p?Δpθe)/gθep,(1)式(1)中θep=?θe?p?Ρ2反映了風(fēng)速垂直切變與濕斜壓度的綜合變化.由傾斜渦度發(fā)展理論,當(dāng)氣塊沿傾斜等熵面下滑時(shí),若滿足C=-P2/θep<0,即:C=g?Κ×??V?p?Δpθe/θep＜0?(2)將有利于該處傾斜渦度(ξP)的發(fā)展.為更清楚地看出這一關(guān)系,由“全型渦度方程”可以推出:DζpDt=-βv-(f+ζp)Δ??V+1αDDt[pmθep-C]?θp≠0?(3)式(3)中f為地轉(zhuǎn)渦度,且假設(shè)pmθep不變,其他均是氣象上常用量.該式清楚地表明了C(反映風(fēng)垂直切變及斜壓性)的時(shí)間變化項(xiàng)(右端第3項(xiàng))與相對渦度ζp變化之間的關(guān)系.|C|隨時(shí)間增大,對相對渦度ζp增強(qiáng)有正貢獻(xiàn).在第4部分中將聯(lián)系實(shí)例對此進(jìn)行驗(yàn)證.4濕位液壓傾斜潮度發(fā)展理論針對本文研究的兩例入海氣旋,在飽和空氣條件下(兩個(gè)例中,氣旋區(qū)域內(nèi)低層大氣近似飽和,圖略)氣旋自陸地向海洋移動(dòng)發(fā)展的過程中(初始時(shí)刻到發(fā)展時(shí)刻一),其強(qiáng)度(傾斜渦度)的發(fā)展機(jī)制可以用濕位渦傾斜渦度發(fā)展理論來解釋.下面結(jié)合兩個(gè)例的實(shí)況,應(yīng)用該理論來簡要分析初始時(shí)刻到發(fā)展時(shí)刻一風(fēng)垂直切變(大氣斜壓性)及高空急流和江淮氣旋發(fā)展的關(guān)系.4.1相當(dāng)位溫的垂直切變由1990年個(gè)例的850,500,300hPa相當(dāng)位溫分布圖可以看到,300,500hPa等相當(dāng)位溫線在地面氣旋北側(cè)比較密;而在850hPa面上,氣旋正位于位溫梯度最大的區(qū)域,表現(xiàn)為低層氣旋是在較強(qiáng)的斜壓區(qū)內(nèi)發(fā)展的(見圖6).這同黃立文等研究的溫帶海洋氣旋的爆發(fā)性發(fā)展條件類似.另外,高、中、低層的氣旋都偏于暖空氣一側(cè),因而低壓的發(fā)展可能與斜壓不穩(wěn)定有關(guān),為此計(jì)算了Richardson數(shù)(簡寫為Ri=gσD2U2;式中σ=-?lnθ?Ζ=1Τ(γd-γ)=1Τ(gCp+?Τ?Ζ);D,U分別為水平距離及風(fēng)速尺度;Ri是反映斜壓性層結(jié)綜合作用的無量綱量,值越小反映斜壓性層結(jié)不穩(wěn)定度越大).由表1中可以看出,初始時(shí)刻在中、低層有較小的Ri數(shù),這表明氣旋初生時(shí)期中、低層受到了斜壓不穩(wěn)定的作用;發(fā)展時(shí)刻一、氣旋區(qū)中、低層的Ri值減小.兩個(gè)時(shí)刻低層均有Ri數(shù)的極小值.這種特征也證實(shí)了Gall提出的低層Ri數(shù)必須小于高層Ri數(shù)才有利于次天氣尺度斜壓擾動(dòng)增長的結(jié)論.分析相當(dāng)位溫的垂直剖面圖(見圖7a)可知,氣旋區(qū)域內(nèi)大氣是對流穩(wěn)定的(θep<0).另外,圖7b表示了1990年個(gè)例實(shí)況中初始時(shí)刻和發(fā)展時(shí)刻一西風(fēng)分量u沿氣旋中心的經(jīng)向垂直剖面圖,由圖可以看到,各時(shí)刻氣旋區(qū)域的相當(dāng)位溫等值線呈傾斜分布(反映出氣旋區(qū)等熵面傾斜).初始時(shí)刻,氣旋中北側(cè)高空(200hPa代表,下同)西風(fēng)u風(fēng)速約為35m/s,低層(700hPa代表,下同)約為-5m/s(東風(fēng));發(fā)展時(shí)刻一,高層西風(fēng)u風(fēng)速約為45m/s,低層為-5m/s.從初始時(shí)刻到發(fā)展時(shí)刻一,北風(fēng)的高度由700hPa伸展到了500hPa以上(見圖4),高層水平風(fēng)速大于低層(?u?p＜0??v?p＜0);從初始時(shí)刻到發(fā)展時(shí)刻一,200～700hPa間的風(fēng)垂直切變是加大的[|?u?p|增大了0.020m/(s?hΡa)?|?v?p|增大了0.014m/(s?hΡa)];風(fēng)垂直切變的位置(最大風(fēng)垂直切變位于氣旋中心北側(cè))和大小與氣旋的位置和強(qiáng)度(850hPa垂直渦度增加了約為6.67×10-5hPa/s)相配合,強(qiáng)度較大的垂直風(fēng)切變的存在也反映了氣旋的存在;另外由圖6可見,氣旋中心?θe?x＜0??θe?y＜0,并且根據(jù)計(jì)算,從初始時(shí)刻到發(fā)展時(shí)刻一,850hPa氣旋中心|?θe?x|?|?θe?y|的值隨時(shí)間分別增大了0.037×10-2,0.024×10-2K/km;500hPa分別增大了0.052×10-2,0.031×10-2K/km;300hPa的相當(dāng)位溫水平梯度也同樣增大(Δpθe增大).上述分析和計(jì)算說明滿足傾斜渦度發(fā)展的條件式(2),且|C|值隨時(shí)間增大有利于氣旋發(fā)展.另外在中高緯地區(qū)(本情形)可取準(zhǔn)地轉(zhuǎn)近似,在C=-P2/θep中Ρ2=-gΚ?×?V??p?Δpθe≈-gΚ?×(-1ρg?V?g?z)?Δpθe=-gθefρΔplnθ?(Δplnθe)≈-gfρθe(Δpθe)2推出C≈gfρθe(Δpθe)2/θep,(4)其中ρ為空氣密度;f為地轉(zhuǎn)參數(shù).在飽和大氣中,假設(shè)對流穩(wěn)定度θep不變,當(dāng)大氣對流穩(wěn)定(θep<0)時(shí),顯然C值小于零的條件恒得到滿足,且因相當(dāng)位溫梯度隨時(shí)間增大,這說明大氣斜壓性的增大十分有利于氣旋的增強(qiáng).同時(shí)也計(jì)算了1993年個(gè)例u西風(fēng)和v南風(fēng)垂直切變的變化(從初始時(shí)刻到發(fā)展時(shí)刻一),初始時(shí)刻氣旋中心高層(200hPa代表,下同)西風(fēng)平均風(fēng)速為35m/s,低層(700hPa代表,下同)為5m/s;發(fā)展時(shí)刻一,高層西風(fēng)平均風(fēng)速為45m/s,低層為-2m/s(東風(fēng)),東風(fēng)高度伸展到500hPa上下;從初始時(shí)刻到發(fā)展時(shí)刻一氣旋附近v南風(fēng)的垂直切變也是明顯增加的,而且相當(dāng)位溫的水平梯度變化情況也與個(gè)例1基本一致.兩個(gè)例的事實(shí)說明,在江淮氣旋入海階段,氣旋的發(fā)展與風(fēng)垂直切變及大氣斜壓性的增強(qiáng)密切配合,SVD理論很好地反映了斜壓大氣中風(fēng)垂直切變的作用.4.2高空病勢以及環(huán)流背景與氣動(dòng)天氣的關(guān)系與風(fēng)速垂直切變相對應(yīng),氣旋附近高空存在急流區(qū).本文分別考察了兩個(gè)例實(shí)況初始時(shí)刻及發(fā)展時(shí)刻一200hPa(高空)的西風(fēng)u分布:1990年個(gè)例初始時(shí)刻地面氣旋中心北側(cè)200hPa高空急流中心的最大風(fēng)速大于45m/s;發(fā)展時(shí)刻一200hPa高空急流中心的最大風(fēng)速超過50m/s,且40m/s以上的大風(fēng)區(qū)明顯擴(kuò)大(圖8).這種特征在1993年個(gè)例中也有所體現(xiàn).由以上事實(shí)可以看出,從初始時(shí)刻到氣旋入海發(fā)展(發(fā)展時(shí)刻一),高空急流的強(qiáng)度是增大的,最大風(fēng)速增加了約為5m/s,而且急流區(qū)域也有所擴(kuò)大.200hPa面上存在的這種強(qiáng)的西風(fēng)急流與氣旋發(fā)展的對應(yīng)關(guān)系,李長青等在文獻(xiàn)中也有涉及,然而卻未注意在氣旋的不同階段高空西風(fēng)急流強(qiáng)度變化與氣旋發(fā)展的關(guān)系.另外,研究1990年個(gè)例氣旋與高空急流的相對位置,我們由圖1可以看到:氣旋發(fā)展初期地面氣旋中心處在高空急流的南側(cè),這里由于高層慣性平流作用造成的非地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的強(qiáng)烈輻散為氣旋的發(fā)展提供了有利的環(huán)流背景;并且根據(jù)Cressman的結(jié)果,這里是急流間接次級(jí)環(huán)流的上升支,這種配置有利于氣旋的發(fā)展.李長青和丁一匯曾經(jīng)指出,西北太平洋氣旋(1984～1985年)的爆發(fā)性發(fā)展絕大部分發(fā)生在高空急流出口區(qū)的北側(cè).本文所選取的兩個(gè)個(gè)例雖然沒有經(jīng)歷爆發(fā)性發(fā)展,但隨著氣旋繼續(xù)向東北移動(dòng)(移出兩個(gè)例的研究區(qū)域)加強(qiáng),氣旋也移到了急流出口區(qū)的北側(cè),其中成熟時(shí)刻移至38°N,130°E附近處在急流軸東端稍偏北的位置(圖9左),即間接次級(jí)環(huán)流的上升支,并得到較快發(fā)展,當(dāng)氣旋發(fā)展成熟后,西風(fēng)急流中心迅速向下游傳播,而消亡時(shí)刻氣旋已顯著北跳,移至45°N,135°E附近,氣旋中心偏離開急流軸(圖9右).造成氣旋和急流軸相對位置變化的主要原因是氣旋北移的結(jié)果.基于以上分析可知,江淮氣旋的入海發(fā)展初期伴隨有氣旋附近風(fēng)速垂直切變和高空急流的增強(qiáng)以及氣旋和高空急流相對位置的變化.診斷分析表明,氣旋在高空急流出口區(qū)也未必經(jīng)歷爆發(fā)性發(fā)展.海-陸地形、熱力的差異和其他原因?qū)е铝撕０陡浇L(fēng)垂直切變及