大气加热场影响西太平洋副热带高压短期位置变化的数值模拟

陈璇,王黎娟,管兆勇,林春泽

(1.武汉中心气象台,湖北武汉430074;2.南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室,江苏南京210044;3.中国气象局武汉暴雨研究所,湖北武汉430074)

0 引言

近年来,很多研究指出不同加热场之间的配置对副高短期位置的东西进退及南北移动的影响作用不同(黄荣辉和李维京,1988;刘屹岷等,1999;刘还珠和姚明明,2000;He et al.,2001;Wen et al.,2003;温敏和施晓晖,2006)。王黎娟等(2009)通过动力和热力学理论探讨了江淮梅雨期和华南前汛期大范围持续性强降水期间非绝热加热影响副高的物理机制,并得出结论:无论在江淮强降水还是华南强降水期间,副高西侧较远处孟加拉湾热源异常都会诱导副高异常西伸;江淮强降水期间,副高北侧江淮流域加热场的存在不利于副高北进,而在副高西侧孟加拉湾热源的共同作用下导致副高在江淮以南维持并出现明显的西伸;但在华南强降水期间,副高西北侧边缘华南地区的加热场对副高西伸北抬的阻碍作用强于孟加拉湾加热场对副高的诱导西伸,可在短期内迫使副高东撤南退。这两种不同地理位置分布的加热场异常配置对副高短期位置变异产生了不同的影响,为弄清雨带中所释放的凝结潜热对副高的活动、位置变化是否有反馈作用,采用适合的数值模式试验来模拟不同位置热源影响下的副高位置变化很有必要。

区域气候模式(RegCM3)是意大利国际理论物理中心(ICTP)于2003—2004年间研制开发的区域气候模式RegCM2的改进版(Pal et al.,2007)。RegCM3通过在MM5中尺度天气模式的动力学框架中加入了一些气候学物理过程,来进行气候模拟(赵宗慈和罗勇,1998),它具有较高的空间分辨率,对局地强迫引起的气候特征有较好的模拟能力,已成为研究区域气候变化的一个重要工具。国际上对RegCM3模拟区域气候异常事件的能力已经给予了肯定(陆其峰等,2003;Pal,2003;Afiesimama et al.,2006;周建玮和王咏青,2007),近年来中国先后有人用该模式对中国极端气候事件、东亚季风区降水异常等的模拟能力进行验证,也都取得了较好的效果和结论,说明RegCM3具有一定的模拟中国气候的能力(刘晓东等,2005;鲍艳等,2006;闵莉等,2008;梁玲等,2009)。

针对前期的诊断分析结果,本文利用RegCM3嵌套NNRP1再分析资料,对江淮、华南及孟加拉湾热源异常进行了相关数值试验积分,以期就短期时间尺度上季风雨带凝结潜热释放对西太平洋副热带高压位置变化的影响途径作初步探讨。

1 RegCM3模拟个例选取

从前期挑选出的持续性强降水过程的典型个例中(王黎娟等,2009),选择其中具有代表性的江淮2003年6月30日—7月6日、华南1998年6月19—25日的持续性强降水过程,这两个过程分别属于江淮强降水过程和华南强降水过程。强降水过程中会释放大量的凝结潜热构成大气主要的非绝热加热(王黎娟等,2009),图1给出了两个个例中由降水计算得到的凝结潜热HL(HL=L×P,L为凝结潜热系数,P为降水量)与西太平洋副热带高压在东西及南北位置变化上的对应关系。从图中可以看到,在强降水时段,凝结潜热随着强降水的发生而增大,它随时间的变化也与阴影区副高位置的变化有着很好的对应关系。西太平洋副热带高压在江淮强降水过程(2003年6月30日—7月6日)中受到其北侧江淮流域及西侧孟加拉湾热源的共同影响,会在江淮以南稳定维持并出现明显的西伸(图1a、1b);而在华南强降水过程(1998年6月19—25日)中则有所不同,副高会受其西北侧华南地区及西侧孟加拉湾热源的共同作用,在季节性西伸过程中出现短期的东撤南退(图1c、1d)。针对此现象,下文利用RegCM3分别对2003年江淮和1998年华南的这两次持续性强降水过程的实况进行模拟,讨论副高的位置变异情况,并试图通过敏感性试验,证实不同位置配置下的热源对副高短期位置变异的影响作用不同。

2 资料及试验方案

2.1 资料

图1 凝结潜热(等值线)和500 hPa位势高度(阴影区:大于588 dagpm)的时间剖面(粗实线箭头对应副高的西伸、东撤过程,纵虚线表示孟加拉湾经度带,横虚线表示江淮、华南纬度带) a.江淮强降水个例中凝结潜热沿10～27.5°N、位势高度沿22°N的时间—经度剖面;b.江淮强降水个例中凝结潜热沿110～125°E、位势高度沿120°E的时间—纬度剖面;c.华南强降水个例中凝结潜热沿10～27.5°N、位势高度沿20°N的时间—经度剖面;d.华南强降水个例中凝结潜热沿105～120°E、位势高度沿125°E的时间—纬度剖面。Fig.1 Time-sections of latent heating(isoline)and 500 hPa geopotential height(shadings:＞588 dagpm)(arrows with thick solid line:the eas tward retreat and westward extension of WPSH;vertical dashed lines:the longitude zones of the Bay of Bengal;transverse dashed lines:the latitude zones of the Changjiang-Huaihe River valley or South China) a.time-longitude cross sections of latent heating averaged between 10°N and 27.5°N,and geopotential height along 22°N in the heavy rainfall in Changjiang-Huaihe River valley;b.time-latitude cross sections of latent heating averaged between 110°E and 125°E,and geopotential height along 120°E in the heavy rainfall in Changjiang-Huaihe River valley;c.time-longitude cross sections of latent heating averaged be tween 10°N and 27.5°N,and geopotential height along 20°N in the heavy rainfall in South China;d.time-latitude cross sections of latent heating averaged between 105°E and 120°E,and geopotential height along 125°E in the heavy rainfall in South China

采用每日4次、水平分辨率为2.5°×2.5°的NNRP1再分析资料,包括气温、位势高度、垂直速度、相对湿度、经、纬向风和地面气压场等物理量场,插值到模式各层为模式提供初边值场;地形由美国地质勘探局(United States Geological Survey,USGS)制作的5′×5′地形数据插值得到;植被覆盖资料使用USGS基于卫星观测反演的5′×5′GLCC(global land cover characterization)资料;海温使用美国海洋大气局(NOAA)的周平均O ISST资料,其空间分辨率为1°×1°。

2.2 模式研究范围及物理参数化方案的选取

模式模拟区域中心位于(110°E,25°N),水平分辨率为50 km,水平格点数取192×115,包括了含青藏高原在内的整个中国及南海、孟加拉湾、赤道西太平洋等部分地区,垂直方向为18层。采用兰勃托投影,模式层顶气压为50 hPa,积分时间步长90 s。侧边界选择指数松驰方案;积云对流方案选择基于Fritsch&Chappell(FC80)闭合假设的Grell方案;海洋通量参数化选择Zeng方案;气压梯度计算采用静力平衡扣除方式。

图2为模拟区域的地形与地表植被覆盖状况。模式中的植被覆盖分为20种,其中8代表沙漠,11表示半沙漠地区,12表示冰盖,13表示湿地,15表示海洋。

2.3 试验方案的设计

控制试验1(CTL1)从2003年6月30日积分7 d,控制试验2(CTL2)从1998年6月19日积分7 d。为了模拟江淮及华南强降水期间热源配置差异对副高短期位置变动影响的异同,在模式中选取前期合成分析的江淮、华南强降水过程的整层积分视热源＜Q1＞分布大值区(图3,江淮流域(105～125°E,25～35°N)、华南地区(100～140°E,20～30°N)以及孟加拉湾(85～100°E,10～27.5°N),详细参见王黎娟等(2009)中图1、图2和图5),分别加大和减小热源来做敏感性试验。由于本文研究的强降水期间大气加热场非绝热加热主要是由强降水释放的凝结潜热为主(王黎娟等,2009),所以借鉴温敏等(2004)的方法,在敏感性试验中采用在初始场中将江淮流域(华南地区)以及孟加拉湾地区热源大值区各层相对湿度加大和减小的方法来,加大和减小凝结潜热,并相应加大和减小每日侧边界条件中的相对湿度,其他条件与控制试验相同。对2003年江淮强降水过程和1998年华南强降水过程分别设计了5个数值试验,列于表1。值得指出的是,模式中当初始场及边界条件中相对湿度值RH放大超过1时,即取RH=1(比湿达到饱和比湿)来计算。将热源大值区RH放大3倍,就是通过使水汽达到饱和来最大程度地增大凝结潜热。

图2 模拟区域范围及地形高度(a;单位:m)和植被覆盖情况(b)Fig.2 (a)Model domain,topographic height(m)and(b)vegetation cover of simulation experiment

图3 江淮(a)、华南(b)强降水过程中整层积分的视热源＜Q1＞合成分布(单位:W/m2;长方形框为选取的江淮、华南及孟加拉湾热源大值区域,虚线为对应的500 hPa上副高588 dagpm等值线)Fig.3 The apparent heating source＜Q1＞during the heavy rainfall over(a)the Changjiang-Huaihe River valley and(b)South China(units:W/m2;the rectangle frames are the heat source regions over the Changjiang-Huaihe River valley,South China and the Bay of Bengal,and the dashed line is 588 dagpmisoline at 500 hPa)

表1 江淮、华南数值试验设计方案Table 1 N um erical experim en ts by the Reg CM3 in the Changjiang-Huaihe River valley and South China

图4 控制试验1(CTL1)模拟的2003年7月1—6日500hPa位势高度场(a-f;单位:dagpm)Fig.4 (a-f)500hPa geopotential heights from July1to6,2003s im ulated by CTL1experim ent(units:dagpm)

3 模拟结果分析

3.1 控制试验结果分析

图4为CTL1得到的2003年6月30日—7月6日持续性强降水过程中第2天至第7天的500hPa位势高度场。与实况(图略)对比可知,RegCM3模拟的此次强降水过程中位势高度场以及西太平洋副热带高压的位置变化特征与实况基本相符。从强降水开始的第2天(7月1日)到第4天(7月3日),西太平洋副热带高压有明显的西伸,588dagpm等值线由115°E西进5个经度到达110°E,之后,到强降水结束日第7天(7月6日),副高东退并减弱。

图5为CTL2得到的1998年6月20—25日持续性强降水过程。与CTL1一样,CTL2也基本能模拟出西太平洋副热带高压在华南强降水时段的短期东退现象。副高588dagpm线最西端由6月20日的124°E东退到6月23日的130°E附近,之后又再次西伸。

两个控制试验的模拟结果比实况场副高位置稍偏东,强度偏弱1～2dagpm,但基本上模拟出了强降水时段的环流形势,可见RegCM3对西太平洋副热带高压有一定的模拟能力。另外,也可以发现,在整个过程中,模拟的副高脊线位置会比实际偏北2～3个纬距,但副高在南北变化上表现的较为稳定,唯一的变动在于CTL1中副高强度的变化使其外围覆盖区域会扩大,并没有表现出脊线的明显南北位移。在此基础上,可以认为用RegCM3进行热源的敏感性试验来验证副高位置的东西变化是具有一定的可信度的。

图5 控制试验2(CTL2)模拟的1998年6月20—25日的500hPa位势高度场(a-f;单位:dagpm)Fig.5 (a-f)500hPa geopotential heights from June20to25,1998s im ulated by CTL2experim ent(units:dagpm)

3.2 热源异常敏感性试验结果分析

首先对2003年的热源异常试验进行分析。在4个敏感性试验中,分别将在同一地区加大和减小相对湿度RH的模拟结果做差值,即可得到不同地区加热场的存在对副高环流的影响,分别称之为孟加拉湾热源异常试验(J0B2-J0B1)和江淮及孟加拉湾共同热源异常试验(J2B2-J1B1)。

图6是孟加拉湾热源异常试验中第2天至第7天模拟的500hPa水平流场差值分布。从王黎娟等(2009)的分析结论中可知孟加拉湾加热场的异常存在,会在其东侧强迫出反气旋性环流诱导西太平洋副热带高压西伸。从图5的水平流场分布情况可以看到,在7月2—5日,孟加拉湾北侧均有低槽或气旋性环流存在,可见敏感性试验中在孟加拉湾加入的潜热加热的加热作用会在其上空强迫出气旋式流场,使其东侧偏南风分量加强,其形式与王黎娟等(2009)的分析一致。在西太平洋洋面及我国大陆东部地区反气旋式环流在强降水发展期7月1—3日也表现出西伸的趋势,环流西侧偏南风由115°E向西扩展到110°E,之后在强降水减弱期又出现东撤现象。这说明孟加拉湾加热场的存在可能是诱导西太平洋副热带高压西伸的因子之一。

图6 孟加拉湾热源异常试验模拟的2003年7月1—6日500hPa水平流场差值(J0B2-J0B1)(a-f;单位:m/s)Fig.6 (a-f)The differences of500hPa horizontal flow fields between J0B2and J0B1(J0B2-J0B1)in the heating anomaly experiments over the Bay of Bengal from July1to6,2003(units:m/s)

江淮及孟加拉湾共同热源异常试验中,同时在江淮流域及孟加拉湾地区加入热源,期望证实两个热源共同存在时对西太平洋副热带高压西伸东退的影响。图7中江淮加热场激发的气旋性环流并不明显,但是孟加拉湾北侧500hPa水平流场上都表现出了明显的气旋式环流。同孟加拉湾热源异常试验结果较一致的是,在西太平洋洋面及我国大陆东部地区形成的反气旋式环流在整个强降水过程中出现了明显的西伸现象。反气旋式环流与孟加拉湾气旋式环流间的偏南风,由7月1日的115°E附近向西扩展,到中期7月3日的103°E,确实有利于引导西太平洋副热带高压西进,之后的7月4—6日,副高也随着偏南风的东撤而东退。

图7 江淮及孟加拉湾共同热源异常试验模拟的2003年7月1—6日500hPa水平流场差值(J2B2-J1B1)(a-f;单位:m/s)Fig.7 (a-f)The differences of500hPa horizontal flow fields between J2B2and J1B1(J2B2-J1B1)in the heating anomaly experiments over the Changjiang-Huaihe River valley and the Bay of Bengal from July1to6,2003(units:m/s)

对1998年的华南及孟加拉湾共同热源异常试验的模拟结果(图8)分析发现,在青藏高原东侧长江中游地区有气旋式环流存在,并在强降水过程中会有短暂东移,受其东侧的偏南气流东移影响,西太平洋副热带高压会有东退现象发生。可见在两个加热场共同存在的情况下,该模式还是可以表现出副高在西伸过程中的短期东退的特征。但是在单独的孟加拉湾热源异常试验中(图略),虽然在青藏高原东侧长江中游附近存在气旋性环流,但其东侧的偏南风维持在115°E附近,未有明显的东西位置上的变动,不能很好地反映出副高位置的西伸现象。这是否与模式在控制试验中模拟的环流场较实况环流场偏北,影响了热源与副高位置之间的配置有关?有待于今后进一步验证。

图8 华南及孟加拉湾共同热源异常试验模拟的1998年6月20—25日500hPa水平流场差(H2B2-H1B1)(a-f;单位:m/s)Fig.8 (a-f)The differences of500hPa horizontal flow fields between H2B2and H1B1(H2B2-H1B1)in the heating anomaly experiments over South China and the Bay of Bengal from June20to25,1998(units:m/s)

从以上的热源敏感性试验中,可以认为:RegCM3在模拟孟加拉湾热源异常时,虽然在华南强降水过程中西太平洋副热带高压的西伸效果并不明显,但在江淮强降水过程中却能够捕捉到副高西进的现象,其西伸东退的特征与实际环流形势是一致的。另外,模式在模拟江淮和孟加拉湾热源共同存在时很好地表现出了副高的西伸现象,以及华南和孟加拉湾热源共同存在下的副高短期东退现象,只是对副高南北位置上的变化模拟的效果不明显。这表明王黎娟等(2009)分析的异常加热源在自我调整机制中对西太平洋副热带高压东西进退的影响上是有一定的反馈作用的,能够被模式所证实。然而所做试验只是以单独的个例模拟来验证模式的模拟性能以及热源对副高的反馈是远远不够的,还需要选择多种数值模式设计更适合的敏感性模拟试验,以更全面地了解非绝热加热在影响西太平洋副热带高压短期位置变动上的动力及热力学机理。

另外也模拟了江淮热源以及华南热源单独存在时,副高的位置南北方向异常的敏感性试验,但是模拟效果并不理想,不能很好地反映出副高位置在南北方向上的变动情况,这可能与该模式对副高模拟偏北,掩盖掉了江淮流域以及华南地区某些环流信息,致使气旋性环流不能表现出来有关。

4 结论

本文利用RegCM3对持续性强降水过程中热源影响西太平洋副热带高压短期位置东西进退的现象进行了模拟。模拟结果证实:持续性强降水期间孟加拉湾热源异常存在是诱导西太平洋副热带高压异常西进原因之一;江淮和孟加拉湾加热源的异常配置有利于引导副高西伸,而华南和孟加拉湾加热源的异常配置有利于副高在季节性西伸过程中出现短期东退现象。这表明异常加热源在自我调整机制中对西太平洋副热带高压东西进退的影响上有一定的反馈作用,江淮(华南)和孟加拉湾热源的异常配置可能是西太平洋副热带高压短期位置东西进退的影响因子之一。

模式在模拟副高北侧江淮及华南热源异常对副高南北位置变动的影响不太理想,不能反映出副高北部的江淮及华南热源存在时对副高季节性北抬的阻碍作用,这可能与模式在模拟环流场中副高位置偏北,且在南北变化上表现较稳定,会掩盖掉江淮及华南地区热源强迫出的气旋性环流,导致在副高北侧加热源异常的作用并不明显有关;另外,也可能与模式自身的模拟性能及敏感性试验的设计方案有关,需要进一步研究。

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