副热带高空急流的非地转平衡特征

2011-01-30元慧慧钟中李杰郑红莲张春华

大气科学学报 2011年4期

元慧慧，钟中，李杰，郑红莲，张春华

(1.中国人民解放军61741部队，北京100081;2.解放军理工大学气象学院，江苏南京211101)

0 引言

副热带西风急流是东亚环流系统的重要成员，常年在我国中纬度地区上空活动，与季风变异、寒潮、锋面以及我国东部降水均有着密切的关系。很多研究都表明东亚大气环流的季节转换、季风区雨季的开始和结束都与西风急流位置及其南北移动和强度变化有密切的联系(Hoskins and Valdes，1990;朱乾根，2001;Yang et al.，2002;周兵等，2003;张耀存和郭兰丽，2005)，急流的发展又与大尺度的环流调整有关(陶诗言等，1958;Chang et al.，2002;黄兴春和江静，2008)，而地转适应是其本质。按照地转适应理论，实际天气系统的演变过程可以近似地看成是一连串的地转适应状态的发展演变过程，是由非地转平衡状态向地转平衡状态转变的过程，即在这个过程中非地转平衡气流是驱动大气运动尤其是中纬度大气运动的源动力。高空急流非地转所造成的适应过程在对流层中、上层的锋生过程中起着重要作用(Charney，1947;李勇红和张可苏，1992)。从这个角度来看，加深对高空急流的非地转平衡问题的认识不仅具有理论意义，而且还具有重要的实际意义，它对我们分析理解一些天气现象的产生和发展都是十分重要的。

随着近年来中尺度气象学的研究和中尺度模式的不断完善，为研究急流强度变化过程中的非地转平衡运动提供了条件。Fritts and Luo(1992)利用一个二维模式讨论了急流附近在地转适应过程中激发出来的重力波特征，指出急流附近非地转运动是重力惯性波的一个重要源区。许小峰和孙照渤(2003)通过数值模拟分析了大尺度环流调整后的地转平衡被破坏、非平衡流出现、急流建立及重力波的发生与传播。本文通过对急流强度变化过程中的中尺度数值模拟结果进行诊断分析，揭示了高空急流非地转平衡特征，并探讨了急流非地转性与中尺度暴雨的关系。

1 数值模拟

1.1 方案设计

模拟选用NCEP/NCAR再分析资料(1°×1°)作为初始场和边界条件，利用第3版MM5模式对高空急流区进行模拟。水平格距为15 km，区域范围为(105～155°E，20～50°N)。垂直方向采用在200 hPa加密的σ坐标，共有不等距的29层。对“03.7”江淮暴雨过程中最强的一次降水过程进行模拟，时间为2003年7月4日12时—7月6日12时(世界时，下同)，共积分48 h，积分步长为60 s，侧边界每6 h更换一次，每10 min输出一次积分结果。

地形资料使用分辨率为30'的模式地形资料，兰勃托地图投影。侧边界采用松弛边界条件的指数方案。对流参数化方案选用Grell方案;边界层过程的模拟选择了Blackadar高分辨率方案。

1.2 模拟效果检验

使用NCEP/NCAR再分析格点资料(1°×1°)和GPCP降水资料(1°×1°)作为观测资料与模拟结果进行对比。NCEP/NCAR资料与模拟场在各等压面上的风场、温度场、高度场之间的相关系数随着模拟时间的增加略有下降，但大多都在0.8以上。总体看来，模拟结果与检验资料相关较好，位势高度场相关最好，相关系数在0.95以上，高层纬向风分布形势的模拟好于中低层，中低层温度分布形势的模拟比高层好，中层经向风场的模拟比高层和低层好。

由积分48 h的模拟场与NCEP/NCAR资料做对比可以发现，模式很好地模拟出了200 hPa急流区的风场(图1a、b)，与实况相比，模拟场中的风速等值线平滑中存在小扰动，可见与光滑的NCEP/NCAR再分析场相比，MM5模式可以更细致地反映大气运动状态，这也是高分辨率模拟的优势所在。850 hPa上(图1c、d)温度基本呈现由西南向东北逐渐降低的分布特征，我国东北和日本上空的等高线密集区模拟得较好，位于朝鲜半岛上空的低压模拟得略偏西南。

2 急流强度变化的非地转特征诊断

2.1 非地转特征与急流强度的变化

“急流生成函数”(寿绍文，2003)定义为:

还可写成

其中:Va为y方向风的非地转分量。对于副热带高空急流来说，起作用的主要是－f▽2Va项，因此，高始增大。这说明偏差风对急流的强度变化及其程度均有一定的指示性，地转偏差与急流短期强度的变化有密切的联系。

48 h急流强度呈如图2所示的振荡变化趋势，在此选取一个急流增强的短期过程:7月6日01—06时作为讨论对象。图3为7月6日01—06时平均非地转风分布，可见，急流区内(30 m/s等风速线以内)基本为平均非地转风的正值区，最大值区域位于急流中心北侧，主要的负值区位于急流入口区附近。急流核南侧非地转风呈反气旋式切变，入口区呈反气旋式切变，入口区以北和出口区以北有弱气旋式切变，非地转性很小。

2.2 非地转平衡分析

从非地转的本质上说，它是由地转平衡被破坏后而产生的一种实际风速超过地转风的现象。它反映了大气环流中风压场的一种相互适应的过程，而这种地转适应过程是高空急流建立和发展的一个根本的动力机制。下面将针对高空急流的非地转风涡度水平分布特征及其垂直结构进行分析。

图4为7月6日01—06时200 hPa急流区域非地转风涡度水平分布。由01—06时平均非地转风涡度分布(图4g)可见，非地转风涡度的分布并不简单地是大尺度资料显示的“四象限”分布，还存在着中尺度的特征:极值区域大小只有中尺度的范围，且正负相间。这些中尺度涡度极值区主要集中于3个区域:太行山脉、长白山脉以及日本本州岛。与地形(图4h)对比可发现，这3个区域均对应于高度超过1 000 m的中尺度地形区域，这说明高空急流的非地转涡度大值区与中尺度地形对应相关。在5 h急流增强的过程中，位于太行山脉和本州岛上空的非地转涡度极值区范围和强度不断扩大，长白山脉上空的非地转涡度极值区范围和强度不断减小(图略)。

结合01—06时降水量分布(图5a)和累计降水量分布(图5b)可见，位于朝鲜半岛以南的强降雨带位于急流核的南侧，但是与高空非地转风涡度的极值区没有明显的对应关系。然而太行山脉附近和东北的两个中尺度降水区分别与两个非地转风涡度极值密集区相对应，日本岛上空的涡度极值区与降水没有明显的对应关系。01—06时太行山上空非地转涡度增强迅速(图4a—f)，相对应图5a中太行山附近出现大量中尺度降水区，最大降水量达到30 mm。长白山附近上空的非地转涡度在此段时间内明显减小，因此地面没有明显降水，但是累计降水量较大(图5b)，这正说明非地转涡度的变化与中尺度降水关系密切。

图3 7月6日01:00—06:00的平均非地转风(阴影区)、非地转风风矢量(等值线为平均纬向风速;单位:m/s)Fig.3 Average ageostrophic wind(shaded areas)and ageostrophic wind vector between 0100 UTC and 0600 UTC 6 July(isolines denote average zonal wind;units:m/s)

图4 7月6日非地转风场和非地转风涡度场(a.01时;b.02时;c.03时;d.04时;e.05时;f.06时;g.01—06时的平均;等值线为非地转风场，单位:m/s;阴影为涡度场，单位:10－5s－1)及地形(h;单位:m)Fig.4 Ageostrophic wind(isolines;units:m/s)and ageostrophic vorticity(shaded areas;units:10－5s－1)on July 6(a.0100 UTC;b.0200 UTC;c.0300 UTC;d.0400 UTC;e.0500 UTC;f.0600 UTC;g.0100—0600 UTC average)and terrain(h;units:m)

图5 7月6日01—06时降水量(a)和7月6日06时累计降水量(b)分布(单位:mm)Fig.5 Distributions of(a)precipitation from 0100 to 0600 UTC and(b)accumulative precipitation at 0600 UTC 6 July(units:mm)

3 结论

利用数值模式的高分辨率模拟结果研究了夏季东亚副热带西风急流短期强度变化过程中的非地转平衡特征。结果表明:

1)急流区为非地转风的正值区，最大值区域位于急流中心北侧，主要的负值区位于急流入口区附近。急流核南侧非地转风呈反气旋式切变，入口区呈反气旋式切变，入口区北侧和出口区北侧有弱气旋式切变。

2)非地转风对急流的强度变化及其程度均有一定的指示性，地转偏差与急流短期强度的变化有密切的联系。急流区平均偏差风的短期变化与平均风速位相基本一致，能反映急流强度变化的规律;最大偏差风的变化趋势与最大纬向风基本一致，但最大偏差风的变化超前于纬向风的变化。

3)非地转风涡度的分布不是简单的大尺度资料显示的“四象限”分布，还存在着中尺度的特征:极值区域大小只有中尺度的范围，且正负相间。这些中尺度涡度极值区主要集中于3个区域:太行山脉、长白山脉以及日本本州岛。这3个区域均对应于高度超过1 000 m的中尺度地形区域，高空急流的非地转涡度大值区与中尺度地形相对应。中尺度降水区与非地转风涡度极值密集区相对应。

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