基于湿位涡场的悬空波导预报研究

张玉生 韩 杰 郭相明 郝晓静 康士峰 赵振维

(中国电波传播研究所,电波环境特性及模化技术重点实验室,山东青岛266107)

1.引 言

在大气波导产生机理和预报研究中,气象物理量场与大气波导的相关分析是研究的内容,有资料表明,低空波导与天气形势有密切关系,天气形势直接影响着气象物理量场的分布[1-3]。在以前研究过程中由于条件和资料限制,大气波导与天气形势的相关性研究大部分情况下只限于研究单站波导出现情况。

随着中尺度数值模式技术的不断发展和计算机运算性能的不断提高,利用中尺度数值模式模拟大气波导及其相关的气象物理量场已成为现实[4-5]。本文采用MM5中尺度数值模式,对2008年5月10～11日我国东南沿海的一次大范围的悬空波导(大气波导类型之一)出现时湿位涡场的变化进行了数值模拟,该波导由西风槽和台风天气系统相互作用引发和加强的,通过湿位涡场的数值模拟,分析其与悬空波导的相关性,以期达到预报悬空波导的目的。

1942年Ertel提出的位涡概念,并指出在干空气和不饱和湿空气中守恒,由于在天气过程中当云发展并释放潜热时,位涡不再守恒,因此,用相当位温代替位温引入湿位涡概念,使它在湿绝热过程中守恒,国内外对于位涡和湿位涡在天气系统发生发展中的影响已开展了一些理论研究[6-7],但尚未看到湿位涡概念用在大气波导机理和预报的有关文献。

2.MM5中尺度数值模式

MM5中尺度模式是美国宾夕法尼亚州立大学(PSU)和美国国家大气研究中心(NCAR)从二十世纪80年代以来共同开发的第5代区域中尺度数值模式[8],和上一代模式MM4相比,在模式动力框架上最大的改进之处在于引入了非静力平衡效应,从而使得模式具备了描写较小空间尺度而发展强烈的天气系统能力。本文采用成熟的MM 5中尺度模式进行波导过程及其湿位涡场的模拟与分析研究。

MM5模式结构可分为模式前处理、主模式和模式后处理。在每一部分中又有其具体细致的内容,前处理中包括资料预处理、质量控制、客观分析及初始化,它为MM5模式运行准备输入资料,主模式部分是模式所研究气象过程的主控程序,后处理是对模式运行后输出结果的分析处理,包括诊断和图形输出、解释和检验模式模拟或预报结果等。中尺度模式运行结果的准确度和可信度与模式选择的参数化方案有很大的关系,本文选择的主要参数化方案为：显式降水物理过程的处理方案采用简单的冰相降水过程计算方案;边界层方案选择高分辨的大涡闭合边界层方案;大气辐射过程采用Mlawer的长波方案;积云参数化方案分不同的嵌套区域选择,考虑悬空波导的水平不均匀性和模式运转的时效性,采用粗网格嵌套细网格的方式,取粗网格距60 km,细网格距20 km,在积云参数化方案中,粗网格采用Anthes-Kuo方案,细网格采用Grell方案。同时垂直方向上采用不等间距分层,低空较密,共44层,层顶气压为100 hPa。由于地形分辨率对悬空波导区域产生重要的影响,地形采用较高分辨率的25类植被和地表类型2分的数据。

3.湿位涡及其不可渗透性

湿位涡是一个动力和热力相结合的参数,其定义式为

即湿位涡为单位质量气块的绝对涡度在等相当位温θe面法向上的投影与|▽θe|的乘积。其中ρ为空气密度,ωa为三维绝对涡度,它从三维风速的旋度反映了大气的运动变化,相当位温θe反映了大气的热力变化。

相当位温θe反映了大气的热力变化,它的定义式为

式中：θ为位温;L为水的汽化潜热,其值约为2501 J◦g-1;q为比湿,单位一般k◦kg-1;cpd为 1004.675 J◦kg-1◦k;Tc为所在气块抬升凝结高度处温度,从式(2)可看出,θe包含温度信息,同时也包含湿度信息。

众所周知,大气波导发生在大气修正折射率垂直梯度小于0的区域,修正折射率M随高度h变化表示为

是温度、湿度垂直梯度的函数,而▽θe也是温度、湿度垂直梯度的函数。因此,从理论上分析,大气波导与相当位温和湿位涡场有密切关系。湿位涡沿着等熵面的移动速度可以如下推导：由式(1),再根据连续性方程和位涡方程可得[7]

式中：下标⇑表示平行于等θe面的物理量,⊥表示垂直于等θe面的物理量。从式(4)可见,其右边的后三项皆与等θe面平行,而右边的第一项中的Vθ⊥为θe面的移动速度,湿位涡物质对等熵面的不可渗透性得以体现。令

则有

4.基于湿位涡场的悬空波导移速、移向预报

以2008年5月10日世界时12时为数值模拟起始时刻,从0～24小时的数值模拟可看出,当没有悬空波导时,等相当位温线没有水平向的密集锋区,经向湿位涡分布也没有明显的负中心区和变化剧烈区,其等值线散乱,见图 1。

图中横坐标为北纬值,纵坐标为气压值,单位为hPa(下同)。

当出现悬空波导时,经向相当位温等值线形成明显的横向锋区,从图2中的(a)、(c)和(b)、(d)可看出,由于湿位涡场变化是连续的,因为湿位涡的不可渗透性,它只能沿着等熵面移动,异常湿位涡场的移速为,形成湿位涡负大值中心以及梯度剧烈变化区。

湿位涡的移向与等相当位温的走向特别是变化剧烈区的走向密切相关,都是沿着密集等相当位温线的走向移动。当梯度剧烈变化的等相当位温面斜率不同时,沿着等相当位温面移动的湿位涡场的移动方向也不同。

由于850 hpa高度处的抬升逆温和该高度处下湿上干的相对湿度骤变层结,在东南沿海引起了大面积的悬空波导发生,由图2的(e)和(f)修正折射率经向剖面图可知在850 hpa高度左右明显的有一悬空波导带,该带呈现水平向至南高北低斜向态势,随着经度、纬度不同,波导带的强度、厚度、底高虽然不同,但是各种变化是连续的,说明此波导带是同一天气形态造成的。

通过图2修正折射率和湿位涡经向剖面比较可看出,12小时后两者斜率都呈现近乎水平分布,随着时间斜率连续变化,24小时后斜率变化呈现南高北低分布,在不同时刻悬空波导的出现位置和湿位涡剖面的剧烈变化区及负中心一致,悬空波导经向分布带随着湿位涡场负值中心和梯度剧变区移动而移动,由此可见,悬空波导的移动速度与湿位涡明显的负中心区和梯度剧变区的经向分布移动速度一样,可以认为是以的速度运动的,并且移动路径与异常湿位涡场负中心的移动路径一致。湿位涡场移动方向与相当位温的锋区走向一致,因此,波导的移向与湿位涡场移动方向或者说与相当位温的锋区走向一致。悬空波导区域和异常负湿位涡场一样夹在两条密集等θe线所夹的区域内移动。如果密集等θe线分布是呈东-西向的,那么悬空波导的移动一定是东-西向的,可以称该波导为纬向型悬空波导;如果密集等θe线分布是呈南-北向的,那么悬空波导的移动一定是南-北向的,可以称该波导为经向型悬空波导;如果密集等θe线分布是呈西北-东南向分布的,那么悬空波导的移动一定是西北-东南向移动,可见异常负湿位涡场的分布与移动配合密集等θe线走向为悬空波导预报提供了科学依据。

以上限于篇幅只列出一个例子的分析和结果,但通过多个例子分析可知,其结果同样符合相同规律,因此,基于湿位涡场的异常变化可预报悬空波导移向、移速。

5.结 论

湿位涡是动力和热力相结合的参数,满足大气动力和热力学方程的约束,且为相当位温的函数,而相当位温包含温度和湿度信息,另一方面,湿位涡场有保守性、可反演性特别是不可渗透性等独特性质,在研究中便于机理和预报分析,相比悬空波导预报,更容易实现其预报,因此,可将悬空波导预报问题转化为湿位涡预报问题。从以上分析表明：当无悬空波导出现时,经向湿位涡分布没有明显的负中心区和变化剧烈区,等值线散乱,当出现悬空波导时,经向湿位涡分布带呈现明显的负中心区和梯度剧烈增大区,湿位涡场分布与悬空波导的区域分布一致,其走向与悬空波导经向分布带走向一致。由于湿位涡的不可渗透性,湿位涡发展变化时,只能沿着等熵面移动,其负中心区和梯度剧烈增大区只能沿着等相当位温面移动,且移速和移向是可知的,换句话说,悬空波导的移动速度和移动方向也是可知和预报的,从而给悬空波导的预报开辟了一种新思路和途径。

[1] 潘中伟,刘成国,郭 丽.东南沿海波导结构的预报方法[J].电波科学学报,1996,11(3)：58-63.PAN Zhongwei,LIU Chengguo,GUO Li.The Prediction of Ducts in South-east Coast of China[J].Chinese Journal of Radio Science,1996,11(3)：58-63.(in Chinese)

[2] 张玉生.与大气波导结构相关的天气形势实例分析[J].电波科学学报,2004,19(Sup.)：227-229.ZHANG Yusheng.The synoptic analisis of atmospheric duct[J].Chinese Journal of Radio Science,2004,19(Sup.)：227-229.(in Chinese)

[3] BEAN B R,DUTTON E J.Radio Meteorology[M].New York：Dover Publication Inc,1968.

[4] 成印河,赵振维,何宜军,等.大气波导数值模拟研究[J].电波科学学报,2009,24(2).259-263.CHENG Yinhe,ZHAO Zhenwei,HE Yijun,et al.Numerical simulation of atmospheric duct process[J].Chinese Journal of Radio Science,2009,24(2).259-263.(in Chinese)

[5] 张玉生,康士峰,赵振维,等.大气波导与气象物理量场相关性的模拟分析[J].电波科学学报,2009,24(4)：742-747.ZHANG Yusheng,KANG Shifeng,ZHAO Zhenwei,et al.A simulation analysis of relativity of atmospheric duct and atmospheric paramrter fields[J].Chinese Journal of Radio Science,2009,24(4)：742-747.(in Chinese)

[6] 刘健文,郭 虎,李耀东,等.天气分析预报物理量计算基础[M].北京：气象出版社,2005.

[7] 高守亭.大气中尺度运动的动力学基础及预报方法[M].北京：气象出版社,2007.

[8] 张金善,钟 中,黄 瑾.中尺度大气模式MM5简介[J].海洋预报,2005,22(1)：31-40.ZHANG Jinshan,ZHONG Zhong,HUANG Jin.An introduction to meso-scale model MM5[J].Marine Forecasts,2005,22(1)：31-40.(in Chinese)