元慧慧，鐘中，李杰，鄭紅蓮，張春華

(1.中國人民解放軍61741部隊，北京100081;2.解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院，江蘇南京211101)

0 引言

副熱帶西風(fēng)急流是東亞環(huán)流系統(tǒng)的重要成員，常年在我國中緯度地區(qū)上空活動，與季風(fēng)變異、寒潮、鋒面以及我國東部降水均有著密切的關(guān)系。很多研究都表明東亞大氣環(huán)流的季節(jié)轉(zhuǎn)換、季風(fēng)區(qū)雨季的開始和結(jié)束都與西風(fēng)急流位置及其南北移動和強度變化有密切的聯(lián)系(Hoskins and Valdes，1990;朱乾根，2001;Yang et al.，2002;周兵等，2003;張耀存和郭蘭麗，2005)，急流的發(fā)展又與大尺度的環(huán)流調(diào)整有關(guān)(陶詩言等，1958;Chang et al.，2002;黃興春和江靜，2008)，而地轉(zhuǎn)適應(yīng)是其本質(zhì)。按照地轉(zhuǎn)適應(yīng)理論，實際天氣系統(tǒng)的演變過程可以近似地看成是一連串的地轉(zhuǎn)適應(yīng)狀態(tài)的發(fā)展演變過程，是由非地轉(zhuǎn)平衡狀態(tài)向地轉(zhuǎn)平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過程，即在這個過程中非地轉(zhuǎn)平衡氣流是驅(qū)動大氣運動尤其是中緯度大氣運動的源動力。高空急流非地轉(zhuǎn)所造成的適應(yīng)過程在對流層中、上層的鋒生過程中起著重要作用(Charney，1947;李勇紅和張可蘇，1992)。從這個角度來看，加深對高空急流的非地轉(zhuǎn)平衡問題的認(rèn)識不僅具有理論意義，而且還具有重要的實際意義，它對我們分析理解一些天氣現(xiàn)象的產(chǎn)生和發(fā)展都是十分重要的。

隨著近年來中尺度氣象學(xué)的研究和中尺度模式的不斷完善，為研究急流強度變化過程中的非地轉(zhuǎn)平衡運動提供了條件。Fritts and Luo(1992)利用一個二維模式討論了急流附近在地轉(zhuǎn)適應(yīng)過程中激發(fā)出來的重力波特征，指出急流附近非地轉(zhuǎn)運動是重力慣性波的一個重要源區(qū)。許小峰和孫照渤(2003)通過數(shù)值模擬分析了大尺度環(huán)流調(diào)整后的地轉(zhuǎn)平衡被破壞、非平衡流出現(xiàn)、急流建立及重力波的發(fā)生與傳播。本文通過對急流強度變化過程中的中尺度數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行診斷分析，揭示了高空急流非地轉(zhuǎn)平衡特征，并探討了急流非地轉(zhuǎn)性與中尺度暴雨的關(guān)系。

1 數(shù)值模擬

1.1 方案設(shè)計

模擬選用NCEP/NCAR再分析資料(1°×1°)作為初始場和邊界條件，利用第3版MM5模式對高空急流區(qū)進(jìn)行模擬。水平格距為15 km，區(qū)域范圍為(105～155°E，20～50°N)。垂直方向采用在200 hPa加密的σ坐標(biāo)，共有不等距的29層。對“03.7”江淮暴雨過程中最強的一次降水過程進(jìn)行模擬，時間為2003年7月4日12時—7月6日12時(世界時，下同)，共積分48 h，積分步長為60 s，側(cè)邊界每6 h更換一次，每10 min輸出一次積分結(jié)果。

地形資料使用分辨率為30'的模式地形資料，蘭勃托地圖投影。側(cè)邊界采用松弛邊界條件的指數(shù)方案。對流參數(shù)化方案選用Grell方案;邊界層過程的模擬選擇了Blackadar高分辨率方案。

1.2 模擬效果檢驗

使用NCEP/NCAR再分析格點資料(1°×1°)和GPCP降水資料(1°×1°)作為觀測資料與模擬結(jié)果進(jìn)行對比。NCEP/NCAR資料與模擬場在各等壓面上的風(fēng)場、溫度場、高度場之間的相關(guān)系數(shù)隨著模擬時間的增加略有下降，但大多都在0.8以上。總體看來，模擬結(jié)果與檢驗資料相關(guān)較好，位勢高度場相關(guān)最好，相關(guān)系數(shù)在0.95以上，高層緯向風(fēng)分布形勢的模擬好于中低層，中低層溫度分布形勢的模擬比高層好，中層經(jīng)向風(fēng)場的模擬比高層和低層好。

由積分48 h的模擬場與NCEP/NCAR資料做對比可以發(fā)現(xiàn)，模式很好地模擬出了200 hPa急流區(qū)的風(fēng)場(圖1a、b)，與實況相比，模擬場中的風(fēng)速等值線平滑中存在小擾動，可見與光滑的NCEP/NCAR再分析場相比，MM5模式可以更細(xì)致地反映大氣運動狀態(tài)，這也是高分辨率模擬的優(yōu)勢所在。850 hPa上(圖1c、d)溫度基本呈現(xiàn)由西南向東北逐漸降低的分布特征，我國東北和日本上空的等高線密集區(qū)模擬得較好，位于朝鮮半島上空的低壓模擬得略偏西南。

2 急流強度變化的非地轉(zhuǎn)特征診斷

2.1 非地轉(zhuǎn)特征與急流強度的變化

“急流生成函數(shù)”(壽紹文，2003)定義為:

還可寫成

其中:Va為y方向風(fēng)的非地轉(zhuǎn)分量。對于副熱帶高空急流來說，起作用的主要是－f▽2Va項，因此，高始增大。這說明偏差風(fēng)對急流的強度變化及其程度均有一定的指示性，地轉(zhuǎn)偏差與急流短期強度的變化有密切的聯(lián)系。

48 h急流強度呈如圖2所示的振蕩變化趨勢，在此選取一個急流增強的短期過程:7月6日01—06時作為討論對象。圖3為7月6日01—06時平均非地轉(zhuǎn)風(fēng)分布，可見，急流區(qū)內(nèi)(30 m/s等風(fēng)速線以內(nèi))基本為平均非地轉(zhuǎn)風(fēng)的正值區(qū)，最大值區(qū)域位于急流中心北側(cè)，主要的負(fù)值區(qū)位于急流入口區(qū)附近。急流核南側(cè)非地轉(zhuǎn)風(fēng)呈反氣旋式切變，入口區(qū)呈反氣旋式切變，入口區(qū)以北和出口區(qū)以北有弱氣旋式切變，非地轉(zhuǎn)性很小。

2.2 非地轉(zhuǎn)平衡分析

從非地轉(zhuǎn)的本質(zhì)上說，它是由地轉(zhuǎn)平衡被破壞后而產(chǎn)生的一種實際風(fēng)速超過地轉(zhuǎn)風(fēng)的現(xiàn)象。它反映了大氣環(huán)流中風(fēng)壓場的一種相互適應(yīng)的過程，而這種地轉(zhuǎn)適應(yīng)過程是高空急流建立和發(fā)展的一個根本的動力機制。下面將針對高空急流的非地轉(zhuǎn)風(fēng)渦度水平分布特征及其垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

圖4為7月6日01—06時200 hPa急流區(qū)域非地轉(zhuǎn)風(fēng)渦度水平分布。由01—06時平均非地轉(zhuǎn)風(fēng)渦度分布(圖4g)可見，非地轉(zhuǎn)風(fēng)渦度的分布并不簡單地是大尺度資料顯示的“四象限”分布，還存在著中尺度的特征:極值區(qū)域大小只有中尺度的范圍，且正負(fù)相間。這些中尺度渦度極值區(qū)主要集中于3個區(qū)域:太行山脈、長白山脈以及日本本州島。與地形(圖4h)對比可發(fā)現(xiàn)，這3個區(qū)域均對應(yīng)于高度超過1 000 m的中尺度地形區(qū)域，這說明高空急流的非地轉(zhuǎn)渦度大值區(qū)與中尺度地形對應(yīng)相關(guān)。在5 h急流增強的過程中，位于太行山脈和本州島上空的非地轉(zhuǎn)渦度極值區(qū)范圍和強度不斷擴(kuò)大，長白山脈上空的非地轉(zhuǎn)渦度極值區(qū)范圍和強度不斷減小(圖略)。

結(jié)合01—06時降水量分布(圖5a)和累計降水量分布(圖5b)可見，位于朝鮮半島以南的強降雨帶位于急流核的南側(cè)，但是與高空非地轉(zhuǎn)風(fēng)渦度的極值區(qū)沒有明顯的對應(yīng)關(guān)系。然而太行山脈附近和東北的兩個中尺度降水區(qū)分別與兩個非地轉(zhuǎn)風(fēng)渦度極值密集區(qū)相對應(yīng)，日本島上空的渦度極值區(qū)與降水沒有明顯的對應(yīng)關(guān)系。01—06時太行山上空非地轉(zhuǎn)渦度增強迅速(圖4a—f)，相對應(yīng)圖5a中太行山附近出現(xiàn)大量中尺度降水區(qū)，最大降水量達(dá)到30 mm。長白山附近上空的非地轉(zhuǎn)渦度在此段時間內(nèi)明顯減小，因此地面沒有明顯降水，但是累計降水量較大(圖5b)，這正說明非地轉(zhuǎn)渦度的變化與中尺度降水關(guān)系密切。

圖3 7月6日01:00—06:00的平均非地轉(zhuǎn)風(fēng)(陰影區(qū))、非地轉(zhuǎn)風(fēng)風(fēng)矢量(等值線為平均緯向風(fēng)速;單位: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)

圖4 7月6日非地轉(zhuǎn)風(fēng)場和非地轉(zhuǎn)風(fēng)渦度場(a.01時;b.02時;c.03時;d.04時;e.05時;f.06時;g.01—06時的平均;等值線為非地轉(zhuǎn)風(fēng)場，單位:m/s;陰影為渦度場，單位:10－5s－1)及地形(h;單位: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)

圖5 7月6日01—06時降水量(a)和7月6日06時累計降水量(b)分布(單位:mm)Fig.5 Distributions of(a)precipitation from 0100 to 0600 UTC and(b)accumulative precipitation at 0600 UTC 6 July(units:mm)

3 結(jié)論

利用數(shù)值模式的高分辨率模擬結(jié)果研究了夏季東亞副熱帶西風(fēng)急流短期強度變化過程中的非地轉(zhuǎn)平衡特征。結(jié)果表明:

1)急流區(qū)為非地轉(zhuǎn)風(fēng)的正值區(qū)，最大值區(qū)域位于急流中心北側(cè)，主要的負(fù)值區(qū)位于急流入口區(qū)附近。急流核南側(cè)非地轉(zhuǎn)風(fēng)呈反氣旋式切變，入口區(qū)呈反氣旋式切變，入口區(qū)北側(cè)和出口區(qū)北側(cè)有弱氣旋式切變。

2)非地轉(zhuǎn)風(fēng)對急流的強度變化及其程度均有一定的指示性，地轉(zhuǎn)偏差與急流短期強度的變化有密切的聯(lián)系。急流區(qū)平均偏差風(fēng)的短期變化與平均風(fēng)速位相基本一致，能反映急流強度變化的規(guī)律;最大偏差風(fēng)的變化趨勢與最大緯向風(fēng)基本一致，但最大偏差風(fēng)的變化超前于緯向風(fēng)的變化。

3)非地轉(zhuǎn)風(fēng)渦度的分布不是簡單的大尺度資料顯示的“四象限”分布，還存在著中尺度的特征:極值區(qū)域大小只有中尺度的范圍，且正負(fù)相間。這些中尺度渦度極值區(qū)主要集中于3個區(qū)域:太行山脈、長白山脈以及日本本州島。這3個區(qū)域均對應(yīng)于高度超過1 000 m的中尺度地形區(qū)域，高空急流的非地轉(zhuǎn)渦度大值區(qū)與中尺度地形相對應(yīng)。中尺度降水區(qū)與非地轉(zhuǎn)風(fēng)渦度極值密集區(qū)相對應(yīng)。

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