李國平, 劉曉冉, 黃楚惠, 陳 功, 宋雯雯

(1.成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院,四川成都610225;2.重慶市氣候中心,重慶401147;3.四川省氣象臺,四川成都610072;4.中國氣象局成都高原氣象研究所,四川成都610072;5.四川省專業(yè)氣象臺,四川成都610072)

1 引言

青藏高原低渦(以下簡稱高原低渦)是指夏半年發(fā)生在青藏高原主體上的一種α中尺度低壓渦旋,它主要活動在500hPa等壓面上,平均水平尺度400-500km,垂直厚度一般在400hPa以下,生命期1-3天。高原低渦多出現(xiàn)在高原主體的30°N-35°N和87°E以西范圍內(nèi),而消失于高原東半部下坡處。依據(jù)低渦生命史的長短可將其分為發(fā)展型和不發(fā)展型低渦,生命史在36小時以上的為發(fā)展型(移出型)低渦,否則為不發(fā)展型(源地型)低渦。由于青藏高原地區(qū)的大氣行星邊界層厚度可達2250m,而青藏高原本身的平均海拔高度為4000m,則高原大氣邊界層厚度位于600hPa到400hPa之間,因此高原低渦是一種典型的邊界層低渦,高原熱源和大氣邊界層對這類低渦的發(fā)生發(fā)展具有重要作用[1-3]。

研究表明,低渦是高原夏季主要的降水系統(tǒng)之一,西部初生的高原低渦多為暖性結(jié)構(gòu),垂直厚度淺薄,渦區(qū)整層為上升氣流,在350-400hPa最強。低層輻合,高層輻散,無輻散層在400hPa附近。源地生消的高原低渦主要影響高原西部、中部的降水。在有利的天氣形勢配合下,個別高原低渦能夠向東運動而移出高原,往往引發(fā)中國東部一次大范圍暴雨、雷暴等災(zāi)害性天氣[2],以及突發(fā)性強降水誘發(fā)的次生災(zāi)害,如城市內(nèi)澇、山洪以及滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。因此對高原低渦的研究對深入認識這類高原天氣系統(tǒng),提升高原及其東側(cè)地區(qū)災(zāi)害性天氣的分析預(yù)報水平具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

對高原低渦的研究,國內(nèi)外一些學(xué)者已通過天氣學(xué)、診斷計算、衛(wèi)星資料分析、孤立波理論和數(shù)值模擬等多種分析方法開展了不少研究[1-8]。但對高原低渦進行系統(tǒng)性的動力學(xué)研究尚不多見,這就影響到對其發(fā)生發(fā)展機理的認識,從而制約了對其移動及天氣影響的預(yù)報水平的提高。文中在接下來的第2節(jié)先利用衛(wèi)星資料分析了兩例夏季青藏高原低渦形成過程,重點揭示高原低渦的一些新的觀測事實;在第3節(jié)應(yīng)用渦旋動力學(xué)方法研究高原熱源和邊界層對高原低渦結(jié)構(gòu)的作用,得出高原低渦暖心和渦眼(或稱空心)結(jié)構(gòu)的形成條件;第4節(jié)將討論高原低渦與類熱帶氣旋低渦(T ropical Cyclone-Like Vortices,TCLV)的可能聯(lián)系;在第5節(jié)對高原低渦中所含的渦旋波動進行分析;最后對主要結(jié)論進行歸納并對今后工作予以展望。研究有助于拓展高原低渦若干典型結(jié)構(gòu)特征的認識,加深了解高原低渦東移及和波動能量的頻散機制及其對下游地區(qū)的影響,對于開展高原低渦的天氣學(xué)動力學(xué)研究具有重要的學(xué)術(shù)價值,對高原低渦的業(yè)務(wù)預(yù)報也有指導(dǎo)意義,并可為高原低渦的數(shù)值模擬、預(yù)報提供理論基礎(chǔ)。

2 基于衛(wèi)星觀測的青藏高原低渦結(jié)構(gòu)分析

由于高原上站點稀少,用常規(guī)資料很難捕捉到中小尺度天氣系統(tǒng)(如高原低渦),但用時空分辨率高的靜止衛(wèi)星云圖,不僅可以觀測大范圍云系分布,而且可以觀測中小尺度云系的發(fā)生發(fā)展和消散演變的全過程。錢正安等[9]從可見光云圖研究了高原低渦結(jié)構(gòu)特征,郁淑華等[5]指出衛(wèi)星水汽圖對移出高原低渦具有指示作用。下面應(yīng)用衛(wèi)星云圖資料對兩例夏季高原低渦發(fā)生發(fā)展過程及其結(jié)構(gòu)演變進行分析。

圖1為2005年7月29日低渦發(fā)展過程的風(fēng)云2-C分裂窗云圖。本例低渦是在28日晚高原云系減弱后又繼續(xù)發(fā)展形成的低渦云系。凌晨2點(北京時,下同)云系發(fā)展加強并東移,5點(圖1(a)),已出現(xiàn)一積云云系。到6：30(圖1(b))在87.54°E-91.85°E和30°N-34°N 范圍內(nèi)形成一成熟的高原低渦,可以看到其具有明顯的眼結(jié)構(gòu),眼區(qū)水平直徑約35km。8點,渦眼變大,低渦開始消亡(圖1(c))。圖2為相應(yīng)時刻配有云頂亮溫的MTSAT紅外1標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域云圖,圖中低渦云頂溫度的極低值達-70℃,表明云體高度高,溫度低;而眼區(qū)的溫度約為-48℃,為少云區(qū),溫度明顯高于周圍云體,表明該高原低渦具有渦眼(或空心)和暖心結(jié)構(gòu)。這與動力學(xué)理論分析出的高原低渦的結(jié)構(gòu)特征[7]相符。這次低渦的生命史并不長(約為7小時),屬于不發(fā)展型高原低渦,整個天氣過程中沒有出現(xiàn)降水。

圖1 2005年7月29日高原低渦發(fā)展過程的風(fēng)云2-C分裂窗圖像

2006年8月14日出現(xiàn)一持續(xù)時間較長的高原低渦過程,在低渦控制范圍內(nèi)的申扎和定日兩站都觀測到降水。圖3中可見本次低渦起源于一個對流擾動群,隨著時間推移,對流云群發(fā)展壯大形成低渦。具體演變過程為：14點,高原西部有少數(shù)小尺度積云,并且在高原西部經(jīng)昌都-甘孜-西安一線呈現(xiàn)由不連續(xù)的小尺度積云組成的云帶。15：30(圖3(a)),高原西部80°E-90°E和30°N-35°N范圍內(nèi)有更多對流云快速形成并出現(xiàn)合并。17：30(圖3(b)),多個不同尺度的對流云系已合并為一個對流云團,云團中間開始出現(xiàn)渦眼。此后該云團不斷旋轉(zhuǎn)東移發(fā)展,云團逐漸形成渦旋結(jié)構(gòu)。19點(圖3(c)),低渦中心區(qū)的渦眼非常明顯,此時低渦發(fā)展到最強盛階段,水平尺度約為500km,眼區(qū)直徑約55km,強對流區(qū)位于渦眼區(qū)外圍。

圖2 2005年7月29日6：30的MTSAT紅外1標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域云圖(圖下為溫度色標(biāo),單位：℃)

圖3 2006年8月14日高原低渦發(fā)展過程的風(fēng)云2-C紅外云圖

圖4 2006年8月14日19：00的風(fēng)云2-C水汽圖

圖5 2006年8月14日19：33的MTSAT紅外1標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域云圖(圖下為溫度色標(biāo),單位：℃)

對應(yīng)時刻的衛(wèi)星水汽圖(圖4)也表明,強水汽區(qū)(濕區(qū))位于渦眼區(qū)外圍,即眼區(qū)外圍是對流強盛區(qū),而渦眼區(qū)為弱水汽區(qū)(干區(qū)),預(yù)示渦眼區(qū)有弱的下沉氣流。低渦云頂亮溫極低值為-70℃(圖5),說明對流旺盛,云頂高度較高[10];而眼區(qū)內(nèi)基本為無云區(qū),亮溫值約為6℃,這說明眼區(qū)溫度明顯高于周圍云體,高原低渦的暖心結(jié)構(gòu)明顯。

3 熱源強迫和邊界層對高原低渦的作用

大氣邊界層是對流層下部直接受地面影響的氣層,主要位于大氣低層1-3km,在地面與大氣之間的動量、熱量和水汽等交換過程中起著十分重要的作用。青藏高原低渦屬于邊界層低渦[1、11],但關(guān)于邊界層低渦的動力學(xué)研究相對比較少。下面運用Boussinesq方程組,將邊界層低渦視為受加熱和摩擦強迫作用且滿足熱成風(fēng)平衡的軸對稱渦旋系統(tǒng),通過求解線性化的柱坐標(biāo)系中的渦旋模式,分析邊界層及熱源強迫對低渦流場結(jié)構(gòu)的作用,并且將討論結(jié)果用來解釋高原低渦的一些重要特征。這有助于深入認識熱源強迫對可產(chǎn)生致洪暴雨的高原低渦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響,也可為今后開展高原低渦的定量計算和數(shù)值模擬工作提供動力學(xué)理論基礎(chǔ)。

3.1 邊界層低渦的動力學(xué)模型及其分析方法

考慮所研究的邊界層低渦為受加熱和摩擦強迫且滿足熱成風(fēng)平衡的軸對稱渦旋系統(tǒng),取柱坐標(biāo)系{r,θ,z}的原點位于渦旋中心,且假定徑向是平衡運動,同時滿足靜力平衡條件,并取Boussinesq近似,則描寫這類低渦運動的方程組為

方程組中：r為半徑,z為高度,t為時間,u,v,w分別為徑向風(fēng)速、切向風(fēng)速和垂直風(fēng)速,θ0,ρ0,T0分別為靜止背景大氣的位溫、密度和溫度,p′和θ′分別是氣壓和位溫擾動,f為Coriolis參數(shù),g為重力加速度,Q為非絕熱加熱率,cp為空氣的定壓比熱,

由質(zhì)量連續(xù)方程(4)式可知：在徑向垂直剖面(r-z面)上,流場滿足二維無輻散條件,則可引入流函數(shù) ψ來表示低渦流場。在低渦系統(tǒng)的下邊界(即低渦底部,z=0處),設(shè) ψ(r,0)=0,即認為流動是封閉的。低渦系統(tǒng)的上邊界取為邊界層頂,則根據(jù)大氣邊界層理論可確定出高原低渦流場的上、下邊界條件分別為

設(shè)處于發(fā)展階段初期的邊界層低渦是一個平衡的、小振幅(即強度較弱)的渦旋系統(tǒng),相對于靜止的基本狀態(tài)而言,該渦旋可視為小擾動,則可用微擾法將上面得到的低渦動力學(xué)模型線性化。即設(shè)并假定系統(tǒng)的基本狀態(tài)初始時處于靜止,則有這樣,受加熱和摩擦強迫的低渦的線性化方程組和邊界條件為

由(9)、(10)和(11)式經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)可得

3.2 熱源對低渦的作用

高原地區(qū)強烈的太陽輻射給地表充足的加熱,使大氣邊界層底部受到強大的地面加熱,從而奠定了高原低渦產(chǎn)生、發(fā)展的熱力基礎(chǔ)。青藏高原低渦正是在高原特殊的熱力和地形條件下生成的。從青藏高原全年平均狀況來說,在地面熱源3個分量中,以湍流感熱輸送為最大,有效輻射次之,蒸發(fā)潛熱最小。并且一般認為低渦生成初期,地面感熱輸送起主要作用,而凝結(jié)潛熱釋放在低渦發(fā)展階段有重要貢獻[4,12]。根據(jù)這一加熱特點,側(cè)重研究以地面感熱為主的高原地面熱源對低渦結(jié)構(gòu)的作用。

如果不考慮非絕熱加熱Q′隨高度的變化,將(15)式對z積分兩次并利用邊界條件可得低渦的流函數(shù)解為

將流函數(shù)解(16)式代入(12)式可得低渦的水平流場為

由此可導(dǎo)出柱坐標(biāo)系中低渦的水平散度場為

(18)式的第一項是熱源強迫(即加熱徑向分布不均勻)引起的散度項,第二項是大氣邊界層Ekman抽吸作用引起的散度項。對于熱源強迫項,在0(即加熱場的徑向分布呈“內(nèi)冷外熱”型)的區(qū)域,水平散度場隨高度的變化為：當(dāng)時,D′＞0,即低渦的低層為輻散,但隨著高度升高,輻散減弱;當(dāng)時,(18)式第一項的熱源強迫散度項D′=0,此為熱源強迫的無輻散層;當(dāng)時,熱源強迫散度項D′＜0,即高層為輻合,且高度越高,輻合越強。由此可見,熱源強迫的散度場在處為一水平無輻散層,其上為輻合層,其下為輻散層,因此可將看作動力變性高度,在此高度上,0(“內(nèi)冷外熱”型)區(qū)域內(nèi)的氣流由低層輻散氣流轉(zhuǎn)變?yōu)楦邔虞椇蠚饬?。而對?(“內(nèi)熱外冷”型)的區(qū)域,可得到與上述區(qū)域相反的結(jié)論,即低層輻合氣流轉(zhuǎn)變?yōu)楦邔虞椛饬鳌?/p>

將流函數(shù)解(16)式代入(12)式還可得低渦的垂直速度解

同樣,(19)式第一項是由熱源徑向的分布不均勻所強迫的垂直速度項,第二項是邊界層Ekman抽吸作用引起的垂直速度項。對于熱源外強迫對垂直運動的影響,由于(z2-hBz)＜0,所以在低渦“內(nèi)冷外熱”型加熱分布區(qū)域熱源強迫出下沉運動,在“內(nèi)熱外冷”型加熱分布區(qū)域出現(xiàn)通常認為的熱源強迫產(chǎn)生的上升運動。所以熱力強迫出的垂直運動的具體形式與熱源的徑向分布有很大關(guān)系。

3.3 邊界層動力抽吸泵對高原低渦的作用

高原地區(qū)強烈的太陽輻射奠定了邊界層對流產(chǎn)生、發(fā)展的熱力基礎(chǔ),同時高原地區(qū)復(fù)雜的地形、地貌使高原邊界層內(nèi)的風(fēng)場經(jīng)常具有較強的不均勻性,不同層次之間常出現(xiàn)垂直切變,而強切變的存在加強了對流混合,這又為對流發(fā)展提供了強大的動力基礎(chǔ)。研究表明,青藏高原上空湍流邊界層的高度可達2200m,比平原地區(qū)明顯偏高,湍流交換強度也比平原地區(qū)強[12]。根據(jù)大氣邊界層理論和高原邊界層觀測試驗,高原邊界層的Ekman抽吸作用或動力“抽吸泵”強度比平原地區(qū)大許多[13],這對于高原邊界層內(nèi)的對流活動和高原低渦的發(fā)生發(fā)展具有重要作用[14]。

由(19)式可知,對于Ekman抽吸作用項,若邊界層頂有氣旋性渦度時,ζ′g＞0,通過Ekman抽吸作用引起低渦的上升運動,并且上升運動隨高度增強;若邊界層頂有反氣旋性渦度時,ζ′g＜0,通過Ekman抽吸作用引起低渦的下沉運動,并且下沉運動隨高度增強。

4 高原低渦與類熱帶氣旋低渦的可能聯(lián)系

長期以來,人們對熱帶氣旋(臺風(fēng))中的渦眼結(jié)構(gòu)已有較深入的認識和研究,從飛機和衛(wèi)星的觀測上得到證實,并用動力學(xué)理論和數(shù)值模擬對此加以解釋。但對中高緯度的低壓渦旋是否存在類似于臺風(fēng)的渦眼結(jié)構(gòu)及其成因還了解得不多。但國內(nèi)外學(xué)者在模擬中緯度氣旋的發(fā)生、發(fā)展過程中,觀察到類似臺風(fēng)渦眼的結(jié)構(gòu)。類熱帶氣旋低渦是指一類與熱帶氣旋相似的低壓渦旋系統(tǒng),它具有與熱帶氣旋相似的眼結(jié)構(gòu)、暖心結(jié)構(gòu)以及地面風(fēng)場最強等結(jié)構(gòu)特征和發(fā)展機制,多在熱帶或副熱帶等不同緯度的洋面上生成、發(fā)展,例如某些極渦和地中海氣旋[15-17]。

地面感熱作用的數(shù)值試驗和能量診斷分析揭示出高原低渦初期和成熟期擾動動能的來源方式類似于熱帶大氣中能量的轉(zhuǎn)換方式[3]。而青藏高原500hPa低渦的天氣學(xué)診斷[4]和動力學(xué)結(jié)構(gòu)分析[7]也表明：由于青藏高原下墊面的熱力性質(zhì)與熱帶海洋有相似之處,所以不少高原低渦的結(jié)構(gòu)與海洋上的熱帶氣旋(TC)或類熱帶氣旋低渦十分相似。在云形上主要表現(xiàn)為氣旋式旋轉(zhuǎn)的螺旋云帶,低渦中心多為無云區(qū)(空心)。衛(wèi)星云圖資料也表明盛夏時高原低渦的云型與海洋上熱帶氣旋非常類似,螺旋結(jié)構(gòu)十分明顯;高原低渦也具有與熱帶氣旋相似的眼結(jié)構(gòu)、暖心結(jié)構(gòu)等特征[4]。因此可以認為由于高原獨特下墊面特性和周圍環(huán)境場的綜合效應(yīng),使夏季高原低渦(特別是暖性低渦)的性質(zhì)以及發(fā)生規(guī)律更類似于熱帶氣旋而不同于溫帶氣旋,這種現(xiàn)象在低渦發(fā)展初期更為明顯,可以將這類暖性高原低渦視為TCLV,只是由于高原不像海洋那樣有充分的水汽供應(yīng),因而高原低渦不像臺風(fēng)那樣可以強烈發(fā)展,渦眼不那么清楚,生命史也較短。

根據(jù)前面所述熱源強迫對邊界層低渦流場結(jié)構(gòu)作用的討論,在低渦的中心區(qū)域呈“內(nèi)冷外熱”型(即加熱分布時,低渦中心低層(z＜zC)會強迫出輻散氣流和隨時間減弱的切向流場,高層(z＞zC)強迫出輻合氣流和隨時間增強的切向流場,并且易在渦心產(chǎn)生下沉運動,有利于形成渦眼結(jié)構(gòu),這在衛(wèi)星云圖上表現(xiàn)為無云區(qū)或空心區(qū)[4];而在低渦眼壁以外的外圍區(qū)域的熱源徑向分布形式容易滿足“內(nèi)熱外冷”型(即則在低渦外圍的低層產(chǎn)生輻合氣流和隨時間增強的切向流場,高層產(chǎn)生輻散氣流和隨時間減弱的切向流場,并且產(chǎn)生上升運動。高原低渦的這種結(jié)構(gòu)與熱帶氣旋類似,因此可認為此時高原低渦的結(jié)構(gòu)已轉(zhuǎn)化為類熱帶氣旋低渦,可把這類高原低渦看作TCLV的新例證。

綜合以上低渦水平流場和垂直流場的分析結(jié)果,可歸納出TCLV類型的高原低渦的典型流場結(jié)構(gòu)模式(圖6)。

5 高原低渦中的渦旋波動

如前所述,一些強烈發(fā)展的高原低渦云系還表現(xiàn)出螺旋形態(tài)[3]。一般認為這種外在的螺旋形態(tài)實際反映出渦旋系統(tǒng)內(nèi)部某些動力學(xué)特征,與波動聯(lián)系密切,認清螺旋帶的發(fā)展問題對于了解渦旋的演變有重要意義[18]。目前研究較多的是臺風(fēng)中的螺旋雨帶,發(fā)展了慣性重力波理論和渦旋 Rossby波理論[19-22]來解釋其成因,對于高原低渦螺旋云系的研究較少,最早葉篤正等[1,22]利用NOAA衛(wèi)星云圖資料分析出強烈發(fā)展的高原低渦具有螺旋云系和渦心無云或少云的特征,喬全明[3]也指出盛夏時高原低渦的云型與海洋上熱帶氣旋非常類似,螺旋結(jié)構(gòu)十分明顯,但缺乏相應(yīng)的理論解釋。高原低渦的螺旋云帶是如何形成的,它與高原低渦本身的結(jié)構(gòu)特征有何聯(lián)系,其中的動力學(xué)機制是什么,反映出何種波動特征等等,這些基礎(chǔ)且重要的問題值得進行研究。下面從渦旋波動的角度對高原低渦進行波動分析。

討論高原低渦波動特征的簡化模型取為

圖6 TCLV類型的高原低渦流場結(jié)構(gòu)的垂直剖面示意圖

此簡化動力學(xué)模型與一些研究熱帶氣旋[23]和類熱帶氣旋低渦[24]所采用的模型相似,主要因為此模型能夠較好的描述渦旋運動的主要動力學(xué)特征。在多數(shù)研究熱帶氣旋、類熱帶氣旋性低渦所含波動的工作里,都是根據(jù)一定的觀測或模擬假定了渦旋的基本流場[16,24],然后在此流場基礎(chǔ)上進一步分析渦旋中的波動特征,而本研究則是在前面兩節(jié)動力學(xué)推導(dǎo)得出高原低渦流場的基礎(chǔ)上,進一步分析高原低渦中的渦旋波。

對方程組(20)用微擾法進行線性化處理,并注意基本場滿足梯度風(fēng)平衡基本切向場有徑向切變另外可得如下形式的小擾動方程組

設(shè)此方程組具有特征波解,可令u′=?U(r)ei(mλ-ωt),v′=?V(r)ei(mλ-ωt),h′=?H(r)ei(mλ-ωt),其中m為切向(繞圓周方向)波數(shù),則得如下常微分方程組

對以上方程組消元可得微分方程

直接求解方程(23)非常復(fù)雜,有必要對方程進行適當(dāng)簡化。把代入后對(23)式進行量級分析,保留量級最大項和次最大項,最后可得方程(23)的簡化形式

方程(24)的邊界條件為：r=R(低渦邊緣)處,速度為零;r=0處,速度有界。則方程具有正弦函數(shù)解

進而可求得渦旋波的頻率方程(或頻散公式)

從波動頻散關(guān)系(26)式中可以看出,此波動既包含渦旋Rossby波,同時也包含慣性重力波,且具有不可分的特性,屬于第二類混合波動。該類混合波是在特定背景場條件下同時兼具幾種基本波動性質(zhì)的特殊波動,其物理量場的分布具有明顯的渦度和散度共存的現(xiàn)象[25]?？梢娫诟咴蜏u這種渦散共存的α中尺度系統(tǒng)中,具有渦旋Rossby-慣性重力混合波動的特征。

這種混合波動的機理可以由位渦守恒定律來解釋,由方程組(21)可以導(dǎo)出Rossby位渦守恒公式

即在位渦守恒的約束下,環(huán)境位渦的變化同時會引起渦旋運動和輻合輻散運動的變化。由于渦度的變化會導(dǎo)致Rossby波的形成和傳播,而散度運動的變化又會引起慣性重力內(nèi)波的激發(fā)與演變。因此,環(huán)境位渦梯度不僅是渦旋Rossby波的成波機制,也是慣性重力外波的成波機制[25]。

6 結(jié)論與討論

首先利用衛(wèi)星云圖通過兩個個例揭示出夏季一類高原低渦結(jié)構(gòu)的基本觀測事實：低渦形成過程中螺旋結(jié)構(gòu)明顯,具有渦眼結(jié)構(gòu),且為暖心,眼中心為下沉氣流。

然后借鑒研究熱帶氣旋類低渦的方法,將暖性青藏高原低渦視為受加熱和摩擦強迫作用,且滿足熱成風(fēng)平衡的軸對稱渦旋系統(tǒng),通過求解線性化的柱坐標(biāo)系中的渦旋模式,得出了邊界層動力作用下低渦的流函數(shù)解,比較細致地用定性分析的方法重點討論了地面熱源強迫和邊界層動力“抽吸泵”對高原低渦流場結(jié)構(gòu)以及發(fā)展的作用。結(jié)果表明,地面熱源強迫有利于高原低渦的生成,對高原低渦流場結(jié)構(gòu)的形成具有重要作用。熱源強迫的邊界層低渦的散度場存在一個動力變性高度,高度的位置與邊界層頂高度有關(guān)。通過邊界層Ekman抽吸作用,當(dāng)邊界層頂有氣旋性渦度時,能引起邊界層低渦的水平輻合運動和隨高度增強的上升運動,并可增強低渦的切向流場;如果低渦的中心區(qū)域為“內(nèi)冷外熱”型加熱分布,則熱源強迫的低渦中心區(qū)域下層為輻散氣流和隨時間減弱的切向流場,上層為輻合氣流和隨時間增強的切向流場,并伴有下沉運動,從而形成渦眼結(jié)構(gòu),有利于類熱帶氣旋低渦型式的高原低渦形成。

進一步通過低渦模型對高原低渦所含渦旋波動性質(zhì)的分析討論得知：高原低渦中既含有渦旋Rossby波,又含有慣性重力波,呈現(xiàn)渦旋Rossby-慣性重力混合波的特征。

最后應(yīng)指出的是,本文對地面熱源強迫和邊界層作用的定性討論還不夠全面,高原邊界層低渦的數(shù)學(xué)物理模型也有待完善,分析結(jié)果也是初步的、概念性的,給出的低渦流場圖像還需要與天氣觀測事實作進一步的對比以及用數(shù)值模擬的結(jié)果加以驗證,地面加熱對低渦結(jié)構(gòu)的定量作用還需進行數(shù)值計算研究。并且動力學(xué)研究的工作依然比較初步,只考慮了軸對稱模型,非對稱的情形會更加復(fù)雜,求解適合研究高原低渦發(fā)展階段的非線性模型也是一個十分重要而困難的問題。

作為探索性研究,本工作還試圖從渦旋中的波動角度來認識高原低渦的結(jié)構(gòu)、發(fā)生發(fā)展機理及移動規(guī)律,這對于了解高原低渦移出高原時,以及即使不移出高原但對高原下游廣大地區(qū)產(chǎn)生的天氣影響都是有益的。但關(guān)于低渦波動的理論研究也是初步的,低渦中波動的能量頻散特征、發(fā)展機制及其對高原下游天氣的影響,高原邊界層和加熱作用對低渦中波動的影響,以及低渦波動傳播和能量頻散與下游天氣發(fā)展的觀測診斷與數(shù)值模擬等問題都還有待研究。

[1]葉篤正,高由禧.青藏高原氣象學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社,1979：122-126.

[2]羅四維.青藏高原及其鄰近地區(qū)幾類天氣系統(tǒng)的研究[M].北京：氣象出版社,1992：7-53.

[3]喬全明.夏季500hPa移出高原低渦的背景場分析[J].高原氣象,1987,1(6)：45-54.

[4]喬全明,張雅高.青藏高原天氣學(xué)[M].北京：氣象出版社,1994：120-155.

[5]郁淑華.高原低渦東移過程的水汽圖像[J].高原氣象,2002,21(2)：199-204.

[6]郁淑華,高文良.高原低渦移出高原的觀測事實分析[J].氣象學(xué)報,2006,64(3)：392-399.

[7]李國平,蔣靜.一類奇異孤波解及其在高原低渦結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用[J].氣象學(xué)報,2000,58(4)：447-456.

[8]陳伯民,錢正安,張立盛.夏季青藏高原低渦形成和發(fā)展的數(shù)值模擬[J].大氣科學(xué),1996,20(4)：491-502.

[9]錢正安,單扶民,呂君寧.1979年夏季青藏高原低渦的統(tǒng)計及低渦產(chǎn)生的氣候因子探討[C].青藏高原氣象科學(xué)實驗文集(二)[A].北京：科學(xué)出版社,1984：182-194.

[10]陳隆勛,宋玉寬,劉驥平.從氣象衛(wèi)星資料揭示的青藏高原夏季對流云系的日變化[J].氣象學(xué)報,1999,57(5)：549-560.

[11]Liu Xiaoran,Li Guoping.Analytical solutions for the thermal forcing vortices in the boundary layer and its applications[J].Applied Mathematics and Mechanics,2007,28(4)：429-439.

[12]周明煜,徐祥德,卞林根.青藏高原大氣邊界層觀測分析與動力學(xué)研究[M].北京：氣象出版社,2000：57-78.

[13]Zhang Guang-zhi,Xu Xiang-de,Wang Ji-zhi.A dynamic study of Ekman characteristics by using 1998 SCSMEX and TIPEX boundary layer data[J].Adv Atmos Sci,2003,20(3)：349-356.

[14]高守亭.行星邊界層內(nèi)低渦的環(huán)流結(jié)構(gòu)[J].氣象學(xué)報,1983,41(3)：285-295.

[15]Walsh K J,Watterson I G.Tropical cyclone-like vortices(TCLV)in a limited area model：comparison with observed climatology[J].J Climate,1997,10(9)：2240-2259.

[16]Gray S L,Craig G C.A simple theoretical model for the intensification of tropical cyclones and polar lows[J].Quart J Roy Meteorol Soc,1998,124：919-947.

[17]Nguyen K C,Walsh K J.Interannual,decadal,and transient greenhouse simulation of tropical cyclone-like vortices in a regional climate model of the South Pacific[J].J Climate,2001,14(13)：3043-2259.

[18]陶建軍,李朝奎.流體渦旋中螺旋波不穩(wěn)定發(fā)展的理論研究[J].地球物理學(xué)報,2008,51(3)：650-656.

[19]Montgomery M T,Kallenbach R J.A theory for vortex Rossby waves and its application to spiral bands and intensity changes in hurricanes[J].Quart J Roy Meteor Soc,1997,123：435-465.

[20]黃瑞新,巢紀(jì)平.臺風(fēng)螺旋云帶的線性理論[J].大氣科學(xué),1980,4(2)：148-158.

[21]余志豪.臺風(fēng)螺旋雨帶——渦旋Rossby波[J].氣象學(xué)報,2002,60(4)：502-507.

[22]朱佩君,鄭永光,王洪慶.臺風(fēng)螺旋雨帶的數(shù)值模擬研究[J].科學(xué)通報,2005,50(5)：486-494.

[23]黃泓,張銘.熱帶氣旋螺旋云帶動力不穩(wěn)定的性質(zhì)[J].氣象學(xué)報,2008,66(1)：81-89.

[24]Nolan D S,M T Montgomery.Nonhydrostatic,three-dimensional perturbations to balanced,hurricane-like vortices.Part I：Linearized formulation,stability,and evolution[J].J Atmos Sci,2002,59(21)：2989-3020.

[25]陸漢城,鐘瑋,張大林.熱帶風(fēng)暴中波動特征的研究進展和問題[J].大氣科學(xué),2007,31(6)：1140-1150.