張玉生 韓 杰 郭相明 郝曉靜 康士峰 趙振維

(中國電波傳播研究所,電波環(huán)境特性及模化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266107)

1.引 言

在大氣波導(dǎo)產(chǎn)生機(jī)理和預(yù)報(bào)研究中,氣象物理量場與大氣波導(dǎo)的相關(guān)分析是研究的內(nèi)容,有資料表明,低空波導(dǎo)與天氣形勢有密切關(guān)系,天氣形勢直接影響著氣象物理量場的分布[1-3]。在以前研究過程中由于條件和資料限制,大氣波導(dǎo)與天氣形勢的相關(guān)性研究大部分情況下只限于研究單站波導(dǎo)出現(xiàn)情況。

隨著中尺度數(shù)值模式技術(shù)的不斷發(fā)展和計(jì)算機(jī)運(yùn)算性能的不斷提高,利用中尺度數(shù)值模式模擬大氣波導(dǎo)及其相關(guān)的氣象物理量場已成為現(xiàn)實(shí)[4-5]。本文采用MM5中尺度數(shù)值模式,對(duì)2008年5月10～11日我國東南沿海的一次大范圍的懸空波導(dǎo)(大氣波導(dǎo)類型之一)出現(xiàn)時(shí)濕位渦場的變化進(jìn)行了數(shù)值模擬,該波導(dǎo)由西風(fēng)槽和臺(tái)風(fēng)天氣系統(tǒng)相互作用引發(fā)和加強(qiáng)的,通過濕位渦場的數(shù)值模擬,分析其與懸空波導(dǎo)的相關(guān)性,以期達(dá)到預(yù)報(bào)懸空波導(dǎo)的目的。

1942年Ertel提出的位渦概念,并指出在干空氣和不飽和濕空氣中守恒,由于在天氣過程中當(dāng)云發(fā)展并釋放潛熱時(shí),位渦不再守恒,因此,用相當(dāng)位溫代替位溫引入濕位渦概念,使它在濕絕熱過程中守恒,國內(nèi)外對(duì)于位渦和濕位渦在天氣系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展中的影響已開展了一些理論研究[6-7],但尚未看到濕位渦概念用在大氣波導(dǎo)機(jī)理和預(yù)報(bào)的有關(guān)文獻(xiàn)。

2.MM5中尺度數(shù)值模式

MM5中尺度模式是美國賓夕法尼亞州立大學(xué)(PSU)和美國國家大氣研究中心(NCAR)從二十世紀(jì)80年代以來共同開發(fā)的第5代區(qū)域中尺度數(shù)值模式[8],和上一代模式MM4相比,在模式動(dòng)力框架上最大的改進(jìn)之處在于引入了非靜力平衡效應(yīng),從而使得模式具備了描寫較小空間尺度而發(fā)展強(qiáng)烈的天氣系統(tǒng)能力。本文采用成熟的MM 5中尺度模式進(jìn)行波導(dǎo)過程及其濕位渦場的模擬與分析研究。

MM5模式結(jié)構(gòu)可分為模式前處理、主模式和模式后處理。在每一部分中又有其具體細(xì)致的內(nèi)容,前處理中包括資料預(yù)處理、質(zhì)量控制、客觀分析及初始化,它為MM5模式運(yùn)行準(zhǔn)備輸入資料,主模式部分是模式所研究氣象過程的主控程序,后處理是對(duì)模式運(yùn)行后輸出結(jié)果的分析處理,包括診斷和圖形輸出、解釋和檢驗(yàn)?zāi)Ｊ侥M或預(yù)報(bào)結(jié)果等。中尺度模式運(yùn)行結(jié)果的準(zhǔn)確度和可信度與模式選擇的參數(shù)化方案有很大的關(guān)系,本文選擇的主要參數(shù)化方案為：顯式降水物理過程的處理方案采用簡單的冰相降水過程計(jì)算方案;邊界層方案選擇高分辨的大渦閉合邊界層方案;大氣輻射過程采用Mlawer的長波方案;積云參數(shù)化方案分不同的嵌套區(qū)域選擇,考慮懸空波導(dǎo)的水平不均勻性和模式運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)效性,采用粗網(wǎng)格嵌套細(xì)網(wǎng)格的方式,取粗網(wǎng)格距60 km,細(xì)網(wǎng)格距20 km,在積云參數(shù)化方案中,粗網(wǎng)格采用Anthes-Kuo方案,細(xì)網(wǎng)格采用Grell方案。同時(shí)垂直方向上采用不等間距分層,低空較密,共44層,層頂氣壓為100 hPa。由于地形分辨率對(duì)懸空波導(dǎo)區(qū)域產(chǎn)生重要的影響,地形采用較高分辨率的25類植被和地表類型2分的數(shù)據(jù)。

3.濕位渦及其不可滲透性

濕位渦是一個(gè)動(dòng)力和熱力相結(jié)合的參數(shù),其定義式為

即濕位渦為單位質(zhì)量氣塊的絕對(duì)渦度在等相當(dāng)位溫θe面法向上的投影與|▽?duì)萫|的乘積。其中ρ為空氣密度,ωa為三維絕對(duì)渦度,它從三維風(fēng)速的旋度反映了大氣的運(yùn)動(dòng)變化,相當(dāng)位溫θe反映了大氣的熱力變化。

相當(dāng)位溫θe反映了大氣的熱力變化,它的定義式為

式中：θ為位溫;L為水的汽化潛熱,其值約為2501 J?g-1;q為比濕,單位一般k?kg-1;cpd為 1004.675 J?kg-1?k;Tc為所在氣塊抬升凝結(jié)高度處溫度,從式(2)可看出,θe包含溫度信息,同時(shí)也包含濕度信息。

眾所周知,大氣波導(dǎo)發(fā)生在大氣修正折射率垂直梯度小于0的區(qū)域,修正折射率M隨高度h變化表示為

是溫度、濕度垂直梯度的函數(shù),而▽?duì)萫也是溫度、濕度垂直梯度的函數(shù)。因此,從理論上分析,大氣波導(dǎo)與相當(dāng)位溫和濕位渦場有密切關(guān)系。濕位渦沿著等熵面的移動(dòng)速度可以如下推導(dǎo)：由式(1),再根據(jù)連續(xù)性方程和位渦方程可得[7]

式中：下標(biāo)?表示平行于等θe面的物理量,⊥表示垂直于等θe面的物理量。從式(4)可見,其右邊的后三項(xiàng)皆與等θe面平行,而右邊的第一項(xiàng)中的Vθ⊥為θe面的移動(dòng)速度,濕位渦物質(zhì)對(duì)等熵面的不可滲透性得以體現(xiàn)。令

則有

4.基于濕位渦場的懸空波導(dǎo)移速、移向預(yù)報(bào)

以2008年5月10日世界時(shí)12時(shí)為數(shù)值模擬起始時(shí)刻,從0～24小時(shí)的數(shù)值模擬可看出,當(dāng)沒有懸空波導(dǎo)時(shí),等相當(dāng)位溫線沒有水平向的密集鋒區(qū),經(jīng)向濕位渦分布也沒有明顯的負(fù)中心區(qū)和變化劇烈區(qū),其等值線散亂,見圖 1。

圖中橫坐標(biāo)為北緯值,縱坐標(biāo)為氣壓值,單位為hPa(下同)。

當(dāng)出現(xiàn)懸空波導(dǎo)時(shí),經(jīng)向相當(dāng)位溫等值線形成明顯的橫向鋒區(qū),從圖2中的(a)、(c)和(b)、(d)可看出,由于濕位渦場變化是連續(xù)的,因?yàn)闈裎粶u的不可滲透性,它只能沿著等熵面移動(dòng),異常濕位渦場的移速為,形成濕位渦負(fù)大值中心以及梯度劇烈變化區(qū)。

濕位渦的移向與等相當(dāng)位溫的走向特別是變化劇烈區(qū)的走向密切相關(guān),都是沿著密集等相當(dāng)位溫線的走向移動(dòng)。當(dāng)梯度劇烈變化的等相當(dāng)位溫面斜率不同時(shí),沿著等相當(dāng)位溫面移動(dòng)的濕位渦場的移動(dòng)方向也不同。

由于850 hpa高度處的抬升逆溫和該高度處下濕上干的相對(duì)濕度驟變層結(jié),在東南沿海引起了大面積的懸空波導(dǎo)發(fā)生,由圖2的(e)和(f)修正折射率經(jīng)向剖面圖可知在850 hpa高度左右明顯的有一懸空波導(dǎo)帶,該帶呈現(xiàn)水平向至南高北低斜向態(tài)勢,隨著經(jīng)度、緯度不同,波導(dǎo)帶的強(qiáng)度、厚度、底高雖然不同,但是各種變化是連續(xù)的,說明此波導(dǎo)帶是同一天氣形態(tài)造成的。

通過圖2修正折射率和濕位渦經(jīng)向剖面比較可看出,12小時(shí)后兩者斜率都呈現(xiàn)近乎水平分布,隨著時(shí)間斜率連續(xù)變化,24小時(shí)后斜率變化呈現(xiàn)南高北低分布,在不同時(shí)刻懸空波導(dǎo)的出現(xiàn)位置和濕位渦剖面的劇烈變化區(qū)及負(fù)中心一致,懸空波導(dǎo)經(jīng)向分布帶隨著濕位渦場負(fù)值中心和梯度劇變區(qū)移動(dòng)而移動(dòng),由此可見,懸空波導(dǎo)的移動(dòng)速度與濕位渦明顯的負(fù)中心區(qū)和梯度劇變區(qū)的經(jīng)向分布移動(dòng)速度一樣,可以認(rèn)為是以的速度運(yùn)動(dòng)的,并且移動(dòng)路徑與異常濕位渦場負(fù)中心的移動(dòng)路徑一致。濕位渦場移動(dòng)方向與相當(dāng)位溫的鋒區(qū)走向一致,因此,波導(dǎo)的移向與濕位渦場移動(dòng)方向或者說與相當(dāng)位溫的鋒區(qū)走向一致。懸空波導(dǎo)區(qū)域和異常負(fù)濕位渦場一樣夾在兩條密集等θe線所夾的區(qū)域內(nèi)移動(dòng)。如果密集等θe線分布是呈東-西向的,那么懸空波導(dǎo)的移動(dòng)一定是東-西向的,可以稱該波導(dǎo)為緯向型懸空波導(dǎo);如果密集等θe線分布是呈南-北向的,那么懸空波導(dǎo)的移動(dòng)一定是南-北向的,可以稱該波導(dǎo)為經(jīng)向型懸空波導(dǎo);如果密集等θe線分布是呈西北-東南向分布的,那么懸空波導(dǎo)的移動(dòng)一定是西北-東南向移動(dòng),可見異常負(fù)濕位渦場的分布與移動(dòng)配合密集等θe線走向?yàn)閼铱詹▽?dǎo)預(yù)報(bào)提供了科學(xué)依據(jù)。

以上限于篇幅只列出一個(gè)例子的分析和結(jié)果,但通過多個(gè)例子分析可知,其結(jié)果同樣符合相同規(guī)律,因此,基于濕位渦場的異常變化可預(yù)報(bào)懸空波導(dǎo)移向、移速。

5.結(jié) 論

濕位渦是動(dòng)力和熱力相結(jié)合的參數(shù),滿足大氣動(dòng)力和熱力學(xué)方程的約束,且為相當(dāng)位溫的函數(shù),而相當(dāng)位溫包含溫度和濕度信息,另一方面,濕位渦場有保守性、可反演性特別是不可滲透性等獨(dú)特性質(zhì),在研究中便于機(jī)理和預(yù)報(bào)分析,相比懸空波導(dǎo)預(yù)報(bào),更容易實(shí)現(xiàn)其預(yù)報(bào),因此,可將懸空波導(dǎo)預(yù)報(bào)問題轉(zhuǎn)化為濕位渦預(yù)報(bào)問題。從以上分析表明：當(dāng)無懸空波導(dǎo)出現(xiàn)時(shí),經(jīng)向濕位渦分布沒有明顯的負(fù)中心區(qū)和變化劇烈區(qū),等值線散亂,當(dāng)出現(xiàn)懸空波導(dǎo)時(shí),經(jīng)向濕位渦分布帶呈現(xiàn)明顯的負(fù)中心區(qū)和梯度劇烈增大區(qū),濕位渦場分布與懸空波導(dǎo)的區(qū)域分布一致,其走向與懸空波導(dǎo)經(jīng)向分布帶走向一致。由于濕位渦的不可滲透性,濕位渦發(fā)展變化時(shí),只能沿著等熵面移動(dòng),其負(fù)中心區(qū)和梯度劇烈增大區(qū)只能沿著等相當(dāng)位溫面移動(dòng),且移速和移向是可知的,換句話說,懸空波導(dǎo)的移動(dòng)速度和移動(dòng)方向也是可知和預(yù)報(bào)的,從而給懸空波導(dǎo)的預(yù)報(bào)開辟了一種新思路和途徑。

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