大氣加熱場影響西太平洋副熱帶高壓短期位置變化的數(shù)值模擬

陳璇,王黎娟,管兆勇,林春澤

(1.武漢中心氣象臺(tái),湖北武漢430074;2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京210044;3.中國氣象局武漢暴雨研究所,湖北武漢430074)

0 引言

近年來,很多研究指出不同加熱場之間的配置對(duì)副高短期位置的東西進(jìn)退及南北移動(dòng)的影響作用不同(黃榮輝和李維京,1988;劉屹岷等,1999;劉還珠和姚明明,2000;He et al.,2001;Wen et al.,2003;溫敏和施曉暉,2006)。王黎娟等(2009)通過動(dòng)力和熱力學(xué)理論探討了江淮梅雨期和華南前汛期大范圍持續(xù)性強(qiáng)降水期間非絕熱加熱影響副高的物理機(jī)制,并得出結(jié)論:無論在江淮強(qiáng)降水還是華南強(qiáng)降水期間,副高西側(cè)較遠(yuǎn)處孟加拉灣熱源異常都會(huì)誘導(dǎo)副高異常西伸;江淮強(qiáng)降水期間,副高北側(cè)江淮流域加熱場的存在不利于副高北進(jìn),而在副高西側(cè)孟加拉灣熱源的共同作用下導(dǎo)致副高在江淮以南維持并出現(xiàn)明顯的西伸;但在華南強(qiáng)降水期間,副高西北側(cè)邊緣華南地區(qū)的加熱場對(duì)副高西伸北抬的阻礙作用強(qiáng)于孟加拉灣加熱場對(duì)副高的誘導(dǎo)西伸,可在短期內(nèi)迫使副高東撤南退。這兩種不同地理位置分布的加熱場異常配置對(duì)副高短期位置變異產(chǎn)生了不同的影響,為弄清雨帶中所釋放的凝結(jié)潛熱對(duì)副高的活動(dòng)、位置變化是否有反饋?zhàn)饔?采用適合的數(shù)值模式試驗(yàn)來模擬不同位置熱源影響下的副高位置變化很有必要。

區(qū)域氣候模式(RegCM3)是意大利國際理論物理中心(ICTP)于2003—2004年間研制開發(fā)的區(qū)域氣候模式RegCM2的改進(jìn)版(Pal et al.,2007)。RegCM3通過在MM5中尺度天氣模式的動(dòng)力學(xué)框架中加入了一些氣候?qū)W物理過程,來進(jìn)行氣候模擬(趙宗慈和羅勇,1998),它具有較高的空間分辨率,對(duì)局地強(qiáng)迫引起的氣候特征有較好的模擬能力,已成為研究區(qū)域氣候變化的一個(gè)重要工具。國際上對(duì)RegCM3模擬區(qū)域氣候異常事件的能力已經(jīng)給予了肯定(陸其峰等,2003;Pal,2003;Afiesimama et al.,2006;周建瑋和王詠青,2007),近年來中國先后有人用該模式對(duì)中國極端氣候事件、東亞季風(fēng)區(qū)降水異常等的模擬能力進(jìn)行驗(yàn)證,也都取得了較好的效果和結(jié)論,說明RegCM3具有一定的模擬中國氣候的能力(劉曉東等,2005;鮑艷等,2006;閔莉等,2008;梁玲等,2009)。

針對(duì)前期的診斷分析結(jié)果,本文利用RegCM3嵌套NNRP1再分析資料,對(duì)江淮、華南及孟加拉灣熱源異常進(jìn)行了相關(guān)數(shù)值試驗(yàn)積分,以期就短期時(shí)間尺度上季風(fēng)雨帶凝結(jié)潛熱釋放對(duì)西太平洋副熱帶高壓位置變化的影響途徑作初步探討。

1 RegCM3模擬個(gè)例選取

從前期挑選出的持續(xù)性強(qiáng)降水過程的典型個(gè)例中(王黎娟等,2009),選擇其中具有代表性的江淮2003年6月30日—7月6日、華南1998年6月19—25日的持續(xù)性強(qiáng)降水過程,這兩個(gè)過程分別屬于江淮強(qiáng)降水過程和華南強(qiáng)降水過程。強(qiáng)降水過程中會(huì)釋放大量的凝結(jié)潛熱構(gòu)成大氣主要的非絕熱加熱(王黎娟等,2009),圖1給出了兩個(gè)個(gè)例中由降水計(jì)算得到的凝結(jié)潛熱HL(HL=L×P,L為凝結(jié)潛熱系數(shù),P為降水量)與西太平洋副熱帶高壓在東西及南北位置變化上的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從圖中可以看到,在強(qiáng)降水時(shí)段,凝結(jié)潛熱隨著強(qiáng)降水的發(fā)生而增大,它隨時(shí)間的變化也與陰影區(qū)副高位置的變化有著很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。西太平洋副熱帶高壓在江淮強(qiáng)降水過程(2003年6月30日—7月6日)中受到其北側(cè)江淮流域及西側(cè)孟加拉灣熱源的共同影響,會(huì)在江淮以南穩(wěn)定維持并出現(xiàn)明顯的西伸(圖1a、1b);而在華南強(qiáng)降水過程(1998年6月19—25日)中則有所不同,副高會(huì)受其西北側(cè)華南地區(qū)及西側(cè)孟加拉灣熱源的共同作用,在季節(jié)性西伸過程中出現(xiàn)短期的東撤南退(圖1c、1d)。針對(duì)此現(xiàn)象,下文利用RegCM3分別對(duì)2003年江淮和1998年華南的這兩次持續(xù)性強(qiáng)降水過程的實(shí)況進(jìn)行模擬,討論副高的位置變異情況,并試圖通過敏感性試驗(yàn),證實(shí)不同位置配置下的熱源對(duì)副高短期位置變異的影響作用不同。

2 資料及試驗(yàn)方案

2.1 資料

圖1 凝結(jié)潛熱(等值線)和500 hPa位勢高度(陰影區(qū):大于588 dagpm)的時(shí)間剖面(粗實(shí)線箭頭對(duì)應(yīng)副高的西伸、東撤過程,縱虛線表示孟加拉灣經(jīng)度帶,橫虛線表示江淮、華南緯度帶) a.江淮強(qiáng)降水個(gè)例中凝結(jié)潛熱沿10～27.5°N、位勢高度沿22°N的時(shí)間—經(jīng)度剖面;b.江淮強(qiáng)降水個(gè)例中凝結(jié)潛熱沿110～125°E、位勢高度沿120°E的時(shí)間—緯度剖面;c.華南強(qiáng)降水個(gè)例中凝結(jié)潛熱沿10～27.5°N、位勢高度沿20°N的時(shí)間—經(jīng)度剖面;d.華南強(qiáng)降水個(gè)例中凝結(jié)潛熱沿105～120°E、位勢高度沿125°E的時(shí)間—緯度剖面。Fig.1 Time-sections of latent heating(isoline)and 500 hPa geopotential height(shadings:＞588 dagpm)(arrows with thick solid line:the eas tward retreat and westward extension of WPSH;vertical dashed lines:the longitude zones of the Bay of Bengal;transverse dashed lines:the latitude zones of the Changjiang-Huaihe River valley or South China) a.time-longitude cross sections of latent heating averaged between 10°N and 27.5°N,and geopotential height along 22°N in the heavy rainfall in Changjiang-Huaihe River valley;b.time-latitude cross sections of latent heating averaged between 110°E and 125°E,and geopotential height along 120°E in the heavy rainfall in Changjiang-Huaihe River valley;c.time-longitude cross sections of latent heating averaged be tween 10°N and 27.5°N,and geopotential height along 20°N in the heavy rainfall in South China;d.time-latitude cross sections of latent heating averaged between 105°E and 120°E,and geopotential height along 125°E in the heavy rainfall in South China

采用每日4次、水平分辨率為2.5°×2.5°的NNRP1再分析資料,包括氣溫、位勢高度、垂直速度、相對(duì)濕度、經(jīng)、緯向風(fēng)和地面氣壓場等物理量場,插值到模式各層為模式提供初邊值場;地形由美國地質(zhì)勘探局(United States Geological Survey,USGS)制作的5′×5′地形數(shù)據(jù)插值得到;植被覆蓋資料使用USGS基于衛(wèi)星觀測反演的5′×5′GLCC(global land cover characterization)資料;海溫使用美國海洋大氣局(NOAA)的周平均O ISST資料,其空間分辨率為1°×1°。

2.2 模式研究范圍及物理參數(shù)化方案的選取

模式模擬區(qū)域中心位于(110°E,25°N),水平分辨率為50 km,水平格點(diǎn)數(shù)取192×115,包括了含青藏高原在內(nèi)的整個(gè)中國及南海、孟加拉灣、赤道西太平洋等部分地區(qū),垂直方向?yàn)?8層。采用蘭勃托投影,模式層頂氣壓為50 hPa,積分時(shí)間步長90 s。側(cè)邊界選擇指數(shù)松馳方案;積云對(duì)流方案選擇基于Fritsch&Chappell(FC80)閉合假設(shè)的Grell方案;海洋通量參數(shù)化選擇Zeng方案;氣壓梯度計(jì)算采用靜力平衡扣除方式。

圖2為模擬區(qū)域的地形與地表植被覆蓋狀況。模式中的植被覆蓋分為20種,其中8代表沙漠,11表示半沙漠地區(qū),12表示冰蓋,13表示濕地,15表示海洋。

2.3 試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

控制試驗(yàn)1(CTL1)從2003年6月30日積分7 d,控制試驗(yàn)2(CTL2)從1998年6月19日積分7 d。為了模擬江淮及華南強(qiáng)降水期間熱源配置差異對(duì)副高短期位置變動(dòng)影響的異同,在模式中選取前期合成分析的江淮、華南強(qiáng)降水過程的整層積分視熱源＜Q1＞分布大值區(qū)(圖3,江淮流域(105～125°E,25～35°N)、華南地區(qū)(100～140°E,20～30°N)以及孟加拉灣(85～100°E,10～27.5°N),詳細(xì)參見王黎娟等(2009)中圖1、圖2和圖5),分別加大和減小熱源來做敏感性試驗(yàn)。由于本文研究的強(qiáng)降水期間大氣加熱場非絕熱加熱主要是由強(qiáng)降水釋放的凝結(jié)潛熱為主(王黎娟等,2009),所以借鑒溫敏等(2004)的方法,在敏感性試驗(yàn)中采用在初始場中將江淮流域(華南地區(qū))以及孟加拉灣地區(qū)熱源大值區(qū)各層相對(duì)濕度加大和減小的方法來,加大和減小凝結(jié)潛熱,并相應(yīng)加大和減小每日側(cè)邊界條件中的相對(duì)濕度,其他條件與控制試驗(yàn)相同。對(duì)2003年江淮強(qiáng)降水過程和1998年華南強(qiáng)降水過程分別設(shè)計(jì)了5個(gè)數(shù)值試驗(yàn),列于表1。值得指出的是,模式中當(dāng)初始場及邊界條件中相對(duì)濕度值RH放大超過1時(shí),即取RH=1(比濕達(dá)到飽和比濕)來計(jì)算。將熱源大值區(qū)RH放大3倍,就是通過使水汽達(dá)到飽和來最大程度地增大凝結(jié)潛熱。

圖2 模擬區(qū)域范圍及地形高度(a;單位:m)和植被覆蓋情況(b)Fig.2 (a)Model domain,topographic height(m)and(b)vegetation cover of simulation experiment

圖3 江淮(a)、華南(b)強(qiáng)降水過程中整層積分的視熱源＜Q1＞合成分布(單位:W/m2;長方形框?yàn)檫x取的江淮、華南及孟加拉灣熱源大值區(qū)域,虛線為對(duì)應(yīng)的500 hPa上副高588 dagpm等值線)Fig.3 The apparent heating source＜Q1＞during the heavy rainfall over(a)the Changjiang-Huaihe River valley and(b)South China(units:W/m2;the rectangle frames are the heat source regions over the Changjiang-Huaihe River valley,South China and the Bay of Bengal,and the dashed line is 588 dagpmisoline at 500 hPa)

表1 江淮、華南數(shù)值試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Table 1 N um erical experim en ts by the Reg CM3 in the Changjiang-Huaihe River valley and South China

圖4 控制試驗(yàn)1(CTL1)模擬的2003年7月1—6日500hPa位勢高度場(a-f;單位:dagpm)Fig.4 (a-f)500hPa geopotential heights from July1to6,2003s im ulated by CTL1experim ent(units:dagpm)

3 模擬結(jié)果分析

3.1 控制試驗(yàn)結(jié)果分析

圖4為CTL1得到的2003年6月30日—7月6日持續(xù)性強(qiáng)降水過程中第2天至第7天的500hPa位勢高度場。與實(shí)況(圖略)對(duì)比可知,RegCM3模擬的此次強(qiáng)降水過程中位勢高度場以及西太平洋副熱帶高壓的位置變化特征與實(shí)況基本相符。從強(qiáng)降水開始的第2天(7月1日)到第4天(7月3日),西太平洋副熱帶高壓有明顯的西伸,588dagpm等值線由115°E西進(jìn)5個(gè)經(jīng)度到達(dá)110°E,之后,到強(qiáng)降水結(jié)束日第7天(7月6日),副高東退并減弱。

圖5為CTL2得到的1998年6月20—25日持續(xù)性強(qiáng)降水過程。與CTL1一樣,CTL2也基本能模擬出西太平洋副熱帶高壓在華南強(qiáng)降水時(shí)段的短期東退現(xiàn)象。副高588dagpm線最西端由6月20日的124°E東退到6月23日的130°E附近,之后又再次西伸。

兩個(gè)控制試驗(yàn)的模擬結(jié)果比實(shí)況場副高位置稍偏東,強(qiáng)度偏弱1～2dagpm,但基本上模擬出了強(qiáng)降水時(shí)段的環(huán)流形勢,可見RegCM3對(duì)西太平洋副熱帶高壓有一定的模擬能力。另外,也可以發(fā)現(xiàn),在整個(gè)過程中,模擬的副高脊線位置會(huì)比實(shí)際偏北2～3個(gè)緯距,但副高在南北變化上表現(xiàn)的較為穩(wěn)定,唯一的變動(dòng)在于CTL1中副高強(qiáng)度的變化使其外圍覆蓋區(qū)域會(huì)擴(kuò)大,并沒有表現(xiàn)出脊線的明顯南北位移。在此基礎(chǔ)上,可以認(rèn)為用RegCM3進(jìn)行熱源的敏感性試驗(yàn)來驗(yàn)證副高位置的東西變化是具有一定的可信度的。

圖5 控制試驗(yàn)2(CTL2)模擬的1998年6月20—25日的500hPa位勢高度場(a-f;單位:dagpm)Fig.5 (a-f)500hPa geopotential heights from June20to25,1998s im ulated by CTL2experim ent(units:dagpm)

3.2 熱源異常敏感性試驗(yàn)結(jié)果分析

首先對(duì)2003年的熱源異常試驗(yàn)進(jìn)行分析。在4個(gè)敏感性試驗(yàn)中,分別將在同一地區(qū)加大和減小相對(duì)濕度RH的模擬結(jié)果做差值,即可得到不同地區(qū)加熱場的存在對(duì)副高環(huán)流的影響,分別稱之為孟加拉灣熱源異常試驗(yàn)(J0B2-J0B1)和江淮及孟加拉灣共同熱源異常試驗(yàn)(J2B2-J1B1)。

圖6是孟加拉灣熱源異常試驗(yàn)中第2天至第7天模擬的500hPa水平流場差值分布。從王黎娟等(2009)的分析結(jié)論中可知孟加拉灣加熱場的異常存在,會(huì)在其東側(cè)強(qiáng)迫出反氣旋性環(huán)流誘導(dǎo)西太平洋副熱帶高壓西伸。從圖5的水平流場分布情況可以看到,在7月2—5日,孟加拉灣北側(cè)均有低槽或氣旋性環(huán)流存在,可見敏感性試驗(yàn)中在孟加拉灣加入的潛熱加熱的加熱作用會(huì)在其上空強(qiáng)迫出氣旋式流場,使其東側(cè)偏南風(fēng)分量加強(qiáng),其形式與王黎娟等(2009)的分析一致。在西太平洋洋面及我國大陸東部地區(qū)反氣旋式環(huán)流在強(qiáng)降水發(fā)展期7月1—3日也表現(xiàn)出西伸的趨勢,環(huán)流西側(cè)偏南風(fēng)由115°E向西擴(kuò)展到110°E,之后在強(qiáng)降水減弱期又出現(xiàn)東撤現(xiàn)象。這說明孟加拉灣加熱場的存在可能是誘導(dǎo)西太平洋副熱帶高壓西伸的因子之一。

圖6 孟加拉灣熱源異常試驗(yàn)?zāi)M的2003年7月1—6日500hPa水平流場差值(J0B2-J0B1)(a-f;單位:m/s)Fig.6 (a-f)The differences of500hPa horizontal flow fields between J0B2and J0B1(J0B2-J0B1)in the heating anomaly experiments over the Bay of Bengal from July1to6,2003(units:m/s)

江淮及孟加拉灣共同熱源異常試驗(yàn)中,同時(shí)在江淮流域及孟加拉灣地區(qū)加入熱源,期望證實(shí)兩個(gè)熱源共同存在時(shí)對(duì)西太平洋副熱帶高壓西伸東退的影響。圖7中江淮加熱場激發(fā)的氣旋性環(huán)流并不明顯,但是孟加拉灣北側(cè)500hPa水平流場上都表現(xiàn)出了明顯的氣旋式環(huán)流。同孟加拉灣熱源異常試驗(yàn)結(jié)果較一致的是,在西太平洋洋面及我國大陸東部地區(qū)形成的反氣旋式環(huán)流在整個(gè)強(qiáng)降水過程中出現(xiàn)了明顯的西伸現(xiàn)象。反氣旋式環(huán)流與孟加拉灣氣旋式環(huán)流間的偏南風(fēng),由7月1日的115°E附近向西擴(kuò)展,到中期7月3日的103°E,確實(shí)有利于引導(dǎo)西太平洋副熱帶高壓西進(jìn),之后的7月4—6日,副高也隨著偏南風(fēng)的東撤而東退。

圖7 江淮及孟加拉灣共同熱源異常試驗(yàn)?zāi)M的2003年7月1—6日500hPa水平流場差值(J2B2-J1B1)(a-f;單位:m/s)Fig.7 (a-f)The differences of500hPa horizontal flow fields between J2B2and J1B1(J2B2-J1B1)in the heating anomaly experiments over the Changjiang-Huaihe River valley and the Bay of Bengal from July1to6,2003(units:m/s)

對(duì)1998年的華南及孟加拉灣共同熱源異常試驗(yàn)的模擬結(jié)果(圖8)分析發(fā)現(xiàn),在青藏高原東側(cè)長江中游地區(qū)有氣旋式環(huán)流存在,并在強(qiáng)降水過程中會(huì)有短暫東移,受其東側(cè)的偏南氣流東移影響,西太平洋副熱帶高壓會(huì)有東退現(xiàn)象發(fā)生?？梢娫趦蓚€(gè)加熱場共同存在的情況下,該模式還是可以表現(xiàn)出副高在西伸過程中的短期東退的特征。但是在單獨(dú)的孟加拉灣熱源異常試驗(yàn)中(圖略),雖然在青藏高原東側(cè)長江中游附近存在氣旋性環(huán)流,但其東側(cè)的偏南風(fēng)維持在115°E附近,未有明顯的東西位置上的變動(dòng),不能很好地反映出副高位置的西伸現(xiàn)象。這是否與模式在控制試驗(yàn)中模擬的環(huán)流場較實(shí)況環(huán)流場偏北,影響了熱源與副高位置之間的配置有關(guān)?有待于今后進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖8 華南及孟加拉灣共同熱源異常試驗(yàn)?zāi)M的1998年6月20—25日500hPa水平流場差(H2B2-H1B1)(a-f;單位:m/s)Fig.8 (a-f)The differences of500hPa horizontal flow fields between H2B2and H1B1(H2B2-H1B1)in the heating anomaly experiments over South China and the Bay of Bengal from June20to25,1998(units:m/s)

從以上的熱源敏感性試驗(yàn)中,可以認(rèn)為:RegCM3在模擬孟加拉灣熱源異常時(shí),雖然在華南強(qiáng)降水過程中西太平洋副熱帶高壓的西伸效果并不明顯,但在江淮強(qiáng)降水過程中卻能夠捕捉到副高西進(jìn)的現(xiàn)象,其西伸東退的特征與實(shí)際環(huán)流形勢是一致的。另外,模式在模擬江淮和孟加拉灣熱源共同存在時(shí)很好地表現(xiàn)出了副高的西伸現(xiàn)象,以及華南和孟加拉灣熱源共同存在下的副高短期東退現(xiàn)象,只是對(duì)副高南北位置上的變化模擬的效果不明顯。這表明王黎娟等(2009)分析的異常加熱源在自我調(diào)整機(jī)制中對(duì)西太平洋副熱帶高壓東西進(jìn)退的影響上是有一定的反饋?zhàn)饔玫?能夠被模式所證實(shí)。然而所做試驗(yàn)只是以單獨(dú)的個(gè)例模擬來驗(yàn)證模式的模擬性能以及熱源對(duì)副高的反饋是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,還需要選擇多種數(shù)值模式設(shè)計(jì)更適合的敏感性模擬試驗(yàn),以更全面地了解非絕熱加熱在影響西太平洋副熱帶高壓短期位置變動(dòng)上的動(dòng)力及熱力學(xué)機(jī)理。

另外也模擬了江淮熱源以及華南熱源單獨(dú)存在時(shí),副高的位置南北方向異常的敏感性試驗(yàn),但是模擬效果并不理想,不能很好地反映出副高位置在南北方向上的變動(dòng)情況,這可能與該模式對(duì)副高模擬偏北,掩蓋掉了江淮流域以及華南地區(qū)某些環(huán)流信息,致使氣旋性環(huán)流不能表現(xiàn)出來有關(guān)。

4 結(jié)論

本文利用RegCM3對(duì)持續(xù)性強(qiáng)降水過程中熱源影響西太平洋副熱帶高壓短期位置東西進(jìn)退的現(xiàn)象進(jìn)行了模擬。模擬結(jié)果證實(shí):持續(xù)性強(qiáng)降水期間孟加拉灣熱源異常存在是誘導(dǎo)西太平洋副熱帶高壓異常西進(jìn)原因之一;江淮和孟加拉灣加熱源的異常配置有利于引導(dǎo)副高西伸,而華南和孟加拉灣加熱源的異常配置有利于副高在季節(jié)性西伸過程中出現(xiàn)短期東退現(xiàn)象。這表明異常加熱源在自我調(diào)整機(jī)制中對(duì)西太平洋副熱帶高壓東西進(jìn)退的影響上有一定的反饋?zhàn)饔?江淮(華南)和孟加拉灣熱源的異常配置可能是西太平洋副熱帶高壓短期位置東西進(jìn)退的影響因子之一。

模式在模擬副高北側(cè)江淮及華南熱源異常對(duì)副高南北位置變動(dòng)的影響不太理想,不能反映出副高北部的江淮及華南熱源存在時(shí)對(duì)副高季節(jié)性北抬的阻礙作用,這可能與模式在模擬環(huán)流場中副高位置偏北,且在南北變化上表現(xiàn)較穩(wěn)定,會(huì)掩蓋掉江淮及華南地區(qū)熱源強(qiáng)迫出的氣旋性環(huán)流,導(dǎo)致在副高北側(cè)加熱源異常的作用并不明顯有關(guān);另外,也可能與模式自身的模擬性能及敏感性試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案有關(guān),需要進(jìn)一步研究。

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