一次西南熱低壓形成過程的數(shù)值試驗(yàn)和分析

楊 靜，雷 云

(1.貴州省氣象臺(tái)，貴州 貴陽 550002;2.貴州省氣象局，貴州 貴陽 550002)

一次西南熱低壓形成過程的數(shù)值試驗(yàn)和分析

楊 靜1，雷 云2

(1.貴州省氣象臺(tái)，貴州 貴陽 550002;2.貴州省氣象局，貴州 貴陽 550002)

該文以2003年3月29-4月1日的一次典型熱低壓過程為例，通過數(shù)值模擬，得到了與實(shí)況基本一致的結(jié)果。進(jìn)一步利用數(shù)值模擬場(chǎng)，對(duì)熱低壓的發(fā)生發(fā)展進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，西南熱低壓生成時(shí)水平流場(chǎng)表現(xiàn)為明顯的氣旋性輻合流場(chǎng)，低壓環(huán)流中心軸線隨高度的變化基本上是垂直的;低壓生成后，基本是在原地發(fā)展并且是從地面向低空逐漸發(fā)展起來的;低壓在生成發(fā)展過程中都是強(qiáng)的正相對(duì)渦度，相對(duì)濕度較低，是暖性的。文中還進(jìn)行了不同的數(shù)值試驗(yàn)，通過敏感性試驗(yàn)探討了西南熱低壓的形成原因。

西南熱低壓;形成過程;數(shù)值模擬

1 引言

春季在青藏高原東側(cè)的云、貴、川三省交界處常有一個(gè)閉合的暖性低壓，是影響西南地區(qū)的一種重要天氣系統(tǒng)。朱乾根等將西南地區(qū)出現(xiàn)的熱低壓歸屬為地方性熱低壓［1］，并對(duì)其產(chǎn)生的天氣做了介紹。一直以來國內(nèi)外研究者對(duì)熱低壓系統(tǒng)的研究較少，主要的研究?jī)?nèi)容集中于熱帶地區(qū)的熱低壓。丁一匯研究員指出［2］熱低壓與季風(fēng)活動(dòng)有關(guān)系，非洲和亞洲西部季風(fēng)的潮濕西南氣流位于沙漠熱低壓帶之南，熱低壓與沙漠動(dòng)力學(xué)有密切關(guān)系。ERIC A.SMITH［3］對(duì)阿拉伯熱低壓的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征和熱量交換進(jìn)行了研究。Blake D W［4］等研究了1979年夏季風(fēng)期間沙特阿拉伯熱低壓的特征，結(jié)果證實(shí)了熱低壓的混合層比較厚，熱低壓的低層熱對(duì)流很強(qiáng)，L.M.LESLIE［5］對(duì)澳大利亞夏季的熱低壓進(jìn)行了數(shù)值模擬，不同的地面熱平衡方案在模式中運(yùn)用，以便提高對(duì)熱低壓的預(yù)報(bào)能力。西南熱低壓是一種地方性低壓，過去對(duì)其結(jié)構(gòu)特征還沒有做過詳細(xì)的研究，對(duì)熱低壓的形成原因也不甚清楚。數(shù)值模擬是研究大氣動(dòng)力學(xué)的主要方法之一，利用數(shù)值模擬來討論各種物理過程、初始環(huán)境場(chǎng)和地形對(duì)系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展過程的作用是一種有效的方法。本文利用新一代中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)WRF模式，模擬了一次典型的西南熱低壓的形成過程，并進(jìn)行了多個(gè)敏感性試驗(yàn)，以探討熱低壓的形成原因。

2 熱低壓天氣過程簡(jiǎn)述

本文以2003年3月29日-4月1日的一次西南熱低壓過程作為模擬和試驗(yàn)個(gè)例。29日14時(shí)(北京時(shí)，下同)在四川東南部的敘永(105°26'E，28°10'N)出現(xiàn)閉合等壓線，中心氣壓為994.0 hPa，熱低壓系統(tǒng)開始生成。隨著熱低壓的發(fā)展，熱低壓范圍不斷增大，地面氣壓降低，向北發(fā)展，30日14時(shí)四川大部、貴州中部和北部，地面氣壓降到1 000 hPa以下，低壓中心位于 106°E、30°N附近，中心氣壓降至994.6 hPa。31日，地面熱低壓向南發(fā)展，中心逐漸南壓到30°N以南。熱低壓控制地區(qū)為晴到多云天氣。31日夜間，熱低壓北界南壓到32°N附近，中心位于四川東南部—重慶，此后受冷空氣影響，地面熱低壓減弱，夜間四川北部出現(xiàn)陣性降水，4月1日冷鋒進(jìn)入四川，熱低壓北界南退到貴州，午后川南出現(xiàn)大片雷雨區(qū)，傍晚開始熱低壓繼續(xù)減弱南退，自北向南影響貴州。1日夜間熱低壓消亡。

本文只討論第一時(shí)段3月29日08時(shí)-3月31日08時(shí)西南熱低壓的形成初期和成熟期。

3 方案簡(jiǎn)介及檢驗(yàn)

3.1 計(jì)算方案及資料說明

本文采用雙向嵌套網(wǎng)格對(duì)這次過程進(jìn)行模擬研究。模式區(qū)域在垂直方向分35層，兩重區(qū)域的水平格點(diǎn)數(shù)分別為：粗網(wǎng)格d01格點(diǎn)數(shù)為80×80，水平格距為45 km;細(xì)網(wǎng)格d02格點(diǎn)數(shù)為121×136，相應(yīng)的水平格距為15 km。采用分辨率為1°×1°，時(shí)間間隔為6h的NCEP實(shí)時(shí)分析資料作為背景場(chǎng)。由于整個(gè)過程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，控制試驗(yàn)僅模擬熱低壓的形成過程，模擬時(shí)間為2003年3月29日08時(shí)-3月31日08時(shí)，每3 h輸出一次。控制試驗(yàn)物理過程方案為：微物理過程采用WSM 3-class簡(jiǎn)單冰相方案，長(zhǎng)波輻射為rrtm方案，短波輻射為Duddard方案，邊界層為YSU方案，積云參數(shù)化方案為new Eta方案。

為了討論地形和輻射作用對(duì)熱低壓生成發(fā)展的影響，利用WRF模式進(jìn)行了4種試驗(yàn)，方案如表1所示。

表1 模式試驗(yàn)方案

3.2 控制試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果檢驗(yàn)

由于3月29日08時(shí)-3月31日08時(shí)西南區(qū)域天氣晴好，無降水，而研究對(duì)象是地面低壓，故用海平面氣壓場(chǎng)進(jìn)行模式檢驗(yàn)。通過與客觀分析的實(shí)況海平面氣壓場(chǎng)的比較，可以看到模式成功模擬出了西南地區(qū)的地面熱低壓。積分24 h內(nèi)，模擬出的低壓強(qiáng)度同實(shí)況基本一致，低壓范圍也同實(shí)況非常一致，只是模擬出的低壓中心比實(shí)況稍微偏北(圖1)。模式積分的后24 h，模擬的低壓位置和范圍同實(shí)況基本一致，模擬的低壓強(qiáng)度比實(shí)況弱6 hPa(圖略)。通過對(duì)比表明，WRF模式模擬出了此次地面熱低壓，其位置和強(qiáng)度與實(shí)況基本一致。利用中尺度模式模擬此次熱低壓過程是可行的，可以利用模擬結(jié)果進(jìn)一步分析。

圖1 2003-03-30 T 08(北京時(shí))海平面氣壓場(chǎng)比較a：客觀分析場(chǎng)，b：模式積分24h(細(xì)網(wǎng)格)(單位：hPa)

4 西南熱低壓發(fā)生發(fā)展的模擬分析

4.1 水平風(fēng)場(chǎng)變化和垂直結(jié)構(gòu)

地面觀測(cè)表明，西南熱低壓生成時(shí)水平流場(chǎng)表現(xiàn)為明顯的氣旋性輻合流場(chǎng)，水平半徑約為100 km，29日14時(shí)低壓位于川中，20時(shí)低壓繼續(xù)發(fā)展，低壓中心位于29°N、105°E附近。從模擬結(jié)果來看，積分12 h 900 hPa上空開始出現(xiàn)氣旋性環(huán)流，低壓中心位于29°N、105°E附近，模擬的低壓中心生成位置同實(shí)況較為一致。進(jìn)一步利用模擬場(chǎng)分析，積分15 h，950-750 hPa的上空開始出現(xiàn)氣旋性環(huán)流。由此推斷低壓生成初期垂直伸展范圍達(dá)2 700 m。隨著低壓的進(jìn)一步發(fā)展，積分27 h低壓頂伸展到達(dá)700 hPa的中空。低壓環(huán)流中心軸線基本垂直(圖2)。西南熱低壓四周的水平風(fēng)速比較均勻(圖略)。低壓南側(cè)和東側(cè)是來自印度地區(qū)的西南季風(fēng)或越赤道氣流轉(zhuǎn)變的西南季風(fēng)?？梢姶舜螣岬蛪哼^程垂直伸展到700 hPa，低壓中心基本是垂直向上發(fā)展。

由模擬的西南熱低壓環(huán)境風(fēng)垂直切變圖(圖3)可以看到，低壓中心處于環(huán)境風(fēng)垂直切變零線附近。低壓剛生成時(shí)，在低壓中心南北兩側(cè)的緯向風(fēng)垂直切變大小基本相等，西側(cè)的經(jīng)向風(fēng)垂直切變較大，而在低壓東側(cè)經(jīng)向風(fēng)的垂直切變較小，在低壓生成時(shí)，低壓中心略向偏東方向移動(dòng)。低壓繼續(xù)發(fā)展，零線位置少動(dòng)，零線附近的正負(fù)差值趨于相等，因此低壓基本是在原地發(fā)展。

4.2 渦散場(chǎng)發(fā)展變化

圖4 是沿?zé)岬蛪荷芍行?29°N、105°E)的渦散場(chǎng)時(shí)間變化圖。熱低壓在生成發(fā)展過程中，都是強(qiáng)的正相對(duì)渦度，且正相對(duì)渦度伸展到對(duì)流層頂。地面熱低壓生成后，正相對(duì)渦度隨時(shí)間增強(qiáng)，當(dāng)950 hPa上空出現(xiàn)低壓環(huán)流時(shí)(積分15 h)正相對(duì)渦度在850 hPa上空達(dá)到最大，29日夜間正相對(duì)渦度隨時(shí)間減小，30日午后正渦度又開始增強(qiáng)，最大中心在800 hPa，這與熱低壓夜間減弱、白天特別是午后加強(qiáng)的日變化觀測(cè)事實(shí)相一致。從散度隨時(shí)間的變化可以看到在積分12 h，邊界層輻合最強(qiáng)，此時(shí)熱低壓恰處于發(fā)展階段。

4.3 溫濕場(chǎng)發(fā)展變化

由低壓中心相對(duì)濕度和溫度距平隨時(shí)間的變化圖(圖5)可以看到，白天相對(duì)濕度較低，特別是在近地面層，相對(duì)濕度低于60%，空氣較干燥，夜間相對(duì)濕度雖有所增加，也僅達(dá)到70%。低壓生成時(shí)，可以清楚的看到是暖心結(jié)構(gòu)，暖中心位于850 hPa附近，溫度正距平達(dá)3℃，高空是冷心結(jié)構(gòu)，夜間近地面層變?yōu)樨?fù)距平，這從另一方面反映出熱低壓的日變化特征。

圖4 模擬的沿低壓中心(29°N、105°E)的渦度(實(shí)線，單位：10-5s-1)和散度(虛線，單位：10-5s-1)隨時(shí)間的變化

圖5 模擬的沿低壓中心(29°N、105°E)相對(duì)濕度

5 西南熱低壓形成原因的可能性探討

5.1 南支槽的作用

這次地面熱低壓生成、發(fā)展期間，孟灣有南支槽穩(wěn)定維持，槽前的西南氣流和槽前輻散，在向東傳播過程中，受云貴高原東部的低洼地形的作用，造成了局地的降壓和低層的輻合上升，西南氣流帶來局地的暖平流，有利于地面低壓的生成。圖6是模式積分12 h和30 h的500 hPa風(fēng)場(chǎng)和暖平流。95°E的南支槽較為穩(wěn)定，槽前的西南氣流不斷的給西南地區(qū)帶來較強(qiáng)的暖平流。850 hPa在西南地區(qū)也有明顯的暖平流作用(圖略)。

5.2 輻射對(duì)低壓生成的作用

利用數(shù)值模式，在物理過程中關(guān)閉了長(zhǎng)波輻射和短波輻射(方案2)，模擬結(jié)果顯示，方案2也能模擬出地面熱低壓，地面低壓的強(qiáng)度和位置與控制試驗(yàn)接近。試驗(yàn)2模擬顯示低壓的伸展高度也能到達(dá)750 hPa，但低壓向上伸展的時(shí)間試驗(yàn)2比控制試驗(yàn)要晚。850 hPa上空，控制試驗(yàn)在積分15 h后出現(xiàn)低壓環(huán)流，試驗(yàn)2是在積分18 h后出現(xiàn)低壓環(huán)流，積分45 h后，試驗(yàn)2中低壓環(huán)流開始減弱，并東移，積分48 h，減弱為東西向切變線;而控制試驗(yàn)仍在原地維持低壓環(huán)流?？刂圃囼?yàn)中750 hPa在積分12 h后出現(xiàn)低壓環(huán)流，而試驗(yàn)2在積分27 h后才出現(xiàn)低壓環(huán)流，試驗(yàn)2比控制試驗(yàn)晚了15 h。與850 hPa的情況相同，750 hPa試驗(yàn)2在積分后期低壓東移減弱，而控制試驗(yàn)繼續(xù)在原地發(fā)展。

圖6 模擬的500 hPa風(fēng)場(chǎng)和溫度平流(實(shí)線，單位：10-5s-2)a：積分12 h;b：積分30 h

試驗(yàn)2表明模式中關(guān)閉輻射與否對(duì)熱低壓的生成影響很小。輻射對(duì)熱低壓的生成時(shí)所起作用不明顯。在熱低壓生成初期，與熱力因素相比，對(duì)其形成起主要作用的是特殊地形的動(dòng)力作用。但熱低壓的強(qiáng)度、伸展高度、發(fā)展和維持與輻射有重要關(guān)系。在其發(fā)展和維持階段，太陽輻射和大氣輻射為系統(tǒng)提供了能量，使其得以維持和發(fā)展。這是因?yàn)榇髿庵心骋粴鈱拥臍怏w吸收來自地表面及其下層大氣放射的輻射，通過每一氣層的吸收和發(fā)射作用，來自地表面和下層大氣的輻射逐層向上傳輸。地面低壓生成后，從大氣和太陽中吸收輻射能量，能夠向上空發(fā)展，并得以維持。因此，輻射有利于低壓的進(jìn)一步發(fā)展和維持。

5.3 地形對(duì)低壓生成的作用

圖7 積分48h 850 hPa流場(chǎng)a：方案2;b：控制試驗(yàn)

西南地區(qū)地處青藏高原東部，具有特殊的地形特點(diǎn)，包括了四川盆地和云貴高原，地形切割強(qiáng)烈、波狀起伏、差異大。海拔從3 000～100 m左右。特殊的地形因子，對(duì)低壓的形成起著重要的作用。前面分析指出，本次系統(tǒng)低壓中心位于四川盆地南部(其海拔高度在800 m以下)，由于青藏高原的存在，氣流過山，氣壓下降，容易形成氣旋。那么，除了青藏高原外，云貴高原地形是否對(duì)低壓的生成有貢獻(xiàn)呢?為此，設(shè)計(jì)了3個(gè)敏感性試驗(yàn)。試驗(yàn)3將模式中川西高原和云貴高原的大部地區(qū)地形高度降為500 m，與四川盆地海拔高度相同，其它物理過程同控制試驗(yàn)。這樣，原本海拔為1 500 m以上的云貴高原西部和川西高原變?yōu)?00 m，從青藏高原向東就成為了大范圍的盆地。試驗(yàn)4和試驗(yàn)5同樣也是使西南地區(qū)的地形一定程度降低。試驗(yàn)4中地形降低后，貴州中東部大部地區(qū)地形高度降低為500 m，西部地形為1 000～1 500 m，四川東部和云南中東部地形也有一定降低;試驗(yàn)5中地形降低后，貴州、重慶、四川東部都變?yōu)榕璧兀匦胃叨鹊陀?00 m，云南地形有較大程度降低，云貴高原消失。

圖8 積分33 h的海平面氣壓(單位：hPa)a：試驗(yàn)3，b：試驗(yàn)4，c試驗(yàn)5

從試驗(yàn)3的結(jié)果來看，當(dāng)西南地區(qū)大部地形降為500 m時(shí)后，西南地區(qū)仍有地面低壓生成，其生成時(shí)間與控制試驗(yàn)一致，但低壓的位置與控制試驗(yàn)就有很大的差異。控制試驗(yàn)中熱低壓是在四川東南部生成、發(fā)展，最終控制云貴渝大部地區(qū)，低壓中心是在重慶和貴州之間。試驗(yàn)3地面低壓生成的位置向西南移動(dòng)到了102°E、28°N，處于青藏高原向盆地過渡，及其云南西部的高原向盆地過渡的地方。低壓位置的移動(dòng)表明，云貴高原的地形阻擋，使得地面熱低壓能夠在川東南、重慶到貴州北部的地方生成和發(fā)展能到達(dá)750 hPa，但積分24 h后，750 hPa上空才出現(xiàn)低壓環(huán)流，維持較短時(shí)間后，低壓環(huán)流消失，積分30 h后轉(zhuǎn)為繞過高原的偏西北氣流，850 hPa上空在積分21 h后出現(xiàn)低壓環(huán)流，積分33 h后，低壓環(huán)流消失。試驗(yàn)4設(shè)計(jì)為西南地區(qū)大部地形高度降為原來的0.7，試驗(yàn)結(jié)果顯示積分6 h后地面低壓生成，低壓中心位置在105°E、30°N，低壓強(qiáng)度和范圍與控制試驗(yàn)差異不大，850 hPa在積分18 h后出現(xiàn)低壓環(huán)流，750 hPa在積分36 h后出現(xiàn)低壓環(huán)流，低壓環(huán)流出現(xiàn)的時(shí)間比控制試驗(yàn)晚3 h，但生成的地點(diǎn)位于川北，比控制試驗(yàn)偏北2個(gè)緯度左右。試驗(yàn)5設(shè)計(jì)為西南地區(qū)大部地形高度降為原來的0.3，地形高度更低，結(jié)果顯示在積分9 h后西南地區(qū)地面出現(xiàn)低壓，中心位置在104°E、31°N，此低壓僅維持6 h就消失了，該低壓很淺薄，僅出現(xiàn)在近地面，850 hPa上空沒有出現(xiàn)低壓環(huán)流，到積分30 h的時(shí)候，在104°E、31°N附近又出現(xiàn)了低壓，出現(xiàn)地點(diǎn)是地形改變后的高原向低洼地帶過渡的地方，這個(gè)低壓可能是由地形引起的渦旋。試驗(yàn)5的結(jié)果明顯與試驗(yàn)3和試驗(yàn)4有很大差異。綜上所述，試驗(yàn)3和試驗(yàn)4在低壓的生成時(shí)間上與控制試驗(yàn)比較一致，但低壓的生成地點(diǎn)與控制試驗(yàn)比較有差異;試驗(yàn)3和試驗(yàn)4在低壓的發(fā)展高度和時(shí)間上與控制試驗(yàn)有差異;伸展高度上都與控制試驗(yàn)有較大差異。地形敏感性試驗(yàn)表明，云貴高原的地形和高度對(duì)低壓的生成以及低壓的維持和發(fā)展起著重要作用。這可能是因?yàn)槿绻麤]有云貴高原的阻擋，低壓南側(cè)的西南氣流過強(qiáng)，無法形成氣旋性環(huán)流。

6 小結(jié)

①西南熱低壓生成時(shí)水平流場(chǎng)表現(xiàn)為明顯的氣旋性輻合流場(chǎng)，低壓環(huán)流中心軸線隨高度的變化基本垂直。低壓生成后，在原地發(fā)展，并且是從地面向低空逐漸發(fā)展起來的。低壓在生成發(fā)展過程中都是強(qiáng)的正相對(duì)渦度，正相對(duì)渦度也有日變化，白天相對(duì)渦度隨時(shí)間加強(qiáng)，夜間減弱。

②熱低壓控制下，地面相對(duì)濕度較低，呈暖心結(jié)構(gòu)。

③南支槽前的西南氣流和槽前輻散，在向東傳播過程中，受云貴高原的地形阻擋，造成了局地的增溫降壓和低層的輻合上升，西南氣流帶來局地的暖平流，引起地面的降壓，有利于熱低壓的生成。

④關(guān)閉輻射方案的敏感性試驗(yàn)表明，熱低壓的強(qiáng)度、伸展高度、發(fā)展和維持與太陽輻射有重要關(guān)系。

⑤地形敏感性試驗(yàn)表明，云貴高原的地形阻擋和特定的地形高度，使得地面熱低壓能夠在西南地區(qū)生成和發(fā)展起來，并得以維持。

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A Numerical Test and Analysis on the Forming Process of the Southwest Heat Low Pressure

YANG Jing1，LEI Yun2
(1 Guizhou Meteorological Observatory，Guiyang 550002;
2.Guizhou Meteorological Bureau，Guiyang 550002)

Taking a typical southwest heat low from 29th Mar.to 1st Apr.as a case study，through numerical experiment，a successful stimulated low is gotten for better understand of the southwest heat low.The results show that horizontal flow field is cyclonic convergence when the southwest heat low forming.The central axis of heat low is vertical with the change of height.The heat low develop in local place.There is strong positive vorticity and low relative humidity during the process of development.Southwest heat low is warm low.The different numerical experiments are carried out.The forming reason of southwest heat low is explored based on sensitivity experiments.

southwest heat low;forming process;numerical stimulated experiment

P435

A

1003-6598(2011)03-0001-06

2011-02-25

楊靜(1978-)，女，工程師，主要從事短期天氣預(yù)報(bào)工作。

*資助課題：中國氣象局氣象新技術(shù)推廣項(xiàng)目預(yù)報(bào)員專項(xiàng)(CMAT2006Y11)。