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1 第 39 卷第 6 期 2015 年 11 月大气科学 Vol. 39 No. 6 Nov 董元昌, 李国平大气能量学揭示的高原低涡个例结构及降水特征 [J]. 大气科学, 39 (6): Dong Yuanchang, Li Guoping The structure and precipitation characteristics of typical Tibetan Plateau vortices as revealed by energy analysis [J]. (in Chinese), 39 (6): , doi: /j.issn 大气能量学揭示的高原低涡个例结构及降水特征董元昌李国平成都信息工程大学大气科学学院, 成都摘要从能量角度分析了发生于 2010 年 7 月 21~25 日的一次高原低涡天气过程及降水特征定量讨论了高原低涡发展不同阶段显热能潜热能和对流有效位能 (CAPE) 的时空分布特征以及各能量分量变化的原因发现 : (1) 显热能在高原低涡生成初期是总能量变化的主导因素, 潜热能则在高原低涡东移下坡之后对总能量的变化起主要作用 ;(2) 潜热能的空间分布证实高原低涡在成熟阶段出现与台风类似的螺旋结构 ;(3) 标准化对流有效位能 (NCAPE) 在高原低涡发展最强盛时呈现明显的空心结构 ;(4) 高原低涡的降水主要分布在低涡中心的东南侧或南侧, 这与高原低涡的环流以及能量分布特征有密切关系关键词高原低涡能量分析降水分布螺旋带空心结构文章编号 (2015) 中图分类号 P443 文献标识码 A doi: /j.issn The Structure and Precipitation Characteristics of Typical Tibetan Plateau Vortices as Revealed by Energy Analysis DONG Yuanchang and LI Guoping School of Atmospheric Sciences, Chengdu University of Information Technology, Chengdu Abstract A precipitation case caused by the Tibetan Plateau Vortex (TPV) process that occurred during July 2010 is investigated by means of energy analysis. This paper focuses on the characteristics of distribution and the reasons for the changes of apparent energy, latent energy, and Convective Available Potential Energy (CAPE) during the TPV s different development periods. The main results are as follows: (1) Apparent energy is responsible for the changes of total energy at the beginning, while latent energy is the main reason in the later development period; (2) The spiral structure of latent energy in the mature stage of the TPV is very clear, which can indicate the degree of development of the TPV; (3) Normalizing the CAPE values by the depth over which the integration takes place provides an index (NCAPE) that presents a clear hollow structure during the TPV s strong period; (4) Precipitation related to the TPV is mainly distributed in the southeast or south of the vortex center, which has a close relationship with the TPV s circulation and energy distribution characteristics. Keywords Tibetan Plateau vortex, Energy analysis, Precipitation distribution, Spiral band, Hollow structure 收稿日期 ; 网络预出版日期资助项目国家自然科学基金项目 , 国家重点基础研究发展计划 (973 计划 ) 项目 2012CB417202, 公益性行业 ( 气象 ) 科研专项项目 GYHY 作者简介董元昌, 男,1989 年出生, 主要从事天气动力学高原气象研究 @qq.com 通讯作者李国平, liguoping@cuit.edu.cn

2 6 期 No. 6 董元昌等 : 大气能量学揭示的高原低涡个例结构及降水特征 DONG Yuanchang et al. The Structure and Precipitation Characteristics of Typical Tibetan Plateau Vortices as 引言高原低涡是青藏高原地区特有的浅薄涡旋系统常给高原及下游地区带来暴雨等灾害性天气刘富明和洑梅娟 (1986) 统计研究发现高原低涡全年均可发生发展, 但夏半年尤其在 6~9 月多发虽然能够移出青藏高原的高原低涡数量很少, 但一旦移出高原, 将会给高原周边地区带来明显的降水过程 ( 罗四维,1989; 杨伟愚等,1990; 罗四维等,1993; 钱正安和焦彦军,1997) 与热带气旋不同, 高原低涡是比较浅薄的能量系统孙国武等 (1989) 提出高原低涡是一动能的准封闭系统, 且原地生消和东移发展的高原低涡具有不同的动能收支过程杨洋和罗四维 (1992) 定量分析指出积云和乱流造成总能量的垂直输送对高原低涡的发展极为重要同时, 高原低涡的生命过程对大尺度环境场下垫面等外部因素具有很强的依赖性 ( 孙国武等,1987; 丁治英等,1994) 此外, 罗四维和杨洋 (1992) 陈伯民等(1996), 宋雯雯和李国平 (2011) 对高原低涡过程的数值模拟表明 : 感热在高原低涡初生阶段起主要作用, 潜热则在其后的发展过程中起主导作用本文选取 2010 年 7 月 21 日到 25 日的高原低涡个例 ( 以下简称 7.21 高原低涡 ), 并选取 2005 年 5 月 1 日到 4 日的高原低涡个例 ( 以下简称 5.1 高原低涡 ) 作为验证个例, 以过去高原低涡研究中不多见的能量分析视角, 计算了此次高原低涡不同发展阶段各能量分量的时空分布特征, 讨论了能量变化原因及其对高原低涡演变的影响, 进一步揭示了高原低涡在不同发展阶段能量的分布及变化特点, 并探讨了能量分布影响高原低涡降水的可能机制 2 数据和方法根据青藏高原气象科学研究拉萨会战组 (1981) 对高原低涡的定义, 并参考李跃清等 (2012) 青藏高原低涡切变线年鉴以确定 7.21 高原低涡的中心位置强度以及东移路径, 进而计算高原低涡东移过程中不同阶段的能量变化资料主要有 :(1) 美国 NCEP FNL 小时一次再分析资料 ;(2) 中国气象科学数据共享服务网提供的中国地面降水日值格点数据集 (V2.0)( 以下简称格点降水资料 );(3) 中国国家级地面气象站逐小时降水数据集 ( 以下简称站点降水资料 );(4) 欧洲中心 ERA-Interim 小时一次温度位势高度相对湿度资料 ;(5)2010 年 7 月 24 日新一代天气雷达每 6 分钟的反射率拼图资料 ;(6)FY-2E 逐小时红外黑体辐射亮温 (Temperature of Black Body, 简称 TBB) 资料单位质量湿空气总能量 ( 也称总比能 ) 的计算公式 ( 雷雨顺,1986) 为 1 2 E = cpt + gz + ql+ V, (1) 2 其中,c p 为干空气定压比热,T 为绝对温度,g 为重力加速度,Z 为海拔高度,L 为凝结潜热,q 为比湿公式右端分别为显热比能 ( 下简称显热能 ) 位能潜热比能 ( 下简称潜热能 ) 和动能视水汽汇 Q 2 表示单位时间内单位质量水汽凝结释放热量引起的大气增温率, 计算公式为 q q Q2 = L( + V q+ ω ) = Q2t + Q2h + Q2 ω,(2) t p 式中, 下标 t h 和 ω 分别代表时间变化项平流项和垂直输送项,Q 2 /c p 为干燥率高原低涡的环流形势与温湿场 3.1 低涡概况 7.21 高原低涡于 2010 年 7 月 21 日 ( 协调世界时, 下同 ) 生成于青海曲麻莱地区生成后向东北方向移出高原, 后又迂回移入高原先后经过青海甘肃宁夏陕西四川西藏, 于 7 月 26 日消亡于青海南部地区 ( 图 1a) 高原低涡生成初期中心强度为 5810 gpm, 在向东北移出高原时, 中心强度减弱 22 日 00 时移到甘肃, 中心强度降低为 5830 gpm, 并转向东南方向移动, 在 23 日 12 时低涡转向西南移动,25 日 00 时低涡重新进入高原在低涡向西南移过程中, 低涡中心强度先增强,24 日 00 时最低为 5800 gpm, 随后减弱,25 日 00 时进入高原时中心强度为 5830 gpm 26 日 00 时中心强度减弱为 5850 gpm, 随后消失受其影响, 四川湖北湖南陕西河南甘肃宁夏地区降暴雨到大暴雨, 降水日数 2~5 天有 4 处 ( 图 1a 中标注 A B C D)100 mm 以上大暴雨区域 ( 图 1a), 其中 1 个 400 mm 以上的特大暴雨中心西藏青海安徽山东山西重庆贵州等部分地区也降了小到中雨四大降水区降水的出现有明显先后

大气科学 1138 39 卷 Vol. 39 次序且与高原低涡东移过程中位置远近有关 3.2 500 hpa 环流场及低涡温湿场 3.2.1 500 hpa 环流 7 月 21 日 00 时图 2a 高原低涡生成初期环境温度较高但没有明显的暖中心结构由于地面感热对大气的加热作用与气团距离下垫面高度的关系以及西高东低的地形特点使得同样在 500 hpa 等压面上高原主体地区要比高原东部大图 1 a 7.

21 (hollow circle: generation location, refreshed every 12 hours) and four extreme precipitation centers ( 100 mm); (b) hourly precipitation in the four special regions (units: mm) 图 2 500 hpa 高度温度

3 大气科学卷 Vol. 39 次序且与高原低涡东移过程中位置远近有关 hpa 环流场及低涡温湿场 hpa 环流 7 月 21 日 00 时图 2a 高原低涡生成初期环境温度较高但没有明显的暖中心结构由于地面感热对大气的加热作用与气团距离下垫面高度的关系以及西高东低的地形特点使得同样在 500 hpa 等压面上高原主体地区要比高原东部大图 1 a 7.21 高原低涡路径空心圆为生成位置时间间隔为 12 小时及 4 个降水量超过 100 mm 的大值区标注为 A B C D b 四个降水大值中心逐小时降水量单位 mm Fig. 1 (a) Track of the Tibetan Plateau vortex (TPV) named 7.21 (hollow circle: generation location, refreshed every 12 hours) and four extreme precipitation centers ( 100 mm); (b) hourly precipitation in the four special regions (units: mm) 图 hpa 高度温度风场: a 7 月 21 日 00 时; b 7 月 22 日 00 时; c 7 月 24 日 06 时 d 7 月 24 日 18 时实线为等高线单位 gpm 阴影为气温单位 K 风速单位 m s 1 C 为高原低涡中心位置 Fig. 2 The isohypse, temperature, and wind at 500 hpa: (a) 0000 UTC 21 July 2010; (b) 0000 UTC 22 July 2010; (c) 0600 UTC 24 July 2010; (d) 1800 UTC 24 July Solid line: isohypse (units: gpm); shading: temperature (units: K); units of wind speed: m s 1; C represents the center of the Tibetan Plateau vortex (TPV)

4 6 期 No. 6 董元昌等 : 大气能量学揭示的高原低涡个例结构及降水特征 DONG Yuanchang et al. The Structure and Precipitation Characteristics of Typical Tibetan Plateau Vortices as 1139 气温度高出 2~4 K 高原低涡形成初期高度场没有闭合中心, 环境风速较小, 呈气旋性切变说明在高原低涡生成初期, 由于其尺度较小强度较弱, 根据地转适应理论风场是判别其存在的主要依据高原低涡东北部为阻塞高压, 中心强度 5860 gpm, 高原低涡则处于阻塞高压西南侧的横槽中随着此次高原低涡的东移发展,7 月 22 日 00 时 ( 图 2b) A 区大范围降水开始前, 高原低涡已东移到甘肃省境内, 中心强度下降, 但已出现闭合等高线同时, 阻塞高压北移加强, 西太平洋副热带高压 ( 简称西太副高 ) 较高原低涡初生时刻位置更西, 来自南海的水汽沿着西太副高的西部边缘北伸到高原低涡环流以北地区两处高压的存在同时也影响低涡东移的速度,7 月 22 日 00 时至 7 月 25 日 00 时, 由于阻塞高压和西太副高的影响, 高原低涡在甘肃宁夏陕西四川北部地区活动, 移速缓慢四大暴雨区的降水主要发生在此时段低涡温湿场东移型高原低涡的移动路径有较大的海拔落差, 因此高原低涡所处的环境 ( 特别是温湿环境 ) 将发生很大变化显热能和潜热能与大气的温度湿度关系密切为了更好地揭示高原低涡的能量变化原因, 给出了高原低涡不同发展阶段温度湿度距平剖面图 ( 图 3) 距平的计算方法为: 每层各点图 3 基于 NCEP FNL 数据的高原低涡中心的温度湿度距平纬向垂直剖面 :(a)7 月 21 日 00 时 ( 沿 34.5 N);(b)7 月 22 日 00 时 ( 沿 38 N); (c)7 月 24 日 12 时 ( 沿 34 N);(d) (e) (f) 同 (a) (b) (c), 但为欧洲中心 ERA-Interim 数据等值线为温度距平, 单位 :K; C 高原低涡中心位置 Fig. 3 Vertical cross section of temperature anomalies (contours: units: K) and relative humidity positive anomalies for NCEP (National Centers for Environmental Prediction) FNL (Final) data: (a) 0000 UTC 21 July 2010(34.5 N); (b) 0000 UTC 22 July 2010(38 N); (c) 1200 UTC 24 July 2010(34 N). Panels (d f) are the same as (a c), but for ERA-Interim data. C represents the center of the TPV

5 1140 大气科学 39 卷 Vol. 39 减去与其同层同一要素场的平均值由图 3 可看出, 高原低涡生成初期 ( 图 3a d) 在距离地面较近的层中高原低涡中心附近有比较浅薄的大湿度层, 经向湿度呈南湿北干的梯度分布, 大湿度层对应的区域温度较低 ( 图略 ) 可见初生时刻的高原低涡区域温度略低于或等于环境温度, 纬向湿度分布均匀但湿层浅薄这种温湿结构使得高原低涡区域对流较弱, 湿层的水汽不易凝结释放潜热值得注意的是 : 在浅薄的湿度层上方有相当厚度的干暖层, 干暖层的存在一方面限制了高原低涡的垂直发展, 另一方面又有利于低层能量的集聚, 从而在合适的时间爆发 22 日 00 时, 高原低涡东移到甘肃省中部大湿度区向东倾斜, 且厚度加大, 上层的干暖层也随之倾斜加厚 ( 图 3b e), 此时干暖层对高原低涡温湿垂直结构的抑制作用较为明显经向剖面图上, 较低层 ( 特别是 500 hpa) 经向的湿度梯度大幅增加, 且大湿度区处在温度正距平区域, 表明在接下来的时间内低层的湿空气将开始上升, 这与 A 区开始降水的时间比较一致 24 日 12 时, 高原低涡发展处于成熟时期, 经向和纬向的大湿度区明显增厚, 大湿度中心的湿度比平均值高出 20%~40%, 高原低涡后部的干侵入将其在纬向方向上的湿度中心切割成相对孤立的区域 ( 图 3c f), 这种现象在经向方向上表现得也较为明显之后高原低涡重新移入高原, 湿度层明显变薄 ( 图略 ) 纵观全程, 大湿度区的强弱与高原低涡的发展比较一致大湿度区温度负距平区与其上层的干暖层相互配合可能是抑制高原低涡垂直发展的重要因素 4 能量分布与演变从数值上看, 显热能比潜热能大一个量级, 占总比能的绝大部分因为高原低涡在 500 hpa 上表现得最明显, 故选取 500 hpa 等压面对各能量进行分析由表 1 可看出高原低涡在移出高原前后总能量的维持与显热能潜热能的关系 :21 日 00 时到 12 时高原低涡未移出高原, 显热能的变化量占总比能变化量的主要部分相比之下, 潜热能处于相对稳定的状态, 即使有变化也与总比能变化趋势不一致可以认为在高原低涡发展初期, 显热能是影响高原低涡能量系统的主要因素, 而潜热能作用微小 22 日 00 时, 高原低涡完全移出高原, 至 24 日 12 时, 高原低涡都在高原以东缓慢移动可明显看出这期间潜热能的变化占据主导地位, 在近 50 小时的发展过程中, 显热能几乎未发生变化, 潜热能的变化量成了引起总比能变化的主要因素对比 5.1 高原低涡过程可以得出相同结论 ( 表 2) 表高原低涡过程 21 日 00 时到 24 日 12 时高原低涡中心各能量分量的变化量 ( 单位 :J kg 1 ) Table 1 The energy changes in the central area of the TPV named 7.21 during 0000 UTC 21 July to 1200 UTC 24 July 2010 (units: J kg 1 ) 时间总比能变化显热能变化潜热能变化 21 日 00 时日 06 时日 12 时日 18 时日 00 时日 06 时日 12 时日 18 时日 00 时日 06 时日 12 时日 18 时日 00 时日 06 时日 12 时表高原低涡过程 2005 年 1 日 12 时到 4 日 00 时高原低涡中心各能量分量的变化量 ( 单位 :J kg 1 ) Table 2 The energy changes in the central area of the TPV named 5. 1 during 1200 UTC 1 May to 0000 UTC 4 May 2005 (units: J kg 1 ) 时间总比能变化显热能变化潜热能变化 1 日 12 时日 18 时日 00 时日 06 时日 12 时日 18 时日 00 时日 06 时日 12 时日 18 时日 00 时显热能显热能主要体现的是空气团的温度和湿度, 因此可以认为显热能的大值区是暖或湿的气流比较强盛的地区, 其小值区的空气团则比较干燥或低温在高原低涡生成初期 ( 图 4a), 高原低涡中心处于显热能脊区高原地形对显热能的分布影响较

6 6 期 No. 6 董元昌等 : 大气能量学揭示的高原低涡个例结构及降水特征 DONG Yuanchang et al. The Structure and Precipitation Characteristics of Typical Tibetan Plateau Vortices as 1141 图 hpa 显热能场流场 :(a)7 月 21 日 12 时 ;(b)7 月 23 日 00 时 ;(c)7 月 24 日 00 时 ;(d)7 月 24 日 12 时实线为等显热能, 单位 : 10 5 J kg 1 ; C 为高原低涡中心位置 Fig. 4 The apparent heat energy and flow field at 500 hpa (contours, units: 10 5 J kg 1 ): (a) 1200 UTC 21 July 2010; (b) 0000 UTC 23 Jul 2010; (c) 0000 UTC 24 July 2010; (d) 1200 UTC 24 July C represents the center of the TPV 大, 高原主体为高能区, 高原边缘则有明显的能量梯度这说明在生成初期, 高原大地形为高原低涡提供了高温高湿的环境 23 日 00 时, 低涡中心处于宁夏南部 ( 图 4b), 显热能首次在低涡中心的西南部出现明显的低值中心 24 日 00 时至 24 日 12 时, 高原低涡中心区显热能闭合中心进一步扩大, 直至发展到中心值最低, 近似圆形的对称分布结构 ( 图 4c d) 本文第 3 节曾指出, 高原低涡在东移发展过程中, 湿度场和温度场分布是不同步的 : 低涡以东低温高湿, 低涡以西高温低湿这种温湿场配置是形成显热能场围绕低涡中心形成对称分布的主要原因 4.2 潜热能宋雯雯和李国平 (2011) 研究表明 : 潜热是影响高原低涡维持和结构演变的主导因素潜热能的大值区表明相关区域易发生水汽凝结自高原低涡移出高原起, 低涡中心一直处于潜热能经向梯度大值区, 其东南部一直是潜热能的大值地带, 这与高原低涡的主要降水方位吻合 ( 图略 ) 前面分析指出, 潜热能在高原低涡下高原之后主导了其总比能的变化趋势同时高原低涡的主要降水时段也发生在低涡下高原之后与显热能的对称分布不同, 潜热能在高原低涡下高原初期一直呈南高北低分布, 并在高原低涡发展的强盛时期, 出现了类似台风云系的螺旋分布结构 ( 图 5) 由图可看出 :24 日 00 时 ( 图 5a) 高原低涡东南方向的潜热能大值区开始随低涡环流向高纬度延伸, 形成一条潜热能大值带, 有围绕高原低涡中心呈气旋式向内旋入态势 24 日 06 时, 潜热能大值带变长变窄, 前端也更靠近低涡中心同时低涡的西南部出现潜热能低值区 24 日 12 时, 潜热能大值带断开, 呈现多个椭圆状大值中心, 但螺旋结构明显, 大值中心的最前端已旋入到低涡中心的西南方向之前出现的潜热能低值区在大潜热能带的内侧同时向低涡中心旋入, 呈现一大值一小值的双层潜热能螺旋分布结构 24 日 18 时, 螺旋结构上的大小值中心开始缩小断裂, 螺旋结构逐渐消失 ( 图 5d) 至此, 潜热能的螺旋结构从开始形成到消失前后大约历时 18 小时这一时段也是高原低涡从最强盛逐渐减弱的时段李玉兰 (1982) 韩瑛和伍荣生 (2007) 分析了台风螺旋云系的形成过程并指出这种螺旋结构可以指示其发展到成熟阶段, 而高原低

7 1142 大气科学 39 卷 Vol. 39 涡也可以呈现与台风类似的螺旋结构 Chen and Li, 2014 因此与和台风的螺旋云系预示台风发展到强盛阶段类似潜热能的螺旋结构在一定程度上也可以表示高原低涡的发展达到成熟状态对比 5.1 高原低涡过程图 5e h 发现由于缺乏相应流场和高度场环境其潜热能的螺旋结构形成过程不太明显仅在发展的最旺盛时期有类似的结构图 5h 且持续时间较短本文将在第 5 节详细说明潜热能螺旋结构形成的特殊条件潜热能螺旋带并未出现与之对应分布的降水图 hpa 潜热能场流场 a 2010 年 7 月 24 日 00 时 b 2010 年 7 月 24 日 06 时 c 2010 年 7 月 24 日 12 时 d 2010 年 7 月 24 日 18 时 e 2005 年 5 月 3 日 06 时 f 2005 年 5 月 3 日 12 时 g 2005 年 5 月 3 日 18 时 h 2005 年 5 月 4 日 00 时实线为等潜热能单位 103 J kg 1 Fig. 5 The latent heat energy (contours, units: 103 J kg 1) and flow field at 500 hpa: (a) 0000 UTC 24 July 2010; (b) 0600 UTC 24 July 2010; (c) 1200 UTC 24 July 2010; (d) 1800 UTC 24 July 2010; (e) 0600 UTC 3 May 2005; (f) 1200 UTC 3 May 2005; (g) 1800 UTC 3 May 2005; (h) 0000 UTC 4 May 2005

上干燥率 (Q 2 /c p) 分布 ( 单位 :K d 1 );(c)24 日 12 时 500 hpa 相对涡度 ( 单位 :10 5 s 1 ) 实线为 500 hpa 的等高线 ( 单位 :gpm) Fig.

July 2010 (units: K d 1 ); (c) relative vorticity at 500 hpa at 1200 UTC 24 July 2010 (units: 10 5 s 1 ).

6c) 综上, 潜热能螺旋结构可能是由动力作用引起的旋转上升运动导致一定区域内水汽凝结, 释放潜热加热大气而形成影响 500 hpa 高度上潜热能大小的因素很多, 与垂直运动关系尤为密切 24 日 00 时, 由过低涡中心的纬向剖面图可以看出, 低涡中心 (106 E)

同时对应区域的垂直运动明显变弱 ( 图 7d) 这进一步证实了垂直运动对潜热能变化的作用, 也印证了上文潜热能螺旋结构形成的原因分析 4.

附近,NCAPE 的分布围绕高原低涡中心呈近乎圆形的对称分布, 且有明显的圆形空心结构 ( 图 8a), 低涡中心周围出现环状多云区 ( 图 8c), 与 NCAPE 分布类似, 都在低涡中心东北侧出现缺口, 但全云量图上的西北侧和南侧 (NCAPE 大值区 ) 出现了与 NCAPE 不匹配的缺口,

8 6 期 No. 6 董元昌等 : 大气能量学揭示的高原低涡个例结构及降水特征 DONG Yuanchang et al. The Structure and Precipitation Characteristics of Typical Tibetan Plateau Vortices as 1143 图 6 (a)24 日 12 时前后共 10 小时累计降水 ( 单位 :mm);(b)24 日 12 时 500 hpa 上干燥率 (Q 2 /c p) 分布 ( 单位 :K d 1 );(c)24 日 12 时 500 hpa 相对涡度 ( 单位 :10 5 s 1 ) 实线为 500 hpa 的等高线 ( 单位 :gpm) Fig. 6 (a) Accumulated precipitation during UTC 24 July 2010 (units: mm); (b) distribution of aridity index (Q 2 /c p ) at 500 hpa at 1200 UTC 24 July 2010 (units: K d 1 ); (c) relative vorticity at 500 hpa at 1200 UTC 24 July 2010 (units: 10 5 s 1 ). Solid lines represent 500-hPa isohypse (units: gpm) 带 ( 图 6a), 反而有些区域的降水偏少且均匀, 但有明显的 Q 2 大值区域 ( 图 6b) 且分布与螺旋带较为相似这说明螺旋区存在明显的水汽凝结现象, 同时涡度图上也有类似螺旋状的分布 ( 图 6c) 综上, 潜热能螺旋结构可能是由动力作用引起的旋转上升运动导致一定区域内水汽凝结, 释放潜热加热大气而形成影响 500 hpa 高度上潜热能大小的因素很多, 与垂直运动关系尤为密切 24 日 00 时, 由过低涡中心的纬向剖面图可以看出, 低涡中心 (106 E) 东侧潜热能等值线在垂直方向上有明显的隆起特征 ( 图 7a), 对应区域大气则呈现一致的上升运动, 水汽凝结使潜热能增大随着高原低涡的发展, 潜热能隆起区域的上升气流不再呈现一致上升, 而是部分上升, 部分下沉的分布且对流大值区上移 ( 图 7b c) 后期高原低涡的潜热能隆起区明显变瘦, 同时对应区域的垂直运动明显变弱 ( 图 7d) 这进一步证实了垂直运动对潜热能变化的作用, 也印证了上文潜热能螺旋结构形成的原因分析 4.3 对流有效位能 (CAPE) Blanchard(1998) 指出 : 标准化对流有效位能 (NCAPE) 能更准确地衡量浅薄对流系统气团的上升能力所谓标准化对流有效位能即将 CAPE 除以其积分厚度 ( 图 8a b), 由图可看出 :24 日 00 时, 低涡中心位于 (37 N, 106 E) 附近,NCAPE 的分布围绕高原低涡中心呈近乎圆形的对称分布, 且有明显的圆形空心结构 ( 图 8a), 低涡中心周围出现环状多云区 ( 图 8c), 与 NCAPE 分布类似, 都在低涡中心东北侧出现缺口, 但全云量图上的西北侧和南侧 (NCAPE 大值区 ) 出现了与 NCAPE 不匹配的缺口, 这说明部分地区并没有合适的触发条件使得 CAPE 得以释放, 从 TBB 图 ( 图 8d) 可以看出 : 低涡中心东侧的云垂直发展较为旺盛, 云顶温度普遍低于 20 C, 西侧云层则较低, 这可能与低涡中心东西两侧干湿程度不同有关以上发现从能量角度印证了 Li and Lu(1996) 李国平等 (2011) 提出的高原低涡在一定发展阶段会出现涡眼或空心结构的结论, 同时说明由热力作用主导的垂直运动是高原低涡动力结构得以维持的重要因素之后高原低涡逐渐移入高原, 中心强度开始下降,NCAPE 比之前时次出现更大面积的大值区, 但高原低涡中心的 NCAPE 分布变得松散, 虽中心仍为 NCAPE 低值, 但较之前已没有明显的圆形空心结构 ( 图 8b) 由 CAPE 的剖面图可知 ( 图略 ),NCAPE 的大小主要是由低层的 CAPE 决定随着高原低涡继续西移, 高原低涡环流西部下垫面逐渐抬升因此高原低涡西部的 NCAPE 首先大幅减小, 随着高原低涡逐渐移上高原, 整个高

9 1144 大气科学 39 卷 Vol. 39 图 7 过低涡中心潜热能纬向剖面图 :(a)7 月 24 日 00 时 ( 沿 36.5 N);(b)7 月 24 日 06 时 ( 沿 36 N);(c)7 月 24 日 12 时 ( 沿 34.5 N);(d)7 月 24 日 18 时 ( 沿 34 N) 实线为等潜热能, 单位 :10 3 J kg 1 ; 风矢量为纬向风与 50 倍垂直风速的合成量 ; 黑色阴影表示地形 Fig. 7 Distribution of latent heat energy in the TPV region: (a) 0000 UTC 24 July 2010 (36.5 N); (b) 0600 UTC 24 July 2010 (36 N); (c) 1200 UTC 24 July 2010 (34.5 N); (d) 1800 UTC 24 July 2010 (34 N). The solid line indicates latent heat energy (units: 10 3 J kg 1 ); the wind vector is a resultant of zonal wind speed and 50 times vertical wind speed; the black shaded indicates the topography 原低涡环流区域 NCAPE 开始变小, 空心结构消失 5 降水与能量分布的关系高原低涡环流通过加强偏南气流在低涡中心东南方向形成的辐合带是降水形成的重要触发条件 ( 田珊儒等,2015) 因此低涡初期的降水落区主要分布在离低涡中心较近的东南侧, 这是低涡降水通常出现的区域低涡降水后期 (7 月 24 日 12 时 ) 降水区出现双弧形分布通过对比不同资料源前后期降水图 ( 图 9d1 d2; 图 9e1 e2) 发现, 虽然因为分辨率关系两种数据反映的降水量有一定差别, 但都能较好地反映出不同时段降水落区的典型特征此次高原低涡降水过程较为复杂, 牵涉到至少三个天气系统之间的相互作用 7 月 24 日 12 时, 由图 9a 可看出 500 hpa 高度场上, 西太副高绕过低涡北部, 其前端 (5880 gpm 线 ) 已接近低涡的西南侧, 形成半包围态势, 阻碍了高原低涡继续东移, 为低涡在陕甘地区长期停留进而引发持续性降水创造了条件同时, 随着位于低涡东北侧阻塞高压的发展加强, 它与低涡之间的气压梯度不断加大, 图 9a 中低涡北侧已出现明显的动能大值中心局地的高动能通过低涡环流的平流作用扩散至整个低涡环流圈, 强化了低涡环流中层风速大于两侧的环流特点副高的半包围分布加上环流中部圈层风速的加大, 使得副高控制区的干暖空气侵入到高原低涡环流中形成干暖侵入由 5.5 km 雷达组网得到的反射率图 ( 图 9b) 可见干暖侵入对强回波区的分割十分明显 : 靠近低涡中心的回波区位于川陕甘交界, 强回波中心比较细碎 ; 远离低涡中心的回波主要分布在河南湖北交界处, 强回波区面积较大且完整两处回波之间约有 400 km 的无回波区同时, 干暖侵入与副高前沿将来自南方的湿空气限制在低涡环流外层一狭长带内, 河南西南部正是水汽带由宽变窄的过渡区, 湿空气强烈的辐合抬升使得此区域水汽大量凝结, 因此形成了喇叭口形状的强回波区相同时刻的 TBB 图上 ( 图 9c) 也可以看出, 此区域对流发展十分旺盛, 出现了大片云顶温度低于 70 C 的区域 TBB 低值中心边缘有较大的水平温度梯度, 说明此处存在较强的风切变 ( 杨祖芳和李伟华,1999), 强烈的风切变是此区

10 6 期 No. 6 董元昌等 : 大气能量学揭示的高原低涡个例结构及降水特征 DONG Yuanchang et al. The Structure and Precipitation Characteristics of Typical Tibetan Plateau Vortices as 1145 图 8 (a)7 月 24 日 00 时高原低涡区 NCAPE 分布 ( 单位 :J kg 1 ) 及 500 hpa 风矢量 ( 单位 :m s 1 );(b) 同 (a), 但为 7 月 24 日 06 时 ;(c)7 月 24 日 00 时 FY-2E 卫星资料全云量 ( 单位 :%), + 号为低涡中心位置 ;(d) 同 (c), 但为红外黑体辐射亮温 ( 单位 : C) Fig. 8 (a) Distribution of NCAPE (Normalizing the CAPE values by the depth over which the integration takes place) in the TPV region (units: J kg 1 ) and the wind vector at 500 hpa (units: m s 1 ) at 0000 UTC 24 July (b) As (a) but for 0600 UTC 24 July (c) Cloud cover at 0000 UTC 24 July 2010 (units: %), the sign + represents the center of the TPV. (d) As (c) but for TBB (Temperature of Black Body) (units: C) 域大范围降水的重要触发条件潜热能与水汽的凝结放热过程紧密相关, 干暖侵入和副高将湿空气挤压在低涡环流外圈的狭长带内, 从而为潜热能螺旋结构的形成提供了有利的水汽分布条件, 这是此次高原低涡过程中潜热能出现明显螺旋结构的必要条件, 也是其他高原低涡过程不易出现这种结构的重要因素 Hoskins et al.(1985) 的研究表明 : 在绝热无摩擦的条件下, 大气有沿等熵面做二维运动的趋势相比于等高面或等压面, 在绝热情况下, 等熵面能更好地反映气流的三维运动特征刘英等 (2012) 通过等熵面诊断东北冷涡冷空气的三维运动, 指出干冷空气的侵入是东北冷涡发展的关键因素由此分析出高原低涡在发展旺盛阶段 (24 日 00 时至 24 日 18 时 )328 K 等熵面上气压场风场相对湿度场 ( 图 10) 的特征 :24 日 00 时, 高原低涡北侧是一东西向的低压槽, 干暖气流由东向西倾泻而下, 并在高原东侧高原低涡西北侧分为南北两支, 其中向南一支顺着高原主体与高原低涡之间密集的等压线迅速从低层 (540 hpa) 上升到 495 hpa 高度, 并由高原低涡的西南侧侵入高原低涡主体需注意, 与高原低涡中心及东部比较, 这股空气干且暖同时, 在高原低涡的西南方向, 干暖空气侵入的前方, 有比较深厚的湿润带, 干暖空气不断爬升, 造成此区域大气的位势不稳定, 这也是此区域出现 CAPE 大值区的主要原因随着时间的推移, 高原低涡与高原主体间的等熵面变得陡峭 ( 图 10b c), 由图 10b 可见, 在一股干暖空气从高原低涡的西南方侵入之后, 并没有强盛的干暖空气继续侵入高原低涡有明显的低压中心, 且等压线呈现近似东西向长轴的椭圆分布, 这种气压分布使得南方北进的高湿气流在河南西南部, 陕西南部呈大

1146 大气科学 39 卷 Vol. 39 图 9 2010 年 7 月 24 日 12 时 (a)500 hpa 动能 ( 彩色阴影 ; 单位 :J) 和位势高度 ( 等值线 ; 单位 :gpm);(b)2010 年 7 月 24 日 12 时地基雷达组网在 5.

11 1146 大气科学 39 卷 Vol. 39 图年 7 月 24 日 12 时 (a)500 hpa 动能 ( 彩色阴影 ; 单位 :J) 和位势高度 ( 等值线 ; 单位 :gpm);(b)2010 年 7 月 24 日 12 时地基雷达组网在 5.5 km 高度的反射率因子 ( 单位 :dbz);(c)2010 年 7 月 24 日 12 时 FY-2E 卫星资料 500 hpa 红外黑体辐射亮温 (TBB)( 单位 : C) (d1) 格点降水资料 2010 年 7 月 23 日 00~06 时累计降水量 ( 单位 :mm);(d2) 同 (d1), 但为站点降水资料 ;(e1) 格点降水资料 2010 年 7 月 24 日 07~ 12 时累计降水量 ( 单位 :mm);(e2) 同 (e1), 但为站点降水资料 Fig. 9 (a) The kinetic energy (units: J) and the geopotential height (units: gpm) at 500 hpa at 1200 UTC 24 July (b) Mosaic reflectivity image (units: dbz) at 5.5 km-height at the same time as (a). (c) The TBB at 500 hpa at the same time as (a). (d1) The accumulated precipitation (units: mm) for the grid precipitation data during UTC 23 July (d2) As in (d1) but for the site precipitation data. (e1) The accumulated precipitation (units: mm) for the grid precipitation data during UTC 24 July (e2) As in (e1) but for the site precipitation data 面积上升运动, 促成离高原低涡中心较远的河南局部地区的强降水充沛的高湿空气沿高原低涡环流的外侧呈气旋性向高原低涡中心迅速旋入, 这样外层高湿气流和内层的干暖空气相伴旋入 ( 图 10c), 加之风压湿场的相互作用, 涡区从内到外呈现冷湿干暖冷湿的结构, 这与 4.2 节得出的高原低涡潜热能具有螺旋结构相一致 6 结论与讨论对 2010 年 7 月 21~25 日发生的一次高原低涡发展过程中的能量分布特征及变化原因进行了分析研究, 并探讨了能量分布与降水的关系, 并辅以一次经典个例进行了验证主要结论如下 : (1) 高原低涡生成初期, 显热能是影响总比能变化的主导因素 ; 高原低涡移出高原之后, 总比能的变化则主要取决于潜热能这种差异可能与青藏高原大地形造就的特殊温湿场以及低涡生成初期冷湿区和干暖层的配置限制了高原低涡的垂直发展有关 (2) 在高原低涡发展的强盛期, 潜热能会出现螺旋结构, 这与台风云系类似螺旋结构的形成既得益于高原低涡环流对水汽的输送方式, 又与涡区大气的垂直运动有密切关系 (3) 高原低涡发展强盛时期, 标准化对流有效

12 6 期 No. 6 董元昌等 : 大气能量学揭示的高原低涡个例结构及降水特征 DONG Yuanchang et al. The Structure and Precipitation Characteristics of Typical Tibetan Plateau Vortices as 1147 图 10 等熵面气压 ( 等值线 ; 单位 :hpa) 相对湿度( 阴影 ; 单位 :%) 风( 箭头 ; 单位 :m s 1 ) 场分布 :(a)7 月 24 日 00 时 ;(b)7 月 24 日 06 时 ;(c)7 月 24 日 12 时 ;(d)7 月 24 日 18 时 Fig. 10 Pressure (contours, units: hpa), relative humidity (shaded; units: %), and horizontal wind vector (arrows, units: m s 1 ): (a) 0000 UTC 24 July 2010; (b) 0600 UTC 24 July 2010; (c) 1200 UTC 24 July 2010; (d) 1800 UTC 24 July 2010 位能 (NCAPE) 场呈现明显的空心结构, 且与低涡环流圈十分吻合这印证了前人对高原低涡垂直结构的动力学分析结果, 从能量角度证明了高原低涡涡眼结构的存在 (4) 高原低涡降水区主要分布在低涡中心的正南或东南方向, 低涡环流东南方向的风切变和南侧的 NCAPE 大值区是导致这种分布的主要原因, 干侵入对高原低涡的降水分布也有影响本文的结论仍是由有限高原低涡个例分析得出的由于高原低涡本身的一些特点 ( 如强度低, 系统浅薄, 多发生在高原水汽不充沛地区, 云系结构松散等 ), 以及目前观测条件和资料分辨率的限制, 低涡的一些特性并不易在每次过程中都被观测到或分析出, 因此高原低涡的能量结构与降水特征的关系值得更深入地研究参考文献 (References) Blanchard D O Assessing the vertical distribution of convective available potential energy [J]. Wea. Forecasting, 13 (3): 陈伯民, 钱正安, 张立盛夏季青藏高原低涡形成和发展的数值模拟 [J]. 大气科学, 20 (4): Chen Bomin, Qian Zhengan, Zhang Lisheng Numerical simulation of the formation and development of vortices over the Qinghai-Xizang Plateau in summer [J]. (in Chinese), 20 (4): Chen Gong, Li Guoping Dynamic and numerical study of waves in the Tibetan Plateau vortex [J]. Advances in Atmospheric Sciences, 31 (1): 丁治英, 刘京雷, 吕君宁 hpa 高原低涡生成机制的个例探讨 [J]. 高原气象, 13 (4): Ding Zhiying, Liu Jinglei, Lü Junning The study for the mechanism of forming QXP-vortex on 600 hpa [J]. Plateau Meteorology (in Chinese), 13 (4): 韩瑛, 伍荣生台风螺旋结构的分析 [J]. 南京大学学报 ( 自然科学版 ),43 (6): Han Ying, Wu Rongsheng On the spiral structure of typhoon [J]. Journal of Nanjing University (Natural Sciences) (in Chinese), 43 (6): Hoskins B J, McIntyre M E, Robertson A W On the use and significance of isentropic potential vorticity maps [J]. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 111 (470): 雷雨顺能量天气学 [M]. 北京 : 气象出版社 Lei Yushun Energy Synoptic Meteorology [M]. Beijing: China Meteorological Press, 李国平, 刘晓冉, 黄楚惠, 等夏季青藏高原低涡结构的动力学研

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km km mm km m /s hpa 500 hpa E N 41 N 37 N 121

km km mm km m /s hpa 500 hpa E N 41 N 37 N 121 32 2 2014 4 Journal of Arid Meteorology Vol. 32 No. 2 Apr 2014. 08. 03 J. 2014 32 2256-262 LU Guirong WANG Wen YU Huaizhenget al. The Influence of Damrey Typhoon on 08. 03 Rainstorm Process in Rizhao of