2017, Vol. 36
2. 中国科学院大学, 北京 100049
雷暴等强对流系统的发生发展不仅和大尺度天气系统强迫有关 (王秀明等, 2012), 同时边界层过程对其也具有重要的影响作用 (赵鸣, 2008; Wilson and Megenhardt, 1997)。大量研究结果显示, 边界层过程通过影响低层大气的动力和热力结构, 形成大气不稳定层结, 使近地层水汽、热量的垂直输送增大, 低层大气辐合上升作用增强, 为强对流天气的发生发展提供了有利条件 (董佩明和赵思雄, 2003; Xu Liren et al, 2000; 陈炯和王建捷, 2006; 张腾飞等, 2006)。水汽和热量经边界层向上输送会改变强对流系统内部的温湿结构, 进而影响强对流系统 (Maddox et al, 1980; 杨显玉等, 2016)。近地层风切变、低空急流等动力过程对于强对流天气形成及降水具有重要影响 (孙莹等, 2008; Ghan et al, 1996), 甚至局地性热雷暴最初是由于局地环流和近地层风切变触发而形成的。并且在合适的大气层结状况和水汽条件下, 边界层辐合线的演变和碰撞与强对流天气的发生发展密切相关 (Wilson and Schreiber, 1986; 王彦等, 2011)。同时在强对流系统过境期间, 大气边界层内风速风向、温度、湿度和气压等气象要素会发生剧烈变化 (姚日升等, 2015), 湍流运动加强以及湍流谱特征与晴天状况也有较大差异, 在不同地区不同类型对流系统的影响下, 大气边界层变化特征也不尽相同 (蒋瑞宾等, 1995; 罗慧等, 2009)。因此, 研究雷暴等强对流系统影响下的大气边界层内湍流特征, 近地面层辐散辐合效应以及感热和水汽输送的变化等, 将有利于进一步了解边界层过程对雷暴强对流系统的影响。
本文利用中国科学院平凉陆面过程与灾害天气观测研究站雷达资料和近地面层观测资料, 研究雷暴强对流系统过境期间边界层过程的变化特征。研究重点是对典型的黄土高原“塬区”地形条件下的湍流特征作了对比分析, 并针对雷暴系统过境前后不同的风速、温度和降水变化强度, 将雷暴发生日分为阵风型、大风型和冰雹型3种不同的类型, 比较分析它们对近地面层气象要素特征, 以及湍流结构和感热通量、潜热通量造成的不同影响, 这对于进一步研究雷暴强对流系统与边界层过程间相互作用具有实际意义, 可以为平凉地区强对流天气临近预报以及边界层参数化改进提供一定的参考。
2 强对流天气过程 2.1 雷暴个例选取通过中科院平凉陆面过程与灾害天气观测研究站 (简称“平凉站”) 天气雷达对平凉及邻近地区强对流天气过程观测发现, 2012年5-9月期间该区域共发生强对流天气过程28次, 其中有13次强对流天气过程通过“平凉站”, 由于这些强对流系统过境时一般伴有打雷、闪电等现象, 因此以下统称为雷暴系统。同时, 这些雷暴系统的发生日期、过站时刻 (北京时, 下同)、主要天气现象的情况如表 1所示。
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表 1 2012年在“平凉站”过境的强对流系统个例统计 Table 1 The strong convective systems had taken place at Pingliang land surface process & severe weather research station in 2012 |
平凉地区夏季雷暴系统主要发生在6月、7月和8月中下旬, 特别是在6月中下旬和8月下旬偏多, 且一般发生在下午14:0018:00, 夜间较少。在13次过站雷暴系统中, 6月22和7月4分别有两例较弱雷暴系统, 过境期间伴有阵风, 7月4日阵风并伴有少量降水, 其余系统强度较大, 过境期间产生大风、冰雹、强降水等灾害天气现象。通常, 雷暴系统内部与外界环境间存在明显的气压梯度和温度梯度, 系统过境期间便会引起近地层温度、风速、气压等气象要素发生剧烈变化, 温度梯度、气压梯度越大, 气象要素变化便越剧烈。因此系统过境期间近地层风速、温度、气压等变化剧烈程度, 可以在一定程度上反映出雷暴系统内温度、压强、湿度结构与外界环境的差异大小, 进一步反应雷暴系统的相对强弱。同时, 不同雷暴系统过境时产生阵风、大风以及强降水等不同天气, 对边界层近地面风、温、湿特征以及湍流结构等造成的影响也不尽相同, 这可能会导致边界层内湍流结构以及能量和物质的输送有不同变化。于是选取雷暴过境期间产生阵风的2012年6月22日作为阵风型雷暴个例, 简称阵风雷暴; 选取雷暴过境期间产生大风且未降水的2012年5月18日作为大风干雷暴个例, 简称大风雷暴; 选取雷暴过境期间产生暴雨加冰雹的2012年6月18日作为冰雹型雷暴个例, 简称为冰雹雷暴, 以此三类强对流天气过程来对比分析雷暴日近地面层的微气象特征。
3 资料来源及处理平凉市 (Pingliang) 位于甘肃省东部, 陕、甘、宁三省 (区) 交汇处, 地处34°54′N-35°43′N, 108°30′E-107°45′E, 海拔在890~2857 m之间, 属于半干旱气候区。中科院平凉陆面过程与灾害天气观测研究站位于平凉市东面的白庙塬乡贾洼村 (106°41′E, 35°34′N), 距平凉市5 km, 海拔高度1630 m。地处著名的六盘山东麓、泾河上游黄土高原塬区。白庙塬是平凉北塬的主要组成部分, 大致呈西北东南走向, 长条结构, 宽度从几公里到数十公里, 长度可达四十余公里, 是黄土高原典型的黄土“塬”。塬上比较平坦, 全为农田和村庄, 塬下是典型的沟和坡。试验观测场位于白庙塬中部, 周围是种植着玉米、小麦、马铃薯等耐旱作物的农田, 夏季小麦收割后部分下垫面变为裸地, 地势平坦, 无高层建筑物, 代表性较好。在观测场中20 m铁塔上14 m高度处架设了一套涡动相关系统 (CSAT3, LI7500, Campbell Scientific Inc.), 其中CSAT3超声风速仪测量空气的三维风速及超声虚温, LI7500-CO2/H2O分析仪测量空气中的CO2和H2O气体含量, 其采样频率为10 Hz。在该塔上还有5层 (1 m、2 m、4 m、8 m和16 m) 风速风向 (034B, Vaisala)、温度、湿度 (HMP45C, Vaisala) 观测, 4 m高度向上向下光合有效辐射 (LI190SB), 12 m高度太阳总辐射 (CS300)。并且观测站内配备的XDR型天气雷达可以对雷暴等强对流天气系统进行实时观测, 同时观测人员进行详细的天气记录。
对于选取的3个典型雷暴日的湍流资料, 在计算湍流通量时, 使用英国爱丁堡大学研发的EdiRe (http://www.geos.ed.ac.uk/abs/research/micromet/EdiRe/) 软件对数据进行了严格的数据筛选, 首先剔除原始资料中野点, 随后对超声虚温作修订确定真实温度值, 并与温湿传感器观测值对比。考虑到雷暴系统过境前后流场的辐散辐合作用, 利用观测期长时间资料和平面拟合方法对仪器作水平修正。另外, 因为安装时CSAT3和LI7500相距12 cm, 所以作时间延迟校正, 最后用频率响应修正和WPL修正对潜热通量作补充修正 (张智慧等, 2011; 徐自为等, 2008)。由于6月18日冰雹期间强降水时段 (17:00-18:00) 的数据受降水影响无法使用, 被直接删除。5月18日和6月22日两次雷暴期间基本无降水, 自计式雨量计1 h内连续累积量0.0 mm, 数据质量良好。其中计算Monin-Obukhov稳定度参数 (ζ=z/L)、摩擦速度 (u*)、感热通量 (H) 和潜热通量 (λE) 的公式如下:
| $ {{u}_{*}}={{\left(\overline{u'w{{'}^{2}}}+\overline{v'w{{'}^{2}}} \right)}^{1/4}} , $ | (1) |
| $ \zeta =z/L=-\frac{zkg\overline{w'\theta '}}{u_{*}^{3}\bar{\theta }} , $ | (2) |
| $ H={{C}_{p}}\rho \overline{w'T'} , $ | (3) |
| $ \lambda E=\lambda \rho \overline{w'q'} , $ | (4) |
式中: k=0.4为卡门常数, ρ为空气密度, Cp为空气定压比热, λ为蒸发潜热, z为观测高度, g为重力加速度, ζ为稳定度参数。为了研究雷暴过境期间湍流谱特征, 进一步对涡动相关系统资料进行快速傅里叶变换 (FFT), 求得能谱为nSi(n), 之后用u*进行归一化, 其中i=u, v, w; n为自然频率 (单位: Hz)。并且利用Ogive函数 (Oncley et al, 1996; Chen et al, 2014) 分析不同尺度涡旋对感热和潜热通量的贡献。最后用风速、温度、湿度和气压梯度观测资料对涡动相关数据的30 min平均值进行订正, 以防止偏差。
4 结果分析 4.1 不同雷暴日气象要素变化特征 4.1.1 阵风雷暴日6月22日500 hPa, 欧亚中高纬度高空环流形势为两槽一脊型, 在甘肃西北部酒泉地区存在低压槽, 槽线不断减弱并缓慢东移, 温度槽超前于高度槽, 平凉地区受到槽前西北气流控制。700 hPa, 在甘肃西北部有暖低压中心, 平凉地区存在风切变。雷达观测发现, 6月22日13:15在平凉西部约60 km处的六盘山地区产生对流云单体。13:46雷暴单体回波强度约30~40 dBZ, 呈南北向排列, 长50 km, 宽约10 km, 长条状排列。雷暴云单体高度8~10 km。随着时间推移系统持续向平凉方向移动并不断加强, 14:30对流单体前锋从平凉站西北方向过顶。
2012年6月22日阵风雷暴日近地面14 m高度气象要素变化特征 (图 1) 发现, 此次雷暴系统过境前 (08:30-11:30), 水平风速在2 m·s-1之内, 风向由东北风变为东南风 (图 1a), 垂直速度在零附近 (图 1b), 比湿增加0.5 g·kg-1。从11:30开始直至雷暴过境, 水平风速从2 m·s-1之增大到4.8 m·s-1, 风向保持为东南风, 近地层具有强上升气流, 平均垂直速度最大为0.25 m·s-1, 气压从831.8 hPa降至830.2 hPa, 降压幅度1.6 hPa; 比湿从12 g·kg-1降低到9.5 g·kg-1, 比湿降低幅度2.5 g·kg-1(图 1c)。14:30, 当雷暴系统前锋入境时, 水平风速增大, 风向出现波动。单体下沉辐散去较弱, 近地层下沉气流不明显, 平均垂直速度减小至0.1 m·s-1左右。比湿减小1 g·kg-1, 温度降低约1 ℃, 气压变化幅度不大。
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图 1 2012年6月22日阵风雷暴日近地面14 m高度气象要素30 min平均值变化特征 (a) 风速和风向, (b) 垂直速度和气压, (c) 比湿, (d) 气温.垂直虚线表示雷暴过境时间 Figure 1 Variation of the 30 min average of meteorological elements at 14 m during a gust day on 22 June 2012. (a) horizontal wind speed and direction, (b) vertical velocity and pressure, (c) specific humidity, (d) air temperature.The vertical dashed line represents the thunderstorm occurrence moment |
5月18日高空500 hPa上, 欧亚中高纬度高空环流形势为两槽一脊型, 贝加尔湖附近大槽分裂的低槽移动到华北地区, 且温度槽落后于高度槽, 平凉市处于低槽后部西北气流的控制之下, 有比较强的冷平流。从700 hPa上可以看出平凉地区上游高压底部偏东风和高压东部西南风的风切变控制之下。雷达观测发现, 5月18日午后六盘山地区有多个对流云单体生成, 回波强度在35~45 dBZ之间, 之后在平凉西北部约50 km处又有多个对流云单体向平凉地区移动, 最大回波50 dBZ, 垂直高度10 km。直到16:41, 强对流云系统发展, 出现明显的“钩状回波”, 回波呈西北东南方向排列, 长160 km, 宽80 km, 回波中心回波强度55 dBZ, 垂直高度8 km。于17:06雷暴前锋从西北方向过境, 可以听到雷声并且产生大风, 14 m高度最大风速14.3 m·s-1。17:30雷暴系统在本站上空过顶, 此次雷暴过程基本无降水发生, 19:00之后该雷暴系统移出平凉站并南下, 雷达回波减弱至消失。夜间20:10在平凉站正北部80 km处又有新对流回波产生, 并向平凉站移动, 20:50强对流系统距离平凉站40 km, 回波强度55 dBZ, 垂直厚度11 km, 受系统影响平凉站出现阵风, 但最终该系统移向草峰塬区域, 并未在平凉站过境。
从2012年5月18大风雷暴日近地面14 m高度气象要素日变化特征 (图 2) 可见, 此次雷暴过境前 (08:30-14:30), 平均水平风速在2 m·s-1左右, 风向为东南风或东风 (图 2a)。从11:30开始至雷暴过境 (17:06), 近地面层空气具有较强的上升运动, 垂直速度最大为0.25 m·s-1(图 2b)。从11:30-15:00, 气压由833.2 hPa降低至831.5 hPa, 降压1.7 hPa, 最低气压831.5 hPa。从08:30开始直至雷暴过境 (17:06) 比湿有微弱的上升趋势, 9 h内比湿增加了1 g·kg-1。这与阵风弱雷暴有很大的不同。在此雷暴前锋入境时 (17:06), 风速急剧增大, 水平风速30 min平均值从2 m·s-1增到8 m·s-1, 风向由东南风变为西风, 近地层近地面层存在明显的风切变。在雷暴系统过境期间 (17:06-19:00), 受雷暴下沉辐散区影响, 上升气流变为下沉气流, 此时平均垂直速度约为-0.05 m·s-1, 比湿减小约3 g·kg-1, 气压升高约0.5 hPa, 温度下降约1.5 ℃。气温、比湿下降幅度、气压上升幅度要大于6月22日阵风雷暴期间。在20:30之后近地面风速增大、风向突变以及垂直速度增加、气压升高等现象是由于第二次强对流系统的影响, 由于其并未在平凉站过境, 因此本文不再对其进行分析。
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图 2 2012年5月18日大风雷暴日近地面14 m高度气象要素30 min平均值日变化 (a) 风速和风向, (b) 垂直速度和气压, (c) 比湿, (d) 气温.垂直虚线表示雷暴过境时刻 Figure 2 Variation of the 30 min average of meteorological elements at 14 m during a gale wind day on 18 May 2012. (a) horizontal wind speed and direction, (b) vertical velocity and pressure, (c) specific humidity, (d) air temperature.The vertical dashed line represents the thunderstorm occurrence moment |
6月18日500 hPa, 欧亚中高纬度高空环流形势同样为两槽一脊型, 贝加尔湖西南侧的大槽不断分裂, 分裂的低槽位于甘肃东南部, 温度槽落后于高度槽, 平凉位于槽前脊后, 其北部有冷高压存在。且西北方向不断有冷空气沿河西走廊南下, 侵入平凉地区。700 hPa上, 平凉地区处在西北风和东南风的强切变区, 切变线北侧有18~24 m·s-1大风。且平凉地区具有明显的暖湿舌结构, 水汽含量较大, 该系统是由高层强冷平流叠加在低层暖湿舌上空, 容易形成对流不稳定层结, 且西边风切变较大, 有利于该雷暴系统的形成。雷达观测发现, 6月18日下午在平凉西北的固原地区, 东北和南部地区有多个强对流云单体生成, 回波强度Z在45~55 dBZ。14:26平凉站听到雷声, 西北部强雷暴云单体南下, 而南部和东北部对流云向平凉站方向靠近, 最强回波40~45 dBZ, 最大垂直高度8 km。15:55, 南部与东北部对流云发展合并, 雷暴云呈“人字形”回波, 对流云垂直高度约10 km, 水平尺度约60 km, 回波强度50 dBZ, 之后在平凉站上空过顶, 测站观测到近地层气象要素发生剧烈变化。到16:07风速达到最大, 14 m高度水平风速为17.9 m·s-1, 期间有少量降水, 雷暴云体积向东南方向不断扩大, 水平空间尺度达100 km, 垂直高度达12 km, 回波中心强度55 dBZ。17:03开始产生暴雨夹冰雹, 持续时间约半小时, 17:48雷暴系统向西南方向移出平凉站, 此次雷暴系统强度较大。此次冰雹雷暴是一次多个超级单体演变为飑线并最终产生强降水的典型中尺度过程。
图 3给出了2012年6月18日冰雹雷暴日近地面14 m高度气象要素30 min平均值日变化特征。结果显示, 此次雷暴过境前 (08:30-11:30) 水平风速约2 m·s-1, 风向为东北风 (图 3a), 垂直速度在零附近振荡 (图 3b), 比湿在9.5 g·kg-1左右基本保持不变 (图 3c)。11:30开始至雷暴过境 (15:55), 风向由东北风变为南风 (图 3a), 水平风速开始增大, 空气有较强上升运动, 垂直速度最大值约为0.25 m·s-1, 气压从832.5 hPa降低至829.8 hPa, 最低气压为829.8 hPa (图 3b), 此次雷暴过境前的最低气压要小于阵风雷暴 (830.2 hPa) 和大风雷暴 (831.5 hPa), 且降压幅度更大。比湿从9.5 g·kg-1增加到11.3 g·kg-1(图 3c), 比湿增加幅度1.8 g·kg-1, 可见此次雷暴过境前比湿增加相比于大风雷暴更加明显。在雷暴过境时 (15:55), 平均水平风速从4 m·s-1增加到9 m·s-1, 风向由偏南风变为东北风, 近地面有强水平风切变。在雷暴过境期间 (15:55-17:48), 具有强下沉运动, 垂直速度可达-0.15 m·s-1, 气压在1.5 h升高4.5 hPa, 1 h升压3 hPa, 比湿降低1.5 g·kg-1, 温度降低5.5 ℃。对比分析发现此次雷暴系统过境期间比湿、温度降低幅度和气压升高幅度都大于5月18日大风雷暴和6月22日阵风雷暴。
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图 3 2012年6月18日冰雹雷暴日近地面14 m高度气象要素30 min平均值日变化 (a) 风速和风向, (b) 垂直速度和气压, (c) 比湿, (d) 气温.垂直虚线表示雷暴过境时刻 Figure 3 Variation of the 30min average of meteorological elements at 14 m during a hail day on 18 June 2012. (a) horizontal wind speed and direction, (b) vertical velocity and pressure, (c) specific humidity, (d) air temperature. The vertical dashed line represents the thunderstorm occurrence moment |
通过对3个不同雷暴日对比发现, 在雷暴过境前几小时开始, 近地层30 min平均风速在2 m·s-1左右, 风向为东南风或偏南风, 近地层开始有明显的上升气流, 平均垂直速度可达0.25 m·s-1, 这远大于晴天的最大垂直上升速度; 在6月22日阵风雷暴前近地层比湿不断减小, 而5月18日大风雷暴和6月18日冰雹雷暴前近地层比湿却不断增加, 其中6月18日冰雹雷暴前比湿增加幅度最大。这是因为冰雹雷暴下沉气流中空气湿度较大, 湿空气向低压区辐合可以迅速补充向上输送造成的水汽缺失, 甚至水汽在近地层堆积, 使比湿不断增大, 说明近地层水汽的变化趋势对于即将过境的雷暴类型具有一定的指示和预报意义。与此同时, 在5月18日大风雷暴和6月18日冰雹雷暴过境期间, 风切变、降温幅度、及气压上升幅度都要大于6月22日阵风雷暴过程, 并且存在极大的下沉气流, 其中6月18日冰雹雷暴期间下沉速度最大。这可能是由于冰雹系统的云内含有大量过冷却水、冰晶使云体温度较低, 形成的冷池作用较强的原因。
4.2 不同雷暴日近地层湍流变化特征 4.2.1 雷暴日稳定度参数变化特征边界层大气稳定度影响着各种通量交换和输送, 实质上是大气热力过程和动力过程对湍流和对流发展或抑制能力的一种量度。因此, 图 4给出了2012年5月18日、6月18日和6月22日3个不同雷暴日大气层结稳定度参数ζ的日变化特征。结果显示, 3个雷暴日ζ变化趋势相似, 08:00开始随着地面热力作用增强, 大气层结逐渐趋于不稳定, 热力作用使湍流运动发展, 近地层空气开始混合。13:00-15:00之间, 3次雷暴日稳定度ζ远小于-1, 在这种状况下空气极易发生自由对流, 有利于热量和水汽的向上输送。大风和冰雹雷暴日午后出现最不稳定状态, 稳定度参数绝对值|ζ|要大于阵风雷暴日。在雷暴过境期间, 稳定度参数趋近于零, 大气层结为近中性状态。
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图 4 不同雷暴日大气层结稳定度参数 (ζ) 变化 Figure 4 Variation of atmospheric stability parameter (ζ) during different thunderstorm days |
摩擦速度表征了近地层近地面层雷诺应力的大小, u*越大表示雷诺应力越大, 机械湍流越强。图 5给出了三个不同雷暴日摩擦速度u*的日变化特征。结果显示, 在3个雷暴过境前, 摩擦速度均在0.4 m·s-1左右, 而冰雹雷暴日要大于其他两个雷暴日, 阵风雷暴日最小, 大风雷暴日次之。在雷暴系统过境期间, 摩擦速度迅速增大, 其中阵风雷暴期间增幅最小, 最大值为0.45 m·s-1; 而大风雷暴和冰雹雷暴过境期间 (17:06-19:00) 和冰雹强雷暴过境期间 (16:00-17:00), 摩擦速度最大值分别为0.7 m·s-1和0.63 m·s-1, 几乎是其中午摩擦速度最大值的2倍。这一结果对应于较强的水平风速垂直切变, 王柯等 (2013)对塔中一次雷暴降水天气过程边界层风场变化特征研究中也有类似的发现。
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图 5 不同雷暴日摩擦速度 (u*) 的变化 Figure 5 Variations of friction velocity (u*) during different thunderstorm days |
地面感热、潜热通量是大气的重要热源, 可以影响强对流系统的发生和发展。因此, 通过3个不同类型雷暴日感热、潜热通量的日变化特征 (图 6) 可以看出, 冰雹雷暴日中午感热通量最大值为297 W·m-2, 大风雷暴日为192 W·m-2, 阵风雷暴日为171 W·m-2, 而3个雷暴日中午潜热通量最大值均在约300~330 W·m-2之间, 差异不大。通过对2012年59月多个晴天的最大感热、潜热通量平均得到, 平凉晴天中午感热通量最大值一般为145 W·m-2左右, 潜热通量为290 W·m-2左右。阵风雷暴期间感热通量和潜热通量变化较小; 大风雷暴期间 (17:06-19:00), 感热通量从-4 W·m-2升高至53 W·m-2冰, 潜热通量从85 W·m-2降至-45 W·m-2; 雹雷暴期间 (15:55-17:00), 感热通量从13 W·m-2上升至140 W·m-2的向上输送, 潜热通量244 W·m-2降低至-187 W·m-2。说明雷暴日中午感热通量较晴天大, 潜通量差异不大, 但冰雹雷暴日中午感热通量要远大于阵风和大风雷暴日, 几乎是晴天的2倍。且强雷暴系统过境期间, 感热通量和潜热通量的明显变化, 其中感热通量具有较大的向上输送, 潜热通量有较大的向下输送。
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图 6 不同雷暴日感热和潜热通量日变化 (a) 感热通量, (b) 潜热通量 Figure 6 Diurnal variations of sensible heat flux and latent heat flux during different thunderstorm days. (a) sensible heat flux, (b) latent heat flux |
为了对比分析不同雷暴强对流天气过境期间湍流的结构特征。图 7给出了不同雷暴过境期间 (中性层结条件下) 垂直速度归一化谱与Kaimal et al (1972)年得到的中性条件下经验湍流谱的对比结果, 其中该经验公式为 (Kaimal et al, 1972):
| $ \frac{{n{S_w}\left( n \right)}}{{u_*^2}} = \frac{{2f}}{{\left[ {1 + 5. 3{{\left( f \right)}^{5/3}}} \right]}} {\mkern 1mu} , $ | (5) |
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图 7 不同雷暴过境期间垂直速度归一化谱 (a) 阵风雷暴, (b) 大风雷暴, (c) 冰雹雷暴 Figure 7 Characteristics of power spectral of vertical wind speed during different thunderstorms. (a) the gust thunderstorm, (b) the hale wind thunderstorm, (c) the hail thunderstorm |
式中: f=nz/u为归一化频率。结果显示, 雷暴过境期间w能谱曲线高频部分与中性条件下的Kaimal经验湍流谱具有较好的一致性, 而在低频部分相比于Kaimal经验湍流谱具有更大的能量, 其中大风和冰雹雷暴期间低频区谱能增大尤为显著。另外强对流系统过境时, 随阵风、大风和冰雹雷暴过境期间1 h平均水平风速 (4.5 m·s-1、7.6 m·s-1和9.8 m·s-1) 逐渐增大, 虽然湍流含能区和惯性副区间拐点 (能谱峰值) 所对应涡旋的尺度并没有太大变化, 但是比该尺度更大尺度涡旋的谱能可达到甚至超过该尺度涡旋的谱能。这意味着在强对流天气系统过境期间, 强的水平风速垂直切变以及温度切变会引起垂直速度大尺度涡旋能量显著增大。
4.3.2 雷暴期间不同尺度涡旋对感热和潜热通量的贡献Ogive函数表示不同尺度的涡旋对于整体通量计算贡献的大小, 其函数曲线斜率越大表示对应尺度涡旋对于通量计算的贡献越大, 斜率越小表示贡献越小。晴天中午1 h的感热通量和潜热通量Ogive函数变化特征结果 (图 8) 显示, 在观测区一般晴天条件下, 当时间积分到5 min以内, 感热通量和潜热通量Ogive函数迅速增大, 即在无强对流天气影响条件下的晴天午后, 尺度小于5 min的涡旋对于感热和潜热通量的计算贡献较大。当时间积分到5 min之后, Ogive函数上升逐渐变缓, 函数斜率减小。说明当时间尺度大于5 min, 随着涡旋尺度不断增大其对感热通量和潜热通量输送的贡献却逐渐减小。当时间积分到30 min时Ogive函数达到最大值, 且函数收敛, 说明时间尺度大于30 min的低频涡旋对感热通量和潜热通量输送贡献几乎为零, 此时采用平均时间为30 min时长基本可以包含所有低频涡旋对通量输送的贡献。对于晴天条件下的Ogive函数研究, 其他学者 (Wang et al, 2009) 也得到相似的结果。
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图 8 晴天中午感热通量 (a) 和潜热通量 (b) Ogive函数值变化 Figure 8 Variation of the Ogive function value of sensible heat flux (a) and latent heat flux (b) during clear day |
图 9给出了阵风雷暴期间 (14:30-15:30)、大风雷暴期间 (17:00-18:00) 以及冰雹雷暴期间 (16:00-17:00) 1 h的Ogive函数变化特征。结果显示, 在阵风雷暴期间感热通量和潜热通量Ogive函数值都较小, 对应的感热通量和潜热通量都趋近零。但大风和冰雹两次较强雷暴过境期间Ogive函数与阵风雷暴及晴天情况均有所不同。时间积分到5 min以内, 感热和潜热通量的Ogive函数曲线有明显的波动, 时间积分到5 min之后, Ogive函数相较于晴天具有更加明显的增加趋势, 感热通量的Ogive函数值为正值, 而潜热通量的Ogive函数值为负值, 这与感热通量和潜热通量的大小具有很好的对应关系 (图 6)。这说明, 强雷暴过境期间雷暴区冷池作用更强, 雷暴区与周围环境间存在极强的水平风速和温度切变, 强切变引起雷暴过境期间近地层湍流大尺度涡旋能量迅速增强, 其中时间尺度大于5 min的大尺度涡旋对感热和潜热通量的计算贡献显著增大, 且起到主导作用。同时, 有研究表明, 在中尺度暴雨模拟边界层参数化方案中, 每层均考虑含能最大涡旋的作用后预报的降水更接近实况 (朱蓉和徐大海, 2004)。可见, 边界层湍流大尺度涡旋能量增加对感热通量输送作用非常明显, 这种由低层大气向上能量输送对雷暴系统的加强可能具有重要的影响作用。
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图 9 阵风、大风、冰雹雷暴过境期间感热通量 (a) 和潜热通量 (b) Ogive函数值变化 Figure 9 Variation of the Ogive function value of sensible heat flux (a) and latent heat flux (b) during the gust, hale and hail |
利用中科院平凉陆面过程与灾害天气观测研究站观测资料, 分析对比了黄土高原塬区的平凉市发生的3个不同雷暴日近地面风、温、湿、压等气象要素变化特征, 感热、潜热通量日变化特征, 以及近地层湍流谱特征, 得到以下主要结论:
(1) 雷暴系统过境前几小时开始近地层便出现很强的辐合上升气流, 14 m高度30 min平均垂直速度可达0.25 m·s-1以上, 这几乎比无强对流影响时垂直速度大1~2个数量级, 在对应时段内气压不断减小, 水平风速以2.5 m·s-1左右大小保持不变, 风向恒定。雷暴系统过境期间, 水平风速急剧增大, 风向突变。气温急剧下降, 上升气流变为下沉气流, 14 m高度30 min平均垂直速度可达到-0.18 m·s-1。
(2) 雷暴系统过境期间, 温度骤降和强下沉气流使得感热通量明显增加, 雷暴区极强的水平风速和温度切变, 造成湍流中大尺度涡旋能量的显著增大。雷暴区风速和温度切变越强, 则大尺度涡旋能量增加越显著, 并且此时大尺度涡旋对感热通量的贡献起到主导作用, 这种大尺度涡旋向上输送能量可能对雷暴系统的增强具有重要的作用。
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2. University of Chinese Academy of Science, Beijing 100049, China