2018, Vol. 37
2. 高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室, 四川 成都 610072;
3. 雅安市气象局, 四川 雅安 625000
位于亚洲中部的青藏高原是世界上平均海拔最高的高原, 由于独特复杂的地形, 在青藏高原动力和热力作用下会产生特有的高原天气系统, 高原低涡就是其中之一, 是影响高原主体及下游地区重要的天气系统, 由此引发的暴雪、暴雨、持续性区域暴雨等灾害性天气对人民生命财产安全可产生较大危害。
高原低涡是产生在青藏高原主体边界层的中尺度天气系统, 其水平尺度500~1 000 km, 垂直厚度为2~3 km(罗四维, 1992)。大量的观测事实和分析研究结果表明, 冬季的高原暴雪, 夏季的高原暴雨都与高原低涡活动密切相关(蒋艳蓉等, 2009); 高原低涡不仅影响高原地区天气, 当它东移出高原后, 常给高原以东带来大的降水, 尤其是高原低涡在高原以东持续活动, 使中国广大地区产生暴雨、大暴雨, 影响高原以东广大地区造成严重洪涝灾害(Tao et al, 1981; 张顺利等, 2001; 赵玉春等, 2010; 黄楚惠等, 2010, 2011; 郁淑华等, 2012; 陈贝等, 2015; 陶建红等, 2016)。
高原低涡东移的研究己受气象工作者的重视。有不少研究指出了高原低涡东移的条件, 叶笃正等(1979)指出高原边界层内浅薄系统遇有适宜的高空条件, 它们也会发展移出高原。孙国武等(1988)指出高原低涡有与300 hPa西南急流北侧最大风速中心一起向东北偏东方向移动。李国平(2002)指出在一定的引导条件下可使低涡移出高原。宋敏红等(2002)发现高原中东部气柱平均厚度可指示高原涡的移动。何光碧等(2009)指出高原低涡东移过程正涡度东传明显。郁淑华等(2009a, 2009b)指出高原低涡是在南支气流增强的情况下移出高原的; 低涡以南的南支气流起到了向低涡区输送水汽通量、正涡度平流的作用, 提供利于低涡活动持续的条件。刘晓冉等(2007)从理论探讨上得出大气层结不稳定时, 高原低涡都将向东移。郁淑华等(2010)研究表明, 移出与未移出高原低涡的低涡结构特征差异明显。李国平等(2011)指出, 高原低涡既含有涡旋Rossby波又含有惯性重力外波的结构特征。宋雯雯等(2012)分析表明, 高原低涡移出高原过程中涡眼处为下沉运动。陈功等(2011)指出了青藏高原低涡的波动特征。郁淑华等(2015, 2016)指出了高原低涡移出高原后持续的对流层中、高层共同的大尺度条件及其主要差异。肖递祥等(2016)分析表明, 高原低涡沿正涡度变率中心方向移动。许威杰等(2017)数值模拟研究指出, 低层凝结潜热加热垂直梯度项产生的正位涡变化有利于高原低涡的增强与东移。一些研究还指出高原低涡移出高原后多数是向东移动、向东南移动(郁淑华等, 2006; 王鑫等, 2009)。Yu et al(2014, 2016)指出一些高原低涡移出高原后会在河套地区徘徊、盘旋, 及与西南涡移向一致的活动现象。上述研究丰富了对高原低涡东移的认识。由于高原低涡移出高原后多数是向东移动、向东南移动, 有一些高原低涡移出高原后会在向偏东方向移动过程中转向西南、南移、或转向西北、北移、或在某一区域内徘徊、盘旋, 这种有别于一般高原低涡移出高原后的移动路径可称为异常路径。Xiang et al (2013)分析了一次折向高原的低涡TRMM数据反映的降雨水特征, 并指出当低涡折回向西时, 低涡会沿着潜热释放的中心移动。但目前对高原低涡移出高原后异常路径的研究还很缺乏, 尤其是与热带低压相联系的青藏高原低涡移出高原后的路径的研究更加缺乏, 高原低涡会因东面海上热带低压活动而在河套地区打转, 造成河套地区、华北的暴雨、大暴雨(李跃清等, 2010), 例如2002年7月初由于威马逊台风向西北推进、逐渐逼近我国东部沿海, 高原低涡而在河套地区打转, 造成陕北大暴雨天气, 引起山洪爆发、河水泛滥, 形成百年不遇的特大洪涝(张弘等, 2006)。因此需要加强高原低涡移出高原后异常路径的研究, 这对于揭示高原低涡移出高原后活动特征的基本事实, 进一步认识高原低涡移动发展特征及影响机制, 以及高原低涡与其他天气系统的相互作用都有重要意义。
本文将分析移出高原后在河套地区徘徊、盘旋的这一类高原低涡的大尺度环境, 并从热带低压强度作用的角度, 研究热带低压对移出高原后持续活动2天以上的高原低涡活动受阻的影响, 以期有助于认识持续高原涡在河套地区徘徊和盘旋(简称打转)异常路径的大尺度环境, 这对于开展高原低涡异常路径的研究及热带低压对高原低涡异常路径影响的研究具有创新意义。
2 资料选取和方法介绍 2.1 资料选取所用资料是国家环境预测中心/国家大气研究中心NCEP/NCAR所提供的水平分辨率为1°×1°, 时间间隔6 h的全球再分析资料和中国气象局提供的历史天气图, 中国气象局上海台风研究所提供的热带低压历史资料。时间跨度为1998-2015年。
高原低涡是指500 hPa等压面上反映的生成于青藏高原有闭合等高线的低压或有3个站风向呈气旋式环流的低涡(李跃清等, 2010)。高原低涡名称是依据高原低涡生成地点的县或市的地名而定。持续高原涡是指青藏高原低涡移出高原后持续活动2天以上的的高原涡(Yu et al, 2014)。
高原低涡在河套地区打转是指高原低涡在河套地区有2次以上明显转向(移向与前一时次移向间夹角大于60°), 且有1次转为西风分量的移向。打转开始时是以在高原低涡移出高原后在河套地区第一次明显转向的时次。打转关键时是指在打转开始时之后又一次明显转向的时次, 若此次过程打转开始时无西风分量则这一时次应有西风分量的移向; 或若此次过程打转开始时有西风分量, 则在此次有西风分量时次转为有东风分量的时次。打转结束时是指打转关键时之后的一个时次其移向与前一时次移向间夹角小于60°的后一时次, 或低涡过程的最后时次。
高原低涡的编号是以‘C’字母开头, 按年份的后二位数与当年低涡顺序二位数组成(李跃清等, 2010)。高原低涡的涡区是指以低涡中心, 半径为4个经/纬距的范围。切变环境场是指在两个高压之间不存在切变线的区域。高原低涡在河套地区打转期间, 热带低压、热带气旋、台风的活动, 本文统称热带低压的活动。
2.2 方法介绍在1998-2015年高原涡异常路径分析基础上, 选出了在河套地区打转这一类异常路径高原涡个例, 以NCEP/NCAR 1°×1°的再分析资料, 对这一类各个高原涡活动过程在形成时、移出高原时、河套地区打转开始、打转关键转向与打转结束时的500 hPa环境场特征, 进行对比分析; 再利用中尺度数值预报模式WRF3.5.1版本对一例在河套地区打转的高原低涡活动过程进行数值模拟试验与热带低压强度变化试验, 进行500 hPa高度场、风场等对比分析。模式WRF3.5.1版本采用了30 km分辨率的水平网格区域, 中心经纬度为30°N、115°E, 垂直方向为38层, 区域的水平网格格点数分别为254×201, 每6 h输出一次结果。参数化方案的设计为:微物理过程采用WSM6方案; 长波辐射采用RRTM方案; 短波辐射采用Dudhia方案; 边界层过程采用YSU(YonSei University)方案; 陆面过程采用Noah Land Surface Model方案; 积云参数化采用Kain-Fritsch(new Eta)方案。
3 持续高原涡异常路径与热带低压活动的分析表 1给出了1998-2015年高原涡、移出高原涡、持续高原涡、异常路径持续高原涡的活动个数。由表 1看出, 近18年来高原上共生成低涡760个, 移出高原的低涡163个, 而移出高原后持续活动2天以上的高原低涡(简称持续高原涡)只有42个, 约占移出高原低涡的26%;在持续高原涡中, 异常路径的高原涡有15个, 约占持续高原涡的36%;在异常路径高原涡中, 在某区域打转的高原涡占了60%, 可见打转高原涡是高原涡异常路径的重要特征。由表 1还看出, 打转高原涡按打转区域可分成在河套地区打转、河套以南打转与打转入高原共三种; 其中河套以南打转的高原涡, 各自打转的区域相距远。
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表 1 1998-2015年高原涡、移出高原涡、持续高原涡、异常路径持续高原涡的活动个数 Table 1 The active movements of Plateau vortex, departure Plateau vortex, sustained departure Plateau Vortex (SDPV), and SDPV with abnormal tracks from 1998 to 2015 |
由对打转高原涡过程与热带低压活动的关系分析得出, 在河套地区打转的高原涡过程都伴有我国近海洋面有热带低压活动(图 1), 其中, 2个高原涡过程在东海有热带低压向北活动; 1个高原涡过程在135°E附近有热带低压向北活动, 并在南海有热带低压活动。在河套以南打转的4个高原涡过程中只有2个例(占50%)伴有我国近海洋面有热带低压活动, 其中, 1个高原涡过程在南海有热带低压活动, 1个高原涡过程在东海有热带低压活动。入高原打转的2个高原涡过程中, 只有1个例在南海有热带低压活动。由此可见, 在河套地区打转的这一类持续高原涡异常路径, 与在中国大陆以东、140°E以西洋面热带低压向北活动相关密切。
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图 1 河套地区打转的持续涡与热带低压路径(a~c) Figure 1 The tracks of tropical low and the spinning SDPVs (a~c) over Hetao region |
图 1为河套地区打转的持续涡与热带低压路径, 其中阴影区为海拔≥2 500 m的青藏高原区域; 持续涡08:00(北京时, 下同)以小的红色实心圆表示、20:00以小的红色空心圆表示; 热带低压08:00以大的红色实心圆表示、20:00以大的红色空心圆表示; 日期标注在实心圆左侧。这3个在河套地区打转的持续高原涡分别是2002年7月1-5日编号为C0216-久治涡(李跃清等, 2009)[图 1(a)]、2005年8月5-9日编号为C0536-共和涡(李跃清等, 2012)[图 1(b)]、2000年7月2-7日编号为C0014-合作涡(李跃清等, 2010)[图 1(c)](简称久治涡、共和涡、合作涡)。它们都是在高原东部产生, 以东北路径移出高原的。久治涡、共和涡、合作涡分别在河套的北部、西部、东部地区打转(图 1)。
4 持续高原涡在河套地区打转的大尺度环境场与影响系统高原低涡移出高原后能持续活动, 离不开有利的环境场条件。现以上述3个持续高原涡在河套地区打转的个例(表 2), 对各高原低涡在河套地区打转的个例进行500 hPa高度场、风场特征分析。
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表 2 河套地区打转的各个例低涡情况 Table 2 Case descriptions of SDPVs spinning in Hetao region |
图 2为河套地区打转久治涡500 hPa位势高度和风矢图, 其中, 小的红色实心圈、红色空心圈分别为低涡08:00、20:00位置; 大的红色实心圈、红色空心圈分别为热带低压08:00、20:00位置; 红色细连线、红色粗连线分别示为低涡移动路径; 08:00低涡、热带低压位置左旁标注的数字为日期(下同)。久治涡500 hPa上, 在40°N以北东亚为两槽两脊(低槽分别位于巴尔喀什湖(简称巴湖)西部、贝加尔湖(简称贝湖)东部, 低槽东侧为高脊)形势下, 久治涡在贝湖西部高脊以南的中纬度低槽中形成, 威马逊台风中心在17.5°N、131°E, 强度为578 dagpm。以后, 由于此台风向西北进, 副高北抬, 久治涡随低槽向东北移, 2日20:00移出高原[图 2(a)]。3日08:00[图 2(b)], 40°N以北东亚环流形势转为两槽一脊型; 此台风继续西北进, 加强为573 dagpm; 西太平洋副热带高压(简称副高)北抬西伸, 588 dagpm线西伸到浙江中部(28°N、122°E), 久治涡所处的低槽东移受阻向东北缩, 久治涡由北移转向东东北移, 在河套西部开始打转。之后, 此台风继续加强, 向北移; 副高继续北抬, 青藏高压脊东北伸, 3日20:00[图 2(c)], 久治涡处在青藏高压脊底部与副高之间的切变环境场中, 久治涡东移受阻, 向西移, 此时是久治涡打转的关键转向时。4日08:00至5日08:00, 此台风继续北进, 副高东南退, 久治涡先西南移后东南移, 5日08:00在河套北部打转结束[图 2(d)]。
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图 2 河套地区打转久治涡(a~d)500 hPa位势高度场(等值线, 单位: dagpm)和风场(矢量, 单位: m·s-1)分布 Figure 2 The geopotential height (contour, unit: dagpm) and wind field (vector, unit: m·s-1) of spinning Jiuzhi Vortex (a~d) over Hetao region at 500 hPa |
共和涡500 hPa上, 在40°N以北东亚为两脊两槽(高脊分别位于咸海附近、贝湖西部, 高脊东侧为低槽)形势下, 副高偏北, 脊线在39°N, 共和涡在青藏高压与副高之间的切变环境场中形成, 麦莎台风中心在25.5°N、124°E, 强度为586 dagpm。以后, 由于此台风向西北进, 副高西伸, 共和涡向东北移, 6日08:00移出高原[图 3(a)]。6日20:00[图 3(b)], 40°N以北东亚环流形势转为两脊一槽型; 此台风进入江苏省西部后减弱; 副高稳定稍有西伸, 共和涡处在蒙古西部高压与副高之间的切变环境场中, 东移受阻转向西退, 在河套西部开始打转。之后, 此台风稍向西北移; 副高有些西伸北抬, 蒙古西部高压移到蒙古中部, 此切变环境场向东北移, 共和涡7日08:00向东北移[图 3(c)], 此时是共和涡打转的关键转向时刻。7日20:00, 此台风向北北东进, 副高584 dagpm线与蒙古中部高压打通, 在130°E附近形成高压坝, 共和涡东移受阻, 向东南移。之后, 此台风稍向北移, 将已打通的高压坝切断, 共和涡东移, 8日20:00在河套西部打转结束[图 3(d)]。
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图 3 河套地区打转共和涡(a~d)500 hPa位势高度场(等值线, 单位: dagpm)和风场(矢量, 单位: m·s-1)分布 Figure 3 The geopotential height (contour, unit: dagpm) and wind field (vector, unit: m·s-1) of spinning Gonghe Vortex (a~d) over Hetao region at 500 hPa |
合作涡500 hPa上, 在40°N以北东亚为两脊一槽形势(巴湖到贝湖地区为低压槽, 其两侧为高脊)形势下, 0003号热带低压在南海活动, 0004号热带低压中心在14.5°N、132.5°E, 合作涡在巴湖低压分裂槽中形成。以后, 这两个热带低压稍向北移, 巴湖低压加强, 贝湖西南部形成高脊, 东亚转为三脊两槽形势, 合作涡随低槽移向东北, 3日08:00移出高原[图 4(a)]。之后, 0004号热带低压逐渐北移, 副高北抬, 3日20:00蒙古西南部高压形成, 副高北抬与中国东北高脊在128°E附近形成“高压坝”, 合作涡与低槽分离。4日08:00至5日08:00, 蒙古西南部高压已移到蒙古东部, 0004号热带低压北移, 副高北抬与蒙古东部高压打通, 合作涡处在青海高压和副高与蒙古东部高压打通的高压之间的纵向切变环境场, 由向东南移转为偏南方向移。5日20:00, 40°N以北东亚环流形势转为两脊两槽型; 0004号热带低压稍向北移, 合作涡仍处在此纵向切变环境场中, 东移受阻, 稍向西南移, 在河套东部开始打转[图 4(b)]。6日08:00, 0004号热带低压加强, 稍向东北移, 合作涡在此切变环境流场中转向北移, 此时是合作涡打转的关键转向时[图 4(c)]。以后, 贝湖东南部高脊逐渐减弱; 合作涡在此切变环境场中少动、减弱, 7日20:00在河套东部打转结束[图 4(d)]。
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图 4 河套地区打转合作涡(a~d)500 hPa位势高度场(等值线, 单位: dagpm)和风场(矢量, 单位: m·s-1)分布 Figure 4 The geopotential height (contour, unit: dagpm) and wind field (vector, unit: m·s-1) of spinning Hezhuo vortex (a~d) over Hetao region at 500 hPa |
综上可知, 在河套地区打转的持续高原涡, 在打转开始时500 hPa 40°N以北东亚环流形势都发生了调整; 在河套地区打转期间, 久治涡、共和涡是分别处在副高与蒙古高压脊底部、副高与蒙古高压之间的横向切变环境场中, 合作涡是处在副高、蒙古东部高压打通的高压和青海高压之间的纵向切变环境场中; 这与高原涡移出高原及在高原以东活动, 多数随其北面、东面槽的移动而移动是不同的(郁淑华等, 2008)。由于在140°E以西至东海有台风或热带低压向北活动, 从而影响这"两高"之间的切变环境场位置少动, 造成了持续高原涡在河套地区打转。说明持续高原涡是在相对较弱的切变环境场下在河套地区打转的。这与雷小途等(2001)指出的中纬度环流系统发生调整或净“引导”作用较弱的情况下, 常导致热带气旋路径的异常及蜿蜒弯曲的振荡的看法有些相似。
5 热带低压强度影响的数值试验由于持续高原涡在河套地区打转是在140°E以西至东海有热带低压向北活动, 从而影响这"两高"之间的切变环境场位置少动而造成的。为探讨在中国大陆以东至140°E以西洋面热带低压向北活动的环流背景下, 对造成持续高原涡异常路径及环境场的影响, 因此现以在河套地区打转区域最大的久治涡为例, 进行下面的数值模拟与试验。
5.1 试验方案设计采用WRF3.5.1模式进行久治涡活动过程的数值模拟, 作为控制试验, 在控制试验基础上进行热带低压增强试验, 即将久治涡伴有的热带低压海平面气压、各层位势高度减低2%;作为试验1;在控制试验基础上进行热带低压减弱试验, 即将久治涡伴有的热带低压海平面气压、各层位势高度增加2%。作为试验2, 以揭示热带低压强度变化对低涡环境场与低涡活动的影响。
5.2 试验结果分析 5.2.1 模拟结果与NCEP/NCAR再分析资料分析比较以久治涡开始打转时、打转关键转向时和打转结束时的模拟结果与NCEP/NCAR再分析资料分析结果作比较, 久治涡模拟的起始时间为2002年7月2日20:00, 积分12 h, 模拟的久治涡开始打转时500 hPa风和位势高度[图 5(a)], 与NCEP/NCAR再分析资料分析的图 2(b)所示一样; 积分24 h, 模拟的打转关键转向时500 hPa风和位势高度[图 5(b)]与NCEP/NCAR再分析资料分析的图 2(c)所示的40°N以北东亚形势、青藏高压脊、副高、热带低压强度与位置大体一样。积分60 h, 模拟的打转结束时500 hPa风和位势高度[图 5(c)]与NCEP/NCAR再分析资料分析的图 2(d)所示的40°N以北东亚形势、青藏高压脊位置、副高位置、热带低压强度大体一样, 只是热带低压位置偏北些, 久治涡并入热带低压环流中。可见模拟还是较成功的。
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图 5 模拟的久治涡打转时(a~c)500 hPa位势高度场(等值线, 单位: dagpm)和风场(矢量, 单位: m·s-1)分布 C为低涡中心位置 Figure 5 The simulation geopotential height (contour, unit: dagpm) and wind field(vector, unit: m·s-1) at 500 hPa of Jiuzhi vortex when it is spinning (a~c).The character C denotes the center position of Plateau vortex |
图 6给出了各数值试验的久治涡与热带低压路径, 阴影区与日期标注说明同图 1, 久治涡02:00, 08:00, 14:00和20:00的位置分别以小的红色的实心三角、实心圆、空心三角和空心圆示出; 热带低压02:00, 08:00, 14:00和20:00的位置分别以大的红色的实心三角、实心圆、空心三角和空心圆示出。由图 6看出, 试验1的低涡开始打转、打转结束时间分别比控制试验的晚6 h、12 h, 总体打转位置比控制试验的偏东。试验1的热带低压总体位置比控制试验的偏南, 移动比控制试验的慢, 在低涡打转活动过程中折向次数比控制试验的多。试验2的低涡开始打转时间与控制试验的同, 打转结束时间比控制试验的晚6 h, 在低涡打转活动过程中折向次数比控制试验的少; 总体打转位置比控制试验的偏西。试验2的热带低压总体位置与控制试验的相近, 在积分6~18 h(7月3日02:00-14:00), 热带低压位置比控制试验的偏北, 移动比控制试验的快; 在积分24~30 h热带低压位置比控制试验的偏南, 移动比控制试验的慢; 在积分36~54 h热带低压位置与控制试验的相近(< 0.5个经/纬距), 移速与控制试验的相近。反映了试验1、2久治涡、热带低压的路径对比控制试验的有几乎是相反的趋势。
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图 6 数值试验(a~c)的久治涡与热带低压路径 Figure 6 The Jiuzhi vortex and tropical low tracks of numerical experiment (a~c) |
为进一步分析试验1、2久治涡、热带低压的路径上的差异, 这里给出了表 3和表 4。表 3是不同积分时刻试验1、试验2与控制试验的久治涡位置的差值。由表 3看出, 试验1与控制试验的久治涡位置的差值, 在不同的积分时刻经向上一般相差不大(< ±0.5个纬距); 纬向上相差较大, 且绝大多数积分时刻为正值, 反映了试验1的久治涡位置比控制试验的偏东。试验2与控制试验的久治涡位置的差值, 在不同的积分时刻经向上一般相差不是太大(< ±1.0个纬距); 纬向上相差较大, 有2个时刻为-2.5个经距, 反映了试验2的久治涡位置比控制试验的偏西, 这一结果是与试验1的相反。
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表 3 试验1、试验2与控制试验的久治涡位置差值 Table 3 The Jiuzhi Plateau vortex position difference between experiment 1, experiment 2 with the control experiment |
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表 4 试验1、试验2与控制试验的热带低压位置差值 Table 4 The tropical low position difference between experiment 1, experiment 2 with the control experiments |
表 4给出了不同积分时刻试验1、试验2与控制试验的热带低压位置的差值。由表 4看出, 试验1与控制试验的热带低压位置差值, 在经向上总体负值的绝对值大于总体正值的, 纬向上多数积分时刻为负值, 且总体负值的绝对值大于总体正值, 反映了试验1的热带低压位置比控制试验的偏西南, 这是由於热带低压增强使其移速减慢, 热带低压位置比控制试验的偏南, 又因北半球在柯氏力和β效应的作用下, 移动的热带低压位置随着纬度的增大有右折趋势(雷小途, 2000), 在控制试验中移动的热带低压纬度比试验1的大, 控制试验的右折程度比试验1的大, 从而造成了试验1的热带低压位置比控制试验的偏西南。试验2与控制试验的热带低压位置差值在经向上多数积分时刻为正值, 且总体正值大于总体负值的绝对值, 纬向上一般相差不大(< ±0.5个经距), 反映了试验2的热带低压位置比控制试验的偏北, 这一结果也是与试验1的相反。
久治涡对比试验的低涡、热带低压路径分析表明:热带低压强度增强, 会使热带低压移速减慢, 热带低压位置偏南, 使低涡打转位置偏向东, 打转过程中折向次数增多。热带低压强度减弱, 会使热带低压开始一度移速加快, 总体位置偏北, 使低涡打转位置偏向西, 打转过程中折向次数减少。
5.2.3 500 hPa高度场、风场控制试验: 500 hPa高度场、风场上, 积分6 h[7月3日02:00, 图 7(a)], 80°E以东、40°N以北的东亚形势为一脊一槽型(贝湖西部高脊, 其东侧为低槽), 副高588 dagpm等值线西伸到长江口附近(西伸点在28.5°N、121.5°E), 热带低压位于台湾以东, 中心在22.0°N、126.5°E, 热带低压东部气流流入副高西侧, 使副高北抬(脊线比6 h前北上1°), 与华北高压连接形成西北-东南向高压脊, 青藏高原北部为高压控制, 久治涡处在北脊南槽的河套西部低槽中, 久治涡将向西北移, 开始打转。积分12 h[7月3日08:00, 图 7(b)], 40°N以北东亚形势仍为一脊一槽型, 贝湖西部高脊比积分6 h的东移了1个经距, 热带低压比积分6 h的稍偏西北, 中心在22.5°N、126°E, 副高脊线比积分6 h的稍偏北, 在32.5°N, 华北高压东移到渤海, 仍与副高相连成西北东南向高压脊(简称东部高脊), 青藏高压南移了2个纬距, 河套西部低槽少动, 久治涡将稍向西南移, 这是久治涡打转关键转向时。之后, 贝湖西部高脊缓慢东移到贝湖东南部, 40°N以北东亚形势由一脊一槽型转为两槽一脊型, 热带低压渐向北上, 青藏高压东南移, 东部高脊稳定、向北挺, 久治涡处在这“两高”之间的切变环境场中有2次折向(向反方向移), 继续打转。积分48 h[7月4日20:00, 图 7(c)], 40°N以北东亚形势在两槽一脊型下, 热带低压北行到了长江口附近, 东部高脊在朝鲜半岛至内蒙古东南部, 青藏高压移到了高原东部, 这“两高”之间的切变环境场比积分42 h的稍有东移, 久治涡在此切变环境场中由东移转为东南移, 打转结束。积分54 h(7月5日02:00), 热带低压稍有北上, 中心在29°N、123°E, 东部高脊减弱南缩, 青藏高压移到了东部边缘, 久治涡在所处的东部高脊、甘肃高压与贝湖东南部高压间的切变环境场中减弱将消失。
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图 7 控制试验的久治涡打转时(a~c)500 hPa位势高度(等值线, 单位: dagpm)和风场(矢量, 单位: m·s-1)分布 C、G分别为低涡、高压中心位置 Figure 7 The simulation geopotential height (contour, unit: dagpm) and wind field (vector, unit: m·s-1) at 500 hPa of Jiuzhi vortex when it is spinning (a~c) by control experiment.The character C, G denote the plateau vortex position and high pressure center respectively |
试验1:积分12 h (7月3日08:00)久治涡开始打转时, 东亚形势与控制试验的相同, 为一脊一槽型, 但贝湖西部高脊比控制试验的偏西(图略)。由分析试验1与控制试验的500 hPa高度差值场看到, 积分12 h青藏高压位势高度比控制试验的偏低, 贝湖西部高脊后部、黄河以南及热带低压、东部高脊的大部分区域的位势高度比控制试验的偏高[图 8(a)], 反映了此时试验1的青藏高压比控制试验的偏弱, 造成了贝湖西部高脊西退; 东部高脊稳定, 其中高压中心比控制试验的西移; 副高588 dagpm线比控制试验的西伸, 形成了东部高脊与青藏高压间的切变环境场, 此切变环境场区域比控制试验的槽区向西、北扩, 久治涡处在此切变环境场中将向西移, 开始打转, 但比控制试验的晚了6 h。积分18 h (7月3日14:00), 贝湖西部高脊区、东部高脊区的位势高度比控制试验的偏低, 青藏高压、热带低压的位势高度比控制试验的偏高[图 8(b)], 反映了此时试验1的青藏高压比控制试验的偏强, 造成了青藏高压、贝湖西部高脊比控制试验的稍偏西; 东部高脊的高压中心比控制试验的东移, 此切变环境场比积分12 h的宽, 比控制试验的向东、南扩, 久治涡在此切变环境场中将向东移, 这是试验1中久治涡打转关键转向时。之后, 贝湖西部高脊缓慢东移到贝湖东南部, 积分30 h(7月4日02:00), 40°N以北东亚形势由一脊一槽型转为两槽一脊型。而后, 热带低压渐向北上, 比控制试验的强; 青藏高压渐向东移, 东部高脊渐向东退, 久治涡所处的此切变环境场有些东移, 久治涡在此切变环境场中有4次折向(向反方向移), 继续打转。积分60 h(7月5日08:00), 东亚形势仍为两槽一脊型, 贝湖东南部高压中心区、热带低压区位势高度比控制试验的偏高, 东部高脊区北部、四川北部高压的西半部位势高度比控制试验的偏低[图 8(c)], 造成了贝湖东南部高脊加强, 东部高脊北部南缩, 热带低压、四川北部高压减弱, 使贝湖东南部高压与四川北部高压之间的切变环境场减弱, 久治涡将减弱消失, 但此切变环境场比控制试验的持续时间长。由上看出, 热带低压增强, 会使切变环境场先向西、北扩, 再向东、南扩, 久治涡开始打转时间推迟, 打转过程的时间增长, 打转中折向次数增多。
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图 8 试验1与控制试验的久治涡打转时(a~c)500 hPa位势高度差值(单位: gpm)分布 C、G分别示为低涡、高压中心位置, 框线内区域示为切变环境场 Figure 8 The geopotential height difference field at 500 hPa of Jiuzhi votex when it is spinning (a~c) by experiment 1 and the control experiment.Unit: gpm.C and G denote the plateau vortex and high pressure center positions respectively, the frame area is the shearing field region |
试验2:积分6 h(7月3日02:00), 40°N以北东亚形势与控制试验、试验1的相同, 为一脊一槽型, 但贝湖西部高脊位势高度比控制试验的稍偏东。贝湖西部高脊后部、渤海高压、四川西部高压中心区位势高度比控制试验的偏高, 中国西部与台湾以东的绝大部分地区的位势高度比控制试验的偏低[图 9(a)], 反映了此时试验2的贝湖西部高脊、渤海高压、热带低压比控制试验的偏强, 造成了渤海高压比控制试验的稍偏东, 副高588 dagpm线比控制试验的稍偏东北, 四川西部高压比控制试验的偏东、偏弱, 形成了东部高脊与四川西部高压间的切变环境场, 此切变环境场西北、西南区域比控制试验槽区的缩小, 久治涡处在此切变环境场中将向东北移, 开始打转。积分12 h(7月3日08:00), 贝湖西部高脊区、渤海高压、青藏高压位势高度比控制试验的偏高, 黄河以南绝大部分地区、热带低压的位势高度比控制试验的偏低[图 9(b)], 反映了此时试验2的贝湖西部高脊、渤海高压、青藏高压、热带低压比控制试验的偏强, 出现了与试验1相反的情况。渤海高压比控制试验的稍北移, 副高588 dagpm线比控制试验的稍向东退。久治涡处在东部高脊与青藏高压间的切变环境场中稍向西移, 这是试验2中久治涡打转关键转向时, 此切变环境场比控制试验的稍向东、北扩。之后, 贝湖西部高脊逐渐东移, 积分36 h 40°N以北东亚形势转为两槽一脊型。而后, 热带低压渐向北上, 比控制试验的弱且稍偏向东南; 青藏高压渐向东北移, 东部高脊稳定, 久治涡所处的此切变环境场有些北移, 久治涡在此切变环境场中有2次折向, 继续打转。积分54 h(7月5日02:00), 东亚形势仍为两槽一脊型, 青藏高压己移到甘肃南部, 贝湖东南部高脊区、甘肃南部高压、副高的位势高度比控制试验的偏低, 这与试验1的情况相反。热带低压区的位势高度比控制试验的偏高[图 9(c)]。造成了贝湖东南部高脊减弱, 东部高脊减弱南缩, 热带低压、甘肃南部高压减弱, 使贝湖东南部高压与甘肃南部高压之间的切变环境场减弱, 久治涡将减弱消失, 此切变环境场东部比控制试验的缩小。由上看出, 热带低压减弱, 会先使切变环境场的西北、西南区域缩小, 再使其稍向东、北扩, 打转结束时此切变环境场的东部缩小。久治涡打转中折向次数减少。
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图 9 试验2与控制试验的久治涡打转时(a~c)500 hPa位势高度差值分布(单位: gpm) C、G分别示为低涡、高压中心位置, 框线内区域示为切变环境场 Figure 9 The geopotential height difference field at 500 hPa of Jiuzhi votex when it is spinning (a~c) by experiment 2 and the control experiment.Unit: gpm.C and G denote the plateau vortex and high pressure center positions respectively, the frame area is the shearing field region |
久治涡对比试验的500 hPa高度场、风场分析表明:随着热带低压强度的增强, 影响久治涡打转活动的切变环境场区域扩大, 打转活动中折向次数增多。这是由于热带低压强度增强, 使其热带低压北部气流流入副高西北侧, 增强副高西北侧的风场, 影响副高西北伸, 使副高与其西北的高压打通, 从而影响切变环境场位置而造成的。这与朱乾根等(1981)指出的500 hPa上副高北部的西南风加强且范围扩大, 则副高加强北跳相似。热带低压强度的减弱, 久治涡打转活动的切变环境场区域、折向次数, 出现了与热带低压强度增强的相反结果。
6 结论与讨论(1) 在我国邻近洋面上有台风或热带低压活动会造成持续高原涡路径异常。其中, 在中国大陆以东至140°E以西洋面上台风或热带低压向北活动, 它会造成持续高原涡在河套地区打转。
(2) 持续高原涡在河套地区打转, 主要是由于在中国大陆以东至140°E以西洋面上台风或热带低压向北活动, 使副高北抬, 会使蒙古高压与副高之间的切变环境场或青海高压和副高与蒙古东部高压打通的高压之间的切变环境场持续, 持续高原涡处在相对较弱的切变环境场中东移受阻造成的。
(3) 数值试验表明, 随着向北移动的热带低压强度的增强, 热带低压移速减慢, 热带低压位置偏南, 使低涡打转位置偏向东, 打转过程中折向次数增多。热带低压强度减弱, 会出现与热带低压强度增强的相反的结果。随着向北移动的热带低压的强度增强, 使其热带低压北部气流流入副高西北侧, 增强副高西北侧的风场, 影响副高西北伸, 使副高与其西北的高压打通, 从而影响切变环境场位置, 使影响久治涡打转活动的切变环境场区域扩大。热带低压强度减弱, 会使影响久治涡打转活动的切变环境场区域缩小。
根据1998-2015年历史天气图分析发现, 持续高原涡有一种异常路径是在河套地区打转。通过对在河套地区打转的高原涡的环境场分析, 得出了影响高原涡这种异常路径的环境场特征。今后还需要通过更长年份的资料和更多的个例分析验证高原涡的这种异常路径的环境场特征。
通过对久治涡活动过程的数值模拟以及对热带低压强度增强、减弱的数值试验分析, 得出了向北移动的热带低压活动会影响高原涡在河套地区打转的切变环境场。今后需进行影响高原涡在河套地区打转的成因分析, 及与热带低值系统的相关性数值试验。
致谢 感谢中国气象局上海台风研究所提供的台风、热带风暴以及热带低压历史资料。
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