1 引言

青藏高原低涡主要在青藏高原主体生消, 是高原降水的主要天气系统之一。会造成冬季的高原暴雪、夏季的高原暴雨(郁淑华等, 2012; 何光碧等, 2016)。它一般在高原的西半部产生, 消失于高原的东半部(青藏高原气象科学研究拉萨会战组, 1981)。也有些高原低涡会东移出高原主体, 在高原以东广大地区产生暴雨、大暴雨(何光碧等, 2009a; 唐信英等, 2014; 刘新超等, 2014; 郁淑华等, 2007a; 孔祥伟等, 2015)。

为此, 近10年来气象工作者较重视东移高原低涡的研究。何光碧等(2009b)指出, 冷暖空气交汇导致辐合流场的维持和加强, 是低涡得以维持和加强的重要因素。郁淑华等(2007b, 2008)指出, 高原低涡处在斜压不稳定增强情况下会移出高原的; 低涡西部的冷平流加强将会使低涡发展加强, 在高原以东活动持续。田珊儒等(2015)指出, 高原中西部地面感热加热是高原低涡生成、发展、东移的主导因子。李国平等(2014)还指出, 移出的高原低涡以东移为主。高文良等(2018)指出, 高原涡对西南涡的诱发作用是由高原涡移出高原, 其伴随的正涡度向下伸, 与对流层低层盆地内气流的气旋性弯曲所伴的正涡度叠合, 使盆地内气旋性涡度加强而诱发西南涡生成的。许威杰等(2017)指出, 低层凝结潜热加热对低层的位涡变化起主要作用, 有利于高原低涡的增强与东移。邱静雅等(2015)指出, 当高原涡移出高原与盆地西南涡垂直耦合、合并为一个深厚的强涡。上述研究丰富了对高原低涡东移的认识。

最近, 也有些高原低涡异常路径的研究, Xiang et al(2013)利用热带雨量测量任务(TRMM)卫星探测资料分析了一次“折回高原”的高原低涡活动过程, 指出云冰粒子在7~8 km快速增加, 高原低涡会向西移。董永昌等(2015)从能量角度分析了一次高原低涡移出高原后又迁回移入高原的过程, 指出高原低涡移入高原, 低涡中心的标准化对流有效位能分布变得松散, 圆形“空心”结构消失。郁淑华等(2018)对在河套地区打转的高原涡的环境场进行了模拟与数值试验, 指出热带低压强度变化, 会影响副热带高压位置, 从而会影响低涡打转活动的切变环境场, 造成低涡打转位置与次数的变化。郁淑华等(2018)还指出在1998—2015年中, 在异常路径路径高原涡中, 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。但目前对高原低涡异常路径的研究还很缺乏, 尤其是与热带低压相联系的高原低涡移出高原后的路径的研究更加缺乏。

在一类高原低涡异常路径的环境场分析(郁淑华等, 2018)研究基础上, 试图对持续高原涡在河套地区打转的活动过程进行对流层中层风场特征与涡度收支比较分析, 以探讨风场对持续高原涡在河套地区打转的影响。

2 资料选取和方法介绍 2.1 资料选取

近年来, 国家环境预测中心/国家大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析资料已经在高原得到广泛使用(宇婧婧等, 2011; 王学佳等, 2013; 吴迪等, 2016; 林志强, 2016; 李山山等2017), 并有不少应用在高原低涡的分析方面(郁淑华等, 2007a, 2007b; 何光碧等, 2009b; 刘云丰等, 2016; 李国平等, 2016)。所用资料是2000, 2002和2005年7—8月NCEP/NCAR提供的每日08:00(北京时, 下同)和20:00的1°×1°再分析资料。

2.2 方法介绍

涡度方程在中尺度天气系统的诊断分析中己得到广泛应用(Chang et al, 2000; 孙国武等, 1987; 何光碧等, 2009b, 肖递祥等, 2016), 从动力学观点考虑, 用涡度方程诊断与气旋辐合相伴的高原低涡发展维持机制是合理的。因此, 方法是采用郁淑华等(2018)在河套地区打转的持续高原涡活动个例(表略), 对在移出高原时、河套地区打转开始、打转重要转向时与打转结束时的对流层中层风场、涡度场、涡度平流场及涡度收支进行对比分析, 主要分析在河套地区打转开始与打转重要转向时。

P坐标系中的涡度方程为

$ \begin{array}{l} \frac{{\partial \zeta }}{{\partial t}} = - \left({u\frac{{\partial {\zeta _a}}}{{\partial x}} + v\frac{{\partial {\zeta _a}}}{{\partial y}}} \right) - \omega \frac{{\partial \zeta }}{{\partial p}} - {\zeta _a}D\\ \;\;\;\;\;\;\;\; - \left({\frac{{\partial \omega }}{{\partial x}}\frac{{\partial v}}{{\partial p}} - \frac{{\partial \omega }}{{\partial y}}\frac{{\partial u}}{{\partial p}}} \right) = {\zeta _h} + {\zeta _v} + {\zeta _d} + {\zeta _c} = {\zeta _s} \end{array} $

(1)

式中: ζ_s表示总涡度变率; ζ_h、ζ_v、ζ_d、ζ_c分别表示水平绝对涡度平流输送项、涡度垂直输送项、散度项和扭转项。

高原低涡、持续高原涡、高原低涡在河套地区打转与打转时次的说明同郁淑华等(2018)。

高原低涡河套地区打转的范围是指高原低涡打转开始到打转结束的全打转过程中高原低涡活动的范围。

3 500 hPa风场对河套打转涡的影响

郁淑华等(2018)分析得出, 久治涡、共和涡因有台风西北进, 在横向切变流场中进行打转活动, 合作涡因热带低压北移, 在纵向切变流场中进行打转活动。下面分析这3个在河套地区打转的高原涡的500 hPa风场特征。

3.1 涡区风场对河套打转涡的影响

表 1给出了河套地区打转个例低涡的涡区内风场情况与低涡移向。由表 1看出, 在久治涡、合作涡移出高原后, 各时次基本上按低涡区域内最大风速的风向移动。在共和涡移出高原后, 各时次基本上也按低涡区域内最大风速的风向移动, 重要转向时的移向不同。说明了这三个低涡移出高原后一般是按低涡区域内最大风速的风向而移动的。分析还可知, 在开始打转时与重要转向时中的对低涡移向转有西风分量的时次, 低涡区域内风速的分布比前一时次有明显的改变。只是合作涡低涡区域内风场比另外两个涡的弱, 在河套地区打转的区域比另外两个涡的小。反映了河套地区打转的持续高原涡风场非对称结构对低涡移向异常影响大, 低涡风场的非对称结构可能是造成低涡移向异常-在河套地区打转的原因之一。

3.2 环境风场对河套打转涡的影响

在久治涡活动过程中, 有威马逊台风在靠近久治涡。2002年7月1日20:00至5日08:00期间此台风西北进, 台风北部东南气流加入到副高西南侧气流中, 使副高北抬, 久治涡东移受阻。2日20:00涡区(图 1中红色框线区域)内由东部风速大于西部风速的风场分布改变为准对称, 久治涡向北移[移出高原时, 图 1(a)], 3日08:00涡区内风场改变为南部风速大于北部风速的风场分布, 使久治涡由北移转向东北东移[开始打转时, 图 1(b)]; 20:00[重要转向时, 图 1(c)], 由于台风北移, 靠近久治涡, 造成了久治涡涡区的风场分布改变为东部风速大于西部风速的风场分布, 久治涡转向北北西移。4日08:00, 此台风北部东南气流直接流入到久治涡外围, 造成了久治涡涡区内风场分布改变为北部风速大于南部风速的风场分布, 使久治涡偏南移(图略)。之后, 此台风东部偏南气流流入到副高西侧气流中, 使副高加强, 久治涡的风场分布改变为西部风速大于东部风速, 5日08:00, 久治涡风场减弱、呈准对称分布, 久治涡打转结束, 将消失[图 1(d)]。

在共和涡活动过程中, 有麦莎台风在登陆后接近共和涡。2005年8月6日08:00, 麦莎台风在福建登陆后, 有此台风北部的东南东气流流到共和涡东南部外围, 使共和涡涡区内风场分布为南部风速大于北部风速, 共和涡由北北东移向转为东南东移向[移出高原时, 图 2(a)]; 20:00, 此台风北部气流流入到共和涡的区域扩大, 使其涡区内风场分布改变为北部风速大于南部风速, 共和涡由东南东移向转为西北西移向[开始打转时, 图 2(b)]; 7日08:00此台风减弱, 较前更接近共和涡, 此台风北部气流流入到共和涡东部外围, 共和涡涡区内风场分布仍为北部风速大于南部风速, 共和涡转向东北移[重要转向时, 图 2(c)]; 20:00此台风北部气流流入到共和涡东北部外围, 使20:00共和涡涡区内风场与08:00有相反的分布, 共和涡转为东南移向。之后, 台风北部气流流入贝湖东南部高压底部, 加强了共和涡所处的切变流场, 使共和涡持续活动时间长, 也影响共和涡涡区内的风场分布, 从而影响共和涡移向东, 在8日20:00打转结束[图 2(d)], 但此低涡仍持续。

在合作涡活动过程中, 主要受0004号热带低压的影响。0004号热带低压在2002年7月4日20:00之前缓慢北移。合作涡3日08:00移出高原[图 3(a)], 3日20:00此热带低压的东南气流与副高底部气流汇合流入河北北部, 使中国东北地区的高脊稳定, 风场分布为西部风速大于东部风速, 合作涡移向南。4日08:00此热带低压的东南气流流入合作涡南部, 造成了合作涡涡区内风场分布改变, 合作涡移向南南东。4日20:00至5日08:00期间此热带低压的东南气流流入合作涡外围, 造成了合作涡涡区内风场分布改变为西部风速大于东部风速, 合作涡移向东南。5日20:00, 0003、0004号热带低压相互靠近、北进, 贝湖高脊与中国东北高脊合并, 合作涡外围没有热带低压的入流气流, 合作涡涡区内风场分布改变为准对称的风场分布, 合作涡稍向西移[开始打转时, 图 3(b)]。6日08:00, 0004号热带低压稍向北移, 0004号热带低压北部气流有部分流入合作涡东南部外围, 合作涡涡区内风场分布改变为南部风速略大于北部风速的准对称风场分布, 合作涡转向北移[重要转向时, 图 3(c)]。之后, 0004号热带低压转向东北移, 合作涡风场渐减弱、趋向对称, 7日20:00打转结束, 低涡将消失[图 3(d)]。

由上可知, 在河套地区打转的高原涡活动过程中, 有台风或热带低压北进, 使其气流影响低涡附近的高压环流, 或在台风、热带低压北进向低涡靠近中, 台风、热带低压气流流入低涡或低涡外围。共和涡比久治涡距离台风近, 共和涡受台风直接影响比久治涡的大, 造成了共和涡转向次数比久治涡的多, 影响共和涡打转程度比久治涡的严重。合作涡与热带低压距离比另外两个涡的远, 受台风或热带低压气流的直接影响比另外两个涡的小, 造成了合作涡打转区域比另外两个涡的小、偏南。说明了热带低压活动可影响持续高原涡的环境风场, 环境风场改变了持续高原涡的风场结构, 从而影响持续高原涡的移向。

4 涡度场、涡度平流与涡度收支特征

由风场分析可知, 在河套地区打转的高原涡活动过程中, 造成高原涡的移向改变与高原涡的环境风场、高原涡的风场结构有关, 为了更清楚的看出高原涡的环境风场及其涡区风场结构对高原涡移向的影响, 下面进行了涡度、涡度平流、涡度收支分析。

4.1 涡度场、涡度平流特征

500 hPa涡度场、涡度平流场上(图略):久治涡、共和涡、合作涡在河套地区打转期间, 低涡所处的影响天气系统伴随有大片正涡度区, 在打转期间, 正涡度区走向会发生变化, 低涡向正涡度加强明显的区域移动, 从而影响低涡的移向, 当低涡所处的正涡度区、正涡度平流区缩小、减弱, 低涡打转结束。反映了高原涡在河套地区打转期间, 环境风场变化会使高原涡所处的正涡度区、正涡度平流区位置发生变化而影响低涡的移向。

图 4给出了久治涡、共和涡、合作涡在河套地区打转期间涡区内平均涡度、平均正涡度平流、最大正涡度平流的演变。由图 4可见, 这三个涡涡区内平均涡度都为正值, 久治涡的值比共和涡、合作涡的大, 但共和涡、合作涡的在增大。说明低涡在河套地区打转、持续活动与低涡区域维持有较大正涡度或正涡度在加强有关。

由对这3个低涡在打转期间涡区内平均正涡度平流、最大正涡度平流分布曲线(图 4, 其中1、2、3、4时次分别代表低涡移出高原时、开始打转时、重要转向时、打转结束时)看出, 这3个低涡开始打转时, 低涡涡区内平均正涡度平流区在增强, 久治涡比共和涡、合作涡更明显。重要转向时, 久治涡、共和涡涡区内平均正涡度平流大于4×10^-10 s^-2, 久治涡仍比共和涡大, 合作涡涡区内平均正涡度平流稍有减少, 涡区内平均正涡度平流为3.39×10^-10 s^-2。合作涡涡区内平均正涡度平流在打转期间的最大值3.76×10^-10 s^-2, 比久治涡的(6.47×10^-10 s^-2)、共和涡的(4.09×10^-10 s^-2)小, 但这3个低涡在打转期间涡区内平均正涡度平流都大于2.75×10^-10 s^-2。在打转期间这3个低涡涡区内最大正涡度平流都在11×10^-10 s^-2以上, 久治涡、共和涡的最大正涡度平流分别是17.96×10^-10 s^-2、20.53×10^-10 s^-2, 合作涡的为13.37×10^-10 s^-2。说明低涡在河套地区打转活动与低涡区域存在着较大的涡区平均正涡度平流与大的涡区最大正涡度平流有关。

由图 4还看出, 合作涡涡区内的平均正涡度平流、最大正涡度平流比久治涡、共和涡的小。结合图 1分析, 其原因可能是由于久治涡、共和涡在打转期间处在横向切变流场中, 分别有热带低压移近我国东南大陆、在我国东南大陆登陆, 前者使其热带低压北部的东南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, 从而加强低涡东南侧的西南气流; 后者有热带低压的气流流入低涡东侧, 并且热带低压气流流入低涡的区域在扩大, 加强了低涡涡区的气流, 造成久治涡、共和涡内有沿气流方向涡度明显减少的区域, 即正涡度平流明显加强的区域; 而合作涡在打转期间热带低压距离我国东南大陆远, 在135°E附近北移, 使我国东北高压与渤海高压形成的南北向高压坝持续, 利于合作涡所处的纵向切变流场持续, 重要转向时热带低压有部分气流流入合作涡外围, 使低涡涡区内的气流变化不大, 所以造成合作涡内正涡度平流增强不及久治涡、共和涡。由上反映了高原涡在河套地区打转期间, 环境风场影响涡区内风场结构变化, 会使涡区内维持大的平均正涡度平流、最大正涡度平流; 结合郁淑华等(2018)中的图 1, 还反映了涡区内平均正涡度平流增强越明显, 打转区域越大。

4.2 涡度收支特征

图 5为久治涡、共和涡、合作涡在河套地区打转期间涡区内平均总涡度变率(简称总涡度变率)和水平绝对涡度平流输送项、涡度垂直输送项、散度项和扭转项的演变。由图 5可以看出, 久治涡、共和涡、合作涡从低涡移出高原到在河套地区打转结束, 低涡区域内平均总涡度变率都为正值。结合这三个涡的涡度特征, 反映了与低涡在河套地区打转活动所依赖的正涡度的维持与发展的动力机制受决于总涡度变率正值的发生与发展的各贡献项。移出高原时久治涡、共和涡的总涡度变率较小, 在0.1×10^-9~0.5×10^-9 s^-2, 合作涡的则很大, 为1.14×10^-9 s^-2。结合这三个涡的风场[图 1(a)、2(a)、3(a)]看出, 这是由于虽然合作涡、久治涡都是随低槽移出高原, 但合作涡所处的低槽比久治涡的强, 合作涡所处的低槽的前部偏南气流比久治涡的强, 会造成合作涡正涡度平流输送比久治涡的强, 合作涡水平绝对涡度平流输送比久治涡的强(因ζ_a=ζ+f, f在2个纬距的差值很小, 比ζ的小1~2个量级, 所以涡区水平绝对涡度平流主要取决涡度平流); 共和涡由于台风位置比久治涡的偏西偏北, 使副高位置比久治涡的偏西偏北, 共和涡东部偏南气流比久治涡的强, 造成共和涡水平绝对涡度平流输送比久治涡的强, 所以造成了此时合作涡正总涡度变率最大, 共和涡次之。之后久治涡、共和涡的总涡度变率在增强, 在开始打转时共和涡增强比久治涡的明显, 重要转向时久治涡增强比共和涡的更明显, 结合风场(图 1、2)看出, 这是由于在开始打转时共和涡有台风气流流入低涡东、北部, 增强了低涡环流, 久治涡仍处在低槽内, 造成了此时共和涡正总涡度变率增强比久治涡的大; 在重要转向时, 虽然久治涡、共和涡都有台风气流流入低涡东部外围, 但久治涡所伴的台风在加强, 而共和涡所伴的台风在减弱, 造成了久治涡的横向切变环境场比共和涡的强, 此时久治涡正总涡度变率增强比共和涡的明显。结合风场(图 2)还看出, 共和涡在开始打转时与重要转向时正总涡度变率增加程度相同, 这是因在开始打转时与重要转向时的环境风场变化不大的缘故。合作涡移出高原后到在河套地区打转结束, 总涡度变率在减弱。结合风场(图 3)看出, 合作涡在开始打转时, 由于所伴的0004号热带低压北移, 副高北抬与蒙古东部高压打通形成“东部高压坝”, 低涡处在此“东部高压坝”与青海高压之间的纵向切变环境场中, 辐合强度减弱, 造成了此时合作涡正总涡度变率没有共和涡的大; 在重要转向时, 合作涡仍处在的纵向切变环境场, 辐合强度比久治涡、共和涡的弱, 并且此时0004号热带低压转为东北移, “东部高压坝”有些东移减弱, 使低涡所处的纵向切变环境场有些东移减弱, 使此时合作涡水平绝对涡度平流输送项作用减弱, 造成了此时合作涡正总涡度变率比久治涡、共和涡的小, 比开始打转时的减少。反映了在河套地区打转的低涡所处的低槽、横向切变环境场与纵向切变环境场三种不同的环境风场的变化, 可影响涡区的风场结构的变化, 使低涡总涡度变率的贡献项相应有不同的变化, 相应低涡总涡度变率有不同的变化。

由式(1)可知, 总涡度变率正负值大小由水平绝对涡度平流输送项、涡度垂直输送项、与流场辐合辐散相关的散度项和垂直风的水平切变与水平风的垂直切变(简称扭转项)的共同作用所决定。下面着重分析比较各低涡不同活动时次低涡的正涡度变率及对总涡度率的各贡献项的关系。

由图 5看出, 久治涡、共和涡正总涡度变率与散度项的走势基本一致, 涡度垂直输送项、涡度扭转项、水平绝对涡度平流输送项的值很小。说明在河套地区打转期间, 久治涡、共和涡正总涡度变率主要来自于散度项, 结合风场(图 1、图 2)看出, 这是由于在久治涡在开始打转前处在低槽中, 之后处在横向切变环境场中, 共和涡移出高原后一直处在横向切变环境场中, 正涡度辐合使得散度项对总涡度变率贡献最大, 低涡区域内涡度垂直输送、水平输送与垂直运动水平方向不均匀分布所引起的涡度变化对低涡总涡度变率贡献小。比较图 5(a), (b)看出, 虽然久治涡、共和涡正总涡度变率主要来自于散度项, 但是有差别的。在移出高原时, 共和涡的散度项对低涡总涡度变率的贡献比久治涡的大, 结合风场[图 1(a)、2(a)]看出, 此时久治涡处在低槽中, 低槽后部西北气流有负涡度输送入低涡, 使久治涡水平绝对涡度平流输送项对低涡总涡度变率负贡献比共和涡的大很多, 造成了低涡总涡度变率久治涡的比共和涡的小。在开始打转时, 这两涡的散度项对低涡总涡度变率的贡献值接近, 使低涡总涡度变率增加, 但由于久治涡还处在低槽中, 槽后西北气流的负涡度输送没有减弱[图 1(b)], 造成了久治涡总涡度变率仍比共和涡的小。在重要转向时, 久治涡、共和涡都处在横向切变环境场中, 久治涡辐合流场比共和涡强[图 1(c)、2(c)], 散度项对久治涡总涡度变率的贡献值比共和涡的大, 造成了低涡总涡度变率久治涡的比共和涡的大; 而此时久治涡区东部及以东成片的偏南气流比开始打转时有些加强[图 1(c)], 水平绝对涡度平流输送项对久治涡总涡度变率贡献值比开始打转时有些增大, 共和涡东部及以东成片的偏南气流比开始打转时明显加强[图 2(c)], 水平绝对涡度平流输送项对共和涡总涡度变率贡献值比开始打转时有较大增加, 也比此时久治涡的大。在低涡附近偏南气流的引导下, 这两涡转向偏北方向移, 造成了低涡明显转向。这与受西风大槽加深影响的低涡在槽底气流引导下沿气流方向移动的移向是不同的(青藏高原气象科学研究拉萨会战组, 1981)。在打转结束时, 这两涡的散度项对低涡总涡度变率的贡献值接近, 这是因这两涡仍处在横向切变环境场中正涡度辐合造成的[图 1(d)、2(d)]; 由于共和涡涡区西部有青海高压前部西北气流的负涡度弱输送[图 1(f)], 造成了共和涡总涡度变率比久治涡的稍小些。

合作涡正总涡度变率曲线与散度项的相似, 但值相差大, 合作涡正总涡度变率主要来自水平绝对涡度平流输送项[图 5(c)]。这是由于低涡在纵向切变环境场中正涡度平流输送使得水平绝对涡度平流输送项对正总涡度变率贡献最大。在移出高原时, 合作涡总涡度变率大, 合作涡处在低槽中, 此时散度项对低涡总涡度变率的贡献值与久治涡移出高原时的接近[图 5(b)], 但由于合作涡所处的低槽其前部西南气流有正涡度输送入低涡[图 3(a)], 使水平绝对涡度平流输送项对总涡度变率有大的贡献, 垂直风的水平切变与水平风的垂直切变即扭转项对总涡度变率也有些的贡献, 造成了此时合作涡总涡度变率为这三个涡中最大; 此时合作涡正总涡度变率依次来自水平绝对涡度平流输送项、散度项、扭转项的贡献。在开始打转时、重要转向时, 合作涡正总涡度变率与水平绝对涡度平流输送项的值相近, 合作涡的正总涡度变率主要是由水平绝对涡度平流输送项作贡献, 散度项也有小的贡献。这是由于这两个时次合作涡处在纵向切变环境场中涡度平流输送更明显, 造成水平绝对涡度平流输送项值大, 合作涡这一涡度平流输送更明显的原因是:低涡东旁的偏南气流流入涡区造成了涡区东部南面偏南气流强, 北面偏南气流弱, 有正涡度平流输送; 而低涡西旁的偏北气流, 在涡区西部南面偏北气流强, 北面偏北气流弱的情况下, 由于偏北气流将弱的负涡度向强的负涡度输送, 也产生正涡度平流而造成的。合作涡处在纵向切变环境场中, 低涡附近受南、北两支气流的引导, 造成了合作涡东移受阻, 打转范围小, 比久治涡、共和涡的小。在打转结束时, 合作涡的水平绝对涡度平流输送项的值与开始打转时的接近, 但散度项、扭转项对合作涡总涡度变率的负贡献, 使合作涡正总涡度变率为低涡打转过程中最小, 这是由于此时合作涡虽处在纵向切变环境场中, 但0004号热带低压转向东北移, 使合作涡所处的纵向切变环境场减弱, 合作涡风场减弱[图 3(d)], 低涡将减弱消失造成的。

由对久治涡、共和涡、合作涡500 hPa低涡区域内总涡度变率分布(图 6~8), 结合表 1分析看出, 在河套地区打转期间处在横向、纵向切变环境场活动的低涡, 低涡移向基本上是与低涡中心向正总涡度变率中心区移动的方向一致, 反映了低涡在天气系统较弱的切变环境场情况下, 低涡一般是移向利于低涡维持与发展的区域。处在受阻低槽中的低涡是沿低涡区域内最强风移动的。

由上可知, 低涡在河套地区打转活动所伴的正涡度的维持与发展的动力机制主要是取决于正值总涡度变率发生与发展的各贡献项。在河套地区打转的低涡所处的低槽、横向切变环境场与纵向切变环境场的不同环境风场的变化, 可影响涡区的风场结构的变化, 相应总涡度变率的各贡献项有不同变化, 低涡总涡度变率有不同的变化。不同的环境场与打转的低涡之间的联系, 主要是处在低槽中的低涡(只在久冶涡打转开始时), 涡度方程中的散度项起了主要作用; 低涡处在横向切变环境场中, 涡度方程中的散度项起了主要作用, 水平绝对涡度平流输送项也有一些的作用; 处在纵向切变环境场的低涡, 涡度方程中的水平绝对涡度平流输送项起了主要作用。反映了主要在横向切变环境场中活动的打转低涡的维持与发展的动力机制不仅与辐合流场维持及发展对正涡度变率有较大贡献外, 还与环境场中偏南风引导气流的一部分流入低涡造成的水平绝对涡度平流输送项对正涡度变率的贡献有关; 在纵向切变环境场中活动的打转低涡的维持与发展的动力机制与环境场中低涡东、西两旁偏南、偏北风引导气流的一部分造成的水平绝对涡度平流输送项对正涡度变率的贡献密切相关。这与西风槽东移带动的低涡对正涡度变率贡献最大的是散度项, 绝对涡度水平平流对正涡度变率影响相反是不同的(何光碧等, 2009b)。在天气系统较弱的切变环境场中低涡周围环境风场的气流引导对低涡转向是有影响的; 低涡在切变环境场中活动一般是移向正总涡度变率中心区的, 低涡在受阻低槽中活动是移向低涡区域内最强风的下风方向。

5 结论

利用NCEP/NCAR再分析资料等资料, 分析研究了风场对伴有热带低压向北活动的持续高原涡在河套地区打转的影响。主要结论如下:

(1) 热带低压活动可影响持续高原涡的环境风场, 环境风场改变了持续高原涡的风场结构, 从而会影响持续高原涡的移向。

(2) 持续高原涡在河套地区打转整个过程中, 低涡一般按低涡区域内最大风速的风向而移动的。反映了河套地区打转的持续高原涡风场非对称结构对低涡移向异常影响大。

(3) 低涡在河套地区打转活动所伴的正涡度的维持与发展的动力机制主要取决于正值总涡度变率发生与发展的各贡献项。低涡所处的低槽、横向切变环境场与纵向切变环境场的不同环境风场的变化, 可影响涡区的风场结构的变化, 相应总涡度变率的各贡献项有不同变化, 低涡总涡度变率不同的变化。

(4) 在河套地区打转的低涡主要是处在横、纵向切变环境场中活动, 不同分布的切变环境场中的低涡, 对涡区正总涡度变率贡献机制是不同的。在横向切变环境场中活动的低涡的维持与发展的动力机制不仅与辐合流场维持及发展对正涡度变率有较大影响密切相关, 还与环境场中偏南气流造成的水平绝对涡度平流输送项对正涡度变率的贡献有关; 在纵向切变环境场中活动的河套地区打转低涡的维持与发展的动力机制与环境场中低涡东、西两旁偏南、北气流造成的水平绝对涡度平流输送项对正涡度变率的贡献密切相关。

(5) 在切变环境场这一较弱的天气系统中的打转低涡, 低涡周围环境风场的气流引导对低涡转向是有影响的; 低涡一般是移向利于低涡维持与发展的正总涡度变率中心区的, 在受阻低槽中的打转低涡是沿低涡区域内最强风移动的。

通过对在河套地区打转的3个个例在不同活动阶段的对流层中层风场特征与涡度收支分析, 得出了高原涡在处在相对较弱的切变环境场中, 风场非对称结构对低涡移向异常影响大; 不同分布的环境风场中的低涡对涡区正总涡度变率贡献机制是不同的等一些新认识。今后还需要通过更多的个例分析得以中验证。对高层环境场、高层引导气流、冷空气和非绝热加热等对低涡在河套地区打转的影响还有待深入研究。

致谢: 感谢审稿人对本文提出极有价值和建设性的意见与建议。