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暖空气

暖空气是指位于高温区的空气。暖空气一般为高压。经常和冷空气交锋。

全球各处空气的温度是不同的,在水平方向上和垂直方向上都有差别。冷空气和暖空气是从气温水平方向上的差别来定义的。我们可以在水平面上根据各点的温度值绘制等温线(连接相同温度点的曲线,见附图),这样便分出了高温区和低温区。位于高温区的空气称为暖空气,位于低温区的空气称为冷空气,位于它们之间的区域称为过渡区。

如果过渡区中的等温线十分密集,则称此过渡区为锋区或锋。所以锋区或锋的较高温一侧是暖空气,较低温一侧是冷空气。

暖空气上升、冷空气下降是大气运动最简单的形式,由于地面的冷热不均而形成的空气环流。其形成过程为:受热地区大气膨胀上升,近地面形成低气压,而高空形成高气压;受冷地区相反,从而在近地面和高空的水平面上形成了气压差,促使大气的水平运动,形成高低空的热力环流。

举个例子:锅盖揭开,热气会向上冒;而打开冰箱冷气会往下沉。热的地方空气受热膨胀上升,冷处收缩下沉。于是上空相同高度处,热地方单位面积空气柱重量(即气压)大,冷地方高空气压小,高空形成热-冷的气流。热处气流流失后,整个空气柱减轻,地面形成低压,冷处则形成高压,近地面形成冷-热的气流。加上上升、下沉气流,构成了热力环流。

热力环流在现实生活中存在较为广泛,例如山谷风、海陆风、城市风等都是热力环流的具体体现。

西南低涡是在青藏高原地形影响下以及在一定环流背景下产生的中尺度天气系统,几乎整年都能被观测到,但造成强降水或强对流天气的西南低涡几乎都在夏半年,它是造成我国夏半年暴雨的重要天气系统之一,尤其是引发四川夏季暴雨重要天气系统。

从环流与地形 [1] 的相互作用方面对西南低涡活动的气候特征进行了动力学研究,结果表明,由于季节变化,西南地区上空的分层(上下2层)环流结构不同,不同流型与盆地地形的相互作用激发出不同的低层扰动,进而影响西南低涡的形成。在初夏季节,低层相对薄而稳定的西南暖湿气流与高空干冷偏西气流之间形成稳定的分层流,这种分层流与地形相互作用最有利于涡旋扰动的形成,较好地解释了初夏低涡发生频繁的气候特征。在天气分析方面,众多研究通过典型个例的诊断分析、数值模拟等方法对西南涡发生发展动力机制有了清晰认识,认为西南涡的发展与地形、高低层环流配置密切相关。利用热成风适应理论探讨暖性西南涡的形成机制,结果表明地面感热加热与暖平流作用在西南涡源地形成较大的非热成风涡度,在一定层结和尺度条件下,其适应调整在低层形成暖性热低压。认为大气低层的非平衡动力强迫通过激发气流辐合和正涡度增长,进而促进西南涡的发展;对流层中层的正涡度平流强迫加剧了低涡的发展。此外,大气热力作用对西南涡的发展是不可忽略的,有不少研究指出在模式中不考虑积云对流所引起的潜热释放,夏季西南涡的发展过程就不能很好地模拟出来。

已有研究结果表明,对流层内冷暖空气活动对我国天气系统的生消有重大影响,对2002年8月12~14日托勒低涡移出高原的位涡进行诊断分析,并通过数值试验揭示了托勒低涡移出高原的冷空气侵入特征和影响机理,结果表明,该托勒低涡是受我国东北冷空气影响,有高位涡空气伸入低涡区,使冷空气迫近暖湿空气,低涡处在斜压不稳定增强情况下移出高原的。研究北半球冷暖空气入侵在热带气旋形成和加强过程中作用指出,冷空气入侵将会增强热带气旋北面的北风,即辐合增强,促进台风的发生发展,暖空气入侵减弱北面的北风,即辐合减弱。用MM4中尺度数值模式研究了低层弱冷空气活动对1996年8月3~5日特大暴雨过程的影响,结果指出,低层弱冷空气活动对河北省中南部的暴雨落区及强度有很大的影响,它有利于河北省中南部低层辐合的加强、上升运动的加剧和水汽、能量在此处的堆积。

有关于冷暖空气活动对西南涡发生发展影响作用研究较少,研究通过对一次西南涡过程进行大尺度环流形势以及对流层内冷/暖空气强度分析、利用WRF模式输出结果分析冷/暖空气活动对西南涡发展过程中的影响作用。文中用到的资料包括每日4次的NCEP/NCAR再分析格点资料(1°×1°),每日2次常规探空和每日4次地面观测资料,地面自动站逐时观测资料以及WRF模式输出高分辨率结果。

(1)降水特征

2008年7月20日00时~22日00时四川至重庆出现大暴雨天气过程,从24h雨量实况图可见(图1,UTC,文中所用时间均为世界时),7月20日00时~21日00时雨带呈南北向,降水集中在四川中东部和甘肃南部地区,四川省内降水落区及强度都很集中,24h内共计11个站出现大暴雨,其中有2个站24h累积雨量超过200mm,分别是乐山(280.4mm)、江油(288.4mm),这两个大暴雨中心在经度上相距约110km。24h后雨带东移(图1b),雨区范围向东向南扩大,雨强较前24h略有减弱,在四川东北部、四川南部、重庆、贵州北部和湖北有11个站出现大暴雨,其中邻水24h雨量达189.80mm。

(2)大尺度环流形势

分析本次暴雨过程高低空环流形势发现暴雨过程伴有环流形势调整、经向度加大。7月19日12时,500hPa中高纬度地区为两槽一脊,贝加尔湖南部有一小高压,副热带高压位于我国东南沿海,青藏高原东侧及四川西半部受大陆高压控制。7月20日00时中高纬度地区维持两槽一脊型,副高位于海上稳定少动,在蒙古小高压与西太平洋副高之间形成一个低压,青海上空有一小槽缓慢东移。7月20日12时,位于我国华北至东北一带低压受两高制约东移缓慢,青海上空低槽移至101°E附近,中纬度地区经向度加大。7月21日00时贝湖南部高压以及西太平洋副高强度减弱(图2b),华北低压缓慢东移加深发展,川东贵州等地受高空槽控制,自该时刻起四川贵州重庆都受高空槽影响。500hPa高空青藏高原有小低压东移,对应在700hPa上有西南低涡发生发展,20日00时在700hPa上四川北部出现风场辐合区,21日00时较前24h加深发展(图2a),在本次低涡生消过程中西太平洋副高始终位于海上,而在华北至东北一带则由深厚的低压发展,西南低涡先向南移动而后东移,其活动与500hPa高空槽活动完全一致。

从气候学角度分析指出,川东地区暴雨的水汽主要来源于南海和西太平洋,通过对NCEP再分析格点资料7月19~22日700hPa水平水汽通量及其散度分布显示,中低层水汽主要来于孟加拉湾,部分水汽经青藏高原在青海东侧形成强辐合中心,部分水汽经云贵高原至四川盆地与南下气流汇合向东输送,副高外围气流引导南海暖湿空气向华东输送,随着西南低涡发展东移,水汽辐合中心也东移,22日00时水汽辐合中心位于四川东北部至重庆一带,之后辐合区强度减弱。

WRF(Weather Research and Forecast)模式系统是由美国NCAR、NCEP和FSL/NOAA等多家研究部门和大学联合开发的新一代中尺度数值模式。模式采用全可压、非静力学方程,欧拉高度坐标及欧拉质量坐标两种坐标系,水平格点采用ArakawaC类格点。

采用2009年4月9日发布的3.1版本WRF模式,基本参数设置如下,区域中心点位置为104°E/30°N,水平格距分别为10km,对应水平格点数为226×226,垂直分层为28层,使用NCEP/NCAR的1°×1°再分析格点资料作为模式初始场和边界条件。主要物理过程及参数化方案:高分辨率MRF边界层方案,Dudhia短波辐射方案,RRTM长波辐射方案,Ferrier(NewEta)方案及Grell-Devenyi集合积云参数化方案。模式从2008年7月20日00时开始积分,积分48h,积分步长为60s,模式结果每3h输出一次。

已有研究表明孟湾水汽向青藏高原东部输送,与北支南下干冷空气相遇,在川渝地区形成水汽辐合,是西南涡降水的重要条件;同时冷空气从低涡后部侵入,可使涡旋性质改变,通过系统性垂直运动,促使斜压不稳定能量释放,引起西南低涡发展;低涡南侧强西南气流是低涡移动和发展的条件之一。研究将通过下面几组敏感性试验进一步探讨对流层中至低层冷暖空气入侵对低涡的发生发展以及降水强度和落区的影响作用。

数值试验分为5组,分别是控制试验(CONT),在北面和西面加冷空气(NCOLD/WCOLD),在北部和西部加暖空气(NWARM/WWARM)。控制试验中模式初始场和边界不作任何处理,采用单层嵌套,模式从2008年7月20日00时起连续积分至7月22日00时。北边界的冷暖空气敏感性试验,该试验仅对500hPa及以下层次侧边界资料进行调整,主要是将500hPa以下温度由北向南四个格点依次降低(或增加)8、6、4、2℃,以形成温度的缓冲带,减小边界的强迫扰动。西边界的冷暖空气敏感性试验做法同前,但温度增减由西至东四个格点。

图3是控制试验模拟输出的7月20日00时~21日00时和21日00时~22日00时24h和48h累积降水量预报图。7月20日00时~21日00时实况降水有多个大暴雨中心(图3a),雨带呈南北向,与降水实况图相比,模拟暴雨落区位置与实况比较接近,模拟降水带中分布着多个降雨量超过100mm的大暴雨中心,其中最主要的是超过200mm的两个降水区,实况24h最大降水量为江油288.4mm,模拟降水量为224.06mm,雨区位置较实况偏西北0.1个经度、0.4个纬度范围内;实况次大暴雨中心为乐山280.4mm,模拟的降水强度为262.86mm,大暴雨中心较实况偏西北0.4个经度、0.1个纬度范围内。从24h降水强度、雨带及大暴雨落区分布可见,WRF模式能有效模拟出本次大暴雨过程,但对大暴雨中心极值雨量模拟较弱,同时由于地形资料分辨率较高,模式对本次过程小雨及中雨出现一些空报。21日00时~22日00时模式预报雨区与实况较为接近(图3b),但大暴雨中心位置偏北,降水偏强,同时在重庆北部部分地区出现漏报。综上可见,WRF模式能有效模拟本次降水过程,但降水中心位置及强度有偏差,考虑降水模拟的复杂性,本次降水模拟结果基本上可信的。对比模式输出及实况7月21日00时700hPa及500hPa风场和高度场可以看出,21日00时西南涡东移控制四川盆地(图4a),受其影响四川南部为偏西风,川东大部地区为偏南风;在对流层中层(图4b),四川受高空槽控制,闭合中心较实况偏西南,可见该模式基本模拟出西南涡生消过程。由此,基于WRF模式输出高分辨率资料进行分析,讨论对流层内冷暖空气活动对西南涡活动的影响作用。

2008年7月20~22日在四川中部出现一次西南涡活动引发强降水过程,通过WRF模式研究北/西边界冷暖空气入侵对该西南涡发展的影响作用得出以下结论:

(1)当降低模式北边界温度,四川省上空没有形成西南涡,取而代之为一深槽,雨区范围和强度都小于控制试验,雨区集中在深槽附近,低涡位于甘肃至陕西一带;增加模式北边界温度使得西南涡位置偏南,降水落区也偏南,雨区范围和强度都大于控制试验。降低或增加模式西边界温度对流场、低涡强度和位置影响都较小,降温使得低涡位置偏北,增温使得低涡偏东,其对降水落区影响亦较小,对大暴雨中心强度有不同程度影响。

(2)边界温度场变化直接引起对流层内风场风向转变,北来的冷空气入侵使得低涡影响区内对流层中层风速增强,而北来的暖空气入侵使得对流层中层风速减弱,仅在低涡中心局部地区风速增强,对流层顶风速增强较为显著;西来的冷空气入侵使得对流层风速增强与减弱区交替分布,西来的暖空气入侵使得对流层中层至中低层风速减弱,高层风速增强。

(3)试验减弱模式北边界温度,引起对流层中层温度增加、低层和高层温度降低、雨强雨区范围显著减弱,试验增加模式北边界温度引起对流层中、中高层温度增加,雨带南压;不论减弱或增加模式西部边界温度,对降水影响都较小。 [2]


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