结合卫星云图资料的青藏高原低涡结构的天气动力学分析

1、结合卫星云图资料的青藏高原低涡结构的天气动力学分析成都信息工程学院大气科学系2主要内容高原低涡及研究概况两例高原低涡环流背景分析两例高原低涡卫星云图分析高原低涡物理量场的诊断分析高原低涡动力机制分析高原低涡与热带气旋类低涡的联系总结成都信息工程学院大气科学系31、高原低涡及研究概况1.1 研究背景 由于青藏高原独特的地形与地理环境，形成特有的高原天气系统，它的活动不仅影响高原地区，还东移影响我国高原以东广大地区。尤其是夏季，我国暴雨洪涝、泥石流滑坡灾害多发，给国民经济建设和人民的生命财产造成严重的损失，这些灾害的发生在很大程度上与高原低涡等低值系统东移出青藏高原相关。高原低涡等低值系统东移对我

2、国东部、长江、黄淮流域的严重洪涝影响很大，甚至可影响到朝鲜半岛与日本。成都信息工程学院大气科学系41.2 高原低涡定义 青藏高原低涡是一种产生于青藏高原主体边界层中的中尺度天气系统，多出现在高原主体的3035N，87E以西范围内，而消失于高原东半部下坡处。依据低涡生命史的长短可将其分为发展型和不发展型低涡，生命史在36小时以上的为发展型低涡，否则为不发展型低涡。研究表明，低涡是高原夏季主要的降水系统之一。在有利的天气形势配合下，个别高原低涡能够向东运动而移出高原，往往引发我国东部一次大范围暴雨、雷暴等灾害性危险天气。源地生消的高原低涡主要影响高原西部、中部地区的降水。成都信息工程学院大气科学系

3、51.3 研究简要回顾两次青藏高原大气科学试验集中了对高原低涡研究的主要成果。 罗四维等一批学者（客观分析、诊断分析和数值模拟）高原低涡结构作了研究。钱正安等（泰罗斯N卫星可见光云图）描述了高原低涡及切变线云系的特点。郁淑华等（卫星水汽图像、统计分析、诊断分析）研究东移高原低涡。有学者从动力学角度出发，通过建立数理模型，对高原低涡进行理论研究。成都信息工程学院大气科学系61.4 本研究的方法应用风云2C卫星云图和配有云顶亮温的MTSAT卫星红外云图，描述了两例青藏高原低涡形成过程，并利用水汽图分析了低涡的水汽供应。用一天四次的11NCEP再分析资料（与ECMWF再分析资料在高原地区的孰优孰劣？

4、）对高原低涡的基本物理量做了诊断分析。应用非线性波动分析方法,初步建立了一类奇异孤立波解与高原低涡的联系 。本工作对于进一步了解高原低涡的结构特征，深入开展高原低涡的天气学、动力学研究及其数值模拟以及业务预报具有一定的理论意义和应用价值。成都信息工程学院大气科学系72、两例高原低涡环流背景分析 2005年7月29日和2006年8月14日500hPa高度场，实线为等高线，断线为等温线，时间为北京时，下同），两例低涡的环流型为平直西风型环流。500hPa在高原北侧中高纬度为比较平直的西风，高原北侧（35N,90E）附近为西风槽底，高原东边界处为西伸的西太平洋高压脊，高原南侧为印度低压，此时高原西侧

5、的伊朗高压东伸还不明显。而后一例低涡西侧伊朗高压东伸已很明显。这样的流型有利于风场在高原上形成辐合，从而有利于形成高原低涡。 图 1 2005年7月29日08点500hPa高度场 图 1 2005年7月29日08点500hPa高度场 图 1 2005年7月29日08点500hPa高度场 图 1 2005年7月29日08点500hPa高度场 图 1 2005年7月29日08点500hPa高度场图 2 2006年8月14日20点500hPa高度场图3 2005年7月29日02点500hPa综合图低涡处于4暖脊区，为暖涡 图4 2005年7月29日08点500hPa综合图 abcd图5 2006年8

6、月14日20点综合图a：500hPa，b：400hPa，c：300hPa, d：200hPa有的低涡结构较浅薄 成都信息工程学院大气科学系113、两例高原低涡卫星云图分析 由于高原上站点稀少，用常规资料很难捕捉到中小尺度天气系统（如高原低涡），但用时空分辨率高的静止卫星云图，不仅可以观测大范围云系分布，而且可以观测中小尺度云系的发生、发展和消散演变的全过程。 acb图 6 2005年7月29日风云2C分裂窗图像（a：5点，b：6:30，c：8点）形成一成熟的高原低涡，具有明显的眼结构，眼区水平直径约35km，眼区为少云区，温度明显高于周围云体。这类高原低涡具有眼和暖心结构 。 图7 2005年

7、7月29日6：30风云2C水汽图 图8 2005年7月29日6：30MTSAT红外1标准区域云图 此例低涡持续时间较长，虽仍未达到发展型涡标准，但有降水。在低涡控制范围内的申扎和定日两站都有观测到降水，申扎站12小时（14日20点15日08点）降水量达7mm，定日为0.6mm。从图9中可看到本次低涡起源于一个对流扰动群，随着时间推移，对流云群发展壮大形成。 2006年8月14日低涡个例（a） （b） （c） （d） （e） （f） 图9 2006年8月14日风云2C红外云图高原低涡发展过程（a： 14点，b： 15：30，c ：17：30，d： 19点，e： 20点，f ：22：30）眼区外围

8、是对流强盛区，而涡眼区为干区，表明涡眼区有弱的下沉气流。 图10 2006年8月14日19点风云2C水汽图 图11 2006年8月14日19：33MTSAT红外1标准区域云图 成都信息工程学院大气科学系154、物理量场的诊断分析 诊断计算采用NCEP FNL（Global Final Analyses）资料，经纬网格距为1 1，每天4次观测（世界时00点，06点，12点，18点），垂直方向为26层。我们选择对生命史相对较长的2006年8月14日低涡过程进行诊断计算，选取北京时14点和20点的资料。初生涡：图12 2006年8月14日14点500hPa流场 图13 2006年8月14日14点50

9、0hPa涡度场（单位：105s1） 成熟涡: 图15 2006年8月14日20点500hPa涡度场（单位：105s1） 图14 2006年8月14日20点500hPa流场 图17 20点垂直速度经向剖面图（按86E取剖面，单位：102 hPa*s1） 涡心在近地层550百帕以下为下沉运动，以上为相对涡区较弱的上升运动。 图16 2006年8月14日20点500hPa散度场（单位：105s1） 成都信息工程学院大气科学系195 、高原低涡动力机制分析5.1 非线性惯性重力内波的几类孤立波解 考虑感热加热作用，并设它为常数Q，采用z坐标系，考虑二维问题（xz面），忽略地形摩擦作用（地形只作为背景条

10、件）及扰动南北向变化，采用f常数近似（即ff0const.），则可建立如下形式的大气方程组：（1）（2）（3）（4）（5）其中是层结稳定度参数。令：（6）采用相平面分析方法，将（6）式代入上述方程组，并消去V,P,W得到U得单变量方程为： 上式为非线性方程，U=0显然是它的一个平衡点，考虑到惯性重力内波的快波特性，利用非线性项展开法将 项在该平衡点作泰勒级数展开并略去二次以上项得： （8）式再对 微商得： （9）式就是KdV方程所对应的常微分方程，令 ：（7）（8）（9）以 乘以（10）式并对 积分得：（8）式可简写为：其中C1为积分常数。此问题的定解条件可以设为：由定解条件可以求得C1，(1

11、1)式可变为：当 ,即 时，上式变为：（10）(11)（12）则（12）式可化为：可以证明正负号并不影响积分结果，对（13）式只讨论取正号的情形。令F= U + A ，积分上式得：其中C2也为积分常数。（14）式左端积分值可分为下面几种情况来求出。（13）（14）成都信息工程学院大气科学系24a. 第一类波解：正切函数解 当 E AB 0 时， 积分（14）式得： C2作为波形的初位相角，在不改变波形的前提下，适当平移 坐标轴总可以使C2=0。另外考虑到 的偶函数特性，则有：解得：（15）（16）（17）b. 第二类波解：双曲正割函数解令 , 注意到 且 F=U+A，最后可得:同样平移 轴可以

12、使C3=0，考虑 是偶函数，通过变量代换得:（18）（19）此式为KdV方程的经典孤立波解。此波是由平流产生的非线性作用引起波的突陡和惯性重力内波产生的频散效应达到平衡时产生的，同时大气层结和非绝热加热也有重要作用。 c. 第三类波解：双曲余割函数解 当 ，且 ，即 时，按照上面的积分方法得到：（20）（21）同样平移 轴，使得C4=0，考虑 的偶函数性，把A= ，B= ， E = 代入得：又令 ，并利用F=U+A,则最后可求得： （23）（22）该式为KdV方程的奇异孤立波解，在 =0处，该类奇异孤立波解存在间断点（图18）。这与高原低涡在卫星云图上反映的无云区（空心区）有对应关系。图18

13、奇异孤立波的示意图成都信息工程学院大气科学系29根据量纲分析， 的量级小于 ，则有：上式对 微分并代入（9）式后由（1）（6）式得： 5.2 高原低涡的暖心结构 由状态方程 ： 式中R为空气的比气体常数。则：（24）（25）（26）（27）成都信息工程学院大气科学系30 可见高原低涡的温度场分布为：除涡心（间断点）外，其余涡区 0，即离涡心越近，温度越高，离涡心越远，温度越低。说明高原低涡在一定条件下与热带气旋一样，也是一种暖心结构，这也符合前述的高原低涡温度场水平分布的天气学分析以及卫星云图观测事实。 成都信息工程学院大气科学系316、高原低涡与热带气旋类低涡的联系 青藏高原500hPa低涡

14、的天气学诊断和动力学结构分析表明：由于青藏高原下垫面的热力性质与热带海洋有相似之处，所以不少高原低涡的结构与海洋上的热带气旋或热带气旋类低涡（TCLV, tropical cyclone-like vortices）十分相似。在云形上主要表现为气旋式旋转的螺旋云带，低涡中心多为无云区（空心）。只是由于不像海洋上有充分的水汽供应，因而高原低涡不像台风那样可以强烈发展，生命史也较短。 本工作描述的两例低涡气流的分布型式、涡眼结构特征以及物理量场的诊断计算结果印证了这样的结论。 成都信息工程学院大气科学系327、 总结 本工作通过对两次低涡过程的天气背景和卫星云图分析，利用NCEP资料对2006年8

15、月14日低涡过程进行了诊断计算，并采用非线性波动分析方法对高原低涡结构进行了动力学研究。结果表明： （1）两例低涡均为暖性低涡，整层为暖性结构，环流背景场均为平直西风型环流。第一例低涡系统相当浅薄，低值中心与暖中心不对应，低值区处于暖脊处。后一例低涡系统略深厚，低层低值中心与暖中心对应得很好，但低涡中心与暖中心并不重合。 （2）卫星云图上两例低涡都形成于高原西部，形成初期都有扰动产生的小尺度对流群，以后逐渐合并发展成低涡。低涡形成过程中，低涡的螺旋结构十分明显；都具有涡眼结构，且为暖心结构，眼中心为下沉气流。由于高原缺乏水汽供应，低涡东移或原地消亡，两例低涡过程生命史都不长，同属于不发展型低涡。不同之处在于前一个例低涡持续时间较短，没有降水；后一个例涡眼结构更明显，持续时间较长，并观测到降水。 （3）对低涡的诊断分析表明：初生涡在500hPa的辐合区与未来卫星云图上的强对流区相对应。成熟涡的流场垂直结构可概括为：涡心四周在近地层为上升气流，上升运动在300hPa附近达最大，在高层200hPa转为下沉；在近地层为向涡心的逆时针旋转的辐合气