地面热源强迫对青藏高原低涡作用的动力学分析

1、地面热源强迫对青藏高原低涡作用的动力学分析提纲引言 高原低涡的动力学模型及其分析方法地面热源对低涡流场结构及发展的作用 几点结论 1 引言 青藏高原低涡：发生在青藏高原主体的低涡。主要活动在500 hPa等压面。平均水平尺度为400500 km，中尺度。不但是青藏高原雨季中主要的降水系统，而且在一定条件下东移出高原后往往引发青藏高原东侧（特别是四川、重庆地区）大范围的暴雨、雷暴等灾害性天气。由于高原下垫面特性，高原低涡（特别是暖性低涡）的性质及发生规律更接近于热带气旋而不同于温带气旋，这种现象在低涡发展初期尤为明显。我们可用研究热带气旋类低涡（TCLV ，Tropical Cyclone-Li

2、ke Vortices）的方法来研究这类暖性高原低涡。本文借鉴研究TCLV的方法，将暖性青藏高原低涡考虑为受加热和摩擦强迫作用，且满足热成风平衡的轴对称涡旋系统。通过求解简化的柱坐标系中的涡旋模式，得出地面热源强迫作用下低涡的流函数、水平流场、水平散度场、垂直运动场及不稳定增长率的解。用动力学分析方法重点研究了地面热源对高原低涡流场结构及发展的作用。高原低涡的动力学模型及其分析方法 2.1 动力学模型 动力学方程组： 高原低涡流场的上、下边界条件： 2.2 分析方法用微扰法将2.1中得到的低涡动力学模型线性化。可得受地面热源强迫和摩擦强迫的高原低涡的简化方程组：相应的边界条件：3 地面热源强迫

3、对低涡流场结构及发展的作用3.1 高原低涡的流函数 3.2 低涡的水平散度场3.3 低涡的垂直流场3.4 低涡的发展 3.1 高原低涡的流函数 设地面加热率 其中， 为热源中心加热率， 为热源半径。 和 是地面加热在垂直方向和水平方向的分布参数，且 。 根据（14）式可得地面加热随高度和热源半径分布的示意图（图1、图2）。 图1 地面加热率随高度变化的示意图 z图2 地面加热率随热源半径变化的示意图 r流函数解其中 , 3.2 对低涡水平散度场的作用地面热源强迫下的低涡水平流场： 低涡的水平散度场：水平散度场物理意义的讨论由（17）式右边第一项：在 之间存在一临界高度（动力变性高度） 。在临界

4、高度之下，为水平辐合层；临界高度处为无辐散层，临界高度之上为水平辐散层。由（17）式右边第二项：在靠近涡心的区域水平流场是辐散的，在远离涡心的区域水平流场是辐合的。综合后的结果靠近涡心的区域，在临界高度之下，流场水平辐散。在临界高度之上，流场水平辐合。远离涡心的区域，水平散度随高度的变化与靠近涡心的区域正好相反。 3.3 对低涡垂直流场的作用 垂直流场： 近地层垂直流场： 近地层垂直运动场 眼壁内（靠近涡心）区域，近地层垂直运动为下沉运动，与水平散度场的分布对应。眼壁外（远离涡心）区域，有上升运动。 在近地层，低涡四周是一个上升环，而涡心为下沉运动。这在卫星云图上表现为低涡中心区域为无云区，即

5、高原低涡可具有类似于台风的眼结构。 图3 高原低涡流场垂直剖面示意图3.4 对低涡发展的作用 低涡系统的不稳定增长率： （20）式第一项表示地面加热作用项， 第二项为摩擦作用项。当地面加热作用大于摩擦作用时，即 ，有利于低涡发展。 4 几点结论 （1）地面热源强迫有利于高原低涡的形成和发展，对高原低涡的流场结构及发展趋势具有重要作用。 （2）高原低涡中存在一临界高度，在涡心以外的区域，此高度之下为水平辐合场，此高度之上变为水平辐散场，涡心区域的情形与此相反。高原地面加热与低涡水平散度场有密切关系，地面加热越强，水平散度就越大。 （3）在一定条件下，近地层中靠近涡心的区域流场为水平辐散，垂直运动为下沉运动，在卫星云图上表现为低涡中心区域为无云区，即高原低涡可具有类似于台风的眼结构。（4）在地面加热场中心与低涡环流场中心对应的情况下，地面加热对高原低涡的发展起促