蒙古氣旋快速發(fā)展過程中溫度平流作用與斜壓作用的關(guān)系

蒙古氣旋快速發(fā)展過程中溫度平流作用與斜壓作用的關(guān)系

1爆發(fā)性氣旋質(zhì)量指標(biāo)發(fā)展特征為第一、確定機(jī)制中國(guó)位于東亞地區(qū)，是世界上影響最大的沙區(qū)之一。近年來,我國(guó)北方沙塵暴天氣又趨活躍。沙塵暴的研究和預(yù)報(bào)涉及到一系列的多學(xué)科的重大問題,包括沙源分布、沙塵暴形成機(jī)理、沙塵的輸送與沉降、化學(xué)及輻射過程、沙塵暴的警報(bào)與預(yù)報(bào)以及沙塵暴對(duì)氣候、海洋、生物及人類生活的影響等。為了弄清沙塵暴的形成機(jī)理,趙琳娜等已對(duì)2000年4月一次沙塵暴天氣的起沙機(jī)制進(jìn)行了研究,但對(duì)于其相關(guān)的有利的氣象環(huán)境場(chǎng)未做更深入的討論,因而這是不夠的。已經(jīng)知道沙塵暴天氣的起因一是與地表的特征有關(guān),另一是與冷空氣的活動(dòng)及其引起的大風(fēng)過程相聯(lián)系,而大風(fēng)又常常和鋒生過程及氣旋的發(fā)生發(fā)展過程密切關(guān)聯(lián),有時(shí)甚至和某些強(qiáng)烈發(fā)展的中尺度系統(tǒng),諸如颮線及MCS有關(guān)。對(duì)于夏半年引發(fā)降水的江淮氣旋、華北低渦、東北低渦和西南渦已有不少研究。相對(duì)而言,對(duì)于引發(fā)春季大風(fēng)的蒙古氣旋的研究尚不太多,而這類氣旋又多屬于快速發(fā)展之列。對(duì)其特性應(yīng)做深入的探討。為此,本文著重討論了2000年4月的一次引發(fā)嚴(yán)重沙塵暴天氣的蒙古氣旋發(fā)生發(fā)展的過程。這次蒙古氣旋是一個(gè)春季快速發(fā)展的陸地氣旋。根據(jù)Sanders和Gyakum的定義,24小時(shí)內(nèi)氣旋中心海平面氣壓平均每小時(shí)下降1×(sinφ/sin60°)hPa為爆發(fā)性氣旋,其中sinφ/sin60°為緯度協(xié)調(diào)因子,φ為氣旋加深最強(qiáng)時(shí)中心所在的緯度值。當(dāng)氣旋中心24小時(shí)氣壓下降未達(dá)到,但卻相當(dāng)接近上述標(biāo)準(zhǔn)時(shí),稱為快速發(fā)展氣旋。近年來,對(duì)于爆發(fā)性氣旋的發(fā)展問題有不少研究,尤其是對(duì)于海洋爆發(fā)性氣旋發(fā)生發(fā)展的物理原因和機(jī)制的研究,中外學(xué)者做了大量工作。對(duì)于海洋上的溫帶爆發(fā)性氣旋,現(xiàn)在認(rèn)為重要的影響因子有多種,諸如渦度平流、溫度平流、凝結(jié)潛熱釋放、摩擦作用及斜壓不穩(wěn)定等等。經(jīng)典的挪威學(xué)派強(qiáng)調(diào)低層的斜壓擾動(dòng)。Petterssen總結(jié)的A類氣旋發(fā)展斜壓不穩(wěn)定引起擾動(dòng)增幅并從低層開始,具有明顯的鋒區(qū)和斜壓性。溫度平流在此類氣旋發(fā)展中起著主要作用,其B類氣旋發(fā)生發(fā)展的啟動(dòng)機(jī)制在高空,與A類氣旋不同,B類氣旋在發(fā)展時(shí)低層不一定有鋒面存在,高空溫度平流是氣旋發(fā)展的主要因子,氣旋發(fā)生在高空槽前正渦度平流趕上并疊加在地面冷鋒上方的時(shí)候。Uccellini等發(fā)現(xiàn),在氣旋爆發(fā)過程中常伴有很強(qiáng)的副熱帶西風(fēng)急流。呂筱英等指出高空的強(qiáng)迫作用很重要,在爆發(fā)前12小時(shí)高層輻散風(fēng)能量明顯增大。Gyakum通過對(duì)QEII風(fēng)暴天氣過程的診斷發(fā)現(xiàn),積云對(duì)流在爆發(fā)性氣旋發(fā)展階段一直起著很重要的作用,Bosart對(duì)總統(tǒng)日暴雪的研究中強(qiáng)調(diào)了斜壓不穩(wěn)定機(jī)制在氣旋爆發(fā)性發(fā)展中有重要貢獻(xiàn),賈逸勤等提出在氣旋快速發(fā)展過程中斜壓區(qū)的影響不可忽視。然而,對(duì)春季陸地氣旋的爆發(fā)性(或快速)發(fā)生發(fā)展的物理機(jī)制研究相對(duì)較少。一般來說,陸地氣旋很難達(dá)到上述海洋爆發(fā)性氣旋發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)。但它們作為快速發(fā)展氣旋對(duì)春季大風(fēng)的產(chǎn)生,尤其是在前期降水較少、土壤濕度較低的情況下,很容易引發(fā)北方地區(qū)沙塵暴的發(fā)生,因而它是一類非常值得關(guān)注的系統(tǒng)。田生春等對(duì)1983年4月25～26日一次快速發(fā)展氣旋暴風(fēng)雨的診斷分析表明:氣旋爆發(fā)前副熱帶急流異常強(qiáng)勁,經(jīng)向度明顯加大,且有高低空強(qiáng)風(fēng)區(qū)的耦合出現(xiàn)。李振軍等對(duì)與上述陸地氣旋有關(guān)的春季強(qiáng)冷鋒進(jìn)行了詳細(xì)診斷。Ogura和Juang曾對(duì)北美大陸上的爆發(fā)性氣旋進(jìn)行過診斷分析和數(shù)值模擬。他們的研究認(rèn)為,這次氣旋快速發(fā)展的過程中,斜壓不穩(wěn)定機(jī)制是第一重要的,而潛熱釋放相對(duì)重要性是第二位的。就本文所討論的蒙古氣旋而言,幾乎沒有降水,難以完全歸為此種類型。2000年4月5～7日一次蒙古氣旋的快速發(fā)展引發(fā)地面大風(fēng),造成華北和北京嚴(yán)重的沙塵天氣(圖1),東北、江淮、江南地區(qū)以及朝鮮半島和日本均受到浮塵影響。以北京市而言,4月6日01時(shí)(世界時(shí),下同),風(fēng)速突然由1～2級(jí)增至6～7級(jí),最大瞬時(shí)風(fēng)力達(dá)8級(jí),能見度也由6km多降到2km左右,小于1km(沙塵暴)時(shí)段達(dá)2個(gè)小時(shí)以上,局地(南苑機(jī)場(chǎng))達(dá)6小時(shí)以上,能見度最低時(shí)只有500～600m。給交通、運(yùn)輸、飛行、高空作業(yè)造成嚴(yán)重的影響。同時(shí),沙塵暴天氣也造成北京地區(qū)空氣質(zhì)量嚴(yán)重污染。據(jù)在北京中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所325m氣象觀測(cè)塔區(qū)域距地8m處的采樣分析,20種元素總質(zhì)量濃度高達(dá)1536μgm-3,是1999年同期的31.4倍。因此,有必要對(duì)這次沙塵天氣做進(jìn)一步的分析研究,為今后沙塵天氣的預(yù)報(bào)、警報(bào)提供參考和科學(xué)依據(jù)。對(duì)于這次影響華北和北京的沙塵暴過程的起沙過程,已由沙塵暴數(shù)值模式作了成功的模擬研究,但仍有一些問題需要解答,例如沙塵暴的中尺度環(huán)境場(chǎng)是如何演變的?蒙古氣旋為何快速發(fā)展引發(fā)大風(fēng)?蒙古氣旋的動(dòng)力和熱力結(jié)構(gòu)和演變過程特征如何?為此,本文作了一系列的研究:為討論氣旋發(fā)生發(fā)展與斜壓性的關(guān)系,我們計(jì)算了二維準(zhǔn)地轉(zhuǎn)鋒生函數(shù),為討論溫度場(chǎng)和流場(chǎng)配置與非地轉(zhuǎn)風(fēng)的關(guān)系,又對(duì)Q向量進(jìn)行了計(jì)算。另外,為討論高低空系統(tǒng)的相互作用及氣旋結(jié)構(gòu)的演變過程,還做了等熵分析。為討論水汽的作用,又計(jì)算了水汽通量輻合的分布等。限于篇幅,關(guān)于該蒙古氣旋發(fā)生發(fā)展的中尺度數(shù)值模擬研究,將另文發(fā)表。2hpa、大風(fēng)診斷分析中所用資料為1°×1°NCEP分析資料,該資料每6小時(shí)一次;常規(guī)氣象觀測(cè)資料中,地面資料為3小時(shí)一次;高空資料為12小時(shí)一次。為了更好地確定氣旋的位置和移動(dòng),我們分析了海平面氣壓場(chǎng)。圖2為2000年4月5日09時(shí)～6日00時(shí)海平面氣壓的地面觀測(cè)值分布圖,由圖可以看到氣旋移動(dòng)、演變和發(fā)展的全過程。5日09時(shí)(圖2a),有一地面低壓槽從蒙古國(guó)東南部伸向我國(guó)內(nèi)蒙古西北部地區(qū)。在此倒槽內(nèi),(46°N,110°E)處有一弱的低壓存在,中心氣壓約為1000.0hPa。而我國(guó)內(nèi)蒙古東部和東北地區(qū)則被一個(gè)高壓脊控制。到了5日12時(shí)(圖2b)1002.5hPa等壓線出現(xiàn)閉合,此后該氣旋穩(wěn)定少動(dòng)。15時(shí)氣旋進(jìn)一步加深(1002.5hPa的等壓線范圍擴(kuò)大),5日18時(shí),1000.0hPa的閉合等壓線形成(圖2c),5日21時(shí),997.5hPa的閉合等壓線形成(圖略),僅僅12小時(shí)氣旋就從發(fā)生到發(fā)展,達(dá)到最強(qiáng),氣旋后部出現(xiàn)地面大風(fēng),大風(fēng)中心達(dá)14ms-1,中心氣壓的數(shù)值雖然不算非常低,但是引起的風(fēng)力較強(qiáng),這是春季氣旋的一大特點(diǎn)。6日00時(shí)氣旋開始向東偏南方向移動(dòng)(圖2d),強(qiáng)度保持不變至6日09時(shí)。從位于氣旋中心附近的阿爾山站[(47.17°N,119.95°E)]每3小時(shí)間隔的海平面氣壓演變圖,可以得知該氣旋演變的特征(圖略):5日06時(shí)到6日06時(shí),24小時(shí)內(nèi)該站海平面氣壓下降了15hPa,而如果只看5日12時(shí)至6日00時(shí)這一段時(shí)間,則下降幅度更大,為12hPa(相當(dāng)于1hPa/1h),表明該氣旋發(fā)展速度的確很快。3基于氣體的一般物理場(chǎng)的特性為了弄清該氣旋發(fā)生發(fā)展的原因,我們對(duì)一些主要的物理量進(jìn)行了計(jì)算分析。包括垂直速度、散度、渦度場(chǎng)及層結(jié)分布。3.1暴雨天氣的垂直運(yùn)動(dòng)5日18時(shí)沿氣旋中心位置116°E的垂直剖面圖上,44～55°N范圍內(nèi)從地面到高空300hPa為一寬廣的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)。就垂直分布而言,對(duì)流層低層的垂直運(yùn)動(dòng)比李振軍等的春季陸地氣旋個(gè)例要強(qiáng),上升運(yùn)動(dòng)最大值見于700hPa。垂直速度比-9×10-3hPas-1要強(qiáng)(圖略)。6日00時(shí),低渦位于118°E,上升運(yùn)動(dòng)區(qū)向南移動(dòng)(圖3),上升運(yùn)動(dòng)伸展到250hPa,最大值在750hPa,中心為-9×10-3hPas-1,6日12時(shí)此上升區(qū)分裂為兩個(gè)中心。與“98·7”暴雨期間的垂直運(yùn)動(dòng)相比,此次沙塵天氣的垂直運(yùn)動(dòng)范圍比暴雨天氣的寬廣,但最大上升區(qū)所在高度比暴雨天氣的低;垂直運(yùn)動(dòng)層的厚度也比暴雨過程要低。3.2正潮度區(qū)范圍5日18時(shí)低渦中心位于(47°N,116°E),從過116°E的垂直剖面圖上,38～55°N范圍內(nèi),對(duì)流層低層均為正渦度,最大中心在850hPa,其值大于10×10-5s-1,600hPa以上正渦度區(qū)變窄在44～49°N之間,高度到達(dá)200hPa。正渦度區(qū)的南北兩側(cè)為負(fù)渦度區(qū)。6日00時(shí)(圖4)低渦位于118°E,過低渦中心的渦度徑向剖面圖上,正渦度區(qū)范圍增大并向上擴(kuò)展成為一個(gè)深厚的渦旋系統(tǒng),在此系統(tǒng)內(nèi)有兩個(gè)大值中心:一個(gè)位于45°N,在高空的400hPa。中心強(qiáng)度大于14×10-5s-1,另一個(gè)位于47°N,在低空820hPa附近,中心強(qiáng)度大于16×10-5s-1,正渦度區(qū)與氣旋區(qū)域相對(duì)應(yīng),且強(qiáng)度變化一致,而輻散區(qū)與負(fù)渦度區(qū)有很明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。氣旋附近的正渦度區(qū)比李振軍等的春季陸地氣旋個(gè)例要強(qiáng)。3.3環(huán)流形勢(shì)和層結(jié)穩(wěn)定區(qū)一些研究指出,沙塵暴發(fā)生時(shí),大氣層結(jié)有表現(xiàn)為不穩(wěn)定狀態(tài)。這在某些環(huán)境中是可能存在的,是否一定都屬于這種情況?我們作了分析,因?yàn)闊o水汽,-?θse/?P可能相當(dāng)于-?θ/?P。分別沿118°E、120°E和47°N對(duì)θse做了徑向和緯向剖面圖(圖略),發(fā)現(xiàn)從氣旋初生期到爆發(fā),與氣旋相對(duì)應(yīng)的大部分區(qū)域?yàn)閷咏Y(jié)穩(wěn)定區(qū)。在6日06時(shí)的120°E剖面上,氣旋南側(cè)對(duì)流層中下層為中性層結(jié)。選擇低壓生成時(shí)刻,位于低壓附近的索倫(46.61°N,121.23°E)探空站,從該站層結(jié)曲線上可發(fā)現(xiàn)該站整層為穩(wěn)定層結(jié)(見圖5),這與暴雨個(gè)例是不大相同的。其對(duì)流活動(dòng)不是很明顯,系統(tǒng)性的較大范圍動(dòng)力強(qiáng)迫上升運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn)可能是主要的。4對(duì)噴射發(fā)展的動(dòng)力和動(dòng)力作用的分析4.1高空溫度平流圖5日12時(shí)氣旋初生期,沿47°N的溫度平流剖面圖上,從地面到對(duì)流層中層均為冷平流控制;400hPa以上為暖平流,冷中心分別位于800hPa和300hPa,且冷平流勢(shì)力較強(qiáng)。冷平流中心值為40Kd-1。這股冷平流也隨氣旋緩慢東移,到18時(shí)(圖6)氣旋爆發(fā)時(shí)冷平流達(dá)最強(qiáng),中心值達(dá)64Kd-1,很明顯高空為暖平流,低層是冷平流,溫度平流隨高度是減弱的。由地面氣壓的發(fā)展方程得知,地面到無輻散層的平均暖平流有利于地面氣旋的發(fā)展。此后,該冷平流始終與氣旋相伴。相應(yīng)的徑向剖面圖上及850hPa溫度平流圖上也可以得到類似的結(jié)果。很明顯,高空溫度平流在該氣旋的發(fā)生和發(fā)展中起了主要作用。這一點(diǎn)似乎與Petterssen等總結(jié)的A類氣旋有相似之處。在氣旋發(fā)展前期5日12時(shí)500hPa高度場(chǎng)上(圖略),貝加爾湖附近(110°E)有一淺槽,槽的南部伸至45°N,槽上與槽前略有疏散,說明槽前有正的渦度平流。該高度槽后有一溫度槽相配合,溫度槽明顯落后于高度槽,槽前北行的暖平流和槽后南下的冷平流十分有利于高層擾動(dòng)的維持和加強(qiáng)。同時(shí),槽軸和脊軸均向西傾斜,這表明水平溫度平流使擾動(dòng)的有效位能增加,垂直環(huán)流又使有效位能轉(zhuǎn)換為擾動(dòng)位能。槽前我國(guó)東北地區(qū)為暖脊控制,暖平流較強(qiáng),相應(yīng)850hPa高度場(chǎng)該地區(qū)的暖平流較500hPa上的強(qiáng),高空槽前南端地面上有一個(gè)氣旋波動(dòng)。6日00時(shí),低槽加深并向原先槽前暖平流的區(qū)域移動(dòng),且離地面氣旋的距離越來越近。溫度場(chǎng)也有所變化,原先槽后-30℃的冷舌也伸向地面冷鋒的位置。此時(shí),氣旋發(fā)展加深為995.0hPa(圖2d),地面氣旋后部的氣壓梯度增大,強(qiáng)風(fēng)區(qū)增強(qiáng),大風(fēng)中心達(dá)16ms-1,我國(guó)內(nèi)蒙古中部開始出現(xiàn)沙塵暴天氣(圖1)。12時(shí)500hPa低槽發(fā)展加深為低渦,出現(xiàn)閉合等高線為5280位勢(shì)米,此時(shí)地面氣旋開始填塞,氣旋停止發(fā)展。從以上分析得知,在氣旋發(fā)展中,溫度平流起了主要作用,但高空槽前的渦度平流在氣旋發(fā)展初期作用也很明顯,因此,根據(jù)高空500hPa的溫度平流和渦度平流演變與地面氣旋發(fā)展的關(guān)系,既不完全符合Petterssen等所歸納的A類氣旋發(fā)展標(biāo)準(zhǔn),也不象其B類氣旋的發(fā)展特征,那么斜壓性對(duì)氣旋的發(fā)展作用又是怎樣的呢?4.2蒙古氣旋概況本次過程只有個(gè)別測(cè)站有微量降水,基本屬于干過程。分析4月5日18時(shí)整層的水汽通量散度得知?dú)庑浇畲笏椇现行臑?1×10-7kgm-2d-1,表明在氣旋發(fā)生初期對(duì)流層低層水汽的作用很小,而且隨著高度的增加水汽為輻散(圖略)。由于位溫在干過程中具有保守性。因此我們用位溫計(jì)算了鋒生函數(shù),以考察大氣斜壓性對(duì)氣旋發(fā)生發(fā)展的貢獻(xiàn)。考慮到非絕熱項(xiàng)計(jì)算的精確度問題,本文只計(jì)算了水平輻散、形變項(xiàng)以及與垂直速度有關(guān)的傾斜項(xiàng)三項(xiàng)。850hPa的鋒生函數(shù)顯示,從5日12時(shí)開始,蒙古國(guó)以及我國(guó)內(nèi)蒙古中東部區(qū)域存在一個(gè)鋒生區(qū)。該鋒生區(qū)有兩個(gè)中心:一個(gè)在蒙古國(guó)烏蘭巴托東面;另一個(gè)在我國(guó)內(nèi)蒙古錫林郭勒盟,后者的中心強(qiáng)度為8×10-10Ks-1m-1,大于前者,表明該區(qū)域有較強(qiáng)的斜壓性。此后,該鋒生區(qū)分成兩部分:一小部分仍在蒙古國(guó)東部,其他大部分東南移至我國(guó)內(nèi)蒙古地區(qū),且強(qiáng)度加強(qiáng)。到6日06時(shí)(圖7),也就是氣旋發(fā)展較強(qiáng)時(shí),在內(nèi)蒙古東部和黑龍江、吉林西部仍有鋒生,其最大值為7×10-10Ks-1m-1,鋒生中心在氣旋中心略偏西位置,表明冷鋒上的斜壓性仍在起作用,對(duì)于向動(dòng)能的轉(zhuǎn)換仍有幫助。為了了解鋒生過程在三維空間的分布,分析氣旋發(fā)展各個(gè)階段上該氣旋中心位置附近的鋒生函數(shù)的垂直剖面圖(圖略)可發(fā)現(xiàn):5日12時(shí)、18時(shí)氣旋的后部為鋒生函數(shù)較強(qiáng)區(qū)域且集中在400hPa以下;6日00時(shí)鋒生函數(shù)厚度增強(qiáng)至200hPa,最大鋒生中心出現(xiàn)在250hPa,中心大于7×10-10Ks-1m-1。到6日06時(shí),氣旋前部120°E附近700hPa以下出現(xiàn)鋒生區(qū),原先位于氣旋后部的鋒生區(qū)留在110°E,最大鋒生中心下降至400hPa,強(qiáng)度為13×10-10Ks-1m-1。6日12時(shí)高空鋒生區(qū)東移疊加在低層鋒生區(qū)上。此后,鋒生區(qū)始終與氣旋相對(duì)應(yīng);直到氣旋錮囚。綜上所述,可以認(rèn)為斜壓性與氣旋的發(fā)生發(fā)展有很密切的關(guān)系,大氣的斜壓性對(duì)于有效位能的釋放、動(dòng)能的制造及氣旋的加深無疑是有幫助的。斜壓強(qiáng)迫可能是該氣旋發(fā)生發(fā)展的重要原因之一,但就斜壓作用的特征來講,一開始低層有斜壓作用,但位于氣旋的后部,氣旋發(fā)展時(shí),氣旋區(qū)高低空并沒有很強(qiáng)的鋒生作用,但到氣旋發(fā)生的后期,高低空的鋒生區(qū)發(fā)生作用,強(qiáng)度隨氣旋的發(fā)展而加強(qiáng)。因此,從斜壓作用的角度來說,該蒙古氣旋既難于歸為文獻(xiàn)中的A類氣旋,也不屬于其B類氣旋。綜合溫度平流、渦度平流及斜壓性在氣旋發(fā)展中的作用分析,該氣旋的發(fā)展還不完全同于前人的研究,是否是與東亞的大地形,或者其他的因素有關(guān),需進(jìn)一步探討。4.3不穩(wěn)定區(qū)域q矢量和溫度分布1978年,Hoskins等提出了準(zhǔn)地轉(zhuǎn)Q矢量的概念,并推導(dǎo)出以準(zhǔn)地轉(zhuǎn)Q矢量散度作為強(qiáng)迫項(xiàng)的準(zhǔn)地轉(zhuǎn)ω方程,它克服了傳統(tǒng)形式ω方程右邊兩項(xiàng)互相抵消的問題,且有物理意義清楚、計(jì)算簡(jiǎn)單的特點(diǎn),可適用于整個(gè)對(duì)流層。采用Q矢量帶來了某些方便。我們注意到Q矢量與非地轉(zhuǎn)風(fēng)存在一定的關(guān)系,Hoskins等指出,為了維持大氣中的地轉(zhuǎn)平衡和靜力平衡,這個(gè)Q矢量必定沿著低層非地轉(zhuǎn)風(fēng)的方向,同時(shí)指向上升區(qū),反之,為下沉運(yùn)動(dòng)。因而,低層Q矢量近似與非地轉(zhuǎn)風(fēng)呈比例,由此可以通過考察Q矢量來估計(jì)非地轉(zhuǎn)風(fēng)的分布。圖8a給出了6日00時(shí)Q矢量和溫度的分布,可以看到在氣旋中心有非地轉(zhuǎn)氣流。另外,在我國(guó)東北南部也有很強(qiáng)的非地轉(zhuǎn)氣流,且這些氣流是輻合的。在我國(guó)內(nèi)蒙古、吉林和遼寧交界處,Q矢量穿越等溫線從冷空氣一側(cè)進(jìn)入暖空氣一側(cè),它們相當(dāng)于鋒區(qū)側(cè)向非地轉(zhuǎn)環(huán)流圈中低層的一支,且十分明顯,輻合也非常強(qiáng)烈,而這第二個(gè)Q矢量輻合區(qū)恰恰是氣旋在6日06時(shí)的位置。6日06時(shí),上述兩個(gè)Q矢量輻合區(qū)連結(jié)起來,形成一條Q矢量輻合帶(圖8b),這個(gè)輻合帶呈“人”字形,強(qiáng)度較前一時(shí)刻大,左邊的一支從內(nèi)蒙古經(jīng)東北伸向山東半島;右邊的一支從東北伸向日本海。兩支輻合帶上一邊有強(qiáng)烈的Q矢量穿越等溫線從冷空氣一側(cè)進(jìn)入暖空氣一側(cè);而另一邊則有Q矢量穿越等溫線從暖空氣一側(cè)進(jìn)入冷空氣一側(cè),這說明低層鋒區(qū)側(cè)向非地轉(zhuǎn)環(huán)流十分明顯;輻合非常強(qiáng)烈。這與6日06時(shí)的850hPa鋒生函數(shù)(圖7)分析結(jié)果一致。將上述兩個(gè)時(shí)刻的Q矢量圖與同時(shí)刻的地面天氣圖(圖略)對(duì)比發(fā)現(xiàn):Q矢量輻合區(qū)與地面氣旋鋒區(qū)的走向非常接近。5位噪在等壓面上的線性擬合近幾年,位渦理論在天氣動(dòng)力學(xué)研究中,尤其是爆發(fā)性(或快速發(fā)展)氣旋和鋒面研究中得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。位渦在等熵面上和等壓面上的表達(dá)式分別為P=?g(ζθ+f)?θ?pΡ=-g(ζθ+f)?θ?p和P=?g(ζp+f)?θ?pΡ=-g(ζp+f)?θ?p其中,ζθ是等熵面上的相對(duì)渦度,ζp是等壓面上的相對(duì)渦度,θ是位溫,f為地轉(zhuǎn)參數(shù),g為重力加速度,p為氣壓。位渦的單位為10-6m2s-1Kkg-1。5.1等熵表面的位勢(shì)和風(fēng)場(chǎng)分布在某種意義上,等熵面不同于等高面或等壓面,在絕熱情況下,它有可能更好地反映氣流的三維運(yùn)動(dòng)特征。我們分析了等熵面上的位勢(shì)高度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)。取290K的等位溫面來代表低層的情況。圖9給出的是6日00時(shí)290K等熵面上的位勢(shì)高度和風(fēng)場(chǎng)分布?？梢钥吹?5日18時(shí)貝加爾湖以西是一個(gè)高壓脊,冷空氣沿高壓脊下沉;另一方面,暖空氣沿脊前偏南氣流由低空向北方輸送,這種分布與氣旋發(fā)展是一致的。至6日00時(shí),這一波動(dòng)有了強(qiáng)烈的增幅,氣旋后部的地面大風(fēng)強(qiáng)度加強(qiáng)。整個(gè)氣旋系統(tǒng)向東南移動(dòng),冷空氣沿高壓脊從高空7000m(約400hPa)向東南方向下沉至低層1640m(約850hPa),另一方面暖空氣沿脊前偏南氣流由低空1000m(約900hPa)向北爬升至4200m以上。上升氣流與下沉氣流并不完全在一個(gè)面上,而是呈螺旋式旋轉(zhuǎn)上升和下降。5.2日18時(shí)環(huán)流形勢(shì)與氣動(dòng)力學(xué)特性與Hoskins等的取法類似,本文亦定義位渦為2×10-6m2s-1Kkg-1的面相當(dāng)于中緯度對(duì)流層頂。圖10給出了氣旋發(fā)展時(shí)(6日00時(shí))的對(duì)流層頂氣壓分布值。在此分布圖上等值線間隔為30hPa,氣壓高的地方等熵面的高度低;氣壓低的地方則相反,表明那里的等熵面高度高?？梢钥吹綄?duì)流層頂沿緯向出現(xiàn)明顯的“斷裂”:在貝加爾湖及其南面、日本海對(duì)流層頂?shù)母叨容^低,都在450hPa以下,說明對(duì)流層頂高度下降明顯。圖10反映了對(duì)流層頂?shù)褥孛娓叨鹊钠鸱兓Ｑ刎惣訝柡媳币痪€,等熵面的高度非常低:200hPa正渦度中心對(duì)應(yīng)位置的對(duì)流層頂高度從5日12時(shí)的420hPa降低為5日18時(shí)的540hPa(圖略),等壓線密集的邊緣地帶說明等熵面的坡度很陡?？梢哉J(rèn)為,5日18時(shí)對(duì)流層頂高度的大幅度下降與氣旋的生成有很大關(guān)系。從5日18時(shí)的相對(duì)渦度(圖略)可以看出,該氣旋是一個(gè)發(fā)展較強(qiáng)的系統(tǒng)。5日18時(shí)200hPa貝加爾湖南面存在一正渦度中心,此時(shí)正好與地面閉合等壓線出現(xiàn)、氣旋形成強(qiáng)烈發(fā)展相對(duì)應(yīng)。為了討論氣旋發(fā)生發(fā)展階段三維的動(dòng)力和熱力結(jié)構(gòu)。我們將位渦和位溫沿氣旋中心作了垂直剖面圖。從5日18時(shí)的經(jīng)向(117°E)和緯向(46°N)剖面圖(圖略)上可以看出:位溫較低值區(qū)可能與較干較冷的空氣相對(duì)應(yīng)。對(duì)流層低層位溫低值區(qū)位于氣旋的北部和西部。在對(duì)流層低層700hPa以下氣旋擾動(dòng)區(qū)的空氣相對(duì)周圍較暖。與文獻(xiàn)的做法類似,以1.0×10-6m2s-1Kkg-1的等值線代表位渦相對(duì)大值區(qū),5日18時(shí)v分量及位渦沿46°N緯向(圖11)及經(jīng)向117°E剖面(圖略)上看到,在氣旋擾動(dòng)區(qū),緯向和經(jīng)向剖面上低層均存在一個(gè)小的位渦正距平區(qū)。緯向剖面圖上107°E附近對(duì)流層高層大位渦區(qū)向東、向下傳。出現(xiàn)一個(gè)類似“漏斗狀”的結(jié)構(gòu)。5日12時(shí)下傳到500hPa(圖略),5日18時(shí)達(dá)750hPa,此時(shí),對(duì)流層低層的位渦大值區(qū)也向西、向上伸展;但是高、低空位渦大值區(qū)尚未相互連接。而經(jīng)向剖面上,高層位渦大值區(qū)還未開始下傳。6日00時(shí)46°N緯向剖面圖上,對(duì)流頂上層位渦大值區(qū)向東向下伸到達(dá)800hPa,低層的位渦高值區(qū)從地面向西、向上伸至650hPa。在6日00時(shí)117°E位渦垂直剖面圖上,在氣旋生成位置的南側(cè),高層位渦大值區(qū)向南、向下伸展,高低空位渦大值區(qū)此時(shí)已非常接近。特別是對(duì)0.8×10-6m2s-1Kkg-1等值線而言,整個(gè)對(duì)流層中已連成一片,上下貫通成一個(gè)整體。合并后的位渦大值區(qū)在氣旋中心的東側(cè)。已經(jīng)注意到,對(duì)流層高層位渦大值區(qū)向下伸展的整個(gè)過程與氣旋加深相一致。位渦大值區(qū)下傳的路徑是由西北向氣旋中心靠近的,6日00時(shí)高層位渦下傳的速度最快。致使高層的位渦大值區(qū)移至低層的位渦大值區(qū)上,二者相互合并。合并后,氣旋發(fā)展加快。我們注意到,不僅低層暖平流,而且高層正的位渦平流,它們共同造成了氣旋強(qiáng)烈發(fā)展。這種現(xiàn)象與海洋以及溫帶氣旋的強(qiáng)烈發(fā)展有某些類似之處。由此進(jìn)一步確認(rèn),氣旋發(fā)展過程中的確存在著明顯的高低空系統(tǒng)的相互作用,高空位渦高值區(qū)下傳位于氣旋性環(huán)流區(qū)的東南部。6措施二:斜壓強(qiáng)迫是突出的作用本研究工作采用NCEP資料和常規(guī)氣象觀測(cè)資料,對(duì)2000年4月5～7日引發(fā)華北地區(qū)嚴(yán)重沙塵天氣的影響系統(tǒng)進(jìn)行了診斷研究,主要結(jié)果歸納如下:(1)2000年4月5～7日,有一次蒙古氣旋爆發(fā),并引發(fā)強(qiáng)烈的沙塵暴天氣。該氣旋是干冷結(jié)構(gòu),斜壓性較強(qiáng)。開始時(shí)只是在低層明顯,后擴(kuò)展至高層,以致從地面到400hPa都有閉合氣旋性環(huán)流存在,最后發(fā)展為一個(gè)深厚系統(tǒng)。氣旋發(fā)展初期和發(fā)展成熟期,溫度平流均為氣旋發(fā)展的主要因子,渦度平流在氣旋開始發(fā)展時(shí)有作用,但渦度平流較溫度平流弱。與溫度平流不同,渦度平流隨氣旋的發(fā)展而減弱。與文獻(xiàn)中B類氣旋的發(fā)展不同之處在于,本例氣旋的發(fā)展主要因子是高空溫度平流起主要作用,渦度平流也有作用。氣旋附近區(qū)域的平均渦度較大、垂直運(yùn)動(dòng)較強(qiáng),大氣層結(jié)較穩(wěn)定。(2)斜壓性與氣旋發(fā)展的作用分析表明:一開始低層有斜壓作用,但位于氣旋的后部。氣旋發(fā)展時(shí),氣旋所在區(qū)域高低空并沒有很強(qiáng)的鋒生,但當(dāng)氣旋發(fā)展到最強(qiáng)時(shí),對(duì)流層高空鋒生區(qū)疊加在低層鋒生區(qū)上,使氣旋周圍的斜壓作用更強(qiáng)。對(duì)流層低層到中層,從貝加爾湖東南到我國(guó)內(nèi)蒙古中部是鋒生函數(shù)的大值區(qū),氣旋在此時(shí)加強(qiáng)并隨