东北冷涡的位涡动力诊断模型及应用

关键词 东北冷涡 位涡动力诊断 分类号 P458 文献标识码 A
引言
东北冷涡是在东亚阻塞形势下于东北地区发生的较为深厚的冷性低值系统, 是东北地区 暴雨、冰雹、阶段性低温等灾害性天气的重要影响系统。
近几十年的研究普遍认为, 纬向平均气流的偏差所引起的热量和动量输送在大气环流维 持中起着决定性 作用, 而且 产生这 些偏差 的涡动, 基 本上是 与瞬变 天气波 动相联 系的[ 1] 。 Rossby 波的基本流型、急流、锋面、切变线、斜压波和切断环流的结构和演变均可由涡旋矢量 ( 切变与曲率) 的分布加以分析和说明。在等熵面上, 把涡度分解成切变与曲率两项, 即为 Er t el 位涡方程的一种形式。由于在曲率位涡和切变位涡的交换过程中总位涡守恒, 因此位涡方 程被广泛用来分析天气尺度系统的演变。K rishnamurt i[ 4] 和 K eyser[ 5] 等人的研究指出, 切断 气旋的发展可以理解为当位于西北气流中的一支急流传播至分流的长波槽下游时, 气旋性切 变位涡向气旋式曲率位涡转换的结果。参考文献[ 6] 中提到, 东北冷涡演变过程中, 也有这种 急流位置的变化情形。另外, 国内虽有许多利用湿位涡分析来讨论天气系统和暴雨发生、发展 的研究工作, 例如文献[ 7~ 9] 等论文, 但将位涡分解成切变和曲率两项来分析的还不多见。
V S
)
(
d d
t
)
>
0和
n(
!S) > 0, 有曲率涡度向切变涡度输送, 致使切
变涡度减少。如果在槽的底部出现较大范围的(
V S
)
(
d dt
)
>
0和
n(
!S) > 0 的区域, 由于曲率
位涡减少, 冷涡在槽底部减弱, 如图 1b 所示。
从图 1 的典型模式图中可知, 东北冷涡发展过程中, 在槽的西北方有急流的入侵是冷涡加
( 3) 应用数值预报产品, 计算出曲率位涡转换项后, 根据冷涡加强或减弱的位涡动力诊断 模型, 可以预报其演变趋势。
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参考文献
1 B Hoskins and R pearce. Large Scale Dynamical Processes in t he A tmoshere( 中译本) . 北京: 气象出版社, 1987. 175~ 209 2 W J Saucier. Principles of M et eorological A nalysis. Chicago: t he U niversity of Chicago Press, 1955. 438 3 D B G erald and D keyser. Shear and Curvat ure V ort icit y and potential vot icit y Interchanges: Int erpret at ion and Applicat ion
500, 400, 300, 250, 200, 150, 100 hPa) 。计算范围取为 97∀~ 136∀E , 35∀~ 65∀N, 标准中心点为
118∀E、50∀N, 采用正方形网格, 格距为 330 km, 共有 11 # 14 个格点。 等熵面的垂直间隔为
10 K, 分别是 285, 295, 305, 315, 325, 335, 345, 355, 365, 375 K, 各层等熵面上的网格资料利用
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和减弱时的形势图。
图 2 1982 年 9 月 6~ 12 东北冷涡过程 500 hPa 形势演变 ( a) 6 日 20 时 ( b) 10 日 20 时
Fig. 2 V ariat ion of the 500hPa pat tern f or th e N ortheast Cold process from Sep. 6 to 12 , 1982 ( a) 09. 06: 20h ( b) 09. 10: 20h
d dt
+
n ( S!)
( 6)
式中的 != CP T + gZ 为 Montgomery 流函数。将( 5) 、( 6) 合并得到:
d dt
(
P
cu
+
Psh ) =
dP dt
=
0
( 7)
显然, 曲率位涡与切变位涡之间的交换不改变总位涡的大小, 正如文献[ 2] 所述, 它们两者之间
的交换构成 Rossby 流型的基本特征。因为与等压面坐标下的绝对涡度倾向方程相比较, 减少 了涡度的水平辐散项与拖曳项。这也是利用位涡作诊断分析的优点。
急流象限
急流入口区左侧 急流入口区右侧 急流出口区左侧 急流出口区右侧
! S
n ( !S )
dP cu dt
dPsh dt
-
+
-
+
-
-
+
-
+
-
+
-
+
+
-
+
利用表 1 与表 2 的原则, 可得到涡旋加强( 图 1a) 或减弱( 图 1b) 的两种动力诊断模型。
图 1 位涡动力诊断模型 ( a) 冷涡加强典型模型 ( b) 冷涡减弱典型模型 Fig. 1 T he typical dynamical diagnost ic model of PV for Nort heast Cold V ortex
( a) t he deepening ( b) t he decreasing
从模型中可以看到,
图
1a
中槽后的虚线包含部分,
即西北气流弯曲至槽处,
(
d dt
)
(
V S
)
< 0 和 n( !S) < 0, 有切变涡度向曲率涡度转换, 导致曲率涡度增加, 冷涡在槽的后部加强; 而
在糟前至西南气流弯曲处, (
第 23 卷 第 4 期 2003 年 12 月
气象科学
SCIENT IA M ET EOROLOGICA SINICA
V ol. 23, No. 4 Dec. , 2003
东北冷涡的位涡动力诊断模型及应用
陈艳秋 余志豪
( 南京大学大气科学系, 南京 210093)
摘 要 对一次较典型的东北冷涡过程, 利用 自然坐标系 下的 Ertel 位涡守恒 原理, 分析曲率位涡和切变位涡之间的转换及分布特征, 得出 了涡旋加强 或减弱的 位涡动力诊断模型, 并通过实例计算提出了预报东北冷涡过程的一种方法。
为验证位涡动力诊断模型的预报意义, 本文着重计算了全过程中各个时次的曲率位涡个别变
化项, 即 - 1[
V S
d d
t
+
n( !S) ] 的负值。
3 结果分析与预报应用
图 3 为东北冷涡过程的曲率位涡转换项( 315 K 等熵面) 演变图, 其范围和时次与图 2 相 一致。
从 6 日 20 时的图 3a 中可以看出, 发展期槽底的左侧有一明显的正值转换项, 其强度达 21 PVU/ 6 h( 即每 6 h 增加 21 位涡单位) 。槽的右侧有一较小的负值中心, 强度为 13 PVU/ 6 h。 这种分布情况与图 1a 的冷涡加强动力模型基本吻合。6~ 7 日东北冷涡发展加强。8 日 20 时 冷涡相对稳定少变, 转换项的正负区分布零乱, 未出现较明显的中心( 图略) 。10 日 20 时, 冷 涡部位出现大范围负值转换项, 系统开始减弱东移( 图 3b) 。12 日 20 时, 继续出现大范围负值 转换项, 冷涡进一步减弱东移( 图略) 。综合上述演变过程, 基本上佐证了图 1 的动力诊断模 型。
Fig. 3 V ariat ion of th e t ransf ormat ion of t he curvature PV for the N ortheast Cold process f rom Sep. 6 t o 12 , 1982 ( a) 09. 06: 20h ( b) 09. 10: 20h
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气象 科学
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实际工作中, 利用数值预报的格点资料, 计算出逐日的曲率位涡转换项的分布及数值, 根 据典型的位涡动力诊断模型, 可以分析出冷涡加强发展或减弱东移的演变趋势, 对东北冷涡的 预报具有参考意义。
图 3 1982 年 9 月 6~ 12 日东北冷涡过程曲率位涡转换项演变 ( a) 6 日 20 时 ( b) 10 日 20 时
流型
V
d
dP cu
dPsh
S
dt
dt
dt
脊至西北气流弯曲处 ( 超地转急流出口)
+
-
+
-
西北气流弯曲至槽底 ( 次地转急流出口)
-
+
+
-
槽至西南气流弯曲处 ( 次地转急流入口)
+
+
-
+
西南气流弯曲至脊处 ( 超地转急流入口)
-
-
-
+
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气象 科学
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表 2 ( / n) ( !/ S) 项的作用 T able 2 T he contribution of ( / n) ( !/ S)
根据上述事实和原理, 本文分析了切变位涡向曲率位涡的转换项, 在流型各个部分中所引 起的曲率涡度增加和减少的作用后, 描绘出了东北冷涡的加强或减弱的典型动力诊断模型图。 并在实例计算中提出了用于预报东北冷涡过程的一种方法。
1 位涡诊断原理
自然坐标系下等熵面上的总位涡( P) 可以写成如下形式:
收稿日期: 收稿日期: 2002 12 10; 修改稿日期: 2003 03 10 基金项目: 本文由 东北冷涡研究! 课题资助 第一作者简介: 陈艳秋( 1960 ) , 女( 汉) , 辽宁, 高级工程师, 沈阳区域中心气象台( 现 在南大在职硕 士研究生班) , 主 要从 事动力数值方法的研究