中尺度动力学及其在中国暴雨系统中的应用外文翻译资料

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中尺度动力学及其在中国暴雨系统中的应用

高守亭等

暴雨物理实验室，大气物理研究所，中国科学院，北京 100029

摘要：我国近年来对水汽输送动力和暴雨的理论研究已经有了长足进展。本文首先将水汽效应更实际地融入理论中，包括新参数广义湿位涡（GMPV）和改进湿地转Q矢量（Qum）的发展。还描述了涡度的发展，并用“气块动力”法研究空气团垂直涡度的发展。

由于涡度发展更靠近湿等熵面附近因此提出了倾斜涡度发展理论，并且把发展的对流涡度矢量（CVV）作为一个行之有效的新手段。对锋面动力学和波动力学的重要意义作了总结，包括初始非平衡流的地转调整和在锋生过程中扮演双重角色的边界层摩擦，以及地形和锋面之间的相互作用，表明地形扰动改变锋生和锋面结构。大气涡旋中，扩展混合波/涡动力学来解释螺旋雨带和热带气旋动态不稳定的发展和传播。最后我们回顾了暴雨过程中的波流相互作用，觉得有必要把现行理论适用范围从大尺度扩展到中尺度，丰富中尺度天气动力学的知识。

关键词：中尺度动力学；暴雨；湿大气；涡动力学；波流相互作用

1、介绍

中国位于亚洲夏季季风（ASM）地区，降水量大。在中国南方，季风过境后迎来雨季。在此期间，经常发生暴雨洪水，给人民生命安全和国家经济财产造成了重大损失。我国最早的灾难性暴雨是2000年前，人类跟洪水的斗争与降雨息息相关。由于热带低压和飓风，世界许多地区像印度和美洲东部也时常遭受暴雨侵袭。因此，暴雨引发的灾害是个世界性难题。陶诗言（中国之暴雨.科学出版社，北京，1980）系统地探讨了有利于暴雨发生的天气模式。基于这些研究，中国气象学家在已获得的许多细节和重要成果上继续从事降水研究。在中国主要有四类雨型：台风降水；锋面降水；西风槽降水；低涡降水。众所周知，台风是主要灾害性天气系统之一，在中国东部地区，大风、暴雨和风暴引起的台风给国家经济和人民生命财产安全带来了严重危害。台风是最强的暴雨系统。例如，台风卡拉（1962）给台湾带来了强降水，24小时总降水量达1248毫米。全球24小时降水记录和三天内降水记录分别为1870毫米和3240毫米，在印度洋联合国Tin Rouse地区发生，也是由台风引起的。

台风降水包括中心地带降水，螺旋雨带以及狂风与相邻地形相互作用造成的外围降水（图1）。

图1:台风降水：世界时间2004年8月12日850hPa位势高度场（等高线；单位：流）风（向量）和6小时累积降水（阴影区）

在我国，锋面降水非常广泛并且经常引发洪水灾害。例如，华南地区在夏季季风前的降水多为锋面降水。梅雨锋降水通常发生在长江流域每年的6～7月，影响范围可远达日本和韩国（图2）。梅雨锋是一个经常引发暴雨的重要天气系统。与此同时，中国北方有一个叫做西风槽的重要天气模式影响。西风槽前降水在多地引发暴雨（图3）。此外，低涡时常在我国东北和西南地区引发暴雨，导致当地洪水。涡度引发降水已被中国气象学家研究多年（图4）。暴雨领域有很多开放式性问题亟待大量研究来回答。为了避免篇幅过长，本文将着眼与暴雨的动力问题。论文主体的第一部分（第2节）将对实际大气模型和理论集中研究。第3节回顾降水相关的涡动力学进展。第4节讨论锋面动力学。第5节综述波的研究动态。最后一部分总结。

图2：梅雨锋降水：世界时间1999年6月26日700hPa位势高度场（等高线；单位：20位势米）风（向量）和6小时累积降水（阴影；单位：毫米）

图3：西风槽降水：世界时间2005年8月16日500hPa位势高度场（等高线；单位：位势米）风（向量）和6小时累计降水（阴影；单位：毫米）

图4：东北冷涡降水：世界时间2007年7月9日700hPa位势高度场（等高线；单位：位势米）风（向量）和6小时累积降水（阴影）

2、暴雨相关的湿大气研究

降水总是与水汽辐合、输送以及相变密切相关。因此，水汽收支和水物理过程是暴雨研究非常重要的部分。

2.1广义湿位温和广义湿位涡

由于湍流和干燥空气带，大气中各处不饱和，并且相对湿度在雨云中无法达到100%。事实上，相对湿度越高，水汽越容易凝结，就是说凝结增长，相对湿度增加。位温theta;是反映大气热力学状态的关键物理量，并且在无摩擦绝热运动状态下守恒。可以用来比较空气在不同压力下的热力差异从而进行大气稳定性分析（舒尔茨等，1999；寿等，2003）。暴雨释放潜热，因此位温不再守恒。引入相当位温theta;_e，暴雨过程中守恒。相当位温定义如下：一个饱和空气块绝热膨胀抬升至凝结时的温度。如果空气块均匀饱和，那么就会快速凝结并降水。然而通常不会这样，这就表明现实中的空气块都是不均匀的。因此高（2004）通过添加一个无量纲凝结几率函数：

合并饱和非均匀的定义将新的位温参数称为广义湿位温。T和theta;分别为温度和位温，Cp是干空气的比热；L是汽化潜热；q和q_s分别为不饱和以及饱和含湿量。（q/q_s）k随着凝结几率函数变化，k是权重系数，值通常为9.高（2004）证明了，theta;*在湿绝热运动中是守恒的。此外，GMPT可用于如干燥、饱和以及非均匀饱和空气等各种条件，因为它在干燥和潮湿的绝热过程中都是守恒的。它在诊断大气运动稳定性和气团运动方面相当有用，应用前景广泛，如暴雨降水、雾和热浪。降雨之间的theta;*和theta;e的比较诊断如图所示（图5），表明大尺度区域theta;*能更好地对应降水区域。

位涡（PV）是一个重要的动态变量，1942年由Ertel导出PV为斜压流：

rho;是密度，zeta;a为三维绝对涡度矢量。可以认为PV在干空气中绝热无摩擦运动是守恒的。然而，暴雨中悬浮颗粒最初在低层被强烈的上升气流抬升导致上层PV异常。这种异常对对流和降水有指示作用。另一个非常重要的概念是位涡反演（PVI）原则，不仅可以利用PV作为拉格朗日示踪剂同时也可以完全演绎平衡流动。同时，PV潜热释放时不再守恒，因此班尼特（1979）把PV概括进湿位涡（MPV），定义为

通过用相当位温theta;e替代theta;，MPV已经广泛用于对称不稳定条件的研究（伊曼纽尔，1983）。然而，暴雨中湿空气并非均匀饱和，PV和MPV都不适合对其描述。因此，高（2004）在MPV基础上提出广义湿位涡（GMPV）的概念，定义为：

这里theta;*是广义湿位温。虽然GMPV既不守恒也不可逆，但仍可以用于暴雨诊断，因为它在暴雨诊断分析中是一个强烈信号。这里是中国北部2001年6月27日的一次从早上0点到6点的暴雨过程（图6a）。图中的b和c分别表示降水区域和GMPV 850hPa分布，而MPV分布未能有效对应降水区域。

2.2非地转湿Q矢量

垂直运动作为云和降水最重要的因素之一，跟暴雨的发展密切相关。自1970年代末以来，omega;方程已经成为计算垂直运动的一个重要方法（邓，1991），因为垂直速度的准确性直接影响降水预报准确度。垂直运动成了全球天气预报的着眼点，斯（1972）介绍了地转Q矢量，一个omega;方程中使用单一观测向量数据计算的独特的强迫项。有了Q矢量，垂直速度就可用于日常操作服务中的诊断。

Q矢量在诊断垂直运动中是一个非常有效的工具（邓，1991）。因此，科学家们对Q矢量作了许多修改和改进，包括广义向量（戴维斯，1991），C向量（徐，1992），非地转Q矢量（张，1999），非地转湿Q矢量（姚，2004）。Q矢量已经成功应用于对暴雨、大雪等天气的预报分析。所有与上述Q矢量有关的表达式都是在大气绝对干燥或均匀饱和的基础上导出的。高（2004）之后，杨（2007）用Qum提出了一个非均匀饱和流的非地转湿Q矢量。包括了非绝热影响的地转非绝热，omega;方程可以写成

f是科里奥利参数，omega;是压力坐标下风的垂直分量，sigma;是一个静态稳定参数。这表明▽·Qum是非地转非绝热omega;方程的一个强迫项，当omega;显示正弦特性，omega; prop; nabla;·Qum。因此，如果nabla;·Qum lt; 0 （nabla;·Qum gt; 0），然后omega;lt; 0（omega;gt; 0），对应于上升（下沉）运动。以上关系表明正常的暴雨过程中Qum （nabla;·Qum lt; 0）收敛会在上升运动中产生二次循环。

只考虑潜热的话，组成Qum的两部分为和

u和v分别是压力坐标下的纬向风和经向风，V是风矢量，R是气体常数。以上是在饱和非均匀无摩擦湿绝热运动下的Qum表达式。Qum只在凝结几率函数影响的近饱和区适用。通过对Q矢量初值和Qum的比较，发现Qum可以更好地诊断预报降水。杨（2007）用Qum诊断了中国2003年7月4日6点至5日12点长江中下游的暴雨过程。案例分析表明，▽·Qum在6小时降水预报中具有较好的指示作用。▽·Qum作为非地转非绝热omega;方程的强迫项，Qum的收敛加强了暴雨密切相关的上升运动和二次循环。

2.3暴雨的质量强迫效应

我国有时会发生降水量超过50mm的暴雨。例如，台风尼娜（7503）给河南省带来了一场24小时降水量高达1060mm的大暴雨。1975年8月，台湾有14个地区的降水量超过1000mm。尤其是当天尾寮山降水量1403打破了陆地累计降水历史记录。大量雨水落地导致湿空气质量不足。因此，这种情况下水汽质量守恒在湿空气中不成立。顾（1991）使用PSU-NCAR（宾夕法尼亚州大学国家大气研究中心）中尺度模式作了比较实验并讨论了湿空气连续方程和其他相关方程中源项的功能。暴雨发生时，湿空气连续方程中的源项，表面压力趋势方程和垂直速度方程降水增强水汽凝结引发的正反馈。格瑞（1998）利用质量强迫模型来研究PV异常如何回应对流引起的变化。但是，这个模型只考虑了垂直质量运输和对流运动上升（下沉）形成的质量辐合（辐散）区。尽管上述所有研究都包含源项，但是总质量仍是守恒的。邱（1993）用PSU-NCAR中尺度模式发现质量下沉（或质量源）变化可以对数值模拟造成重大影响。不考虑质量下沉的话，模型中的降水就会减少。高（2002）在邱（1993）之后通过暴雨过程中的密集降水造成的质量损失研究了热和质量强迫的MPV异常。对大尺度系统来说，外部强迫主要是热强迫和摩擦热耗散。相比之下，中尺度对流系统的MPV异常主要来自质量强迫。如果对流系统中有强降水，那么内部质量领域的改变不仅由背景场的收敛和发散主导，也取决于强降水引起的质量损失。

连续方程是高（2004）：

rho;d，rho;m和rho;r分别是干空气，水汽，冷凝物（沉淀物）的密度。Ｑｍ是机载云水和雨水的凝结率，Vt是雨滴的末速度。湿空气的密度是rho;2 = rho;d rho;m，总密度是rho;3 =rho;d rho;m rho;r。三个方程联立可以推导出以下方程

S=minus;nabla;· （rho;rVt）代表降水引起的质量强迫贡献。

高（2002）用热量和质量强迫推导出的ＭＰＶ方程证明密集降水下的热力和质量强迫可以导致ＭＰＶ异常。这两种在绝热无摩擦饱和状态下的MPV异常是

omega;a是绝对涡度矢量，theta;e相当于潜温，密度rho;。这个方程适用于研究暴雨系统和其他恶劣天气系统，而传统的光伏或MPV理论只考虑热强迫或摩擦强迫。

3、涡动力学进展

3.1倾斜涡度发展

1942年，埃特尔提出了PV的概念，这是一个绝热无摩擦干空气状态下的守恒量。霍斯金斯（1985）总结了大气运动诊断中埃特尔PV应用并介绍了等熵势涡度（IPV）。一般来说，IPV对中高纬地区某些天气系统的运动和发展有指示意义。然而，在对流层低层，特别是在低纬度地区，IPV很弱。此外，IPV不包括的水分的影响。简而言之，IPV分析应用在对流低层，低纬度地区和降水情况下有限制。考虑到湿度影响，提出MPV。基于PV和MPV的守恒特性，IPV应用被限制的情况下等熵面似乎是下降的，倾斜涡度发展（SVD）理论可用来显示对流低层垂直涡度发展机制的暴雨诱因。

锋面是一个倾斜的交界面。因此，锋面附近温度会有巨大差异。锋面可以被描述为一个涡度倾向于发展的倾斜等熵面附近。事实上，许多天气系统都会发展成倾斜（潮湿）等熵面，因此研究这么系统在倾斜等熵面环境下的变化是很有必要的（崔，2003）。在埃特尔PV和ＭＰＶ守恒的基础上，吴和刘（1997）用一种“气块动力”法研究倾斜等熵面附近的垂直涡度发展，他们称之为ＳＶＤ。推断出垂直涡度趋势方程的一种新形式。

绝热无摩擦大气中，埃特尔ＰＶ守恒：

Ｐｅ是埃特尔ＰＶ，ｚ是高度坐标，alpha;是比热容，part;theta; /part; s是潜热的水平梯度，zeta;z是绝对涡度zeta;ａ的垂直分量，zeta;s是ｓ在zeta; a上的投影，且zeta;a由封的垂直切变决定。

也可以这么表示：

zeta;theta;是zeta; a在nabla;theta;上的投影。如果每单位绝对涡度质量xi; a = alpha;zeta; a， 并且xi;n = alpha;zeta;theta;，那么以上关系也可以写成

此外，

这就意味着静力稳定度的变化会导致垂直涡度theta;z，垂直风切变zeta;s，或斜压性theta;s的变化。

SVD原理图[图2]表明了倾斜的等熵面如何影响垂直涡度的变化。平行等熵线假定为水平向右的z坐标，但像圆的左侧弯曲。当一边由z向s偏离时，边坡角为正。等熵线的梯度

theta;n是恒定的。当满足CD =xi;stheta;s /theta;z lt; 0，xi;z =（xi;n / cosbeta; |xi;s tanbeta;|）（|beta;| =pi;/ 2）。它意味着当一个空气块从theta;表面倾斜下滑， 只要以上条件满足其垂直涡度将会增加。theta;表面的斜率大幅增加时xi;z可以非常大，垂直涡度是由于与空气块沿着倾斜的等熵面下滑，也就是SVD下滑。

一种新型的由zeta;z构成的垂直涡度倾向方程：

方程表明，静态稳定性的变化，斜压性和垂直风切变会影响垂直涡度发展。对1981年7月在四川从11日到15日西南涡降雨事件进行了数值实验。基于布莱克的绝热模型 （1984），theta;为纵坐标，对涡的形成进行模拟。垂直涡度沿着青藏高原东部边缘发展同时新生气旋漩涡出现在风矢量沿倾斜theta;表面急剧下滑的地区。这个案例研究表明，涡旋的发展可以用

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