基于濕位渦場的懸空波導預報研究

張玉生 韓 杰 郭相明 郝曉靜 康士峰 趙振維

(中國電波傳播研究所,電波環(huán)境特性及模化技術重點實驗室,山東青島266107)

1.引 言

在大氣波導產(chǎn)生機理和預報研究中,氣象物理量場與大氣波導的相關分析是研究的內(nèi)容,有資料表明,低空波導與天氣形勢有密切關系,天氣形勢直接影響著氣象物理量場的分布[1-3]。在以前研究過程中由于條件和資料限制,大氣波導與天氣形勢的相關性研究大部分情況下只限于研究單站波導出現(xiàn)情況。

隨著中尺度數(shù)值模式技術的不斷發(fā)展和計算機運算性能的不斷提高,利用中尺度數(shù)值模式模擬大氣波導及其相關的氣象物理量場已成為現(xiàn)實[4-5]。本文采用MM5中尺度數(shù)值模式,對2008年5月10～11日我國東南沿海的一次大范圍的懸空波導(大氣波導類型之一)出現(xiàn)時濕位渦場的變化進行了數(shù)值模擬,該波導由西風槽和臺風天氣系統(tǒng)相互作用引發(fā)和加強的,通過濕位渦場的數(shù)值模擬,分析其與懸空波導的相關性,以期達到預報懸空波導的目的。

1942年Ertel提出的位渦概念,并指出在干空氣和不飽和濕空氣中守恒,由于在天氣過程中當云發(fā)展并釋放潛熱時,位渦不再守恒,因此,用相當位溫代替位溫引入濕位渦概念,使它在濕絕熱過程中守恒,國內(nèi)外對于位渦和濕位渦在天氣系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展中的影響已開展了一些理論研究[6-7],但尚未看到濕位渦概念用在大氣波導機理和預報的有關文獻。

2.MM5中尺度數(shù)值模式

MM5中尺度模式是美國賓夕法尼亞州立大學(PSU)和美國國家大氣研究中心(NCAR)從二十世紀80年代以來共同開發(fā)的第5代區(qū)域中尺度數(shù)值模式[8],和上一代模式MM4相比,在模式動力框架上最大的改進之處在于引入了非靜力平衡效應,從而使得模式具備了描寫較小空間尺度而發(fā)展強烈的天氣系統(tǒng)能力。本文采用成熟的MM 5中尺度模式進行波導過程及其濕位渦場的模擬與分析研究。

MM5模式結構可分為模式前處理、主模式和模式后處理。在每一部分中又有其具體細致的內(nèi)容,前處理中包括資料預處理、質量控制、客觀分析及初始化,它為MM5模式運行準備輸入資料,主模式部分是模式所研究氣象過程的主控程序,后處理是對模式運行后輸出結果的分析處理,包括診斷和圖形輸出、解釋和檢驗模式模擬或預報結果等。中尺度模式運行結果的準確度和可信度與模式選擇的參數(shù)化方案有很大的關系,本文選擇的主要參數(shù)化方案為：顯式降水物理過程的處理方案采用簡單的冰相降水過程計算方案;邊界層方案選擇高分辨的大渦閉合邊界層方案;大氣輻射過程采用Mlawer的長波方案;積云參數(shù)化方案分不同的嵌套區(qū)域選擇,考慮懸空波導的水平不均勻性和模式運轉的時效性,采用粗網(wǎng)格嵌套細網(wǎng)格的方式,取粗網(wǎng)格距60 km,細網(wǎng)格距20 km,在積云參數(shù)化方案中,粗網(wǎng)格采用Anthes-Kuo方案,細網(wǎng)格采用Grell方案。同時垂直方向上采用不等間距分層,低空較密,共44層,層頂氣壓為100 hPa。由于地形分辨率對懸空波導區(qū)域產(chǎn)生重要的影響,地形采用較高分辨率的25類植被和地表類型2分的數(shù)據(jù)。

3.濕位渦及其不可滲透性

濕位渦是一個動力和熱力相結合的參數(shù),其定義式為

即濕位渦為單位質量氣塊的絕對渦度在等相當位溫θe面法向上的投影與|▽θe|的乘積。其中ρ為空氣密度,ωa為三維絕對渦度,它從三維風速的旋度反映了大氣的運動變化,相當位溫θe反映了大氣的熱力變化。

相當位溫θe反映了大氣的熱力變化,它的定義式為

式中：θ為位溫;L為水的汽化潛熱,其值約為2501 J?g-1;q為比濕,單位一般k?kg-1;cpd為 1004.675 J?kg-1?k;Tc為所在氣塊抬升凝結高度處溫度,從式(2)可看出,θe包含溫度信息,同時也包含濕度信息。

眾所周知,大氣波導發(fā)生在大氣修正折射率垂直梯度小于0的區(qū)域,修正折射率M隨高度h變化表示為

是溫度、濕度垂直梯度的函數(shù),而▽θe也是溫度、濕度垂直梯度的函數(shù)。因此,從理論上分析,大氣波導與相當位溫和濕位渦場有密切關系。濕位渦沿著等熵面的移動速度可以如下推導：由式(1),再根據(jù)連續(xù)性方程和位渦方程可得[7]

式中：下標?表示平行于等θe面的物理量,⊥表示垂直于等θe面的物理量。從式(4)可見,其右邊的后三項皆與等θe面平行,而右邊的第一項中的Vθ⊥為θe面的移動速度,濕位渦物質對等熵面的不可滲透性得以體現(xiàn)。令

則有

4.基于濕位渦場的懸空波導移速、移向預報

以2008年5月10日世界時12時為數(shù)值模擬起始時刻,從0～24小時的數(shù)值模擬可看出,當沒有懸空波導時,等相當位溫線沒有水平向的密集鋒區(qū),經(jīng)向濕位渦分布也沒有明顯的負中心區(qū)和變化劇烈區(qū),其等值線散亂,見圖 1。

圖中橫坐標為北緯值,縱坐標為氣壓值,單位為hPa(下同)。

當出現(xiàn)懸空波導時,經(jīng)向相當位溫等值線形成明顯的橫向鋒區(qū),從圖2中的(a)、(c)和(b)、(d)可看出,由于濕位渦場變化是連續(xù)的,因為濕位渦的不可滲透性,它只能沿著等熵面移動,異常濕位渦場的移速為,形成濕位渦負大值中心以及梯度劇烈變化區(qū)。

濕位渦的移向與等相當位溫的走向特別是變化劇烈區(qū)的走向密切相關,都是沿著密集等相當位溫線的走向移動。當梯度劇烈變化的等相當位溫面斜率不同時,沿著等相當位溫面移動的濕位渦場的移動方向也不同。

由于850 hpa高度處的抬升逆溫和該高度處下濕上干的相對濕度驟變層結,在東南沿海引起了大面積的懸空波導發(fā)生,由圖2的(e)和(f)修正折射率經(jīng)向剖面圖可知在850 hpa高度左右明顯的有一懸空波導帶,該帶呈現(xiàn)水平向至南高北低斜向態(tài)勢,隨著經(jīng)度、緯度不同,波導帶的強度、厚度、底高雖然不同,但是各種變化是連續(xù)的,說明此波導帶是同一天氣形態(tài)造成的。

通過圖2修正折射率和濕位渦經(jīng)向剖面比較可看出,12小時后兩者斜率都呈現(xiàn)近乎水平分布,隨著時間斜率連續(xù)變化,24小時后斜率變化呈現(xiàn)南高北低分布,在不同時刻懸空波導的出現(xiàn)位置和濕位渦剖面的劇烈變化區(qū)及負中心一致,懸空波導經(jīng)向分布帶隨著濕位渦場負值中心和梯度劇變區(qū)移動而移動,由此可見,懸空波導的移動速度與濕位渦明顯的負中心區(qū)和梯度劇變區(qū)的經(jīng)向分布移動速度一樣,可以認為是以的速度運動的,并且移動路徑與異常濕位渦場負中心的移動路徑一致。濕位渦場移動方向與相當位溫的鋒區(qū)走向一致,因此,波導的移向與濕位渦場移動方向或者說與相當位溫的鋒區(qū)走向一致。懸空波導區(qū)域和異常負濕位渦場一樣夾在兩條密集等θe線所夾的區(qū)域內(nèi)移動。如果密集等θe線分布是呈東-西向的,那么懸空波導的移動一定是東-西向的,可以稱該波導為緯向型懸空波導;如果密集等θe線分布是呈南-北向的,那么懸空波導的移動一定是南-北向的,可以稱該波導為經(jīng)向型懸空波導;如果密集等θe線分布是呈西北-東南向分布的,那么懸空波導的移動一定是西北-東南向移動,可見異常負濕位渦場的分布與移動配合密集等θe線走向為懸空波導預報提供了科學依據(jù)。

以上限于篇幅只列出一個例子的分析和結果,但通過多個例子分析可知,其結果同樣符合相同規(guī)律,因此,基于濕位渦場的異常變化可預報懸空波導移向、移速。

5.結 論

濕位渦是動力和熱力相結合的參數(shù),滿足大氣動力和熱力學方程的約束,且為相當位溫的函數(shù),而相當位溫包含溫度和濕度信息,另一方面,濕位渦場有保守性、可反演性特別是不可滲透性等獨特性質,在研究中便于機理和預報分析,相比懸空波導預報,更容易實現(xiàn)其預報,因此,可將懸空波導預報問題轉化為濕位渦預報問題。從以上分析表明：當無懸空波導出現(xiàn)時,經(jīng)向濕位渦分布沒有明顯的負中心區(qū)和變化劇烈區(qū),等值線散亂,當出現(xiàn)懸空波導時,經(jīng)向濕位渦分布帶呈現(xiàn)明顯的負中心區(qū)和梯度劇烈增大區(qū),濕位渦場分布與懸空波導的區(qū)域分布一致,其走向與懸空波導經(jīng)向分布帶走向一致。由于濕位渦的不可滲透性,濕位渦發(fā)展變化時,只能沿著等熵面移動,其負中心區(qū)和梯度劇烈增大區(qū)只能沿著等相當位溫面移動,且移速和移向是可知的,換句話說,懸空波導的移動速度和移動方向也是可知和預報的,從而給懸空波導的預報開辟了一種新思路和途徑。

[1] 潘中偉,劉成國,郭 麗.東南沿海波導結構的預報方法[J].電波科學學報,1996,11(3)：58-63.PAN Zhongwei,LIU Chengguo,GUO Li.The Prediction of Ducts in South-east Coast of China[J].Chinese Journal of Radio Science,1996,11(3)：58-63.(in Chinese)

[2] 張玉生.與大氣波導結構相關的天氣形勢實例分析[J].電波科學學報,2004,19(Sup.)：227-229.ZHANG Yusheng.The synoptic analisis of atmospheric duct[J].Chinese Journal of Radio Science,2004,19(Sup.)：227-229.(in Chinese)

[3] BEAN B R,DUTTON E J.Radio Meteorology[M].New York：Dover Publication Inc,1968.

[4] 成印河,趙振維,何宜軍,等.大氣波導數(shù)值模擬研究[J].電波科學學報,2009,24(2).259-263.CHENG Yinhe,ZHAO Zhenwei,HE Yijun,et al.Numerical simulation of atmospheric duct process[J].Chinese Journal of Radio Science,2009,24(2).259-263.(in Chinese)

[5] 張玉生,康士峰,趙振維,等.大氣波導與氣象物理量場相關性的模擬分析[J].電波科學學報,2009,24(4)：742-747.ZHANG Yusheng,KANG Shifeng,ZHAO Zhenwei,et al.A simulation analysis of relativity of atmospheric duct and atmospheric paramrter fields[J].Chinese Journal of Radio Science,2009,24(4)：742-747.(in Chinese)

[6] 劉健文,郭 虎,李耀東,等.天氣分析預報物理量計算基礎[M].北京：氣象出版社,2005.

[7] 高守亭.大氣中尺度運動的動力學基礎及預報方法[M].北京：氣象出版社,2007.

[8] 張金善,鐘 中,黃 瑾.中尺度大氣模式MM5簡介[J].海洋預報,2005,22(1)：31-40.ZHANG Jinshan,ZHONG Zhong,HUANG Jin.An introduction to meso-scale model MM5[J].Marine Forecasts,2005,22(1)：31-40.(in Chinese)