大气科学  2018, Vol. 42 Issue (1): 178-191   PDF    
雷暴大风过程中对流层中低层动量通量和动能通量输送特征研究
张琳娜1, 冉令坤2, 李娜2, 杜佳1, 周璇1, 孟悦3     
1 北京市气象台, 北京 100089
2 中国科学院大气物理研究所, 北京 100029
3 中南大学数学与统计学院, 长沙 410083
摘要: 2014年5月31日北京发生一次雷暴大风过程。以雷达资料同化结果为初始场,对此次过程进行高分辨率数值模拟。采用非静力平衡和非地转平衡的经向动量方程和质量权重动能方程,利用模拟资料,对雷暴大风过程中经向动量和质量权重动能进行收支分析,以此来研究雷暴过程中对流层中低层动量通量和动能通量输送特征,讨论地面大风的可能成因。分析结果表明,在对流层中低层,经向动量通量散度是影响经向动量局地变化的主要强迫项。雷暴系统后部的入流把中低层的经向动量倾斜向下输送,系统前部对流云区中低层的下沉气流也向下输送经向动量。这两支下传动量通量先后与近地面经向动量的水平通量汇合,向系统前沿输送经向动量。在北京西北部地形阻挡作用下,经向动量通量在系统前端近地面辐合,促进那里的经向动量局地增长,有利于增强那里的南风。质量动能收支的特征与经向动量收支类似,在近地面层质量动能的局地变化主要是由质量动能通量散度引起的。系统后部入流把中层质量动能向下传输到近地面层,然后与近地面质量动能的水平通量汇合,向系统前沿输送质量动能。相对来说,近地面层经向动量和质量动能的水平通量比下传通量更重要,这主要与低层较强的东南急流有关。
关键词: 雷暴大风      经向动量      质量权重动能      动量下传     
Analysis of Momentum Flux and Kinetic Energy Flux Transport in the Middle and Lower Troposphere during a Thunderstorm Event
ZHANG Linna1, RAN Lingkun2, LI Na2, DU Jia1, ZHOU Xuan1, MENG Yue3     
1 Beijing Meteorological Bureau, Beijing 100089
2 Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029
3 School of Mathematics and Statics, Central South University, Changsha 410083
Abstract: A thunderstorm is a severe convective weather that can result in weather disaster.To analyze the possible reason for surface gusts associated with thunderstorms, a high resolution numerical simulation of a severe thunderstorm occurred in Beijing on 31 May 2014 was carried out.Based on the equations of momentum and mass weighted kinetic energy, the budget of meridional momentum and kinetic energy was investigated with the simulation output data.The fluxes transport of meridional momentum and mass kinetic energy was examined.It was shown that local changes of meridional momentum and mass kinetic energy near the surface were primarily dominated by the divergence of meridional momentum and mass kinetic energy fluxes.In the middle and lower troposphere, the rear inflow in the stratiform zone and the descending flow in the convective zone transported downwards meridional momentum and mass kinetic energy, which were converged with horizontal fluxes of meridional momentum and mass kinetic energy near the surface.The converged fluxes were then horizontally transported to the front of the convective zone.Blocked by topography to the northwest of Beijing, the combined fluxes converged in the front, and intensified the southerly wind gust on the ground.Similar to meridional momentum, local changes in mass kinetic energy near the surface were primarily dominated by the divergence of mass kinetic energy flux.The rear inflow in the middle troposphere brought mass kinetic energy downward to the ground layer, and merged with the horizontal flux of mass kinetic energy near the surface.Relatively speaking, the horizontal flux of the meridional momentum and the mass kinetic energy of the near ground layer are mainly related to strong low-level southeasterly jet and more important than the downward flux transport.
Key words: Thunderstorm      Meridional momentum      Mass kinetic energy      Downward transportation of momentum     
1 引言

雷暴大风是由雷暴引起的风速大于17 m s-1的阵风,是我国夏季经常发生的一种灾害性强对流天气。雷暴大风形成机理和预报方法一直是强对流天气研究的一个重要内容。气象学家在这方面开展了大量研究工作,取得丰硕成果。黄荣等(2012)分析了2011年8月9日北京地区雷暴新生和增强机制,指出地形强迫、垂直风切变、地面辐合中心、边界层热力和动力不稳定的共同作用是局地雷暴新生的主要物理机制。廖晓农等(2008)研究指出2006年6月24日北京雷暴大风是直接由强对流单体内的下击暴流导致的。丁青兰等(2007)分析发现北京暖季发生对流的概率很高,北京西北部和东北部山区大风偏多。

雷暴大风与雷暴高压相伴随,是冷气团下沉到地面后产生的辐散性大风,通常认为它是下击暴流到达地面的产物(孔凡铀等,1994许焕斌和魏绍远,1995Guo et al., 1999刘洪恩,2001)。梁建宇和孙建华(2012)认为对流系统后部的中层入流可能会加强下沉气流,造成地面大风。Rutledge et al.(1988)指出层状云中下层尾部入流的强度对下击暴流的强度及雷暴高压和尾流低压的形成有重要影响。冰雹重力拖曳和融化过程也是影响下击暴流的重要因素(Fu and Guo, 2007)。刘香娥和郭学良(2012)的研究结果表明,降水粒子的蒸发和融化冷却能够有效地降低地面温度,产生地面大风。雷达资料分析表明,γ中尺度涡旋是造成小范围强风的主要系统之一(Trapp and Weisman, 2003Atkins et al., 2005方翀等,2015)。王秀明和俞小鼎等(2012)分析发现多个超级单体的强下沉气流合并、强冷池密度流和层状云部分降水粒子蒸发、冷池合并,是导致2009年6月3日商丘极端雷暴大风事件的重要原因。吴芳芳等(2013)研究发现,雷暴大风的环境背景有较强的垂直风切变,低层露点和中层环境温度偏低,对流层中下层850~500 hPa温度直减率较大。Schmidt and Cotton(1989)指出飑线后部的入流和地面高、低压间的气压梯度力可能是造成飑线大风的原因。

动量下传也是引起雷暴大风的一个因素。对流系统内的下沉气流可以将水平动量从高层带到低层,在近地面产生较强的辐散气流。徐哲永等(2012)分析认为,冷空气南下与东海低压发展造成的气压梯度、高空较强的冷平流以及中低空下沉运动所引起的动量下传是导致舟山群岛一次猛烈大风的主要原因。曹美兰和项素清(2002)分析了“晴天暴”的物理成因,指出“晴天暴”是由斜压大气能量转换、西北急流活动及动量下传等共同造成的。曹楚等(2013)认为台风“莫拉克”登陆后其西北侧华北高压以及东南侧海上高压在地面维持一定的气压梯度,垂直次级环流将高层动量下传,从而导致浙江低层风速猛增。邬仲勋等(2016)分析了中国西北地区一次大范围冷空气大风过程,结果表明,动量下传引起的大风实际上是次级垂直环流强迫产生的大风。肉孜·阿基等(2015)分析认为达坂城与乌鲁木齐之间较大的气压差及低层明显的动量下传是2012年3月30日乌鲁木齐市区东南大风的成因。

虽然雷暴大风的研究已经比较深入,但是雷暴大风的发生发展是一个非常复杂的物理过程,有很多科学问题还没有解决。例如,在近地面大风区的上游常常存在一个中低层大风速区,二者之间有一定的距离,该中低层大风区与地面大风有什么关系?是否存在动量下传?动量下传对地面大风有多大的影响?针对这些问题,本文以2014年5月31日发生在北京地区一次雷暴大风过程为例,分析动量和动能通量输送对雷暴大风的影响,讨论引起地面大风的可能原因。本文首先对此次雷暴大风过程进行高分辨率数值模拟;然后利用模拟资料,对经向动量和质量权重动能进行收支分析,讨论三维经向动量和动能(包含动量和动能下传)的通量输送对雷暴系统前沿地面大风的影响。

2 北京“5.31”雷暴大风实况

2014年5月31日20:00(北京时)北京自南向北出现雷雨天气,局地雨强较大,伴有短时大风。图 1a为5月31日20:00至6月1日06:00(北京时)北京气象观测站极大风速(即,水平风速的最大值)的分布,约有109个测站极大风速达到8级(≥17.2 m s-1),42个测站极大风速达到9级(≥20.8 m s-1),最大的极大风速出现在大兴,达到23.0 m s-1。5月31日20:00至6月1日06:00(北京时)全市平均降水量为7.8 mm(图 1b),最大降水量出现在怀柔区黄花城,达到39.3 mm,最大小时降水量为30.1 mm。此次雷暴初生于山东泰安附近,逐渐发展增强,自南向北移动,先后影响河北中南部和天津西部,抵达北京后减弱。此次雷暴在北移过程中给沿途带来雷暴大风和强降水,严重地影响当地人民的生产生活。

图 1 2014年5月31日20:00(北京时)至6月1日06:00(北京时)北京地区(a)地面极大风速(单位:m s-1)和(b)观测累计降水量(单位:mm)的分布 Figure 1 (a) Maximum surface wind speed (units: m s-1) and (b) observations of accumulated rainfall (units: mm) in Beijing from 2000 BJT (Beijing time) 31 May to 0600 BJT 1 June 2014

图 2为5月31日08:00(协调世界时,下同)、10:00和13:00雷达回波实况,分别代表雷暴的初始阶段(07:00~09:00)、发展阶段(09:00~12:00)和成熟阶段(12:00~14:00)。5月31日07:00雷暴初生在山东泰山附近(图略),08:00雷暴发展加强,开始向北移动;10:00雷暴发展成南北伸展的带状,位于山东与河北的交界处,强度进一步增大;同时河北西南部出现另一个对流系统,但该系统生命期很短,大约1小时后并入雷暴系统;随后雷暴持续加强北移,12:00开始影响北京;13:00雷暴回波由带状发展成团状,北京中北部为大于50 dBZ的强回波区,代表强烈发展的对流云区。低层冷池出流和北京西北部山区地形的强迫抬升造成强烈的气流辐合,使得雷暴前部不断有新对流单体生成,并与雷暴主体合并,有利于雷暴的维持和移动。同时,雷暴系统内部也存在小尺度对流单体,不断地生成、发展和消亡。

图 2 2014年5月31日(a)08:00、(b)10:00和(c)13:00(协调世界时,下同)观测的雷达组合反射率(单位:dBZ) Figure 2 Radar composite reflectivity (units: dBZ) observed at (a) 0800 UTC, (b) 1000 UTC, (c) 1300 UTC on 31 May 2014

从天气形势来看(图 3),5月31日12:00在对流层中层(500 hPa),北京受槽前偏南气流控制。在低层(700 hPa),北京西南侧存在东南风的大风区,河北与山东交界处的最大风速超过20 m s-1。这种动力配置有利于雷暴发生发展,一方面高空槽前偏南气流引导雷暴北移发展,另一方面低层东南风急流向雷暴发生区输送动量、动能以及水汽,增强地面大风。

图 3 2014年5月31日12:00(a)500 hPa和(b)700 hPa水平风矢量(箭头,单位:m s-1)、水平风速(等值线,单位:m s-1)。星星表示北京所在位置,下同 Figure 3 Horizontal wind vectors (arrows, units: m s-1) and speed (contours, units: m s-1) at (a) 500 hPa and (b) 700 hPa at 1200 UTC 31 May 2014. Stars represent Beijing, the same below

针对此次雷暴大风过程,本文将利用高分辨率数值模拟资料分析北京地面大风形成机制,讨论中低层动量和动能通量输送对地面大风发生发展的影响。

3 数值模拟分析研究

本文将利用ARPS(Advanced Regional Prediction System)模式对此次雷暴大风过程进行高分辨率数值模拟,然后利用模拟资料对经向动量方程和质量权重动能方程进行收支分析,在此基础上分析影响地面大风变化的主要物理因素,研究中低层经向动量和质量权重动能通量输送特征及其对地面大风的影响。

3.1 数值模拟

ARPS模式是美国Oklahoma大学研发的适用于中小尺度系统的非静力平衡数值模式,广泛地应用在暴雨、强对流和台风的数值模拟和预报研究中。本文模拟区域的水平分辨率为1 km,垂直分辨率为500 m。采用三参云微物理参数化方案、1.5阶湍流动能方案、NASA(National Aeronautics and Space Administration)大气辐射传输方案和两层土壤模式等。以美国NCEP(National Centers for Environmental Prediction)0.5°×0.5°分辨率的GFS(Global Forecast System)预报场为模式第一猜值场,间歇同化地面观测资料和北京、石家庄等地6部多普勒雷达资料,产生包含中小尺度系统和云信息的模式初始场。模式初始时间为2014年5月31日06:00,共积分13小时,其中,06:00~07:00为间歇性同化时间,07:00~19:00为模拟时间。模拟资料每10分钟输出一次。

本文利用ARPS模式的ARPS3DVAR同化模块对多普勒雷达资料进行间歇性同化,在初始时刻对常规地面观测资料和雷达径向风进行三维变分同化,对三维风场进行调整。对雷达反射率进行复杂云综合分析,反演出云信息,包括雨水、雪和霰等降水粒子的三维空间分布,由此生成包含中小尺度信息和云信息的模式初始场。然后模式向后积分半小时,再次进行雷达径向风的三维变分同化和反射率的复杂云综合分析。以此类推,间隔30分钟同化一次雷达资料,时间窗为1小时,以最后的同化结果为模式初始场进行数值模拟。

图 4为5月31日08:00、10:00和13:00模拟的雷达回波。对比实况(图 2)可以看出,31日08:00模拟雷达回波比实况偏强,但强回波出现的位置和时间与观测基本一致,因此雷暴初始阶段1 km分辨率的模拟是比较理想的。在雷暴发展阶段,10:00模拟的强回波主要位于河北与山东交界处,在形状、走向和强度上与观测比较接近,成功地再现了雷暴北移和伸展状态,但强度比实况偏弱。在雷暴成熟阶段,13:00模拟的强回波区呈带状经向分布,位于北京的中南部。强回波区的北部为强对流云区,南部为层云区。模拟回波的位置、走向、结构和强度与观测比较相似,但纬向范围比观测偏窄。总体上,模拟回波的位置、移动速度以及分布形态与实况比较相近,成功地再现了雷暴的初生、加强和北移的演变过程,因此模拟输出资料比较可靠,可用于接下来的经向动量和质量权重动能的分析。

图 4 2014年5月31日(a)08:00、(b)10:00、(c)13:00模拟的雷达组合反射率(单位:dBZ) Figure 4 Radar composite reflectivity (units: dBZ) from simulation at (a) 0800 UTC, (b) 1000 UTC, (c) 1300 UTC on 31 May 2014
3.2 经向动量收支分析

5月31日12:10模拟雷暴前沿开始进入北京,造成地面大风。12:20~12:40北京地面风速从15.09 m s-1迅速增长到22.44 m s-1,同时伴有地面气压涌升,温度骤降,风速激增。下面从动量方程收支的角度进一步分析导致雷暴前沿地面大风变化的可能原因。在局地直角坐标系内,不考虑摩擦力,利用原始水平运动方程和质量连续性方程(刘式适和刘式达,1991),可合并得到纬向和经向动量方程:

$ \frac{\partial }{{\partial t}}\left({\rho u} \right){\rm{ = }} - \nabla \cdot \left({\mathit{\boldsymbol{v}}\rho u} \right){\rm{ + }}f\rho v - \frac{{\partial p}}{{\partial x}}, $ (1)
$ \frac{\partial }{{\partial t}}\left({\rho v} \right){\rm{ = }} - \nabla \cdot \left({\mathit{\boldsymbol{v}}\rho v} \right) - f\rho u - \frac{{\partial p}}{{\partial y}}, $ (2)

其中,v = (u, v, w),uvw分别为xyz方向的速度,f为科氏参数,p为气压,ρ为密度,$\nabla = (\partial /\partial x)\mathit{\boldsymbol{i}} + (\partial /\partial y)\mathit{\boldsymbol{j}} + (\partial /\partial z)\mathit{\boldsymbol{k}}$为三维空间梯度算子,ρuρv分别为纬向(x方向)和经向(y方向)的动量。上述动量方程(2)或(1)表明,经向或纬向动量的局地变化$\partial (\rho v)/\partial t$$\partial (\rho u)/\partial t$是由动量通量散度项((2)或(1)右端第一项)、科氏力项((2)或(1)右端第二项)和气压梯度项((2)或(1)右端项第三项)共同决定的。方程(1)和(2)是由局地直角坐标系原始方程(刘式适和刘式达,1991)推导的,建立在非地转平衡和非静力平衡的动力框架下。除了不考虑摩擦力,再没有其他假设和近似,所以纬向和经向动量方程(1)和(2)适用于非地转平衡和非静力平衡的中尺度对流系统的动量分析。

由于本次雷暴系统以经向移动为主,近地面大风主要表现为偏南风,同时下文还要分析质量权重动能的收支情况,隐含地包含了纬向动量的收支分析,所以本文主要利用经向动量方程(2)对此次雷暴过程的经向动量(ρv)进行收支分析,讨论经向动量输送特征,研究导致低层经向大风变化的可能原因。

图 5为模拟的31日13:00水平风速的分布。在近地面(图 5a)大风速区($\sqrt {{u^2} + {v^2}} $)呈现圆弧状分布,位于北京中部,大风区后部为强降水区。在经向垂直剖面内(图 5bc),雷暴系统结构可以分成两部分,层云区(39.5°N~39.9°N)和对流云区(39.9°N~40.2°N)。对流层高层的水平风比较大,近地面层的纬向东风(u<0)和经向南风(v>0)比较强。

图 5 2014年5月31日13:00模拟的(a)近地面水平风速(彩色阴影,单位:m s-1)和1 h降水量(等值线,单位:mm)的水平分布,(b)经向风速(彩色阴影,单位:m s-1)、风矢量(箭头,单位:m s-1)和云凝结物含量(等值线,单位:10-3g g-1)以及(c)经向风速(彩色阴影,单位:m s-1)和垂直速度(等值线,单位:m s-1)沿116.25°E的垂直分布 Figure 5 (a) Simulated surface horizontal wind speed (shaded, units: m s-1) and 1-h rainfall (isolines, units: mm), simulated vertical distributions of (b) meridional velocity (shaded, units: m s-1), wind vectors (arrows, units: m s-1), hydrometeor content (isolines, units: 10-3g g-1), (c) meridional velocity (shaded, units: m s-1), vertical velocity (isolines, units: m s-1) along 116.25°E at 1300 UTC 31 May 2014

图 6为方程(2)右端的经向动量通量散度项($ - \nabla \cdot \left({\mathit{\boldsymbol{v}}\rho v} \right)$)、科氏力项($ - f\rho u$)和气压经向梯度项($ - \partial p/\partial y$)的经向垂直分布。如图所示,13:00小时降水量主要出现在39.5°N~40.05°N范围内。上述三个强迫项主要发生在降水区中北部及其北侧的低层。在2 km高度以下,动量通量散度是经向动量局地变化($\partial \left({\rho v} \right)/\partial t$)的主要强迫项,这与边界层较大的水平风速有密切关系。降水区中北部的动量通量散度负高值区主要是由冷空气下沉到地面形成冷高压,气流向外辐散造成的。降水区北侧的动量通量散度正高值区主要与北京西北部山区地形抬升辐合有关。在降水区北侧2~5 km高度区间,气压经向梯度项是主要的强迫项,这可能与对流云区前沿的中低压涡旋有密切关系。降水区中北部近地面层存在气压梯度项高值区,可能是由地面冷池高压与系统前沿弱低压的差异造成的。科氏力项相对较小,它的强迫作用主要体现在高层和近地面层,与高层西风和低层东风有关。在边界层内,动量通量散度项与气压梯度项的分布存在一定的位相差,二者部分互相抵消。综合来看,在近地面层,动量通量散度的强度最大,是引起经向动量局地变化的主要强迫项,说明经向动量输送对近地面层经向大风变化有显著影响。

图 6 2014年5月31日13:00(a)经向动量局地变化(单位:10-3 kg m-2 s-2)、(b)经向动量通量散度(单位:10-3 kg m-2 s-2)、(c)科氏力项(单位:10-3 kg m-2 s-2)、(d)气压经向梯度(单位:10-3 Pa m-1)沿116.25°E的经向—垂直分布。黑实线代表模拟的1 h降水量(右侧纵坐标,单位:mm) Figure 6 Meridional–vertical sections of (a) the local changes in meridional momentum (units: 10-3 kg m-2 s-2), (b) the divergence of meridional momentum flux (units: 10-3 kg m-2 s-2), (c) the Coriolis force term (units: 10-3 kg m-2 s-2), and (d) the meridional gradient of pressure (units: 10-3 Pa m-1) along 116.25°E at 1300 UTC 31 May 2014. The black line denotes the simulated 1-h precipitation (the right ordinate, units: mm)

在经向—垂直剖面内(图 7a),经向动量(ρv)高值区出现在近地面层,主要表现为南风动量。同时,近地面层存在一支较强的由南向北输送经向动量的通量(vρvwρv),在对流云区前部低层转为倾斜向上输送,在4~6 km高度转为向北输送。在39.75°N附近存在一支倾斜向下的经向动量通量,从6 km高度倾斜向下向北输送经向动量,在39.8°N~40°N范围内与近地面动量通量汇合,然后一起向北输送。同时在40.05°N附近对流云区4 km以下高度有向下输送的北风动量通量,与近地面的水平动量通量汇合。这三支动量通量汇合成一支近地面的动量通量,向北输送南风动量通量,直至对流云区前端,促进那里的南风动量增加,导致近地面南风增大。经向动量通量输送对高层南风动量也有一定的影响,例如,偏南动量通量在39.75°N~39.85°N范围内10~12 km高度转为倾斜向上向北输送。在对流云区中后部的高层6~10 km也存在一支倾斜上升的动量通量。这些高空动量通量输送有利于加速高空气流,促进雷暴系统发展。在近地面水平分布上(图 7b),经向动量主要表现为南风动量,高值区呈扇形分布,位于北京中南部和天津北部。水平经向动量通量覆盖南风动量高值区由东南向西北方向输送。受北京西北部地形阻挡抬升作用影响,水平动量通量北京山前辐合,促进那里南风动量局地增长。

图 7 (a)2014年5月31日13:00经向动量(彩色阴影,单位:kg m-2 s-1)和经向动量通量(箭头,单位:kg m-1 s-2)沿116.25°E的经向—垂直分布及(b)其在750 m等高面上的分布。图a中等值线代表云凝结物含量(单位:10-3 g g-1 Figure 7 (a) Meridional–vertical sections of meridional momentum (shaded, units: kg m-2 s-1) and its fluxes (arrows, units: kg m-1 s-2) along 116.25°E, (b) the horizontal distribution of meridional momentum (shaded, units: kg m-2 s-1) and its fluxes (arrows, units: kg m-1 s-2) at 750-m altitude at 1300 UTC 31 May 2014. In Fig. a, isolines denote hydrometeor content (units: 10-3 g g-1)

综上所述,雷暴系统的层云区和对流云区中层存在经向动量下传,在近地面与水平经向动量通量相汇合,向系统前沿输送经向动量,有利于前沿局地大风的增强。在层云区和对流云区高层存在倾斜向上的经向动量输送,有利于高空气流发展。

3.3 质量权重动能收支分析

下面从水平风动能的角度来分析此次雷暴大风的动能来源。利用局地直角坐标系原始水平运动方程和质量连续性方程(刘式适和刘式达,1991),不考虑摩擦力,可以推导得到质量权重动能方程:

$ \frac{\partial }{{\partial t}}\left({\rho k} \right) = - \nabla \cdot \left({\mathit{\boldsymbol{v}}\rho k} \right) - \left({u\frac{{\partial p}}{{\partial x}} + v\frac{{\partial p}}{{\partial y}}} \right), $ (3)

其中,$k = (1/2)({u^2} + {v^2})$为水平风动能,$ρk$为质量权重动能(简称为质量动能)。上述方程左端项为质量权重动能的局地变化项,右端第一项为质量动能的通量散度项,右端第二项为水平气压平流项,代表气压梯度力做功对质量动能局地变化的强迫作用。与纬向和经向动量方程[公式(1)和(2)]类似,质量权重动能方程(3)可用于诊断分析非地转平衡和非静力平衡中尺度对流系统的动能演变。

图 8为31日13:00质量动能通量散度($ - \nabla \cdot \left({\mathit{\boldsymbol{v}}\rho k} \right)$)和水平气压平流项($ - [u(\partial p{\rm{/}}\partial x) + v(\partial p{\rm{/}}\partial y)]$)的垂直分布。如图所示,质量动能通量散度高值区主要位于降水区中北部及其北侧的近地面层和10 km以上高度。近地面层的质量动能通量散度正负高值区相间分布,正高值中心位于降水区北侧,有利于增强近地面质量动能;降水区上空10~14 km高度为质量动能通量散度负高值区,代表动能通量辐散,这与雷暴系统高层气流辐散有关,倾向于减弱高层质量动能。水平气压平流项高值区也主要出现在降水区中北部及其北侧的近地面层和10 km以上高度,与动能通量散度几乎成反位相分布。在近地面层,水平气压平流项主要表现为负高值,抑制质量动能增长,可能与低层冷池高压,前部低压以及后部尾流低压之间的气压梯度以及较强偏南风有关。在10 km以上高度,水平气压平流项主要呈现正高值,促进质量动能增长。总体上,动能通量散度的强度要大于水平气压平流项,是引起质量动能局地变化的主要强迫项。

图 8 2014年5月31日13:00(a)质量动能通量散度(单位:10-2 kg m-1 s-3)和(b)水平气压平流项(单位:10-2 Pa s-1)沿116.25°E的经向—垂直分布。黑实线代表模拟的1 h降水量(右侧纵坐标,单位:mm) Figure 8 Meridional–vertical sections of (a) divergence of mass kinetic energy fluxes (units: 10-2 kg m-1 s-3) and (b) horizontal advection of pressure (units: 10-2 Pa s-1) along 116.25°E at 1300 UTC 31 May 2014. The black lines denote the simulated 1-h precipitation (the right ordinate, units: mm)

在时间演变趋势上,如图 9所示,31日10:00雷暴进入研究区域,随后降水区和近地面质量动能高值带向北推进。13:00最大质量动能出现在39.5°N附近。质量动能局地变化(动能通量散度与水平气压平流项之和)具有先增加后减小的特点,高值区位于质量动能高值带内。质量动能通量散度的时间演变趋势与质量动能局地变化相似,强度相当,表明质量动能通量散度是影响质量动能变化的主要强迫项。在整个研究时段,质量动能增长几乎主要是由动能通量散度造成的。在39.5°N以南,11:00~15:00质量动能衰减也主要是由质量动能通量散度引起的,但在39.5°N以北,13:00~15:00水平气压平流对动能衰减也有明显的贡献。总体上,质量动能通量散度项在强度上大于水平气压平流项,是引起质量动能局地变化的主要原因。

图 9 2014年5月31日07:00~15:00,750 m等高面上116°E~117°E平均的(a)水平质量权重动能(彩色阴影,单位:kg m-1 s-2)、模拟的降水率(黑色实线,单位:10-4 mm h-1),(b)质量权重动能局地变化(单位:10-2 kg m-1 s-3),(c)质量动能通量散度(单位:10-2 kg m-1 s-3)和(d)水平气压平流项(单位:10-2 Pa s-1)的时间演变 Figure 9 Temporal variations of (a) horizontal mass weighted kinetic energy (shaded, units: kg m-1 s-2) and simulated precipitation rate (black solid lines, units: 10-4 mm h-1), (b) local changes of mass kinetic energy (units: 10-2 kg m-1 s-3), (c) divergence of mass kinetic energy fluxes (units: 10-2 kg m-1 s-3), (d) horizontal advection of pressure (units: 10-2 Pa s-1) averaged over 116°E–117°E from 0700 UTC to 1500 UTC 31 May 2014

在经向—垂直剖面内(图 10a),质量动能高值区主要分布在高层和近地面层,其中高层的动能与高空急流有密切关系,近地面动能高值区主要是由低层偏南低空急流和雷暴系统下沉气流共同造成的。在雷暴系统后部层云区存在三支主要的质量动能通量:第一支动能通量位于高层,由南向北倾斜向上输送质量动能;第二支动能通量从系统后部中层倾斜向下向北输送质量动能,与层云区中低层后部入流有关;第三支在近地面层从南向北输送质量动能。第二支动能通量与第三支动能通量汇聚在对流云区后部的低层,然后一起向对流云区输送质量动能;受到地形的阻挡抬升作用,该动能通量在系统前沿倾斜向上向北输送,在5 km高度转为向北输送。此外,在对流云区中低层垂直向下的动能通量输送不明显。在近地面的水平面上(图 10b),质量动能高值区出现在北京中南部以及天津北部,与经向动量高值区相一致。在东南气流的作用下,质量动能通量向西北方向输送。在北京西北部山区的阻挡作用下,动能高值区北侧边缘形成显著的质量动能通量辐合带,促进局地质量动能增长,也使得质量动能高值区继续爬坡向北移动。

图 10图 7,但为水平质量权重动能(彩色阴影,单位:kg m-1 s-2)和质量动能通量(箭头,单位:kg s-3)的经向—垂直分布 Figure 10 As in Fig. 7, but for meridional–vertical sections of horizontal mass weighted kinetic energy (shaded, units: kg m-1 s-2) and its fluxes (arrows, units: kg s-3)

综上所述,虽然近地面的水平质量动能通量和雷暴系统后部中层倾斜向下输送的质量动能通量对动能变化都有贡献,但近地面水平质量动能通量的贡献更大一些,因为水平质量动能通量散度的强度大于垂直通量散度(图略)。经向动量通量散度存在类似的特点,动量的水平通量散度也要强于垂直通量散度(图略)。这与低层黄海上空的高压系统以及其西侧的低空偏南风急流有密切关系。虽然垂直通量散度相对弱一些,但层云区中层入流导致的动量和动能下传,对雷暴局地大风变化的影响是不能忽略的。

此外,低层经向动量通量的分布特点与质量动能通量比较接近,这是因为一方面低层经向风速大于纬向风速,是动能的主要组成部分;另一方面是经向风为南风,与动能同为正值,以至于在相同的对流系统环流作用下,二者的通量特征相似。总之,动量通量和质量动能通量的分布与层云区和对流云区的环流结构有紧密联系。

根据前面分析结果,以经向动量为例,初步建立经向动量通量输送示意图,如图 11所示,雷暴系统层云区中层和对流云区中层分别存在一支下沉气流,把中层动量向下输送,同时对流层高层有动量倾斜向上输送。地面存在较强的偏南气流,先后与两支倾斜向下输送动量的下沉气流汇合,向对流云区前沿输送动量。在地形阻挡作用下,动量通量辐合,促进动量局地增长,导致局地大风。这仅是此次雷暴大风个例的分析结论,由于个例差异,不同个例可能结论略有不同,因此还需要开展更多个例研究。

图 11 基于图 7a分析总结的经向动量通量输送示意图 Figure 11 Schematic diagram of meridional momentum fluxes transport based on Fig. 7a
4 结论

北京地区经常出现雷暴大风,为了研究北京地面大风的可能成因以及动量和动能通量输送的特点,本文以2014年5月31日北京雷暴过程为例,进行高分辨率数值模拟,然后利用模拟输出资料,根据通量形式的经向动量方程和水平质量权重动能方程,对经向动量和水平质量权重动能进行收支分析。初步获得以下结论:

(1)在影响经向动量局地变化的三个强迫项中,经向动量通量散度是最重要的,气压经向梯度是次要的,科氏力项是最弱的。雷暴系统层云区中低层存在经向动量的高值区,在后部入流作用下,把经向动量倾斜向下输送;雷暴系统对流云区中低层的下沉气流也会向下输送动量。这两支下传动量通量先后与近地面原有的偏南动量通量汇合,然后一起向雷暴系统对流云区输送动量。在近地面受地形阻挡抬升作用影响,经向动量通量在系统前沿辐合,促进经向动量的局地增长。

(2)在质量动能收支中,质量动能通量散度和水平气压平流项高值区主要出现在近地面和高层,二者基本上呈反位相分布。在近地面,质量动能的局地变化主要是由质量动能通量散度造成的。在对流层中下层,层云区后部入流把中层质量动能向下传输到近地面层,然后与近地面动能水平通量相汇合,一起向系统前沿输送质量动能,有利于增强局地质量动能。

(3)中层动量和动能下传和近地面动量和动能水平输送是影响地面大风的重要因素。经向动量和质量动能的水平通量散度在强度上大于垂直通量散度,水平通量输送更为重要,但系统后部中层动量和动能下传对近地面系统前沿的动量和动能的促进作用是不能忽视的。

依据上述分析结果,在实际雷暴大风预报中需关注两方面因素:第一,该地区环境风场特征,近地面是否存在较强的动量和动能水平通量辐合区,这是导致地面大风的关键因素;第二,上游地区或本地对流层中低层是否存在中层入流和下沉气流,他们把空中动量和动能下传到近地面,有利于增强近地面大风。

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