影响我国长江中下游地区天气的地形扰动的若干问题研究

来源 :南京大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lifazhan197809
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长江中下游地处西部青藏高原等大地形的背风区,一定天气条件下,其上游大地形背景扰动常与当地的局地中尺度地形扰动共同作用,影响该地区灾害性天气的发生发展。为了进一步理解这些不同尺度地形的扰动特征,本文从整体上对理想气流过我国的这些主要地形的情况进行分析,重点讨论气流爬山和绕山的分界情况,以及这些主要地形对理想、典型中纬度气流的响应是否满足准地转动力学。结果表明我国地形大致可以分成三类:第一类是以爬流为主,满足准地转平衡动力学;第二类是以爬流为主,不满足准地转平衡动力学;第三类以绕流为主,不满足准地转动力学平衡。具体地形流动的整体特征取决于地形特征尺度、过山气流方向、地形高度以及地形的几何形状等。而长江中下游地区中尺度地形的流动特征基本上都是以爬流为主,不满足准地转动力学平衡。 本研究用中尺度数值模式ARPS,通过设计理想化的地形和流场,研究了不同气流条件与不同地形的配合对西南低涡形成的作用以及西南低涡的移动、发展和对长江中下游地区天气的可能影响。结果表明:在简单的地形动力影响的条件下,西南低涡的形成存在三个涡源:盆地和高原及横断山脉衔接处的Ⅰ区,横断山脉东南侧的Ⅱ区,以及与高原背风槽相联系的Ⅲ区。其分布与已有的统计结果相符合。这三个源区对西南低涡贡献的大小与实际观测到的三个西南低涡频发区的频数多少相对应。说明在合适的基本气流条件下,地形引起的某一区的涡源会更显著集中地分布,使得西南低涡在这一区生成。在Ⅰ区,涡管拉伸产生涡度增强,对西南低涡的形成有直接的贡献。同时,四川盆地不断吸收并积聚Ⅱ、Ⅲ区的涡度源,使得西南低涡逐渐形成并加强,当涡度凝聚的一定程度,低涡才向东移出四川盆地。在Ⅱ区,横断山脉在其东南侧形成强度和范围都很大的涡度带,一部分汇入四川盆地,对西南低涡的涡源有重要贡献,但其主体又拖带西南低涡使其移出四川盆地。在Ⅲ区,高原背风槽对西南低涡形成的直接贡献较小,但是,当西南低涡脱离青藏高原主体向下游移动时,背风槽能引导西南低涡的移动。西南低涡的形成是青藏高原、横断山脉和四川盆地共同作用的结果,只有四川盆地处于青藏高原背风侧的这种特殊配置形式,才最有利于西南低涡的形成。西北、西南向的风都不利于西南低涡的形成,而西风条件下西南低涡一般都能形成,但强的西风不利于西南低涡在源地的维持,使其更易向下游平流而脱离四川盆地地区。 本文以大别山为例,利用中尺度数值模式ARPS进行数值模拟,从最为简单的情况出发,在均一风场和一致静力稳定度的气流条件下,讨论了典型中尺度地形大别山的背风侧位涡条带的存在性、尺度、演变及其产生的机制和对一些具体因素的敏感性,结果表明:当一致稳定层结的干空气(U=10m/s,N=0.01/S)流过大别山时,一定模式分辨率条件下(本文水平分辨率为4km),在大别山的背风侧有明显的正负相间的位涡条带生成。其长度可向下游延伸上百公里,宽度从几公里到数十公里,在垂直方向上,位涡条带最大的位涡区约分布在大别山背风侧的半高处,最大值可以达到±1.5PVU。自迎风坡处发生的的流动分离以及侧向摩擦作用在地形主要山峰的两侧产生的明显的位涡,同时,在大别山背风坡比较陡峭的地方以及上层的等熵面与背风坡地形明显相交的地方,重力波破碎也导致显著的位涡生成。这些位涡沿几个主要的山峰的背风侧向下游平流,形成正负相间的位涡条带。其中,负的位涡条带的分布与低层的湍流动能(TKE)的分布有较好的对应关系。对这些位涡条带的敏感性试验表明,更高的模式分辨率下的位涡条带会有更为细致的结构;地面摩擦通过显著改变地形背风侧的风温结构,对这些位涡条带的强度和范围有重要影响;Coriolis力主要改变位涡条带及低层湍流动能的对称分布,并使位涡条带的延伸范围显著减小;Coriolis力影响下的位涡条带则呈现弱的非平行非对称的分布,向下游的平流范围也大大减小。因为描述气流过山的动力学特征参数同时取决于风场结构和温度场结构,在特征参数相同的条件下,不同的风温结构所形成的位涡条带有明显的不同。在气流与地形的配置上,只有当来流的方向与地形的主要走向方向垂直的时候,才最有利于位涡条带的形成。气流过理想大别山尺度地形的数值模拟结果表明,地形引起的不可逆过程产生的位涡中,水平项位涡与垂直项位涡呈现明显不同的结构,位涡条带的形成主要是由于垂直项位涡的贡献,但在地形背风侧附近,水平项位涡也有与垂直项相当的贡献。摩擦不仅直接导致了低层水平风的强垂直切变,它也使地形扰动产生的水平、垂直风场和温度场呈现出明显不同的特征,这些不同的特征决定着位涡条带的存在与否、强弱程度以及扩展范围。根据一些理论研究结果,对沿位涡条带方向的位涡通量进行了诊断分析,发现总位涡通量的整体分布与平流位涡通量的分布十分相似,只在贴近地面的地方两者在量级上有一定的差别,且差别的分布在地形附近与位涡条带主体部分有显著不同,主要是因为地形附近的水平项位涡对位涡通量有显著贡献。总体来说,摩擦作用总在位涡条带内侧的低层引起较大的负的非平流位涡通量。
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