_93_5_黑风暴发展期中尺度期热量和水汽收支诊断

_93_5_黑风暴发展期中尺度期热量和水汽收支诊断 “93. 5”黑风暴发展期中尺度期热量 )1 和水汽收支诊断 冯 霞 程麟生 ()兰州大学大气科学系, 兰州 730000 提要 ( ) 1993 年 5 月 4—6 日 “93. 5”在我国西北地区发生了一次极具破坏力的“黑风 暴”。为了诊断这次黑风暴发展期的热量和水汽收支, 使用了具有高分辨 参数化 PBL 及 40 细网络的对该例控制模拟的输出资料和热量与水汽收支方程。 对视 4 km M M () () 热源 和视水汽汇 的诊断结果指出, 的垂直积分在黑风暴的前部和后部分 Q 1 Q 2 Q 1 别呈现一条显著的加热带和冷却带。 在黑风暴区, 和 的区域帄均垂直廓线揭 Q 1 Q 2 示, 黑风暴的加热主要发生在对流层的上部, 而其中部加热主要出现在发展初期; Q 1 与 相应, 在低空和中空分别发生明显的增湿变冷和变干加热。这些结果不仅与 Q 1 Q 2 因黑风暴过程而观测到的强剧强降温率一致, 而且也为改进和发展用于模拟和预报 黑风暴的中尺度数值模式提供了一些物理依据。 关键词:黑风暴 诊断分析 热量和水汽收支 的生命财产造成了巨大的损失。 国内外学者引 言 ( ) 对这类极严重的灾害性天气过程和系统均极 1993 年 5 月 4—6 日 “93. 5”, 我 国 西 2- 7 为关注。 为了对这次黑风暴的形成和发北地区发生了一次历史上罕见的特强沙尘 , 先后侵袭了新疆、甘肃河西走廓、内蒙古 暴展结构及 阿拉善巴丹吉林沙漠、宁厦帄原以及河东沙 6- 7 演变规律有进一步认识, 程麟生等曾对2 区和沙黄土地区, 涉及总面积约 110 万 , km 该例进行了中尺度数值模拟研究。 从预报和 其中, 5 月 6 日下午尤以甘肃河西地区最为 - 1 理论研究角度考虑, 深入了解这类风暴发生、 () 严重。帄均风力 7—8 级 1515—19?, 最m s- 1 ( ) 大风力 12 级 33? , 金昌市瞬时最 大风m s发展过程中的一些机理和物理本质也是十分 - 1 速达 34?, 能见度降为零。 这种瞬 时极大m s必要的。为此, 我们对“93. 5”黑风暴发展期的 - 1风速> 25?、能见度< 50, 并挟 m sm 带巨量沙中尺度热量和水汽收支进行诊断, 从而能对 1 尘的特强风暴通常称为黑风暴。 与黑风暴一些观测事实予以合理的解释, 并进而为黑 相伴, 还出现了泥雨和降雪以及强 降温和霜 风暴的数值预报提供某些物理依据。 冻。 因而给工农业生产和人民群众 1 黑风暴天气过程 1993 年 5 月 4 日 08 时, 在 500的乌h P a ) 1国家自然基金资助项目: 49475268 拉尔山及其以西地区有高压脊生成, 脊前在 ? 显然这两个问题都与热 仅伴有弱的阵雨雪 蒙古西部至新疆北部有一低压槽。 由于脊的 量和水汽收支有关。为些, 需首先给出热量和 发展, 使脊前槽后的偏北气流加强, 24 小时 水汽收支的诊断方程。 后, 即 5 日 08 时, 冷槽分裂为两段, 北段收缩 () 移向东北, 南段迅速东移南压 图略, 致使位 于西西伯利亚的强冷空气迅速向东南爆发, 地面中心为 1034的冷高压位于新疆北 h P a 部, 冷锋在老东庙—酒泉—敦煌一线, 锋后出 现大风天气。 这种强风天气的高空形势特点 6- 7 是: 高空锋区强, 且冷锋前后的 3 小时变 压梯度特别大, 与其相伴, 冷锋后部的中高压 6- 7 () 及其前部的中低压在发展 图 1; 与此同 时, 在该强冷锋过境前后, 温、压、湿、风均有 1 () 急剧变化 图 2。由此可见, 与巨量沙尘相 6- 7 伴的这段特强冷锋具有飑线性质, 或称 ()()图 2 1993 年 5 月 5 日金昌 P 气压、T 温度、Χ “黑风飑线”。 ()() 相对温度、风速时间变化曲线V 2 热量和水汽收支方程 对于本研究, 视热源 Q 1 和视水汽汇 Q 2 8 的诊断方程是采用 K uo、C h en g 和 A n th e s 在 坐标中给出的如下形式:Ρ 3 3 5 P T P T V 2 3 m V + . P Q =1 5t m 3 R T Ξ 5 P T Ρ + -3 5Ρ ()C Ρ + P P /P 1 3 5 P T ’Ρ’ L 3 3 = P C - 5Ρ C p图 1 1993 年 5 月 5 日 17 时地面区域天气图分 析 R T ’Ξ’ 3 + + P Q R 3 ()C + 此外, 从 5 月 14 日的 24 伪彩色地 P /P P Ρ GM S1 7 面温度素描图上还发现, 在以民勤为中心 3 的一大片水漠区地区温度高达 40?, 而金昌 L 5 P q 2 3 =m V P Q = -2 5t C p 和永昌正处在该地面高温区的西南边缘, 但 当黑风暴侵袭永昌不到 10 分钟, 气温就降低 3 .3 P V q 5 P Ρ q 6?, 整个过程降温达 15?, 并伴有阵雨雪。 +. 5Ρ m 以上观测事实向我们提出了许多有待回 答和解决的问题。 有些问题我们已在有关文 .3 L 5 P Ρ’q’ 6- 7 L 3 3 章中作了论述。 但这里有两个重要问题 = + P C 5Ρ C C p p 需要回答: 其一是为什么该黑风暴过程降温 3 式中, 为地图投影因子; 是一网格帄均 m C 如此之大? 其二是为什么黑风飑线和黑风暴 () 8非对流参数化: 饱和以后的凝结以降 的净凝结; 带“一”和“’”的量分别为网格尺度 帄均的大尺度变数和次网格尺度变数; 是 V 水形式降落, 而其潜热加入热力方程。风矢量; 和 分别是由于积云对流和层 Q 1 Q 2 ( ) 9模式地形: 通过分析 的 015 N CA R 云降雨、雪产生的视热源和视水汽汇, 为 Q 1 度地形资料以及利用中尺度客观分析而 () ( ) 正 负值示凝结加热 蒸发或融化冷却, 获得 40格点地形。km () () 为正 负表示凝结变干 蒸发升华变湿;Q 2 () () 10陡坡地形气压梯力 的计算:P GF 是大气辐射冷却, 该项通常为 1—2, /Q R K d 通过定义参考态和扰动态的场分解方法, 利 与和相比, 一般在此可不单独计算。其 Q 1 Q 2 用静力扣除减小了青藏高原陡坡地形 P GF 余变量为气象上通用。 的误差。为了诊断“93. 5”黑风暴发展时段的热量 () 11模拟时间: 24 小时, 即自 1993 年 5 和水汽收支, 用常规气象观测资料无法作到, 因该风暴主要突发于 5 月 5 日下午, 但根据 月 4 日 20 时—5 月 20 时。 包含上述全部条6- 7 程麟生等用经过改进的对该黑风 4 M M 件和物理过程的模拟称 暴完成的较成功的 24 小时控制模拟结果及 控制模拟。输出资料, 则可实现各种诊断。为了进一步了 312 模拟结果简述 解模式模拟结果, 这里对其控制模拟和 控制模拟的部分结果在图 3—5 中给出。 部分模拟结果予以简要说明。 由图 3 可见, 该黑风暴的发生、发展与一个中 3 控制模拟设计及模拟结果简述 尺度气旋性涡旋的发生和强烈发展密切相 7 311 控制模拟设计 关, 且近乎是同步的。 图 4 是沿图 3中尺度 b () 1模式基本参量: 模式是经过修改和改 进的。模式顶 = 100, 垂直分辨率 4M M P t h P a涡旋中心作的涡度和相当位温的东西垂直剖 = 16, 水帄分辨率为 40, 域格点数为 46K Ρkm 面图。 图 4揭示出黑风暴的垂直涡柱结构;a 00 )(×61, 域中心在 38、103金昌附近。N E 图 4揭示出黑风暴的强斜压结构和形成于 b () 2初始条件: 42 全球分析+ 探空资料T 大气边界内的暖心结构, 这些结构的重要动 () 3侧边界条件: 时变海绵边界。 大尺度 力和热力学机制在引文7 中已有详细论述。 趋势由线性时间内插 12 小时观测资料获得。 图 5 是 5 日下午黑风暴发展最 强 时 段 ( ) 4行星边界层物理过程: 高分辨 PBL14—20 时在金昌附近 3000以下风速和比 m 参数化。湿的垂直廓线结构及演变, 值得注意的是图 () 5地面物理过程: 包括有非均一地表的 - 1 516 时地面风速约 27? , 这与图 2 中 a m s热通量、水汽通量和动量通量; 在其参数化公 的观测结果非常接近, 同样, 当将图 5中的式 中 某 些 不 尽 合 理 的 参 数 值, 根 据 b H E IF E 资料作了修正。 比湿换算为相对湿度时, 其结果与图 2 中的 () 6地面温度: 由浅层模式和有云效应的 观测值也很接近。 能量收支方程预报获得。 由以上的分析讨论可见, 控制模拟结果 ( ) 7积云对流参数化; 采用 2A n th e sK uo与已有的观测结果相当一致或接近。因此, 用 型方案。该控制模拟输出资料进行诊断分析是很有意 义的。 313 诊断使用资料 () () ()控制模拟 18 时 和 21 时 的 850涡度场 分别相应 5 日 14 时和 17 时 ab h P a 图 3 - 5 - 1 涡度等值线间隔为 5×10, ?为金昌s () () 图 4 通过图 3b 涡度中心的涡度 a和相当位温 Ηe b 的垂直剖面 () () 图 5 1993 年 5 月 5 日 14—20 时金昌附近 3000以下风速 和比湿 的垂直结构和演变 m ab 4 诊断结果讨论与分析由于自 5 日 08 时以后, 每 3 小时在模拟 域 40 格距格点上均有 15 层等 面上各 km Ρ 通过中尺度热量和水汽收支的 数 值 诊 预报变数的输出资料可供给各种诊断分析使 断, 我们发现黑风暴的视热源 和视水汽汇Q 1 用。 因此, 我们使用的也是这种资料。 的水帄分布及垂直廓线有明显的热力特Q 2 征。以下我们分别讨论热量收支和水汽收支。 面温度素描图上以民勤为中心的一大片沙漠 () 图 6 是视热源 在 5 月 5 日 14 时 Q 1 a 40?? 为什么黑风暴自 5 日 区地区温度高达 () 和 17 时 的垂直积分水帄分布。由图可见, b 下午 15 时 54 分和侵永昌县则在不到 10 分 在黑风暴前部有一条西北—东南向的垂直积 钟内气就下降 6?, 整个过程降温达 15?? 对 分加热带, 其加热率中心值分别为 9317?/d 和 9810?该 加 热 率 小 于 强 飑 线 前 部 的, /黑风暴侵袭的其它河 西各站也有类似的结 d 9 果。 13?的加热率。而黑风暴后部的垂直积 /d 比较图 6和图 6还可以发现, 黑风暴 a b 分冷却率中心值却分别为- 8919?/。 尽管d 前部的加带和后部的冷却带都随黑风暴的向 这是垂直积分结果, 但这对我们解释观测事 东推进而东移, 而且加热和冷却中心均有所 实向人们提出的下列问题作出一种可能的回 加强。 答, 即为什么 5 月 14 时的 24 伪彩色地GM S (() () )图 6 1993 年 5 月 5 日 14 时 a和 17 时 b 视热源 Q 垂直积分布的水帄部分布 ?d /1 () () 为加热 冷却中心, ?为金昌H L 出现的冷却分布, 也与该云带有关, 因在此云 为了进一步了解黑风暴区垂直积分 1 Q 带与黑风暴后部下沉气流相伴的区域, 不仅 的垂直分布, 在金昌附近我们再对其作了黑 ( 因下沉增温使云水蒸发冷却, 而且还由于干 风 暴 区 的 区 域 帄 均 垂 直 廓 线 及 其 演 变 图 旱和沙漠下垫面上空干热使这种蒸发冷却加 )7。 由图可见, 这些廓线的一个显著特征是, 黑风暴的加热主要发生在对层的上部, 而其 强; 此外, 与黑风暴相伴冷锋后部的强冷帄 ( ) 中部加热主要出现在发展初期 14 时, 且较 7弱。对于主要出现在低层的冷却, 在黑风暴发 及黑风暴区挟卷的巨量沙尘也使低层大 流 ( ) 展 后 期 17 时 , 增 厚 至 460, 尽 管 在h P a 气冷却率加大。 实际上, 当黑风暴自 5 日 17 时 23 分—18 时 41 分在历经古浪县的过程 700—460之间的冷却较弱, 黑风暴的这 h P a 中, 除有泥状阵雨外, 还有弱的阵雪, 并且气 种加热分布及其演变与一般强对流中尺度系 温也急降, 同样, 当黑风暴自 5 日 13—17 时 8 统的类似, 但黑风暴凝结潜热释放高度更 历 经 临 泽 县 时, 地 面 温 度 由 2019?降 到 - 2 高, 这与该系统的对流上升运动更强的水汽 817?, 而 地 面 总 辐 射 由 733?降 至W m - 2 主要来自孟加拉湾强热带风暴向北方伸至金50?。由此可见, 黑风暴区的显著冷却W m 5 下降的重要原因。 差异, 即高空加热部分较高, 低空冷却层较厚 较强。这对黑风暴的数值模拟或预报来说, 如 何在数值模式中考虑这些加热和冷却特征是 一个值得注意的问题。 5 小结 ( ) 511 1993 年 5 月 4—6 日 “93. 5”, 在我国 西 北 地 区 发 生 了 一 次 极 具 破 坏 力 的“黑 风 暴”。 用具有高分辨率 参数化及 40 PBL km 细网格的改进型对该例进行控制模拟 4 M M 的输出资料以及热量和水汽收支方程, 对该 ( ) 图 7 1993 年 5 月 5 日 14 时 点划线和 17 时 黑风暴发展期的热力特征进行了数值诊断。( ) 实线黑风暴区视热源 的区域帄均垂 Q 1 ()直廓线 ?/d 512 诊断结果指出, 视热源 的垂直积分 Q 1 图 8 是图 7 相对应的视水汽 的区域 Q 2 在黑风暴的前部和后部分别为一显著的加热 帄均垂直廓线及其演变, 由这些廓线可以看 带和冷却带, 并随着黑风暴的发展东移而加 强, 在 17 时的中心值分别达 9810?和-/出两个主要特征: 其一是在对流层中上部有d 与黑风暴区 正值相对应的对流云区因上 Q 2 89 19?由黑风暴区 和 的区域帄均 , /dQ 1 Q 2 升凝结相伴随的加热和变干。 这种凝结变干 垂直廓线揭示, 黑风暴的加热主要发生在 Q 1 ( ) 主 要出现在黑风暴发展初期 14 时的对流 对流层的上部, 而其中部加热主要出现在发 层中部, 但从 廓线看, 这种凝结释放的潜 Q 1 展初期, 与 相应, 在低空和中空分别发Q 1 Q 2 热主要输送至高空。其二是在对流层低空Q 2 生明显的增温变冷和变干加热。 这些结果不的负值与图 7 中 在低空的负值相对应, 即 Q 1 仅与这次黑风暴过程造成的急剧强降温及阵 主要与蒸发冷却变湿和沙尘辐射致冷有关。 雨雪相一致, 而且也为改进和发展模拟或预 由以上讨论和分析可知, 黑风暴的视热 报黑风暴的中尺度数值模式提供了某些物理 源 和视水汽汇的垂直积分及其区域帄 Q 1 Q 2 依据。 均垂直廓线一般暴雨低涡或暴雨飑线有显著 参考文献 1 陈敏连, 郭清台, 徐建芬等, 黑风暴天气的研究和探讨. 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