中尺度对称不稳定在远距离台风暴雨中的诊断应用.doc

中尺度对称不稳定在远距离台风暴雨中的诊断应用张兴强1 ,丁治英2 ,何金海2( 11 泰安市气象局 ,山东 泰安 271000 ;21 南京气象学院 ,江苏 南京 210044)摘要 :用中尺度对称不稳定“S”判据对 9711 号远距离台风暴雨过程进行了诊断分析 ,结果表明 :台风远距离雨区存在明显的对称不稳定降水 。低层 ( 700 h Pa 以下) S 0 的区域作为对称不稳定区 ,与后期台风远距离降水有比较好的对应 ,可以作为远距离 台风暴雨落区的一个指标 。高层的对称不稳定与 200300 h Pa 的非纬向高空急流的斜压性增强有关 。高低层的对称不稳定对远距离台风暴雨有不同的作用 。关 键 词 :远距离台风暴雨 ;非纬向高空急流 ;对称不稳定 ;诊断分析中图分类号 : P45812文章编号 :1005 - 0582 (1999) 04 - 0009 - 05文献标识码 :A征判据分布 ,得出了与 Emanuel 个例分析相似的分布特征 ,并指出对称不稳定判据可能是中 尺度天气过程发生的综合性判据 。2 远距离台风暴雨与对称不稳定211远距离台风暴雨台风暴雨是台风最重要的天气现象之一 ,引言对称不稳定 ,从物理上看 ,就是在垂直方向 上为对流稳定和水平方向上为惯性稳定的大气中空气作倾斜上升运动时可能出现的一种不稳 定 ,它是重力 、气压梯度力和科氏力不平衡的结 果 。所以 ,对称不稳定呈现为斜升流现象 。对 称不稳定作为一种中尺度不稳定 ,首先由 Ben2 net t s 和 Ho skins 将 其 用 到 锋 面 雨 带 中 来 。Ho bbs1 对中纬度气旋中几种类型雨带形成机 制作了比较 ,发现条件性对称不稳定理论能解 释许多暖区雨带和宽冷锋雨带观测特征 。J as2 co urt 2 等研究了五条对流云带同时在已经存 在的自由对流区迅速发展的个例 ,认为这是条件性对流 - 对称不稳定作用所致 。Reed 等3 用对称不稳定理论解释了爆发性气旋的发生 。 Emanuel (1983) 4 对 1982 年 12 月 3 日发生在 美国南部一次对流性降水进行分析 ,得出了对 称不稳定判据的空间分布特征 。由于对称不稳定的独特地位 ,国内也进行了大量研究 。刘子1但是 ,各个台风降水情况十分复杂 ,雨量强弱 、雨区大小 、分布情况等差别很大 ,它涉及到不同尺度大气运动的相互作用和复杂的大气物理过 程 。根据卫星云图分析 ,可以把台风暴雨归纳 为以下三种类型 : (1) 台风环流本身暴雨 ; (2) 台 风云系和其它系统相结合产生的暴雨 ( 包含台风倒槽暴雨 、与西风槽结合产生的暴雨 、与台风 相联系的热带云团降水) ; ( 3) 台风眼外围螺旋 云带暴雨 。其中倒槽暴雨指受出现在对流层下 部台风倒槽影响 ,引起的台风远距离暴雨 。暴 雨一般出现在倒槽附近 ,而最大暴雨又往往出现在倒槽与西风槽相结合处 。我们称由台风和 中纬度系统相互作用引起的远离台风的北段暴 雨为远距离台风中尺度暴雨。励申申等 (1985 年)臣5讨论了黄土高原上暴雨的对称不稳定特收稿日期 :1999 - 08 - 02作者简介 :张兴强 ( 1969 - ) ,男 ,山东泰安人 ,气象学硕士 。利用合成分析方法 ,讨论了中纬度台风倒槽结构及倒槽暴雨形成的动力学特征 ,得出结论 :台 风倒槽暴雨既有热带系统丰富水汽又有中纬系 统的斜压性 ,因而能产生比台风环流本身大得 多的降水 。这类过程由于与台风距离较远 ,等压面图上直接产生暴雨的系统又不明显 ( 如 :850 h Pa 弱切变) ,而暴雨往往能突然发生 ,强度 很大 ,范围也不小 ,对北方产生严重灾害 。212 非纬向高空急流与对称不稳定统计研究发现 , 产生远距离台风 暴 雨 时 ,200 300 h Pa 高空一般有非纬向高空急流 , 非 纬向高空急流有很强的斜压性 ,更有利于产生斜压不稳定6 - 7 ,因此与非纬向高空急流有关 的台风远距离暴雨中也应具有很强的湿斜压 性 ,易产生斜压不稳定 ,而对称不稳定也是一种 斜压不稳定 。所以讨论远距离台风暴雨过程 中 ,对称不稳定以及它与非纬向高空急流的关系是 有 意 义 的 。本 文 中 , 我 们 用“S”判 据 对9711 号远距离台风暴雨过程中对称不稳定进 行了诊断分析 ,得到了一些有意义的结果 。3 对称不稳定判据及计算方法311 对称不稳定判据对称不稳定判据有多种表达式 ,我们采用 以下形式5 :S = 0 时 , 表明大气层结是中性的 。312对称不稳定判据的计算方法在计算 (2) 式时 ,大气从 950100 h Pa 垂直 分为 15 层 ,51 51 网格点 ,格距 60 km ,中心点 为 (35N ,120E) 。理查逊数 R i 由下式计算 :g 9uR i = - ( ( 9 ) 2 + (9v) 2 ) - 19Z9z9zd T= - 99u9v) 2) 2 ) - 1( (+P 9 P9p9p其中 ,为位温 ,d 为干空气气体常数 , u ,v 为风速分量 , T 是气温 , P 是气压 。之所以用了位温 而没用假相当位温se 是为了略去水汽及对流不稳定的影响而突出对称不稳定 。4411个例计算与诊断分析9711 号台风暴雨天气概述9711 号台风发生在西太平洋副热带高压经向发展稳定 ,欧亚环流由低指数向高指数转换的 背 景 下 。19 日 00 时 ( 世 界 时 , 下 同 )500 h Pa 上 , 由于副高加强西伸 , 588 线已抵达 山东半岛 ,东海上空由于副高与台风之间气压梯度加大 ,东南急流迅速加强 ,这不仅有利于台风登陆后沿副高边缘北上 ,也有利于台风倒槽 的生成与发展 。此时台风中心移到浙江昌化附 近 ,在台风东侧的华东沿海上空 850 h Pa 形成一- 1支风速高达 36 ms 的东南偏南急流 ,从台湾东部洋面直达苏北沿海 ,19 日 12 时 ,北伸至山 东半岛 ,青岛 、成山头东南风增至 22 ms - 1 。而 在 200 h Pa 上空 ,从陕南到东北一直有一支强西 南急流 ,最强风速中心风速达 76 ms - 1 ,中心位 于 44N ,122E 。这种高低空急流的配置 ,十分有利于低空急流前方和高空急流右后方形成大范围 强 上 升 运 动 , 同 时 副 高 也 有 所 加 强 ( 图1a) 。19 日 18 时 ,在流场上表现为一条东南风 与东北风之间的切变线 ,温度场上有较强锋区的配合 ,过去 6 小时降水达 100 mm 以上的 3 个W = - f 2 ( - 1 ) (y) 2 ( 1)fR i 1 令 S = ( f -) R( 2)i式中 是绝对涡度 , Ri 是理查逊数 ,y 是质点位移 , f 是地转参数 , S 即为对称不稳定判据。 此表达式的物理意义是 : 当环境大气绝热并满足地转和静力平衡时 , 在二维 y - z 平面内 ,空气质点沿等动量 ( M = u - f y ) 面从南向 北作倾斜上升运动时 , 环境场对空气质点做的 功是 W 。显然 , 采用此判据可以使运动中的 空气质点得到一个明确的状态 。当 S 0 , 这表明环境大气动力扰动使向北运动 的空气质点得到能量 , 即存在对称不稳定 。反之 , 环境大气作负功 , 使空气质点失去能量 , 空 气质点的运动受到抑制 , 大气状态是稳定的 。暴雨中心呈 N E - SW 向 ,正好排在倒槽前部 。在倒槽向西北推进的过程中 , 3 小时变压场最大负变压中心不象通常情况那样出现在北上台 风中心正前方 ,而是出现在远离台风中心的鲁中山区北侧 。19 日 00 时到 20 日 00 时台风降水在山东半 岛 一 般 达 110 mm 左 右 , 个 别 地 方 出 现200 mm 以上特大暴雨 ,降水场 (图 1b) 存在南北2 个雨区 ,南雨区中心在 ( 3415N ,119E) ,极值 为 209 mm ; 北雨区 ( 台风远距离雨区) 中心 在(3710N ,121E) ,极值为 198 mm 。19 日 12 时以后 ,远距离暴雨达最强 ,19 日 14 时15 时山东石岛 1 小时降水量达 7817 mm 。山东除鲁西 少数站略小外 ,全省普降暴雨 ,共有 72 个站过 程雨量大于 100 mm ,最强降水在山东即墨 , 最 大过程降水量 48215 mm 。图 1 (a) 1997 年 8 月 19 日 12 时 500 h Pa 形势与高 、低空急流配置 ( 实线 :500 h Pa 等高线 ;点线 :200 h Pa 30 m/ s 的等风速线 ;断线 :850 h Pa 20 m/ s 等风速线 ;矢线为高 、低空急流轴) 。( b) 19 日 00 时到 20 日 00 时 24 小时降水量分布图 ( mm)412对称不稳定判据 S 值的垂直分布特征图 2 为 19 日 12 时过北雨区 (远距离雨区)中心 (37N ,121E) 的 S 值经纬向 (a ,b) 剖面 ,可以看出 ,雨区低层 800 h Pa 以下为 S 0 的对称不稳定区域 ,高层 200300 h Pa 也存在 S 0 的稳定区 。图 2 19 日 12 时过北雨区 ( 远距离雨区) 中心 ( 37N ,121E) 的 S 值的经 (a) 纬向 ( b) 剖面 ( 阴影区 : S 0 ; 由前面的判据分析 ,这说明没有对称不稳定成分 ,南雨区降水主要 是台风环流本身的对流性降水 。而北雨区 S 最 大值在 650 h Pa 附近 ,850hPa 以下的低层 S 0 , 到了高层 ( 200 h Pa左右) 又出现 S 0 或0 的区域 。这说明台风 远距离雨区有对称不稳定存在 ,且主要在低层 和高层 。S 值的这种垂直分布特征说明 : 高低 层的对称不稳定有各自不同的协同作用 ,低层空气质点做倾斜上升运动对暴雨的发生起触发 作用 ,而高层对称不稳定的作用是产生斜升流 , 加强高空辐散 。图 3 19 日 12 时南北 2 块雨区内 S 平均值的垂直廓线 (a :北雨区 ; b :南雨区)定与高空非纬向高空急流有着某种必然的联系 。413对称不稳定判据 S 值的水平分布特征为了分析 S 值这种垂直分布的原因 ,我们 作了 250 h Pa 的 S 值分布平面图 (图 4) ,从图上图 5 为 19 日 12 时 低 层 S 值 ( 950 、900 、850 、700 h Pa 平 均 值) 与 后 6 小 时 降 水 的 配 置图 。可见存在一个明显 S 负值区 , S 负中心最 大达到 - 1 ,且与远距离雨区降水有一个比较好的对应 ,远距离雨区降水中心位于 S 值负中心图 4 19 日 12 时 250 h PaS 值分布图 ( 阴影区 : S 40 mm 降水区)的左前方 。而南部雨区位于 S 的正值区内 ,这再次区分出了南北两块雨区降水性质的差异 。参考文献 :1 Ho bbs P V , Organizatio n and st ruct ure of Clo uds and p recipitatio n o n t he Meso scale in Cyclo nic Sto r ms J . Rev geop hys Space Phys ,1978 ,16 (4) :741755 .2 J asco urt S D , Lindsto r m S S , Seaman C J , Ho ughto n D D . An o bsevatio n of banded co nvective develop ment in t he p resence of weak symmet ric stabilit yJ . Mo n Wea Rev ,1988 ,116 :175191 .3Reed R J ,Albright M D . A case st udy of ex2 plo sive cyclo nes over t he easter n pacificJ . Mo n Wea Rev ,1986 ,114 :22972319 .4 Emanuel , K. On assessing local co nditio nl5 结论511 9711 号台风降水为对流不稳定和对称不稳定共同作用的结果 。南北 2 个雨区降水性质 有所不同 。南雨区降水主要是对流性降水 。北 雨区 (台风远距离暴雨) 降水中对称不稳定占较 大的比重 。512 远距离雨区对称不稳定的垂直分布方面 , S 0 的 对 称 稳 定 区 。 高低层的对称不稳定有各自不同的作用 ,低层空气质点做倾斜上升运动对暴雨的发生起触发作用 ,而高层对称不稳定的作用是产生斜升流 ,加强高空辐散 。513 高层对称不稳定区 ( S 0) 与高空急流的 位置 、走势非常一致 。这说明高层对称不稳定 的产生与非纬向高空急流的斜压性增强密切相关 。514 低层 S 0 的区域作为对称不稳定区 ,与 后期台风远距离降水有比较好的对应 ,可以作 为远距离台风暴雨落区的一个指标 。symmet ricinstablit yf ro mat mo sp hereso undingJ . Mo n Wea Rev , 1983 , 111 :20162033 .5刘子臣等 1 中尺度对称不稳定的诊断应用J 1 南京气象学院学报 11997 , 20 ( 3) : 400404 .6李崇银 1 非纬向急流的斜压不稳定J 1 气 象学报 ,1984 ,42 (2) :148155 .7陆维松等 1 非纬向急流的非线性斜压不稳 定J 1 气象学报 ,1992 ,50 (1) :1111Meso Symmetric Insta bil ity inDiagnosis and Appl ication ofthe Storm Ra infall Far Distant f rom TyphoonZHAN G Xing - qiang1 ,D IN G Zhi - ying2 , HE J in - hai2( 1 . Taian Meteo rological Bureau , Taian 271000 ,china ;2 . NanJ ing Meteo rological Instit ute Nanjing ,210044 . china)Abstract :In ter ms of criterio n“S”of symmet ric instabilit y ,diagno sis and applicatio n were carried o utin t he event of sto r m rainf all f ar distant f ro m typ hoo n . Result s show t hat : t here exist s o bvio usly sym2met rically unstable rainf all in t h