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位涡思想的应用(2)

时间:2010-01-29  归属:现代天气学原理
2.位涡思想的基本要点及其应用

位涡具有两个基本性质:一是守恒性,即在绝热无摩擦条件下,运动大气的位涡保持不变;二是反演性,在给定位涡的分布及适当的边界条件,并假定运动是平衡的(地转平衡,梯度风平衡)情况下,可以反演出同一时刻的风、温度、位势高度、垂直运动的分布。利用等熵面上位涡的守恒性和反演性原理可以解释准平衡大气运动的动力学特征,Hoskins等人(1985)称这种方法为“等熵位涡思想(IPVthinking)”。其基本要点是:

(1)将大气结构看成是由基本气流及高空正、负位涡异常叠加在地面正、负位温异常之上所组成。而在涡度观点中,将大气结构看成是由高空移动性的槽、脊叠加在地面气旋、反气旋之上所组成的。

(2)围绕高空正位涡异常(即位涡比周围地区高的地区)中心及周围地区,出现气旋性风场;围绕高空负位涡异常(即位涡比周围地区低的地区)中心及周围地区,出现反气旋性风场。对于近地面层而言,当有正温度异常出现时,对应一个气旋性风场,而负温度异常对应一个反气旋性风场。上述各异常所诱生的风场之和组成了总的风场。在中纬度地区,对于典型的(水平尺度为1000km)IPV异常,其诱生风场的垂直尺度至少可以达到对流层的平均厚度。

(3)假设大气运动是绝热无摩擦的,位涡在等熵面上作平流运动,由此引起位涡的局地变化。

(4)各异常区所诱生的风场将改变IPV的分布。

(5)由此造成的新的IPV分布又与新的诱生风场相联系。

上述(4)和(5)的连续相互作用就是等熵位涡思想的核心所在。

天气系统的强烈发展过程往往发生在当对流层顶附近正的位涡异常区东移,叠加在低空原先已经存在的锋区之上,气压、风、质量之间原来的平衡关系遭到破坏以后。由高空正位涡异常区诱生的气旋性环流,造成在高空正位涡异常区前方有暖空气向北平流,结果在地面形成明显的正位温异常区(它稍位于高空异常区的前方),该异常区亦将相应地诱生出一个气旋性环流。上述两个高、低空异常区的同位相叠加,使得它们各自所诱生的气旋性环流将进一步发展。只要低空异常区保持位于高空异常区之前,与高空异常区相联系的、位于其后方的、向赤道方向运动的气流,将使高值IPV空气向南方平流,从而加强了高空正位涡异常。这就是一种所谓的“自我发展(self-development)”过程。这种过程直至上下两个异常区的轴线垂直,新的平衡建立为止。上述过程恰好就是天气系统(地面气旋)发生、发展的过程。

利用IPV思想,还可以解释地面气旋的移动,高空系统的形成和移动,地形对地面气旋和反气旋移动的影响,以及高空波动的侧向和垂直传播等,可参阅Bluestein(1993)所著的《中纬度天气动力气象学》中的有关章节。IPV思想的主要优点是,它能够识别出具有重要动力学意义的,且比等压面上所显示的更为精细的高空形势特征,估计潜在的发展趋势,追踪高空系统的演变等。

在自由大气中,非绝热加热的作用是十分重要的。前面已经提到,在凝结加热区下方,大气的位涡增大,而在其上方位涡减小,变化量可达到每天一个PVU。因此,中纬度地区低压系统中的潜热释放,将导致低空气旋性环流的显著增强,并且使位于其前方的高空高压脊得到显著的发展。

另外,在实际业务预报工作实践中,人们发现在中纬度地区(特别是在极锋附近及其以北地区),位涡特征与卫星水汽图像特征之间,存在着一种良好的对应关系,即水汽图像上狭长的干区(dryslot)往往与位涡“槽”底和位涡大值区前缘相对应,最干区域一般对应于位涡梯度最强区,或等位涡线最大的弯曲处。利用这种对应关系,可以检测数值预报模式预报结果的误差,特别是在卫星红外云图或可见光云图上的无云区,或当云层尚未出现时,通过比较位涡图和水汽图像上的特征,可以发现模式结果的误差。同样,当位涡特征与水汽图像特征配合良好时,表明模式结果是好的、可信的,至少在对流层高层是这样。位涡的形状分布特征,对于天气系统发展是极为重要的,如果模式出现差错,水汽图像上的特征形状往往是反映实际大气运动状况的,因而对预报有指示意义。最后需要指出的是,远离极锋,特别是在其暖区,上述对应关系不成立。

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