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      藏北地區(qū)午后熱對流天氣過程特征

      2021-07-05 00:33:02旺堆杰布旦增卓瑪平措桑旦
      高原山地氣象研究 2021年2期
      關(guān)鍵詞:熱對流那曲低層

      旺堆杰布,旦增卓瑪 *,平措桑旦

      (1.西藏自治區(qū)那曲市氣象局,那曲 852000;2.西藏高原大氣環(huán)境科學(xué)研究所,拉薩 850001)

      引言

      我國東部地區(qū)夏季西太平洋副熱帶高壓是影響天氣氣候的主要系統(tǒng)之一,而副高中心控制下的地區(qū)盛行下沉氣流,天氣以晴好為主,干燥少雨[1]。然而,許多觀測事實卻表明,副高控制區(qū)域常常出現(xiàn)由熱對流引發(fā)的對流性降水,這種局地?zé)釋α鞯耐话l(fā)性強、持續(xù)時間短,這與降水的水汽來源及其供應(yīng)不足有關(guān)[2]。除降水外,熱對流可以發(fā)展成深對流,并造成冰雹、下?lián)舯┝鞯葹?zāi)害性強對流天氣[3-5]。所以,熱對流是一種局地性強,且危害性不容忽略的局地天氣現(xiàn)象。由于其維持時間較短,以往高時空分辨率的觀測資料又相對缺乏,所以有效的研究成果較少。在國內(nèi)外已有的研究成果中,主要從觀測分析與數(shù)值模擬兩個方面開展了一些研究,缺乏系統(tǒng)性的研究,且對熱對流降水以主觀判別為主,缺乏客觀判別方法[6]。

      青藏高原作為隆起的臺地,通過其熱力和動力作用,影響著很大范圍的天氣氣候與環(huán)境變化[7]。那曲市地處西藏高原北部,平均海拔超過4500m,地形復(fù)雜,氣候干燥、日光充足、輻射強、晝夜溫差大、年平均氣溫在-2℃左右,屬于亞寒帶半干旱高原季風(fēng)氣候區(qū)[8]。夏季午后經(jīng)常出現(xiàn)因熱力不穩(wěn)定而引起的局地?zé)釋α魈鞖猓哂袝r空尺度較小、易多發(fā)、預(yù)報難等特點,往往不能滿足臨近預(yù)報等氣象服務(wù)工作的需要。已有研究[9]表明,熱對流降水云團水平尺度多為30~40km,平均垂直尺度超過10km。關(guān)于熱對流降水的成因,李昀英等[10]研究認為,非均勻的地表感熱加熱導(dǎo)致低層空氣塊能夠突破環(huán)境下沉氣流而上升,周圍空氣補充形成輻合運動,達到觸發(fā)對流的作用。探空分析是預(yù)報午后對流天氣最常用到的手段,其中的對流溫度是非常有代表性的一個物理量。吳洪星等[11]把對流溫度定義為地面加熱到剛能開始發(fā)展熱對流的一個臨界溫度,運用對流溫度預(yù)報局地?zé)釋α鞯某S梅椒ㄊ?,?8時探空氣球的對流溫度(Tg)與當(dāng)天最高溫度(Tmax)做比較,如果Tmax>Tg,則預(yù)報會產(chǎn)生局地?zé)釋α鳌?紤]到熱對流降水的主要特征是午后發(fā)生的局地短時降水,主要原因是地面輻射受熱之后,因熱力不穩(wěn)定引起的對流。本文擬從天氣學(xué)角度對那曲市午后發(fā)生的熱對流降水進行研究,以期為提升高原地區(qū)午后熱對流天氣的預(yù)報能力提供科學(xué)支撐。

      1 資料及研究對象

      所用的資料包括:MICAPS各等壓面觀測資料,那曲站探空觀測資料及常規(guī)地面觀測資料,NCEP2.5°×2.5°及ERA-interim再分析資料等。

      文中以藏北地區(qū)那曲(55299)為代表站,選取了2017~2019年6~8月08時500hPa上處于高壓控制或者晴空少云的天空狀況下,僅在午后(13~20時)出現(xiàn)降水的熱對流天氣,從天氣學(xué)、統(tǒng)計學(xué)角度對其發(fā)生時的環(huán)流背景及要素場特征進行系統(tǒng)分析。

      2 特征分析

      2.1 降水的統(tǒng)計特征

      那曲站在近三年夏季期間,總計有27天出現(xiàn)了因熱力不穩(wěn)定引起的對流性天氣(圖1)。其中,午后降水最集中的時段是16~17時(11次),其次是15~16時(8次),再次是14~15時(7次),這段時間是地面感熱加熱最強時段。

      圖1 2017~2019年夏季那曲地區(qū)熱對流天氣引發(fā)降水的時次分布

      2.2 要素場特征

      為客觀表示地面感熱加熱的程度,用08時的氣溫、地溫與當(dāng)日最高氣溫與最高地溫進行比較,圖2(a)和圖2(b)分別是上述27次樣本的08時地溫(a)、氣溫(b)與最高地溫、氣溫之差。可以看出,地溫差最高值達到了52.9℃,最低值為25.5℃,平均值為37.3℃。氣溫差最高值為13.8℃,最低值為6.9℃,平均值為10.4℃。巨大的溫差會導(dǎo)致地表向大氣邊界層強烈的感熱輸送。

      圖2 08時溫度與當(dāng)日最高溫度之差(a.地溫,b.氣溫)

      從熱對流降水的日最高氣溫來看(圖略),平均的日最高氣溫為17.2℃,最低的日最高氣溫為14.2℃,平均的日最高地溫為44℃,最低的日最高地溫為32℃,即日最高氣溫(地溫)至少要達到14.2℃(32℃)才有可能出現(xiàn)午后熱對流降水。

      從環(huán)境參數(shù)上來看,對流有效位能(CAPE)可以很好的表現(xiàn)出對流發(fā)生前的層結(jié)穩(wěn)定度,不穩(wěn)定能量的儲存狀態(tài),直接影響著大氣對流發(fā)生的頻率與強度。由于高原地區(qū)特殊的熱力作用,強烈的太陽輻射使近地層的大氣環(huán)境在早晨與午后有著巨大差別。因此,利用14時的氣象要素對探空曲線進行訂正尤為必要。通過對上述27天降水過程的探空曲線進行訂正后發(fā)現(xiàn),發(fā)生午后熱對流天氣時,早晨低層都存在逆溫現(xiàn)象且基本上不存在不穩(wěn)定能量(圖3),而訂正后CAPE值介于800~4270J·kg-1,平均值為1522J·kg-1,CAPE值較早晨有很明顯的上升,所以訂正后的CAPE值至少需要達到800J·kg-1。

      圖3 訂正后14時CAPE值

      從08時的溫度露點差垂直分布情況(圖4)來看,27次樣本的中低層溫度露點差均較小,其中除1次樣本外,其余均≤5℃。這說明午后有熱對流發(fā)生時,早晨中低層的濕度條件很好,最厚的濕層可達到300hPa,平均濕層在460hPa以下,而高層相對較干,具有上干下濕的特性,這給午后熱對流的發(fā)生發(fā)展提供了有利的環(huán)境條件。

      圖4 08時溫度露點差垂直分布

      2.3 預(yù)報方法

      從物理意義上看,對流溫度可以看成是發(fā)展熱對流的地面臨界溫度,當(dāng)?shù)孛鏈囟冗_到對流溫度后則熱對流有可能發(fā)展。在運用08時對流溫度預(yù)報午后熱對流時,前提條件就是假設(shè)Tg沒有日變化。吳洪星等[12]的研究發(fā)現(xiàn),事實也基本如此,這使得Tg在局地?zé)釋α鞯念A(yù)報中具有實際意義。因此,在日常預(yù)報中應(yīng)用Tg與當(dāng)日最高氣溫(Tmax)的差值也是很常見的一種方法,下面通過對這27次樣本降水過程的Tmax-Tg閾值進行分析,討論熱對流降水發(fā)生的概率分布。

      從圖5可以看出,在27次樣本中Tmax-Tg值均>0,其中最高值為7.8℃,最低值為1.2℃,平均值為4℃。從Tmax-Tg與熱對流發(fā)生的關(guān)系(圖6)來看,當(dāng)Tmax-Tg處于(1.5~3.5]℃時是熱對流降水出現(xiàn)頻率最高的區(qū)間,達到了11次,其次是處于(3.5~5.5]℃時也達到了10次。在Tmax-Tg處于(5.5~7.5]℃、(7.5~8.0]℃、(1.0~1.5]℃時,分別發(fā)生了3次、2次、1次,出現(xiàn)熱對流降水概率明顯低于平均概率。而當(dāng)Tmax-Tg值<1℃及>8℃時,出現(xiàn)熱對流天氣的概率為0。由此可見,并非Tmax-Tg值越大,熱對流降水發(fā)生的概率就越大。

      圖5 Tmax-Tg的閾值分布

      圖6 熱對流發(fā)生次數(shù)與Tmax-Tg的變化關(guān)系

      3 熱對流降水個例的合成分析

      通過選取10次對生產(chǎn)生活影響較嚴(yán)重的降水個例,利用常規(guī)觀測資料、NCEP2.5°×2.5°及ERA-interim再分析資料對其進行合成分析,旨在歸納出熱對流發(fā)生發(fā)展過程的環(huán)境特點。

      3.1 環(huán)流背景

      從06時500hPa位勢高度平均場(圖7a)可以看出,中高緯為兩槽一脊型,副熱帶高壓較強,西伸脊點位于110°E左右,伊朗高壓強度較強,東伸至青海南部。到12時(圖7b)伊朗高壓強度略微有減弱且西退,那曲市位于高壓邊緣偏北氣流控制區(qū),結(jié)合衛(wèi)星云圖(圖略)那曲市處于無云或少云狀況。

      圖7 10次個例合成的500 hPa位勢高度場(a.06時,b.12時)

      3.2 熱力條件

      從10次個例的氣溫及地溫(圖略)來看,08時開始氣溫、地溫的上升速率很快。午后較08時氣溫的上升幅度達到了8.4~9.3℃,地溫上升幅度甚至達到了34.5~42.7℃。巨大的溫差必然導(dǎo)致低層的空氣受力上升。最高氣溫與對流溫度的差值在1.5~5.5℃,處于熱對流降水出現(xiàn)的高頻率區(qū)間。

      3.3 動力條件

      強烈的地表感熱加熱可導(dǎo)致低層空氣突破高壓控制下的下沉氣流而上升,周圍空氣的補充形成輻合運動。從圖8a中可以發(fā)現(xiàn),08時之前整層表現(xiàn)為負散度,08~12時空氣表現(xiàn)為輻散,12時之后低層有弱的輻合,到13時輻合開始增強,16~17時達到了最強階段,低層輻合的厚度也發(fā)展到近450hPa。從垂直速度(圖略)來看,08~12時那曲市上空主要以下沉氣流為主,從13時左右開始有上升運動,14~16時上升運動處于最強階段,垂直方向發(fā)展到近400hPa,中心值達到-1.2Pa·s-1,17時之后上升運動逐漸減弱。

      圖8 10次個例合成的動力和水汽時空剖面(a.平均散度(填色部分,單位:s-1)及垂直速度(黑色等值線,單位:Pa·s-1),b.平均相對濕度(填色部分,單位:%)及水汽通量散度(黑色等值線,單位:g·m-2·s-1))

      3.4 水汽條件

      隨著地表感熱增強,低層空氣的輻合上升引起周圍水汽的匯聚(圖8b),13時之后低層水汽有明顯的匯聚并逐漸向高層發(fā)展,到16時左右,水汽匯集情況最為明顯。相對濕度與水汽通量散度表現(xiàn)較為一致,08時之前中低層相對濕度達到了80%以上,08~14時低層濕度稍有下降,15~17時中低層相對濕度又上升至80%,水汽趨于飽和。而水汽來源究竟是前期平流輸送還是地表蒸發(fā),這兩者的水汽貢獻率如何,還有待進一步研究。

      4 結(jié)論

      夏季藏北地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)午后熱對流降水,通過對2017~2019年6~8月的熱對流降水特征進行分析,結(jié)論如下:

      (1)午后熱對流降水最集中的時段是15~17時,并非Tmax-Tg值越大,熱對流降水發(fā)生的概率就越大。當(dāng)Tmax-Tg處于(1.5~5.5]℃時,熱對流降水出現(xiàn)頻率最高。當(dāng)Tmax-Tg值<1℃及>8℃時,出現(xiàn)熱對流天氣的概率為0。

      (2)發(fā)生熱對流時,日最高氣溫至少要達到14.2℃,日最高地溫至少要達到32℃,早晨Tlog-P圖上均存在逆溫層,且中低層的水汽條件較好,訂正后的CAPE值至少要達到800J·Kg-1。

      (3)從個例合成分析中可以看出,早上那曲市處于高壓控制或晴空少云狀態(tài),大概從12時開始,低層空氣輻合上升,低層的輻合上升引起周圍水汽的匯聚。從各要素場來看,熱對流系統(tǒng)發(fā)展高度為450hPa左右。水汽的來源是前期平流輸送或是地表蒸發(fā)有待進一步研究。

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