一次東移西南渦過程的平流層重力波特征研究

余世旺 張立鳳 王羱

( 國防科技大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，長沙 410005)

引 言

重力波是穩(wěn)定層結(jié)大氣中普遍存在的波動，有著寬廣的時空尺度特征，波長由幾千米到幾千千米，頻率由幾分鐘到數(shù)小時[1]。重力波一般在對流層產(chǎn)生并向上傳播，上傳重力波能夠到達平流層，甚至中間層以及熱層。特別是在平流層穩(wěn)定的大氣層結(jié)環(huán)境下，重力波振幅隨著大氣密度的減小可得到顯著增長，其對平流層中一些大氣現(xiàn)象的發(fā)生有重要作用。

對于重力波的研究，早期多是基于簡化數(shù)學(xué)模型的理論研究[2]，近年來隨著探測技術(shù)和高分辨率數(shù)值模式的發(fā)展，基于探測資料和數(shù)值模擬結(jié)果研究重力波基本特征、形成機制和傳播特征的工作越來越多[3]。研究發(fā)現(xiàn)，重力波不僅能夠激發(fā)和組織對流[4]，其上傳還能向平流層輸送和轉(zhuǎn)移能量，改變平流層的能量收支方式，同時在上傳過程中通過動量通量的轉(zhuǎn)移對大氣環(huán)流有不可忽視的拖曳作用，是對流層和平流層動量和能量交換的重要方式[5]，對維持平流層低層的年代際振蕩提供驅(qū)動[6]。前人的研究已發(fā)現(xiàn)，平流層重力波的激發(fā)源主要在對流層中，有地形、強對流、切變不穩(wěn)定、急流和潛熱源等[7]，而這些重力波激發(fā)源往往都和鋒面、臺風(fēng)和斜壓波等天氣系統(tǒng)相聯(lián)系。

近年來，利用高分辨率數(shù)值模式的模擬結(jié)果，WEI，et al[8]深入分析了理想濕斜壓急流鋒系統(tǒng)中重力波的性質(zhì)和譜特征，及其與濕對流和潛熱強迫的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)即使較弱的對流也能相當(dāng)程度地加大在急流出口區(qū)域附近的重力波的強度。WANG，et al[9]通過構(gòu)建理想的梅雨鋒系統(tǒng)，分析了梅雨鋒重力波的特征和機制，發(fā)現(xiàn)主要有兩類重力波產(chǎn)生：一類為對流形成之前的鋒面重力波，呈扇形，由對流層低層延伸到平流層低層；第二類為對流重力波，形態(tài)和傳播特征明顯不同于第一類波動，波動的振幅遠(yuǎn)大于第一類波動，且對流重力波上傳到對流層頂時發(fā)生折射，且主要逆背景風(fēng)傳播。熱帶氣旋在生成發(fā)展過程中，伴隨著強對流和降水活動，是產(chǎn)生重力波的一個重要波源。Kim，et al[10]通過數(shù)值模擬和衛(wèi)星觀測資料，做了大量關(guān)于臺風(fēng)產(chǎn)生的平流層重力波的研究，數(shù)值模擬的結(jié)果能很好地模擬出AIRS衛(wèi)星資料和ECMWF數(shù)據(jù)中重力波的特征，通過波譜分析發(fā)現(xiàn)對流層中的對流強迫為各向同性，平流層重力波呈現(xiàn)出各向異性，這是由于平流層背景風(fēng)的濾波作用，滿足垂直傳播條件的重力波才能上傳到平流層。Kuester，et al[11]使用3 km水平分辨率的數(shù)值模式模擬了颶風(fēng)Humberto引起的平流層低層重力波，模擬結(jié)果顯示，波動的水平波長為15～300 km。CHEN，et al[12-13]對臺風(fēng)Matsa誘發(fā)的平流層重力波進行了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)波動呈弧狀波陣面離開臺風(fēng)向上游傳播。波譜分析發(fā)現(xiàn)重力波呈明顯單峰窄譜結(jié)構(gòu)，主要波動具有1 000 km左右的水平尺度、12～18 h的時間尺度和7～9 km的垂直波長。

西南渦是我國特有的中尺度氣旋式渦旋天氣系統(tǒng)，產(chǎn)生于青藏高原東部與四川盆地一帶，在其發(fā)展和東移過程中往往伴隨強對流性降水[14]。西南渦的形成受地形和環(huán)流背景雙重影響，汛期東移出四川盆地的西南渦往往會與長江中下游地區(qū)的梅雨鋒結(jié)合，造成該地區(qū)的強降水等災(zāi)害性天氣[15]。伴隨對流發(fā)展，凝結(jié)潛熱反饋會增強西南渦強度從而進一步增強對流降水[16]。由于西南渦是強對流的激發(fā)系統(tǒng)，所以也是研究對流重力波應(yīng)該關(guān)注的系統(tǒng)。李馳欽等[17]應(yīng)用WRF模式的模擬結(jié)果識別了 2005 年 1 月 10 日青藏高原上空一次重力波過程，以及重力波對高原西部降雪的影響。LIU，et al[18]基于數(shù)值模擬研究了四川盆地地形降水產(chǎn)生的重力波的特征。然而，關(guān)于西南渦東移過程中平流層重力波特征的研究工作還較少。

本文針對2011年6月16—19日我國長江中下游的一次東移西南渦過程，利用WRF模式的高分辨率模擬結(jié)果，分析了西南渦系統(tǒng)產(chǎn)生的重力波分布和傳播特征。第1、2節(jié)介紹西南渦過程和模擬結(jié)果檢驗；第3節(jié)分析西南渦重力波的基本特征；最后一節(jié)為全文總結(jié)。

1 西南渦過程和模擬結(jié)果檢驗

1.1 個例概況

研究選擇2011年6月16—19日在四川盆地生成的一次西南渦東移發(fā)展過程。6月17日，西南渦位于四川盆地，重慶市多個站點的1 h降水量超過50 mm，其中青木關(guān)鎮(zhèn)13 h累積降水量達到121.9 mm，啟動暴雨橙色預(yù)警；6月18日西南渦位于湖北省，武漢在17日23時(世界時，下同)至18日07時的累積降水量達到180 mm，隨后東移，常州、南京、合肥等地的降水達到暴雨級別，引發(fā)城市內(nèi)澇等重大洪澇災(zāi)害。

圖1 500 hPa(a—c)和700 hPa(d—f)的位勢高度場(實線，單位：dagpm)和水平風(fēng)場:(a、d)17日06時；(b、e)18日00時；(c、f)18日18時(陰影部分為700 hPa等壓面上的急流分布)Fig.1 The geopotential height field (solid line， unit: dagpm) and horizontal wind field at 500 hPa (a-c) and 700 hPa (d-f) at (a，d) 0600 UTC on 17; (b，e) 0000 UTC on 18;(c，f) 1800 UTC on 18 (the shading represents the jet distribution at 700 hPa)

利用美國環(huán)境預(yù)報中心(NCEP)提供的分辨率為1°×1°的FNL再分析資料(http:∥rda.ucar.edu/datasets/ds083.2)繪制了此次西南渦演變過程中三個時刻的500和700 hPa形勢場(圖1)。17日06時，500 hPa等壓面上在中高緯度為兩槽一脊的環(huán)流形勢，內(nèi)蒙古中部和貝加爾湖之間有一閉合的阻塞高壓，阻高東側(cè)為深厚的東北低壓槽，西側(cè)也為低槽。西太平洋副熱帶高壓的588 dagpm線抵達我國東南沿海地區(qū)，四川東部有一短波槽，槽前上升運動為低層渦旋系統(tǒng)的生成和發(fā)展提供動力條件(圖1a)。700 hPa等壓面上主要表現(xiàn)為兩高兩低的鞍形場，東南地區(qū)由副熱帶高壓控制，副高脊前為強盛的偏東和偏南氣流，最大風(fēng)速超過15 m·s-1，為長江中下游地區(qū)帶來大量的暖濕空氣；四川東部有氣旋式閉合環(huán)流，其東側(cè)為風(fēng)速大于10 m·s-1的大風(fēng)速帶；東北地區(qū)為低壓槽，槽前偏西風(fēng)和副高西側(cè)的西南風(fēng)為西南低渦的東移發(fā)展構(gòu)成一個完美的通道(圖1d)。18日00時，副高東退，槽脊系統(tǒng)東移發(fā)展(圖1b)，西南渦東移到重慶和湖北西部，低渦東側(cè)的西南急流加強，東北低壓槽南壓，槽后偏北氣流與長江下游的西風(fēng)氣流匯合形成切變風(fēng)場(圖1e)。18日18時，副高南壓，其西側(cè)的槽減弱(圖1c)，西南渦東移入海(圖1f)，低渦東南側(cè)的西南急流也減弱。

綜上，500 hPa穩(wěn)定的北阻高和南副熱帶高壓的環(huán)流形勢，有利于中緯度短波槽東移，這給西南渦生成提供了動力條件，700 hPa鞍形場和西南低空急流為西南渦的東移和發(fā)展制造了有利通道，東北低槽南壓與西南急流在長江中下游產(chǎn)生的風(fēng)場切變進一步加強東移西南渦的發(fā)展。

1.2 數(shù)值模擬方案

為獲得高時空分辨率資料分析重力波特征，采用WRF v3.6模式進行了數(shù)模擬。試驗采用三重雙向嵌套方案，中心設(shè)為(33.5°N，105°E)。由外至內(nèi)嵌套模式的水平分辨率依次為36、12和4 km，嵌套區(qū)域的格點數(shù)分別為107×144、195×273和261×450，最內(nèi)層嵌套涵蓋四川盆地東部和長江中下游地區(qū)。模式垂直分層為60層，層頂為10 hPa(大約30 km)；為了防止模式層頂存在波動的虛假反射，在模式最上層5 km區(qū)域設(shè)置了“阻尼層”，使向模式層頂傳播的波動產(chǎn)生瑞利衰減[9，19]。

初始場和側(cè)邊界條件采用FNL再分析資料。模式積分起始時間為2011年6月16日12時，積分至19日00時,共60 h，三重嵌套區(qū)域的積分步長分別為180、60和20 s；第一層嵌套結(jié)果逐3 h輸出，第二嵌套結(jié)果逐小時輸出，最內(nèi)層嵌套結(jié)果逐5 min輸出。模擬采用的主要參數(shù)化方案見表1。

表1 WRF模式運行的主要參數(shù)化方案Table 1 The main parameterization schemes for the WRF model

1.3 模擬結(jié)果檢驗

圖2為實況和模擬的12 h累積降水分布，模擬降水為D03嵌套區(qū)域輸出的結(jié)果(下文分析均采用D03輸出結(jié)果)，實況資料來自中國自動站與CMORPH融合的逐小時的網(wǎng)格降水資料(http:∥data.cma.cn/dataService/index/datacode/SEVP_CLI_CHN_MERGE_ CMP_PRE_HOUR_GRID_0.10.html)。從實況來看，16日18時—17日06時的12 h降水主要集中在重慶和四川東部，超過90 mm的最大降水中心位于重慶中部地區(qū)(圖2d)，模式很好地模擬出雨帶的強度和范圍，但相比于實況降水范圍略大(圖2a)。18日00時，隨著西南渦東移發(fā)展，降水的強度和范圍顯著增大(圖2e)，此時降水分成3段，西部降水位于貴州省，中部降水位于湖南和湖北交界處，東部降水位于安徽和江蘇等地呈東西帶狀分布，最大值出現(xiàn)中部雨帶上，12 h累積降水超過110 mm，模擬降水分布形態(tài)和位置，與實況基本一致，但最大降水區(qū)比實況偏大(圖2b)。18日18時，西南渦系統(tǒng)繼續(xù)東移，降水強度和范圍均減小，主要位于湖北東部、安徽南部和浙江北部，最大降水區(qū)位于安徽南部，相比實況，模擬降水偏強，且在主要降水帶的南部又模擬出一條雨帶，明顯強于實況零星降水。

2 伴隨西南渦東移的平流層重力波特征

2.1 重力波產(chǎn)生的環(huán)境場

為了反映西南渦東移發(fā)展過程中對流強度的演變特征，參照PENG，et al[20]的方法，在D03區(qū)域計算了0～15 km高度范圍內(nèi)區(qū)域質(zhì)量權(quán)重平均的垂直動能和區(qū)域平均的逐小時降水。從圖3a可見，垂直動能和逐小時降水隨時間的演變有很好的對應(yīng)關(guān)系，均在第31小時(即17日19時)附近達到最大值，從時間演變看，二者均經(jīng)歷了發(fā)展、強盛和減弱3個階段。結(jié)合圖2中12 h累積降水量分布，可以將西南渦東移過程分為發(fā)展、強盛和減弱3個階段，對應(yīng)時間分別為16日18時—17日06時，17日12時—18日00時和18日06—18時，下文重力波研究以17日06時、18日00時和18日18時為3個階段的代表時間，在這3個時次西南渦中心分別位于四川東部、湖北西部和江蘇沿海。

圖3b是模擬區(qū)域內(nèi)平均的三個時刻緯向風(fēng)的垂直廓線，17日06時和18日18時的風(fēng)廓線隨高度變化基本一致，從近地面到8 km高度上風(fēng)速隨高度增加，8～15 km上，隨高度變化不大，在15 km高度上達到最大值14 m·s-1，15～20 km高度上，緯向風(fēng)由西風(fēng)快速地轉(zhuǎn)變?yōu)闁|風(fēng)；18日00時的緯向風(fēng)變化曲線與上兩個時刻略有不同，從底層到15 km風(fēng)速增大，在15 km達到最大值，然后隨高度減小并轉(zhuǎn)為東風(fēng)，3個時刻的緯向風(fēng)在20～30 km高度上均為東風(fēng)氣流。3個時刻區(qū)域平均的浮力頻率垂直廓線(圖3c)基本重合，由近地面至13 km高度，浮力頻率逐漸減小，在13～20 km上隨高度急劇增加，20～30 km上隨高度緩慢遞減。基于緯向風(fēng)和浮力頻率的垂直分布特征，可將此次過程的對流層頂認(rèn)定為13～15 km，故下文選取12、20和25 km 3個高度分析對流和重力波的演變。

圖2 2011年6月17日06時(a、d)、18日00時(b、e)和18日18時(c、f)D03嵌套區(qū)域模擬的12 h累積降水(a—c)和實況(d—f)(單位：mm)Fig.2 Simulated 12 h precipitation (a-c) in D03 nested area and observed 12 h precipitation (d-f) at(a, d) 0600 UTC on 17; (b, e) 0000 UTC on 18; (c, f) 1800 UTC on 18 June 2011

圖3 D03嵌套區(qū)域平均的物理量分布，(a)垂直動能(黑色實線，單位：m2·s-2)和逐小時降水(紅色虛線，單位：mm)隨時間的演變；(b)緯向風(fēng)垂直廓線(單位：m·s-1)；(c)浮力頻率垂直廓線(單位：s-1)。其中藍(lán)色實線為17日06時，紅色虛線為18日00時，綠色虛線為18日18時Fig.3 Regional average over the D03 domain of (a) time series of vertical kinetic energy (black solid line， unit: m2·s-2) andhourly precipitation (red dotted line， unit: mm)，(b) vertical profile of zonal wind (unit: m·s-1) and(c) buoyancy frequency (unit: s-1). The blue solid， red dotted and green dotted lines denote 0600 UTC on 17， 0000 UTC on 18 and 1800 UTC on 18， respectively

2.2 重力波的水平分布

圖4給出了3個時刻垂直速度在12、20和25 km高度上的分布。其中12 km代表對流層高層，20和25 km代表平流層低層，圖上疊加的藍(lán)色等值線為700 hPa位勢高度場。由圖4可見，在西南渦東移發(fā)展的不同階段，12 km高度上西南渦的東側(cè)和南側(cè)均存在著強上升運動，西南渦發(fā)展強盛期對流活動的強度和范圍顯著增大，西南渦減弱階段低渦東側(cè)對流活動減弱，低渦南側(cè)仍有較強的對流活動。在平流層低層，低渦的東側(cè)和南側(cè)沿著等高線有明顯的垂直速度正負(fù)交替出現(xiàn)的波動現(xiàn)象，這表明此處有重力波存在。此次西南渦東移過程中，一直伴隨著強對流降水天氣，強對流活動在穩(wěn)定的平流層激發(fā)的重力波可以東西方向或南北方向傳播，但波動的傳播不僅與波源有關(guān)，其方向受背景風(fēng)場的影響，表現(xiàn)為逆基流傳播的特征[9，10，22]，在平流層中存在東風(fēng)的情況(圖3)下，重力波以向東傳播為主，表現(xiàn)出非對稱傳播特征，故西南渦激發(fā)的平流層重力波呈現(xiàn)出東傳的圓弧狀波列，這與Kim， et al[10]，WU， et al[22]等研究臺風(fēng)重力波以及WANG， et al[9]研究理想梅雨鋒系統(tǒng)重力波的特征類似。

圖4 17日06時(a、d、g)、18日00時(b、e、h)和18日18時(c、f、i)700 hPa位勢高度場(藍(lán)色實線，單位：dagpm)，以及垂直速度(陰影部分，單位：cm·s-1)在12(a—c)、20(d—f)和25 km(g—i)高度上的水平分布Fig.4 The geopotential height field (solid blue line, unit: dagpm) at 700 hPa at 0600 UTC on 17(a,d,g)， 0000 UTC on 18 (b,e,h) and1800 UTC on 18 (c,f,i)， and vertical velocity (shading， unit: cm·s-1) at 12 km (a-c)， 20 km (d-f) and 25 km (g-i)

重力波的分布和強度與西南渦的演變有著密切的聯(lián)系。17日06時，西南渦位于重慶西部，中心閉合等值線為306 dagpm，在平流層低層20 km高度上，西南渦東側(cè)垂直速度呈正負(fù)交替分布，波動等位相線沿著西北—東南方向，近似與等高線垂直。由于空氣密度隨高度增加而減小，根據(jù)波作用量度守恒原理，波動的振幅會隨高度增加而增大[21]，因此在25 km高度上正負(fù)交替的垂直速度中心的絕對值明顯增大。除此之外，我國沿海東部地區(qū)存在波長較大的圓弧狀波動，不同的是波動等位相線幾乎與副高西側(cè)的等高線平行。從垂直速度水平分布場動態(tài)來看，這支波動是由湖北中部向東南方向傳播，在傳播的過程中波動振幅逐漸增大，這可能是由于重力波在遠(yuǎn)距離傳播過程中，重力波發(fā)生耗散以及被背景場吸收，較小尺度的重力波消失，隨著傳送距離增加，只剩下較大波長的重力波。18日00時，西南渦東移到湖北中部并顯著加強，最低閉合等值線達到304 dagpm，西南渦的東部和南部的對流加強(圖4b)；相應(yīng)地，20 km高度上波動振幅增強，范圍增大(圖4e)，波動圍繞低渦的東南側(cè)呈半環(huán)狀分布。按照波動等位相線的走向，也可以將重力波分為兩支，一支位于低渦東側(cè)波列沿東北—西南走向，另一支在低渦南側(cè)波列沿東—西走向。在25 km高度上(圖4h)，波動振幅顯著增大，半環(huán)狀的特征更加明顯。18日18時，西南渦東移至江蘇沿海地區(qū)，沿著低渦的東南部仍然存在強對流帶(圖4c)，在平流層低層，重力波存在區(qū)域明顯減小(圖4f)，且西南渦東側(cè)和南側(cè)的重力波分離，東側(cè)重力波尺度較小，南側(cè)重力波仍然較強，尺度較大(圖4i)，由于在該區(qū)域模擬出了一條雨帶(圖3b)，故該區(qū)域重力波的產(chǎn)生可能是由虛假降水伴隨的對流活動或凝結(jié)潛熱釋放激發(fā)。

綜上，西南渦東移發(fā)展過程中，平流層重力波主要出現(xiàn)在西南渦的東側(cè)和南側(cè)，且呈半環(huán)狀分布，與對流和降水相關(guān)性較強。以往關(guān)于臺風(fēng)、颮線和梅雨鋒等系統(tǒng)重力波的研究中，重力波的分布主要位于天氣系統(tǒng)的一側(cè)[22]，沒有出現(xiàn)這種不同傳播方向的重力波。這可能與西南渦東移到長江中下游時與梅雨鋒結(jié)合，使得系統(tǒng)變得復(fù)雜有關(guān)，所以西南渦重力波的產(chǎn)生可能是對流、急流、鋒面以及地形等的共同作用的結(jié)果，但從對流與重力波的分布看，在此次過程中對流作用是主要的。

從圖4可知，平流層重力波的波長集中在中尺度范圍內(nèi)，因此對垂直速度做了50～200 km的帶通濾波，圖5給出了25 km高度上濾波后的垂直速度分布(其他高度圖略)，可以看到圍繞西南渦的東南側(cè)的重力波水平分布特征更顯著。依據(jù)濾波結(jié)果可估計出不同階段重力波的波參數(shù)(表2)。從表2中可見，低渦南側(cè)重力波的水平波長和相速都小于東側(cè)；在西南渦強盛時，重力波的水平波長大于其發(fā)展和減弱時期，而相速卻是隨著西南渦的東移越來越快，南側(cè)重力波的傳播慢于東側(cè)。

圖5 25 km高度上50～200 km帶通濾波后的垂直速度場水平分布(單位：cm·s-1)：(a)17日06時；(b)18日00時；(c)18日18時Fig.5 The horizontal distribution of the vertical velocity (unit: cm·s-1) at the height of 25 km filtered by 50-200 km bandpass filter at (a) 0600 UTC on 17;(b) 0000 UTC on 18; (c) 1800 UTC on 18

2.3 重力波的垂直分布

為揭示西南渦發(fā)展不同階段東側(cè)和南側(cè)重力波的垂直分布特征，圖6給出了垂直速度沿不同緯度的經(jīng)向高度剖面，圖上疊加了該緯度的5 min累積降水。值得注意的是，在西南渦發(fā)展3個階段，垂直速度場的分布均在15 km的高度上呈現(xiàn)明顯的差異，15 km以下正負(fù)垂直速度基本垂直分布，15 km以上正負(fù)垂直速度傾斜分布。這表明對流層的局地強對流激發(fā)了平流層低層的重力波，由于垂直速度主要向東傾斜，在平流層低層重力波主要向上向東傳播，對流層和平流層垂直運動分布的差異主要是由于層結(jié)穩(wěn)定度及緯向風(fēng)在對流層頂附近發(fā)生顯著變化導(dǎo)致的(圖3b、c)。研究表明“機械振蕩”是對流激發(fā)平流層重力波的一種機制，其過程是對流層中的強對流可以強迫對流層頂中性層附近發(fā)生振蕩，這種振蕩作為穩(wěn)定平流層的下邊界強迫，在穩(wěn)定的平流層低層產(chǎn)生重力波，由圖6可見，此次西南渦激發(fā)的重力波與“機械振蕩機制”理論相符合[9，23]。且在低渦東側(cè)的重力波(圖6a、d)與強降水有很好的對應(yīng)關(guān)系，在對流層中上升運動大值所在經(jīng)度，對應(yīng)5 min降水的峰值，平流層上對應(yīng)上傳和東傳的重力波；隨著西南渦的東移，降水峰值東移，平流層重力波顯著區(qū)域也東移。對于低渦南側(cè)的重力波與降水的關(guān)系沒有東側(cè)顯著，特別是在低渦發(fā)展階段，其南側(cè)降水較弱，平流層重力波的激發(fā)源可能不同。比較圖6a、d和c、f可以發(fā)現(xiàn)，低渦東部重力波的經(jīng)向分布范圍較小，與強降水峰值和強對流對應(yīng)較好，這說明這個區(qū)域的重力波產(chǎn)生機制與強降水引起的凝結(jié)加熱有關(guān)。而低渦南側(cè)重力波的經(jīng)向跨度較大，這說明南側(cè)重力波不僅與降水有關(guān)，還與低渦南側(cè)西南風(fēng)急流及其風(fēng)切變有關(guān)。

表2還給出了由圖6估計得到的重力波垂直波長，可見，重力波的垂直波長遠(yuǎn)小于水平波長，南側(cè)重力波的垂直波長在低渦的前兩個階段大于東側(cè)重力波，而后一個階段小于東側(cè)的。在西南渦發(fā)展不同階段，逐5 min累積降水主要位于對流層有強烈上升運動的區(qū)域，其中位于西南渦東側(cè)的對流上升運動要強于其南側(cè)，相應(yīng)5 min累積降水也大于其南側(cè)。在平流層低層，西南渦東側(cè)和南側(cè)的重力波特征也有著較大的不同。

表2 重力波的波參數(shù)估計Table 2 Estimation of wave parameters of gravity waves

圖6 西南渦發(fā)展的3個階段5 min累積降水(黑色實線，單位：mm)和垂直速度(單位：cm·s-1)沿著不同緯線的緯向垂直剖面，圖中對應(yīng)的緯度分別是(a、b)29.9°N和27.4°N；(c、d)31.3°N和27.4°N；(e、f)為32°N和27°N Fig.6 The 5-min accumulated precipitation (balck line， unit: mm) and the zonal vertical profiles of vertical velocity (unit: cm·s-1) at three stages of the southwest vortex along different latitudes. The corresponding latitudes in the figures are (a) 29.9°N，(b) 27.4°N，(c) 31.3°N，(d) 27.4°N，(e) 32°N and (f) 27°N

2.4 重力波的傳播

對25 km高度上的垂直速度場沿不同緯度作經(jīng)向時間剖面。圖7是3個階段的剖面圖。由圖可清晰地看到，位于西南渦東側(cè)的波動和南側(cè)的波動具有不同的傳播特征，在同一個階段，南側(cè)(右列)重力波東傳速度小于東側(cè)(左列)重力波；隨著西南渦的東移發(fā)展，東側(cè)重力波東傳速度增大，但西南渦南側(cè)的波動速度基本保持不變。

圖7 不同緯度上垂直速度場(單位：cm·s-1)的經(jīng)度—時間分布，各圖的對應(yīng)緯度同圖6Fig.7 The meridional time evolution of vertical velocity (unit: cm·s-1) along different latitudes. The corresponding latitudes of the evolution are the same as fig. 6

2.5 重力波譜分析

以上分析了重力波的水平和垂直分布及傳播特征，為定量得到西南渦重力波的頻率和波數(shù)的分布特征，對25 km高度上的重力波在西南渦移動的3個階段作了波譜分析，每個階段都以12 h作為時間窗口，基于逐5 min的模式輸出結(jié)果，首先通過快速傅里葉變換，計算了每一個高度上垂直速度場的功率譜密度關(guān)于緯向(經(jīng)向)波數(shù)和頻率的二維分布函數(shù)，然后沿著經(jīng)向(緯向)做平均，得到功率譜密度的頻率—緯向(經(jīng)向)波數(shù)分布[9]。圖8a—c是3個時段的頻率—緯向波數(shù)譜密度的分布，圖8d—f是3個時段的頻率—經(jīng)向波數(shù)譜密度的分布。對比可見，在緯向和經(jīng)向上重力波有著完全不同的譜特征，緯向波數(shù)譜關(guān)于零頻率非對稱分布，正頻率區(qū)域的譜密度明顯大于負(fù)頻率區(qū)域，這說明雖然平流層重力波可向東西兩個方向傳播，但東傳波動明顯強于西傳波動；經(jīng)向波數(shù)譜在波數(shù)較小時關(guān)于零頻率基本是對稱分布的，這說明波動可向南北兩個方向傳播，但在波數(shù)較大時，也是非對稱分布，說明小尺度波動以北傳為主。

分析3個時刻的譜分布發(fā)現(xiàn)，波數(shù)—頻率譜密度的分布與西南渦強度有關(guān)，在低渦發(fā)展階段，緯向波數(shù)的功率譜密度大值區(qū)集中在頻率為0.02 min-1和波數(shù)在0.02 km-1范圍以內(nèi)(圖8a)；在西南渦的發(fā)展旺盛階段，功率譜密度的大值區(qū)范圍顯著增大，大值區(qū)的頻率可達到0.04 min-1，波數(shù)達到0.03 km-1(圖8b)，這說明隨著對流加強，其激發(fā)的重力波有更寬廣的頻譜范圍，即小尺度和高頻率的重力波也變得顯著，或者說強對流更容易在平流層低層激發(fā)出小尺度的高頻重力波；在西南渦減弱的階段，功率譜密度的大值區(qū)較強盛階段有所減小和收縮(圖8c)，但依然要大于西南渦發(fā)展階段的顯著譜密度的范圍。

圖8 25 km高度上垂直速度的功率譜密度關(guān)于緯向波數(shù)(a—c)和經(jīng)向波數(shù)(d—f)在西南渦發(fā)展階段(a、d)、強盛階段(b、e)和減弱階段(c、f)的分布。Fig.8 The power spectral density of 25 km vertical velocity with respect to zonal wavenumber (a-c) and meridional wavenumber (d-f) during the (a，d) development stage；(b，e) mature stage；(c，f) decaying stage of southwest vortex

經(jīng)向波數(shù)功率譜密度的分布與緯向波數(shù)譜不同不僅表現(xiàn)在對稱性上，其分布形態(tài)也有差異，緯向波數(shù)譜的大值區(qū)幾乎沿波數(shù)和頻率是線性變化的，大值中心隨波數(shù)和頻率延伸幾乎沿對角線分布。經(jīng)向波數(shù)譜不同。在西南渦發(fā)展的不同階段經(jīng)向譜也有變化。從圖8d—f可以看出，在西南渦發(fā)展強盛階段，經(jīng)向波數(shù)譜密度的大值區(qū)也向大波數(shù)和高頻率方向擴展，特別是北傳的波動擴展范圍更大，這說明隨著對流加強更有利激發(fā)尺度小頻率高的北傳波動。

3 結(jié)論

基于NCEP再分析資料和WRF模式，采用三重嵌套方案模擬了2011年6月16—19日的一次西南渦東移過程，模式基本模擬出了西南渦發(fā)展東移過程的環(huán)流形勢和降水分布。表明模式的高時空分辨率的模擬結(jié)果可以用來分析西南渦東移發(fā)展過程中平流層重力波的基本特征。主要結(jié)論如下：

(1)西南渦的東移發(fā)展可以分為發(fā)展、強盛和減弱3個階段，選取17日06時、18日00時和18日18時分布作為3個階段的代表時刻。在發(fā)展階段，重力波主要位于西南渦東部，強度和范圍均較小，波動等位相線垂直于700 hPa等高線分布。當(dāng)西南渦移出四川盆地后，進入強盛階段，對流降水增強，平流層重力波的范圍和強度都增大，重力波圍繞西南渦的東側(cè)和南側(cè)呈現(xiàn)出半環(huán)狀的分布特征，低渦東側(cè)波列呈東北—西南走向，以向東北傳播為主，低渦南側(cè)波列呈東西走向，以向東傳為主。平流層重力波的分布和強度與西南渦產(chǎn)生的對流性降水有很大的關(guān)系。在西南渦減弱階段，兩支波動逐漸分離，低渦東側(cè)的波動強度減小，南側(cè)的波動振幅有所增大。

(2)從波動的垂直剖面可以看出，15 km高度可以作為對流層頂，在15 km以下有較強的對流活動，并伴有降水峰值，重力波出現(xiàn)在15 km以上的平流層低層。平流層的波動不僅水平傳播還有垂直傳播分量，受平流層背景風(fēng)控制，主要表現(xiàn)為向上向東傳播，且波動振幅隨著高度增高而增大。

(3)計算了西南渦不同階段的波數(shù)—頻率的功率譜密度，在譜空間分析了西南渦重力波的時空尺度特征。緯向波數(shù)譜密度分布表現(xiàn)出關(guān)于零頻率的極不對稱性，譜密度大值區(qū)主要分布在正頻率象限，表明以向東傳播重力波為主，且功率譜密度的大值區(qū)范圍隨著西南渦的加強而增大，表明強對流更容易激發(fā)出尺度小頻率高的平流層重力波；經(jīng)向波數(shù)譜密度分布在小波數(shù)區(qū)域表現(xiàn)出大致對稱性，且與西南渦發(fā)展增強，波譜大值區(qū)也向高頻和大波數(shù)方向擴展，且以向正頻率區(qū)擴展顯著，這說明高頻率小尺度的波動更容易向北傳播，在大波數(shù)區(qū)域，經(jīng)向波數(shù)譜密度分布的對稱性不存在。

本文研究只是針對一個個例，揭示了西南渦東移演變過程中平流層重力波的基本特征，其結(jié)果的普適性還需要更多個例研究的支持，此外對于深入的機理研究還有待進一步的工作。