准静止锋上中尺度对流带的发展与演变的个例分析外文翻译资料

 2022-12-10 03:12

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准静止锋上中尺度对流带的发展与演变的个例分析


Daeun JEONG1; Ki-Hong MIN2;3;4 Gyuwon LEE2;3, and Kyung-Eak KIM2;3

1亚太经济气候中心气候研究系，釜山612-020，韩国

2庆北国立大学大气遥感中心，，大邱702-701，韩国

3庆北国立大学天文与大气科学系，大邱702-701，韩国

4普渡大学地球、大气和行星科学系，西拉斐特47907-2051，美国

摘要：本文介绍了产生在首尔的一个准静止锋上中尺度对流带的发展与演变的个例分析。此次中尺度对流带生成于2010年9月20日15时（UTC），结束于2010年9月21日14时（UTC），总降水量为259.5毫米。对流层顶折叠以及低空急流输送水汽，使得中尺度对流带发展。分析表明中尺度对流带的演变可以分成五个时期：（1）单体形成阶段，对流产生；（2）锋生阶段，静止锋在朝鲜半岛形成；（3）准静止锋阶段，对流带在首尔停滞三小时以上；（4）成熟阶段，云层达到最大覆盖以及降水率超过每小时90毫米；（5）消亡阶段，中尺度对流带减弱、消失。天气学、热力学和动力学的分析表明，中尺度对流带的长期维持是由于倾斜向正位势涡度的上升气流。降水集中区域有倾斜上升的西南气流和东北气流在气旋性旋转轴汇合。对流单体的构成一部分由于对流层顶折叠，折叠增强了表面的气旋性涡度；一部分由于低层暖湿气流的辐合与高层辐散。西南气流在该地的水汽输送和强相对涡度维持了准静止锋上中尺度对流带的发展。

关键字：对流带 准静止锋 位势涡度 对流层顶折叠 强降水

1.引言

灾害天气往往造成生命和财产的重大损失。根据国家紧急事务管理署，2001年至2010年，韩国一半以上的风暴灾害是由强降水和台风引起的。仅在2010年，就有14起伤亡和390万美金的损失是由灾害天气引起的。韩国气象局定义强降水为：（1）降雨强度超过30毫米每小时，或80毫米每天，或者单日降水超过年降水的10%；（2）具有从几十分钟到几个小时的持续时间;（3）具有与半径为10-20公里的相对狭窄面积的覆盖。强降水一般在Changma期发生，这是韩国夏天的雨季。偶尔，强降水发生了除了Changma期之外的初秋。

2010年9月21日的强降水是由具有带状结构的中尺度对流系统（下文中称为中尺度对流带）引起的，降水造成了首尔及周边地区14018间房屋淹没以及2706户断电，单日降水达259.5毫米。尽管有大量生命和财产的损失是由秋季强降水，但是在韩国很少有人研究。现有的强降水研究主要集中在发生在夏季季风期的降水形成机理和发展型分类。

夏季Changma期强降水和秋季降水的触发机制是截然不同的。这是因为前者的机制类似于一个热带暖性降水过程，而后者是一个中纬度斜压结构。对流层顶折叠是一种可能引起秋季强降水灾害天气的机制。当极地平流层空气侵入到中纬度地区对流层，高层引起大位势涡度距平，触发低层的气旋性涡度。Ko认为中尺度对流复合体形成的触发机制是Changma锋上对流层顶折叠中大气斜压的增强。Lee等人也解释了非台风或Changma锋引起的强降水的发展机制，发现韩国东部岭东区的强降水是由表面气旋性涡度的增强引起的，与对流层顶折叠期间稳定干平流层大气对气旋性涡度的侵入紧密相关。强降水另一种可能的发展机制是低空急流的存在，因为含有大量水汽的空气位于大气边界层内。强降水会在有低空急流输送水汽的区域加强。梅雨期间强降水的统计研究，表明强降水的频率正比于低空急流的速度。此外，最近的一项研究表明在中东地区强降水与最大风速的位置、地面气旋、水汽通量散度和相当位温有关。因此，上层对流层顶折叠、地面气旋和低空急流的存在，可以作为韩国和亚洲其他国家恶劣天气的前兆。

在韩国的中尺度暴雨系统分类是基于对流系统的天气学分析。通常有四种类型：孤立的雷暴，对流带，飑线和云团。在分类过程中的主要标准是形状，大小，和中尺度暴雨系统的运动。这四种类型中的对流带通常是宽度2—20公里，长度100公里，他们的生命周期从约几十分钟到几个小时。Lee和Kim认为在四种中尺度暴雨系统中，对流带通常在最短时间内引起最强烈、最集中的局部降水量。Sun和Lee进行了在韩国的准静止锋对流带的数值研究，发现在北部中纬度气旋和南部西太平洋副高之间的辐合气流很重要。此外，强降水是由于对流不稳定环境引起的沿着对流带的几个长期降水单体引发的。尽管最近的研究，但对流带引起的暴雨仍然很难预报，是因为发展机制尚未被完全了解。

Bluestein和Jain基于11年的雷达反射率数据，确定了四种在美国俄克拉马荷周的剧烈中尺度对流线的发展：（1）折线（2）断线（3）断面积（4）嵌入式面。雨带可以有锋或者没有。对流线或对流带是一种重要的有组织的对流模式，在世界各地的许多地区都有发生，其中包括东亚。不像快速飑线，这些CBS一般停滞或准静止。当对流单体的组织方式是在给定的区域移动，方式被称为雷达“回波训练”并产生大量的本地雨量。Parker和Johnson确定了在美国中部平原的三种中尺度对流系统模式的主要的降水动力，分别称为：尾随状云，领先层状云、平行层状云降水。他们发现，嵌入式面中尺度对流系统通常比其他模式更缓慢地移动，可能会产生更多的极端降雨和山洪暴发。

东亚的各种中尺度对流系统的发展机制和特征仍旧在研究中。这是因为理论模型，观测和机制，是有限制且不完整的。在本文的研究中，我们通过对流层顶折叠和位势涡度来研究准静止锋上中尺度对流带在最初的对流及后续的发生发展机制。此外，准静止锋上中尺度对流带的动力学和热力学特征也将被研究和分析，用来解释对流嵌入式气流的天气学、热力学和动力学特征。

2.数据和分析方法

2.1选择个例和数据

本文个例的选取是基于上文提到的韩国气象局强降水标准。首尔气象站记录在2010年9月20日6时（UTC）单小时降水达71毫米，在2010年9月20日15时（UTC）至21日14时（UTC）的日总降水量为259.5毫米。（图1）这一数据打破了九月的单日最高降水量记录，也在1908年以来首尔气象站的记录中排名第二。这个个例符合所有引言中提到的韩国气象局强降水标准。

研究的数据有地面观测资料、雷达图像、卫星数据和图像、地面和高空天气图和探测资料。通过对CAPPI图上对流单体的形状、大小及移动的分析，对中尺度暴雨系统进行分类。通过MTSAT-2增强红外和水汽图像初始对流的位置、云高、云顶温度进行分析。本研究使用的资料来自中国青岛和韩国仁川。NECP的全球分析数据用来进一步理解和分析动力学和热力学特征。数据的空间分辨率在经度和纬度上都是1°，有21强制水平层，时间分辨率为6个小时。数据库是由七个变量组成：绝对涡度、位势高度、相对湿度、温度、水平风分量（U；V），和垂直风分量（omega;）。

2.2分析方法

2.2.1热力学和动力学分析

相当位温被用来确定潜在的、对流不稳定，稳定性指数，和锋面的位置。中尺度暴雨系统和其附近的不稳定度是由相当位温来分析的，由博尔顿的公式计算：

式中表示相当位温（单位：K），表示位温（单位：K），w表示混合比湿，表示抬升凝结温度。

对流系统的动力学特征，例如位势涡度、锋、相对涡度、散度，被用来检验中尺度暴雨系统的结构和发展。位势涡度因为在绝热无摩擦的条件下是守恒的，所以用来分析动态对流层顶。位势涡度的异常与大气扰动 相联系，在对流层上层假绝热条件下，这样的异常能迅速的产生平流。位势涡度表示了在对流层到平流层的过渡中，等熵面之间剧烈的梯度变化。1-3PVU处在过渡带。（位势涡度单位：）选择过渡区的表面位势涡度，用来定义动态对流层顶。在本研究中，Bithell等人提出的1PVU是指，在对流层中低层，平均位势涡度在0.3PVU-0.5PVU，所以任何大于标准的值在对流层中都是异常。位势涡度的计算公式如下：

（2）

式中PV表示位势涡度，g是重力加速度，f 是科里奥利因子，是垂直单位矢量，是位温，V是水平风矢量，p是大气压。

此外，辐散、相对涡度、垂直运动被用来识别中尺度对流暴雨系统的主导机制和确定对流的强度。正相对涡度的异常能够使得气压降低和辐合，来增强对流，导致灾害天气。

2.2.2等熵分析

等熵面在天气尺度上有重要的作用。即由于位温守恒，没有非绝热过程情况下，气块通过热力学作用到达等熵面。在等熵面上，强对流区的绝热流动向上倾斜并被限制，显示水平和垂直的三维流动的性质。此外，等熵面上的气块维持它的混合比或比湿度。由于这些特点，干线和湿舌代表的湿度，可以通过垂直于合成风的等湿线预报。

分别选择的等熵面依赖于一年的时间。本文研究的个例是九月下旬，根据Namias 和Stone定义下的低层等熵面小于300-305K。由于在此期间北太平洋副高、台风和热带低压的影响，本文选择310K的等熵面。

3结果

3.1地面观测数据分析

时间序列的降水率，温度，风速，和混合比如图1所示。矩形框区域表示在这五个气象变量中有显著变化的时间段。降水率在4时前小于5毫米每小时，但从4时开始迅速增加，在5时30分达到最大值75毫米每小时（图1A）。从5时到7时的总降水量为164毫米，达到当日降水的63%。这表明了降水在这段时间内十分集中。在图1A中的实线表示温度，表明在3时之前，温度稳定在21℃左右，由于风向从东北变为西南，迅速增温到25℃（图1b）。从4时起，温度下降到22℃左右并伴有强降水。如图1中所示，在观测期间，风速和风向有显著的变化。在3时前，风速小于2米每秒，而后增加且风向改变，达到9.8米每秒。混合比在2时40分前15，迅速增加到18.从4时起，混合比降低并稳定在16（图1c）。这表明在这期间，东北暖湿气流对中尺度暴雨系统的发展起到了显著作用。

图1 韩国首尔地区时间序列的（a)降水率（mm ）和温度(℃)，（b）风向(°)和风速（m ）， (c)混合比（）。时间分辨率是10分钟，从2010年9月20日0时至10时

3.2中尺度对流带的描述

3.2.1天气概况

地面和高空的天气图显示了锋面的气压分布、形成、移动和暴雨的天气条件（图2）。副热带高压的分布与韩国典型的夏季天气模式相似，即使天气图是典型的九月。大陆冷气团位于蒙古，亚热带暖湿气团位于韩国东南。准静止锋在9月21日0时横跨黄海形成，延伸至中国山东（图2a）。中心气压为990hPa的成熟气旋位于韩

图2 2010年9月21日0时至12时（UTC）的地面图（a，b）、850 hPa图（c，d）和200hPa图（e，f）。图中所代表的天气符号和等高线均为WMO标准

国东北方向的俄罗斯库页岛。这种气压的分布创造了风场的变形运动特性，往往对锋生起着重要的作用。锋面随时间逐渐向东南移动，中心低压值从1009hPa降低到1006hPa（图2b）。如果等温线的分布是以气流垂直于等温线附近地区的“鞍点”（925hPa图上槽脊的交点）形式，地面锋能够沿着低压槽形成（图3）。在这种情况

图3 2010年9月20日18时（a）和2010年9月21日0时（b）925hPa上膨胀轴和收缩轴的关系及等温线。粗虚线（L）和点圆线（H）箭头分别表示气旋和反气旋流线。小箭头代表风矢量（m ）。

下，有两个特征轴：在矩形双曲线中，膨胀轴使流线逐渐汇合，收缩轴使流线逐渐发散。如果膨胀轴与等温线之间的夹角小于45度，有利于锋生。在实际地面锋形成前6小时，9月21日18时的角度约为30°-35°，这是锋面形成的有利条件（图3a）。当角度变小时，温度梯度变大（图3b），准静止锋在朝鲜半岛中部形成（图2a和b）。在九月21日0时，低压中心位于大丘并向首尔和京畿道延伸。9月21日6时至12时，低压锋面缓慢向东南移动，9月21日12时后迅速移动（图2b）。最后在9月22日时离开朝鲜半岛。

同样，在850hPa上，韩国西北大陆冷气团和西南的暖区形成了一个膨胀区域，使经向温度梯度加强了3.6℃（图2c）。Bluestein认为地面锋靠近等温线密集区，位于密集区南2°-3°。在本次个例中，等温线密集区在北纬39°-41°，东经122°，准静止锋位于密集区南2°-3°（图2d）。该图还表明水汽是由超过10m 西南气流从黄海输送。在200hPa上，有位于朝鲜半岛的急流，中心轴超过63m 靠近黑龙江（图2e）。Uccellini和Kocin描述了横向垂直环流与两个不同的急流轴和槽的相互作用。他们发现，直接垂直环流位于高空急流上层辐合入口的暖区，间接环流位于下层辐散出口的冷区。虽然没有明确定义在9月21日12时，急流轴的的波峰和波谷，当中尺度对流带成熟和该区域的垂直环流增强时，对流带位于右入口（图2f）。进一步分析垂直截面的辐合辐散对中尺度暴雨系统发展的作用，在3.4节称述。

卫星mtsat-2的增强红外图像用于估计对流系统的大小，方向、运动速度和随时间的移动位置。图4给出了9月20日20时至21日20时的卫星图像。20日20时在山东的对流单体A向东移动（图4a）；20日22时，新的对流单体的B在A的东侧形成（图4b）；21日0时33分，A和B合并成C，位于朝鲜半岛附近的黄海（图4c）。对流单体C随着时间发展，在3时，新的对流单体D在黄海形成（图4d），然后d合并C，成为了对流单体E（图4e）。图4d中的云团C是一个锥形云，在中上层，随着风向逐渐变薄，。根据日本气象厅的气象卫星中心，锥形云形成的有利条件是在850hPa上，等效位温高于320K。这种类型的云在暖低压区形成，经常在夏季发生，会导致在狭窄区域的强降水。该地区的狭窄使降水量更大和集中。图4e中的云团E后部有雨带，这是已知的导致强降水的狭窄带。21日6时33分至7时，首尔的降水量最高纪录为71mm每小时。在此之后，典型对

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