皖南山区一次暴雪过程地转适应锋生条件分析.pdf
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1、皖南山区一次暴雪过程地转适应锋生条件分析刘裕禄1,岳如画1,姚叶青2(1.安徽省黄山市气象台,黄山 245021;2.安徽省气象局公共气象服务中心,合肥 230031)摘要:地转适应是形成皖南山区地形静止锋且区别平衡锋的另一种锋生机制,而地形静止锋常造成皖南山区局地灾害性天气。因此,开展地转适应锋生条件分析研究对于认识山地地形如何造成灾害性天气有重要意义。以2022年2月22日地形静止锋导致皖南山区暴雪过程为例,利用地面气象观测资料、新一代多普勒天气雷达(CINRAD/SA)基数据资料及欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料,采用雷达三维风场反演技术,计算此次暴雪过程的锋生函数。结果表明:(1
2、)此次锋生过程,东北气流入流增强,流函数梯度增大,造成皖南山区背风坡山脚(30.531.0N)之间流体密度不连续,在其前沿狭窄区内出现地转适应锋生,随即出现了尺度小、呈纬向分布的局地暴雪天气;地转适应锋生和暴雪天气均发生在中低层为稳定大气层结的湿对称不稳定区内。(2)分析锋生函数及相关因子可见,垂直运动倾斜项对地面锋生贡献占主导作用,水平变形项和辐合项锋生贡献相对很小,说明此次地转适应锋生主要是地面上升运动位温垂直输送作用的结果,非风场形变引起。(3)雷达反演的中尺度风场可见,在风场非平衡状态向地转平衡状态调整的过程中,地形强迫下坡风抬升激发锋区上空1.53.0 km高度上的大气中低层出现很强
3、的次级环流,导致在地面冷区冷平流增强降温,地面暖区上空因暴雪降水凝结潜热释放的非绝热加热导致增温,使得锋区位温梯度增大,出现锋生现象。关键词:地转适应锋生;锋生函数;地形;次级环流中图法分类号:P441文献标志码:ADOI:10.12406/byzh.2023-092刘裕禄,岳如画,姚叶青.2024.皖南山区一次暴雪过程地转适应锋生条件分析J.暴雨灾害,43(1):23-31.LIU Yulu,YUE Ruhua,YAOYeqing.2024.Analysis of geostrophic adjustment to frontogenesis conditions during a heav
4、y snowstorm in the mountainous area of southernAnhui Province J.Torrential Rain and Disasters,43(1):23-31(in Chinese).doi:10.12406/byzh.2023-092Analysis of geostrophic adjustment to frontogenesis conditions during a heavysnowstorm in the mountainous area of southern Anhui ProvinceLIU Yulu1,YUE Ruhua
5、1,YAO Yeqing2(1.Huangshan City Observatory of Anhui Province,Huangshan 245021;2.Public Meteorological ServiceCenter of Anhui Provincial Meteorological Bureau,Hefei 230031)Abstract:Geostrophic adaptation is another frontogenesis mechanism that forms a stationary front,which differs from the balanced
6、front,butoften leads to local catastrophic weather in the mountainous area of southern Anhui.Conducting analysis and research on the frontogenesisconditions of geostrophic adaptation is of great significance for how mountainous terrain causes catastrophic weather.Taking the formation ofa stationary
7、front on 22 February 2022,which resulted in a local blizzard as an example,the quasi-geostrophic frontogenesis function of topographic frontogenesis is calculated and analyzed based on the following dataset,including the high-resolution hourly reanalysis data from theEuropean meteorological center E
8、RA and conventional data from ground stations,the new generation Doppler(CINRAD/SA)weather radardata,the 3-D wind field data obtained with a 3-D wind field inversion technique and the interpolation method with the accuracy of 0.020.02.The results are as follows.(1)During this frontogenesis process,t
9、he northeast wind flow on the ground intensified,and the gradient ofthe flow function increased,resulting in discontinuous fluid density at the foot of the leeward slope(30.531.0N),which leads to geostrophic adjustment to frontogenesis in a narrow area at its front.Thus,a local snowstorm with a smal
10、l scale and short duration occurred.Thegeostrophic adjustment to frontogenesis occurs in a stable atmospheric structure and an environment of wet symmetry instability.(2)By analyzing the four terms of the surface frontogenesis function and their related factors,it is shown that the contribution of v
11、ertical motion tilt term收稿日期:2023-05-06;定稿日期:2023-11-09资助项目:安徽省气象局创新发展专项(CXM202207);安徽省气象局复盘总结专项(KY202310)第一作者:刘裕禄,主要从事短时临近天气预报及其相关方法研究。E-mail:通信作者:岳如画,主要从事短时临近天气预报及其相关方法研究。E-mail:暴雨灾害TORRENTIAL RAIN AND DISASTERSVol.43 No.1Feb.2024第43卷 第1期2024年2月第43卷暴雨灾害引 言锋生机制存在平衡锋生和地转适应锋生两种理论。平衡锋生为变形场中的大尺度锋生,是初始处
12、于地转平衡状态的扰动在大尺度形势场或切变场强迫下,水平位温梯度不断增大,最后导致锋面不连续出现(杨雨轩等,2016;崔慧慧和苏爱芳,2018);尽管平衡锋生模式可以很好地反映许多实际锋生现象,但并不是所有的锋生过程均由大尺度强迫场所激发。在旋转的地球大气中,由于柯氏力的影响,风、气压、温度场一般总是呈现准地转平衡状态,如果大气受到扰动,地转平衡受到破坏,大气会通过重力惯性波将不平衡能量迅速地向四周频散而调整到准地转平衡,这种过程就是所谓的地转适应过程。一些学者(Ou,1984;Blumen,1995)将地转适应与大气和海洋锋生联系起来,提出了地转适应锋生机制,如对于海岸和阵风锋等一些锋生现象来
13、说,长时间的天气尺度的地转形变场并不存在,即不存在平衡锋生模式中所要求锋生激发机制。地转适应锋生与平衡锋生共同点均是地转适应的结果,不同点是平衡锋生为大尺度风场切变引起。地转适应锋生过程就是大气密度不连续,导致气压梯度力和地转偏向力不平衡锋生现象(伍荣生等,2004;陈筱秋和王咏青,2016)。对地转适应锋生理论应用,国内许多专家在地转适应锋生方面作了大量研究工作。伍荣生等(2001)指出,地转适应锋生理论适用于均匀位涡流(包括零位涡)中的锋生,地转适应的终态是否满足地转平衡关系取决于初始不平衡扰动的位涡分布。肖庆农和伍荣生(1995)研究指出,地形与地转锋生关系对于气流影响,即如果层结稳定度
14、大,尤其是低层层结稳定度较大时,就容易形成背风波谷和强下坡风,造成流体密度不均;地转适应与地形共同作用下,可形成地转适应地形静止锋。方娟等(2001)进一步以地转适应锋生理论为基础,研究了背风坡地转适应锋生过程,当初始热力扰动主要位于背风坡时地形是否有利于锋面不连续的形成取决于流体的层结情况,如果流体的基本层结很弱,地形促使锋面不连续的形成,有利于锋面不连续的形成,这时即使初始位温梯度的水平变化不是很大,也可能会形成锋面。地形背风坡静止锋的锋生过程不仅与大气层结相关,还与地形作用密切。肖庆农等(1997)对冷锋过山时的锋生锋消机制进行了数值研究,试验结果表明,过山顶后锋面强度变化不明显或者有微
15、弱锋生,到达背风坡山脚后开始强烈锋生。付炜等(2018)指出锋面过南岭山脉时背风坡常有锋生现象出现。刘裕禄等(2017)指出锋面过境黄山山脉时垂直扰动增强,背风坡处地面涡度、上升运动增强,水平位温梯度增大锋生。黄鹂(2012)指出背风坡锋生与地形背风坡涡旋形成相关,地形附近的等位温梯度受到地形的影响而有所变化,地形强迫出的背风坡涡旋,故气流过山后强度得以增强,随之出现锋生。段旭等(2019)利用锋生函数对2008年年初昆明准静止锋生消过程的诊断分析表明,在锋后东风西进过程中,背风坡地形高度下降导致的位温梯度随着背风坡地形高度下降导致位温梯度增大而锋生。以上观点解释了在稳定层结中可导致地转适应锋
16、生,地形背风坡垂直运动和水平运动增强引发位温梯度变化,可形成地形静止锋,结合两者说明了地形背风坡地转适应锋生形成静止锋的必要条件即是稳定的大气层结和位温梯度增大。2022年冬季皖南山区出现一次暴雪天气过程,此次过程为一次典型的地转适应锋生过程,具有中尺度天气现象剧烈等特征。为了进一步了解山区地形静止锋形成和地转适应锋生机制,以此过程为例,诊断分析了此次暴雪天气过程中出现的地转适应锋生的条件和皖南山区地形作用。1 资料与方法1.1 资料说明所用资料包括:(1)2022年2月2223日安徽省加密自动气象站每小时地面风速、风向、温度、相对湿度和气压共6个要素观测资料,用于地面实况分析及计算地面锋生函
17、数;(2)2022年2月22日安庆、铜陵、to frontogenesis is dominant,while the horizontal deformation and convergence have minor contributions.It indicates that the geostrophic adjustment to frontogenesis is mainly the result of the upward transportation of potential temperature,rather than the deformation of the wind
18、field.(3)By analyzing the four terms of the high-altitude frontogenesis function and the mesoscale wind field retrieved by radar,during theadjusting of the wind field from a non-equilibrium state to an equilibrium state,a strong secondary circulation appears in the middle and lower layers of the atm
19、osphere at an altitude of 1.5-3.0 km above the front zone,which leads to the cooling due to the rise of cold air over thecold zone.While above the warm zone,non-adiabatic heating released by snowfall condensation latent heat causes warming,resulting in anincrease in the temperature gradient at the f
20、ront zone and frontogenesis.Key Words:geostrophic adjustment frontogenesis;frontogenesis function;terrain;secondary circulation24第1期宣城多普勒雷达基数据,反演得出风场,便于分析中尺度风场、垂直速度。以上资料来源于国家气象信息中心全国综合气象信息共享平台“天擎”,并由该平台进行了质控;(3)2022年2月2223日欧洲中期天气预报中心ERA5再分析数据(时间分辨率1 h、空间分辨率0.250.25),用于计算高空锋生函数及大气稳定度的水平惯性不稳定条件、垂直对流不稳
21、定条件、对称不稳定条件湿位涡。1.2 研究方法分析锋区上空三维风场需高精度中尺度风场信息。首先,使用位于安庆、铜陵、宣城(图1)的三部多普勒天气雷达监测资料,采用动态地球坐标系的雷达三维风场反演技术,计算雷达径向速度,计算式(韩颂雨等,2017)见式(1)。34N333231302928114115116117118119120121122E图 1 安庆、铜陵、宣城多普勒雷达风场反演区域(斜线区,红色、蓝色、黑色圈及点依次代表安庆、铜陵、宣城雷达监测范围及对应雷达站)Fig.1 The area of the wind field retrieved from the doppler rada
22、rs inAnqing,Tongling,Xuancheng(hatched area,the red,blue,black circlesand dots in turn represent radar monitoring areas and corresponding radarstations in Anqing City,Tongling City and Xuancheng City)v(r)=-vx(r)coscos-vf(r)sin(1)式(1)中,为仰角,为方位角,r为粒子与雷达间距离。vx(r),vy(r)分别为多普勒径向速度水平分量在x轴和y轴的分量,vf(r)为雨滴末速
23、度与垂直速度的合成量,当应用到三部雷达时,可以得到以下三元一次方程组。v1=-vxcos1cos1-vysin1cos1+vfsin1(2)v2=-vxcos2cos2-vysin2cos2+vfsin2(3)v3=-vxcos3cos3-vysin3cos3+vfsin3(4)其中,v1,v2,v3分别为三部多普勒雷达观测的径向速度,求解上面方程组可得水平风场vx,vy。对 连续方程进行垂直积分即可得到垂直速度,由此即可反演出云内的三维风场。垂直速度计算公式如下W(h)=1(h)0h(vxx+vyy)dh(5)其次,利用ERA5 再分析资料,计算准地转锋生函数和标量锋生函数,分别研究地面锋生
24、出现过程和锋生主要因子。无论是平衡锋生还是地转适应锋生均是地转适应的结果,为了确认地面锋生区域,计算静力、绝热和无摩擦条件下,准地转锋生函数(汪潮等,2009)如下Fg=DgDt|h2=t+Vg|h2=2Qh(6)其中Q矢量计算式如下Q=FgDth(Q1Q2)=-VFgxhVFgyh(7)Q1、Q2分别为Q矢量在x和y方向的分量,Q矢量的含义为作用在水平温度梯度上的地转速度形变的常数倍。当Fg0时,锋生,相反Fg0时锋生,F0的锋生区域,18时山区背风坡出现锋生,20 时向北扩展,从图2d 可证实,锋生区域均与流函数密度梯度、风速、气温梯度、位温梯度大值区重合。另外,此次地转适应锋生还具有时间
25、短(1820 时)、尺度小(1个纬距,2 个径距)的中尺度特点,与平衡锋生具有明显区别。2.2 地面锋生主要因子为分析锋生函数F各分项锋生作用和变化关系,图3分别给出锋面位置(30.5N附近)锋生函数各项强度(填色区区域)及与之主要相关因子(等值线)。从图3a 中可知,水平变形项呈纬向分布,与锋区位置保持一致,强度最大值5.010-7k m-1 s-1位于(118E,30.5N)附近,对锋生作用的贡献最大值仅为14%。图3a 等值线为地面观测风场分解得出径向风,锋区内以南风v0为主,两个强中心重合,因实际观测1820时强风带自北向南扩展的,有(v/y)0分解为局地项/t、平流项V和垂直运动对流
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