蒙古氣旋快速發(fā)展過程中溫度平流作用與斜壓作用的關(guān)系

蒙古氣旋快速發(fā)展過程中溫度平流作用與斜壓作用的關(guān)系

1爆發(fā)性氣旋質(zhì)量指標(biāo)發(fā)展特征為第一、確定機(jī)制中國位于東亞地區(qū)，是世界上影響最大的沙區(qū)之一。近年來,我國北方沙塵暴天氣又趨活躍。沙塵暴的研究和預(yù)報涉及到一系列的多學(xué)科的重大問題,包括沙源分布、沙塵暴形成機(jī)理、沙塵的輸送與沉降、化學(xué)及輻射過程、沙塵暴的警報與預(yù)報以及沙塵暴對氣候、海洋、生物及人類生活的影響等。為了弄清沙塵暴的形成機(jī)理,趙琳娜等已對2000年4月一次沙塵暴天氣的起沙機(jī)制進(jìn)行了研究,但對于其相關(guān)的有利的氣象環(huán)境場未做更深入的討論,因而這是不夠的。已經(jīng)知道沙塵暴天氣的起因一是與地表的特征有關(guān),另一是與冷空氣的活動及其引起的大風(fēng)過程相聯(lián)系,而大風(fēng)又常常和鋒生過程及氣旋的發(fā)生發(fā)展過程密切關(guān)聯(lián),有時甚至和某些強(qiáng)烈發(fā)展的中尺度系統(tǒng),諸如颮線及MCS有關(guān)。對于夏半年引發(fā)降水的江淮氣旋、華北低渦、東北低渦和西南渦已有不少研究。相對而言,對于引發(fā)春季大風(fēng)的蒙古氣旋的研究尚不太多,而這類氣旋又多屬于快速發(fā)展之列。對其特性應(yīng)做深入的探討。為此,本文著重討論了2000年4月的一次引發(fā)嚴(yán)重沙塵暴天氣的蒙古氣旋發(fā)生發(fā)展的過程。這次蒙古氣旋是一個春季快速發(fā)展的陸地氣旋。根據(jù)Sanders和Gyakum的定義,24小時內(nèi)氣旋中心海平面氣壓平均每小時下降1×(sinφ/sin60°)hPa為爆發(fā)性氣旋,其中sinφ/sin60°為緯度協(xié)調(diào)因子,φ為氣旋加深最強(qiáng)時中心所在的緯度值。當(dāng)氣旋中心24小時氣壓下降未達(dá)到,但卻相當(dāng)接近上述標(biāo)準(zhǔn)時,稱為快速發(fā)展氣旋。近年來,對于爆發(fā)性氣旋的發(fā)展問題有不少研究,尤其是對于海洋爆發(fā)性氣旋發(fā)生發(fā)展的物理原因和機(jī)制的研究,中外學(xué)者做了大量工作。對于海洋上的溫帶爆發(fā)性氣旋,現(xiàn)在認(rèn)為重要的影響因子有多種,諸如渦度平流、溫度平流、凝結(jié)潛熱釋放、摩擦作用及斜壓不穩(wěn)定等等。經(jīng)典的挪威學(xué)派強(qiáng)調(diào)低層的斜壓擾動。Petterssen總結(jié)的A類氣旋發(fā)展斜壓不穩(wěn)定引起擾動增幅并從低層開始,具有明顯的鋒區(qū)和斜壓性。溫度平流在此類氣旋發(fā)展中起著主要作用,其B類氣旋發(fā)生發(fā)展的啟動機(jī)制在高空,與A類氣旋不同,B類氣旋在發(fā)展時低層不一定有鋒面存在,高空溫度平流是氣旋發(fā)展的主要因子,氣旋發(fā)生在高空槽前正渦度平流趕上并疊加在地面冷鋒上方的時候。Uccellini等發(fā)現(xiàn),在氣旋爆發(fā)過程中常伴有很強(qiáng)的副熱帶西風(fēng)急流。呂筱英等指出高空的強(qiáng)迫作用很重要,在爆發(fā)前12小時高層輻散風(fēng)能量明顯增大。Gyakum通過對QEII風(fēng)暴天氣過程的診斷發(fā)現(xiàn),積云對流在爆發(fā)性氣旋發(fā)展階段一直起著很重要的作用,Bosart對總統(tǒng)日暴雪的研究中強(qiáng)調(diào)了斜壓不穩(wěn)定機(jī)制在氣旋爆發(fā)性發(fā)展中有重要貢獻(xiàn),賈逸勤等提出在氣旋快速發(fā)展過程中斜壓區(qū)的影響不可忽視。然而,對春季陸地氣旋的爆發(fā)性(或快速)發(fā)生發(fā)展的物理機(jī)制研究相對較少。一般來說,陸地氣旋很難達(dá)到上述海洋爆發(fā)性氣旋發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)。但它們作為快速發(fā)展氣旋對春季大風(fēng)的產(chǎn)生,尤其是在前期降水較少、土壤濕度較低的情況下,很容易引發(fā)北方地區(qū)沙塵暴的發(fā)生,因而它是一類非常值得關(guān)注的系統(tǒng)。田生春等對1983年4月25～26日一次快速發(fā)展氣旋暴風(fēng)雨的診斷分析表明:氣旋爆發(fā)前副熱帶急流異常強(qiáng)勁,經(jīng)向度明顯加大,且有高低空強(qiáng)風(fēng)區(qū)的耦合出現(xiàn)。李振軍等對與上述陸地氣旋有關(guān)的春季強(qiáng)冷鋒進(jìn)行了詳細(xì)診斷。Ogura和Juang曾對北美大陸上的爆發(fā)性氣旋進(jìn)行過診斷分析和數(shù)值模擬。他們的研究認(rèn)為,這次氣旋快速發(fā)展的過程中,斜壓不穩(wěn)定機(jī)制是第一重要的,而潛熱釋放相對重要性是第二位的。就本文所討論的蒙古氣旋而言,幾乎沒有降水,難以完全歸為此種類型。2000年4月5～7日一次蒙古氣旋的快速發(fā)展引發(fā)地面大風(fēng),造成華北和北京嚴(yán)重的沙塵天氣(圖1),東北、江淮、江南地區(qū)以及朝鮮半島和日本均受到浮塵影響。以北京市而言,4月6日01時(世界時,下同),風(fēng)速突然由1～2級增至6～7級,最大瞬時風(fēng)力達(dá)8級,能見度也由6km多降到2km左右,小于1km(沙塵暴)時段達(dá)2個小時以上,局地(南苑機(jī)場)達(dá)6小時以上,能見度最低時只有500～600m。給交通、運輸、飛行、高空作業(yè)造成嚴(yán)重的影響。同時,沙塵暴天氣也造成北京地區(qū)空氣質(zhì)量嚴(yán)重污染。據(jù)在北京中國科學(xué)院大氣物理研究所325m氣象觀測塔區(qū)域距地8m處的采樣分析,20種元素總質(zhì)量濃度高達(dá)1536μgm-3,是1999年同期的31.4倍。因此,有必要對這次沙塵天氣做進(jìn)一步的分析研究,為今后沙塵天氣的預(yù)報、警報提供參考和科學(xué)依據(jù)。對于這次影響華北和北京的沙塵暴過程的起沙過程,已由沙塵暴數(shù)值模式作了成功的模擬研究,但仍有一些問題需要解答,例如沙塵暴的中尺度環(huán)境場是如何演變的?蒙古氣旋為何快速發(fā)展引發(fā)大風(fēng)?蒙古氣旋的動力和熱力結(jié)構(gòu)和演變過程特征如何?為此,本文作了一系列的研究:為討論氣旋發(fā)生發(fā)展與斜壓性的關(guān)系,我們計算了二維準(zhǔn)地轉(zhuǎn)鋒生函數(shù),為討論溫度場和流場配置與非地轉(zhuǎn)風(fēng)的關(guān)系,又對Q向量進(jìn)行了計算。另外,為討論高低空系統(tǒng)的相互作用及氣旋結(jié)構(gòu)的演變過程,還做了等熵分析。為討論水汽的作用,又計算了水汽通量輻合的分布等。限于篇幅,關(guān)于該蒙古氣旋發(fā)生發(fā)展的中尺度數(shù)值模擬研究,將另文發(fā)表。2hpa、大風(fēng)診斷分析中所用資料為1°×1°NCEP分析資料,該資料每6小時一次;常規(guī)氣象觀測資料中,地面資料為3小時一次;高空資料為12小時一次。為了更好地確定氣旋的位置和移動,我們分析了海平面氣壓場。圖2為2000年4月5日09時～6日00時海平面氣壓的地面觀測值分布圖,由圖可以看到氣旋移動、演變和發(fā)展的全過程。5日09時(圖2a),有一地面低壓槽從蒙古國東南部伸向我國內(nèi)蒙古西北部地區(qū)。在此倒槽內(nèi),(46°N,110°E)處有一弱的低壓存在,中心氣壓約為1000.0hPa。而我國內(nèi)蒙古東部和東北地區(qū)則被一個高壓脊控制。到了5日12時(圖2b)1002.5hPa等壓線出現(xiàn)閉合,此后該氣旋穩(wěn)定少動。15時氣旋進(jìn)一步加深(1002.5hPa的等壓線范圍擴(kuò)大),5日18時,1000.0hPa的閉合等壓線形成(圖2c),5日21時,997.5hPa的閉合等壓線形成(圖略),僅僅12小時氣旋就從發(fā)生到發(fā)展,達(dá)到最強(qiáng),氣旋后部出現(xiàn)地面大風(fēng),大風(fēng)中心達(dá)14ms-1,中心氣壓的數(shù)值雖然不算非常低,但是引起的風(fēng)力較強(qiáng),這是春季氣旋的一大特點。6日00時氣旋開始向東偏南方向移動(圖2d),強(qiáng)度保持不變至6日09時。從位于氣旋中心附近的阿爾山站[(47.17°N,119.95°E)]每3小時間隔的海平面氣壓演變圖,可以得知該氣旋演變的特征(圖略):5日06時到6日06時,24小時內(nèi)該站海平面氣壓下降了15hPa,而如果只看5日12時至6日00時這一段時間,則下降幅度更大,為12hPa(相當(dāng)于1hPa/1h),表明該氣旋發(fā)展速度的確很快。3基于氣體的一般物理場的特性為了弄清該氣旋發(fā)生發(fā)展的原因,我們對一些主要的物理量進(jìn)行了計算分析。包括垂直速度、散度、渦度場及層結(jié)分布。3.1暴雨天氣的垂直運動5日18時沿氣旋中心位置116°E的垂直剖面圖上,44～55°N范圍內(nèi)從地面到高空300hPa為一寬廣的上升運動區(qū)。就垂直分布而言,對流層低層的垂直運動比李振軍等的春季陸地氣旋個例要強(qiáng),上升運動最大值見于700hPa。垂直速度比-9×10-3hPas-1要強(qiáng)(圖略)。6日00時,低渦位于118°E,上升運動區(qū)向南移動(圖3),上升運動伸展到250hPa,最大值在750hPa,中心為-9×10-3hPas-1,6日12時此上升區(qū)分裂為兩個中心。與“98·7”暴雨期間的垂直運動相比,此次沙塵天氣的垂直運動范圍比暴雨天氣的寬廣,但最大上升區(qū)所在高度比暴雨天氣的低;垂直運動層的厚度也比暴雨過程要低。3.2正潮度區(qū)范圍5日18時低渦中心位于(47°N,116°E),從過116°E的垂直剖面圖上,38～55°N范圍內(nèi),對流層低層均為正渦度,最大中心在850hPa,其值大于10×10-5s-1,600hPa以上正渦度區(qū)變窄在44～49°N之間,高度到達(dá)200hPa。正渦度區(qū)的南北兩側(cè)為負(fù)渦度區(qū)。6日00時(圖4)低渦位于118°E,過低渦中心的渦度徑向剖面圖上,正渦度區(qū)范圍增大并向上擴(kuò)展成為一個深厚的渦旋系統(tǒng),在此系統(tǒng)內(nèi)有兩個大值中心:一個位于45°N,在高空的400hPa。中心強(qiáng)度大于14×10-5s-1,另一個位于47°N,在低空820hPa附近,中心強(qiáng)度大于16×10-5s-1,正渦度區(qū)與氣旋區(qū)域相對應(yīng),且強(qiáng)度變化一致,而輻散區(qū)與負(fù)渦度區(qū)有很明顯的對應(yīng)關(guān)系。氣旋附近的正渦度區(qū)比李振軍等的春季陸地氣旋個例要強(qiáng)。3.3環(huán)流形勢和層結(jié)穩(wěn)定區(qū)一些研究指出,沙塵暴發(fā)生時,大氣層結(jié)有表現(xiàn)為不穩(wěn)定狀態(tài)。這在某些環(huán)境中是可能存在的,是否一定都屬于這種情況?我們作了分析,因為無水汽,-?θse/?P可能相當(dāng)于-?θ/?P。分別沿118°E、120°E和47°N對θse做了徑向和緯向剖面圖(圖略),發(fā)現(xiàn)從氣旋初生期到爆發(fā),與氣旋相對應(yīng)的大部分區(qū)域為層結(jié)穩(wěn)定區(qū)。在6日06時的120°E剖面上,氣旋南側(cè)對流層中下層為中性層結(jié)。選擇低壓生成時刻,位于低壓附近的索倫(46.61°N,121.23°E)探空站,從該站層結(jié)曲線上可發(fā)現(xiàn)該站整層為穩(wěn)定層結(jié)(見圖5),這與暴雨個例是不大相同的。其對流活動不是很明顯,系統(tǒng)性的較大范圍動力強(qiáng)迫上升運動的貢獻(xiàn)可能是主要的。4對噴射發(fā)展的動力和動力作用的分析4.1高空溫度平流圖5日12時氣旋初生期,沿47°N的溫度平流剖面圖上,從地面到對流層中層均為冷平流控制;400hPa以上為暖平流,冷中心分別位于800hPa和300hPa,且冷平流勢力較強(qiáng)。冷平流中心值為40Kd-1。這股冷平流也隨氣旋緩慢東移,到18時(圖6)氣旋爆發(fā)時冷平流達(dá)最強(qiáng),中心值達(dá)64Kd-1,很明顯高空為暖平流,低層是冷平流,溫度平流隨高度是減弱的。由地面氣壓的發(fā)展方程得知,地面到無輻散層的平均暖平流有利于地面氣旋的發(fā)展。此后,該冷平流始終與氣旋相伴。相應(yīng)的徑向剖面圖上及850hPa溫度平流圖上也可以得到類似的結(jié)果。很明顯,高空溫度平流在該氣旋的發(fā)生和發(fā)展中起了主要作用。這一點似乎與Petterssen等總結(jié)的A類氣旋有相似之處。在氣旋發(fā)展前期5日12時500hPa高度場上(圖略),貝加爾湖附近(110°E)有一淺槽,槽的南部伸至45°N,槽上與槽前略有疏散,說明槽前有正的渦度平流。該高度槽后有一溫度槽相配合,溫度槽明顯落后于高度槽,槽前北行的暖平流和槽后南下的冷平流十分有利于高層擾動的維持和加強(qiáng)。同時,槽軸和脊軸均向西傾斜,這表明水平溫度平流使擾動的有效位能增加,垂直環(huán)流又使有效位能轉(zhuǎn)換為擾動位能。槽前我國東北地區(qū)為暖脊控制,暖平流較強(qiáng),相應(yīng)850hPa高度場該地區(qū)的暖平流較500hPa上的強(qiáng),高空槽前南端地面上有一個氣旋波動。6日00時,低槽加深并向原先槽前暖平流的區(qū)域移動,且離地面氣旋的距離越來越近。溫度場也有所變化,原先槽后-30℃的冷舌也伸向地面冷鋒的位置。此時,氣旋發(fā)展加深為995.0hPa(圖2d),地面氣旋后部的氣壓梯度增大,強(qiáng)風(fēng)區(qū)增強(qiáng),大風(fēng)中心達(dá)16ms-1,我國內(nèi)蒙古中部開始出現(xiàn)沙塵暴天氣(圖1)。12時500hPa低槽發(fā)展加深為低渦,出現(xiàn)閉合等高線為5280位勢米,此時地面氣旋開始填塞,氣旋停止發(fā)展。從以上分析得知,在氣旋發(fā)展中,溫度平流起了主要作用,但高空槽前的渦度平流在氣旋發(fā)展初期作用也很明顯,因此,根據(jù)高空500hPa的溫度平流和渦度平流演變與地面氣旋發(fā)展的關(guān)系,既不完全符合Petterssen等所歸納的A類氣旋發(fā)展標(biāo)準(zhǔn),也不象其B類氣旋的發(fā)展特征,那么斜壓性對氣旋的發(fā)展作用又是怎樣的呢?4.2蒙古氣旋概況本次過程只有個別測站有微量降水,基本屬于干過程。分析4月5日18時整層的水汽通量散度得知氣旋附近最大水汽輻合中心為-1×10-7kgm-2d-1,表明在氣旋發(fā)生初期對流層低層水汽的作用很小,而且隨著高度的增加水汽為輻散(圖略)。由于位溫在干過程中具有保守性。因此我們用位溫計算了鋒生函數(shù),以考察大氣斜壓性對氣旋發(fā)生發(fā)展的貢獻(xiàn)?？紤]到非絕熱項計算的精確度問題,本文只計算了水平輻散、形變項以及與垂直速度有關(guān)的傾斜項三項。850hPa的鋒生函數(shù)顯示,從5日12時開始,蒙古國以及我國內(nèi)蒙古中東部區(qū)域存在一個鋒生區(qū)。該鋒生區(qū)有兩個中心:一個在蒙古國烏蘭巴托東面;另一個在我國內(nèi)蒙古錫林郭勒盟,后者的中心強(qiáng)度為8×10-10Ks-1m-1,大于前者,表明該區(qū)域有較強(qiáng)的斜壓性。此后,該鋒生區(qū)分成兩部分:一小部分仍在蒙古國東部,其他大部分東南移至我國內(nèi)蒙古地區(qū),且強(qiáng)度加強(qiáng)。到6日06時(圖7),也就是氣旋發(fā)展較強(qiáng)時,在內(nèi)蒙古東部和黑龍江、吉林西部仍有鋒生,其最大值為7×10-10Ks-1m-1,鋒生中心在氣旋中心略偏西位置,表明冷鋒上的斜壓性仍在起作用,對于向動能的轉(zhuǎn)換仍有幫助。為了了解鋒生過程在三維空間的分布,分析氣旋發(fā)展各個階段上該氣旋中心位置附近的鋒生函數(shù)的垂直剖面圖(圖略)可發(fā)現(xiàn):5日12時、18時氣旋的后部為鋒生函數(shù)較強(qiáng)區(qū)域且集中在400hPa以下;6日00時鋒生函數(shù)厚度增強(qiáng)至200hPa,最大鋒生中心出現(xiàn)在250hPa,中心大于7×10-10Ks-1m-1。到6日06時,氣旋前部120°E附近700hPa以下出現(xiàn)鋒生區(qū),原先位于氣旋后部的鋒生區(qū)留在110°E,最大鋒生中心下降至400hPa,強(qiáng)度為13×10-10Ks-1m-1。6日12時高空鋒生區(qū)東移疊加在低層鋒生區(qū)上。此后,鋒生區(qū)始終與氣旋相對應(yīng);直到氣旋錮囚。綜上所述,可以認(rèn)為斜壓性與氣旋的發(fā)生發(fā)展有很密切的關(guān)系,大氣的斜壓性對于有效位能的釋放、動能的制造及氣旋的加深無疑是有幫助的。斜壓強(qiáng)迫可能是該氣旋發(fā)生發(fā)展的重要原因之一,但就斜壓作用的特征來講,一開始低層有斜壓作用,但位于氣旋的后部,氣旋發(fā)展時,氣旋區(qū)高低空并沒有很強(qiáng)的鋒生作用,但到氣旋發(fā)生的后期,高低空的鋒生區(qū)發(fā)生作用,強(qiáng)度隨氣旋的發(fā)展而加強(qiáng)。因此,從斜壓作用的角度來說,該蒙古氣旋既難于歸為文獻(xiàn)中的A類氣旋,也不屬于其B類氣旋。綜合溫度平流、渦度平流及斜壓性在氣旋發(fā)展中的作用分析,該氣旋的發(fā)展還不完全同于前人的研究,是否是與東亞的大地形,或者其他的因素有關(guān),需進(jìn)一步探討。4.3不穩(wěn)定區(qū)域q矢量和溫度分布1978年,Hoskins等提出了準(zhǔn)地轉(zhuǎn)Q矢量的概念,并推導(dǎo)出以準(zhǔn)地轉(zhuǎn)Q矢量散度作為強(qiáng)迫項的準(zhǔn)地轉(zhuǎn)ω方程,它克服了傳統(tǒng)形式ω方程右邊兩項互相抵消的問題,且有物理意義清楚、計算簡單的特點,可適用于整個對流層。采用Q矢量帶來了某些方便。我們注意到Q矢量與非地轉(zhuǎn)風(fēng)存在一定的關(guān)系,Hoskins等指出,為了維持大氣中的地轉(zhuǎn)平衡和靜力平衡,這個Q矢量必定沿著低層非地轉(zhuǎn)風(fēng)的方向,同時指向上升區(qū),反之,為下沉運動。因而,低層Q矢量近似與非地轉(zhuǎn)風(fēng)呈比例,由此可以通過考察Q矢量來估計非地轉(zhuǎn)風(fēng)的分布。圖8a給出了6日00時Q矢量和溫度的分布,可以看到在氣旋中心有非地轉(zhuǎn)氣流。另外,在我國東北南部也有很強(qiáng)的非地轉(zhuǎn)氣流,且這些氣流是輻合的。在我國內(nèi)蒙古、吉林和遼寧交界處,Q矢量穿越等溫線從冷空氣一側(cè)進(jìn)入暖空氣一側(cè),它們相當(dāng)于鋒區(qū)側(cè)向非地轉(zhuǎn)環(huán)流圈中低層的一支,且十分明顯,輻合也非常強(qiáng)烈,而這第二個Q矢量輻合區(qū)恰恰是氣旋在6日06時的位置。6日06時,上述兩個Q矢量輻合區(qū)連結(jié)起來,形成一條Q矢量輻合帶(圖8b),這個輻合帶呈“人”字形,強(qiáng)度較前一時刻大,左邊的一支從內(nèi)蒙古經(jīng)東北伸向山東半島;右邊的一支從東北伸向日本海。兩支輻合帶上一邊有強(qiáng)烈的Q矢量穿越等溫線從冷空氣一側(cè)進(jìn)入暖空氣一側(cè);而另一邊則有Q矢量穿越等溫線從暖空氣一側(cè)進(jìn)入冷空氣一側(cè),這說明低層鋒區(qū)側(cè)向非地轉(zhuǎn)環(huán)流十分明顯;輻合非常強(qiáng)烈。這與6日06時的850hPa鋒生函數(shù)(圖7)分析結(jié)果一致。將上述兩個時刻的Q矢量圖與同時刻的地面天氣圖(圖略)對比發(fā)現(xiàn):Q矢量輻合區(qū)與地面氣旋鋒區(qū)的走向非常接近。5位噪在等壓面上的線性擬合近幾年,位渦理論在天氣動力學(xué)研究中,尤其是爆發(fā)性(或快速發(fā)展)氣旋和鋒面研究中得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。位渦在等熵面上和等壓面上的表達(dá)式分別為P=?g(ζθ+f)?θ?pΡ=-g(ζθ+f)?θ?p和P=?g(ζp+f)?θ?pΡ=-g(ζp+f)?θ?p其中,ζθ是等熵面上的相對渦度,ζp是等壓面上的相對渦度,θ是位溫,f為地轉(zhuǎn)參數(shù),g為重力加速度,p為氣壓。位渦的單位為10-6m2s-1Kkg-1。5.1等熵表面的位勢和風(fēng)場分布在某種意義上,等熵面不同于等高面或等壓面,在絕熱情況下,它有可能更好地反映氣流的三維運動特征。我們分析了等熵面上的位勢高度場和風(fēng)場。取290K的等位溫面來代表低層的情況。圖9給出的是6日00時290K等熵面上的位勢高度和風(fēng)場分布?？梢钥吹?5日18時貝加爾湖以西是一個高壓脊,冷空氣沿高壓脊下沉;另一方面,暖空氣沿脊前偏南氣流由低空向北方輸送,這種分布與氣旋發(fā)展是一致的。至6日00時,這一波動有了強(qiáng)烈的增幅,氣旋后部的地面大風(fēng)強(qiáng)度加強(qiáng)。整個氣旋系統(tǒng)向東南移動,冷空氣沿高壓脊從高空7000m(約400hPa)向東南方向下沉至低層1640m(約850hPa),另一方面暖空氣沿脊前偏南氣流由低空1000m(約900hPa)向北爬升至4200m以上。上升氣流與下沉氣流并不完全在一個面上,而是呈螺旋式旋轉(zhuǎn)上升和下降。5.2日18時環(huán)流形勢與氣動力學(xué)特性與Hoskins等的取法類似,本文亦定義位渦為2×10-6m2s-1Kkg-1的面相當(dāng)于中緯度對流層頂。圖10給出了氣旋發(fā)展時(6日00時)的對流層頂氣壓分布值。在此分布圖上等值線間隔為30hPa,氣壓高的地方等熵面的高度低;氣壓低的地方則相反,表明那里的等熵面高度高?？梢钥吹綄α鲗禹斞鼐曄虺霈F(xiàn)明顯的“斷裂”:在貝加爾湖及其南面、日本海對流層頂?shù)母叨容^低,都在450hPa以下,說明對流層頂高度下降明顯。圖10反映了對流層頂?shù)褥孛娓叨鹊钠鸱兓?。沿貝加爾湖南北一線,等熵面的高度非常低:200hPa正渦度中心對應(yīng)位置的對流層頂高度從5日12時的420hPa降低為5日18時的540hPa(圖略),等壓線密集的邊緣地帶說明等熵面的坡度很陡?？梢哉J(rèn)為,5日18時對流層頂高度的大幅度下降與氣旋的生成有很大關(guān)系。從5日18時的相對渦度(圖略)可以看出,該氣旋是一個發(fā)展較強(qiáng)的系統(tǒng)。5日18時200hPa貝加爾湖南面存在一正渦度中心,此時正好與地面閉合等壓線出現(xiàn)、氣旋形成強(qiáng)烈發(fā)展相對應(yīng)。為了討論氣旋發(fā)生發(fā)展階段三維的動力和熱力結(jié)構(gòu)。我們將位渦和位溫沿氣旋中心作了垂直剖面圖。從5日18時的經(jīng)向(117°E)和緯向(46°N)剖面圖(圖略)上可以看出:位溫較低值區(qū)可能與較干較冷的空氣相對應(yīng)。對流層低層位溫低值區(qū)位于氣旋的北部和西部。在對流層低層700hPa以下氣旋擾動區(qū)的空氣相對周圍較暖。與文獻(xiàn)的做法類似,以1.0×10-6m2s-1Kkg-1的等值線代表位渦相對大值區(qū),5日18時v分量及位渦沿46°N緯向(圖11)及經(jīng)向117°E剖面(圖略)上看到,在氣旋擾動區(qū),緯向和經(jīng)向剖面上低層均存在一個小的位渦正距平區(qū)。緯向剖面圖上107°E附近對流層高層大位渦區(qū)向東、向下傳。出現(xiàn)一個類似“漏斗狀”的結(jié)構(gòu)。5日12時下傳到500hPa(圖略),5日18時達(dá)750hPa,此時,對流層低層的位渦大值區(qū)也向西、向上伸展;但是高、低空位渦大值區(qū)尚未相互連接。而經(jīng)向剖面上,高層位渦大值區(qū)還未開始下傳。6日00時46°N緯向剖面圖上,對流頂上層位渦大值區(qū)向東向下伸到達(dá)800hPa,低層的位渦高值區(qū)從地面向西、向上伸至650hPa。在6日00時117°E位渦垂直剖面圖上,在氣旋生成位置的南側(cè),高層位渦大值區(qū)向南、向下伸展,高低空位渦大值區(qū)此時已非常接近。特別是對0.8×10-6m2s-1Kkg-1等值線而言,整個對流層中已連成一片,上下貫通成一個整體。合并后的位渦大值區(qū)在氣旋中心的東側(cè)。已經(jīng)注意到,對流層高層位渦大值區(qū)向下伸展的整個過程與氣旋加深相一致。位渦大值區(qū)下傳的路徑是由西北向氣旋中心靠近的,6日00時高層位渦下傳的速度最快。致使高層的位渦大值區(qū)移至低層的位渦大值區(qū)上,二者相互合并。合并后,氣旋發(fā)展加快。我們注意到,不僅低層暖平流,而且高層正的位渦平流,它們共同造成了氣旋強(qiáng)烈發(fā)展。這種現(xiàn)象與海洋以及溫帶氣旋的強(qiáng)烈發(fā)展有某些類似之處。由此進(jìn)一步確認(rèn),氣旋發(fā)展過程中的確存在著明顯的高低空系統(tǒng)的相互作用,高空位渦高值區(qū)下傳位于氣旋性環(huán)流區(qū)的東南部。6措施二:斜壓強(qiáng)迫是突出的作用本研究工作采用NCEP資料和常規(guī)氣象觀測資料,對2000年4月5～7日引發(fā)華北地區(qū)嚴(yán)重沙塵天氣的影響系統(tǒng)進(jìn)行了診斷研究,主要結(jié)果歸納如下:(1)2000年4月5～7日,有一次蒙古氣旋爆發(fā),并引發(fā)強(qiáng)烈的沙塵暴天氣。該氣旋是干冷結(jié)構(gòu),斜壓性較強(qiáng)。開始時只是在低層明顯,后擴(kuò)展至高層,以致從地面到400hPa都有閉合氣旋性環(huán)流存在,最后發(fā)展為一個深厚系統(tǒng)。氣旋發(fā)展初期和發(fā)展成熟期,溫度平流均為氣旋發(fā)展的主要因子,渦度平流在氣旋開始發(fā)展時有作用,但渦度平流較溫度平流弱。與溫度平流不同,渦度平流隨氣旋的發(fā)展而減弱。與文獻(xiàn)中B類氣旋的發(fā)展不同之處在于,本例氣旋的發(fā)展主要因子是高空溫度平流起主要作用,渦度平流也有作用。氣旋附近區(qū)域的平均渦度較大、垂直運動較強(qiáng),大氣層結(jié)較穩(wěn)定。(2)斜壓性與氣旋發(fā)展的作用分析表明:一開始低層有斜壓作用,但位于氣旋的后部。氣旋發(fā)展時,氣旋所在區(qū)域高低空并沒有很強(qiáng)的鋒生,但當(dāng)氣旋發(fā)展到最強(qiáng)時,對流層高空鋒生區(qū)疊加在低層鋒生區(qū)上,使氣旋周圍的斜壓作用更強(qiáng)。對流層低層到中層,從貝加爾湖東南到我國內(nèi)蒙古中部是鋒生函數(shù)的大值區(qū),氣旋在此時加強(qiáng)并隨