青藏高原高空天氣系統(tǒng)與臺(tái)風(fēng)運(yùn)動(dòng)的關(guān)系

青藏高原高空天氣系統(tǒng)與臺(tái)風(fēng)運(yùn)動(dòng)的關(guān)系

青藏高壓對(duì)500hpa環(huán)流影響青藏高原東西約3000公里，大致相當(dāng)于總大氣波的振幅，南北約1000公里，相當(dāng)于總大氣波的振幅。高原的平均高度超過(guò)4000米，大約占河流高度的三分之一。高原在夏季是一個(gè)強(qiáng)大的光源，因此對(duì)東亞及其周邊地區(qū)的全球循環(huán)產(chǎn)生了重大影響。20世紀(jì)50年代以來(lái)，中國(guó)科學(xué)家主要從氣候?qū)W的角度考察和總結(jié)了高原動(dòng)力和熱量對(duì)氣候循環(huán)的影響。從氣候的平均條件來(lái)看，夏季高原高氣轉(zhuǎn)流的正打破路徑對(duì)應(yīng)于低正渦流的低地正漩渦流的圓形循環(huán)。然而，從氣候現(xiàn)象的角度來(lái)看，500高原夏季的天氣狀態(tài)主要是交替于槽壁的形式。宋正山（1984）使用高原調(diào)查的數(shù)據(jù)，分析了100ka高原和500ka高原的循環(huán)關(guān)系。因此，如果夏季為西藏地區(qū)（100kma高原上高原的高壓中心位于90e的以西），500kma高原上的西部高原（高壓循環(huán)，只有少數(shù)對(duì)應(yīng)的低值系統(tǒng)）。低值系統(tǒng)占多數(shù),而且100hPa青藏高壓強(qiáng)時(shí),500hPa環(huán)流也多為反氣旋流型,低值系統(tǒng)少.而高層青藏高壓較弱時(shí)低層低值流型增多.高原高空環(huán)流對(duì)下游環(huán)流有明顯影響,如西南低渦是高原特殊地形和有利環(huán)流共同作用的結(jié)果.青藏高原反氣旋的建立與印度季風(fēng)的暴發(fā)有明顯的關(guān)聯(lián),進(jìn)而還影響到ITCZ的雨帶以及印度和華南的降水.Chen&Luo(1995)和Orlanski&Sheldon(1995)等都用能量分析的方法,說(shuō)明上游能量的頻散是下游氣旋發(fā)展的主要原因.青藏高原通過(guò)對(duì)其下游的槽脊及副熱帶高壓的影響,可進(jìn)一步影響臺(tái)風(fēng)的運(yùn)動(dòng),造成臺(tái)風(fēng)路徑的差異,這是中緯度天氣系統(tǒng)對(duì)低緯環(huán)流強(qiáng)迫的一個(gè)表現(xiàn).本文通過(guò)分析高原環(huán)流變化對(duì)其下游環(huán)流的影響,來(lái)研究西北太平洋地區(qū)熱帶氣旋的運(yùn)動(dòng).在觀測(cè)事實(shí)的基礎(chǔ)上,用診斷分析的方法,研究高原高空環(huán)流對(duì)其下游西太平洋副熱帶環(huán)流改變,以及相應(yīng)西北太平洋西部熱帶氣旋運(yùn)動(dòng)的影響,提出了這種影響的機(jī)制,并給出了青藏高原高空流型與臺(tái)風(fēng)路徑的統(tǒng)計(jì)與分析結(jié)果,從位渦和能量的角度對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了動(dòng)力診斷分析.1對(duì)西太平洋副熱帶的影響利用1970～1995年7、8、9月的實(shí)況天氣圖,對(duì)有臺(tái)風(fēng)時(shí)的500hPa上青藏高原為槽或脊時(shí)的臺(tái)風(fēng)路徑進(jìn)行了統(tǒng)計(jì).轉(zhuǎn)向北上臺(tái)風(fēng)定義為125°E以西、20°N以北近海轉(zhuǎn)向和登陸轉(zhuǎn)向北上的臺(tái)風(fēng),西行臺(tái)風(fēng)包括125°E以西、20°N以北近海西行和登陸后西行的臺(tái)風(fēng).統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明:當(dāng)高原低層500hPa為高值系統(tǒng)時(shí),有利于西太平洋臺(tái)風(fēng)的轉(zhuǎn)向;高原低層500hPa為低值系統(tǒng)時(shí),有利于西太平洋臺(tái)風(fēng)的西行;青藏高原高空流型對(duì)西太平洋臺(tái)風(fēng)路徑的影響是間接地通過(guò)影響西太平洋副熱帶高壓及高原下游槽的引導(dǎo)氣流而作用于臺(tái)風(fēng)的.統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1.當(dāng)高原上500hPa是槽時(shí),槽體一般位于80°～105°E,此時(shí)副熱帶高壓西伸,脊點(diǎn)偏西,呈緯向型.在這樣的引導(dǎo)氣流下臺(tái)風(fēng)西行,而且一般在這種情況下,ITCZ通常也呈緯向帶狀,很少斷裂.這種天氣型占統(tǒng)計(jì)結(jié)果的83%,較典型的如8510臺(tái)風(fēng),從8月22日起高原上的槽建立并加強(qiáng),同時(shí)副熱帶高壓也西伸增強(qiáng),8510臺(tái)風(fēng)位于副熱帶高壓南側(cè)東風(fēng)引導(dǎo)中西行.8610臺(tái)風(fēng)也是這樣的典型個(gè)例.但也有少數(shù)臺(tái)風(fēng)不是這樣,當(dāng)高原上為弱槽控制,副熱帶高壓西脊點(diǎn)偏西,強(qiáng)度較弱時(shí),如果臺(tái)風(fēng)自身強(qiáng)度較強(qiáng)或太平洋副熱帶高壓南落,其共同影響會(huì)使臺(tái)風(fēng)沖破副熱帶高壓北上,這種形勢(shì)占統(tǒng)計(jì)結(jié)果的17%.當(dāng)伊朗、阿富汗500hPa的高壓向東伸展并移至高原,原高原500hPa上的槽移出高原,槽體一般位于100°～120°E,高原上為脊區(qū)控制,此時(shí)長(zhǎng)江中游至沿海一帶為槽區(qū),副熱帶高壓的西脊點(diǎn)偏東,呈經(jīng)向型.這時(shí)臺(tái)風(fēng)往往在沿海深槽前的環(huán)境引導(dǎo)氣流作用下轉(zhuǎn)向或北行.8211臺(tái)風(fēng)活動(dòng)時(shí),高原處于經(jīng)向度較大的高壓脊內(nèi),高原上有閉合的高壓中心,臺(tái)風(fēng)位于西風(fēng)槽前副熱帶高壓西側(cè)轉(zhuǎn)向北行.其他如8704,8209等臺(tái)風(fēng)都屬于這種形勢(shì),在統(tǒng)計(jì)結(jié)果中頻數(shù)占81%.另有較小概率(頻數(shù)為19%)的臺(tái)風(fēng)是高原上出現(xiàn)高壓脊時(shí)西移,這時(shí)往往副熱帶高壓(含青藏高壓和西太平洋高壓)很強(qiáng),而兩個(gè)高壓連接成帶狀,其間的長(zhǎng)波槽向北收縮,臺(tái)風(fēng)位于“高壓壩”的南側(cè),ITCZ連續(xù),臺(tái)風(fēng)西行.2診斷分析2.1等熵漩渦的診斷(1)旋轉(zhuǎn)流體絕對(duì)噪度的計(jì)算ΡV=ρ-1?ζa??3θ≈-g(?p?θ)-1(f+ζθ)(1)其中?ζa為旋轉(zhuǎn)流體絕對(duì)渦度矢量,ρ為氣體密度,θ為位溫,ζθ為等熵面上的相對(duì)渦度的垂直分量.(2)中緯度槽對(duì)副熱帶的影響圖1是高原低壓(8510臺(tái)風(fēng))355K等溫層(相當(dāng)于200hPa)位渦的時(shí)間演變圖,在初始時(shí)刻8月22日12∶00(UTC,下同),高原北部位于較平直的高位渦區(qū)內(nèi),110°～115°E為高緯垂下的較強(qiáng)的高位渦槽,隨著臺(tái)風(fēng)的臨近,到了23日12∶00,臺(tái)風(fēng)東側(cè)南風(fēng)對(duì)低緯低位渦的輸送使得此高位渦區(qū)減弱北縮.同時(shí)由于上游位渦的輸送,高原上高位渦區(qū)加深,槽開始加深.24日12∶00,115°E的高位渦已完全減弱,隨著位渦的向下游輸送,130°E以東的高位渦槽發(fā)展,臺(tái)風(fēng)位于高位渦區(qū)后的北風(fēng)氣流里,不利于其轉(zhuǎn)向.8月22～24日PV分布的變化清晰地反映了中緯度大氣上層Rossby波傳播的位相變化過(guò)程,其結(jié)果伴隨著槽脊的發(fā)展與消亡,這種變化對(duì)低緯地區(qū)熱帶氣旋的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生直接的影響,是中緯度系統(tǒng)影響低緯大氣的一個(gè)表現(xiàn).從高低空對(duì)比中可以看到(圖略),從高空到低空PV是個(gè)深厚的系統(tǒng),高層PV向下穿透,有利于高原下層低壓的形成與發(fā)展.隨著渦度通量從上游將PV向下游的輸送,高原上空經(jīng)歷了從一個(gè)較平直的西風(fēng)系統(tǒng)到深厚的槽建立起來(lái)的過(guò)程.隨著高原上槽的建立,槽前的南風(fēng)氣流在高原東部將低緯的低位渦向北輸送,這樣有利于副熱帶高壓的西伸發(fā)展,同時(shí),臺(tái)風(fēng)東側(cè)的南風(fēng)也輸送低緯的低位渦,加強(qiáng)副熱帶高壓.到了24日,強(qiáng)大的副熱帶高壓已建立起來(lái),臺(tái)風(fēng)位于從低層到高層深厚的東風(fēng)引導(dǎo)氣流中.在這個(gè)個(gè)例中,副熱帶高壓的發(fā)展是中緯度槽對(duì)低緯強(qiáng)迫,造成低緯低位渦向北輸送,反過(guò)來(lái)影響副熱帶地區(qū)的一個(gè)表現(xiàn),這個(gè)個(gè)例充分體現(xiàn)了中低緯相互作用對(duì)天氣系統(tǒng)變化的影響.(3)高緯高位錨輸送的影響8211臺(tái)風(fēng)期間,高原上的高壓已維持了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間,從8月6日～11日345K層(相當(dāng)于300hPa)上的位渦演變圖上(圖略),可以看到6日12∶00位渦通量不斷地將上游30°E左右的高位渦向高原下游槽內(nèi)輸送,此高位渦的輸送有利于高原下層低壓的形成與發(fā)展.同時(shí),高原低位渦的存在使得高位渦輸送的通道偏北.9日12∶00,上游30°E的高位渦中心已消失,到了11日高原上空低位渦區(qū)范圍增大,一直擴(kuò)展到較高緯度.高原高壓的發(fā)展進(jìn)一步加強(qiáng)了北風(fēng)氣流,高原高壓脊前北風(fēng)氣流對(duì)高緯高位渦的輸送,亦加強(qiáng)了其下游槽的發(fā)展.從8日12∶00和11日12∶00位渦對(duì)比中可以看到,在初始時(shí)刻高原下游從高層到低層位渦場(chǎng)較平直,11日12∶00高原下游深厚的高位渦區(qū)建立,從高層到低層臺(tái)風(fēng)都位于槽前的南風(fēng)氣流里,臺(tái)風(fēng)只有北行.2.2影響下游效應(yīng)的因素從位渦分析可以看出,高原下游槽脊或副熱帶高壓的變化與其上游系統(tǒng)的發(fā)展有密切的關(guān)系,即存在著明顯的上下游效應(yīng).在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi),兩個(gè)尺度相近的波不易同時(shí)發(fā)展,這與Rossby波能的輸送及波譜變換有關(guān).因此,上游系統(tǒng)的擾能制造及其對(duì)下游的輸送,對(duì)下游系統(tǒng)的發(fā)展維持有著重要作用.本節(jié)將用局地渦動(dòng)動(dòng)能收支的診斷來(lái)考察影響臺(tái)風(fēng)運(yùn)動(dòng)的槽脊系統(tǒng)的能量源和輸送過(guò)程以及高原天氣系統(tǒng)對(duì)此能量源和輸送通道有何影響.(1)種典型特征?ke?t=-(?υ??φ)-[??(?Vke)]-?(ωke)?p+Residue(2)其中ke=(1/2)|?V|2,渦旋動(dòng)能的收支被分為緯向平均部分和擾動(dòng)部分:?V=?Vm+?υ?Q=?Qm+?q(3)式(2)左端表示渦動(dòng)動(dòng)能的傾向,右端第一項(xiàng)為:-?υ??φ=-?(?υaoφ-ωα-?(ωφ)?p(4)?υaoφ=?υφ-?kf0×?φ22(5)其中-?υ??φ具有強(qiáng)烈的非對(duì)稱性,表現(xiàn)為渦動(dòng)動(dòng)能的局地生成項(xiàng),代表由非地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)引起的絕熱動(dòng)能制造,這種動(dòng)能來(lái)自于有效位能的儲(chǔ)藏和轉(zhuǎn)化,-?υ??φ＜0表示渦動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為有效位能,反之渦旋有效位能將轉(zhuǎn)化為渦旋動(dòng)能.-??(?Vke)為渦動(dòng)動(dòng)能的水平通量散度項(xiàng),表現(xiàn)為上游渦動(dòng)動(dòng)能的輻散和下游的渦動(dòng)動(dòng)能輻合,當(dāng)-??(?Vke)＞0為渦動(dòng)動(dòng)能聚積輻合,反之為渦動(dòng)動(dòng)能輻散(丁一匯,1989).Orlanski(1993)定義?υa??φ+?Vke為能量流,反映了系統(tǒng)之間渦動(dòng)動(dòng)能輸送的過(guò)程.Residue項(xiàng)包括了幾部分作用,其中有大氣內(nèi)部和地表的摩擦消耗和通過(guò)非線性相互作用,網(wǎng)格尺度(大尺度)與次網(wǎng)格尺度之間的動(dòng)能交換.在本研究中,由于分析尺度較大,該項(xiàng)量級(jí)較小,作用不大.一般來(lái)講,槽區(qū)經(jīng)向度較大,為擾動(dòng)動(dòng)能大值區(qū).上下游效應(yīng)就是上游槽區(qū)高擾能向下游槽的輸送過(guò)程,這種輸送的位相差別與能量通道的位置有關(guān).(2)高原下游槽—8211北行臺(tái)風(fēng)能量診斷8211臺(tái)風(fēng)北行期間,高原上一直維持著一個(gè)脊,為了詳細(xì)考察這個(gè)脊及高原下游槽維持的原因,繪制了顯示8211臺(tái)風(fēng)北行期間渦動(dòng)動(dòng)能演變圖(圖2).從8日12∶00的圖上可以清楚地看到(圖2a),中高緯渦動(dòng)動(dòng)能呈帶狀分布,高原上游有一強(qiáng)的渦動(dòng)動(dòng)能中心,能量流將高渦動(dòng)動(dòng)能向高原下游槽輸送,高原為脊區(qū)控制,表現(xiàn)為低渦動(dòng)動(dòng)能區(qū),高原下游有渦動(dòng)動(dòng)能輻合(圖2b),高渦動(dòng)動(dòng)能區(qū)開始加強(qiáng),即高原下游槽加深,10日12∶00(圖2c)高原西北部渦動(dòng)動(dòng)能達(dá)到最大值,其渦動(dòng)動(dòng)能一面向高緯輸送,一面向高原下游傳輸,高原下游高渦動(dòng)動(dòng)能中心建立,并開始向下游輸送渦動(dòng)動(dòng)能,高原下游槽發(fā)展到最強(qiáng),相應(yīng)地其下游副熱帶高壓東退,到了11日12∶00(圖2d),高原高壓增強(qiáng),高壓脊強(qiáng)大,切斷了渦動(dòng)動(dòng)能向下游傳輸?shù)耐ǖ?使得35°N左右的能量流將渦動(dòng)動(dòng)能向更高緯度輸送.高原下游的槽開始向下游頻散渦動(dòng)動(dòng)能,渦動(dòng)動(dòng)能中心開始減弱.從分析中可以看出,高壓脊的存在使得渦動(dòng)動(dòng)能傳輸通道偏北,隨著高壓脊的發(fā)展成熟,切斷了高原上游渦動(dòng)動(dòng)能向下游傳輸?shù)耐ǖ?從而使得高原下游槽趨于減弱.為了進(jìn)一步考察渦動(dòng)動(dòng)能中心加強(qiáng)的源和匯,以下將詳細(xì)考察式(2)中幾項(xiàng)的作用,感興趣的區(qū)域定在高原下游高能量區(qū).圖3a為8月9日12∶00渦動(dòng)動(dòng)能變化傾向,高原下游槽前為明顯正傾向,圖3b為平流通量散度-??(V?ke),高原上基本為能量通量輻合區(qū),能量通量的傳遞表現(xiàn)了上游渦動(dòng)動(dòng)能的損耗在下游的積累,高原下游西風(fēng)槽前110°E為渦動(dòng)動(dòng)能輻散區(qū),其下游為渦動(dòng)動(dòng)能輻合區(qū),矢量場(chǎng)keV?表示了渦動(dòng)動(dòng)能的傳播方向,可見在高能量區(qū)(長(zhǎng)黑虛線區(qū)內(nèi))的上游為渦動(dòng)動(dòng)能輻散下游為輻合,能量通量將輻散的渦動(dòng)動(dòng)能向能量輻合區(qū)內(nèi)輸送,-??(V?ke)體現(xiàn)了對(duì)能量的重新分配.而動(dòng)能制造項(xiàng)-υ???φ(圖3c),110°E高原下游槽前的正值區(qū)表示為有效位能向渦動(dòng)動(dòng)能的轉(zhuǎn)化,一方面,這項(xiàng)使局地?cái)_動(dòng)增加;另一方面也補(bǔ)償了局地渦動(dòng)動(dòng)能的輻散,矢量場(chǎng)υa0ue001φ為非地轉(zhuǎn)通量,其將感興趣的高能量區(qū)下游的渦動(dòng)動(dòng)能也向高能量區(qū)內(nèi)輸送,去掉地轉(zhuǎn)成分是為了單純考慮非地轉(zhuǎn)的作用,真正體現(xiàn)通量對(duì)能量的輸送.可見,在局地渦動(dòng)動(dòng)能收支中,通量散度項(xiàng)主要起著波能傳遞的作用,在波通量的作用下,將輻散的渦動(dòng)動(dòng)能向下游傳遞,使下游渦動(dòng)動(dòng)能增加.而動(dòng)能轉(zhuǎn)化項(xiàng)主要起著“源”的作用.以補(bǔ)充局地渦動(dòng)動(dòng)能的耗散,并使擾動(dòng)增強(qiáng),上游的輸送和局地渦動(dòng)動(dòng)能的制造共同作用使得高原下游槽發(fā)展,振幅增大,副熱帶高壓東退,有利于經(jīng)向型副熱帶高壓的形成,臺(tái)風(fēng)介于副熱帶高壓與西風(fēng)槽之間北行.(3)高原槽和臺(tái)風(fēng)的共同作用對(duì)8510臺(tái)風(fēng)8月23日00∶00和24日00∶00的渦動(dòng)動(dòng)能和能量流的考察(圖略)可見,高原上的槽在24h內(nèi)是發(fā)展的,渦動(dòng)動(dòng)能增大,高原上游不斷將高渦動(dòng)動(dòng)能向高原上傳遞,在能量的收支中,發(fā)現(xiàn)在渦動(dòng)動(dòng)能傾向上,23日00∶00,高原和下游渦動(dòng)動(dòng)能都是增加的,高原及渦動(dòng)動(dòng)能高值區(qū)內(nèi)都為能量正制造.這說(shuō)明整個(gè)高原上都是擾動(dòng)動(dòng)能制造區(qū),在槽發(fā)展過(guò)程中,上下游效應(yīng)和有效位能的轉(zhuǎn)化都起著非常重要的作用,到了24日00∶00,高原上的槽已發(fā)展成熟,能量場(chǎng)表現(xiàn)為高渦動(dòng)動(dòng)能中心,渦動(dòng)動(dòng)能傾向?yàn)檎?高原上傾向較小,在渦動(dòng)動(dòng)能散度場(chǎng)上,高原北部表現(xiàn)為強(qiáng)大的渦動(dòng)動(dòng)能輻散,并在其下游輻合,而渦動(dòng)動(dòng)能制造形勢(shì)顯示為強(qiáng)的正制造,并且在高緯有渦動(dòng)動(dòng)能向下游匯集,兩者的共同作用使局地渦動(dòng)動(dòng)能增加至最大.從以上兩個(gè)試驗(yàn)的分析看出,在高原槽的情況下,高原上表現(xiàn)為渦動(dòng)動(dòng)能的制造區(qū),渦動(dòng)動(dòng)能散度起著對(duì)能量重新分配的作用,將局地生成的渦動(dòng)動(dòng)能向下游輸送.因此,可以得出結(jié)論,上游效應(yīng)和有效位能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)化共同作用使得槽穩(wěn)定發(fā)展,從而也使其下游副熱帶高壓較好地西伸維持,臺(tái)風(fēng)在副熱帶高壓的南側(cè)西行.當(dāng)高原上為脊時(shí),促使渦動(dòng)動(dòng)能通道偏北,上游渦動(dòng)動(dòng)能的輸送和高原下游局地渦動(dòng)動(dòng)能的制造共同作用,使高原下游槽穩(wěn)定發(fā)展,與高原槽的個(gè)例相比,副熱帶高壓的西脊點(diǎn)偏東,近海臺(tái)風(fēng)介于副熱帶高壓和西風(fēng)槽之間北行.當(dāng)高原脊發(fā)展到一定程度,就切斷了上游渦動(dòng)動(dòng)能對(duì)下游槽發(fā)展的支持,其下游的槽到達(dá)成熟階段,同時(shí)槽前渦動(dòng)動(dòng)能向其下游的頻散,也使槽趨于減弱.這與觀測(cè)和模擬的結(jié)果是一致的.3過(guò)影響副熱帶高壓的主要因素(1)觀測(cè)事實(shí)和統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,當(dāng)高原500hPa上為高壓時(shí),位于東亞上空,介于高原高壓和副熱帶高壓