青藏高原暖季对流的活动特征及东移影响下游降水的机理

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每年暖季,青藏高原上空对流活动频发,这些对流活动与青藏高原及其下游地区的灾害天气密切相关,值得深入研究。本文基于逐小时分辨率的静止卫星TBB资料,CFSR再分析资料,CMORPH降水资料,气象站点降水资料等多种数据,对2000-2016年(2005年除外)暖季(5-9月)青藏高原的对流活动开展了统计分类等研究,揭示了其一些新的统计特征。在此基础上,采用中尺度数值模式WRF开展了合成的半理想数值模拟及敏感性试验,并利用涡度收支、环流收支、分片位涡反演等多种动力诊断方法深入揭示了高原对流活动与高原涡、西南低涡及下游降水的关系及影响机理,得到了以下主要结论:
  2000-2016年(2005年除外),平均每年暖季约有610个MCS在高原上空生成,其中仅有约6.6%能东移出高原。相对于不能东移出高原的MCS(Non-eastward-moving/Dissipating Type,简称NDT),东移出高原的MCS(Eastward-moving Type,简称EMT)往往有更长的生命史和更强的强度。高原MCS活动存在明显的年、月、日变化。高原MCS生成数存在3-4年的周期,并呈逐年减少的趋势。七、八月高原MCS生成数多、强度强、生命史长,但移出较少;五月则呈现出相反的特征。高原MCS更容易在下午生成,EMT的峰值生成时刻比NDT早了约一个小时。NDT可在高原上任一点生成和活动,而EMT主要生成和活动在高原中东部地区,东移出高原后可往偏北、偏东、偏南方向移动,以偏东路径为主。相比于NDT,EMT发展更早,更快达到成熟。EMT在高原上的面积和强度往往大于移出高原后,且移出高原后多呈消散趋势,但生命史长的EMT移出高原后强度可能会继续维持,甚至再次发展。
  两类高原MCS的环流背景场有着显著差异。在对流层高层,NDT拥有更好的高空辐散条件;在对流层中层,EMT拥有更好的动力条件及更强的西风引导气流,但水汽条件略差于NDT;在对流层低层,EMT所对应四川盆地上空的动力条件更优,且有更充沛的水汽条件与之配合,有利于EMT移出高原后的维持与再次发展。根据EMT的生命史和移出高原后的维持时间,EMT可以进一步分为L-EMT(longer-lived EMT)和S-EMT(shorter-lived EMT)两类。合成诊断结果表明,辐合所引起的正涡度制造以及涡度的垂直输送对L-EMT的发展和维持起到了主导作用。模拟结果表明,L-EMT的生成和在高原上的发展与其气旋式涡度的增强相一致,辐合以及倾斜作用是其正涡度制造的主要机制,而垂直输送则有利于对流活动在垂直方向上的伸展。L-EMT的移出伴随着高原下游地区辐合、上升运动和对流凝结潜热加热的增强。强烈的对流凝结潜热释放通过强化辐合、上升运动和对流潜热加热之间的正反馈,以及制造与正位涡异常相伴随的气旋性风场扰动和负位势高度扰动使得对流维持和增强。
  部分L-EMT(约15.9%)移出高原后会伴有西南低涡的活动,其中约88.0%的西南低涡是新生的。EMT的强度会影响西南低涡的生成时间、位置和移向。EMT移出高原前,西南低涡关键区的正涡度主要通过低空急流对正涡度的向北输送和倾斜作用而加强,EMT移出高原后,西南低涡关键区内的辐合加强,正涡度也随之加强。无论EMT是否移出高原,其对流凝结潜热释放所产生的正位涡异常均会通过相关的气旋式风场扰动和负位势高度扰动对西南低涡的生成有促进作用,但这两项扰动并不是造成西南低涡生成的主导因素。此外,EMT还通过调节移出高原短波槽的强度,间接地影响西南低涡生成。
  某些情况下,高原涡的活动与EMT的演变密切相关。合成的半理想数值试验表明,对于准静止型的高原涡而言,EMT与涡旋的耦合会加强高原涡的辐合与垂直运动,促进正涡度制造和垂直输送,这是此类高原涡发展和维持的主要原因,当EMT移出高原与高原涡解耦时,高原涡迅速消亡。对于东移型的高原涡而言,其在高原上与EMT耦合有利于涡旋的发展和维持,当高原涡移出高原时,由于地表感热加热急剧减小,与高原涡相伴的上升速度和辐合也随之减弱,EMT迅速减弱,高原涡随之消亡。
  高原MCS对局地降水的贡献十分显著。高原局地降水主要来自于NDT的贡献,部分地区其贡献可达70%,而EMT的贡献较低。EMT移出高原后对下游局地降水的贡献约为10-20%,其贡献大值中心区主要位于四川盆地区域及甘肃南部,而在其它地区贡献较小。数值敏感性试验和分片位涡反演的结果表明,在EMT移出高原前后,其均可以通过间接影响(对大气环流的调整)和直接影响(与正位涡异常相伴的降压和气旋式风场扰动)两种方式影响下游降水。当EMT强度减弱时,下游对流和降水的生成位置与强度均出现显著变化。
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