一次强寒潮过后青岛地区气温迅速回升的成因研究.docx
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一次强寒潮过后青岛地区气温迅速回升的成因研究
一次强寒潮过后青岛地区气温迅速回升的成因研究
StudyonMechanismofRapidAirTemperatureIncreaseafteraStrongColdWave
MovedoutofQingdaoArea
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一次强寒潮过后青岛地区气温迅速回升的成因研究
摘要
利用台站观测数据与FNL再分析数据,对2008年12月5日~7日的一次强寒潮过后青岛地区气温迅速回升的原因进行了探究。
通过分析风场、气压场、热通量等物理量的时空分布以及运用WRF模式进行数值模拟,详细研究了气温迅速回升的原因。
结果表明:
(1)在造成寒潮天气过程的大槽移过青岛地区之后,6日20时,在该大槽之后逐渐形成一短波小槽,槽后存在冷平流,使其有所加深且保持稳定,位于小槽前面的青岛地区受槽前西南气流的影响,一直处于暖平流作用下,气温迅速回升。
(2)运用WRF模式的数值模拟对影响青岛地区的暖气团进行后向轨迹追踪分析,发现该暖气团来自于青岛西南部的我国内陆地区。
(3)进一步的卫星云图与台站观测分析得出,该暖空气移动过程中所经过的附近代表性站点6日至7日,天气均表现为晴朗无云,气温均存在显著回升的现象。
关键词:
寒潮,迅速回温,暖平流,WRF,数值模拟,后向轨迹分析
StudyontheMechanismofAirTemperatureRapidlyIncreasedafteraStrongColdWave
MovedoverQingdaoArea
Abstract
UsingFNLreanalysisdataandstationobservationdata,thereasonthatairtemperatureincreasedrapidlyafterastrongcoldwavemovedoutofQingdaoareafrom5thto7thDec2008isinvestigated.Throughanalyzingofspatial-temporalchangesofwind,pressureandheatfluxfields,aswellasusingnumericalsimulationbytheWRFmodel,thisreasoniscarefullystudied.Theresultsshowthatthereasoncanbeasfollows.
(1)Behindthestrongtroughwhichresultedinthecoldwave,thereexistedashort-wavetroughwhichgeneratedatabout12:
00UTCofDec6th.At850hPalevel,thistroughgotstrengthenbecauseofcoldadvectionatitsback.Meanwhileatfrontofthistrough,southwesterlyairflowtransportedwarmairtonortheasternarea.AstheresultofpositivevalueofnetheatfluxoverQingdaoarea,theairtemperatureincreasedrapidly.
(2)BackwardtrajectoryanalysisusingnumericalsimulationbytheWRFmodelisemployedtoseekforthesourceofthewarmairmass,theresultshowsthatthesourceregionlocatedinthesouthwesternareaofQingdaoinChina.(3)Byanalyzingofstationobservations,alongwiththetrajectoryofthewarmairmass,thetemperatureoftherepresentativestationsincreasedrapidlyinturn.
Keywords:
coldwave,temperatureincreasedrapidly,warmadvection,WRF,numericalsimulation,backwardtrajectoryanalysis
目录
1.问题的提出1
1.1一次强寒潮过后气温迅速回升事件1
1.2历史寒潮事件回顾1
1.3本文研究问题2
2.研究思路与所用数据2
2.1研究思路2
2.2数据来源3
3.基于FNL再分析数据的成因分析4
3.1天气形势分析4
3.2流场分析4
3.3热通量分析4
3.3.1热通量水平散度场分析4
3.3.2热通量垂直剖面图分析5
4.WRF数值模拟气团轨迹分析6
4.1WRF模式简介6
4.2初始化与数值试验设计7
4.3后向轨迹追踪结果分析8
5.结论7
参考文献8
致谢23
图表目录
表1WRF模式的物理过程及参数化过程……………………………………………6
图12008年12月1日至13日青岛地区温度、气压、风场时间序列图………11
图22005—2008年寒潮统计图……………………………………………………11
图32008年12月6日至7日500hPa温度场、高度场…………………………12
图42008年12月6日至7日850hPa温度场、高度场…………………………13
图52008年12月6日至7日1000hPa温度场、高度场…………………………14
图62008年12月6日至7日1000hPa风场流线图……………………………15
图72008年12月6日至7日1000hPa水平热通量散度场……………………16
图8通过点(118E,37N)至点(122E,34N)的垂直剖面的热通量分布图…………17
图9通过点(118E,37N)至点(122E,34N)的垂直剖面的热通量6小时差值图………………………………………………………………………………18
图102008年12月6日18时1000hPa水平热通量散度场(两实线为所取剖面)
…………………………………………………………………………………19
图112008年12月6日通过两垂直剖面的热通量差值图(剖面1:
点(117E,36N)至点(121E,33N);剖面2:
点(120E,39N)至点(124E,36N))…………20
图12后向跟踪暖气团轨迹的数值模拟结果……………………………………21
图132008年12月1日至13日钟祥、枣阳、郑州、济南地区温度、气压、风场时间序列图………………………………………………………………22
1.问题的提出
1.1一次强寒潮过后气温迅速回升事件
寒潮是多发生在秋末、冬季、初春时节,北方冷空气大规模向南侵袭我国,造成大范围急剧降温和偏北大风的天气过程。
寒潮通常伴有大风、剧烈降温、暴风雪和沙尘暴,给渔业、工农业生产以及交通运输造成巨大损失。
2008年12月5日至7日,受东移南下强冷空气影响,我国华北大部、东北地区、黄淮、江淮出现5~7级偏北风,气温下降了8~12℃、部分地区超过14℃,山东半岛北部出现大到暴雪;江汉、江南、华南出现4~6级偏北风,南方大部气温也下降了6~10℃,其中江南东北部的部分地区降温幅度达12℃。
江河湖面风力达7~9级。
我国东部和南部海区出现7~9级、阵风10~11级的偏北大风。
全国有26个省市发布寒潮预警信号,但正是在这次强寒潮过后,部分地区气温迅速回升,以青岛地区为例,48小时内最低温度上升程度达到8℃(图1)。
1.2历史寒潮事件回顾
运用青岛气象站地面观测数据,绘制了2005年至2008年青岛地区春冬季节的温度、气压、风场的时间序列图。
参照寒潮定义“寒潮是来自北方的强冷空气,是一种严重的灾害性天气过程”,并依据气象部门常用寒潮定义“由于冷空气的入侵,使气温在24小时内剧降10℃以上,或气温在48小时内下降12℃以上的,而且在这一天内最低温度在5℃以下,称为寒潮”,我们对寒潮过后回温快慢的标准进行了定义。
标准如下:
对满足寒潮过程气温降至最低值之后,48小时气温回升达到10℃以上,最低温度在0℃以上的为回温迅速个例,反之则为回温缓慢个例。
根据上述规定,我们将2005年至2008年的寒潮总数进行了统计,进一步按照回温快慢的标准进行了分类汇总,结果见图2。
图2结果表明,以此标准划分,从2006年至2008年均存在回温迅速的个例,并且2008年回温迅速个例占寒潮总数的比例最大。
1.3本文研究问题
多年来,国内外气象学者通过分析总结,对寒潮的冷空气源地、路径、大风降温的原因已形成了较为系统的理论认识(王遵娅,丁一汇,2006),同时在寒潮的动力机制等方面做了较为深入的研究(Garreaud,2000),对寒潮天气过程进行了天气动力学诊断和数值模拟研究(Garreaud,1999;樊明等,2002;宗志平等,2004),为寒潮天气的预报提供了有力的帮助。
本文主要借鉴前人对寒潮天气过程中降温原因的研究思路和方法(许爱华等,2006;王丽等,2006),对2008年12月初一次强寒潮过后气温迅速会升的原因进行相对细致的分析与研究。
由于这种一次强寒潮过后气温迅速回升的事件是比较罕见的,而且查阅前人对寒潮的研究,其重点大都放在对寒潮形成的天气形势、寒潮移动路径和寒潮所引起的大风降温等恶劣天气的影响范围等方面的研究上(高玲等,2006;杨宏宇等,2006;许爱华等,2006),而对于寒潮过后气温迅速回升的个例统计以及其原因分析方面的研究很少,至今还是一个盲点。
因此,我们认为以此次寒潮为例,研究其升温迅速的原因是很有必要的。
同时,研究其回温迅速的原因对今后相关方面的研究工作也是非常有意义的,本文旨在为今后相关方面的研究提供参考依据。
2.研究思路与所用数据
利用FNL再分析资料,分别从各气压层温压场配置、近地面流场、水平热通量散度及方向、各时刻进入研究区域的热通量大小及净热通量等方面绘图分析温度平流的作用,进一步利用高分辨率的数值模拟结果分析造成迅速升温的暖空气源地。
2.1研究思路
某地温度的变化可用热流量方程来表示:
式中,对于近地层W可近似为0,变压和气压平流引起的温度局地变化也很小。
因此,某地温度的变化主要决定于温度平流和非绝热因子的作用。
温度平流主要考虑平流冷暖性质和强度,非绝热因子考虑辐射、水汽凝结、蒸发和地面感热对气温的影响。
气温的非绝热变化主要表现为气温的日变化和气团变性(许爱华等,2006)。
针对所研究的问题,造成青岛地区温度迅速回升的原因应该主要从温度平流来考虑。
通过绘制升温过程中各时刻各气压层上的温度场和高度场图,分析其温压场配置、温度平流的性质和强弱,并结合风场流线图初步分析造成升温的暖空气源地。
为了更加直观的表示出温度平流对升温迅速的影响,根据运动学热通量:
风矢量与温度的乘积,即:
(u*T,v*T)。
绘制研究对应时刻各气压层的水平热通量散度场和热通量矢量图,分析青岛地区附近热通量的水平散度和大小。
之后,运用插值法,绘图分析升温过程中各个时刻穿过固定垂直剖面进入研究区域的热通量,同时,对其进行逐6六小时差值,分析穿过该剖面热通量达到最大的时刻,即升温最为显著的时间段,对其进行重点研究,最后,分析升温过程中各时刻研究区域的净热通量的变化。
参照图1,在西南气流输送下造成青岛地区气温迅速回升的暖空气的来源有两种可能:
1.低纬陆地,2.低纬海洋,为更好的分析并解决问题,进一步追踪该暖空气的来源十分非常必要的,但由于FNL数据时间间隔太大(6h),不适合用于追踪暖气团来源,于是采用数值模拟手段,利用高时空分辨率的数值模拟结果,通过后向轨迹追踪的方法来找寻气团来源。
2.2数据来源
2008年12月5日至8日,10×10的逐6小时FNL再分析数据,其中包括地面及1000hPa至500hPa的各气压层的高度场、温度场、风场数据以及地面10m的风场数据。
地面观测数据,来自英国网站、中国海洋大学MICAPS接收小站,2005年至2008年地面站点观测数据,包括地面各站点观测的各个时刻的温度、气压、风向风速等气象要素值。
卫星云图(来自日本高知大学),提供12月5日至8日各时间段卫星观测到的可见光云图。
3.基于FNL再分析数据的成因分析
3.1天气形势分析
利用温度场和高度场的配置来判断冷暖平流的性质和强弱,其判断标准如下:
等高线的疏密程度;在其他条件相同的前提下,等高线越密,则风速越大,平流强度也越大。
等温线的疏密程度;在其他条件相同的前提下,等温线越密,则温度梯度越大,平流强度也越大。
等高线与等温线交角的大小;若其他条件相同,等高线与等温线的交角越接近900,平流强度也越大。
图3表示12月6日20时至8日08时(本文采用北京时)的500hPa天气形势。
图中显示自6日20时起,在造成此次寒潮天气过程的大槽下游,青岛地区上空西北侧出现一短波小槽,对应图4中同时间段的850hPa温度平流图中,也存在该短波小槽。
该短波槽槽后存在较强冷平流,使得该槽有所加深并且较稳定的维持,移动缓慢。
受该短波槽影响,6日20时至8日08时,青岛地区上空一直处于西南气流的作用下,存在较为明显的暖平流,并且从图中可以明显看出在此段时间内,270K等温线明显北移,可见升温迅速明显。
并且在图5所给出的1000hPa实况图中,青岛地区一直处于高压控制之下,天气以晴朗为主;同时,6日至8日,一直处于西南气流作用下,且等温线与等高线夹角较大,暖平流较强,有利于低纬内陆的暖空气向北输送,图中显示280K等温线明显的向北抬升,可见升温迅速。
3.2流场分析
利用FNL数据中的1000hPa风场数据,绘制出2008年12月6日至7日的风场流线图,(图6),从图中可以看出,6日至7日气温迅速回升的阶段,青岛地区1000hPa层盛行西南气流,而西南内陆地区的空气属于暖性,故初步分析造成升温的暖空气源地应位于我国西南内陆。
3.3热通量分析
3.3.1热通量水平散度场分析
单位时间内单位界面积传递的热量称为热通量,热通量的大小和方向表征单位时间输送热量的大小以及热量的来源,而热通量散度,即在某一空间范围内热量的辐合或辐散量,则可以表示某一区域热量的减少或增加的程度,若热通量散度大于零,热量辐散,向外流出,净热通量为负,该处是热源;若热通量散度小于零,热量辐合,净热通量为正,该处是热汇。
2008年12月6日至7日,1000hPa热通量水平散度场图中(图7),在青岛地区南部一直存在一热通量辐散中心,使得热量源源不断的由西南部地区向青岛地区输送,同时,与之相对应,从近地面一直到850hPa各层青岛地区附近热通量均与1000hPa相类似,图中用等值线画出了24小时变温等值线,由此看出增温较为明显的区域范围,图中显示,四个时刻青岛地区这一直处于增温明显中心区域的附近,进一步我们选取合适区域进行插值,绘制热通量剖面图,分析各个时刻进入青岛地区附近的热通量的变化情况。
3.3.2热通量垂直剖面图分析
(1)通过固定垂直剖面的热通量图分析
选取从点(118E,37N)至点(122E,34N)的垂直剖面,绘制穿过此剖面的热通量,用于代表单位时间内进入青岛及附近地区的热量,图中明显显示出在12月5日08时,750hPa以下的近地面层通过此剖面的热通量均为负值,与青岛及其附近地区的降温相对应,而在6日至7日,升温过程中,一直存在正的热通量,且数值较大,说明青岛地区存在明显的热量流入,因此,强烈的暖平流所引起的源源不断的热量流入是造成此次寒潮过后青岛地区迅速升温的一个原因。
(2)通过固定垂直剖面的热通量每6小时差值图分析
绘制通过点(118E,37N)至点(122E,34N)的垂直剖面的热通量逐6小时差值图,图中显示,在12月6日,通过该剖面的热通量的值是不断增大的,至7日00时达到最大值,与青岛地面台站观测的温度时间序列图(图1)中此段时间是寒潮过后升温最迅速的时间段对应的很好。
(3)净热通量分析
进一步选取从点(117E,36N)至点(121E,33N)和从点(119E,38N)至点(123E,35N)的两个垂直剖面(如图10两实线所示),运用插值方法,计算同一时刻通过两个剖面热通量之差,作为其中间区域的该时刻的净热通量作为研究,分析升温过程中各时刻的净热通量的变化。
图11表示12月6日通过该两垂直剖面热通量的差值,图中表明,6日14时至7日20时所选两剖面之间区域青岛地区附近净热通量一直保持正值,结合热通量水平散度场图,12月6日,青岛地区附近净热通量保持为正值且数值较大,利于气温的迅速升高。
4.WRF数值模拟气团轨迹分析
4.1WRF模式简介
WRF(WeatherResearchForecast)模式系统是由许多美国研究部门及大学的科学家共同参与进行的新一代中尺度预报模式和同化系统。
WRF模式系统开发的目标是建立一个具有可移植、易维护、可扩充、高效率、方便等诸多特性且用户界面友好的模式。
(邓莲堂等)
WRF模式是一个完全可压非静力模式,控制方程组都写为通量形式,网格形式采用ArakawaC格点。
WRF模式的动力框架目前实现了地形追随高度坐标和地形追随静力气压(质量)坐标两种,半隐式半拉格朗日方案还处于开发阶段。
快波和慢波的时间积分问题采用时间分裂积分方案,有效提高了模式的积分效率。
表1WRF模式的物理过程及参数化过程
物理过程
模式提供的可选方案
云微物理过程
Kessler方案;Lin方案;WSM3简冰;WSM5类方案;ETA方案;WSM6方案;Thompson方案;NCEP3类方案;NCEP5类方案
对流参数化
Kain-Fritsch方案;Bett-Miller-Janjic方案;Grell-Devenyi集合方案
长波辐射
RRTM方案;GFDL长波方案;CAM方案
短波辐射
简单短波方案;Goddard短波方案;GFDL短波方案;CAM方案
表面层
MM5相似理论方案;Eta相似理论方案
陆面过程
5层热量扩散方案;Noah地表模型方案;RUC地表模型方案
边界层
Yonsei大学方案;Mellor-Yamada-Janjic湍流动能方案;MRF方案
次网格湍流扩散
简单扩散方案;应力/变形方案
4.2模式设置与数值试验设计
采用了FNL(10×10,6小时间隔)再分析数据为模式提供初始条件与边界条件,模拟时段从2008年12月5日12时到2008年12月7日18时共60小时。
本次试验选取以点(120.5E,36.5N)作为模拟区域中心,网格的水平分辨率为25km,东西方向上的格点数为110个,南北方向上的格点数为120个。
垂直分层为44层,每隔3小时输出一次结果。
采用的物理方案如下:
Linetal.云物理方案,RRTM长波辐射方案,Dudhia短波辐射方案,Monin-Obukhov近地层方案,UnifiedNoah陆面方案,YUS行星边界层方案,新Kain-Fritsch(newEta)积云对流方案。
4.3后向轨迹追踪结果分析
利用WRF模式的模拟结果对造成迅速回温的暖气团来源进行后向跟踪模拟分析。
图12给出了对暖气团自5日12时到7日18时的运动轨迹进行后向跟踪的模拟结果,图中显示造成青岛地区迅速升温的气团先在西北气流的作用下向东南
部移动,同时气团温度应有所升高,当气团中心大致移动至点(115E,32N)位置时,开始在西南气流作用下向东北方向移动影响青岛地区,造成该地区的迅速升温,同时,进一步验证了造成青岛地区升温的暖空气源地来自于西南内陆地区。
在模拟的暖空气移动路径各段附近选取4个具有代表性的站点(中祥、枣阳、开封、济南),利用地面站点观测数据,绘制各站点的温度、气压、风场等的时间序列图(图13),图中表明在该暖空气作用下,各站点均存在气温迅速回升的现象,并且沿着移动轨迹,从南至北,各站点的最低气温呈现降低趋势,说明造成青岛地区升温的暖气团的确来源于低纬内陆,进一步验证了该暖空气移动路径的模拟结果较好的反映了其真实移动情况。
5.结论
(1)从高空500hPa天气形势来看,在造成寒潮天气过程的大槽移过青岛地区之后,在6日12时逐渐形成一短波小槽;对应850hPa,该短波槽槽后存在较为明显的冷平流,使其有所加深且保持稳定;受槽前西南气流的影响,青岛地区在6日至8日一直处于暖平流作用下,有明显的热量流入,存在正的净热通量,造成不断升温。
(2)通过对近地面流场的分析以及进一步运用WRF数值模拟对暖气团轨迹进行后向追踪分析,结果表明:
6日之后,暖空气沿西南-东北走向向青岛地区移动,由于低纬西南内陆的空气为暖性,故分析得出造成青岛地区迅速升温的暖气团来自于西南部内陆地区。
(3)进一步依据数值模拟给出的暖空气移动路径,在其附近选取4个具有代表性的站点(中祥31.10N,112.34E、枣阳32.09N,112.40E、郑州34.43N,113.39E、济南36.41N,116.59E),通过卫星云图与地面台站观测数据进行了分析。
结果表明:
6日至7日,各站点一直处于高压控制下,保持晴朗无云的天气,在暖空气的作用下均存较为明显的短时间迅速回温的现象,且沿着移动轨迹,从南至北,各站点的最低气温呈现降低趋势,说明造成青岛地区升温的暖气团的确来源于低纬内陆,进一步验证了该暖空气移动路径的模拟结果较好的反映了其真实移动情况。
参考文献
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Coldairincursionsoversubtropical
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