青藏高原低涡发生发展机制的动力学研究

摘要

青藏高原低涡是指夏半年发生在青藏高原主体上的一种次天气尺度低压涡旋，是高原地区的一种主要天气系统。它主要活动在500hPa等压面上，平均水平尺度400～500km，垂直厚度一般在400hPa以下，多数为暖性结构，生命期1～3天，它常在高原中西部生成, 然后沿32oN附近的切变线东移发展，最后绝大多数在高原东部地形的下坡处减弱、消失，极少移出高原，是夏季高原上主要的降雨系统。值得注意的是，在有利的环流形势配合下，个别高原低涡能够东移出高原发展，往往引发高原东侧地区（特别是四川盆地）一次大范围的暴雨、雷暴等灾害性天气过程。因此对高原低涡的研究不仅是青藏高原气象学理论研究的一个重要问题，而且对提高青藏高原及其东侧地区的天气预报水平也有实际意义。 在本论文的第一章，首先简述了本研究的背景及意义，进而全面回顾了20世纪70年代后期以来，青藏高原气象学研究领域中有关高原低涡的研究进展，按天气学、动力学和数值模拟三方面对有关研究进行了分类，简要总结了各类研究取得的主要成果及存在的问题，在此基础上提出了本论文工作的研究目标与研究内容。 第二章初步分析了青藏高原地面热源及其影响。结果表明：前期青藏高原主体的冬季地面热源与长江中下游地区夏季降水量呈负相关，与华北和东南沿海地区的夏季降水量呈正相关。而长江中下游地区夏季降水量还与春季高原南部的地面热源存在负相关、与高原北部的地面热源存在正相关。高原冬、春季地面热源场的变化是影响我国夏季降水的重要因子，高原加热对高原及周边地区的天气、气候具有重要作用。 第三章从非线性波动的理论分析角度，对高原低涡的孤立波特征和发生发展机制进行了动力学理论研究。利用相平面分析法，由非绝热大气运动方程组导出了与非线性惯性重力内波有关的KdV方程，然后用直接积分法得到两类有天气意义的孤立波解，重点分析了与青藏高原暖性低涡有联系的一类具有间断点的奇异孤立波解的特征，进而讨论了高原非绝热加热对高原低涡生成和移动以及高原低涡暖心结构的作用，从非线性动力学角度对这类暖性高原低涡取得了以下几点认识： （1）大气层结不稳定时，高原低涡都将向东移动，非绝热加热有利于高原低涡的东移。 （2）不稳定层结下，东移的高原低涡都是水平尺度较大、垂直厚度较小的浅薄系统。 （3）高原低涡水平移动速度越快，垂直运动振幅越大。 （4）高原低涡在一定条件下具有与类热带气旋涡旋（TCLV）一样的暖心结构。 第四章从涡旋动力学角度，对高原低涡的TCLV结构及其发生机制进行了动力学理论研究。考虑边界层低涡为受非绝热加热和摩擦强迫并满足热成风平衡的轴对称涡旋系统, 采用Boussinesq近似，通过求解柱坐标系中涡旋模式的初值问题，分析了热源强迫对低涡流场结构的影响。在热源强迫对类热带气旋高原低涡的作用方面得到以下几点结论： （1）由于边界层加热和摩擦共同作用，高原低涡的温度场呈暖心结构。 （2）热源强迫的边界层低涡的散度场存在一个动力变性高度，该高度的位置与边界层顶高度有关。 （3）通过边界层Ekman抽吸作用，当边界层顶有气旋性涡度时，能引起边界层低涡的水平辐合运动及随高度增强的上升运动，并可加强低涡的切向流场。 （4）如果低涡的中心区域为“内冷外热”型加热分布，则热源强迫的低涡中心区域的下层为辐散气流及随时间减弱的切向流场，上层为辐合气流及随时间增强的切向流场，并伴有下沉运动，从而形成低涡的涡眼结构，有利于类热带气旋高原低涡的形成。