锋面气旋是大气环流的重要组成部分, 也是频繁影响我国气候的主要天气系统之一.关于其生成和发展演变过程, 科学家们进行了详细的研究, 目前主要有两种物理模型被广为接受, 即经典的挪威气旋模型和Shapiro-Keyser(简称S-K)气旋模型.挪威气旋模型的典型特征是冷锋追赶暖锋的过程中, 暖区不断缩小并被抬升, 最后形成锢囚锋结构, 通常冷锋强度较暖锋更强且气旋呈经向型(Bjerknes, 1919; Bjerknes and Solberg, 1922).S-K气旋模型的典型特征是气旋发展移动过程中冷暖锋运动不同向, 造成冷锋与暖锋近似垂直的T-bone结构(伴有冷暖锋的断裂锋消), 并伴随暖锋后弯, 甚至出现暖核隔离, 通常暖锋强度较冷锋更强且气旋呈纬向(Shapiro and Keyser, 1990).

研究发现, 下垫面摩擦、大尺度环境场是影响气旋究竟发展为何种类型的关键因子.洋面上生成和发展的气旋更多的表现为类似S-K气旋模型结构; 反之, 陆地上的则倾向于类似挪威气旋模型结构(Hines and Mechoso 1993; Kuo and Low-Nam, 1994; Thompson, 1995; Rotunno et al., 1998; Norris et al., 2014).

在北半球中纬度地区, 气旋发展过程多与西风急流相伴, 常见气旋从急流南侧穿越急流至北侧的发展过程, 以及始终在急流北侧发展等不同类型.研究发现, 第一种类型气旋发展更强烈, 其结构更接近S-K模型特征(Thorncroft et al., 1993；Coronel et al., 2016).Rivière等(2012)采用业务预报模式ARPEGE-IFS对Xynthia气旋穿越急流的个例进行数值模拟, 指出急流附近的垂直平均位涡梯度是造成高层位涡偶极子快速增强的关键因素, 通过增强的位涡偶极子进一步引起气旋穿越急流运动.在急流轴东西两侧, 一般是辐散(合)流场, 多个理想试验表明辐散流场中发展的锋面气旋, 其结构更接近挪威模型, 而辐合流场则使气旋具有为S-K气旋结构特征(Schultz et al., 1998; Schultz and Zhang, 2007).

目前的研究认为S-K模型气旋主要发生在海上, 但熊秋芬等(2013, 2016)的研究发现, 我国东北地区的几次北方气旋过程表现出了明显的S-K结构特征, 说明陆地下垫面条件下气旋仍然可能出现S-K结构特征.此外, 虽然研究证实了大尺度环境场中气旋相对急流位置，以及所在背景场的辐合辐散特征对气旋发展的影响, 但当这些因子共同作用时, 气旋发展过程会出现何种变化, 目前还未有明确的结论.

因此本文通过理想试验的方法, 研究陆面摩擦、气旋相对急流位置、以及环境场辐合辐散的共同作用对气旋发展的影响, 以期加深对东亚特别是我国北方锋面气旋发展过程的认识.

选用WRF模式3.5.1版本.模拟中采用非静力平衡动力框架.积云参数化方案采用Betts-Miller- Janjic方案(Janjić, 1994), 微物理方案采用Thompson方案(Thompson et al., 2008).为考虑表面摩擦因子, 分别采用了Monin-Obukhov近地层方案(Monin and Obukhov, 1954)和YSU边界层方案(Hong et al., 2006), 但关闭地表感热和潜热通量, 感热和潜热通量的作用表现为维持冷锋强度(Norris et al., 2014), 不影响本文对气旋结构的讨论.为近似得到陆地上的摩擦效果, 将下垫面全部设为陆地，并将Monin-Obukhov近地层参数化方案中粗糙度高度参数Z₀设为0.2 m，表征典型的地表粗糙度(Hines and Mechoso, 1993).模拟设置为f平面, 中心为40°N.模式区域纬向长度10000 km, 经向宽6000 km, 垂直高度为16 km.模式水平分辨率为25 km, 垂直方向共32层, 在等距拉伸作用下, 对流层中间垂直间距近似等距.时间步长40 s, 模式间隔6 h输出.东西方向为周期边界, 南北方向为刚性且对称边界.

背景场设计为斜压纬向急流.基态纬向风速同时在水平和垂直方向上满足高斯函数变化(Polvani and Esler, 2007；Baker et al., 2014).由如下形式给出:

(1)

其中U为纬向风, y, z分别为南北和垂直方向.U₀是急流最大风速, 本文分别取为U₀=50 m·s^-1和U₀=30 m·s^-1, 表示强(图 1a)和弱(图 1b)急流.函数F(y)形式为

(2)

图 1

Fig. 1

图 1 基态纬向风速(阴影, 间距4 m·s-1)和位温(黑色等值线, 间距10 K)的垂直剖面 (a)强急流; (b)弱急流. Fig. 1 Vertical section of basic state zonal wind speed (shadings, interval 4 m·s-1) and potential temperature (black contours, interval 10 K) (a) Strong jet; (b) Weak jet.

当y位于区域中心位置3000 km处, 此时F(y)=1, F(y)在南北方向满足高斯函数分布.而G(z)形式则为

(3)

这里参数γ和δ用来调控风速垂直切变的梯度分布.本文将其设置为γ=1和δ=0.2, 这样高层的风速垂直切变将大于低层, 更接近真实情况.最大的风速位于z_T=8 km高度处.

首先给出适当的Brunt-Väisälä频率垂直廓线.这里给出的是在对流层平均频率0.012 s^-1, 其变化范围是0.011 s^-1至0.013 s^-1.在10 km高度处其频率快速增大, 到平流层达到0.027 s^-1.随后基态温度场在热成风平衡下进行调整.0~6.5 km高度初始相对湿度设置为60%, 6.5 km高度以上则设置为0.

为研究大尺度背景场对气旋结构影响, 参考Schultz和Zhang(2007)中构造大尺度辐合和辐散流场的方法, 将模拟区域纬向距离扩大为20000 km, 在纬向0~6000 km和9000~20000 km处分别构造强(弱)和弱(强)急流, 两种不同强度的急流在纬向6000~9000 km范围内线性变化, 这样就在不同强度急流的过渡区内构造出了辐散(合)的背景场.

对于初始扰动的构造(例如图 2a), 分别在地面和对流层高层加入气旋式扰动(Coronel et al., 2015), 其最大扰动振幅分别位于高度1 km和8 km.高层扰动相对近地面扰动偏西和偏北各1000 km和500 km.这种在地面气旋西北高空再叠加气旋式扰动, 是典型的爆发性气旋扰动配置(Sanders, 1986).

图 2

Fig. 2

图 2 初始扰动相对急流位置配置 (a)纬向均一急流南侧扰动; (b)纬向均一急流北侧扰动; (c)辐合急流南侧扰动; (d)辐合急流北侧扰动; (e)辐散急流南侧扰动; (f)辐散急流北侧扰动, 300 hPa基态纬向风速(阴影, 间距10 m·s-1)和位涡异常(黑色虚线, 间距0.2PVU), 850 hPa相对涡度异常(黑色实线, 间距5×10-6s-1) Fig. 2 The relative position configuration of initial disturbance to the jet (a) The disturbance isat the south of the zonally uniform jet; (b) the disturbance is at the north of the zonally uniform jet; (c) The disturbance is at the south of the confluent jet; (d) The disturbance is at the north of the confluent jet; (e) The disturbance is at the south of the diffluent jet; (f) The disturbance is at the north of the diffluent jet, 300 hPa basic state zonal wind speed (shadings, interval 10 m·s-1) and potential vorticity anomaly (black dotted contours, interval 0.2 PVU), 850 hPa relative vorticity anomaly (black contours, interval 5×10-6s-1)

根据有(HF)无(NF)陆面摩擦、扰动相对急流南(JS)北(JN)位置及背景场的辐合(CON)辐散(DIV)特征(图 2为背景流场和扰动相对位置示意), 设计多组试验.首先假设背景场为纬向均一强急流(图 2a, b), 针对陆面摩擦和扰动相对位置设计4组试验(表 1试验1-4)；其次将扰动分别置于辐合和辐散背景场(图 2c, d, e, f), 分别设计6组试验(表 1试验5-10).

表 1 Table 1

表 1 陆面摩擦、扰动相对急流位置和背景流场敏感性模拟试验组 Table 1 Sensitivity experiments of land surface friction, disturbance relative jet position and background flow field 试验序号 试验简称 是否考虑 陆面摩擦 扰动相对 急流位置 背景场辐合 辐散特征 试验1 NF-JN 无 北 纬向均一流 试验2 NF-JS 无 南 纬向均一流 试验3 HF-JN 有 北 纬向均一流 试验4 HF-JS 有 南 纬向均一流 试验5 NF-JN-CON 无 北 辐合 试验6 NF-JN-DIV 无 北 辐散 试验7 HF-JN-CON 有 北 辐合 试验8 HF-JN-DIV 有 北 辐散 试验9 HF-JS-CON 有 南 辐合 试验10 HF-JS-DIV 有 南 辐散

表 1 陆面摩擦、扰动相对急流位置和背景流场敏感性模拟试验组 Table 1 Sensitivity experiments of land surface friction, disturbance relative jet position and background flow field

如试验1-4所示, 考虑陆地下垫面及纬向均匀的流场条件下, 通过改变扰动与急流的相对位置, 考察气旋结构的不同变化特征.

随着气旋发展, 北侧冷空气向南运动, 气旋中心偏南侧出现位温水平梯度加大和锋生区, 对应冷锋锋生.而南侧暖空气向北输送, 气旋中心偏北侧则相应出现暖锋锋生.下文将通过低层850 hPa位温和锋生函数时间演变来分析气旋结构演变特征.对比试验1和2(图 3), 可以发现, 当气旋扰动处于急流北侧时, 气旋发展更为快速, 这与急流北侧气旋式切变环境有关.对于试验1中气旋的发展(图 3a, b, c), 虽然暖锋相对更强, 但冷锋逐步追赶上暖锋, 暖区也明显变小, 表现为挪威模型结构特征(图 3c).而在试验2中(图 3d, e, f), 暖锋强度在96 h前一直比冷锋更强, 冷锋北侧存在明显的锋消使冷暖锋分离断裂, 在冷锋东移过程中, 保持近似垂直于暖锋, 呈现S-K模型中T-bone结构.在96 h前后, 不断发展增强的暖锋前部在向南冷气流引导下, 呈现暖锋后弯和包卷暖核特征(图 3f), 非常类似于海洋爆发性气旋个例中暖锋后弯拉长包卷现象(Reed and Albright, 1997).上述这些特征都和经典的S-K模型相一致.因此, 上述两组对比试验表明, 扰动处于急流北侧没能形成明显S-K模型结构特征.可能是扰动处于急流北侧环境下仅有利于气旋初期的快速发展, 气旋后期阶段的环流和暖湿输送未能充分发展, 暖锋后期出现经向伸展现象.对比两组试验说明在不考虑地面摩擦影响下, 扰动位于急流南侧有利于出现S-K模型气旋结构.

图 3

Fig. 3

图 3 试验1(a, b, c)和试验2(d, e, f)850 hPa位温(实线, 间距2 K)和锋生函数(阴影, 单位:10-1K(100 km)-1(3 h)-1)演变(仅画气旋附近模式区域, 纬向4000 km, 经向3000 km) (a) 30 h; (b) 42 h; (c) 54 h; (d) 60 h; (e) 78 h; (f) 96 h. Fig. 3 Experiment 1 (a, b, c) and experiment 2 (d, e, f) 850 hPa evolution of potential temperature (solid line, interval 2 K) and frontogenetical function (shaded, unit: 10-1K(100 km)-1(3 h)-1) (only showing cyclone nearby model area, with 4000 km and 3000 km in zonal and meridional direction).

总体而言, 加入摩擦后, 试验3和4中气旋发展速度相对放缓(图 4).在气旋扰动位于急流北侧的试验3中, 直到第36h, 冷锋才有靠近暖锋的趋势, 但锋生很弱(图 4a), 到第54 h, 冷锋已经接近暖锋, 呈现挪威模型结构特征(图 4b), 而在试验1中, 暖锋纬向伸展和后弯更为明显(图 3b).Norris等(2014)指出由于粗糙度的增加, 使得暖区风速和艾克曼抽吸效应减弱, 天气尺度强迫和垂直运动造成的暖锋锋生和后弯减弱(Hines and Mechoso, 1993; Rotunno et al., 1998).暖锋形态呈经向发展, 冷锋东移后容易追赶上, 形成挪威气旋模型结构(图 4c).

图 4

Fig. 4

图 4 试验3(a, b, c)和试验4(d, e, f)850 hPa位温(实线, 间距2 K)和锋生函数(阴影, 单位: 10-1K(100 km)-1(3 h)-1)演变(仅画气旋附近模式区域, 纬向4000 km, 经向3000 km) (a) 36 h；(b) 54 h；(c) 72 h；(d) 54 h；(e) 78 h；(f) 102 h. Fig. 4 Experiment 3 (a, b, c) and experiment 4 (d, e, f) 850hPa evolution of potential temperature (solid line, interval 2 K) and frontogenetical function (shaded, unit:10-1K(100 km)-1(3 h)-1) (only showing cyclone nearby model area, with 4000 km and 3000 km in zonal and meridional direction)

试验4对急流南侧扰动情形加入地面摩擦因子后, 冷锋东移过程中, 冷暖锋分离且在第78 h暖锋有一定程度后弯, 此时T-bone结构明显(图 4d, e).气旋进一步发展至102 h后, 由于地面摩擦因子的影响, 暖平流强度不足以维持暖锋进一步后弯, 暖锋逐步呈现经向发展特征, 开始向挪威模型结构特征转变.说明初始扰动位于急流南侧, 初期有利于气旋呈现S-K模型结构, 而后期摩擦占据主导, 开始呈现挪威模型结构特征.

试验5、6将气旋扰动置于急流北侧, 在无摩擦条件下通过设计辐合辐散流场, 考察不同的非均匀纬向流对气旋结构演变的影响.

将试验5与试验1比较, 可以看出在辐合流场背景条件下, 暖锋呈现纬向伸展, 冷锋有垂直暖锋的形态特征, 而且冷暖锋之间存在相对明显的断裂(图 5a, b), 这与背景辐合流场下的变形轴有利于冷锋北侧锋消有关(Schultz et al., 1998).同时由于背景辐合流场的作用, 锋生易于出现东西向发展, 由于扰动处于急流北侧, 所以后弯暖锋不够强, 但总体上呈现S-K模型结构特征(图 5c).

图 5

Fig. 5

图 5 试验5(a, b, c)和试验6(d, e, f)850 hPa位温(实线, 间距2 K)和锋生函数(阴影, 单位: 10-1K(100km)-1(3 h)-1)演变(仅画气旋附近模式区域, 纬向4000 km, 经向3000 km) (a) 24 h; (b) 42 h; (c) 60 h; (d) 42 h; (e) 54 h; (f) 66 h. Fig. 5 Experiment 5 (a, b, c) and experiment 6 (d, e, f) 850 hPa evolution of potential temperature (solid line, interval 2 K) and frontogenetical function (shaded, unit:10-1K(100 km)-1(3 h)-1) (only showing cyclone nearby model area, with 4000 km and 3000 km in zonal and meridional direction)

当扰动位于辐散背景流场中时(试验6), 锋面结构演变呈现挪威模型中冷锋追赶暖锋特征.气旋发展至42 h, 冷锋东移靠近暖锋(图 5d).到54 h, 冷锋已经追上暖锋, 此时冷暖锋强度接近(图 5e).气旋发展到66 h, 冷锋和暖锋有向北发展趋势, 并且暖锋维持较强(图 5f).在辐散流背景场下, 变形轴有利于经向冷暖锋锋生(Schultz et al., 1998), 冷锋易于追上暖锋.因此仅考虑大尺度流场因子时, 背景辐合流场有利于形成S-K气旋模型结构, 而背景辐散流场则有利于出现挪威气旋模型结构.

试验7-10考虑摩擦、扰动与急流相对位置及背景场对气旋结构演变的综合影响, 以近似模拟真实锋面气旋发展过程中所处的下垫面和大气环境.

试验7中, 在气旋发展的第72 h和96 h(图 6a, b), 冷暖锋表现有一定的断裂, 暖锋也在不断发展, 但没能形成后弯结构, 并且暖锋经向发展显著, 而当气旋发展至120 h, 冷锋北侧锋消变弱, 甚至出现新的锋生, 整个气旋发展过程中, 暖区不断变小, 冷锋不断靠近暖锋, 此时气旋表现为挪威模型结构特征(图 6c).出现挪威模型结构特征的原因可能有两个:一是扰动处于急流北侧, 没有穿越急流过程, 暖锋和冷锋分离不够, 仅仅依靠背景辐合流场使冷锋北段锋消(Schultz and Zhang, 2007), 冷锋北侧断裂不够明显.另一方面, 从图 7a显示的850 hPa风速上看, 由于辐合流场对气旋自身环流的阻滞作用, 气旋西北侧的暖湿输送是极小区.因此, 当同时考虑地面摩擦、背景辐合流场和扰动位于急流北侧三个因素时, 气旋结构演变呈现出与试验5不同的特点, 背景辐合流场在有利于冷锋北侧锋消的同时, 也不利于暖锋的进一步后弯, 在地面摩擦的作用下, 气旋结构整体向挪威模型演变.

图 6

Fig. 6

图 6 试验7(a, b, c)和试验8(d, e, f)850 hPa位温(实线, 间距2 K)和锋生函数(阴影, 单位: 10-1K(100 km)-1(3h)-1)演变(仅画气旋附近模式区域, 纬向4000 km, 经向3000 km) (a) 72 h; (b) 96 h; (c) 120 h; (d) 42 h; (e) 54 h; (f) 66 h. Fig. 6 Experiment 7 (a, b, c) and experiment 8 (d, e, f) 850 hPa evolution of potential temperature (solid line, interval 2 K) and frontogenetical function (shaded, unit:10-1K(100 km)-1(3h)-1) (only showing cyclone nearby model area, with 4000 km and 3000 km in zonal and meridional direction)

图 7

Fig. 7

图 7 850 hPa流线(黑色线)和风速(阴影, 单位:m·s-1) (a)试验7模拟第120 h; (b)试验10模拟第132 h. Fig. 7 850 hPa streamline (black lines) and wind speed (shaded, unit: m·s-1) (a) when the cyclone evolves to 120 h in experiment 7 (b) when the cyclone evolves to 132 h in experiment 10

当在试验6基础上加入摩擦因子时(试验8, 图 6d, e, f), 试验结果合理地表现为明显的挪威结构特征.当扰动位于急流南侧时, 在考虑地面摩擦影响下, 试验9、10分别考察辐合流场和辐散流场对气旋结构演变造成何种影响.

试验9(图 8a, b, c)相较于试验7, 暖锋由气旋东北侧已经发展至气旋北侧, 但后弯仍然不够明显.从气旋发展的60 h(图 8a)和78 h(图 8b)来看, 冷暖锋断裂非常明显, 一直发展到96 h(图 8c), 整个T-bone结构都呈现S-K模型结构特征.在辐合流场阻滞暖湿气流后弯输送以及摩擦因子存在下, 后弯仍然不够明显.另外, 冷锋北侧锋消还不够充分.可能原因在于背景辐合场有向东南方向汇聚的分量, 导致高层偶极子作用下的气旋中心向西北方向位移被抵消(Coronel et al., 2015), 从而不利于冷暖锋距离加大和锋消.总体上看, 加入地面摩擦因子后, 辐合场阻滞暖湿空气的作用体现出来, 但暖锋却能保持纬向伸展(对比试验7(图 6a, b, c)), 因此, 辐合场仍然表现为有利于气旋出现S-K模型结构, 最终气旋整体上呈现S-K模型结构特征.

图 8

Fig. 8

图 8 试验9(a, b, c)和试验10(d, e, f)850 hPa位温(实线, 间距2 K)和锋生函数(阴影, 单位: 10-1K(100 km)-1(3h)-1)演变(仅画气旋附近模式区域, 纬向4000 km, 经向3000 km) (a) 60 h; (b) 78 h; (c) 96 h; (d) 84 h; (e) 108 h; (f) 132 h. Fig. 8 Experiment 9 (a, b, c) and experiment 10 (d, e, f) 850 hPa evolution of potential temperature (solid line, interval 2K) and frontogenetical function (shaded, unit:10-1K(100 km)-1(3h)-1) (only showing cyclone nearby model area, with 4000 km and 3000 km in zonal and meridional direction)

当将地面摩擦、扰动位于急流南侧以及背景辐散场综合考虑时(试验10), 得到了比较有意思的结果.冷暖锋从初始84h的断裂, 冷锋开始东移(图 8d), 至108 h的暖锋增强开始后弯, 冷锋近似垂直暖锋, 冷暖锋之间锋消充分且明显, 完全符合S-K模型中的T-bone结构(图 8e).到132 h, 冷锋进一步东移, 而暖锋也进一步后弯(图 8f).整个冷暖锋演变过程完全表现出了S-K模型结构特征.

与试验7、8结果对比进行分析可见, 造成冷暖锋断裂的关键因素有两个, 一是辐散背景流场, 其有利于气旋中心及暖锋向北侧移动, 而冷锋向南移动, 加大了冷暖锋之间距离; 另一方面当扰动穿越急流时, 高层位涡偶极子作用下, 气旋中心及暖锋具有向西北移动的分量(Coronel et al., 2015), 两者作用相互叠加, 造成冷暖锋之间距离进一步加大, 有利于冷锋北段靠近气旋中心处锋消和断裂.

从试验10第132 h 850 hPa风速上看(图 7b), 处于辐散流场下的气旋, 与辐合流场不同(图 7a), 其西北侧气旋风速不断加大, 主要是辐散流场相较于辐合流场，没有明显的阻滞气旋自身环流作用, 有利于暖湿气流输送到达气旋西北侧, 从而有利于暖锋后弯形成.

上述结果与Schultz和Zhang(2007)认为辐散流场有利于挪威模型结构不同, 究其原因在于其没有综合地面摩擦和扰动位置等因素.上面的结果表明, 在实际地面摩擦和扰动位置位于急流南侧时, 辐散流场反而有利于出现S-K气旋模型结构.这也解释了东亚大陆地区暖锋后弯实例中(熊秋芬等, 2013, 2016), 气旋在辐散流背景场中发展为S-K结构的观测事实.

为更好认识和理解陆地上气旋结构演变特征及其影响因素, 本文采用WRF模式及湿物理方案, 通过理想化试验, 重点研究陆面摩擦、扰动相对于急流位置和大尺度流场三个因子共同作用下气旋结构演变规律.

当不考虑摩擦和大尺度流场因素时, 扰动位于急流南侧, 气旋能形成典型的S-K模型结构, 而扰动位于急流北侧时, 气旋冷暖锋面断裂不明显且暖锋后弯不够, 后期暖锋沿经向发展且冷锋追上暖锋.当仅加入地面摩擦时, 扰动位于急流北侧则表现出挪威模型结构, 而扰动位于急流南侧仍然表现出类似S-K气旋模型结构.说明扰动位于急流南侧有利于气旋形成S-K模型结构.当对扰动位于急流北侧仅加入大尺度流场因子时, 得到辐合流流场有利于气旋形成S-K模型结构, 而辐散流流场有利于气旋形成挪威模型结构.

当将地面摩擦和大尺度流场因素同时考虑时, 扰动位于急流南北侧得到不一致的气旋结构演变特征.对于辐合流场, 扰动位于急流北侧时, 气旋整体上呈现挪威模型结构特征, 原因是初始辐合流场有利于冷锋北侧锋消, 但却不利于暖锋的进一步后弯, 在地面摩擦的作用下, 气旋结构向挪威模型演变; 当扰动位于急流南侧, 气旋穿越急流运动有利于暖锋后期发展后弯, 另一方面辐合场对暖湿空气有阻滞作用, 导致暖锋后弯不充分, 但气旋整体上仍然呈现S-K模型结构特征.

对于辐散流场, 当扰动处于急流南侧时, 辐散流场表现的是有利于形成S-K模型结构倾向, 这与前人研究有所不同.原因是扰动穿越急流后, 冷暖锋距离加大, 辐散流场没有明显的暖湿输送阻滞作用, 暖锋后弯得到发展, 同时辐散流场和穿越急流过程都有利冷暖锋之间距离加大和锋消, 这也解释了东亚大陆地区气旋在辐散流场下出现S-K模型结构特征现象.相对应的扰动处于急流北侧则由于没有穿越急流运动, 自身冷暖锋距离没有加大, 暖锋也没有有效发展, 此时辐散流场则有利于冷暖锋经向发展, 表现为有利于挪威模型结构倾向.