气象学报  2014, Vol. 72 Issue (3): 417-427   PDF    
http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2014.030
中国气象学会主办。
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王宗敏, 丁一汇, 张迎新, 李江波, 田利庆, 赵玉广. 2014.
WANG Zongmin, DING Yihui, ZHANG Yingxin, LI Jiangbo, TIAN Liqing, ZHAO Yuguang. 2014.
西太平洋副热带高压的边界特征及其附近暖区对流雨带成因
The border characteristics of the western North Pacific subtropical high and the cause of convective rain belts in the nearby warm area
气象学报, 72(3): 417-427
Acta Meteorologica Sinica, 72(3): 417-427.
http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2014.030

文章历史

收稿日期:2013-10-26
改回日期:2014-1-8
西太平洋副热带高压的边界特征及其附近暖区对流雨带成因
王宗敏1, 丁一汇2, 张迎新1, 李江波1, 田利庆1, 赵玉广1    
1. 河北省气象台, 石家庄, 050021;
2. 国家气候中心, 北京, 100081
摘要:利用NCEP FNLs分析资料,针对2012年7月23日、2013年7月2日下午至夜间发生在西太平洋副热带高压(副高)边缘附近暖区的对流雨带,从动力、水汽、热力和不稳定度等方面分析其产生原因,发现副高存在明显的动力、热力和对流不稳定度边界,对流雨带发生在副高的边界附近。研究结果表明,副高动力边界内部为大范围下沉运动,动力边界外侧存在弱的垂直上升运动;水汽和热力边界内部为高温、高湿,外部则相对干冷;在对流不稳定边界内部,对流不稳定层较深厚,而外部则较浅薄。在副高动力边界的外侧,水汽、热力及对流不稳定边界的内侧附近,有利的水汽条件、对流不稳定条件和动力抬升条件,使得这里容易产生对流活动,形成对流雨带。副高的动力、水汽、热力及对流不稳定度边界,对应了边界附近对流雨带的发展,相比传统的副高标志线,其物理意义更加明确,对暖区对流的预报更具指示意义。
关键词西太平洋副热带高压     动力边界     热力边界     对流不稳定度边界     对流雨带    
The border characteristics of the western North Pacific subtropical high and the cause of convective rain belts in the nearby warm area
WANG Zongmin1, DING Yihui2, ZHANG Yingxin1, LI Jiangbo1, TIAN Liqing1, ZHAO Yuguang1    
1. Hebei Meteorological Observatory, Shijiazhuang 050021, China;
2. National Climate Center, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China
Abstract:Based on the NCEP FNLs analysis data, this paper studies the mechanisms of convective rain belts developed near the warm edge of western North Pacific subtropical high (WPSH) on 23 July 2012 and 2 July 2013 from the following aspects such as dynamics, vapor, thermal factor and instability. The environment condition analysis shows that WPSH has obvious inner dynamic, thermal factor and instability borders, and the convective rain belts take place nearby the borders.Within the dynamic border of WPSH, there is a downward motion in large range. But on the left side of the dynamic border, there is a weak upward motion. The air is warmer and wetter within the vapor and thermal borders of WPSH, but colder and drier outside. The convective instability within the instability border of WPSH is deeper than that outside. On the left side of the dynamic border and within the vapor, thermal and instability borders, the profitable upward motion, adequate vapor and instability conditions are beneficial to the development convection rain belts near the edge of WPSH. The dynamic, thermal and instability borders of WPSH well correspond to the development of convective rain belts, which shows that the physical meaning of the borders is clearer than the 588 dagpm isoline and is more significant for forecasting the convection development in the warm area near the edge of WPSH.
Key words: Western North Pacific subtropical high     Dynamic border     Thermal border     Convective instability border     Convective rain belts    
1 引 言

2012年7月23日下午至夜间,在西太平洋副热带高压(副高)的西北侧,从山东半岛至湖北北部出现一条长约1000 km的对流雨带。该对流雨带发生于距离锋区较远的暖区内;同时,其穿越了对流层中高层的副高脊线,且走向与500 hPa上588 dagpm、700 hPa上312 dagpm等高线相交而非相随。这说明副高在该带状区域有着不同于588和312 dagpm等高线附近的、有利于对流发生、发展的动力、热力特征,即副高可能存在一个内在的动力、热力边界,而该边界用588或312 dagpm等高线来表示并不合适。类似的雨带并不少见,如2013年7月24、27、28日下午至夜间在华北南部、华东地区出现的对流雨带,2009年7月15日下午至夜间出现在华东至华南、2013年7月2日下午至夜间出现在黄淮地区、2013年7月12日傍晚前后出现在黄淮地区的对流雨带等。

早在20世纪70年代,丁一汇等就注意到此类对流雨带,在与陶诗言等合著的《卫星云图使用手册》中给出了此类对流雨带的例子,并指出副高西侧的对流云带在副高内部较强的反气旋辐散气流影响下排列成线状,常可持续2—3 d,其产生在潮湿的西南气流中,与地面强烈加热差异及副高西侧的不稳定有关(中国科学院大气物理研究所,1975)。

关于副高的边界,丁一汇等在《卫星云图使用手册》中指出,卫星云图上副高晴空区边界大致与500 hPa上588 dagpm等高线一致,而在陆地上有时与584 dagpm等高线一致,无云区的边界与588 dagpm等高线的这种关系,经常可用来确定副高的势力范围。因此,研究人员常以588 dagpm等高线来表示副高的边界(Zhang et al,1999尹东屏等,2006赵贤产等,2007黄勇等,2008柯文华等,2008徐远波等,2009尹红萍等,2010曹美兰等,2012)。然而,副高的结构相当复杂。黄士松等(1962)指出,副高并非纯粹动力性质的系统,热力因子对其维持及变化起着甚为重要的作用。吴国雄等(2003)刘屹岷等(2000)He等(2001)也指出,在高压中心或高压脊区,无论是大尺度特征还是天气尺度特征,并非完全的下沉气流,也可有上升运动出现。因此,副高的边界仅用588 dagpm等高线表示,并不一定能真正表示副高的动力、热力结构特征。

姚秀萍等(2005)指出若沿用500 hPa上588 dagpm等高线描述副高边界的确会存在失真现象,建议综合考虑动力、热力因子来重新审视对副高的表征,提出用黑体温度(TBB)大值区来表示副高的范围。

本研究通过对副高西北侧暖区内两个对流雨带产生原因的分析,试图给出副高的动力热力边界特征。首先详细分析了2012年7月23日对流雨带发生的动力、水汽、热力、不稳定条件,以及与这些条件相联系的副高边界特征等;为了进一步说明副高的边界特征,还对2013年7月2日一个类似的对流雨带做简要分析;最后对副高的动力、水汽、热力、不稳定边界的定义进行归纳总结,并给出副高边界附近暖区内对流雨带产生原因的概念模型。 2 2012年7月23日对流雨带发生条件分析 2.1 对流雨带发展过程及降水实况

2012年7月23日下午至夜间,山东半岛至湖北北部(图 1a、b中黑实线)出现一条对流雨带,长度近1000 km。06时(世界时,下同)对流带开始出现(图 1a);10时对流达到最旺盛阶段(图 1b),对流带状结构最清晰;12时对流开始减弱,19时基本消失(图略)。对流云带生命史约为13 h。

从08时10分的雷达回波图上也能看到对流雨带的存在(图 1c)。此时回波带较狭窄,回波强度不均匀,最大回波强度为50—55 dBz。这条对流带造成的降水也极不均匀,06—12时6 h雨量最大值达48 mm,最小值仅几毫米(图 1d)。

图 1 对流雨带的卫星云图、雷达回波和降水量分布(a.对流带发生初始时刻(7月23日06时)的FY-2E红外云图,b.发展较为旺盛时刻(10时)的FY-2E红外云图,c.发展过程中(08时10分)的雷达回波(来自中国气象局气象探测中心),d.06—12时6 h降水量分布,单位:mm) Fig. 1 Satellite cloud image,radar echo chart and the rainfall distribution of convective rain belts(a.FY-2E stationary satellite infrared cloud image at 06: 00 UTC 23 July when the convection is at the beginning stage,b.FY-2E stationary satellite infrared cloud image at 10: 00 UTC 23 July when the convection is well developed,c.radar echo chart at 08:10 UTC 23 July when the convection is developing(from the CMA Meteorological Observation Centre),d.6 h accumulative rainfall distribution from 06: 00 UTC to 12: 00 UTC 23 July,unit: mm)

此对流带上的对流活动符合暖区对流局地性强、持续时间短的特点(曹美兰等,2012)。 2.2 对流带产生的天气形势

图 2给出了06时150 hPa(图 2a)、500 hPa(图 2b)、700 hPa(图 2c)和925 hPa(图 2d)的位势高度场、风场、气温场,分别表示高层、中层和低层的情况;同时给出了FY-2E卫星红外辐射的黑体温度小于-10℃的等值面,表示对流云带位置。

图 2可以看到3个主要云系:最南侧是东海、南海及华南地区与2012年8号台风“韦森特”(Vicente)对应的台风云系;中间为从山东半岛一直延伸至湖北北部的对流云带,此对流云带表示了副高边界所处的位置;在对流云带的西北侧近500 km处,从华北延伸至西北地区南部为一斜压云系,在此斜压云带上没有对流发展,也无降水出现。

图 2 对流带开始出现时刻(06时)150 hPa(a)、500 hPa(b)、700 hPa(c)和925 hPa(d)的位势高度场(黑色等值线,单位: dagpm)、风场、气温场(红色等值线,单位: ℃)以及TBB(色阶,TBB<-10℃,间隔:10℃)(图中黑色直线((30.8°N,112.3°E)—(36.6°N,120.6°E))表示沿对流带所做剖面的位置,红色直线AB((40.3°N,110.1°E)—(25.5°N,122.4°E))和CD((42.4°N,112.1°E)—(27.6°N,124.4°E))表示沿与对流带垂直方向所做剖面的位置) Fig. 2 Geopotential height(black isolines with the 2 dagpm interval),wind,temperature(red isolines with the 2℃ interval)fields and TBB(color shadings with the 10℃ interval;TBB < -10℃)at 06: 00 UTC when the convection is at the beginning stage at 150 hPa(a),500 hPa(b),700 hPa(c),and 925 hPa(d)(The black straight line in((30.8°N,112.3°E)-(36.6°N,120.6°E))shows the location of vertical section along the convective rain belts,and the red straight lines AB in((40.3°N,110.1°E)-(25.5°N,122.4°E)) and CD in((42.4°N,112.1°E)-(27.6°N,124.4°E))denote the location of vertical sections perpendicular to the convective rain belts)

从温度场来看,在对流层中层(500 hPa)对流带位于极锋锋区南侧约500 km处,在低层(700 hPa、925 hPa)则位于自西南伸向东北的暖舌内。说明这条对流带出现在暖区,即所谓的暖区对流。

再看形势场,150 hPa上大陆高压呈东北—西南向,对流带穿越了高压脊线,且其走向与脊线成近30°交角。对流带也穿越了500和700 hPa的副高脊线,且与传统的副高外围标志线588、312 dagpm等高线相交而非相随;925 hPa上,对流带也与副高的外围等高线相交。从风场来看,150 hPa上对流带位于辐散性顺时针环流中,利于对流的发展;500、700 hPa上基本处于西南气流中,存在弱的风速辐散;925 hPa上,台风“韦森特”与副高之间存在一条12 m/s的东南急流,在这支急流的北端即对流带附近,产生偏南风和偏北风的弱辐合,并从海洋上带来充足的水汽,利于对流的发生、发展。

2.3 对流带产生的动力条件

分析对流产生的条件,一般需从抬升、水汽、不稳定条件入手,且三者缺一不可(Doswell,1987Doswell et al,1996Schultz et al,19992007),本研究拟从这3方面来分析该对流带产生的条件。 2.3.1 沿对流带的环境条件

图 3为对流开始出现时刻(06时)沿对流带所做的散度、垂直速度和对流不稳定度()的垂直剖面。可见在对流带上,对流层中低层(500 hPa以下)存在弱的辐合,对流层顶附近(200 hPa以上)存在弱的辐散,500—200 hPa则为辐合、辐散相间的辐合、辐散层(图 3a)。整个对流带基本呈弱的上升运动(图 3b)。从水汽分布看,对流层湿层深厚,尤其在对流层低层(800 hPa以下),比湿超过16 g/kg,满足对流发展的水汽条件(图略)。在对流带上,对流层中低层均呈对流不稳定(图 3c)。综上所述,对流带处的动力、水汽和不稳定条件均有利于对流的发生、发展。

图 3 06时沿图 2中对流带的垂直剖面(a.散度,等值线间隔:1×10-5 s-1;b.垂直速度,等值线间隔:0.1 Pa/s;c.对流稳定度,等值线间隔:2×10-4(K·s2·m)/kg) Fig. 3 Vertical sections along the convective rain belts shown by the black line in Fig. 2 at 06: 00 UTC(a.divergence,interval: 1×10-5 s-1;b.vertical velocity,interval: 0.1 Pa/s;c. ,interval: 2×10-4(K·s2·m)/kg)
2.3.2 与对流带垂直方向的动力条件

为了分析对流带垂直方向的动力条件,图 4、5分别给出了沿对流带垂直方向直线AB和CD所做的散度、垂直速度的垂直剖面(直线AB((40.3°N,110.1°E)—(25.5°N,122.4°E)),CD((42.4°N,112.1°E)—(27.6°N,124.4°E)),见图 2)。

图 4 06时沿图 2中直线AB(a)、 CD(b)的散度(单位: 10-5s-1)的垂直剖面(粗虚线表示副高的动力边界,实线表示辐合,细虚线表示辐散,1000km处的矩形框表示对流带所处位置) Fig. 4 Vertical sections of divergence along AB(a) and CD(b)shown in Fig. 2 at 06: 00 UTC(interval: 1×10-5 s-1; bold dashed lines show the dynamic border of WPSH; solid lines are for convergence and thin dashed lines for divergence; the rectangle at 1000 km shows the location of convective rain belts)

图 4可见,散度的垂直分布十分复杂,但在对流带的右侧(图 4中粗虚折线的右侧,粗虚折线为副高内部高层辐合区和中低层辐散区的左边界线),散度的垂直分布仍具有两个明显特点:首先,对流层的高层(200 hPa附近)存在大范围辐合;其次,在高层辐合区的下方,存在若干辐散、辐合相间的辐散、辐合层(如图 4中实线和细虚线所示)。散度的层状分布特点,尤其是高层辐合的存在,不利于对流运动的发展。

关于副高内散度垂直分布的复杂性,黄士松等(1962)指出,虽然其绝不似通常所想象的模式(低层辐散,高层辐合)那样简单,但仍具有一些明显特征:一般来说,高压区内低层以辐散占优势,高层西部为辐散、

东部为辐合,辐散、辐合强度都很大,辐合并扩展至中心部分。从其文中给出的一张南北剖面图中,可明显看出散度的层状分布特点。

在对流雨带附近(图 4中粗虚折线左侧附近),高层(200 hPa以上)为弱辐散,中低层(500 hPa以下)为弱辐合,虽然强度不大,但对对流运动的发展是有利的。

相对于散度,垂直速度的垂直分布则比较简单。在对流雨带的右侧(即图 5中虚折线的右侧,虚折线为副高内部下沉运动的左边界线)为大范围的下沉运动,不利于对流运动的发展。在对流雨带附近(图 5中虚折线左侧附近),则为弱的垂直上升运动,虽然上升运动较弱,但对不稳定气层的抬升进而释放不稳定能量十分有利。

将副高内部高层辐合区和中低层辐散区的左边界,或者副高内部大范围下沉运动的左边界,定义为副高的动力边界。上述分析表明,副高的动力边界左侧附近的高低层散度分布,以及弱垂直上升运动,对对流带的发生、发展十分有利。鉴于散度垂直分布的复杂性,后述分析仅以副高内部大范围下沉运动的左边界表示副高的动力边界。

图 5 06时沿图 2中直线AB(a)、 CD(b)的垂直速度(单位:Pa/s)的剖面(粗虚线表示副高的动力边界,箭头表示上升或下沉运动,1000km处的矩形框表示对流带所处位置) Fig. 5 Vertical sections of vertical velocity along AB(a) and CD(b)shown in Fig. 2 at 06: 00 UTC(interval: 0.1 Pa/s; bold dashed lines show the dynamic border of WPSH; arrow lines show upward or downward motions; the rectangle at 1000 km shows the location of convective rain belts)
2.4 对流带产生的水汽和热力条件

沿直线AB和CD做比湿q的剖面(图 6)可见,比湿在副高的西北侧存在明显的边界(图 6a、b中阴影和虚线)。在对流层中低层(850—500 hPa),副高内部(边界右侧)为深厚高湿区,副高外部(边界左侧)水汽含量相对较低且湿层较浅。地面附近(地面至850 hPa)存在等比湿线的密集带。

图 6 06时沿图 2中直线AB(a)、 CD(b)的比湿(单位:g/kg)的垂直剖面(灰色阴影和粗虚线表示副高的水汽边界,1000km处的矩形框表示对流带所处位置) Fig. 6 Vertical sections of specific humidity(unit: g/kg)along AB(a) and CD(b)shown in Fig. 2 at 06:00 UTC(gray shadings with bold dashed lines show the vapor border of WPSH; the rectangle at 1000 km shows the location of convective rain belts)

将副高中低层高湿区的左边界及地面附近的等比湿线密集带定义为副高的水汽边界。对流雨带发生在副高的水汽边界内侧附近,具备充足的水汽条件。

相对湿度因与气温有关,故其分布比比湿分布复杂,但仍可分析出明显的边界(图略)。

下面利用包含温度和水汽的物理量——相当位温θe来分析对流雨带发生的热力条件。一般来讲,相当位温θe较大,表示大气为高温高湿,具有较高的能量;相当位温θe较小,表示大气较为干冷。从相当位温θe的垂直分布(图 7)可见,在对流雨带附近,850—400 hPa存在一个随高度向西北倾斜的高相当位温舌(高能舌)。舌区两侧虽然均为上干冷、下暖湿的结构,但二者具有明显的区别:舌区右侧θe数值整体大于左侧,说明具有更高的能量,且干冷区中心垂直高度明显高于左侧。θe的这种分布特点说明舌区右侧具有更强的对流不稳定性(将后述分析)。地面至850 hPa,对流带左侧为等θe线密集带。

图 706时沿图 2中直线AB(a)、 CD(b)的θe(单位:K)的垂直剖面(粗虚线表示副高的热力边界,1000km处的矩形框表示对流带所处位置) Fig. 7 Vertical sections of θe(unit: K)along AB(a) and CD(b)shown in Fig. 2 at 06: 00 UTC(bold dashed lines show the thermal border of WPSH; the rectangle at 1000 km shows the location of convective rain belts)

将850—400 hPa随高度向西北倾斜的高相当位温舌(高能舌)及地面至850 hPa的等θe线密集带(能量锋)定义为副高的热力边界。对流雨带发生在热力边界的右侧附近,具有较好的能量条件,其位置与850 hPa左右的高能舌最为一致。 2.5 对流带产生的不稳定条件

由于该对流带在副高边缘附近的暖区发展,没有冷空气活动造成的斜压扰动,所以,此次对流的不稳定机制主要是对流不稳定。下面分析对流不稳定度和对流有效位能。2.5.1 对流不稳定度

沿直线AB和CD做对流不稳定度的垂直剖面(图 8)可见,副高存在明显的对流不稳定度的边界(=0;图 8中虚线所示)。副高内部(虚线右侧)对流层中低层(400 hPa以下)为深厚的对流不稳定区(>0),而副高外部(虚线左侧)的对流不稳定层则较浅薄,且限于650 hPa 以下。对流带发生在对流不稳定边界右侧附近的深厚对流不稳定区内。将此对流性稳定区和对流性不稳定区的分界定义为副高的对流不稳定边界。

图 8 06时沿图 2中直线AB(a)、 CD(b)的对流不稳定度(单位:10-4(K·s2·m)/kg)的垂直剖面(粗虚线表示副高的对流不稳定边界,1000km处的矩形框表示对流带所处位置) Fig. 8 Vertical sections of (unit: 10-4(K·s2·m)/kg)along AB(a) and CD(b)shown in Fig. 2 at 06:00 UTC(bold dashed line shows the instability border of WPSH; the rectangle at 1000 km shows the location of convective rain belts)

对比图 5可以看到,在副高的动力边界内部(图 5中虚线右侧),虽然具有很好的对流不稳定条件,但因为不具备上升运动条件,所以对流难以发展。但在动力边界左侧、对流不稳定边界右侧附近,由于兼备有利的上升运动条件和对流不稳定条件,所以容易产生对流。这里的上升运动可将不稳定气层抬升,使不稳定能量释放,实际上是提供了对流的触发条件。 2.5.2 对流有效位能

上述分析表明,副高的对流不稳定边界内部对流不稳定较为深厚,外部较为浅薄。反映到地面对流有效位能在对流不稳定边界内部为高值区,外部为低值区。对流不稳定边界在地面则对应一条对流有效位能等值线密集带,对流雨带发生在该密集带的内侧附近。这些均由地面对流有效位能场(图 9)得到证实。副高西侧对流有效位能等值线密集带可认为是副高的对流有效位能边界。

图 9 06时地面对流有效位能(等值线,单位:J/kg)和TBB(色阶,TBB<-10 ℃)(粗直线表示对流带所处位置) Fig. 9 Distribution of the surface CAPE(isolines with the 300 J/kg interval) and TBB(color shade,TBB < -10 ℃)at 06:00 UTC(the bold straight line shows the location of convective rain belts)
3 2013年7月2日对流雨带发生条件的简要分析

为了进一步说明副高西北侧的边界特征及其对对流雨带产生的作用,下面简要分析2013年7月2日对流雨带发生的动力、热力和水汽条件。 3.1 对流雨带的发生、发展过程

从2013年7月2日00时对流雨带发生前的500 hPa形势场、TBB场(图 10a)以及发展消亡过程中的TBB场(图 10b)可见,对流雨带在00时尚未出现,它于06时开始发展,09时发展到最旺盛阶段,12时开始减弱,15时基本消失,发展消亡过程中对流雨带向东南方向移动。对流雨带呈现东北西南向,与584 dagpm等高线相交,而不是与584 dagpm 等高线相随(图 10a);对流雨带发生在500 hPa极锋锋区南侧约500 km的暖区中(图 10a),也处于对流层低层的暖区中(图略)。

图 10 2013年7月2日00时对流雨带出现前的500 hPa位势高度场(黑色等值线,单位: dagpm)、风场、气温场(红色等值线,单位: ℃)和TBB场(色阶,TBB<-10℃)(a),以及对流雨带发展消亡过程中的TBB场(色阶,TBB<-10℃)(b)(图中黑色直线表示对流雨带所处位置,红色直线AB((40.2°N,110.2°E)—(27.7°N,112.9°E))表示沿对流带垂直方向所做剖面的位置) Fig. 10 Geopotential height(black isolines with the 2 dagpm interval),wind,temperature(red isolines with the 2℃ interval)fields,and TBB(color shade,TBB<-10℃)at 00: 00 UTC 2 July 2013 before the convection grows at 500 hPa(a),and TBB(color shade,TBB<-10℃)fields in the development and dissipation processes of the convective rain belts(b)(the black straight line shows the location of the convective rain belts,and the red straight line AB in((40.2°N,110.2°E)-(27.7°N,112.9°E))denotes the location of the vertical section perpendicular to the convective rain belts)
3.2 对流雨带发生的动力、水汽、热力条件及副高西北侧的边界特征

从2013年7月2日00时对流雨带发生前沿对流雨带垂直方向的垂直速度、比湿、相当位温θe以及对流不稳定度的垂直剖面(剖面位置见图 10中红色直线AB((40.2°N,110.2°E)—(27.7°N,112.9°E))(图 11)可以看到,副高西北侧具有明显的动力(垂直速度)、水汽(比湿)和热力(θe)边界特征,且其边界线与上述2012年7月23日的个例十分相似。不同之处在于:此次副高西北侧的边界相对于对流雨带略偏向西北,这是因为所选取的对流发生前时刻(00时)距离对流发展时刻(06时)较远的缘故。之所以没有选取06时的资料进行分析,是因为06时对流雨带已经开始发展,此时大气环境场已经对对流活动的反馈作用有所反应。

图 11 2013年7月2日00时沿图 10中直线AB的垂直剖面(a.垂直速度,单位: Pa/s,粗虚线表示副高的垂直速度边界,箭头表示上升或下沉运动;b.比湿,单位: g/kg,粗虚线表示副高的水汽边界;c.相当位温θe,单位: K,粗虚线表示副高的热力边界;d.对流不稳定度,单位:10-4(K·s2·m)/kg,粗虚线表示副高的对流不稳定边界;700 km处的矩形框表示对流带所处位置) Fig. 11 Vertical sections along AB shown in Fig. 10 at 00: 00 UTC 2 July 2013(a.vertical velocity,unit: Pa/s,bold dashed line shows the dynamic border of WPSH,the arrow lines denote upward or downward motions; b.specific humidity,unit: g/kg,bold dashed line shows the vapor border of WPSH; c.equivalent potential temperature θe,unit: K,bold dashed line shows the thermal border of WPSH; d.convective instability ,unit: 10-4(K·s2·m)/kg; bold dashed line shows the instability border of WPSH; the rectangle at 700 km shows the location of convective rain belts)

分析00时的地面对流有效位能场,同样可以发现对流雨带发生在对流有效位能高值区的边缘内侧附近(图略)。 4 副高边界定义及副高西北侧暖区对流带发展概念模型

根据上述分析,将副高西北侧动力、水汽、热力及对流不稳定边界的定义归纳如下:

(1)动力边界:副高内大范围下沉运动的左边界。边界左侧附近的弱垂直上升运动,对不稳定气层的抬升进而释放不稳定能量十分有利。

(2)水汽边界:副高中低层高湿区的左边界及地面附近的等比湿线密集带。对流雨带发生在副高的水汽边界内侧附近,具备充足的水汽条件。

(3)热力边界:850—400 hPa向西北倾斜的高相当位温舌及地面至850 hPa之间的等θe线密集带,热力边界内部为高温高湿,外部则相对干冷。对流雨带发生在热力边界右侧附近,其位置与850 hPa 左右的高能舌最为一致。

(4)对流不稳定边界:对流性稳定区和对流性不稳定区的分界,分界线上=0。对流不稳定边界内部,对流不稳定层较深厚,而外部则较浅薄,对流不稳定边界在地面表现为对流有效位能等值线密集带。对流雨带发生在对流不稳定边界右侧附近。

上述分析表明,在副高动力、水汽、热力及对流不稳定边界附近,有利的抬升条件、水汽条件及对流不稳定条件,使得这里容易产生对流活动。据此给出了副高动力、热力边界附近对流带发展概念模型(图 12)。

图 12 副高边界附近对流发展的概念模型 Fig. 12 Conceptual model of the convection delelopment nearby the borders of WPSH

副高的动力、水汽、热力及对流不稳定边界,对应了对流雨带的发生发展。588 dagpm等高线作为副高外围标志线,在副高的形状变化、东西进退的研究中是十分实用的,然而,其位置与副高西北边缘附近的对流雨带经常不一致(如本研究的两个个例),以其作为副高边缘对流雨带位置的参考,因其并不包含动力、热力因素,故显然是不合适的。姚秀萍等(2005)指出,588 dagpm等高线作为500 hPa高度场形态学上的特征量,虽然具有直观、易于操作诸多优势,但是在动力学和热力学上缺乏意义。相比而言,副高动力、水汽、热力及对流不稳定边界的物理意义更加明确,对副高外围暖区对流雨带的预报更具指示意义。 5 结 论

相对于副高与冷空气相互作用的对流雨带,产生在副高西北边缘附近暖区的对流雨带较少见,但对此类对流雨带的探讨对副高边界特征研究具有重要意义。由于对流带发生在暖区,没有冷空气活动造成的斜压扰动,因而副高边界问题得以简化。通过对2012年7月23日和2013年7月2日两个对流雨带的动力、水汽、热力和不稳定条件进行分析,给出了副高动力、水汽、热力和对流不稳定边界的初步定义。主要结论有:

(1)副高存在明显的动力、水汽、热力和对流不稳定边界。

(2)在副高动力边界外侧、水汽边界内侧、热力边界内侧及对流不稳定边界内侧附近,有利的水汽条件、对流不稳定条件和动力抬升条件,使得这里容易产生对流活动,形成对流雨带。

(3)副高的动力、水汽、热力及对流不稳定边界,对应了对流雨带的发生发展,相比传统的副高标志线(588 dagpm等高线),该副高边界的物理意义更加明确,对副高边缘附近暖区对流雨带的预报更具指示意义。

需要强调的是,本研究给出的副高动力、水汽、热力和对流不稳定边界仅是初步的,尚需利用更多个例做进一步分析和总结。

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