Acta Meteorologica sinica气象学报2014.72(2) 低空急流的日变化特征具有重要的影响。有关该方行详细介绍 面的研究工作将在“低空急流形成演变机制”部分进 1200 36004800 Terrain elevation (m L LJ index (m/s) 12000 3000 34N,94W12:0015:0018: 0000:0003:0006:0009:0012:00LST 68101216 Wind speed (m/s) 图21985—2005年7月美国大平原地区(图lc位置①)强夜间低空急流事件(≥第90百分位) 合成特征(a.地形高度,b平均夜间低空急流指数(色阶)和地表以上500m高度风场(矢线) c.平均风速剖面(沿图2b粗白线位置),d.急流核区平均的时间-高度风速演变(图2b白点所在位置)(Rife,eta,2010)) Fig 2 Composite characteristics for strong (>90th percentile) NLLJ events for the Great Plains region (site 1 in Fig lc)for July during 1985-2005. (a) Terrain elevation within the region (MSL) (b)meanNLLJ index(shaded)and 500 m AGL winds (arrow).(the thick white line denotesthe the jet core, denoted by the white circle in (b)(Rife, et al. 2010) Deed wlhn a location of the cross section shown in panel (c), and the white circle denotes the point at or near jet core, and marks the location of the time-height plot shown in panel (d)),(c) cross section of the mean wind speed along the white line in (b), and (d) mean time
低空急流的日变化特征具有重要的影响。有关该方 面的研究工作将在“低空急流形成演变机制”部分进 行详细介绍。 图２ １９８５—２００５年７月美国大平原地区（图１ｃ位置①）强夜间低空急流事件（≥第９０百分位） 合成特征（ａ．地形高度，ｂ．平均夜间低空急流指数（色阶）和地表以上５００ｍ 高度风场（矢线）， ｃ．平均风速剖面（沿图２ｂ粗白线位置），ｄ．急流核区平均的时间高度风速演变（图２ｂ白点所在位置）（Ｒｉｆｅ，ｅｔａｌ，２０１０）） Ｆｉｇ．２ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｆｏｒｓｔｒｏｎｇ（≥９０ｔｈｐｅｒｃｅｎｔｉｌｅ）ＮＬＬＪｅｖｅｎｔｓｆｏｒｔｈｅＧｒｅａｔＰｌａｉｎｓｒｅｇｉｏｎ （ｓｉｔｅ１ｉｎＦｉｇ．１ｃ）ｆｏｒＪｕｌｙｄｕｒｉｎｇ１９８５－２００５．（ａ）Ｔｅｒｒａｉｎｅｌｅｖａｔｉｏｎｗｉｔｈｉｎｔｈｅｒｅｇｉｏｎ（ＭＳＬ）， （ｂ）ｍｅａｎＮＬＬＪｉｎｄｅｘ（ｓｈａｄｅｄ）ａｎｄ５００ｍ ＡＧＬｗｉｎｄｓ（ａｒｒｏｗ）．（ｔｈｅｔｈｉｃｋｗｈｉｔｅｌｉｎｅｄｅｎｏｔｅｓｔｈｅ ｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｓｈｏｗｎｉｎｐａｎｅｌ（ｃ），ａｎｄｔｈｅｗｈｉｔｅｃｉｒｃｌｅｄｅｎｏｔｅｓｔｈｅｐｏｉｎｔａｔｏｒｎｅａｒｔｈｅ ｊｅｔｃｏｒｅ，ａｎｄｍａｒｋｓｔｈｅｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｉｍｅｈｅｉｇｈｔｐｌｏｔｓｈｏｗｎｉｎｐａｎｅｌ（ｄ）），（ｃ）ｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅ ｍｅａｎｗｉｎｄｓｐｅｅｄａｌｏｎｇｔｈｅｗｈｉｔｅｌｉｎｅｉｎ（ｂ），ａｎｄ（ｄ）ｍｅａｎｔｉｍｅｈｅｉｇｈｔｏｆｗｉｎｄｓｐｅｅｄｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅｊｅｔｃｏｒｅ，ｄｅｎｏｔｅｄｂｙｔｈｅｗｈｉｔｅｃｉｒｃｌｅｉｎ（ｂ）（Ｒｉｆｅ，ｅｔａｌ，２０１０） １９６ 犃犮狋犪犕犲狋犲狅狉狅犾狅犵犻犮犪犛犻狀犻犮犪 气象学报 ２０１４，７２（２）
刘鴻波等:低空急流的研究进展与展望 12:0015:0018:0021:0000:0003:0006:0009:0012:00LST-4 w(m/s) 图3(a) Fort Meade测站风廓线仪观测的2001年6月19日12时-20日12时(当地时间) 水平风及等风速线(点线,每隔2m/s)的时间-高度剖面 (阴影区域表示水平风速超过10m/s,每一矢羽风速值为5m/s); (b)6月19日21时-20日20时(当地时间)地表以上500m高度处的逐时速矢端迹 (箭头表示日落及风速达到极大值时所对应的水平风矢量( chang,eta,2006)) Fig 3 (a) Time-height cross section of horizontal wind and isotach( dotted, every 2 m/s) from the wind profiler observations at Fort Meade for the period 12: 00 LST 19 June-12: 00 LST 20 June 2001: shading denotes the layers of horizontal winds exceeding 10 m/s(a full barb is 5 m/s). And (b)hodograph at hourly intervals taken at 500 m AGL for the period 21: 00 LST 19 June- 20: 00 LST 20 June 2001: the arrow denotes horizontal wind vectors given near sunset and at the time of peak magnitude(Zhang, et al. 2006) 低空急流的日变化现象得到重视的主要原因在对浙江北部地区多次暴雨过程的研究也发现夜间暴 于其与降水过程的日循环特征存在着密切的联系。雨发生前12小时就会有低空急流建立。 明显,以致于造成很大的不稳定性,有利于对流系统3低空急流形成和演变机制 发展,雷暴或强对流天气往往在夜间得到加强和发 对于以上低空急流结构及演变特征的成因,已 展(陶诗言等,1980)。 Higgins等(1997)指出,低空有大量的研究。本文将这些低空急流形成理论归纳 急流事件发生时美国北部和大平原地区的降水显著为5个方面并逐项进行总结。 增多而墨西哥湾沿岸及东部沿海地区的降水则有所3.1惯性振荡 减少,受低空急流活动的影响,夏季美国大平原地区 大气边界层内部湍流活动及边界层厚度随着太 夜间的降水量较白天高出25%,而在低空急流的作阳辐射的变化存在显著的日循环特征。日落后湍流 用下该区域夜间的水汽收支也较平均值高出45‰%。垂直混合过程减弱,近地表位置形成了浅薄的逆温 Liu(2012)数值模拟结果发现江淮地区的降水过程层,逆温层以上的水平风在残余层内与地表解耦,即 存在着显著的双峰双谷特征,即清晨及傍晚降水最不再受到地表摩擦作用的影响,因此在白天处于次 强而中午及午夜降水最弱,而同一时段内的低空急地转状态下的水平风场便具有向地转平衡演变的趋 流也存在着清晨最强而在午后减弱或消失的日变化势。在科里奥利力与惯性离心力的共同作用下便形 现象。由于急流日变化过程中风向顺时针旋转异常成了惯性圆运动,从而导致低空急流的惯性振荡机 所造成的辐合场形势对江淮流域清晨的降水峰值进制,这种惯性振荡的周期约为17h,即半个傅科摆 行了很好的解释,而长江下游地区午后降水的低值的振荡周期( Blackadar,1957; Stensrud,1996;郝为 则主要是由于高原向东的暖平流抑制了该地区午后锋等,2001),与此同时风场也经历了一次由次地 的局地热对流所致(陈昊明,2009)。徐娟等(2013)转一准地转一超地转的演变过程。 Blackadar(1957)
图３ （ａ）ＦｏｒｔＭｅａｄｅ测站风廓线仪观测的２００１年６月１９日１２时—２０日１２时（当地时间） 水平风及等风速线（点线，每隔２ｍ／ｓ）的时间高度剖面 （阴影区域表示水平风速超过１０ｍ／ｓ，每一矢羽风速值为５ｍ／ｓ）； （ｂ）６月１９日２１时—２０日２０时（当地时间）地表以上５００ｍ 高度处的逐时速矢端迹 （箭头表示日落及风速达到极大值时所对应的水平风矢量（Ｚｈａｎｇ，ｅｔａｌ，２００６）） Ｆｉｇ．３ （ａ）Ｔｉｍｅｈｅｉｇｈｔｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｏｆｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｗｉｎｄａｎｄｉｓｏｔａｃｈ（ｄｏｔｔｅｄ，ｅｖｅｒｙ２ｍ／ｓ） ｆｒｏｍｔｈｅｗｉｎｄｐｒｏｆｉｌｅｒｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓａｔＦｏｒｔＭｅａｄｅｆｏｒｔｈｅｐｅｒｉｏｄ１２：００ＬＳＴ１９Ｊｕｎｅ—１２：００ＬＳＴ２０Ｊｕｎｅ２００１； ｓｈａｄｉｎｇｄｅｎｏｔｅｓｔｈｅｌａｙｅｒｓｏｆｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｗｉｎｄｓｅｘｃｅｅｄｉｎｇ１０ｍ／ｓ（ａｆｕｌｌｂａｒｂｉｓ５ｍ／ｓ）．Ａｎｄ （ｂ）ｈｏｄｏｇｒａｐｈａｔｈｏｕｒｌｙｉｎｔｅｒｖａｌｓｔａｋｅｎａｔ５００ｍ ＡＧＬｆｏｒｔｈｅｐｅｒｉｏｄ２１：００ＬＳＴ１９Ｊｕｎｅ— ２０：００ＬＳＴ２０Ｊｕｎｅ２００１；ｔｈｅａｒｒｏｗｄｅｎｏｔｅｓｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｗｉｎｄｖｅｃｔｏｒｓｇｉｖｅｎｎｅａｒ ｓｕｎｓｅｔａｎｄａｔｔｈｅｔｉｍｅｏｆｐｅａｋｍａｇｎｉｔｕｄｅ（Ｚｈａｎｇ，ｅｔａｌ，２００６） 低空急流的日变化现象得到重视的主要原因在 于其与降水过程的日循环特征存在着密切的联系。 夜间当低空急流增强时，垂直切变增强，超地转现象 明显，以致于造成很大的不稳定性，有利于对流系统 发展，雷暴或强对流天气往往在夜间得到加强和发 展（陶诗言等，１９８０）。Ｈｉｇｇｉｎｓ等（１９９７）指出，低空 急流事件发生时美国北部和大平原地区的降水显著 增多而墨西哥湾沿岸及东部沿海地区的降水则有所 减少，受低空急流活动的影响，夏季美国大平原地区 夜间的降水量较白天高出２５％，而在低空急流的作 用下该区域夜间的水汽收支也较平均值高出４５％。 Ｌｉｕ（２０１２）数值模拟结果发现江淮地区的降水过程 存在着显著的双峰双谷特征，即清晨及傍晚降水最 强而中午及午夜降水最弱，而同一时段内的低空急 流也存在着清晨最强而在午后减弱或消失的日变化 现象。由于急流日变化过程中风向顺时针旋转异常 所造成的辐合场形势对江淮流域清晨的降水峰值进 行了很好的解释，而长江下游地区午后降水的低值 则主要是由于高原向东的暖平流抑制了该地区午后 的局地热对流所致（陈昊明，２００９）。徐娟等（２０１３） 对浙江北部地区多次暴雨过程的研究也发现夜间暴 雨发生前１２小时就会有低空急流建立。 ３ 低空急流形成和演变机制 对于以上低空急流结构及演变特征的成因，已 有大量的研究。本文将这些低空急流形成理论归纳 为５个方面并逐项进行总结。 ３．１ 惯性振荡 大气边界层内部湍流活动及边界层厚度随着太 阳辐射的变化存在显著的日循环特征。日落后湍流 垂直混合过程减弱，近地表位置形成了浅薄的逆温 层，逆温层以上的水平风在残余层内与地表解耦，即 不再受到地表摩擦作用的影响，因此在白天处于次 地转状态下的水平风场便具有向地转平衡演变的趋 势。在科里奥利力与惯性离心力的共同作用下便形 成了惯性圆运动，从而导致低空急流的惯性振荡机 制，这种惯性振荡的周期约为１７ｈ，即半个傅科摆 的振荡周期（Ｂｌａｃｋａｄａｒ，１９５７；Ｓｔｅｎｓｒｕｄ，１９９６；郝为 锋等，２００１），与 此 同 时 风 场 也 经 历 了 一 次 由 次 地 转—准地转—超地转的演变过程。Ｂｌａｃｋａｄａｒ（１９５７） 刘鸿波等：低空急流的研究进展与展望 １９７