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1、第14卷第4期高原气象Vol.14No.41995年12月PLATEAUMETEOROLOGYDec.,1995①太行山东坡焚风的数值模拟陈明傅抱璞(南京大学大气科学系,江苏省南京市210008)摘要根据太行山区多年的气候统计资料,分析了太行山区焚风的气候特征,并利用数值模式模拟了地形的热力强迫效应和动力影响机制对焚风形成和发展的影响。模拟结果清楚地再现了太行山焚风的气候特征,并揭示出焚风的决定性影响因子及下垫面热力强迫过程的修正作用,指出太行山东坡陡峭的阶梯状下沉地形强迫引起的过山气流,从次临界向超临界状态转换是焚风形成的根本原因。下垫面加热过程削弱了焚风的强度,但冷却作用则使
2、之加强。关键词焚风超临界流热力强迫中图法分类号P4351太行山东坡冬季焚风的气候统计分析太行山东坡的焚风是当地气候的显著特征,对太行山东坡及山前平原广大地区有明显的增温效应。冬半年尤其是冬季,当西北方向冷空气移经太行山区时,一部分在山地西坡受阻堆积,另一部分受山体的强迫抬升作用爬越山顶到达背风坡。在太行山东坡陡峭的阶梯状下沉地形影响下,背风坡下沉气流强烈,强烈的下沉增温效应使东坡及山前平原地区出现温度高值区。表1列出了太行山东西坡测站1月海平面平均气温的对比值。上述几个测站之间纬度相近,在排除了海拔高度和纬度差异的影响之后,可以认为〔1〕其温度差异完全是由地形性因子引起的。表1太
3、行山东西坡测站1月海平面平均气温对比Table1ComparisonofseasurfacemeantemperaturebetweeneastandwestslopesofTaihangMountaininJanuary.组别123456平均东测站获鹿井陉阳泉完县涉县阜平坡气温(℃)-1.4-1.5-0.9-3.6-0.4-1.9-1.6西测站寿阳阳曲太原繁峙沁源原平坡气温(℃)-4.1-4.0-3.1-5.6-2.6-4.7-4.0测站间水平距离(km)10012090160120130120测站间温差(℃)2.72.52.22.02.22.82.4①1994年11月15日收
4、到,1995年1月9日收到修改稿。444高原气象14卷由表1的观测值可看到,太行山东坡气温明显高于西坡,极端差值达2.8℃。表2是太行山大地形引起的增温强度统计。图1是太行山东坡1月平均气温分布图。从表2和图1上我们可以看到,太行山地形引起的增温范围在东部平原地区可达170km,强焚风时可波及254km以远。太行山东坡暖脊南北伸展范围相当广,且平行于太行山走向,呈弓形分布,与太行山地形走向吻合。表2太行山东坡的增温强度和范围Table2ExtensionandstrengthoftemperatureincreaseineastslopeofTaihangMountain.图11
5、月太行山东坡的地形暖脊Fig.1TopographicallyinducedwarmtongueineastslopeofTaihangMountaininJanuary.从上述统计图表中可以看到,太行山东坡地形性增温的强度和范围相当可观,尤其是冬末初春时,焚风效应往往可以使物候期提前,严重影响农业生产和人民生活。2太行山焚风效应的数值研究太行山系呈东北-西南走向,南北长约600km,东西宽约180km,海拔2000m以4期陈明等:太行山东坡焚风的数值模拟445上的高山很多,成为冬季西风气流的天然屏障。我们据此将太行山系焚风效应视为二维问题讨论。取地形追随坐标系统,做坐标变换＊Z
6、=H(Z-ZG)/(H-ZG)＊＊在此系统中,令X轴垂直于太行山走向,Y轴与之平行,Z轴指向天顶,u,v和w＊＊分别是沿X轴、Y轴和Z轴的风速分量,在地形追随坐标系中垂直速度w与自然坐标系中的垂直速度w之间有以下关系＊＊HZ-HZGw=w+uH-ZGH-ZGX〔2〕在地形追随坐标系统中,得到大气运动原始方程组＊duπZ-HZG=-θ+fv+g+Fu(1)tXHXdv=-fu+fug+Fv(2)tdθ=Fθ(3)dt＊uwuZG+＊=(4)XZH-ZGXπH-ZGg＊=-(5)ZHθR/c式中π=cpp(p/p00)。d＊=+u+w＊dttXZ22φHφFΥ=KH2+＊(KZ＊)X
7、H-ZGZZ〔3〕方程中扩散系数的取法,根据Blackadar的讨论,在稳定层结条件下,扩散系数应由局地稳定度参数Ri确定,因此,我们取如下形式1.12v(Ric-Ri)l＊(Ri≤Ric)KZ=RicZ(6)0(Ri>Ric)其中＊＊χZ(Z<200m)Ric=0.25,χ=0.35l=(7)＊70(Z≥200m)由此,方程组(1)—(6)构成一组闭合方程。方程组的数值差分方案是:非线性项采用三次样条插值技术计算,垂直扩散项取隐式差分格式,气压梯度力项用中央差格式,并用静力扣除
