热带扰动原理与能量来源
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1引言
目前研究认为[1-5]，中纬度地区天气尺度系统的发展与斜压不稳定有密切关系，在中高纬度地区，增长模繁殖法(BGM)得到的快速发展的扰动受斜压不稳定控制，即斜压不稳定是扰动发展的一种动力学机制。因此，增长模繁殖法已经广泛应用于中高纬地区的中期集合预报中，并取得了较好的效果。而热带地区的情况却不同，热带正压不稳定和对流不稳定以及它们之间的相互作用是主导的，所以在热带地区扰动发展的机理是什么？扰动发展的能量来源是什么？这些都是值得研究的科学问题。目前对这些问题的研究还很少，Toth等[2]指出采用BGM法在热带地区生成的扰动比中高纬地区斜压不稳定产生的扰动小得多，生成的扰动大小远小于热带地区的分析误差。而Stensrud[6]指出模式及模式参数化方案直接影响着扰动的产生，如果模式无法反映大气的某种特征，则由此模式产生的集合扰动也无法体现这一特征。本文将采用中期数值预报模式进行敏感性试验，讨论增长模繁殖法得到的扰动在热带地区的发展情况，即BGM法在热带地区的适用性问题，以期能更深入了解BGM法得到的扰动在热带地区的发展机制。
2资料选取和试验设计
试验选取2005年7月30日—8月9日（世界时，下同）为研究时段，选取该时段的NCEP/NCAR每日4次间隔6小时1°×1°再分析资料。为了对热带地区扰动发展的机理进行研究，设计了1个控制试验和3个敏感性试验，具体试验方案如下。
试验1：在繁殖积分过程中打开模式所有的物理过程，此试验称为控制试验；
试验2：在繁殖积分过程中关闭模式中的所有物理过程；
试验3：在繁殖积分过程中关闭模式中的积云对流过程；
试验4：在繁殖积分过程中关闭模式湿物理过程。
试验基于T63L9中期数值预报模式，每个试验方案都自2005年7月30日00时开始起报，初始模取为24小时预报均方根误差乘上[-1，1]均匀分布的随机数，繁殖循环周期取为6小时，繁殖过程中采用动态调整，繁殖时间为10天，共可得到40个时次的扰动场[7-8]。本文定义热带地区为30°S～30°N区域，南北半球中高纬地区分别定义为南北纬30～90°的地区。
3增长模在热带地区发展及其分析
3.1热带地区扰动的分布和演变
扰动动能定义为DE=0.5'2'2×(U+V)，其中'U、'V为扰动风场。扰动动能越大表明扰动发展越旺盛。从分析繁殖3天后850hPa、500hPa及200hPa扰动动能分布可以看出，各等压面上的扰动主要集中在热带地区。图1仅给出500hPa等压面上扰动动能的全球分布情况。由图1可见，扰动主要分布在30°S～30°N之间，其中主要的扰动中心自西向东分别位于：(A)60°E的印度半岛；(B)90°E的印度尼西亚西部，该处扰动动能最强，达到240m2/s2；(C)140°E的台湾及菲律宾以东的西太平洋洋面上；(D)140°W的东太平洋洋面上；(E)80°W的南美洲西部赤道地区。
3.2热带地区扰动分布与OLR的关系
众所周知，热带地区积云对流旺盛，对流凝结潜热的释放对热带大气系统的发展起着至关重要的作用，所以热带地区扰动发展的机制也应首先考虑积云对流作用。外逸长波辐射(OLR)是描述热带对流的常用物理量，通常认为OLR<230W/m2的区域为有深对流发生的地区[9]。图2是8月2日00时热带地区OLR<230W/m2的分布，为使分析更清晰，图中所示区域为30°S～90°N。对比图2和图1可以看到，在热带地区OLR<230W/m2的区域与扰动动能有较好的对应关系，其中对应较好的区域有：印度半岛及赤道印度洋(60～120°E，0～30°N)、西太平洋(120～150°E，10～30°N)、80°W南美洲西部赤道地区。此外，图1表明在140°W的东太平洋洋面上积云对流发展并不是很旺盛，范围不大，然而图2的这一区域，扰动的分布范围明显大于积云对流区。其原因可能是这一区域远离大陆，观测资料相对稀少，初值不确定性更大所造成的。图2中OLR<230W/m2的区域还分布在150～180°E，30°S～30°N的太平洋洋面上以及大西洋赤道上，这在图1中没有表现出扰动与之对应或表现出的扰动很弱。
3.3扰动动能和动能变率的计算
由前面对热带地区扰动分布与OLR分布关系的分析可以看到，在热带地区采用BGM法繁殖得到的扰动分布与积云对流区对应较好，由此可以推测热带地区扰动的发展与积云对流活动可能有很大关系。为证实这一推论，进一步揭示热带地区扰动发展的机理，需进行上文的敏感性试验方案。对4个试验中繁殖得到的40个时次的扰动场分别计算热带地区、南北半球中高纬地区的扰动动能及试验方案改变后扰动动能变率。前面已经给出任意一点上的扰动动能计算公式，而对于均方根意义下区域扰动动能的计算公式为，211NkikiENDE==∑(1)式中k代表任一等压面；i取1～N，N为研究区域内的资料格点数；ikDE为格点上的扰动动能大小；kE为整个研究区域的扰动动能大小。定义此物理量用来度量整个区域内扰动动能大小，kE越大则表示此区域内扰动发展越强。为了研究试验方案（试验2～4）改变后，相对于控制试验（试验1）扰动动能大小的改变率，定义扰动动能变率为[10-12]，11jktktjktktEERE=(2)式中j为试验方案序号，j=2,3,4；k代表任一等压面；t为积分时间，从2005年7月30日00时开始计算扰动变率，每12小时计算一次，共计20个时次，t的取值范围为1～20；ktE1代表控制试验在研究区域内在第t个时次第k层等压面上扰动动能大小；jktR代表在研究区域内第j个试验方案相对于控制试验扰动动能变率。当jktR<0时，表明在试验j方案下，研究区域内扰动相对于控制试验衰减了，且jktR值越小衰减越厉害，也就是说试验方案中被调整的物理过程有利于扰动的发展；当jktR>0时，表明在试验j方案下，研究区域内扰动相对于控制试验增强了，扰动增长更快，也就是说被调整的物理过程不利于扰动的发展。
3.4扰动动能的演变特征
通过分析热带地区各试验中扰动动能分布及扰动动能变率的演变，揭示在热带地区采用增长模繁殖法得到的扰动的发展机理，并通过与中高纬地区的对比分析，得出热带地区扰动的发展机理及与中高纬地区的本质差异。在试验2中，模式关闭所有物理过程，即只有动力过程在起作用。图3为试验2中全球扰动动能分布，可以看出试验2中，全球南北纬30°之间的扰动几乎全部消失，此时的扰动主要集中在南北中高纬地区。为了更加清楚地认识物理过程对热带地区扰动发展的影响。图4a～4c分别给出试验2中热带地区、南北半球中高纬地区扰动动能变率随时间的演变。由图4可看到，试验2中热带地区在10天繁殖内1000～200hPa都呈现负的扰动动能变率，尤其是繁殖2天后，变率基本都达到-0.5以下。中层500～600hPa在繁殖4～5天后，扰动变率可达-0.7。低层850hPa附近在繁殖5天后扰动变率始终维持在-0.7。可见在热带地区，物理过程对扰动的发展起着决定性作用，若不考虑大气中的物理过程，扰动动能会迅速减少。南半球中高纬地区在10天繁殖时间内各等压面扰动变率几乎都为正值，也就是说在南半球中高纬地区，物理过程不是控制扰动发展的主要因子，而扰动发展主要依靠的是大气背景场造成的动力过程。可见，在中高纬地区扰动发展主要依靠大气的动力机制，而中高纬地区这种动力机制即为大气的斜压不稳定。图4c为北半球中高纬地区扰动变率随繁殖时间的演变情况，可以清楚看到在前6天时间内变率为正，6天之后变率转为负值，最低可达-0.5。为进一步分析北半球中高纬地区扰动变率的这种突变（由正值变为负值），将初始背景场向后推迟2天，模式自8月1日00时开始起报，繁殖10天后扰动变率演变如图4d所示。由图可见，300～800hPa等压面上扰动变率的突变时间也相应提前2天，可见北半球中高纬地区物理过程对扰动发展的影响还与增长模繁殖过程中的背景场有关。整体来说，中高纬地区扰动的发展与大气斜压不稳定有关。图5为试验3中繁殖3天后全球扰动动能分布。在试验3中，模式积分过程中不考虑积云对流参数化方案，对比图5与图1可知，控制试验中的扰动A、D、E消失，扰动B、C强度都有所减弱，其中扰动B强度由240m2/s2减小为160m2/s2，C强度由120m2/s2减小为60m2/s2，强度减弱50%左右。由此可见，积云对流对热带地区扰动发展起着至关重要的作用。由试验3的热带地区、南北半球中高纬地区扰动动能变率随时间的演变来看（图6a～6c），热带地区（图6a）扰动动能变率经过1天左右时间调整后，700hPa以上等压面呈现为负值，繁殖过程中的第2～3天，200hPa扰动变率最低可达-0.4，第3～5天400hPa附近的中层大气也达到-0.4，此后变率增大，但仍为负值，即此时积云对流对扰动发展仍有影响，但影响变弱。由此得出结论，积云对流在繁殖前5天时间内对热带地区扰动的发展的确发挥重要作用。南半球中高纬地区（图6b）扰动在繁殖的前5天时间内，变率为正值，即此段时间内扰动的发展与积云对流关系不大，而第6～8天变率呈较强的负值分布，中层最低可达到-0.4，高层甚至可达-0.6。为了解释扰动变率演变过程中的这种突变，将繁殖起始时刻从2005年7月30日00时推后到8月1日00时，繁殖过程的具体实施方案与前相同，由此得到扰动动能变率随时间的演变（图6d），可以看到当繁殖过程中采用2天后的背景场时，原本第6～8天出现的负变率也相应提前了2天左右。可见南半球中高纬地区表现出的扰动对积云对流较强的敏感性与繁殖循环过程中的背景场关系密切。图6c为北半球中高纬地区扰动动能变率随繁殖时间的演变，在整个繁殖时段内，各等压面上变率几乎都为正值，即北半球中高纬地区扰动的发展受积云对流作用不大。图7为试验4中繁殖3天后全球扰动动能分布。试验4是在模式积分过程中，不考虑湿物理过程的情况。相对于试验3来说，控制试验中扰动B、C强度进一步减弱，扰动B由试验1中的240m2/s2减小为60m2/s2，强度减弱了70%以上，扰动C强度由120m2/s2减小为20m2/s2，强度减弱了80%以上。图8a～8c为试验4在热带地区、南北半球中高纬地区的扰动变率随时间的演变。在试验4中热带地区扰动变率随时间演变趋势与试验3相似，只是在初始繁殖时段内略有不同，试验4中变率没有由负值变为正值后又转为负值的调整过程，而是在700hPa等压面以上扰动变率始终为负。另外，中心为-0.4的负变率值在高层200hPa附近可一直维持到第4天，中层400～500hPa在繁殖的第3～5天也可达到。综上所述，湿物理过程对热带地区扰动的发展有着重要影响，这种影响比积云对流更重要。中高纬地区扰动变率随时间演变情况与试验3基本相似。
3.5对流区内扰动动能的演变特征
由前面分析可知，试验3和试验4中不考虑积云对流参数化方案和湿物理过程后，热带地区扰动动能相对减少40%，这只是对整个热带地区扰动变化的一个平均度量，即积云对流和湿物理过程对整个热带地区扰动发展的平均贡献。而实际上，由图2的OLR分布可以看出，积云对流并不是在热带地区处处发生，这样进行整个区域的平均计算可能会使积云对流的作用变小，减弱积云对流对扰动发展的贡献。为更客观揭示积云对流与扰动发展的关系，进一步分析对应于OLR<230W/m2的扰动动能与DE>30m2/s2区域内两者的关系。在图1中热带地区对应于OLR<230W/m2的扰动A～E，由于其强度相对其他区域大得多，故在图中表现为强扰动中心分布，而其他区域扰动在图中没有反映。在此将热带地区扰动动能DE>30m2/s2时定义为强扰动。为了揭示这部分发展强盛的扰动与积云对流及湿物理过程的关系，再次分析试验3、4中热带地区扰动变率随繁殖时间的演变情况。在此处变率的计算公式与前面公式（1）和（2）相同，只是N代表的是DE>30m2/s2区域内的资料格点数。图9a、9b为扰动动能DE>30m2/s2的区域内，试验3和试验4中扰动变率随繁殖时间演变情况。在图9a中，试验3相对于控制试验扰动变率由低层到高层几乎都呈很低的负值分布，尤其在400～500hPa的中层大气附近，在整个繁殖时间内，变率基本维持在-0.7，第4～5天可达-0.8。由此可见，在热带地区的强扰动基本是受积云对流作用发展起来的，繁殖得到的扰动很好反映了热带地区的CISK不稳定作用。图9b表明，试验4的湿物理过程对扰动发展有更大的作用，扰动变率演变情况与试验3相似，在繁殖第3～4天中层变率几乎都维持在-0.8。在3.4节中对试验4的结果分析已经得到：在8月2日00时位于90°E印度尼西亚西部的扰动B及140°E台湾及菲律宾以东的西太平洋洋面上的扰动C受湿物理过程影响很大。综上所述，在热带地区尤其在中层，积云对流及湿物理过程对扰动的发展起着决定性作用，BGM法繁殖得到的扰动可以反映积云对流及湿物理过程对初始扰动发展的作用。这反映了大气的初始场不确定性对预报结果的影响依赖于大气中的物理过程，特别是湿物理过程。
4结论和讨论揭示了在热带地区增长模繁殖法也可得到快速发展的扰动后，研究了在热带地区扰动发展的机制，并与中高纬地区作对比分析。此外，讨论了不同大小的初始模扰动发展的机理。
（1）采用BGM法繁殖得到的风场扰动在中层主要集中在30°S～30°N之间的热带地区，且扰动分布与热带地区的积云对流区基本吻合。
（2）在热带地区BGM法繁殖得到的扰动动能大值中心分布与对应时次的OLR<230W/m2分布区域基本对应，即在热带地区积云对流强盛区，也是扰动快速增长的区域。
（3）热带地区扰动的发展主要受物理过程作用，其中积云对流及湿物理过程对扰动的发展起决定性作用，BGM法繁殖得到的扰动可反映积云对流及湿物理过程对初始扰动发展的作用；而中高纬地区扰动的发展与大气动力过程关系更密切，而物理过程对中高纬地区扰动发展的影响主要与繁殖循环过程中的背景场有密切关系。
（4）积云对流及湿物理过程在繁殖前5天时间内，对热带地区扰动发展有较强影响；当不考虑积云对流及湿物理过程时，相对于控制试验的扰动动能减小可达80%。本文虽然对BGM方法在热带地区的适用性及其发展机理做了系统的分析和讨论，但得出的结论是否与模式有关还需进一步的研究。另外针对不同季节、不同个例BGM法在热带地区的适用性也值得进一步分析。