陳逸豪 范廣洲

（成都信息工程大學大氣科學學院/高原大氣與環(huán)境四川省重點實驗室/氣候與環(huán)境變化聯(lián)合實驗室，成都 610225）

0 引言

青藏高原是全球海拔最高、地形最為復雜的高原，青藏高原的熱力作用[1-2]和動力作用[3-4]，對我國及整個東亞地區(qū)的天氣氣候有著重要的作用[5]。青藏高原低渦（以下簡稱高原低渦）是指夏半年發(fā)生在青藏高原主體上的一種α中尺度低壓渦旋，其主要活動于500 hPa等壓面上，平均水平尺度在400～500 km左右，發(fā)展旺盛期可達600～800 km，生命周期約1～3 d。高原低渦一般在青藏高原中西部生成，沿高原切變線或輻合帶東移發(fā)展，常在高原東半部下坡處減弱消失。而在有利的環(huán)流條件下，可東移出高原，高原低渦東移出高原后，不僅影響中國的范圍廣，還可能影響到朝鮮半島、日本，其強度和性質(zhì)也會有變化[6]。

云是地-氣系統(tǒng)輻射收支的主要調(diào)控者[7]，云可以通過反射和吸收太陽短波輻射，從而減少到達地面的太陽輻射，即云的“陽傘效應”[8]；還可通過吸收和反射地表發(fā)射的長波輻射，同時自身也能向外發(fā)射熱輻射，增加地面的凈輻射，即云的“溫室效應”[9]。由于青藏高原的獨特地理位置和氣候背景，造成青藏高原上空的云也表現(xiàn)出獨特的特征，云的類型、空間分布、宏觀和微觀物理特征、日變化、季節(jié)變化以及年際變化都與周邊地區(qū)有著顯著的差異；同時也使其上空的空氣密度比同緯度平原地區(qū)上空明顯較小，因此青藏高原地區(qū)云-輻射表現(xiàn)出獨特的空間結構[10]。Yan等[11]指出在青藏高原地區(qū)，云對大氣的短波輻射效應為加熱，而對大氣層長波輻射效應為冷卻，并且在垂直方向上，夏季青藏高原地區(qū)地表上空8 km的位置存在一個強的輻射冷卻層，而在其下方存在一個強的輻射加熱層。同時云輻射強迫也存在著明顯的晝夜變化，云在夜間為增溫效應，而在白天表現(xiàn)為冷卻效應[12]。這種云輻射效應獨特的水平和垂直分布，以及晝夜變化，對地表和大氣熱力場分布起著重要的作用。

眾所周知，云區(qū)和周圍晴空區(qū)之間的輻射加熱差會造成水平散度場的變化，從而調(diào)節(jié)著對流運動[13]。Webster等[14]指出云底處表現(xiàn)為顯著的凈輻射加熱作用，而在云頂處表現(xiàn)為凈輻射冷卻作用，凈的輻射加熱或冷卻作用表現(xiàn)出日循環(huán)特征，在午后通過云砧吸收短波輻射加熱上層大氣，減小大氣穩(wěn)定度；而在夜間通過云頂長波輻射冷卻，增加大氣穩(wěn)定度。同時云-輻射之間還存在著相互作用的過程，Tao等[15]指出，云和輻射場之間主要通過以下幾種方式相互作用：云頂長波冷卻和云底長波加熱，改變云的熱力層結；云區(qū)和周圍晴空區(qū)的輻射差異造成向云區(qū)的輻合增強；大尺度的輻射冷卻可能改變環(huán)境場（如水汽條件）。而這種云和輻射間的相互作用對中尺度系統(tǒng)的組織、結構以及降水過程都造成了巨大的影響。葛旭陽等[16]利用WRF模式（V3.3.1）研究了在理想條件下，云輻射強迫效應對熱帶氣旋發(fā)展和結構的影響，發(fā)現(xiàn)云輻射效應可通過改變熱帶氣旋云區(qū)的輻射分布來影響對流活動，進而影響其發(fā)展和結構；特別是在熱帶氣旋的發(fā)展階段，對流云區(qū)的云頂輻射冷卻和內(nèi)部輻射加熱作用降低了熱帶氣旋內(nèi)部的靜力穩(wěn)定度，更容易激發(fā)出更多更強的對流活動。

研究表明，高原低渦的形成和發(fā)展與地面和大氣非絕熱加熱場的分布和變化有著密切的關系[17-18]，高原低渦的生成也與高原短波輻射加熱密切相關[19]。許威杰等[20]利用WRF模式研究了凝結潛熱對高原低渦過程的影響，指出凝結潛熱加熱有利于低渦的增強和東移，證明了水汽條件在低渦發(fā)展過程中的重要性。李國平等[21]利用相平面分析法，從理論上證明了高原低渦的渦眼和暖心結構。董元昌等[22]根據(jù)潛熱能的空間分布證實了高原低渦在成熟階段出現(xiàn)與臺風類似的螺旋結構。在低渦熱力結構方面，初生渦從地面到100 hPa都是暖性結構，成熟渦低層是冷中心，高層是暖中心[23]。楊穎璨等[24]猜測低渦的暖心結構可能與太陽輻射加熱、強暖平流或高原感熱加熱有關。然而，目前關于非絕熱加熱對高原低渦的影響的研究多集中于地表感潛熱和大氣潛熱加熱，而關于云輻射強迫效應對高原低渦的影響研究則較少，采用數(shù)值模式探究云輻射效應對低渦發(fā)展和結構的影響更為少見，因此本文利用美國環(huán)境預測中心（NCEP）和美國國家大氣研究中心（NCAR）等科研機構聯(lián)合開發(fā)的中尺度天氣模式（WRF）3.8.1版本，對2015年8月5—7日的一次高原低渦過程進行研究，以探究云輻射強迫效應對高原低渦結構和發(fā)展的影響及其影響機制。

1 模式介紹及試驗設計

利用WRFV3.8.1模式對2015年8月5—7日的一次高原低渦過程進行了4組數(shù)值模擬試驗。模擬區(qū)域中心位置為34°N，90°E，采用雙重嵌套網(wǎng)格，外層網(wǎng)格的水平分辨率為30 km，格點數(shù)為225×156，內(nèi)層網(wǎng)格的水平分辨率為10 km，格點數(shù)為379×271。模式垂直分層為30層，頂層氣壓為50 hPa。初始條件和邊界條件使用每6 h一次的1°×1°水平分辨率NCEPFNL全球再分析資料。模式物理過程參數(shù)化方案為：WSM6云微物理參數(shù)化方案、RRTM長波輻射方案、Dudhia短波輻射方案、修正的MM5 Monin-Obukhov方案、Noah陸面過程方案、YSU邊界層方案和Kain-Fritsch積云對流參數(shù)化方案，模式內(nèi)外層采用的參數(shù)化方案完全相同。本文主要研究云輻射效應對高原低渦過程的影響，由于大氣輻射加熱相比于感熱加熱和潛熱加熱為次要的非絕熱加熱作用，再加上本來模式達到穩(wěn)定狀態(tài)所需要的spin-up時間，所以云輻射效應對大氣中各物理量的影響需要一段時間才會表現(xiàn)出來，因此選取不同初始積分時間進行模擬試驗，以查看云輻射效應對此次高原低渦過程不同階段的影響，以及白天和夜間云輻射效應的不同作用。試驗方案如下：

試驗1：模式中包括所有的物理過程，從2015年8月4日00：00（世界時，下同）開始積分，總共積分72 h，記為CTL1試驗。

試驗2：關閉模式中云對大氣輻射光學厚度的影響（即icloud=0），其余與CTL1試驗相同，記為no_CRF1試驗。

試驗3：模式選取的參數(shù)化方案與CTL1試驗完全相同，從2015年8月5日00：00開始積分，總共積分48 h，記為CTL2試驗。

試驗4：關閉大氣中云對大氣輻射光學厚度的影響（即icloud=0），其余與CTL1試驗相同，記為no_CRF2試驗。

此外，為了更好地區(qū)分白天和夜間云輻射效應的不同作用，結合研究區(qū)域的時區(qū)劃分和CERES衛(wèi)星短波入射輻射通量資料，定義：白天為每天的00：00—12：00；夜間為12：00—次日00：00。

2 模擬結果分析

2.1 天氣過程介紹

2015年8月5日00：00，亞歐中高緯地區(qū)500 hPa高度場呈現(xiàn)“兩槽一脊”的環(huán)流形勢（圖略）。烏拉爾山及貝加爾湖以東為低槽，青藏高原主體以北被一高脊控制，那曲地區(qū)以西有閉合低壓系統(tǒng)生成。2015年8月5日18：00，低壓系統(tǒng)緩慢東移加強，在那曲地區(qū)逐漸形成暖性高原低渦，造成了高原那曲地區(qū)的一次典型的高原低渦降水過程，之后低渦緩慢移出高原。根據(jù)500 hPa風場和位渦分布（圖1），將此次高原低渦過程分為3個階段：高原低渦生成階段（2015年8月5日06：00—18：00）：那曲地區(qū)逐漸出現(xiàn)氣旋性風場，高原低渦生成；高原低渦成熟階段（2015年8月5日18：00—6日00：00）：氣旋性風場范圍擴大，強度也增強，高原低渦在這段時間最為強盛，外圍出現(xiàn)了螺旋狀云帶，中心出現(xiàn)無云區(qū)（圖2b紅圈）；高原低渦東移階段（2015年8月6日00：00—7日00：00）：高原低渦快速向東移動，低渦南側的槽線向西南方向延伸，7日00：00，低渦移至100°E以東。

圖1 2015年8月5日06:00（a），18:00（b），6日00:00（c）和18:00（d）500hPa風場（單位：m/s）和位渦場分布（單位：10-5s-1）Fig.1 Distribution of 500hPa wind field (unit:m/s) and potential vortex field (unit:10-5s-1) on 5,at 06:00 (a),18:00 (b) and at 00:00 (c),18:00 (d) on 6 August 2015 at 06:00 UTC (a),18:00 UTC (b) and at 00:00 (c),18:00 UTC (d) on 6 August 2015

圖2 2015年8月5日18：00（a）和6日00：00（b）FY-2G云頂亮溫TBB分布，以及CTL1（c）和CTL2（d）試驗21：00模式輸出云頂溫度分布（紅圈為渦眼結構）Fig.2 The distribution of FY-2G TBB at 18:00 UTC (a),00:00 UTC (b) on 5 August 2015,and the model output cloud top temperature distribution of CTL1 (c) and CTL2 (d) at 21:00 UTC (The red circle is the vortex eye structure)

2.2 模式模擬能力

為了驗證WRF模式對此次高原低渦過程發(fā)生發(fā)展、移動及其結構的模擬能力，選用NCEP-FNL再分析資料與兩組控制試驗的高原低渦移動路徑進行對比（圖3）。就低渦移動路徑來看，模式可以較好地模擬出此次高原低渦的移動過程，總體移動路徑與再分析資料相一致，但也偶有偏移。江吉喜等[25]以及徐祥德等[26]使用TBB（Black Body Temperature）黑體亮度溫度資料研究了青藏高原地區(qū)對流云和中尺度對流系統(tǒng)的活動，認為TBB資料可用于判斷青藏高原上空對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的強弱；張立鵬等[27]利用風云衛(wèi)星TBB等資料評估WRF模式不同參數(shù)化方案對云頂溫度模擬的能力，指出WRF模式可以較好地模擬出云頂高度和云頂溫度，其中3種單參數(shù)方案對云頂溫度模擬能力最好。在此為了驗證模式對于發(fā)展成熟時期低渦結構的模擬能力，利用FY-2G衛(wèi)星等效黑體亮溫TBB資料與模式輸出的云頂溫度分布進行對比，不難發(fā)現(xiàn)，模式可以模擬出低渦成熟階段其中心的渦眼（渦心無云區(qū)）和外圍的螺旋狀云帶結構，但是渦眼結構出現(xiàn)的時間相比于觀測早3 h左右，并且模擬結果中低渦東側的云偏多。總體來說，模式較好地模擬出了此次高原低渦過程發(fā)展移動狀況及其成熟階段的結構。

圖3 FNL再分析資料（a），CTL1（b）和CTL2（c）試驗的2015年8月5日06：00—6日18：00高原低渦移動路徑Fig.3 FNL reanalysis data (a),CTL1 (b) and CTL2 (c) test of the movement path of the plateau vortex from 06:00 UTC on 5 August to 18:00 UTC on 6 August 2015

從模擬結果的渦區(qū)（29°—35°N，85°—95°E）500 hPa平均絕對渦度（圖4a，4c）和平均風速（圖4b，4d）來看，8月5日06：00—18：00這4組模擬試驗中的渦度和風速都迅速增大，說明此時低渦正快速發(fā)展增強，而后緩慢減弱。在有無云輻射效應模擬的差異方面，相比于no_CRF1試驗，CTL1試驗模擬的高原低渦強度在整個低渦過程中都更強；CTL2試驗與no_CRF2試驗相比，在高原低渦生成階段的強度相當，但CTL2試驗模擬的高原低渦持續(xù)時間更長，減弱時間更晚。此外，兩組CTL試驗與兩組no_CRF試驗模擬的高原低渦強度差異均是大約在模式積分24 h之后才開始變得顯著。這與葛旭陽等[16]利用WRF模式研究云輻射效應對熱帶氣旋的影響時，發(fā)現(xiàn)控制試驗和敏感性試驗之間的差異在積分36 h之后才開始變得明顯的結果類似。因此，主要利用CTL1和no_CRF1試驗的結果來討論云輻射效應在高原低渦生成和成熟階段造成的影響；而積分48 h之后云輻射效應可能使得大氣中各物理量場出現(xiàn)了較大的偏差，no_CRF1試驗中低渦東移階段甚至缺少閉合的氣旋性風場，不利于討論云輻射在此次高原低渦東移過程中對大氣中各物理量場的影響，此時CTL2和no_CRF2試驗在積分24 h之后云輻射效應的作用逐漸表現(xiàn)出來，因此利用CTL2和no_CRF2試驗討論高原低渦東移階段中云輻射效應的影響。

圖4 CTL1（紅線）和no_CRF1（藍線）試驗（a，b）渦區(qū)（29°—35°N，85°—95°E）500 hPa絕對渦度（a）和風速（b）變化；CTL2（紅線）和no_CRF2（藍線）試驗（c，d）渦區(qū)500 hPa絕對渦度（c）和風速（d）變化Fig.4 Absolute vorticity (a) and wind speed (b) at 500 hPa over vortex area (29°—35°N,85°—95°E) of CTL1 (red line)and no_CRF1 (blue line);absolute vorticity (c) and wind speed (d) at 500 hPa over vortex area of CTL2 (red line) and no_CRF2 (blue line)

2.3 高原低渦生成階段中云輻射效應的影響

通過CTL1試驗和no_CRF1試驗的500 hPa風場之差（圖5）可以看出，在有云輻射效應的模擬中，高原低渦在生成階段氣旋性風場形成更快，并且強度也更強。5日09：00（圖5a），CTL1試驗中高原低渦生成源地南側的偏南氣流明顯比no_CRF1試驗強，有利于水汽向渦區(qū)輸送，對低渦的發(fā)展加強起著不可忽視的作用；而5日15時，CLT1試驗相比于no_CRF1試驗的500 hPa風場分布，在氣旋性風場中心處的風場輻合氣流更強，更有利于對流的產(chǎn)生和凝結潛熱的釋放。

圖5 2015年8月5日09:00（a）和15:00（b）CTL1與no_CRF1試驗的500hPa風場差值（CTL1-no_CRF1）分布（單位：m/s）Fig.5 Distribution of the 500hPa wind field difference between CTL1 and no_CRF1 (CTL1-no_CRF1) at 09:00 UTC(a) and 15:00 UTC (b) on 5 August 2015 (unit:m/s)

對比5日06：00—12：00兩組試驗沿28°—32°N平均垂直速度剖面圖，在no_CRF1試驗中（圖6a），渦區(qū)東南側（91°—93°E）出現(xiàn)了一個上升運動大值區(qū)，平均垂直速度最大超過-0.5 Pa/s，500 hPa風場分布上，表現(xiàn)為偏北風和偏南風的輻合；而在CTL1試驗中（圖6b），垂直速度則較弱，平均強度不超過0.3 Pa/s。結合此時沿28°—32°N的CTL1試驗與no_CRF1試驗平均大氣輻射加熱率之差剖面圖（圖6c），發(fā)現(xiàn)位于85°—92°E，250～150 hPa高度的大氣中存在著輻射加熱中心，強度超過4 K/d，高空存在的輻射加熱中心會導致氣溫直減率的減小，從而增加大氣靜力穩(wěn)定度，抑制對流的產(chǎn)生[28]；而在no_CRF1試驗中則沒有輻射加熱中心出現(xiàn)，加上白天地表加熱較強，CAPE值較大，容易觸發(fā)對流，而對流的出現(xiàn)會使得低層氣流輻合，通過補償作用將周圍空氣吸入，不利于此時氣旋性風場南側偏南氣流向北發(fā)展和水汽向渦區(qū)輸送。

圖6 2015年8月5日06：00—12：00CTL1（a）和no_CRF1（b）試驗平均垂直速度，和CTL1-no_CRF1試驗平均輻射加熱率沿28°—32°N剖面Fig.6 Cross section of vertical velocity averaged along 28°-32°N of CTL1 (a) and no_CRF1 (b) on 5 August 201506:00 to 12:00,and that of radiation heating rate of CTL1-no_CRF1

根據(jù)渦區(qū)南側（85°—95°E，28°—32°N）的平均CAPE值變化（圖7），CAPE值存在著明顯的日變化，主要表現(xiàn)為在白天的大值和在夜間的小值，白天由于太陽輻射加熱地表，使得溫度垂直遞減率加大，減小大氣穩(wěn)定度，造成對流有效位能較大；到了夜間，地表長波冷卻使得溫度垂直遞減率減小，從而增加大氣穩(wěn)定度，使對流有效位能減小。就兩組試驗中的差異來看，在低渦生成階段（積分第30～第42時）中CTL1試驗的CAPE值明顯較小，小約50～100 J/kg，這進一步驗證了Harrop等[28]得出的云可在白天通過吸收太陽輻射，降低溫度垂直遞減率，增加大氣穩(wěn)定度，從而抑制對流的結論。綜上所述，白天云輻射效應通過增加渦區(qū)南側的大氣穩(wěn)定度，抑制對流，使得偏南氣流可將水汽向渦區(qū)輸送，對高原低渦的生成和降水提供必要的水汽條件。

圖7 CTL1（紅線）和no_CRF1（藍線）試驗渦區(qū)南側（28°—32°N，85°—95°E）的平均CAPE值變化Fig.7 CAPE of CTL1 (red line) and no_CRF1 (blue line)averaged over south side of vortex area (28°—32°N,85°—95°E)

到了夜間（5日15：00），高原低渦逐漸發(fā)展成熟，500 hPa風場分布上（圖5b），CTL1試驗相比于no_CRF1試驗在低渦中心的東側有一輻合區(qū)，因此推測在此區(qū)域的垂直運動更強，有利于低渦的發(fā)展和移動。結合5日12：00—18：00沿32°—34°N平均的垂直速度剖面圖（圖8a，8b），發(fā)現(xiàn)在CTL1試驗中，低渦中心東側（91°—95°E的位置）存在較強的上升氣流，最大垂直速度達-1.5 Pa/s，高度達150 hPa，不論強度和范圍都比no_CRF1試驗更強更大，與500 hPa風場表現(xiàn)出的渦心東側相對輻合區(qū)相對應；渦心西側也有一個上升氣流區(qū)，但范圍相對較小，渦心處（89°—91°E）則垂直運動不明顯。在低渦生成階段，低層輻合和上升運動是低渦東移發(fā)展的主要因子[24]，所以可認為CTL1試驗中更強的上升氣流可造成低層氣壓降低和氣旋性輻合也更強，有利于高原低渦發(fā)展移動。對比同一時段兩組試驗大氣輻射加熱率差值分布（圖8c），不難發(fā)現(xiàn)，相比于no_CRF1試驗，CTL1試驗中在上升氣流中心的上方存在輻射冷卻中心，強度超過10 K/d，在夜間缺少太陽短波輻射的情況下，云頂長波輻射冷卻作用占主導，長波輻射冷卻會增加大氣溫度直減率，從而導致靜力穩(wěn)定度減弱，增強對流活動[29-30]。因此可認為夜間云頂長波輻射冷卻通過減小高原低渦中心東側的大氣穩(wěn)定度，從而增強對流，利于高原低渦發(fā)展東移。

圖8 2015年8月5日12：00—18：00CTL1（a）和no_CRF1（b）試驗平均垂直速度和CTL1-no_CRF1試驗平均輻射加熱率沿32°—34°N剖面Fig.8 Cross section of vertical velocity averaged along 32°-34°N of CTL1 (a) and no_CRF1 (b) on 5 August 201512:00 to 18:00,and that of radiation heating rate of CTL1-no_CRF1

2.4 云輻射效應對成熟階段低渦結構的影響

利用模式輸出的云頂溫度分布對比兩組試驗模擬的低渦成熟時的結構（圖9），可以看出云輻射效應對其結構造成了較大的影響，CTL1試驗中可以模擬出高原低渦外圍形成的螺旋狀云系和中心的渦眼結構（無云區(qū)），與臺風的結構類似，也與FY-2G衛(wèi)星云圖觀測的高原低渦結構類似；而在no_CRF1試驗中，外圍的螺旋狀云系不明顯且缺少渦眼結構。以下通過對比兩組試驗模擬的低渦水平風場、溫度場、對流以及輻射加熱率分布來討論云輻射效應對高原低渦動力和熱力結構的影響。

圖9 2018年8月5日18：00（a，b）和21：00（c，d）CTL1（a，c）和no_CRF1（b，d）試驗的云頂溫度分布（紅圈為渦心位置）Fig.9 Distribution of cloud top temperature of CTL1 (a,c) and no_CRF1 (b,d) at 18:00 UTC (a,b) and 21:00 UTC (c,d)5 August 2018(the red circle is the position of the vortex center)

對比CTL1和no_CRF1試驗中沿渦心的軸對稱平均切向風分布（圖10a，10b），注意到兩組試驗中的風場均呈現(xiàn)低層氣旋性、高層反氣旋性風場分布，并且氣旋性風場的最大中心均是在高度1 km、距渦心3個經(jīng)緯度左右距離的位置。二者的差異方面，CTL1試驗中低層切向風強度明顯更強；此外，CTL1試驗中正切向風（氣旋性風場）在距渦心1個經(jīng)緯度距離的位置可以發(fā)展到更高的高度（6 km以上），形成類似于臺風中的眼壁結構；而no_CRF1試驗中低（高）層的（反）氣旋性風場的厚度比CTL1試驗中的更?。ê瘢?。這與Ge等[13]通過研究熱帶氣旋，發(fā)現(xiàn)其云區(qū)和晴空區(qū)的輻射差異造成的非絕熱加熱分布可引起邊界層內(nèi)流，從而導致切向風和風暴尺寸的增加的結果相似。通過沿渦心的軸對稱平均垂直速度分布（圖10c，10d），發(fā)現(xiàn)在CTL1試驗中，距渦心1個經(jīng)緯度的范圍內(nèi)，下沉運動占據(jù)主導，并向上延伸到9 km的高度，高原低渦渦心處高層輻合、低層輻散并伴隨有下沉運動的配置有利于渦心處無云區(qū)的產(chǎn)生[18]，表現(xiàn)出渦眼結構，同時，在渦心1個經(jīng)緯度距離以外，4個經(jīng)緯度距離以內(nèi)的范圍內(nèi)為上升氣流主導，利于周圍的云區(qū)形成；而no_CRF1試驗中，渦心處5 km高度的位置有一強上升氣流區(qū)，最強強度超過-0.3 Pa/s，不利于渦心晴空區(qū)的形成，而渦心周圍的低層為弱下沉氣流，對流強度較弱，也不利于對流云的形成，因此no_CRF1試驗中低渦成熟階段的對流云顯著較少。

圖10 2015年8月5日21：00CTL1（a，c，e）和no_CRF1（b，d，f）試驗中沿渦心的平均切向風（a，b）（單位：m/s）和垂直速度（c，d）（單位：Pa/s），以及18：00（e）和21：00（f）平均輻射加熱率（單位：K/d）半徑-高度剖面圖Fig.10 Radius-height cross section of tangential wind (a,b) (unit:m/s) and vertical velocity (c,d) (unit:Pa/s) of CTL1 (a,c,e) and no_CRF1 (b,d,f) averaged along the vortex center at 21:00 UTC,and that of radiation heating rate (unit:K/d) at 18:00 UTC (e) and 21:00 UTC (f) 5 August 2015

從沿渦心的軸對稱溫度離差分布圖（圖11）可以發(fā)現(xiàn)，CTL1試驗模擬的低渦在5日18：00（圖11a）表現(xiàn)為暖心結構，暖中心向上延伸到8 km，地表為冷中心；到了21：00（圖11c），渦心處逐漸轉為冷中心，在低渦眼壁區(qū)仍為暖中心。而no_CRF1試驗模擬的高原低渦在成熟階段暖心結構更加明顯，在距渦心一個經(jīng)緯度的范圍內(nèi)均為暖中心，其強度也比CTL1試驗更強，并且5日18：00—21：00時的變化不大（圖11b，11d）。結合CTL1-no_CRF1試驗的平均大氣輻射加熱率分布（圖11c），由于夜間缺少太陽輻射加熱，整層大氣基本都為輻射冷卻主導，渦心處輻射冷卻中心集中在5 km以下，而其周圍的輻射冷卻中心均位于9 km的高度，這種輻射冷卻中心“內(nèi)低外高”的垂直分布，主要是由于夜間渦心無云區(qū)地表冷卻和外圍云區(qū)云頂冷卻造成的。一方面，從熱源強迫對邊界層流場結構作用的角度[31]，輻射冷卻中心的分布和溫度變化均滿足在渦心處“內(nèi)冷外熱”型加熱分布，因此有利于渦心下沉運動的產(chǎn)生；另一方面，從輻射冷卻影響溫度垂直分布，從而影響大氣穩(wěn)定度[29-30]的角度來說，渦心無云區(qū)地表冷卻作用增加了溫度垂直遞減率，加大穩(wěn)定度，不利于對流產(chǎn)生，而外圍云區(qū)云頂輻射冷卻作用減弱溫度直減率，減小穩(wěn)定度，利于對流的產(chǎn)生。這種渦心下沉，周圍上升的垂直運動分布，又反過來促進了內(nèi)部無云區(qū)和外圍云區(qū)的形成，構成一個正反饋過程，因此在有云輻射效應的模擬中更有利于低渦渦眼結構的產(chǎn)生。

圖11 2015年8月5日18：00（a，b）和21：00（c，d）和CTL1（a，c）和no_CRF1（b，d）試驗中沿渦心的平均溫度離差半徑-高度剖面圖（單位：K）Fig.11 Radius-height cross section of temperature deviation of CTL1 (a,c) and no_CRF1 (b,d) averaged along the vortex center at 18:00 UTC (a,b) and 21:00 UTC (c,d) on 5 August 2018

2.5 高原低渦快速東移階段中云輻射效應的影響

為了研究高原低渦快速東移階段中云輻射效應的影響，選取29°—35°N，90°—100°E作為此次低渦過程的東移區(qū)，分別計算CTL2和no_CRF2試驗6日00：00—7日00：00東移區(qū)平均500 hPa絕對渦度及其增長率、垂直速度以及300～100 hPa大氣輻射加熱率的變化，對此階段云輻射效應對高原低渦東移階段強度和移動速度的影響進行分析。

從6日00：00—7日00：00高原低渦東移區(qū)500 hPa平均絕對渦度變化（圖12a）可以發(fā)現(xiàn)，絕對渦度從6日00：00—15：00逐漸增強，6日15：00—7日00：00減弱，反映了高原低渦的東移過程。6日00：00—12：00，CTL2試驗模擬的絕對渦度較大，且兩組試驗絕對渦度之差從6日00：00開始逐漸增加，到06：00二者差異達到最大，超過0.5×10-5s-1，之后二者差異逐漸減小；6日12：00，no_CRF2東移區(qū)平均絕對渦度變得比CRF2試驗更大；6日18時二者的差異又開始逐漸減小，同時整個東移區(qū)的平均絕對渦度也逐漸減小，此時低渦逐漸東移至100°E以東的區(qū)域。從渦度增長率（圖12c）來看，在6日00：00—06：00（早晨至中午），CTL2試驗的東移區(qū)渦度增長速率更快，而到了6日06：00—15：00左右（中午至傍晚），則no_CRF2試驗的渦度增長率更快；15：00—20：00（夜間），東移區(qū)平均絕對渦度開始減小，而此時no_CRF2試驗渦度減弱速率更快；20：00之后低渦移至100°E以東的地區(qū)，兩組試驗渦度增長率的差異變得較小。

低渦強度的變化可能是由垂直運動引起的低層輻合變化造成的[31]，通過東移區(qū)平均垂直速度的變化（圖12b），不難發(fā)現(xiàn)，從6日00：00—09：00，上升運動明顯增強，而后逐漸減弱；到了6日18：00，垂直運動不明顯，平均強度小于0.05 Pa/s。對比CTL2和no_CRF2試驗東移區(qū)平均垂直運動差異，6日00：00—06：00（早晨至中午），CTL2試驗的上升運動更強；而從6日07：00—15：00（中午至傍晚），此時no_CRF2試驗上升運動更強，但兩組試驗垂直運動的強度減弱，到18：00以后低渦移出高原，垂直運動不明顯。

以上分析表明在低渦東移階段中，東移區(qū)渦度和垂直運動均存在著晝夜變化。結合前人的研究[32]，夜間云頂長波冷卻效應比內(nèi)部長波保溫效應強；而在白天，云區(qū)存在著很強的太陽輻射加熱作用[29]；Zhao等[33]也指出，云輻射效應存在著晝夜變化。所以可以推測，低渦東移階段中，云輻射效應的晝夜變化可能引起低渦強度的晝夜變化。對比東移區(qū)CTL2-no_CRF2試驗300～100 hPa大氣輻射加熱率（圖12d），發(fā)現(xiàn)6日00：00—04：00，上層大氣為輻射冷卻主導，強度逐漸轉弱，可能與夜間缺少太陽輻射，云頂長波冷卻主導，而到了白天，云內(nèi)部吸收短波輻射逐漸增強有關；6日05：00—10：00，上層大氣變?yōu)檩椛浼訜嶙饔弥鲗?，此時正處于中午到午后，太陽短波輻射強度較強，云內(nèi)部吸收太陽輻射大于云頂長波輻射冷卻，因此此時上層大氣為輻射加熱；而到了6日11：00之后，隨著太陽短波輻射逐漸減弱，上層大氣又變?yōu)樵祈旈L波輻射冷卻主導，并維持整個夜間。

圖12 CTL2（紅線）和no_CRF2（藍線）試驗在低渦東移區(qū)（29°—35°N，90°—100°E）500 hPa絕對渦度（a），平均垂直速度（b），500 hPa絕對渦度增長率（c）和CTL2與no_CRF2試驗300～100 hPa輻射加熱率差值（CTL2-no_CRF2）（d）變化Fig.12 Variation of absolute vorticity (a),vertical velocity (b),absolute vorticity growth rate (c) at 500 hPa of CTL2 (red line) and no_CRF2 (blue line),and that of 300～100 hPa radiation heating rate difference between CTL2 and no_CRF2 (d) averaged over 29°-35°N,90°-100°E

總體來看，東移過程中CTL2和no_CRF2試驗中低渦的強度及其變化速率和垂直運動變化之差存在晝夜變化，而這種變化與300～100 hPa大氣輻射加熱率變化較為一致，總體上表現(xiàn)為正午前后的輻射加熱，和其余時間的輻射冷卻，然而注意到絕對渦度增長速率和垂直速度差異的變化落后于輻射加熱率的變化2～3 h左右，這可能是因為大氣輻射加熱是大氣中次要的非絕熱加熱過程，并且動力場需要一段時間來適應熱力場的變化[34]，因此，云通過可能調(diào)節(jié)晝夜間大氣輻射加熱率垂直分布的變化，影響大氣穩(wěn)定度，進而控制著高原低渦東移過程中強度和移動的晝夜變化；而當?shù)蜏u東移出高原后，其強度減弱，云輻射效應的影響變得不顯著。

3 結果與討論

本文主要利用NCEP-FNL再分析資料驅(qū)動WRF（V3.8.1）模式，對2015年8月5—7日的一次高原低渦進行模擬，并關閉云輻射效應（icloud=0）做敏感性試驗進行對比分析。結果發(fā)現(xiàn)：總體來說，有云輻射效應的模擬相比于無云輻射效應的模擬中，生成的高原低渦強度更強，維持的時間更長，并且渦心結構更加明顯，說明云輻射效應對高原低渦的發(fā)生發(fā)展及其結構產(chǎn)生了一定的影響。

進一步的分析表明，云輻射效應主要通過改變高原低渦云區(qū)的輻射分布來影響大氣穩(wěn)定度，進而影響低渦的發(fā)生發(fā)展及其結構特征，并且在高原低渦活動的不同階段云輻射效應的作用不同，具體來說表現(xiàn)為：在高原低渦的生成階段，白天云通過吸收太陽短波輻射，加熱上空大氣，減小大氣垂直遞減率，抑制低渦東南側對流，減小低層由于質(zhì)量補償作用引起的輻合，從而增加低層氣旋性風場和向低渦東側的水汽輸送；夜間云頂輻射冷卻作用主導，而云中下層通過長波逆輻射作用對大氣進行保溫，從而增加中上層大氣不穩(wěn)定度，導致垂直運動的增強，從而有利于高原低渦的發(fā)展和東移。隨著高原低渦發(fā)展進入成熟階段，低渦中心逐漸形成渦眼結構，渦心無云區(qū)和周圍云區(qū)在夜間輻射冷卻的水平和垂直差異，改變大氣穩(wěn)定度的水平和分布，從而造成空氣在渦心下沉、周圍上升，這反過來促進渦心無云區(qū)和周圍云區(qū)的形成，構成一個正反饋過程，促進渦眼結構的出現(xiàn)。在高原低渦的東移階段中，云輻射效應可能對低渦的強度和東移速率的變化造成了一定的影響，而當?shù)蜏u移出高原主體后，其強度逐漸減弱，此時云輻射效應的影響則變得不顯著。

然而，本文得出的結論是基于個例研究的結果，還需在未來對更多的高原低渦個例進行模擬試驗，以明確云輻射效應對高原低渦過程的影響。此外，本文未排除下墊面、低渦與環(huán)境場之間的相互作用對模擬試驗的影響，在今后的工作中有必要對其進一步研究。