切斷低壓是指西風帶中長波槽強烈發展所形成的具有閉合環流和冷中心的深厚低壓系統。其出現有兩種形式：一種是與阻塞高壓相伴出現；另一種是西風槽被切斷，不伴有阻塞高壓，在切斷低壓北側是平直的強西風帶。這兩種形式都是槽內冷空氣被暖空氣切斷後與北方冷空氣主體脫離而孤立，形成一個完整的被曖空氣所包圍的冷性大渦旋。切斷低壓在700百帕以上才有明顯表現，在300 百帕上最清楚。地面天氣圖上往往是一個冷性高壓與它對應。切斷低壓的雲雨天氣多在東南方。冬季帶來嚴寒和陣雪，夏季能造成持續數天的雷陣雨天氣。
基本介紹
- 中文名：切斷低壓
- 外文名：Cut off low pressure
- 形成：高空冷槽與北方冷空氣交融
- 特點：地面圖上有一冷性高壓與它對應
- 簡述：溫壓場結構比較對稱冷性低壓系統
簡介,特點,切斷低壓引起的平流層空氣深入侵過程的分析,研究背景,數據和方法介紹,研究結論,
簡介
特點
①它主要在對流層中上層，在300層面天氣圖上表現最清楚。
②地面圖上有一冷性高壓與它對應。
切斷低壓是溫壓場結構比較對稱的冷性低壓系統。
切斷低壓是西風帶長波槽不斷加深、南伸，直至槽南端冷空氣被暖空氣包圍並與北方冷空氣主體脫離而形成的閉合低壓。它常常和阻塞高壓相伴生成，並位於阻塞高壓的東南或西南側，與阻塞高壓共同構成了大氣環流中阻塞形勢。
切斷低壓形成後，能維持2—3天或更長時間。
切斷低壓大多發生在冷暖空氣都比較活躍的季節和地區，以春秋兩季較多，北美、西歐地區較多，北太平洋、北大西洋以及亞洲大陸上空也有形成。我國東北地區春末夏初出現的切斷低壓，稱為東北冷渦。
切斷低壓引起的平流層空氣深入侵過程的分析
研究背景
當極區附近的高空槽向中緯度地區延伸得足夠長時，對流層中上層冷槽與高緯冷空氣的聯繫會被暖空氣切斷，形成孤立的閉合氣旋性環流，稱之為切斷低壓(cut-offlow，COL)。
COL的移動比較緩慢，可在局地維持數天，有些甚至可維持2~3周。對北半球COL進行氣候統計時指出，典型COL演變過程大致可分為四個階段：高空槽發展階段、分離階段、切斷過程和最終階段。統計結果顯示，中國北部-西伯利亞、北太平洋東岸與歐洲南部-大西洋東岸是北半球COL的三大頻發區，中國北部-西伯利亞COL位置比北太平洋東岸和歐洲南部-大西洋東岸COL偏北10~15個緯距，因其主要發生在中國東北地區，並在對流層中高層伴隨冷中心，因此我國學者又稱之為“東北冷渦”。COL形成之前，東亞大槽槽前和槽內不斷向下游輸送冷空氣，使東北冷渦持續並得到加強。冷渦前北上的暖平流十分有利於高層擾動的維持，對流層中高層冷渦後冷平流的加強，有利於冷渦的加深發展。對流層高層高值位渦大氣在高空急流的輸送下向下移動，對冷渦加強發展起重要作用。
20世紀40年代，對北美西風帶大尺度擾動的結構和形成機制進行了探討，首次提出了冷渦“cutting-off”概念，指出冷渦的切斷是槽南冷空氣從槽北冷空氣庫分離出來的過程。從理論和個例分析中提出了COL的水平和垂直環流模型，在過COL中心的緯向剖面圖上，冷渦東西兩側的經向風分布趨於對稱。從角動量守恆、渦度和能量守恆推導出冷渦三維結構，並給出冷渦軸對稱的垂直剖面圖，指出漏斗狀對流層頂以上為暖心結構，以下為冷心結構。中緯度COL內部空氣通常來自極區的高位渦庫區，因此，在跨越中緯度對流層頂的等熵面上(~330K)，成熟階段的COL是獨立的閉合高位渦區。在等位溫面上，COL系統內對流層頂比周圍低2~3km，形成了平流層空氣的“垂掛”結構。乾侵入是冷渦發展過程中的典型特徵。冷渦的近地層鋒前有上升運動，易誘發深對流，而對流層雲的潛熱釋放對冷中心的減弱起了重要的作用。國內對COL的結構在觀測、理論及個例模擬方面做了較為詳盡的研究，但研究多集中在對流層，下平流層區域COL的結構研究並不多。
COL形成初期高空急流附近的湍流過程易引起平流層、對流層空氣發生混合，對流層頂摺疊過程可以輸送平流層空氣到對流層。COL演變過程中的分離階段的雙曲點(鞍點)流場的快速拉伸與摺疊形變導致空氣細絲狀結構形成和大氣成分梯度變大，進而引起平流層、對流層物質大尺度準等熵混合。通過飛機觀測發現對流層上部成熟的COL內部氣體濃度兼具有對流層和平流層示蹤氣體的性質，表明平流層與對流層空氣發生混合。對此，給出解釋是，積雨云云砧穿越對流層頂並與平流層臭氧富集的空氣發生混合回到上對流層，然後對流層頂在更高高度上重建。COL發展的最終階段，對流雲引起對流層頂抬升及急流附近小尺度湍流混合過程，從而使得平流層空氣向對流層輸送。COL消亡過程中，通過低壓底部的對流侵蝕過程以及COL外圍的細絲狀結構引起平流層-對流層交換。
臭氧作為示蹤氣體，常被用於平流層-對流層交換的研究。與COL相伴隨的對流層頂摺疊可引起平流層臭氧向對流層的輸送，而且平流層入侵過程也可引起對流層臭氧濃度增加及近地面臭氧濃度升高。臭氧是對流層中一種有效的溫室氣體，由於其對太陽短波輻射和地球長波輻射的調製而產生對於天氣、氣候重大的輻射強迫。熱帶外地區平流層向對流層輸送的臭氧是對流層臭氧的重要來源，中緯度COL對此起重要作用。由COL引起的輸送過程的時間尺度約為幾天，而在對流層中，臭氧的光化學壽命約為22d，因此由平流層向對流層輸送的臭氧可以引起中緯度中低對流層臭氧濃度明顯的擾動。中國北部-西伯利亞是北半球COL的三大頻發區之一，因此，此區域的COL對平流層-對流層交換起到非常重要作用。前人對COL引起的平流層-對流層交換過程及交換機製做了詳盡研究，並且套用軌跡模式對氣塊輸送路徑做了初步研究，但研究多限於二維路徑，對交換過程中平流層氣塊輸送到對流層的三維路徑研究較少，對COL及其周圍空氣塊源地也沒有做詳盡研究。因此研究利用AIRS觀測資料及臭氧探空資料，藉助拉格朗日軌跡模式，對發生於2010年6月19~23日的COL引起的平流層深入侵過程和路徑進行分析，並對COL影響區域內的高臭氧濃度空氣塊源區做了初步模擬。
數據和方法介紹
臭氧探空資料由大氣臭氧探空儀(GPSO3)於2010年6月，在長春(43.54°N，125.14°E)地區進行觀測實驗獲得。GPSO3由中國科學院大氣物理研究所研製。衛星臭氧數據來自AIRS紅外探測器。AIRS搭載在太陽同步衛星Aqua上，有2378個通道的跨軌道紅外探測儀，可提供地球上每個地區一日兩次(白天/夜間)的大氣成分和溫度數據。研究使用數據AIRS-Level2V5.AIRS臭氧數據同北京(39.8°N，116.47°E)GPSO3臭氧探空數據相比，在熱帶外下平流層上對流層區域有較好的一致性。在夏秋季，AIRS臭氧數據在上對流層區域(150~400hPa)為負偏差，約為-2%~-30%，而在下平流層區域(50~150hPa)為正偏差，最大正偏差在70~100hPa，為19%。
研究結論
套用ERA-Interim再分析資料、AIRS臭氧資料及GPSO3臭氧探空資料對東亞夏季一次典型COL演變過程中的動力、熱力及化學結構進行了研究。並套用拉格朗日前向軌跡模式對COL影響下的平流層空氣深入侵過程和路徑做分析。最後，還套用後向軌跡模式對成熟階段COL內部及其周圍空氣塊源地做了初步分析，選取300hPa及500hPa等壓面上特定的空氣塊為研究目標，模擬其三維空間後向軌跡。總結可得如下結論：
圖1 COL氣塊源地示意圖
圖1 COL氣塊源地示意圖(1)高空槽發展階段：高空槽發展為高位渦、高臭氧濃度區域，槽區動力學對流層頂高度較低。槽後偏北風急流引起極區下平流層空氣塊侵入到中緯度對流層中低層。
(2)分離階段：有一個高位渦、高臭氧濃度中心從極區脫離出來。過切斷低壓中心的溫度垂直遞減率剖面圖上，300hPa以下為一深厚冷中心，以上為暖中心。在上對流層下平流層區域，切斷低壓系統內對流層頂比周圍低2~3km，形成了平流層空氣的“垂掛”結構，並在切斷低壓上空出現了熱力學第二對流層頂。
(3)成熟階段：出現孤立閉合橢圓形渦旋系統並有高位渦、高臭氧濃度中心配合。漏斗狀對流層頂的出現使平流層高臭氧濃度空氣下侵。COL獨特環流結構使極區下平流層的空氣塊入侵到中緯度COL內部，並在COL內部“旋轉式”侵入對流層中低層(圖1藍色寬實線，箭頭指示氣塊運動方向)。COL內部空氣塊主要有兩個源地，一個是中西伯利亞北部副極地渦旋，一個是90°E以西，50°N附近的溫帶急流軸左側氣旋性風速切變區。COL底部氣塊主要來自溫帶急流軸右側反氣旋性風速切變區(圖1橙色寬實線)，COL前、後部氣塊主要來自COL南側低層暖區(圖1紫色、綠色寬實線)。
(4)減弱階段：對流層頂發生變形摺疊，熱力學對流層頂斷裂並與動力學對流層頂發生分離，對流層頂摺疊下來的舌狀部分伸展到對流層中層。TRAJ3D模式模擬計算誤差來源有兩個：一是模式本身誤差，二是模式輸入場的氣象資料時空解析度不夠而產生的時間、空間插值誤差。模式本身不包含輻射、湍流及分子擴散等物理過程，研究平流層、對流層大氣之間的不可逆混合對於大氣化學成分的影響是不夠的。但時間解析度6h、空間解析度0。75度的再分析資料基本上能夠滿足天氣尺度的平流層-對流層交換。
