一次龙卷的高分辨数值模拟和螺旋度诊断分析

论文摘要

本文利用中尺度WRF数值模式对2015年10月4日台风“彩虹”外围螺旋云带中的一次强龙卷过程进行了148m和48m的高分辨率数值模拟,对龙卷超级单体、TLV系统和龙卷内部精细化吸管涡旋及相应的物理机制进行了分析研究。结果表明:(1)此次龙卷产生于超级单体显著的钩状回波之中,配合有前悬回波、入流弱回波等典型特征。(2)利用148m分辨率的模拟结果分析了类龙卷涡旋TLV系统,主要表现为水平面上垂直涡度急剧增大,垂直方向上倾斜发展,呈内部下沉外围上升的结构,对应低层水成物呈现狭窄的触地漏斗状结构。(3)48m分辨率的模式结果成功模拟出龙卷内部的小尺度吸管涡旋系统,表现为上升气流UD和后侧下沉气流RFD交界处,从内钩状的涡度带中先后分裂的三个垂直伸展的涡度柱。其中位于涡度带中部的吸管涡旋内部存在强螺旋上升的垂直环流结构,为龙卷强爆发力的来源,其形成机制是地面强旋转和UD内上升气流的配合作用。(4)建立物理三维概念图反映了超级单体和TLV的精细化结构,表现为超级单体中部上升气流UD向上伸展,单体前、后侧出现下沉气流FFD和RFD,后部云墙之下低层水成物触地;RFD和UD耦合处产生强辐合,低层中气旋激增形成产生TLV系统;龙卷内部存在的更小尺度的吸管涡旋绕中心运动。(5)通过诊断垂直螺旋度方程得出了影响龙卷及其内部吸管涡旋的物理机制,诊断方程的主要强迫项包括垂直螺旋度水平方向上的通量散度项,代表涡度柱的分离和吸管涡旋绕龙卷中心的旋转;垂直螺旋度的垂直平流项使得RFD与UD交绥处吸管涡旋增强。(6)针对本次龙卷风个例的研究结果与之前的研究主要存在两个方面的差异。在龙卷超级单体结构方面,本次个例超级单中后部入流较弱,出流较强,其前部气流上升出现水合物聚集;在龙卷形成机制方面,水平螺旋度向垂直螺旋度的转换项作为次要强迫项,仅发生在龙卷形成初期,对于吸管涡旋的发展影响较小,主要是钩状涡度带的水平分离和垂直上升导致了吸管涡旋的形成。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 国内外研究进展
•     1.2.1 龙卷超级单体的数值模拟和机理研究
•     1.2.2 螺旋度的中尺度诊断应用
•   1.3 论文主要关注的科学问题
•   1.4 研究技术路线
•   1.5 主要研究内容与章节安排
• 第二章 资料和方法
•   2.1 研究资料
•   2.2 研究方法
•     2.2.1 数值模式方案设计
•     2.2.2 风暴相对螺旋度
•     2.2.3 非地转非静力螺旋度方程的建立
• 第三章 天气背景分析及模拟结果验证
•   3.1 天气背景分析
•   3.2 模拟结果验证
•   3.3 本章小结
• 第四章 超级单体结构特征演变
•   4.1 雷达回波分析
•   4.2 低层垂直速度和近地面风场分析
•   4.3 水成物分析
•   4.4 本章小结
• 第五章 类龙卷涡旋结构特征演变
•   5.1 涡度场分析
•   5.2 水成物垂直结构
•   5.3 龙卷超级单体模型的建立
•   5.4 本章小结
• 第六章 龙卷吸管涡旋的精细结构演变
•   6.1 涡度场和垂直速度分析
•   6.2 三维水成物演变
•   6.3 三维流场演变
•   6.4 本章小结
• 第七章 螺旋度及螺旋度方程的诊断分析
•   7.1 螺旋度分量量级分析
•   7.2 风暴相对螺旋度诊断
•   7.3 垂直螺旋度方程诊断
•     7.3.1 垂直剖面分析
•     7.3.2 时间演变分析
•     7.3.3 螺旋度方程转换项分析
•   7.4 垂直螺旋度方程主要强迫项诊断分析
•     7.4.1 垂直螺旋度水平通量散度项的诊断
•     7.4.2 垂直螺旋度垂直平流项的诊断
•   7.5 本章小结
• 第八章 结论与展望
•   8.1 研究结论
•   8.2 论文创新点
•   8.3 存在问题与未来展望
• 参考文献
• 附录1
• 附录2
• 致谢
• 个人简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 唐嘉蕙

导师: 沈新勇

关键词: 龙卷,类龙卷涡旋,吸管涡旋,螺旋度,超级单体

来源: 南京信息工程大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学

单位: 南京信息工程大学

分类号: P458

DOI: 10.27248/d.cnki.gnjqc.2019.000254

总页数: 72

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