冷涡背景下飑线发展机理个例分析和模拟

论文摘要

2017年7月7日下午至午夜,河北西北部和北京中北部发生了一次伴有闪电、大风和冰雹的罕见强弓状飑线过程。已有统计研究发现北京北部较少发生飑线过程,因此,研究该次飑线的触发、演变和维持机制等具有较高的预报应用价值。本文综合地面自动站资料、雷达资料、卫星资料等各类观测资料、NCEP（National Centers for Environmental Prediction）分析资料以及欧洲数值天气预报中心（ECMWF）的全球细网格预报产品,利用“配料法”对该次飑线过程的环境条件、触发、演变、风暴结构和弓形回波的形成与维持机制进行了研究和分析,并在此基础上采用RMAPS-ST系统（Rapid-refresh Multi-scale Analysis and Prediction System—Short Term,中文名为睿图-ST）进行了数值模拟研究。主要结论如下:（1）此次飑线的初始对流在河北中北部持续维持的一支西北风和西南偏西风之间的地面辐合线附近触发。在500 hPa冷涡西南部的前倾低槽和高低空明显急流形势下,对流系统在河北中北部和北京北部具有较大的有效位能（CAPE）、强0–3 km和0–6 km垂直风切变的有利环境条件下发展和维持,并为冰雹和地面强风的形成提供了有利条件;地面高温高湿、对流层中层大的温度露点差以及大的垂直减温率造成环境大气具有强的下沉对流有效位能（DCAPE）,利于弓状回波和地面大风形成。大的CAPE和DCAPE值以及强垂直风切变是有利于飑线维持的环境条件。（2）此次飑线演变过程较为罕见,雷达回波显示,近东西向的线状对流系统演变为团状超级单体风暴,最后演变为东北-西南向的、镶嵌有超级单体的强弓状回波飑线系统。超级单体阶段和飑线阶段都有明显的回波悬垂、弱回波区、中气旋（飑线成熟后期为中涡旋）、强后侧入流及其伴随的入流缺口等;对流层中层强后侧入流和大的温度露点差是形成强下沉气流并发展出弓状特征的主要原因。（3）此次飑线的RMAPS-ST系统数值模拟的9和3 km分辨率区域内采用Thompson云微物理方案和YSU边界层方案;1 km分辨率区域采用Morrison（2-moment）云微物理方案和MYJ边界层方案。模拟的飑线发展较实况提前1小时左右,其大尺度环流形势、雷达反射率以及1小时累计降水均与实况具有较好对应,成功地反映了飑线的演变特征,包括东西向线状对流阶段、团状对流阶段、飑线成熟阶段以及其“弓状”特征。（4）成熟阶段的入流缺口、回波悬垂、弱回波区、中层后侧入流以及中涡旋等特征结构均模拟成功;地面中尺度气压场上清晰地呈现出“低压-高压-低压”的结构,即层状云后部的尾流低压、飑线中后部中高压以及飑线前方的飑前低压。冰相粒子混合比高值区与实况地闪密集区较好对应。在飑线“弓状”顶端中高层的平均冰相粒子含量大,大量冰相粒子的融化和升华等吸收热量加强了后侧下沉气流。中层的反气旋式涡旋的水平散度和垂直涡度随高度具有后倾特征,其中层强的辐合作用能够增强后侧入流和下沉运动,从而有利于飑线的发展和维持。（5）定性分析发现模拟的飑线成熟阶段的内部结构与RKW（Rotunno-Klemp-Weisman）理论中飑线维持的最佳模态接近。进一步定量比较了冷池的传播速度与垂直于飑线的低层垂直风切变分量的比值。发展阶段,两者比值<1;成熟阶段,两者的比值约为1;消亡阶段,两者比值>1。这说明只有飑线成熟阶段的冷池传播速度与沿飑线法向的低层垂直风切分量近似平衡,与RKW理论中有利于飑线发展维持的最佳模态接近。因此,RKW理论可用于解释该次飑线成熟阶段维持的动力机制。本文新意主要在于:第一,发现本次飑线演变较为特殊。雷达反射率因子和冷池演变显示,对流系统先后演变为东西向线状对流,团状的超级单体风暴以及东北-西南向的“弓状”特征飑线;第二,1 km水平分辨率的数值模拟资料显示飑线成熟阶段存在中涡旋,其与飑线“弓状”特征的形成机制和维持有关;第三,基于1 km分辨率数值模拟结果分别从定性和定量两个角度验证了RKW理论对此次飑线过程维持机制的适用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 研究背景和意义
•   1.1 国内外学者对飑线的研究进展
•     1.1.1 飑线的组织形式
•     1.1.2 飑线的内部结构
•     1.1.3 飑线的维持机制
•     1.1.4 国内飑线的研究进展
•     1.1.5 冷涡背景下飑线研究进展
•   1.2 数值模式在强对流天气中的研究进展
•     1.2.1 参数方案的敏感性
•     1.2.2 模式网格分辨率的敏感性
•     1.2.3 初始场敏感性
•   1.3 问题的提出
•   1.4 论文的章节安排及主要内容
• 第二章 数据和方法
•   2.1 实况观测资料与方法
•   2.2 数值模式简介及所用资料
• 第三章 飑线个例过程概况、天气形势和环境条件
•   3.1 过程概况
•   3.2 天气形势分析
•   3.3 环境条件分析
•     3.3.1 温度条件
•     3.3.2 湿度条件
•     3.3.3 不稳定能量
•     3.3.4 垂直风切变
•     3.3.5 冰雹形成条件
•     3.3.6 雷暴大风形成条件
•   3.4 本章小结
• 第四章 飑线的演变和发展
•   4.1 雷达观测的飑线演变过程
•   4.2 卫星和闪电观测的飑线演变特征
•   4.3 飑线组织模态
•   4.4 不同阶段的结构特征
•     4.4.1 初始对流阶段
•     4.4.2 东西向线状对流阶段
•     4.4.3 超级单体阶段
•     4.4.4 飑线成熟阶段
•   4.5 冷池分布特征
•   4.6 本章小结
• 第五章 飑线的数值模拟
•   5.1 RMAPS-ST模式介绍
•   5.2 试验设计
•   5.3 模拟结果验证
•   5.4 本章小结
• 第六章 基于数值模拟结的飑线动力学和热力学结构分析
•   6.1 飑线发展阶段的动热力结构分析
•   6.2 飑线成熟阶段的动热力结构分析
•   6.3 中涡旋结构
•   6.4 飑线过程伴随的冰雹和大风
•   6.5 飑线的维持机制
•     6.5.1 定性分析
•     6.5.2 定量分析
•   6.6 本章小结
• 第七章 总结与讨论
•   7.1 全文总结
•   7.2 创新点
•   7.3 不足与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 罗琪

导师: 郑永光,陈敏

关键词: 冷涡,弓状回波,飑线,演变,机理

来源: 中国气象科学研究院

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学

单位: 中国气象科学研究院

基金: 国家重点研发计划(2018YFC1507504),国家重点研发计划(2018YFC1507503)“基于综合观测的强对流天气识别技术和示范系统开发”,国家重点研发计划(2018YFC1506804)“高纬度地区区域数值预报模式关键技术研发及应用”,国家重点研发计划(2017YFC1502003)“重大灾害性天气的短时短期精细化无缝隙预报技术研究”,国家自然科学基金项目(41375051)“冷涡系统环境下导致大风天气的对流系统分布特征与机理研究”

分类号: P458.3

总页数: 97

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