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《南京大学》 2011年
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梅雨锋暴雨β中尺度涡旋结构与机理研究

汤杰  
【摘要】:梅雨锋暴雨是我国南方与长江中下游地区夏季主要灾害性天气之一。1998年夏季,在长江流域发生了一次全流域性与梅雨锋密切相关的严重洪涝灾害。导致这次灾害的主要原因是在6月中旬至7月底在长江流域中下游地区出现了数次降水范围大、强度强且持续时间长的暴雨和大暴雨过程。其中98年7月21日发生在武汉附近地区的特大暴雨(称“98.7”武汉暴雨)因其突发性及其造成的灾害的严重性而引起了广泛关注。本文分别从统计、数值模拟和动力学诊断三个不同角度对于引起武汉暴雨的天气系统进行研究: 首先提出一种基于窗口函数的数字滤波合成(LDFCM)方法,通过理想和实际诊断对比,发现新的LDFCM方法比传统的算术平均方法能更加完整和清楚地展现长生命史天气系统形态和配置。 利用基于数字滤波器的合成方法,结合0.5度的GAME试验再分析资料对“98.7”武汉暴雨前后15天的天气形势进行诊断。发现在98年二度梅期以及之前这段时间(1998年7月13日至7月28日)内,副高、西南涡、东北冷涡东伸部分以及盘踞在秦岭一带的阻塞高压等四个大尺度系统呈两高两低的配置,在长江中游地区形成了中尺度鞍型场,沿着鞍型场的膨胀轴产生梅雨锋生。通过诊断锋生函数,发现辐合项和水平变形项对于长江中游地区的梅雨锋生均有直接贡献,其中水平变形项贡献更大。“98.7”暴雨发生地(武汉)就处于这个鞍型场膨胀轴的东段,因而导致在武汉附近出现暴雨的天气系统是由大尺度??? 进一步的诊断表明:“98.7”暴雨两次强降水过程(7月20日夜和7月21日夜)前,武汉附近均有α中尺度对流系统经过;数小时后,在α中尺度对流系统后部p中尺度涡旋迅速增长。在对流层中低层产生、发展、成熟、消亡的β中尺度涡旋与“98.7”武汉暴雨的强降水过程密切相关。 通过较为详细的数值试验和涡度诊断,研究β中尺度涡旋与大尺度背景场二者不同尺度间的相互作用,尤其是中尺度对流系统对为p中尺度涡旋的影响。大尺度涡度场在边界层附近辐合为p中尺度涡旋最初产生提供涡源;随后,边界层附近开始出现上升运动,并导致潜热释放进而进一步促进对流发展;对流系统的上升运动将边界层附近维持的涡旋通过伸展作用抬升到对流层中低层700hPa附近,这种中尺度的涡度伸展与辐合共同使β中尺度涡旋进入成熟阶段并维持数小时,从而导致武汉附近的持续数小时强降水。 卫星观测发现,引发“98.7”暴雨的线状β中尺度对流涡旋内部排列着若干水平尺度为10-50公里的γ中尺度对流单体。这种对流单体与局地强降水密切相关,其生命周期约为数十分钟,最强降水在15分钟内超过40毫米。在对流单体内部,正负双支位涡柱呈准轴对称状,对称中心为强上升区和暖心等结构特征。对流单体中的双支涡柱的形成和形态配置与不同高度上对流单体附近的γ中尺度急流密切相关。双支涡柱的配置形态往往随着经过对流单体涡柱附近的γ中尺度急流的切变而发生扭曲。 对流单体这种强降水天气系统,流场结构较为复杂。因而采用对涡度再次取旋产生的超涡度概念以及超涡度方程来描述复杂流场的运动情况。 鉴于对流单体复杂的流场结构,采用超涡度(对涡度取旋)以及超涡度方程对其分析,进而从超螺旋度的概念出发,定义了一种新的物理量——切变超螺旋度,这种新定义的物理量可以很好的表达超涡度方程的广义扭曲项。在满足梅雨锋环境的近似条件时,切变超螺旋度作为一种新的广义位涡简化形式,具备一定的守恒性质。在梅雨锋对流单体中的实际应用中,切变超螺旋度对诊断流场超涡度由扭曲作用而产生倾向以及成熟对流单体系统产生的强降水有着很好的预报效果。这也可能意味着对流单体带来的强降水很可能是由超涡度广义扭曲作用造成而非简单的垂直涡度扭曲作用。 在诊断梅雨锋对流单体中的实际应用中,切变超螺旋度对诊断流场超涡度由扭曲作用而产生倾向以及成熟对流单体系统产生的强降水有着很好的预报效果。这也可能意味着对流单体带来的强降水很可能是由超涡度广义扭曲作用造成而非简单的垂直涡度扭曲作用。
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