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《南京信息工程大学》 2005年
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暴雨天气动力过程及强降水增幅机理的研究

濮梅娟  
【摘要】:暴雨是影响江苏的主要灾害性天气之一。1954年、1991年、1998年、2003年江淮流域的洪涝,2000年8月底,江苏东北部的洪涝等,都是由暴雨或大暴雨引发。本文运用天气学、统计学、动力诊断和数值模拟方法,对影响江苏的梅汛期暴雨和台风暴雨过程进行了分析,对暴雨的环流特征、中小尺度天气系统、动力热力条件和强降水的增幅机理等进行了比较细致的探讨,获得了一些有意义的结果。 1.分析了暴雨天气环流特征和动力热力条件。对江苏2003年梅汛期暴雨和非暴雨过程进行合成分析,得出江苏梅汛期暴雨天气过程环流特征和热力动力条件:500hPa上中纬度有华北低槽,西太平洋副高季节性北抬西伸,120°E脊线在26°N,586线在长江口,四川西部浅槽东移,冷暖空气交汇于淮河流域以南地区。有暴雨日,地面均有冷锋或静止锋与之配合,锋面的位置偏北(在31—34°N之间)。副高西侧有西南或偏南低空急流(≥12m/s)向江苏输送暖湿气流,使垂直方向的温湿层结结构发生变化,构成对流不稳定,上下层温湿差动平流,使不稳定能量由低值区向高值区积累。急流附近非地转风使气压梯度力与地转偏向力不平衡,风场低层垂直切变增大,里查逊数(Ri)随之减小。涡度、散度、垂直速度合成垂直剖面图上:低层辐合,高层辐散,无辐散层在400hPa附近,暴雨发生在较深厚层次的上升运动中,沿119°E垂直速度经向剖面图上,江苏淮河流域(32—33°N),垂直速度ω0,从地面一直伸展到500hPa以上,最小负值为-25×10~(-3)hPa/s。非暴雨过程则反之,基本为下沉区,ω≥0。 2.揭示了中尺度对流复合体MCC活动特征和发生发展条件。运用卫星红外云顶亮温(T_(BB))资料,分析了2003年7月4—5日大暴雨天气过程中尺度MCC活动特征表明,影响江苏的中尺度MCC由典型的中—β(γ)云团组成,大暴雨区与T_(BB)-70℃区域对应,降水强度与T_(BB)成正相关,即T_(BB)值越低,降水越强。在成熟期中,T_(BB)最低值达到-75℃以下,对流通常都突破了对流层顶。较强的高空辐散、低层辐合对梅雨锋区产生中尺度低值系统有激发作用,有利的环境场形成的高空辐散、低空辐合和上升运动是中尺度MCC发生发展的重要条件。气旋性涡度场对积云对流活动具有组织和增强作用,中尺度MCC的发展与涡度经向剖面图上深厚的中尺度涡管相对应,涡管向垂直方向发展,MCC强烈 渡梅娟博士论文 摘要 发展。对流不稳定对MCC发生具有触发作用,低层暖湿不稳定气流的维持,水 汽、能量的聚集,是MCC发展的基础,MCC发展是江苏暴雨的直接制造者。 3.揭示了暴雨的多普勒天气雷达回波特征。分析多普勒天气雷达径向速 度、回波强度、反射率、风暴相对速度、垂直风廓线等产品,发现在多普勒径 向速度图上,暖平流与大尺度辐合在测站近距离迭加和在较远距离存在冷平流, 有利于水汽垂直输送和辐合上升运动,有利于暴雨的产生。逆风区存在垂直风 切变,辐合气流很强,是分析产生暴雨的一个重要指标。强回波中心朝着辐合 区方向移动。降水回波中,积云和积雨云强度超过45dBz的强回波具有极高的 降水效率。强降水时段,垂直风廓线图上风向随高度强烈顺转和风向随高度逆 转,均能产生短时的强降水。如果从底层到中高层均转为偏北风,强降水将迅 速结束。这些与暴雨中小尺度系统发生发展相关的特征,为进一步开展暴雨分 析和预报提供了参考。 4.揭示了暴雨中尺度系统发生发展及强降水增幅的物理机理。通过2000 年8月30一31日江苏省东北部特大暴雨过程分析,发现中尺度系统是特大暴雨 产生和增幅的重要成员。中一p尺度的能量锋区,是特大暴雨维持和增幅的主 要中尺度系统。利用锋生函数对地面中一p尺度能量锋区的发生发展进行诊断 表明:锋生函数的变形项起了决定性作用,辐合项也有较明显的贡献,非绝热 加热项作为一种可能的触发机制,在锋生初期有着重要作用,但对锋区的维持, 其贡献并不明显。利用二维中尺度方程对锋区进行数值模拟表明:在能量锋区 附近驱动产生了垂直涡旋,在涡旋上升支部位,将高能区的暖湿空气向上输送 形成降水,使原有降水强度增强,在涡旋下沉支通过下沉气流使雨滴迅速下落, 同时拖曳冷空气使地面降温,使得锋区维持和加强,致使涡旋得以维持或增强, 再次促使雨强增幅。 中一p尺度能量锋区形成以后,在锋区附近产生中一p尺度东风辐合线系 统,响水之IOmm雨团的高频区(共21个频次)与中一p尺度东风辐合线高频 次的准东西向和准南北向分布,更替相关,其辐合线高频区和雨团的主频区相 一致。 分析地面速度平流散度F得出,强雨团与F0的强中心趋于一致,当 aF__,~一_一~~_,、.一一一,.一.~一、,_,,、_____刁尸__._‘.~__ 牛O时与强雨团的维持及其雨强增幅关系十分明显,即兰兰0时,辐合增强, 次--------一’一”-一’----一’次
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