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《中国海洋大学》 2004年
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渤海和北黄海冬春季大风动力机制及中尺度特征的数值研究

王园香  
【摘要】:海上大风是一种强灾害性天气现象,一直是备受关注的问题。长期以来,人们着重于对渤海和北黄海大风的各种资料进行统计分析,并对其发生发展的动力学特性进行诊断研究,从而发现其内在规律,并取得了重要的进展,但是对渤海和北黄海大风的数值研究却十分缺乏。本文使用非静力大气数值模式MM5对冬季2002年12月7—8日和初春2003年3月2—3日发生在渤海和北黄海的2个大风个例进行数值模拟,将模拟的部分结果与天气实况进行对比检验;在模拟效果比较合理的情况下,进一步利用模式输出结果,着重对冬季的大风个例从多尺度相互作用及中尺度系统的发生、发展和演变特征方面进行研究,以揭示冬季渤海和北黄海大风的动力学机制;同时简单分析了初春大风的动力学机制,将其与冬季大风的特点进行对比分析,以发现其相同点和不同点。 首先对1980-1999年渤海和北黄海大风的历史资料进行统计分析,以得到大风发生的总体概况。结果表明,渤海和北黄海产生大风(>8m/s)时,冬季主要以偏北方向为主,而在2个过渡季节—晚秋和初春,既有偏北大风也有偏南大风的出现。 然后对2个大风个例的天气形势场进行分析。结果表明,2次偏北大风产生的天气背景场非常相似,蒙古高原为强大的蒙古冷高所控制,南黄海为低压区,高空为西风气流控制;所不同的是,冬季冷空气势力强大,可到达渤海和北黄海北岸,与南边海区形成明显的海陆温差,而春季冷空气势力弱,海水温度仍偏低,海陆温差不明显。 使用MM5数值模式对冬春季2个大风个例进行数值模拟,以发现渤海和北黄海大风的能量传输机制。结果表明,个例1大风产生时,位于我国东北地区和日本海的高空急流,通过其伴随的南北向的垂直环流圈下沉气流将动量输送到渤海和北黄海北岸,此垂直环流圈有高低空2个环流中心,上、下垂直环流耦合,使南黄海保持伸展到对流层顶的持续的上升运动,而使我国东北地区保持伸展到地面的持续的下沉运动;个例2大风产生时,除了有来自高空急流的动量,蒙古冷高前的偏北气流也沿着燕山或越过燕山将大动量的空气输送到北部海岸;说明渤海和北黄海产生大风的能量,不仅来自蒙古冷高前的低空偏北气流,也来自高空急流的大动量空气。 通过模拟结果分析,以发现渤海和北黄海大风加强的机制。结果表明,在 2个个例中,蒙古冷高前的气压梯度力由北指向南,沿345。的分量值在辽东半 岛及渤海和北黄海较大,推动着已传输到北部海岸的大动量空气,加速向海区内 流动:在垂直环流圈的上升支附近为辐合上升区,使得北黄海内约几百公里处就 出现了辐合上升运动,这个辐合上升区将其周围的空气“抽吸”到其附近,北部 海岸的大动量空气受到其强大的吸引力,沿着垂直环流圈底部的偏北气流加速向 海区内流动。冬春季,渤海和北黄海北岸的大动量空气一边在气压梯度力的“推 动”下,一边在垂直环流圈上升支的“吸引”下,得到加强并向海区内移动。 通过对温度场的敏感性试验分析,以了解海陆温差对渤海和北黄海大风加 强的影响。控制试验中,冬季冷空气势力强,海陆温差明显,在渤海和北黄海有 低空锋区存在,此低空锋区使气压梯度力增大;将海温升高2“C进行敏感性试验, 海区内海面温度场升高,海平面气压场和低空位势高度场降低,海面风速呈正 值略有增长;说明海陆温差越大,锋区越强,气压梯度力越大,越有利于大风加 强,冬季明显的海陆温差对渤海和北黄海大风的加强起了促进作用。控制试验中, 早春冷空气势力弱,海水温度还未回升,海陆温差不明显,在渤海和北黄海上未 形成锋区,因此海陆温差在春季大风的产生过程中不是一个重要的因素。 通过细网格的模拟分析,以了解渤海特殊的浅对流特征,并与渤海海峡和 北黄海进行对比分析。冬季,来自高空急流的冷空气侵入渤海,叠置在渤海的相 对偏暖空气上,形成上冷下暖的温度垂直结构,在低空1.skm的高度内产生不稳 定和中性层结,渤海上低层风向随高度呈逆转的趋势,形成一种风向随高度逆时 针旋转的结构,在海面上易形成弱辐合上升区,同时将其周围的空气抽吸到这个 辐合上升区中。而来自高空的冷空气到达辽东半岛时,在地面形成冷舌,与渤海 海峡未形成上冷下暖的结构,因此在渤海海峡不易形成浅对流;渤海海峡的大风 到达山东半岛的成山头,受陆地的抬升作用产生垂直上升运动,风速再次加大, 因此成山头比周围地区风速偏大,成为我国著名的大风区;来自高空的冷空气到 达辽东半岛的千山时,受到千山下坡的影响,在背风面一定的距离内维持着辐散 下沉运动,未形成浅对流。春季,北边冷空气势力弱,南边海水温度低,不易形 成浅对流。冬季渤海低空特殊的浅对流,对大风加强起了促进作用。
【学位授予单位】:中国海洋大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:P425.42

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