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《中国气象科学研究院》 2011年
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弱天气尺度背景下的雷暴增强和新生的机理研究

陈双  
【摘要】:北京地区多年的观测分析和临近预报业务经验表明,从河北境内移进北京西北部山区的雷暴占到了北京地区雷暴的50%以上。部分雷暴下山后,或增强或减弱,其演变趋势,常常是临近预报中的一大难题。特别是在天气尺度强迫较弱的情况下,雷暴是否可以下山,下山后是否增强,取决于很多局地细微的物理条件变化,这对临近预报更是一大挑战;另一方面,北京地区常有局地突发的暴雨过程发生,而造成这种局地强降水的新生雷暴,其发生时间、地点和强度也是临近预报中同样面临挑战的难题。通过对北京地区2008‐2009年的雷暴过程进行初步分析发现:弱天气尺度背景下,常规的高低空天气分析图上很难捕捉到影响雷暴发生发展的有利条件和触发机制。而此时,研究分析局地的大气环境物理条件和边界层中小尺度系统,以及复杂地形的强迫作用就显得尤为重要和关键。北京奥运气象保障科技成果(多种稠密观测资料和快速更新的精细分析系统),为开展这方面的深入研究和解决上述难题提供了坚实的基础。本研究的目的旨在提高北京地区雷暴下山增强和新生的机理认识,进而为强对流天气的临近预报和预警工作提供有价值的科学参考。 本文基于变分多普勒雷达分析系统(VDRAS),结合多种稠密观测资料,对北京地区两次在弱天气尺度背景下发生发展的雷暴过程,即2009年7月22日雷暴过程(下山增强,简称“722”雷暴)和2009年7月29日雷暴过程(局地新生,简称“729”雷暴)的增强和新生机理进行了研究,结果表明: (1)过程实况特点。“722”雷暴从河北境内移进北京西北山区后,在下山和到达平原城区时,经历了二次明显的发展增强阶段,“729”雷暴则是城区西部山前局地新生并发展的雷暴,2小时内降水量达105毫米; (2)天气尺度弱强迫特征。“722”和“729”雷暴都有共同的特点,受850hPa及以上各层大尺度天气系统的影响不明显,地面都有湿舌配合的暖湿偏南气流。此外,“722”地面有一弱冷锋移近。显然,二者都是比较典型的弱天气尺度强迫下发生发展的雷暴; (3)有利的大气环境条件。“722”雷暴高层冷平流、低层偏南暖湿气流的稳定维持和对流不稳定能量的聚集是本次雷暴增强的必要条件,“729”雷暴整层潮湿的大气环境以及较低的抬升凝结高度和自由对流高度是本次雷暴新生的关键因素; (4)“722”雷暴增强的边界层热动力条件。第一阶段雷暴下山增强,主要是地形的强迫作用。a)对山前雷暴流入的偏南暖湿气流的抬升,产生了强烈的上升运动;b)对雷暴冷池出流的下山加速,位能转化为动能,地面风速加大并与稳定偏南气流形成了强的辐合;c)对雷暴冷池出流高度的抬升,使得偏北出流与近地面偏南气流构成随高度顺转的边界层强垂直风切变,从而增强了雷暴移动前方的动力不稳定。第二阶段雷暴在城区东部再次增强,主要原因是边界层有强的中γ尺度锋区存在和水平正负涡度平衡维持。a)组织完好的雷暴冷池与势力相当的低层暖舌在城区朝阳地区的对峙,产生了强的扰动温度梯度;b)冷池南移过程中地面气压的升高与朝阳地区环境气压场构成了陡峭的气压梯度带;c)强的冷池出流与势力相当的偏南暖湿气流在朝阳地区交汇产生了强的水平风切变。上述3者构成了边界层强的中γ尺度锋区结构,有利于雷暴移入城区朝阳再次发展。此外,雷暴移动前方的辐合上升气流与雷暴后部下沉气流在较长时间内共存,冷池出流形成的近地面层水平负涡度与低层环境风切变产生的水平正涡度达到平衡状态,最有利于雷暴的维持发展。 (5)“729”雷暴局地(海淀)新生的主要原因。a)近地面偏南暖湿气流的稳定维持和偏东风的向西推进,为雷暴新生提供了水汽来源;b)边界层中高层冷空气的侵入,有利于对流不稳定条件发展。b)海淀西侧山前近地面中γ辐合系统的形成是雷暴新生触发机制。
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