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不同降水类型的典型个例观测对比分析及机理研究

樊利强  
【摘要】: 强对流天气的准确预报一直以来是预报中的难题。本论文利用常规观测资料与非常规观测资料对2007年7月31日和8月1日两次典型降水个例进行对比分析研究,以雷达资料为主,应用雷达变分分析系统(VDRAS),重点对两次过程的边界层三维风场和温度场特征,以及低层东风对边界层辐合线形成的作用等进行对比分析和初步的探讨,旨在进一步揭示北京对流天气的触发机制,为今后开展对流天气的更深入研究和解决业务预报中的难题,提供有参考应用价值的科学依据。 本论文的初步结论如下: 1、2006年7月31日北京地区的暴雨过程为一次典型的华北经向型区域性暴雨(主要降水从08~14点持续6小时左右,大部地区达到25~55mm),西风槽、地面冷锋是主要影响系统,对此类锋面稳定性降水的预报已积累了大量的经验。而8月1日的过程为一次非常局地的强对流天气(傍晚,历时4h左右,强降水持续约20min且分布极不均匀),北京受冷涡后部弱冷空气影响,从天气尺度系统分析上很难把握这次强降水过程,预报难度很大。 2、物理条件的分析表明,“731”过程开始之前,近地面辐合抬升,高空辐散,风随高度顺转;当天08时,对流有效位能CAPE值仍高达2164.8 J/kg,深厚的不稳定能量开始释放,同时抬升凝结高度降至983.7hPa。低层槽前暖平流区,副热带高压西北侧西南风急流为雨区源源不断地输送水汽。“801”过程发生之前,北京处于槽后冷平流区控制,大气趋于稳定状态;至200hPa高空存在西南风急流带。由于前一天的持续性降水,近地面潮湿,中高层相对干燥;至当天下午14时左右,CAPE值已从早上的788.6J/Kg下降到369.3J/kg,抬升凝结高度达到790.7hPa高度,但对流抑制能量CIN也从08时的160.4J/kg减小为0 J/kg。这说明尽管不稳定能量不高,但对流天气仍可能出现。风廓线观测资料还表明,16:30左右,低层1000~1300m高度出现了强的风垂直切变。 3、从雷达的观测分析中得知: (1)“731”的暴雨过程降水主要由移入型的回波造成,中尺度辐合线提供有利的触发条件;而“801”的过程是一次局地的强飑线天气过程,“弓形”回波特征明显。通过抬高雷达仰角观测发现,至3.4°仰角高度,“801”过程仍有大于60dBZ的强回波出现,对流发展强度要明显强于“731”过程。 (2)“731”过程“0”等风速线存在“S”型分布特征,而“801”过程则没有,但高低空存在较强的风场的切变,并在发展的过程中呈现单“牛眼”形分布特点,这可能与阵风锋前沿强烈的出流气流有关。 (3) VAD风廓线产品的初步分析主要显示,“731”过程之前半小时左右风场从低层至高层为较均匀的顺转,而“801”过程在发生之前16:28左右,雷达测站上空1.2~1.8km左右出现强的风垂直切变,强的风垂直切变可能预示着之后强对流的发展。 (4)垂直积分液态水含量(VIL)资料分析显示,在发展过程中,“731”过程VIL值最高到50kg/m2,比“801”过程的60kg/m2低10kg/m2左右,这可能直接导致后者产生了冰雹大风天气而前者则没有。 4、利用VDRAS对两次过程三维风场以及扰动温度场反演结果分析显示: (1)“731”天气过程,从低层到高层均为典型的区域性暴雨的风场配置关系,局地的边界层辐合过程不占主导作用。“801”天气过程在发展之前,北京城区及东南部边界层低层(900~1300m左右)存在较强的东风气流,它的加强和减弱以及北进和南退对辐合线的维持、飑线的生成、发展和减弱都起着重要的作用。 (2)扰动温度场分析显示,“731”过程为上冷下暖的温度配置关系,城区及城近郊温度明显高于周围郊区;“801”过程和城区与周边山区之间温度梯度的不断变化紧密联系,在发展过程中伴随明显的“冷池”特征。 5、利用VDRAS反演结果对“801”过程可能的触发机制进行初步探讨得出: (1)在飑线生成之前,北京城区及东南部边界层低层存在较强的东风气流,一方面,为北京地区带来较为暖干(相对于地面)的大气在城市上空堆积,形成了“干暖盖”的作用,有利于强对流发展所需不稳定能量的积累;另一方面,气流在山前迎风坡产生强迫抬升,之后与西部过山气流在山前平原一带辐合抬升,可能作为强对流天气触发的一种机制。在边界层辐合线的作用下,不断有新生对流系统发展并替换老的对流系统。 (2)垂直速度与风场、温度场配合的分布显示,“801”过程风场的垂直分布具有明显的对称性,最大垂直上升速度中心位于1~2km高度。此外,中上层的温度要高于低层,结合当天的水汽条件,则整个大气处于上层暖干,下部冷湿的高低配置下。


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