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对一次大别山中尺度强对流系统的水分循环过程和非绝热加热过程的分析研究

汪小康  
【摘要】:从过去几年的统计来看,我国24小时的天气晴雨预报准确率平均已达到83%,但暴雨预报的准确率只有19%。主要原因是强暴雨常与中-β尺度天气系统有关,常规观测网络很难对此类系统给出迅速、准确的响应,数值模式系统也由于初始场的不精确和模式本身的不完善,很难做出准确预报。因此实施有效的中尺度观测,获取丰富的三维气象资料并加以整合利用,对深入研究暴雨的结构和机理显的尤为重要。水汽的辐合和强烈的上升运动在有利的环境条件下将引起积云对流的发展,积云对流通过水汽的辐合上升、凝结释放大量潜热来影响大尺度环境场,并反馈于中尺度系统本身;微物理过程中水物质的相变潜热和降水产生的拖曳对环境的热力动力过程也有不可忽视的作用,因此研究降水过程中热量、水汽收支状况以及系统中云物理过程及其与环境场间的相互作用是研究中尺度暴雨发生发展机理的重要组成部分。 但是始终没有学者能够将水分循环和非绝热加热过程联系起来,深入讨论水物质和热量之间的关系及对暴雨形成的作用。因此本文使用LAPS系统融合中国SCHeREX计划野外试验中获取的丰富资料生成的格点分辨率为0.03°×0.03°、垂直方向22层、每小时一次的高分辨率中尺度再分析场资料,详细讨论水汽收支方程各项对2008年6月21日大别山地区一次局地性低涡暴雨过程降水的贡献,分析了降水区水汽收入及空中各相态水物质的量值及转化关系;然后借助对暴雨区视热源和视水汽汇的计算分析降水过程中非绝热加热状况,讨论热量与水汽收支之间的关系。通过以上分析研究,论文首先验证了LAPS系统具有良好的数据融合能力和中尺度系统再现能力,其生成的再分析资料可以作为中尺度分析的基础数据使用,并据此揭示了此次中尺度低涡暴雨能量和水分循环方面的特征及与强降水的内在联系,给出相应的概念模型。 理论计算结果得到总水汽收入产生的降水量(2.42 mm/h)占实际降水量(3.16mm/h)的77%,地表水汽蒸发也是一个重要的水汽来源。水平辐合项贡献总水汽收入的87%,西边界和南边界为主要入流边界,辐合主要在中低层进行;局地变化项贡献总水汽收入的12%;低层水汽通量和局地水汽收入极大值分别出现强降水发生前5小时和1.5小时,前期的水汽水平辐合和局地水汽收入为后期水汽垂直输送和水汽通量的垂直辐合提供了大量水汽来源。强对流云团内整层气柱水汽总收入的变化领先于地面降水量变化1.5小时出现,说明进入强对流云团气柱中所有高度水汽凝结降落到地面的平均时间约为1.5小时。过程平均来看水汽共减小了2.42mm的比水含量,使大气中云粒子增加了0.228mm的比水含量,可降水粒子增加0.042mm比水含量,最终贡献了2.15mm的地面降水量。雪含量极值出现在最强降水时刻,云冰迅速减少时降水减弱,说明冰相粒子在此次降水过程中的重要作用。液态云水和云冰极大值分别出现在强降水发生前4小时和2小时,对降水有一定指示意义。 平原地区水汽凝结释放潜热为加热场主要贡献因子,山区感热作用和冰相粒子潜热作用不可忽略。垂直廓线上Q2存在两个与水汽通量散度辐合中心相对应的峰值,低层强水汽辐合造成大量水汽汇集并凝结释放潜热,造成Q2凝结层以下的中心,而雪融化吸收大量热量,抵消了部分水汽凝结潜热,故Q1在低层显著小于Q2;凝结层以上的Q2高层中心在最大上升速度层,水汽被迅速抬升大量凝结加热大气,同时大量冰晶消耗过冷云水长大也造成水汽含量的减少和热量的增加,这两种加热效应叠加造成高层Q1大值中心大于Q2大值中心。 强降水过程显著区别一般降水区的特征:a)550hPa以下水汽辐合强烈,b)250hPa以上冰晶层和550-250hPa冰水混合层中云冰浓度均很高,c)500-300hPa间雪含量较多,d)500hPa以下云水含量丰富,e)对流层低层视水汽汇显著,f)系统成熟时刻对流层中高层加热显著。 研究中尺度涡旋系统与强对流系统相互作用的过程发现:气旋性辐合环流从低层逐渐向上发展,使得垂直运动加强,并有利于水汽的凝结和潜热释放及加热高度的增加,中层加热反过来加强上升运动,进一步促使低层湿空气辐合,有利于对流不稳定的发展和气旋性环流的增强,并使得气旋系统逐渐靠近强对流系统,这个正反馈过程使得降水持续发生,直到加热高度抬升至不利于低空环流的发展,两系统逐渐远离并减弱,降水也逐渐减弱。


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