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风场扰动激发中尺度天气系统的动力机制研究

姜勇强  
【摘要】:暴雨及强对流天气由于其突发性和灾害性,对其形成发展机制的研究是中尺度气象学的重点和难点。其中,形成暴雨及强对流天气的重要天气系统有中尺度低涡、飑线等中尺度系统,并可以大致把它们分为点状系统和线状系统。中尺度低涡主要出现在切变线和鞍型场中,并在许多中尺度观测和数值模拟中得到证实,但其形成原因还不是很清楚。飑线中尺度地面气压系统的形成原因争论也比较多。为此,本工作利用理论分析和数值模拟方法,着重研究中尺度低涡和飑线地面中尺度气压系统形成的动力机制。 分析了“98.7”鄂东特大暴雨和2001年7月6日上海特大暴雨过程中两种典型鞍型场内形成β中尺度低涡的观测事实。利用点涡形成的涡旋对的理论分析了中尺度涡旋形成的动力机制。将点涡产生的涡旋偶流场与不同的背景流场叠加,结果表明:当背景西风风速较大,为10ms-1时,西风流线产生了一定的弯曲,看不出涡旋的存在;当西风风速较小为2ms-1时,可以明显看到尺度很小的涡旋,涡旋直径不超过50 km;当背景场为鞍型场膨胀轴时,涡旋直径可以达到80 km左右;而当背景场为鞍型场时,涡旋直径超过100km。因此,从动力学角度来说,弱的背景风场是中尺度涡旋形成的有利环境场,且鞍型场鞍点区域最有利于中尺度涡旋的形成。 利用二维浅水模式模拟了不同中尺度风场扰动在鞍型场背景下激发β中尺度涡旋的过程,结果表明:各种中尺度风场扰动,‘都可以形成p中尺度涡旋偶。当背景场为鞍型场时,除了东风和西风扰动的涡旋偶不能得到发展以外,其它风场扰动形成的涡旋偶(或其中一个涡旋)都得到了不同程度的发展。北风、南风扰动可以形成很强的涡旋偶。而当存在南北两个扰动,且扰动错开一些位置时,其形成的涡旋在鞍点附近合并,形成尺度接近200 km的强气旋性涡旋。通过数值模拟,提出了鞍型场在β中尺度涡旋形成过程中的作用:鞍型场外围的大风速区域(急流)产生脉动,形成的中尺度扰动激发涡旋偶的形成;鞍型场的特殊流场使得形成的涡旋偶向膨胀轴(或鞍点)移动;鞍点和膨胀轴附近的小风速区有利于涡旋偶的发展;膨胀轴迫使涡旋偶移动速度减慢,并使得涡旋偶停留在鞍点附近或改变原来的移动方向而大致沿膨胀轴移动,有利于涡旋偶在膨胀轴或鞍点附近停留更长的时间而得到发展。 计算了热带低压(TD)造成“010805”上海特大暴雨过程经向风的瞬变涡动,表明TD登陆台湾减弱后,东南风急流进入台湾海峡鞍型场,使得TD重新发展,并沿着鞍型场北部的膨胀轴移动发展,证实了鞍型场及其膨胀轴对低发展的作用。 利用平分辨率约18 km的改进REM模式,对“98.7”鄂东特大暴雨过程进行了数值模拟。通过关闭凝结潜热释放反馈,得到单纯的鞍型场背景场,在鞍型场鞍点南侧加入一个理想的中尺度风场扰动,模拟了低空中尺度急流激发β中尺度低涡的过程,结果表明:低空大尺度和中尺度急流和降水凝结潜热释放反馈关系密切,在不考虑凝结潜热反馈的情况下,急流明显减弱,特大暴雨和p中尺度低涡无法形成;在鞍型场背景场中,不考虑凝结潜热反馈的情况下,人工加入的低空扰动可以在700 hPa鞍点附近激发动力性p中尺度低涡的形成,但这种动力性低涡强度弱,且不容易维持。而在考虑凝结潜热释放反馈的情况下,降水强度大,β中尺度低涡发展更强,维持时间也更长。 通过分析模拟的温度场和位势高度场,结果表明:激发β中尺度低涡形成的低空中尺度急流是在强降水区大量释放凝结潜热产生局部强降压产生强非地转风而形成的。广义锋生函数分析表明,在变形场中,变形流场的作用促进水汽的辐合,在层结不稳定暖湿空气里,扰动激发降水的产生,凝结释放的潜热增暖气团,产生低空风场的辐合,总变形和正涡度加大,正涡度的加大激发了中尺度气旋的形成,又促进了锋生函数的加强,进一步加强降水。 概括了“98.7”鄂东特大暴雨形成的概念模型:在稳定的鞍型场背景场和有利的热力条件下,低空中尺度扰动激发强降水,自低层向高层发展的凝结潜热释放促进中尺度低空急流的加强,而低空中尺度急流的加强激发了p中尺度低涡的形成和发展,暴雨、低空中尺度急流和p中尺度低涡之间形成正反馈机制。 将点涡形成的流场理论推广到线涡,推导了不可压缩流体中线涡形成的椭圆状流场,利用二维浅水模式,模拟了弱背景风场下,类似雷暴高压外流的风场扰动(线状扰动)形成的流场和气压场结构,结果表明:在不可压缩流体中,对应正、负线涡分别是椭圆形的气旋性、反气旋性环流;当只考虑向前的出流时,在出流前部和后部对应正线涡和负线涡分别模拟出一个狭长的气旋性环流和反气旋性环流;当同时考虑向前和向后的出流时,存在三条线涡,对应形成三个环流;气压场对应正、负线涡也模拟出中尺度高压和中尺度低压;这几个气压系统和飑线的雷暴高压、尾流低压、飑前中尺度低压类似,可能和飑后强下沉气流造成的涡度带通过动力激发作用有关,可以部分解释飑线地面中尺度气压系统的形成原因。用尺度分离方法分析了1974年6月17日中国华东地区的一次飑线过程成熟阶段的涡度场、流场和气压场,验证了上述动力机制。 进一步采用中尺度REM模式对2003年4月12日江西的一次飑线过程进行了数值模拟,分析了飑线中中尺度气旋族的发生发展过程及其和低空急流的关系,采用因子分离方法对中尺度地形、地表状态、太阳辐射对降水及飑线的影响进行敏感性试验。结果表明,切变线上中尺度气旋族的形成和其南北两侧的两股低空急流有密切关系。除了低空急流的热力作用,两支急流的耦合动力作用也是非常重要的。急流核左侧的强水平风速切变形成的正涡度有利于中尺度气旋的形成,南北两支急流核形成的正涡度区在切变线上耦合,促进了正涡度的加强,在不稳定层结环境下扰动激发强对流的发生,降水凝结潜热释放形成的热力效应对动力场的反馈,使得急流的强度得以维持并触发新的涡旋的形成。 敏感性试验表明,当在没有中尺度地形和太阳辐射,以及改变地表状态的情况下,降水和地面中尺度气旋显著减弱。三个因子不仅单独对降水和地面中尺度气旋及地面气温有重要影响,而且存在相互作用,相对来说,地表状态及其和太阳辐射的相互作用对江西弋阳的降水有更大的贡献,采用因子分离方法可以很好地判断各个因子及其相互作用对降水的强度和位置的影响。


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