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台风与海陆风过程中大气波导成因的数值研究

刘桂艳  
【摘要】:随着电磁波技术在各个领域的广泛应用,大气波导研究逐渐成为各国学者研究的热点课题,其发生强烈依赖于气象条件。本文选取了2002年8月南京地区台风过程中的波导个例、2006年8月青岛海域海陆风过程中的波导个例和2010年8月辽东湾海域海陆风过程中的波导个例为研究对象,对它们进行了详细的观测分析和数值模拟研究。首先,利用尽可能多的实测数据分析大气波导观测事实,主要针对大气波导演变过程与天气系统变化之间的联系,然后利用新一代大气中尺度模式WRF(Weather Research and Forecasting)对其进行详细的数值模拟研究,并基于数值模拟高时空分辨率的输出结果,对其形成机制进行细致分析。 观测事实分析揭示,大气波导与天气系统密切相关。台风过程中,大气波导形成于台风西侧外围的下沉区,近地层的高湿度区与波导发生前台风偏北气流造成的水汽输送有关,而台风外围的下沉运动会向下输送干冷空气和阻止近地层水汽向上扩散,导致湿度随高度锐减。海陆风过程中,大气波导的形成则与海风环流有关,海风从海上带来大量的水汽导致近地层水汽增多,同时海风环流的下沉支向下输送干空气,因此导致湿度突变层的形成。 利用WRF模式及其3DVAR(3-Dimensional Variational)同化模块,采用循环三维变分手段同化大量观测数据提高模式初始场,对三个波导个例进行详尽的数值模拟。基于高时空分辨率模式输出结果,模拟的大气波导与观测事实的对比分析说明数值模拟很好地再现了波导的演变过程,进一步对大气波导的形成机制进行了细致的分析,结果表明: 1)台风波导个例的形成是湿度突变层和逆温层的同时存在导致的,前者是其形成的关键因素,而后者的作用主要体现在增强其强度;台风前期流场从海上带来大量的水汽,台风后期流场将北方高空干空气输送到受高压下沉运动控制的南京地区,造成近地层出现下湿上干的剧烈湿度梯度;下沉运动强度并不足以直接导致逆温层的形成,但其控制下的晴朗天气非常有利于夜间地面长波辐射冷却而形成逆温层。 2)海陆风过程中形成的波导,其类型、高度等参数受海风发生前后背景天气形势的影响。海风过程发生前有深厚的低压槽过境时,高空槽后偏北气流携带冷空气南下,在偏北气流引导下,冷空气插入海上暖湿空气底部,海上暖湿空气被迫抬升,形成逆温层且逆温高度较高,而槽后高压系统控制下的晴朗天气有利于海陆风环流的形成。海风形成后,其将近海面的潮湿空气向近岸输送,最终导致底层大气湿度增大;同时底层的暖湿空气与前期高空槽后下沉气流带来干冷空气形成上干下湿的湿度剧烈垂直变化的结构,为波导的形成提供了先决条件;逆温层的存在又阻止了水汽的垂直混合,使得湿度变化更加剧烈,于是波导形成于逆温层中,且高度较高。而当海陆风发生前后为稳定的大陆高压控制时,高压系统导致的下沉运动若不足以产生逆温层,那么在海陆风过程中形成的波导高度和强度主要受海风环流的控制,波导在近海面大气层中形成,此种情况下形成的波导高度较低。


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