复杂下垫面环境上海局地强对流天气研究

【摘要】：本文通过上海现有的城市综合观测网，对上海一次典型局地强对流0731观测进行分析，并提出上海局地强对流发生发展的概念模型。在此基础上，设计了快速更新同化试验，验证了概念模型的合理性。并对海陆风、城市热岛效应对局地强对流的促发机制进行进一步的探讨。利用快速更新同化数值试验，验证了各种观测资料在强对流模拟中的作用。最后，按照相同的技术路线，对局地强对流个例0813进行综合分析，证明上述的研究结果及技术路线是合理、有效的。本研究主要结论如下： 1)随着城市化进程的发展，上海夏季热岛呈现扩大化趋势。上海热岛效应在午后（14时）出现频率最高，热岛平均强度也最大，这可能是局地强对流多发的诱因。上海夏季强对流天气发生次数呈逐年递增趋势，2001年后强对流发生频次有明显的增加。从空间上看，表现为中心城区多，郊县少的特点，黄浦江沿岸及淀山湖边频次较高。 2)上海三面环水的城市下垫面特征，导致夏季午后东北、东南两支海陆风及湖陆风的爆发；城市热岛效应显著时，南北两支海陆风在中心城区形成地面辐合线时，极易导致局地强对流的爆发和发展；而湖陆风在城市热岛环流叠加下，也容易激发强对流。 3）快速更新同化数值试验成功地再现了2011年7月31日午后强对流天气过程。通过对降水、近地面风场、沿上海城市的垂直剖面环流场、垂直速度场等方面的分析，揭示了本次强对流天气过程的发生发展机制。上海市与海洋之间的热力差异产生海陆风；由于上海以锲形形状伸入东海，因而有南北两支海陆风的生成；而中心城区热岛效应，加剧了海陆风发展，两支海陆风在城市上空叠加，近地面的水平风速加大，在城区近地层形成了中尺度地面风场辐合线；两支海风带来水汽与高层云叠加，带来了水汽并加剧了对流的发展。而西侧湖陆风与大尺度背景场的偏西风叠加，加剧了近地层风场的辐合，辐合线附近产生强烈的上升运动，有利于暴雨的产生。 4）敏感性试验表明，海陆风的形成对强对流天气的发生和发展有着重要的影响。当把整个上海市下垫面更换为水体后，海风深入上海，因此形成的辐合线较ctrl试验更偏西，造成垂直抬升运动的位置也偏西，因此强降水的位置也会发生相应的西移；对流不稳定能量的积累受到抑制，不利于强对流的发展。当不考虑太阳的日变化时，陆面增温明显慢于ctrl试验，稳定的大气不利于能量的累积，因此不利于触发大气产生湍流运动，强对流天气不易发生；此外，地面温度的变化导致地面辐合线位置的变化，从而导致垂直方向上环流场的变化，继而降水的强度和位置发生了明显的变化。 5）通过观测资料的敏感性试验，得到以下认识： 去除雷达资料后，降水落区和量级都不能很好的把握，控制试验将雷达通过云分析调整优化了初始场中的水物质含量（云水、云冰、雨水、雪、冰雹等混合比），增加了模式中的低层云量，同时剔除了虚假的高云，尤其对东方体育中心上空的云冰进行了剔除，使云的分布更加合理，从而对中小尺度对流系统的结构和强度起到了关键性作用，这些因素是预报降水场改进的直接原因。 去除探空资料后，500hPa、700hPa和850hPa高度场和风场均不同程度变差，继而模拟的地面降温范围和强度均发生了变化。尽管探空资料仅在试验中使用了一次，但其影响可持续影响到后续时刻的试验。 AMDAR资料试验表明：没有同化AMDAR资料，模拟的弱冷空气南压稍快，16时~17时强降水中心明显偏南；同化AMDAR资料后，500hPa和850hPa的高空槽的位置和强度都有所调整，此次强对流天气的形势场得到了很好的修正，使得分析场更接近实况，这是对预报降水改进的主要原因。更重要的是，AMDAR资料每个时次均可获得，这是对探空资料最好的补充。 地面观测资料（常规地面站和自动站）试验表明：加入地面观测资料后，即近地层的温度、湿、风等要素的调整，有效地调整了地面温湿场；试验中心城区的热岛效应明显，海陆风的发展模拟更有效；此外，温度场梯度分布影响着风场，决定了地面辐合线的位置，直接影响降水的落区。因此，地面观测资料在快速更新同化试验中，也是不可或缺的重要高频次资料。 6）采用相同的技术路线，可再现2013年8月13日强对流天气过程。与实况相比，数值试验模拟的降水落区及降水随时间演变与实况基本一致，降水起止时间略有提前，但模拟的降水范围略偏大。模拟的边界层中尺度辐合线、海陆风的时空演变以及垂直环流特征与强对流发生的时空变化基本一致。该个例分析再次证明上海局地强对流的发生、发展与城市热岛效应及海陆风有密切关系。海陆温差是导致东北海陆风形成并加剧、东南海陆风增强的直接原因，同时边界层急流提供了充沛的水汽条件、加剧了地面的中尺度辐合和局地对流的发展。