暴雨过程大气廓线仪资料分析及其模拟试验

【摘要】：近年来，暴雨过程大尺度背景场中，暴雨系统热力动力结构及其各尺度系统间的相互作用越来越引起气象科学家们的重视。暴雨过程中急流的影响及中小尺度系统能量相互转换等对暴雨影响范围和维持时间具有明显的局地性和短时间特征，仅仅通过大尺度环境场资料，很难掌握暴雨系统发生和发展及其暴雨准确的落区和落时预报。因此，通过先进的边界层探测系统及尺度分析进行研究是至关重要的。 本文采用国家气象中心提供的T106资料、暴雨973项目外场观测试验提供的常规和加密地面、探空观测资料，并利用PSU／NCAR的非静力中尺度数值模式MM5V3，首先对2002年6月26日～6月28日发生在江淮流域的一次暴雨过程进行了诊断分析研究。再通过大气廓线仪系统探测结果的分析及各类资料综合分析，并与数值模拟试验相结合，着重分析了肥西地区暴雨过程中高低空动能垂直传输及次天气尺度各物理量场的结构特征，揭示了这次暴雨过程动力、热力结构特征及其物理机制。 本文对肥西地区暴雨时段大气廓线仪／RASS系统全天候监测得到的每3分钟一次风场和温度场资料进行分析处理，这些资料是2002年夏季中国气象科学研究院与日方科学家共同在肥西地区进行大气探测试验时获取的。这是一份时间序列上非常完整的大气廓线资料，它不仅有很高的时间分辨率，而且垂直方向上的分辨率高达100m，因此对于暴雨等中小尺度现象的研究有很高的科学价值。通过把风廓线仪／RASS资料与同步探空资料进行对比分析，验证了大气廓线仪／RASS资料的可用性，但是由于风廓线仪／RASS资料的时间间隔很短、数据量很大，有效率存在明显的涨落，特别是在有强降水天气的情况下，因此单一时次的资料可能会缺乏足够的代表性，我们通过多时次数学处理方案来提高资料的可用性。又由于大气廓线仪／RASS系统在观测期间偶尔会受到外界干扰物的影响，资料中会出现一少部分无效值和缺测值，我们通过插值订正的方法处理了这部分资料。 从大气廓线仪的动能时空分布图中，可以清楚地看到高、低空动能的分布状况。在暴雨期间，动能由高层向低层输送，这种动能的下传可能与暴雨的局地突发现象相关。在u风场和v风场同时出现大值的区域，相对应的动能也最大。同时大气廓线仪还能够揭示出强上升运动过程中潜热释放的结构特征，并且在高层可以看到一些切变线中小尺度系统的活动；这些特征在模式模拟的结果中并没有能很好地反映出来。本文通过把大气廓线仪／RASS资料与模式模拟的结果进行对比分析，来进一步了解中小尺度天气系统在暴雨过程中的作用，同时检验了数值 暴雨过程大气廓线仪资料分析及其模拟试验 模式对中小尺度天气现象模拟和预报结果的敏感性。此外，本文还通过动能方程 计算天气尺度、次天气尺度以及非线性相互作用动能，着重分析了江淮暴雨过程 中的强降水时段。从计算结果可以看出，此次暴雨过程中存在天气尺度系统与系 统之间的相互作用。天气尺度动能减小，次天气尺度动能增加，但是天气尺度动 能与次天气尺度动能不能实现直接转换，必须通过两种尺度之间的非线性相互作 用来实现。也就是说，对于次天气尺度系统而言，天气尺度系统是一个动能源， 通过非线性相互作用，天气尺度系统把动能传递给次天气尺度系统，使暴雨系统 得以发展。 随着大气探测技术的进步，各种高时空分辨率的资料正以各种不同的方式用 于数值试验研究中。本文的结果预示着把大气廓线仪/RASS资料用于中尺度数值 模式的同化过程获取描述多时刻多层次的风、温度和湿度结构演变的初始场，有 可能进一步提高模式对中尺度暴雨的模拟能力。