苏北“7.22”强降水超级单体风暴的数值模拟及发生发展机理研究

摘要

超级单体风暴具有突发性强、生消过程快、发生发展机理复杂等特点，常引发极端强对流灾害性天气，而且预报难度非常大，有重要的研究意义。本文利用常规观测资料、NCEP再分析资料、FY2C卫星TBB资料、盐城多普勒雷达资料、WRF中尺度模式和雷达观测资料循环三维变分(3DVar)同化技术，对2008年7月22日苏北地区的一次强降水超级单体风暴进行了数值模拟，并探讨了其三维结构和发生发展机理。
　　本文首先基于数值模拟结果并结合多普勒雷达观测，对超级单体风暴的雷达回波特征分析发现，在超级单体风暴成熟期，中高层的回波相对于低层的回波向东扩展;中低层云体入流一侧有明显的倒“V”型缺口且云体南侧出现回波穹窿;垂直结构呈现为倾斜对峙的上升下沉气流对。相应的雷达径向速度场显示，风暴前倒“V”型缺口附近的强降水区中有强烈中气旋的存在，说明此次超级单体风暴为典型的强降水超级单体风暴。
　　其次通过对超级单体风暴的热、动力结构分析发现，云体内正、负水平强烈旋转伴随着强垂直运动从700hPa伸展到250 hPa;强对流中心及其周围的涡散度配置，有利于高层大范围云砧以及高低层冷区、中层暖区的温度场结构的形成;环境大气低层的湿不稳定能量的释放及中层的深厚湿中性层结有利于超级单体风暴的强烈发展。风暴前侧有明显的边界层辐合上升运动，在中、低层强垂直风切变的作用下形成旋转上升气流，使超级单体风暴得以发展和维持。
　　然后利用湿位涡守恒原理和倾斜涡度发展理论分析超级单体风暴的发生发展，发现650hPa高度上湿位涡与超级单体风暴的发展移动有较好的对应关系;沿等熵面下滑的冷空气与倾斜上升的暖湿空气在湿等熵面上汇合的过程中经历了对流稳定性减小的过程，有利于对流和暴雨的发展，而等熵面上水汽凝结潜热的释放，又进一步促进气旋性涡度和超级单体风暴的发展;中气旋易于在等熵面陡立的地方发生、发展，而且等熵面越陡立，中气旋的发展就越剧烈。
　　总体而言，本文对苏北地区一次典型强降水超级单体风暴进行全面细致的观测分析和数值模拟，建立了此次过程的三维结构和发生发展的物理概念模型，有利于提高苏北地区超级单体风暴的预报质量。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究目的和意义

1．2 超级单体风暴的流场结构研究进展

1．3 超级单体风暴的数值模拟研究进展

1．4 超级单体风暴的发生、发展研究进展

1．5 湿位涡和倾斜涡度发展理论的研究进展

1．6 本文的研究内容、资料和方法

1．6．1 研究内容

1．6．2 研究资料

1．6．3 研究方法

第二章 天气概况及暴雨发生的环境分析

2．1 天气实况

2．2 天气背景

2．3 中尺度对流系统

2．4 多普勒雷达特征

2．4．1 风暴的整体演变特征

2．4．2 强降水超级单体风暴空间结构

2．5 暴雨过程的环境场结构特征

2．5．1 热动力场结构特征

2．5．2 水汽输送特征

2．5．3 冷干侵入特征

2．6 本章小结

第三章 数值试验设计及模拟结果对比分析

3．1 引言

3．2 WRF3．5中尺度模式简介

3．3 WRF-3DVar系统及观测算子简介

3．3．1 WRF-3DVar系统的基本方法和流程简介

3．3．2 多普勒雷达资料同化算子介绍

3．4 雷达资料的预处理

3．5 数值试验设计

3．6 模拟结果分析

3．6．1 短时降水

3．6．2 雷达组合反射率因子

3．7 本章小结

第四章 强降水超级单体风暴的结构特征分析

4．1 引言

4．2 水平结构分析

4．3 垂直结构分析

4．4 动力结构分析

4．5 热力结构分析

4．5．1 假相当位温分析

4．5．2 层结稳定度及云水分析

4．5．3 扰动温度分析

4．6 本章小结

第五章 强降水超级单体风暴的发生发展机理分析

5．1 引言

5．2 垂直风切变与超级单体风暴的发展变化

5．3 边界层辐合上升与超级单体风暴的发展变化

5．4 强降水超级单体风暴发生发展的等熵湿位涡分析

5．4．1 湿位涡的方程和性质

5．4．2 等压面上的湿位涡与超级单体风暴的发展变化

5．4．3 等熵湿位涡与超级单体风暴的发展变化

5．4．4 湿等熵面气压演变与超级单体风暴的发展变化

5．5 倾斜涡度与超级单体风暴的发展变化

5．5．1 倾斜涡度发展理论

5．5．2 倾斜涡度发展分析

5．6 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 本文创新点

6．3 问题与展望

参考文献

致谢

作者简介