一次南方暴雨过程的中尺度对流系统发展演变机制研究

摘要

我国南方处在较低纬度,既受到西风带系统影响,又受到热带地区天气系统的影响,地形复杂、海陆热力差异较大,是中尺度对流系统的多发区,预报难度非常大。本文利用NCEP/NCAR全球客观分析资料,FY-2E卫星TBB资料以及中尺度数值模式WRFV3.2对2010年6月18日—19日发生在江南及华南北部的一次暴雨过程进行了数值模拟,并探讨了引发这次暴雨的中尺度对流系统发展演变机制。分析发现,850hPa西南涡和切变线的形成与维持是影响此次暴雨产生的中尺度系统,前期MCC从形成到成熟,以低涡降水为主,后期圆形MCC转为带状MCSs,主要为切变线降水。雨带附近高、低空急流相耦合,为大范围水平涡度的产生提供了较好的背景场。此外,来自孟加拉湾和南海的水汽为中尺度对流系统和暴雨的生成提供了有利的条件。
　　通过对暴雨阶段的风场的垂直切变分析发现,雨区附近的垂直切变形成了很强的水平涡度,而水平涡度造成的旋转对应垂直环流的上升支可触发暴雨的产生。垂直方向上u、v不同的分布可形成不同的垂直环流,低涡与切变线附近的水平涡度有明显的差异,这种差异导致暴雨形成的原因不同,低涡暴雨主要由v的垂直切变造成,切变线暴雨主要由u、v的垂直切变共同作用,v的垂直切变引起的次级环流构成了沿切变线的东西向雨带,u的垂直切变沿纬向的不均匀性引起的垂直运动与切变线上MCSs的生成、发展和多雨团的形成关系密切。
　　由涡度收支方程分析可知:低涡、切变线降水中心附近的正倾侧项远大于其他项,且有明显的差异。低涡的水平涡度向垂直涡度的转换由v/＜0决定,切变线的由-u/p＞0决定,水平涡度向垂直涡度转换以及水平涡度造成的环流对暴雨的影响不可忽略。同时,在MCC转化为MCSs时,x方向的水平涡度逐渐发展成在雨区南部正,北部负的配置,这种配置有利于上升运动的发展和MCSs的形成。利用Q矢量、连续方程以及数值模拟结果分析得知,水平涡度的水平梯度与垂直运动密切相关,对降水预报和垂直速度的诊断具有很好的指示意义。
　　在MCC的生成发展阶段,等熵位涡在风场的气旋式扰动之下,表现为由分散到集中,由弱变强,MCC云团发展至成熟时,强位涡扰动区域呈现类似圆形的形状,形成了MCC成熟期典型的近圆形的云罩。成熟期位涡高值区的向东移动是MCC转变为MCSs的前期反应,同时也是MCC转变为MCSs的物理机制。成熟期的MCC强对流中心以外中高层上升、低层下沉有利于大范围冷云盖的形成维持;相比于MCC,成熟期的MCSs北部中高层下沉,抑制了高层冷云盖的形成。

目录

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 研究目的和意义

1.2 中尺度对流系统的研究进展

1.3 涡度方程和水平涡度的研究进展

1.4 位涡扰动对气旋和降水的影响研究进展

1.5 本文的研究内容、资料及方法

1.5.1 研究内容

1.5.2 研究资料

1.5.3 研究方法

第二章 降水概况及暴雨发生的环境分析

2.1 降水概况

2.2 天气形势分析

2.3 中尺度对流云团演变特征

2.3.1 MCC的定义

2.3.2 卫星云图分析

2.4 高低层影响系统分析

2.5 水汽条件和不稳定条件分析

2.6 小结

第三章 模式方案设计及模拟结果对比分析

3.1 WRF中尺度模式简介

3.1.1 WRF中尺度模式的特点

3.1.2 WRF模式的系统组成与程序结构

3.2 模式方案设计

3.3 模拟结果与实况对比分析

3.3.1 降水强度及降水范围的模拟

3.3.2 中尺度对流云团的模拟

3.3.3 大尺度背景场的模拟

3.3.4 中尺度影响系统的模拟

3.4 小结

第四章 水平涡度、降水与中尺度对流系统的发展演变

4.1 水平涡度与降水的关系

4.1.1 水平涡度的定义与计算

4.1.2 水平涡度与低空急流

4.1.3 水平涡度与降水以及中尺度对流系统的演变

4.2 水平涡度与垂直环流的关系

4.3 水平涡度与垂直速度的关系

4.3.1 湿Q矢量的定义及计算公式

4.3.2 水平涡度梯度与垂直速度的关系

4.3.3 湿Q矢量散度与降水的关系

4.4 水平涡度与垂直涡度的相互转换

4.4.1 涡度收支分析

4.4.2 倾侧项分析

4.5 Y方向的水平涡度与切变线上云团发展的关系

4.6 小结

第五章 位涡与中尺度对流系统的发生发展

5.1 位涡分析

5.1.1 等熵位涡的定义、计算方法及性质

5.1.2 等熵位涡与降水的关系

5.1.3 等熵位涡与中尺度对流系统的发展变化

5.1.4 位涡异常区的发展原因及结果分析

5.2 倾斜涡度与中尺度对流复合体发展

5.3 小结

第六章 中尺度对流系统的三维结构分析

6.1 MCC的热力结构分析

6.1.1 相当位温及层结稳定度分析

6.1.2 对流有效位能分析

6.1.3 扰动温度场分析

6.2 MCC与MCSs的三维动力结构分析

6.2.1 MCC的动力结构分析

6.2.2 MCSs的动力结构分析

6.2.3 成熟期MCC与MCSs的动力结构对比

6.2.4 MCSs的锋区结构演变与锋生函数的关系

6.3 小结

第七章 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 问题与展望

致谢

参考文献

硕士期间科研工作情况