华北“7·20”特大暴雨动力诊断与数值模拟

摘要

暴雨是夏季常见的灾害性天气，容易导致洪水泛滥、堤坝缺口、山体滑坡和泥石流等灾害。华北是我国暴雨灾害严重的地区，目前对华北极端暴雨形成机理和发展过程的认识尚不清楚，迫切需要加强科学研究。本文对2016年7月18-21日发生在华北地区的一次历史极端暴雨天气过程(“7·20”特大暴雨)进行了详细分析，在全面了解降水特征的基础上，分析了各种影响系统间的相互作用，然后利用典型动力因子对暴雨的各阶段进行诊断分析,最后利用中尺度WRF模式进行了微物理过程敏感性试验。主要研究结果如下：　　(1)“7·20”特大暴雨是“63·8”暴雨以来华北最强的极端强降水过程。暴雨雨带移动缓慢，持续时间三天以上。华北大部分地区降水量在100mm以上，最大降水783.5mm。雨带中轴线沿华北平原边缘延伸，与地形关系密切。本次暴雨过程中两个降水中心（太行山区和北京中南部）的降水特点显著不同，太行山区多为对流性降水，北京中南部多为暖区层云降水。　　(2)本次暴雨发生在“东高西低”的环流形势下，西风槽发展东移，在华北南部与东移北上的西南涡相遇，切断成华北气旋，形成了深厚的低值系统。西太平洋副热带高压北抬，与东北地区高压脊南北叠加形成“高压坝”减缓了低值系统的东移。低值系统东北侧存在高低空急流耦合，气旋性辐合作用使低空急流末端暖湿气流强烈抬升，从而形成了极其有利的天气形势。西南涡东移北上对本次暴雨起着至关重要的作用，高空位涡下传是西南涡及华北气旋发生发展的重要机制，同时凝结潜热的作用也不能忽视。　　(3)此次降水过程分为槽前暖区降水和低涡(气旋)降水。槽前暖区降水阶段，地面弱冷空气入侵造成的斜压不稳定及太行山脉和偏东急流的相互作用使降水呈现出对流性降水特点；低涡(气旋)降水阶段，发展深厚的降水低值系统使华北北部更多的体现出暖云降水特点。同时，中小尺度系统不断发生发展是强降水持续稳定发生的重要原因。　　(4)湿热力平衡流参数对槽前暖区强降水的范围和强度诊断效果较好，而广义湿位涡和二级位涡对于低涡(气旋)降水的范围和强度诊断效果较好。散度通量和垂直螺旋度的垂直积分异常区均能和强降水发生区域相对应，其中热力散度垂直通量和热力垂直螺旋度对降水的落区和强度整体指示效果更好。THP在整个降水阶段的诊断效果均较好，但在不同降水阶段THP异常区值大小不同。　　(5)大部分微物理方案对此次极端降水的分布模拟效果较好，能够再现此次特大暴雨过程；随模拟时间延长，方案间差别变大，且单参方案对各量级降水的模拟差别比双参方案显著，方案间雨水混合比、固态水凝物以及垂直速度的差别均大于双参方案，整体效果不如双参方案。综合来看，SBU_YLin方案对此次特大暴雨过程模拟效果最好，对降水量级和落区的模拟都接近实况。　　总之，本文研究结果加深了对于华北极端暴雨的形成机理、发展过程的了解，可对暴雨的理论研究提供参考，对提高华北极端暴雨的预测、预警，保障该地区人民生命财产安全具有重要的现实意义和科学价值。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究意义

1.2 暴雨国内外研究现状

1.3 研究内容

第二章 数值模式及资料方法简介

2.1 中尺度WRF模式简介

2.2 资料方法

第三章“7·20”特大暴雨降水特征分析

3.1降水空间特征

3.2降水时间演变特征

3.3 极端性分析

3.4 本章小结

第四章 “7·20”特大暴雨多尺度特征分析

4.1 天气形势综合分析

4.2高低层系统相互作用分析

4.3中尺度系统与地面天气系统演变特征

4.4 本章小结

第五章 “7·20”特大大暴雨动力诊断

5.1 湿热力平衡流参数

5.2 广义湿位涡诊断

5.3 散度通量分析

5.4垂直螺旋度诊断分析

5.5 THP诊断结果分析

5.6 本章小结

第六章“7·20”特大暴雨云微物理过程敏感性试验

6.1 资料和试验方案设计

6.2模拟降水时空分布特征

6.3降水模拟效果检验

6.4 云微物理量模拟

6.5本章小结

第七章 总结与讨论

7.1 全文总结

7.2 本文特色及创新点

7.3 存在的问题及下一步研究计划

参考文献

在学期间研究成果

致谢