山东省及周边地区夏季中尺度对流系统时空分布和典型个例分析

摘要

中国降水不仅表现出显著的季节变化特征，而且存在明显的地域性差异。在全球增暖的大气候背景下，区域降水的日变化蕴含着该区域综合因素与大气环流相互作用及其影响。已有的研究工作已揭示出降水日变化的主要时空分布特征，但区域性降水短时变化的细致特征仍有待于进一步分析。此外，伴随全球变暖，极端降水出现的频次越来越多，强度越来越强。其中，由中尺度对流系统(简称MCS)造成的短时强降水也造成很多的灾难，例如2007年7月18日发生在山东省的一次强对流天气，造成重大的人员伤亡和财产损失。以前的研究认为黄河下游是MCS易发区之一，但是，从气候学角度综合研究我国黄河下游地区MCS的时空分布特征的并不多见。为此，本论文围绕山东省独特的降水日变化特征和MCS时空分布特征，利用统计学方法进行了研究，并结合资料分析和新一代多普勒天气雷达资料反演，对一次典型个例进行了多尺度研究，得出的主要结论如下：
　　 ⑴基于山东省123个基准站的逐时降水资料分析发现，山东夏季、6-8月不同强度降水的总次数均呈指数分布，降水强度与次数表现出相反的变化关系。其中，中雨以下的降水频次为单峰结构，中雨以上的降水呈现相同的双峰结构。夏季不同月份不同强度的降水次数也呈现不同的日变化结构和不同的地理分布。夜间中雨以下强度的降水主要集中在泰沂山脉的迎风坡及山东省南部等内陆地区，中雨以上的降水高频区向西北内陆方向移动。而地形对小雨的作用在凌晨和白天不明显。
　　 ⑵对13年逐时TBB卫星反演资料的分析发现，中尺度对流复合体(简称MCC)和持续拉长状的MCS(简称PECS)是影响山东省夏季降水的主要MCS，其中MCC的数量明显大于PECS，但PECS的平均面积和生命史大于MCC。MCC和PECS平均偏心率分别为0.85、0.55，其成熟时的面积、平均偏心率和生命史均大于和长于美国的个例。MCC和PECS平均最低TBB值分别为-71℃和-72℃；PECS在最低TBB出现2.2h之后其面积达到最大，较MCC(1.7h)要长。分析发现，MCC的形成和成熟期存在双峰结构，而PECS则呈单峰结构。MCC主要发生在7月份，并且表现出明显的年际变化特点，对应的大气环流也显著不同。
　　 ⑶分析发现，影响山东的MCS大部分生成在黄土高原东侧和泰沂山脉之间的过渡带、东部海洋与陆地交界处，消亡位置分集中在海上和海陆交界处和泰山的背风坡。其中，尺度相对较大的MCC和PECS容易受到大山脉和海陆分布的影响，而尺度较小的MβCCS和MβECS的形成和消亡则更易受到黄河的影响；不同类型的MCS伴随夏季西太平洋副高的季节进退其移动方向存在差异，MCC和PECS的移动路径主要受850hPa的最大温度平流升度方向影响。
　　 ⑷选取2007年7月18日-19日个例分析，发现导致山东省强降水的PECS的发生和发展与低层来自东北方向的冷空气活动和正在减弱的MCC的外流有关。卫星资料显示，PECS先后由10个对流单体复合而成，其中2个α尺度的对流单体合并时造成了商河县的强降水。当对流单体合并时，在可见光云图上出现云线，对应地面的冷锋后部出现γ尺度的雷暴高压，此后逐渐发展成为α尺度的雷暴群，降水产生在雷暴高压前和冷锋后，雷暴高压减弱时出现尾流低压。济南市强降水过程则是由2个上冲云顶合并时造成的。雷达回波分析显示，PECS降水回波表现出后部扩建类和回波交叉类的特征。
　　 ⑸基于NCEP资料分析得出了PECS发生前的天气形势概念模型和PECS成熟时的环流结构。此外，对位涡(简称PV)和湿位涡(垂直分量简称MPV1，水平分量简称MPV2)的分析研究发现：低空PV、MPV1的增大来自500hPa以下由高纬向中低纬的PV、MPV1扰动输送；PECS过程经历了一次PV、MPV1高值区与等θe面从斜叠加到正叠加的过程。500、700和850hPa上的1、0.8和0.7PUV异常PV中心与雨区有很好的对应关系。在PECS发展过程中，在对流层中层、等θe面的“凹陷”处出现1PUV的正PV中心，并沿着等θe面下滑到对流层底部。在500hPa上，强降水出现在正MPV1高值与前方对流不稳定区之间的等值线密集带；MPV1值为0.1PUV的区域可做锋面强降水区的前界。在850 hPa上，一个孤立的0.8PUV的高MPV1扰动中心自东北方向向西南方向分裂，并且周围被负MPV1值所包围，扰动中心对应地面强降水，当其范围和强度减小时，PECS达到成熟。MPV2在南北和垂直方向上均有负位涡输送，降水发生在500和700hPa上MPV2密集带的前沿，负值中心值与降水强度有很好的对应关系。
　　 ⑹基于新一代Doppler天气雷达资料的分析和4DVAR变分同化系统显示，产生强降水的原因主要包括大反射率因子、强降水范围的扩大、降水系统移动缓慢及中尺度西南风急流的增大。在PECS触发前，经向垂直环流上出现气旋性垂直环流；在PECS形成时，纬向垂直环流上可以看到单体“颗粒喷泉”作用。随着对流的发展，上升气流区随高度逐渐向前倾斜。降水达到最大时，主对流回波带与其前部外流边界中的新生单体之间存在2个明显的反向垂直环流，环流中心的距离和高度与上升和下沉气流成反比，也与地面风力和降水成反比。济南市的2次强降水与雷暴高压和尾流低压的出现有关，而雷暴高压和尾流低压的出现又与垂直环流之间的上升和下沉气流的加强有关。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1引言

1.2国内外相关工作研究进展

1.2.1关于降水日循环的研究进展

1.2.2关于中尺度对流系统的研究进展

1.2.3关于位涡、湿位涡的研究进展

1.2.4关于多普勒雷达的应用和反演风场的研究进展

1.3论文拟解决的科学问题

1.4论文研究内容和所用资料、方法

References

第二章 夏季山东省降水的日循环时空分布特征

2.1前言

2.2资料和方法

2.3不同强度降水的日循环概率分布

2.3.1夏季不同强度的降水总概率分布

2.3.2 6～8月不同强度降水的日循环概率分布

2.4日循环的概率空间分布特征

2.4.1夏季空间分布特征

2.4.2 6～8月不同强度降水的日循环空间分布

2.5结论与讨论

参考文献

第三章夏季山东省及其周边地区中尺度对流系统的时间分布特征

3.1引言

3.2资料与方法

3.3 MCS的基本特征

3.3.1 MCS与降水的关系

3.3.2成熟MCS的面积和偏心率

3.3.3 MCS与TBB的关系

3.3.4 TBB与逐时降水的关系

3.4 MCS的时间变化特征

3.4.1 MCS的生命史变化特征

3.4.2 MCS的日变化分布特征

3.4.3 MCS的月分布特征

3.4.4 MCS的年分布特征

3.5结论与讨论

参考文献

第四章夏季山东省及其周边地区中尺度对流系统的空间分布特征

4.1引言

4.2资料与方法

4.3发展不同阶段的MCS的地域分布特征

4.4 6～8月MCS的地域分布特征

4.5 MCS移动路径

4.6结论与讨论

参考文献

第五章济南“7.18”大暴雨的中尺度对流系统研究

5.1前言

5.2中尺度系统形成前的天气尺度背景

5.3中尺度对流系统的触发条件

5.4 PECS的云图特征分析

5.4.1红外云图Tbb的α和β尺度系统

5.4.2可见光云图的β和γ尺度系统

5.5 PECS的地面系统特征

5.6 PECS的雷达回波特征

5.7结论与讨论

参考文献

第六章 中尺度对流系统不同阶段的环境场和物理量场诊断分析

6.1前言

6.2使用资料和方法

6.2.1位势涡度和湿位势涡度定义

6.2.2位涡守恒

6.2.3湿位涡守恒性

6.3 PECS不同阶段的环流形势和常用物理量诊断分析

6.4位涡、湿位涡在PECS不同阶段的演变

6.4.1位涡(PV)的演变情况

6.4.2湿位涡(MPV)的演变情况

6.5结论和讨论

参考文献

第七章中尺度对流系统的的雷达回波和风场反演特征分析

7.1前言

7.2资料和方法

7.3雷达资料分析

7.4反演风场的检验和分析

7.4.1反演风场的检验

7.4.2反演地面风场和垂直环流分析

7.5结论与讨论

参考文献

第八章全文总结与展望

8.1总结

8.2讨论与展望

8.3本文创新点

致谢

简 介