梅雨锋附近对流发生发展机制研究

发布时间：2020-08-08 06:41

【摘要】：本文基于观测资料、对流尺度模式资料和数值模拟结果,围绕梅雨锋附近对流发生发展中的三个问题开展了研究。首先是降水的日变化特征,主要考察了梅雨锋锋面降水的日变化特征及其区域差异,同时讨论了日变化的形成机制,并且提供了日变化区域性的理论依据。其次是对流的触发机制(Convection Initiation,CⅡ),利用中小尺度数值模式ARPS,研究了梅雨锋南侧一个飑线个例中对流发展的三种不同的触发过程。最后是带状对流的发展和组织化过程,结合理想试验和实际个例的数值模拟,分析了维持对流持续发展和组织化为带状结构的机制。主要结论如下:(一)梅雨锋面降水日变化及其形成机制长江中下游梅雨锋面降水可划分为南北两个雨带,雨带有明显的日变化,南雨带有清晨和午后两个峰值,北雨带只有清晨的单峰,并且北雨带的日变化超前于南雨带。南北雨带的不同体现了梅雨锋降水日变化的区域差异。雨带内降水的变化直接受净水汽通量的控制,二者存在2-3小时的滞后相关性,体现了地面降水对水汽输送的响应。雨带内净水汽通量主要来自于非地转风的输送,非地转分量的辐合是主要的大尺度强迫。研究发现,非地转风(水汽通量)随时间绕着地转分量做顺时针旋转的,符合边界层内的惯性振荡理论(Blackadar机制)。午后,边界层混合增强,边界层内的摩擦对风场起减速作用,同时由于旋转特征,非地转风与地转风反向,全风场变为次地转的,相当于从雨带抽离水汽,所以降水在午后到夜间显著减弱(超过50%);自午夜到清晨,边界层内摩擦拖曳作用减弱,非地转风逐渐指向地转风场,全风场变为超地转风,低层净的水汽通量指向梅雨锋区并逐渐达到最大值,持续的超地转风也向锋面区域输送了更多的水汽,二者共同作用产生清晨的降水峰值。进一步通过二维线性运动方程模式解析解证实南北雨带日变化(幅度)主要是Blackadar机制在起作用,同时发现Holton机制对日变化位相起作用,而海陆和山谷热力环流对雨带日变化也有着一定的影响。(二)梅雨锋附近飑线发展过程中对流的触发机制利用ARPS模式通过数值模拟方法研究了 2014年梅雨锋南侧一次飑线过程(IOP8)初始对流的触发机制。飑线的形成源于梅雨锋南侧四个对流单体(A～D)的触发(CⅡ)和持续发展,其触发过程包含了三种不同机制:(1)是典型阵风锋上的触发(CⅡ-C),气块一直在由西北气流和西南气流构成的主辐合带内移动,持续受到主辐合带内的抬升强迫;(2)是对流(CII-A\B)出现在与阵风锋相邻的边界层水平对流卷上,气块的抬升强迫是突然增强的,与阵风锋和水平对流卷都有关;(3)中对流(CⅡ-D)出现在远离阵风锋的暖区,只与水平对流卷的环流有关,发展成熟的水平对流卷可以直接抬升气块至自由对流高度。在此基础上开展了关闭地表热通量和关闭对流区域湿过程的敏感性试验。结果表明,地表热通量对边界层垂直混合的强弱有直接的影响,关闭地表热通量后边界层内西南动量的垂直混合显著减弱,不仅主辐合带减弱,对流卷结构也不完整,对流难以发展;而凝结潜热释放主要发生在对流层中高层,对对流的发展起到促进作用但并不影响对流的触发,即便缺少以潜热反馈为主的湿过程,阵风锋或者对流卷提供的动力强迫仍足以触发对流。(三)梅雨雨带内对流的发展演变和组织化过程结合理想梅雨锋系统的试验和实际个例的数值模拟,分析了梅雨雨带内对流持续发展和组织化为带状结构的形成机理。在梅雨雨带内可以看到多条近似平行分布的具有准二维结构特征的强对流降水区。雨带一般会经历强对流、对流的再次发展和减弱消散三个阶段。在降水的第一阶段,条件性对流不稳定、对称不稳定和惯性不稳定一般同时出现在带状降水区,并且由于不稳定的释放,在垂直于雨带的二维垂直剖面上,中尺度环流是以垂直运动和倾斜运动共存的方式发展的,这也是对流能够组织化为带状结构的直接原因。在第一阶段降水结束的过程中,中高层高位涡的干空气常侵入对流层低层暖湿区,激发中低层的位势不稳定和锋生过程,对流才能够再次发展维持雨带的结构,梅雨锋降水进入增强的第二阶段。
【学位授予单位】：国防科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P458.121
【图文】：

但是Ｙｕ等发现青藏高原东坡对流系统向下游的传播不能完全解释下游地逡逑区降水日峰值向东滞后的特点。他指出在中国中东部地区，地面风场的日变化存逡逑在顺时针旋转的趋势（图１．１），这种现象可能与持续降水的清晨峰值有关并逡逑且低层风场的这种日变化与地形相互作用会影响低层的辐合抬升和相应的对流活逡逑动，有可能是引起持续性降水向东滞后的大尺度强迫［６５］。夏季伴随着东亚季风的逡逑爆发，西南低空急流可带来充足的暖湿空气、强烈的辐合抬升和气旋式切变，直逡逑接受低层风场的影响，低空西南急流或者夏季风必然会呈现出类似的变化趋势。逡逑Ｃｈｅｎ等［７６］因而将水汽输送与夏季风的日变化联系起来，证实了夏季风与中国中东逡逑部地区降水日变化在时间尺度上的关系。另外，不同的盛行风条件也会显著影响逡逑对流系统的日变化特点。中国西部地区夜间降水还会受到云顶辐射冷却的影响逡逑第４贡逡逑

Ｚｉｅｇｌｅｒ和Ｒａｓｍｕｓｓｅｎ［８８＾确指出干线里的热力次级环流强迫的水汽福合足以抬升逡逑湿对流边界层的气块上升至自由对流高度（Ｌｅｖｅｌ邋ｏｆ邋Ｆｒｅｅ邋Ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ，ＬＦＣ），发展逡逑为对流云（图１．２）。Ｍｕｒｐｈｅｙ等［８９Ｈ人为干线南部的暖湿偏东气流日变化特征表现逡逑为午后加强，会增强干线附近低层的辐合，更有利于对流的发生。逡逑第６贡逡逑

逡逑图１．２牛后和傍晚干线附近的环境，表示了干线相对于对流云的位置，其中低层粗黑虚线代逡逑表湿对流边界层的高度＃氋层粗黑虚线代表干线西侧干的对流边界层和千线东侧抬升残余，灰逡逑色的哢线代表０植西Ｍ■面，流线代表了＿浮力上升气块的路径．（摘Ｉｆ邋Ｚｉｅｇｌｅｒ和Ｒａｓｍｕｓｓｅｎ＿）逡逑２）

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本文编号：2785211