冷涡背景下飑线发展机理个例分析和模拟

发布时间：2020-11-03 07:32

　　 2017年7月7日下午至午夜,河北西北部和北京中北部发生了一次伴有闪电、大风和冰雹的罕见强弓状飑线过程。已有统计研究发现北京北部较少发生飑线过程,因此,研究该次飑线的触发、演变和维持机制等具有较高的预报应用价值。本文综合地面自动站资料、雷达资料、卫星资料等各类观测资料、NCEP(National Centers for Environmental Prediction)分析资料以及欧洲数值天气预报中心(ECMWF)的全球细网格预报产品,利用“配料法”对该次飑线过程的环境条件、触发、演变、风暴结构和弓形回波的形成与维持机制进行了研究和分析,并在此基础上采用RMAPS-ST系统(Rapid-refresh Multi-scale Analysis and Prediction System—Short Term,中文名为睿图-ST)进行了数值模拟研究。主要结论如下:(1)此次飑线的初始对流在河北中北部持续维持的一支西北风和西南偏西风之间的地面辐合线附近触发。在500 hPa冷涡西南部的前倾低槽和高低空明显急流形势下,对流系统在河北中北部和北京北部具有较大的有效位能(CAPE)、强0–3 km和0–6 km垂直风切变的有利环境条件下发展和维持,并为冰雹和地面强风的形成提供了有利条件;地面高温高湿、对流层中层大的温度露点差以及大的垂直减温率造成环境大气具有强的下沉对流有效位能(DCAPE),利于弓状回波和地面大风形成。大的CAPE和DCAPE值以及强垂直风切变是有利于飑线维持的环境条件。(2)此次飑线演变过程较为罕见,雷达回波显示,近东西向的线状对流系统演变为团状超级单体风暴,最后演变为东北-西南向的、镶嵌有超级单体的强弓状回波飑线系统。超级单体阶段和飑线阶段都有明显的回波悬垂、弱回波区、中气旋(飑线成熟后期为中涡旋)、强后侧入流及其伴随的入流缺口等;对流层中层强后侧入流和大的温度露点差是形成强下沉气流并发展出弓状特征的主要原因。(3)此次飑线的RMAPS-ST系统数值模拟的9和3 km分辨率区域内采用Thompson云微物理方案和YSU边界层方案;1 km分辨率区域采用Morrison(2-moment)云微物理方案和MYJ边界层方案。模拟的飑线发展较实况提前1小时左右,其大尺度环流形势、雷达反射率以及1小时累计降水均与实况具有较好对应,成功地反映了飑线的演变特征,包括东西向线状对流阶段、团状对流阶段、飑线成熟阶段以及其“弓状”特征。(4)成熟阶段的入流缺口、回波悬垂、弱回波区、中层后侧入流以及中涡旋等特征结构均模拟成功;地面中尺度气压场上清晰地呈现出“低压-高压-低压”的结构,即层状云后部的尾流低压、飑线中后部中高压以及飑线前方的飑前低压。冰相粒子混合比高值区与实况地闪密集区较好对应。在飑线“弓状”顶端中高层的平均冰相粒子含量大,大量冰相粒子的融化和升华等吸收热量加强了后侧下沉气流。中层的反气旋式涡旋的水平散度和垂直涡度随高度具有后倾特征,其中层强的辐合作用能够增强后侧入流和下沉运动,从而有利于飑线的发展和维持。(5)定性分析发现模拟的飑线成熟阶段的内部结构与RKW(Rotunno-Klemp-Weisman)理论中飑线维持的最佳模态接近。进一步定量比较了冷池的传播速度与垂直于飑线的低层垂直风切变分量的比值。发展阶段,两者比值1;成熟阶段,两者的比值约为1;消亡阶段,两者比值1。这说明只有飑线成熟阶段的冷池传播速度与沿飑线法向的低层垂直风切分量近似平衡,与RKW理论中有利于飑线发展维持的最佳模态接近。因此,RKW理论可用于解释该次飑线成熟阶段维持的动力机制。本文新意主要在于:第一,发现本次飑线演变较为特殊。雷达反射率因子和冷池演变显示,对流系统先后演变为东西向线状对流,团状的超级单体风暴以及东北-西南向的“弓状”特征飑线;第二,1 km水平分辨率的数值模拟资料显示飑线成熟阶段存在中涡旋,其与飑线“弓状”特征的形成机制和维持有关;第三,基于1 km分辨率数值模拟结果分别从定性和定量两个角度验证了RKW理论对此次飑线过程维持机制的适用性。
【学位单位】：中国气象科学研究院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P458.3
【部分图文】：

冷涡背景下飑线机理个例分析和模拟2图1.1 三种线性中尺度对流系统的理想化生命史的反射率示意图（Parker and Johnson，2000）除了按照组织形式不同对飑线进行分类外，组织程度的差异也是研究者关注的重点。Campbell et al（2017）根据每个中尺度对流系统的组织程度来确定组织结构与 MCS 运动之间的可能联系，将中尺度对流系统分成了四类，认为 MCS 的运动是对流分量和传播分量的总和，并且只在高度组织的第一类 MCS中出现的线端涡旋或MCV使得这类MCS移动速度最快。另外，飑线的组织形式对飑线的发展演变固然重要，而其消散形式在飑线的研究中也同样值得关注，Meng et al（2013）对 2008-2009 年华东地区飑线消散模式进行了研究，将其分为三种模式。详细的线状对流组织形式分类有利于更好的认识对流风暴形态与各类恶劣天气之间的关系

而当冷池弱于垂直风切变时，上升气流向前倾斜；强于垂直风切变时，上升气流向后倾斜。这两种状态均不利于新单体的生成。图1.2 对流系统演变的三个阶段（Weisman and Rotunno，2004）垂直风切变深度的选取和冷池深度的选取与 RKW 理论的在实际飑线中的应用都有着密切的联系。一般情况下，低层（0-3 km）垂直风切变对飑线的发展和维持更重要，而 RKW 理论的提出建立在理想化模拟试验上，对于环境条件更为复杂多变的真实飑线对流系统是否仍采用 0-3 km 层之间的垂直风切变探讨 RKW 理论的适用性值得探究。因此，除了检验低层垂直切变之外，更深层次的垂直风切变也是影响飑线发展不可忽略的要素。通过前人的研究，发现若冷池-切变相互作用对于产生强盛、长生命史的飑线系统至关重要，那么 3 km 上相对对流线的法向切变的延伸也是至关重要的（Coniglio et al

图 3.1 天气实况、飑线移动路径（a）09–15 UTC 受飑线影响区域逐小时自动气象站≥20 mm/h 短大风（自动站气象站观测的大风未给出；红色圆圈为张家口和时最强反射率因子核心的移动路径和35 dBZ等值线，图中标注棕色线为移动路径；填色为 13:30 UTC ≥30 dBZ 反射率因子；灰
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 黄大文;利用常规资料作飑线分析的尝试[J];热带气象;1988年01期

2 吴瑞姣;陶玮;周昆;邱学兴;;江淮灾害性大风飑线的特征分析[J];气象;2019年02期

3 王焱;潘益农;潘玉洁;;一次飑线过程的数值模拟及诊断分析[J];南京大学学报(自然科学版);2008年06期

4 陈业国;农孟松;黄海洪;沈桐立;;一次华南强飑线过程的数值模拟分析[J];气象;2009年09期

5 李法然;王振坤;;一次飑线过程的成因分析[J];浙江气象科技;1982年02期

6 叶朗明;伍志方;张华龙;郭春迓;;相同季节和相似区域华南两次飑线过程比较分析[J];暴雨灾害;2016年05期

7 唐明晖;王强;徐靖宇;贺科;;低层暖平流强迫背景下湖南两次飑线过程对比分析[J];暴雨灾害;2019年02期

8 竹利;陈朝平;陈茂强;廖文超;;川北飑线成熟阶段灾害性大风成因个例分析[J];暴雨灾害;2018年02期

9 周斌;李佳;陈嘉琦;;一次强飑线过程的分析[J];湖南科技学院学报;2014年10期

10 张宁;苏爱芳;史一丛;;2014年一次飑线的发展维持原因分析[J];气象;2017年11期

相关硕士学位论文 前10条

1 罗琪;冷涡背景下飑线发展机理个例分析和模拟[D];中国气象科学研究院;2019年

2 张乐楠;一次东北冷涡生成期槽后强风与飑线后向入流演变及成因分析[D];南京信息工程大学;2018年

3 席乐;一次华南强飑线过程的数值模拟及其自组织过程研究[D];南京信息工程大学;2018年

4 周围;一次飑线过程的数值模拟与诊断分析[D];南京信息工程大学;2018年

5 钱奇峰;飑线模拟对云微物理方案的敏感性研究[D];清华大学;2017年

6 高梦竹;杭州湾对浙北飑线发生发展的作用研究[D];南京信息工程大学;2017年

7 王楠;2009年6月两次飑线过程的差异及成因分析[D];南京信息工程大学;2014年

8 温静;中国东部一次飑线过程的微物理结构分析和数值模拟[D];南京大学;2017年

9 曹倩;基于雷达资料同化的一次飑线过程分析及对霰粒子敏感性试验[D];兰州大学;2017年

10 苏洋;一次华南飑线的动热力和云微物理特征及演变的模拟研究[D];南京信息工程大学;2017年

本文编号：2868282