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强暴雨中尺度系统发展结构和机理的非静力数值模式模拟研究

冯伍虎

  本文利用观测分析、数值模拟以及动力学诊断相结合的方法,对我国两类中尺度强暴雨系统发展结构和机理进行了较深入研究,其中主要包括以下八个方面的研究成果。 1.台风登陆变性低压暴雨和典型梅雨锋暴雨的对比研究 台风登陆变性低压和典型梅雨锋是造成我国暴雨洪涝灾害的两类重要天气系统。为此,我们选取了“96.8”台风登陆变性低压暴雨过程和“98.7”梅雨锋低涡切变线暴雨过程。观测分析、数值模拟和热力、动力诊断结果指出,这两次暴雨过程都与α-中尺度对流系统(MαCS)和β-中尺度对流系统(MβCS)的生成和强烈发展直接相关。但其发生、发展及结构演变并不尽相同。 2.“96.8”台风登陆变性低压暴雨的α中尺度系统结构及发展机理研究 卫星云图分析可以看出,造成我国晋、冀、豫严重内陆灾害的“96.8”台风登陆变性低压暴雨的产生和台风低压中形成的强α-中尺度对流系统密切相关。 天气观测事实分析可以得知,“96.8”特大暴雨是在大、中尺度天气系统和高、中、低纬环流系统相互作用而形成的有利环流形势下产生的。稳定的大型鞍形场和北移台风低压与其东侧副热带高压的相互作用是“96.8”特大暴雨发生的大、中尺度环流条件;而北移的α-中尺度台风低压及其特有的动力热力结构与该暴雨的发生和持续直接相关。 成功的非静力中尺度数值模式模拟结果分析揭示:发展的台风低压具有气旋性涡柱的暖心高湿结构,在涡柱低空是湿对流不稳定和负湿位涡结构;强垂直上升运动与高空强辐散、低空强辐合及对流云团的发展互耦;与台风低压相伴的强南风急流不仅是台风低压和对流云团发展与维持的互伴互耦条件,而且也是暴雨产生与维持的必备条件。 3.“98.7”梅雨锋低涡切变线暴雨的β-中尺度系统结构及发展机理研究 大、中尺度天气系统和云图分析指出,“98.7”特大暴雨过程不仅与500hPa短波槽和700hPa低涡切变线以及地面梅雨锋系的生成和发展密切相关,而且与沿低涡切变线相继生成和强烈发展的MαCS与MβCS直接关联。 双向相互作用的二重、三重和具有2km水平分辨率的四重嵌套细网格域D04的模拟结果揭示:(1)中-β尺度切变线在鄂东沿江低空强烈发展及辐合中心的出现与其中-β低涡的形成和发展直接关联。(2)中-β切变线强烈发展的垂直结构:强辐合层和强辐散层复式迭置并与强上升运动耦合发展;强涡度层和强位涡度层与强辐合层互伴发展;低空湿位温中心与中空饱和水汽带共存。(3)中-β低涡生成的垂直结构:散度和上升运动均呈双支柱状发展;涡度和位涡度均呈单支柱状发展;高湿能柱呈双支耦合发展,水汽通道呈阶梯斜升状。(4)中-β低涡发展的垂直结构:V字型散度柱和上升运动柱互耦发展;涡度和位涡度呈双支柱状;双支高湿能拄强烈发展,阶梯斜升水汽通道变宽增厚。至此低涡发展达最强,其结构具有典型性。模拟结果还指出,发展时空分辨率更高的多重嵌套网格模拟技术和应用四维资料同化方法,将有助于更细致的了解中-β强对流系统发生和发展的结构及其演变,并能进一步提高对暴雨落区及雨强的预报水平。(5)低涡云水和雨水的发生发展场结构是由带状向柱状发展,雪和云冰的发生发展场结构在高空呈带状发展。(6)强降水雨带和暴雨中心与700hPa高值θ。带和中心以及强风中心有相当好的对应关系,强暴雨中心位于强急流中心的北侧;低层位涡的分布与模拟的降水量分布几乎重合,这表明中尺度系统的发展与低层高PV带形成相联系。……