中国北方两次飑线过程触发及发展机理研究

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飑线是影响我国北方的主要强对流系统之一,经常带来地面大风、局地强降水、冰雹、闪电等天气灾害。飑线的致灾性极强,但目前对飑线是否触发和是否发展的预报准确率很低,这是由于国内外对于飑线触发和发展机理认识尚不够充分。本论文选取了我国北方一次强天气尺度背景下的飑线过程(以2014年6月26日辽东湾飑线过程为例)和一次弱天气尺度背景下的飑线过程(以2013年7月31日京津冀飑线过程为例)展开研究。利用观测和模拟资料,对这两次飑线的触发、发展机理、中尺度风温压场特征以及水成物特征进行了分析,尝试在我国飑线的触发和发展机理研究方面做出一点有意义的机理和诊断分析研究,以加强对我国强对流系统发生发展动热力过程的理解,为强对流的触发和发展预报提供必要的理论分析和诊断方法支持。主要结论如下:  (1)以一次辽东湾飑线过程为例,利用观测和模拟资料,分析了这次强天气尺度强迫下的飑线触发和发展机理。此次飑线过程触发于辽宁省西北部边界附近,随后向东南方向移动并得到发展,在辽东湾沿岸达到成熟。此次飑线过程发生发展时的天气尺度强迫较强,有利于强对流的触发和发展。利用WRF模式,对此次飑线过程开展了高分辨率数值模拟。与多种观测资料进行比较表明,模拟较好地再现了飑线的整个生命史过程。对飑线触发过程的分析表明,由于水平切变不稳定产生的近地面小尺度涡旋,改变了水汽辐合条件,使得对流在水汽辐合中心先触发。对辐合线北段对流较快消失而南段对流得以长时间维持并发展成飑线的原因进行了分析,指出了辐合线南段能量条件和水汽条件较好,风垂直切变条件适中,以及南段对流与海风锋的碰撞辐合,均有利于南段对流得以较长维持并发展成飑线。对飑线成熟时期的风温压湿场进行了分析,揭示了飑线成熟时期的中尺度结构特征。此次飑线的中尺度气压场呈“高-低”结构,即对流云中部的中高压和位于对流云区后部与层状云区交界的尾流低压。飑线系统中主要存在两支气流,前向入流在飑线前方低层流入,带入暖湿空气并在对流云区抬升,随后分成两支在飑线高层向前向后流出;后向入流在飑线后方中层流入,带入干冷空气并下沉,随后在近地面辐散流出。对飑线各区域的模拟探空表明,对流云区CAPE值较大,水汽饱和度高;尾流低压区主要特征是低层的“洋葱型”探空结构;层状云区低层风向切变大,低层和高层温度露点差小;飑线后方探空存在由于后向入流导致的中层干层。  与经典飑线过程比较而言,本次辽东湾飑线过程有共同点也有其自身特点,共同点如:飑线成熟时期地面气压场呈“高-低”的结构分布,以及前向上升入流和后向下沉入流等特征,这些与前人研究的飑线结构相近。其独特特点有三个:由于本次飑线过程发展在辽东湾沿岸附近,其发展加强受到海风锋的作用;其他的一些飑线过程,中高压的强度和地面大风区的范围一般随着飑线强度变化而加强或减弱,而本次飑线过程在减弱初期,由于冷池出流受阻,中高压的强度还得到了短暂加强,地面大风区范围也短暂地扩大;在飑线过境之后,一般环境趋于稳定,对流有效位能较小,而本次飑线过程后方环境场的对流有效位能依然较大。  (2)以一次京津冀飑线过程为例,利用观测和模拟资料,分析了此次弱天气尺度强迫下的飑线触发和发展机理。此次飑线过程触发于内蒙古呼和浩特市附近,随后发展东移,在进入北京前后达到成熟。此次飑线过程发生发展时的高层没有明显的辐散运动,中层的温度平流较弱,天气尺度垂直运动不明显,属于弱天气背景下发展的强对流系统,是强对流预报中相对较难的一种形势。利用WRF模式,对此次飑线过程开展了高分辨率数值模拟,与多种观测资料进行比较表明,模拟较好地再现了飑线的整个生命史过程。对飑线触发过程分析表明,地形作用引发重力波后,重力波在山顶附近的不稳定大气中发展,是触发初始对流的原因,而山顶附近的大气不稳定区域则是由于地形的热力差异导致。对此次飑线过程在太行山山脉下山至华北平原过程中加强发展和进入平原后逐渐衰亡的机理进行了分析,指出了地形在对流加强发展中的热力作用(通过在山脚附近聚集水汽,从而增加了局地的对流有效位能和减弱了气块上升过程中因夹卷导致的浮力损失)和动力作用(通过平衡掉部分冷池产生的涡度,使得飑线前的弱风垂直切变得以与冷池产生的涡度更接近平衡态)。对飑线成熟时期的中尺度风温压场进行了分析,与前一个强天气背景下的个例相比,本次飑线过程的组织化偏弱,结构较为零散。中尺度气压场上可见几个位于对流云区的中高压,而尾流低压较弱,无闭合等压线。飑线系统中主要存在两支气流,前向入流在飑线前方低层流入,带入暖湿空气并在对流云区抬升,随后分成两支在飑线高层向前向后流出;后向入流在飑线后方中层流入,强度较弱,没有能到达对流云区就已经下沉翻转在飑线后方低层流出。  由于本次飑线的中高层天气环流不具有明显的辐散形势和有利的上升运动,属于弱天气背景下的对流发展过程,其触发和发展主要受地形作用,触发过程主要是地形激发重力波在不稳定大气中发展,发展过程则是受地形的动热力作用共同影响。成熟时期的地面气压场中高压分为几个,而尾流低压不明显。具有前向上升入流和后向下沉入流等飑线的基本特征,但是强度均弱于第一个个例。  (3)对上述两次飑线过程,利用模拟资料对其不同阶段不同区域的水成物特征及其各转化项特征进行了分析。两个个例中,都是对流云区的各水成物混合比要比层状云区高一个量级以上,而数浓度量级在对流云区和层状云区量级相当。零度层以下的主要水成物是雨水(QR)。云水(QC)分布较宽,从零度层以下至零度层以上均有分布,其中峰值高度在零度层附近。零度层以上以冰相粒子为主,其中对流云区中霰(QG)的混合比最高,而层状云区中则是雪粒子(QS)混合比最高。对各水成物的转化项的分析表明,总体而言,对流云区中各转化项要比层状云区大一个量级左右;对QR而言,各主要转化项峰值高度主要都集中在零度层以下;对QC而言,各主要转化项峰值高度主要都集中在零度层附近;对QI而言,各主要转化项的峰值高度分布得最高,基本都在9000m以上;而对于QS和QG而言,除了与融化有关的转化项是位于零度层以下之外,其他主要作用项基本在零度层以上。在对流云区中,水汽主要通过云水的作用,间接转化为冰相粒子。而在层状云区中,水汽通过云水间接转化为冰相粒子和通过凝华直接转化为冰相粒子的作用基本相当。
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