發(fā)布時間：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發(fā)生了一次伴有閃電、大風和冰雹的罕見強弓狀颮線過程。已有統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn)北京北部較少發(fā)生颮線過程,因此,研究該次颮線的觸發(fā)、演變和維持機制等具有較高的預(yù)報應(yīng)用價值。本文綜合地面自動站資料、雷達資料、衛(wèi)星資料等各類觀測資料、NCEP(National Centers for Environmental Prediction)分析資料以及歐洲數(shù)值天氣預(yù)報中心(ECMWF)的全球細網(wǎng)格預(yù)報產(chǎn)品,利用“配料法”對該次颮線過程的環(huán)境條件、觸發(fā)、演變、風暴結(jié)構(gòu)和弓形回波的形成與維持機制進行了研究和分析,并在此基礎(chǔ)上采用RMAPS-ST系統(tǒng)(Rapid-refresh Multi-scale Analysis and Prediction System—Short Term,中文名為睿圖-ST)進行了數(shù)值模擬研究。主要結(jié)論如下:(1)此次颮線的初始對流在河北中北部持續(xù)維持的一支西北風和西南偏西風之間的地面輻合線附近觸發(fā)。在500 hPa冷渦西南部的前傾低槽和高低空明顯急流形勢下,對流系統(tǒng)在河北中北部和北京北部具有較大的有效位能(CAPE)、強0–3 km和0–6 km垂直風切變的有利環(huán)境條件下發(fā)展和維持,并為冰雹和地面強風的形成提供了有利條件;地面高溫高濕、對流層中層大的溫度露點差以及大的垂直減溫率造成環(huán)境大氣具有強的下沉對流有效位能(DCAPE),利于弓狀回波和地面大風形成。大的CAPE和DCAPE值以及強垂直風切變是有利于颮線維持的環(huán)境條件。(2)此次颮線演變過程較為罕見,雷達回波顯示,近東西向的線狀對流系統(tǒng)演變?yōu)閳F狀超級單體風暴,最后演變?yōu)闁|北-西南向的、鑲嵌有超級單體的強弓狀回波颮線系統(tǒng)。超級單體階段和颮線階段都有明顯的回波懸垂、弱回波區(qū)、中氣旋(颮線成熟后期為中渦旋)、強后側(cè)入流及其伴隨的入流缺口等;對流層中層強后側(cè)入流和大的溫度露點差是形成強下沉氣流并發(fā)展出弓狀特征的主要原因。(3)此次颮線的RMAPS-ST系統(tǒng)數(shù)值模擬的9和3 km分辨率區(qū)域內(nèi)采用Thompson云微物理方案和YSU邊界層方案;1 km分辨率區(qū)域采用Morrison(2-moment)云微物理方案和MYJ邊界層方案。模擬的颮線發(fā)展較實況提前1小時左右,其大尺度環(huán)流形勢、雷達反射率以及1小時累計降水均與實況具有較好對應(yīng),成功地反映了颮線的演變特征,包括東西向線狀對流階段、團狀對流階段、颮線成熟階段以及其“弓狀”特征。(4)成熟階段的入流缺口、回波懸垂、弱回波區(qū)、中層后側(cè)入流以及中渦旋等特征結(jié)構(gòu)均模擬成功;地面中尺度氣壓場上清晰地呈現(xiàn)出“低壓-高壓-低壓”的結(jié)構(gòu),即層狀云后部的尾流低壓、颮線中后部中高壓以及颮線前方的颮前低壓。冰相粒子混合比高值區(qū)與實況地閃密集區(qū)較好對應(yīng)。在颮線“弓狀”頂端中高層的平均冰相粒子含量大,大量冰相粒子的融化和升華等吸收熱量加強了后側(cè)下沉氣流。中層的反氣旋式渦旋的水平散度和垂直渦度隨高度具有后傾特征,其中層強的輻合作用能夠增強后側(cè)入流和下沉運動,從而有利于颮線的發(fā)展和維持。(5)定性分析發(fā)現(xiàn)模擬的颮線成熟階段的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與RKW(Rotunno-Klemp-Weisman)理論中颮線維持的最佳模態(tài)接近。進一步定量比較了冷池的傳播速度與垂直于颮線的低層垂直風切變分量的比值。發(fā)展階段,兩者比值1;成熟階段,兩者的比值約為1;消亡階段,兩者比值1。這說明只有颮線成熟階段的冷池傳播速度與沿颮線法向的低層垂直風切分量近似平衡,與RKW理論中有利于颮線發(fā)展維持的最佳模態(tài)接近。因此,RKW理論可用于解釋該次颮線成熟階段維持的動力機制。本文新意主要在于:第一,發(fā)現(xiàn)本次颮線演變較為特殊。雷達反射率因子和冷池演變顯示,對流系統(tǒng)先后演變?yōu)闁|西向線狀對流,團狀的超級單體風暴以及東北-西南向的“弓狀”特征颮線;第二,1 km水平分辨率的數(shù)值模擬資料顯示颮線成熟階段存在中渦旋,其與颮線“弓狀”特征的形成機制和維持有關(guān);第三,基于1 km分辨率數(shù)值模擬結(jié)果分別從定性和定量兩個角度驗證了RKW理論對此次颮線過程維持機制的適用性。
【學位單位】：中國氣象科學研究院
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：P458.3
【部分圖文】：

冷渦背景下颮線機理個例分析和模擬2圖1.1 三種線性中尺度對流系統(tǒng)的理想化生命史的反射率示意圖（Parker and Johnson，2000）除了按照組織形式不同對颮線進行分類外，組織程度的差異也是研究者關(guān)注的重點。Campbell et al（2017）根據(jù)每個中尺度對流系統(tǒng)的組織程度來確定組織結(jié)構(gòu)與 MCS 運動之間的可能聯(lián)系，將中尺度對流系統(tǒng)分成了四類，認為 MCS 的運動是對流分量和傳播分量的總和，并且只在高度組織的第一類 MCS中出現(xiàn)的線端渦旋或MCV使得這類MCS移動速度最快。另外，颮線的組織形式對颮線的發(fā)展演變固然重要，而其消散形式在颮線的研究中也同樣值得關(guān)注，Meng et al（2013）對 2008-2009 年華東地區(qū)颮線消散模式進行了研究，將其分為三種模式。詳細的線狀對流組織形式分類有利于更好的認識對流風暴形態(tài)與各類惡劣天氣之間的關(guān)系

而當冷池弱于垂直風切變時，上升氣流向前傾斜；強于垂直風切變時，上升氣流向后傾斜。這兩種狀態(tài)均不利于新單體的生成。圖1.2 對流系統(tǒng)演變的三個階段（Weisman and Rotunno，2004）垂直風切變深度的選取和冷池深度的選取與 RKW 理論的在實際颮線中的應(yīng)用都有著密切的聯(lián)系。一般情況下，低層（0-3 km）垂直風切變對颮線的發(fā)展和維持更重要，而 RKW 理論的提出建立在理想化模擬試驗上，對于環(huán)境條件更為復雜多變的真實颮線對流系統(tǒng)是否仍采用 0-3 km 層之間的垂直風切變探討 RKW 理論的適用性值得探究。因此，除了檢驗低層垂直切變之外，更深層次的垂直風切變也是影響颮線發(fā)展不可忽略的要素。通過前人的研究，發(fā)現(xiàn)若冷池-切變相互作用對于產(chǎn)生強盛、長生命史的颮線系統(tǒng)至關(guān)重要，那么 3 km 上相對對流線的法向切變的延伸也是至關(guān)重要的（Coniglio et al

圖 3.1 天氣實況、颮線移動路徑（a）09–15 UTC 受颮線影響區(qū)域逐小時自動氣象站≥20 mm/h 短大風（自動站氣象站觀測的大風未給出；紅色圓圈為張家口和時最強反射率因子核心的移動路徑和35 dBZ等值線，圖中標注棕色線為移動路徑；填色為 13:30 UTC ≥30 dBZ 反射率因子；灰
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本文編號：2868282