北京地区雷暴下山增强的特征分析及个例研究

论文摘要

北京经常受到从西部和北部山地移入雷暴的影响，在复杂的地形和下垫面环境下，雷暴从北京西部或北部山区向城区平原地区移动时，是增强还是减弱一直是制约北京强对流天气临近预报的难点问题。因此，从科学上认识这类雷暴下山的演变规律和特征，揭示大气热动力相互作用对其影响的机制，对提高雷暴的临近预警准确率具有十分重要的科学价值。目前，针对北京地区雷暴下山增强的机制，已经开展了一些个例研究，但是针对下山增强雷暴的大尺度天气背景的分析和局地热动力环境条件的多个例、系统性的研究还尚未开展。此外，虽然中尺度气象学以及雷达气象学对“线状雷暴”和“雷暴群”有专门的讲述，但是以往的一些对强对流天气的统计分析主要是以天气形势和高低空系统（如低涡、高空槽等）为基础进行分类统计，以雷暴形态为基础进行分类统计的研究还缺少尝试。在分类统计的基础上，针对雷暴下山增强过程的细致分析，特别是在增强过程中针对强降水中心落区问题的探讨比较少见。本文首先从2008～2011年大量雷暴样本中筛选出18例下山显著增强的雷暴过程，根据雷达回波形态和雷暴移动演变特征，将样本分为线状雷暴和雷暴群两类（其中8例线状雷暴、10例雷暴群），通过常规资料对产生2类雷暴的高低空形势配置和环境条件进行初步对比分析；其次，利用雷达回波资料和地面自动站，对18例下山增强雷暴的中尺度环境特征进行了统计分析；之后，在统计分析特征的基础上，重点选出了有代表性的2011年8月9日（雷暴群）和2011年6月23日（线状雷暴）两次形态不同，但都在下山后显著增强的雷暴过程进行了比较细致剖析。主要结论如下：（1）雷暴下山增强通常是发生有利的天气背景下，通常具备CAPE值为1000～2000J㎏-1之间的中等以上强度的不稳定能量；组织性较好的线状雷暴通常高低空系统配置较好，高层500hPa通常会有低涡槽或短波槽，同时低层有切变线配合；而组织性差的雷暴群高低空系统的配置相对较差，通常仅低层有切变线或地面伴有弱冷锋过境。组织性强的线状雷暴通常具有中等强度以上（地面到6㎞高度垂直风切变值≥15m s-1）的垂直风切变，而弱组织性的雷暴群通常垂直风切变较小，在弱垂直风切变情况下，雷暴依靠环境较大的不稳定能量同样也能获得发展。（2）对下山增强的雷暴，其移进平原地区前，地面通常都有辐合线或闭合辐合区存在。一类是局地热力辐合环流和地形强迫作用形成的辐合区，通常是由东南风或偏东风与山前的偏西风构成，强度较弱，风速一般为2m s-1,可在雷暴发生之前2小时以上存在；一类是由雷暴出流与环境风形成的辐合线，强度较前一类强，通常由西北或偏北风与环境的偏南风或东南风构成，通常出现在雷暴下山前30分钟以内。线状雷暴产生的地面冷池强度通常比雷暴群强；在边界层187.5米高度处同样也有辐合线存在，主要由上游雷暴产生的冷池出流（多为偏西风）与北京经常出现的近地面层偏东风构成的辐合线。线状雷暴类冷池的范围大，强度强，多呈带状椭圆形东北西南走向，而雷暴群类冷池则范围小、整体强度偏弱、呈多弧状碰撞形态。（3）对“809”雷暴群下山增强的研究分析表明：a)雷暴发生前期，环境场具有较强不稳定能量（CAPE达2798J㎏-1），地面高比湿带（＞20g㎏-1）在山前聚集，城区西部山前存在一个较强的中γ尺度热辐合中心，前期大气环境条件十分有利于对流的发生发展，但环境场垂直风切变较弱，导致之后生成的雷暴单体之间的组织性相对较差；b)上游移进北京的强雷暴受地形强迫作用的影响，其产生的冷池出流被抬高，冷空气叠加在地面中γ尺度热辐合中心之上，使得山前局地大气层结更加不稳定，另一方面，强冷池出流产生的边界层高层偏北风与近地面弱的偏南风构成有利于对流新生的垂直风切变，地面热辐合中心、边界层热力和动力不稳定的增强，三者共同作用是局地雷暴新生的主要机制，从而导致雷暴传播和单体新生在空间上具有“跳跃性”；d)上游雷暴形成的冷池出流边界（阵风锋）有强的温度梯度和辐合抬升运动，在经过海淀新生单体雷暴时，阵风锋的抬升作用使雷暴得到迅速发展。同时，位于北京西部山区雷暴东移，其冷池出流与海淀单体雷暴的冷池出流交汇，进一步加剧和维持了辐合上升运动，从而在海淀形成了局地暴雨中心并伴有强风和雷电。（4）“623”线状雷暴下山增强的机制：a)雷暴发生前期，虽然环境场不稳定能量不大（CAPE值为354J㎏-1），但环境场垂直风切变较强（0～6㎞切变值达20.3m s-1），有利于超级单体的形成和发展；b)由于前期受偏东风暖湿气流影响，北京平原地区地面比湿值＞16g kg-1，在近地面层已经积累了充足的水汽，其上空800hPa高度存在一明显的“逆温层”，上层干冷下层暖湿的结构有利于水汽和能量在低层聚集；c)低层暖湿的东南风受地形高度阻挡的影响，前期沿山脚平原与山区交界带，有明显的温度和水汽梯度大值区。大气低层这种西北山区干冷，东南平原暖湿的显著特征，说明山前大气层结极不稳定，有利于强对流发展；d)组织性完好的线状雷暴沿地形呈东北西南走向，在下山移进北京城区平原地区时，逆温层被打破，在其移动方向的右端（北京城区偏西方向）单体发展最旺盛并形成了超级单体，低层暖湿的东南风强烈的卷入使超级单体获得了充足水汽供应，从而形成了石景山大暴雨。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 雷暴的研究进展
• 1.2.1 雷暴产生的天气背景
• 1.2.2 雷暴结构特征研究
• 1.2.3 雷暴的触发和增强机制研究
• 1.2.4 冷池、垂直风切变与雷暴的相互作用
• 1.2.5 地形和城市热力效应对雷暴的影响
• 1.3 有待进一步研究的问题
• 1.4 本文的研究内容
• 1.5 本文的章节安排
• 第二章 资料和方法
• 2.1 多普勒雷达资料
• 2.2 变分多普勒雷达资料分析系统
• 2.3 风廓线雷达资料
• 2.4 地面自动站资料
• 2.5 其它资料
• 第三章 北京地区雷暴下山增强的统计特征分析
• 3.1 线状雷暴和雷暴群下山增强的特征定义
• 3.2 雷暴群和线状雷暴的大尺度背景和环境条件
• 3.2.1 两类雷暴下山增强的天气系统配置
• 3.2.2 两类雷暴的环境条件分析
• 3.3 线状雷暴和雷暴群下山增强的边界层热动力特征
• 3.3.1 地面辐合线和冷池的特征分析
• 3.3.2 边界层辐合线和冷池的特征分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 “809”雷暴单体新生及增强的机制
• 4.1 局地雷雨大风过程实况分析
• 4.1.1 雷雨大风过程主要特点
• 4.1.2 雷达回波演变特征
• 4.2 雷暴前期的大尺度天气背景及环境条件分析
• 4.2.1 大尺度天气背景
• 4.2.2 垂直风切变
• 4.2.3 大气不稳定能量
• 4.3 局地中γ尺度对流单体新生和增强的机制
• 4.3.1 地面热辐合环流的形成及水汽的聚集
• 4.3.2 上游雷暴冷池出流触发雷暴单体新生
• 4.3.3 上游雷暴产生的阵风锋并入与雷暴增强
• 4.3.4 多单体雷暴的碰撞合并与雷暴维持
• 4.4 冷池出流触发雷暴单体新生和增强的概念模型讨论
• 4.5 本章小结
• 第五章 “623”线状雷暴下山增强的成因初探
• 5.1 强降水过程实况分析
• 5.2 线状雷暴下山前期的大尺度环境条件
• 5.2.1 大尺度天气背景
• 5.2.2 大气不稳定层结
• 5.2.3 环境垂直风切变分析
• 5.3 伴有超级单体的线状雷暴系统的雷达观测分析
• 5.3.1 雷达回波演变特征及超级单体的垂直结构
• 5.3.2 径向风及中气旋分析
• 5.4 复杂地形对暖湿空气分布与边界层辐合线的影响
• 5.4.1 地面温度场分析
• 5.4.2 地面水汽条件分析
• 5.4.3 地面辐合线分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结和讨论
• 6.1 本文的主要研究结论
• 6.2 本文研究的亮点
• 6.3 有待于进一步研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 个人简介