登陆台风短时暴雨中的中β尺度辐合线研究

论文摘要

我国是一个多台风的国家,而浙江省又是我国每年遭受台风灾害最严重的沿海省份之一。为了能深入了解严重影响浙江地区的强台风短时暴雨天气的发生发展机制以及在发生演变过程中的影响因子,揭示暴雨的地面启动机制,并为精细化预报提供科学依据,本文利用中尺度数值模式WRF（Weather Rearch Forecast）对近年来严重影响浙江省的强台风短时暴雨个例进行模拟,结合WRF-Var三维变分系统每6小时一次将常规观测资料、雷达反射率和径向速度资料同化到模式中,用以改进模拟结果。对比多种方案的模拟结果和实况验证表明,WRF能够较好地模拟出台风中尺度短时暴雨过程,对台风路径、台风强度变化和降水的模拟基本符合实况,能够反映台风实际的演变过程;同化实况资料能在一定程度上明显改进模拟效果,是提高模拟精度的一种有效途径。利用模式输出的高时空分辨率结果进行诊断分析发现,暴雨发生前低层有气流的汇合,高层有气流的辐散,有利于上升运动的维持和加强,为暴雨的发生提供了有利的环境条件;暴雨区的水汽来源为台风东北象限的低空东南风急流,当急流靠近暴雨区时,能直接将水汽源源不断地输送而来,但当急流距离较远时,水汽会经由其他气流输送到暴雨区。在暴雨发生期间近地面边界层中会出现中-β尺度强辐合带,同时在实况雷达回波上显示为强回波带,沿着辐合带在下一小时会出现强降水,雨带的分布、移动和发展随辐合带变化而出现相应变化。不同台风中的中尺度强辐合带的发展高度各不相同,但辐合带上的强辐合中心区域都分布在近地面和边界层顶之间,辐合在垂直方向上有时会随高度向台风外围方向倾斜。强辐合中心顶部有低空急流,辐合区内有气流汇合上升。研究还发现,辐合在垂直方向上的发展和分布是由辐合在垂直方向上的轴线决定的,辐合带在垂直方向上沿着这条轴线分布,辐合带的发展高度受垂直轴线高度的影响和制约。辐合的垂直轴线出现在水平风梯度小于-1.2×10-4s-1的区域内。辐合垂直轴线一般在近地面开始出现,随后便向上发展。在向上发展的过程中,可能会出现向台风环流外围方向倾斜或水平转向的特点,有时则会基本保持直立状态;有时辐合垂直轴线到达边界层顶高度后,便会停止发展,而有时则会继续向上发展到对流层中低层。产生辐合垂直轴线的原因主要有两种:一种是由不同方向气流分量之间直接相向汇合形成的,另一种是由于同方向气流的风速递减导致空气质点堆积,由此产生辐合。汇合气流基本都来自台风环流中的低空东南风急流。研究结果还显示,台风短时暴雨的触发机制主要三种情况:一种是“高能舌”型。这种类型的热力能量场由于有弱湿冷空气的侵入,会在暴雨区边界层内出现向上凸起的相当位温高值区,暖湿空气在辐合的作用下产生上升运动,快速释放出水汽和能量,触发对流的发生;同时冷空气与下层暖湿空气在边界层内形成“上冷下暖”的不稳定层结,辐合的形成能触层结中不稳定能量的释放,进一步促进对流天气的发展。另一种是“能量锋”型。这是由于不同属性的较强的干冷和暖湿气流在暴雨区汇合,产生很高的相当位温梯度,从而在暴雨区出现能量锋区。在能量锋区的驱动作用下,暖湿空气沿着锋面爬升并释放能量和水汽,触发对流的发生。产生降水后气流冷却下沉达到近地面,一方面加强了地面冷空气,使能量锋区得到维持;另一方面气流下层后流回到上升区,与上升的暖湿气流构成中尺度垂直环流圈,并在边界层内形成强辐合,进一步促进气流的上升运动,对对流运动起到正反馈作用。第三种类型是“强迫抬升”型。在这种情况下,边界层内都是具有高相当位温的暖湿气流,属性单一,层结稳定,虽然蕴含有丰富的水汽和能量,但是没有外力的作用下,不容易触发对流天气。因此,只有当暴雨区内出现较强的辐合时,才能提供一个强冲击力,使暖湿气流被迫抬升,触发对流的发生,开始产生降水。当气流上升到边界层以上时,由于产生降水释放出凝结潜热使该高度上的空气加热,进一步促进了上升运动的发展,同时还与对流层中层冷空气构成不稳定层结,对对流起到了一个正反馈作用,使降水出现增幅。除此之外,暴雨区强辐合带上还都对应有强的正相对涡度区,涡度正中心总是分布在近地面强辐合中心顶部,涡度正值区域的范围不仅覆盖了近地面的辐合区,还一直向上延伸到了辐散中心所在的高度,为暴雨的持续提供了有利的动力条件。最后,本文总结了台风短时暴雨天气过程的气流结构模型,提取了若干个预报信息因子,建立了台风短时暴雨预报的初步模型,为这类天气的预报提供了一些科学的参考依据。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目次
• 1 引言
• 1.1 台风研究进展
• 1.1.1 螺旋雨带的研究进展
• 1.1.2 台风暴雨过程中的中尺度对流系统研究进展
• 1.1.3 地形对台风暴雨影响研究进展
• 1.1.4 台风暴雨数值模拟研究
• 1.1.5 台风暴雨模拟中的资料同化研究
• 1.2 本文研究的内容和目标
• 1.2.1 研究目标
• 1.2.2 研究内容
• 1.2.3 本文的研究方案和技术路线
• 1.3 本文拟解决的关键问题
• 2 严重影响浙江省的强台风暴雨个例及其合成天气形势分析
• 2.1 合成台风的暴雨分布
• 2.2 合成台风的形势场
• 2.3 合成台风的动力条件
• 2.4 合成台风的水汽条件
• 2.5 合成台风的能量场
• 2.6 本章小结
• 3 台风中尺度短时强暴雨个例的数值模拟试验
• 3.1 模式介绍
• 3.1.1 ARW介绍
• 3.1.2 WRF-Var介绍
• 3.1.3 背景误差协方差
• 3.2 资料
• 3.2.1 初始场资料
• 3.2.2 常规观测资料
• 3.2.3 雷达基数据资料
• 3.3 模拟方案介绍
• 3.4 同化试验对模拟结果的影响
• 3.4.1 台风路径
• 3.4.2 24小时降水
• 3.5 模拟结果验证
• 3.5.1 台风路径模拟的验证
• 3.5.2 台风中心气压模拟的验证
• 3.5.3 台风暴雨模拟的验证
• 3.6 本章结论和讨论
• 4 台风暴雨数值模拟结果的诊断分析和讨论
• 4.1 台风暴雨发生前的水汽输送
• 4.2 台风短时暴雨发生前的高低层环流结构
• 4.3 边界层中尺度辐合带
• 4.3.1 中尺度辐合带的水平结构
• 4.3.2 中尺度强辐合带的垂直结构
• 4.3.3 辐合线的成因和空间分布
• 4.3.4 中尺度强辐合带上的热力结构
• 4.4 台风短时暴雨过程的气流结构
• 4.4.1 “海棠”台风暴雨的气流结构
• 4.4.2 “麦莎”台风暴雨的气流结构
• 4.4.3 “圣帕”台风暴雨的气流结构
• 4.4.4 “韦帕”台风暴雨的气流结构
• 4.5 本章总结和讨论
• 5 台风暴雨预报信息研究
• 5.1 暴雨预报信息
• 5.1.1 暴雨前1小时边界层辐合
• 5.1.2 暴雨前1-4小时低空急流
• 5.1.3 暴雨前1小时假相当位温
• 5.1.4 暴雨前3小时修正K指数
• 5.1.5 暴雨前1小时的垂直水汽通量
• 5.2 预报模型的建立
• 6 全文总结和展望
• 参考文献
• 作者简历