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

论文摘要

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。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 中国特大暴雨灾害和研究进展与现状
• 1.1.1 中国特大暴雨过程及造成的严重灾害
• 1.1.2 国内外研究现状与问题
• 1.2 中尺度气象学研究任务与难点
• 1.3 论文的工作与研究目标及特色
• 参考文献
• 第二章 中尺度大气模式发展现状和应用前景以及未来全球天气服务展望
• 2.1 中尺度大气模式发展现状
• 2.1.1 模式动力学的改进
• 2.1.2 中尺度模拟系统特征和MM5的最新版本
• 2.1.3 区域谱模式的发展
• 2.1.4 积云参数化和显式云物理方案
• 2.1.5 行星边界层（PBL）参数化
• 2.1.6 大气辐射参数化
• 2.1.7 四维资料同化
• 2.1.8 中尺度模式和区域实时数值天气预报
• 2.2 中尺度数值天气预报应用前景
• 2.3 新一代中尺度模式发展趋势
• 2.4 未来全球天气服务展望
• 参考文献
• 第三章 非静力中尺度数值模式MM5及其开发和检验
• 3.1 非静力模式MM5
• 3.2 MM5模式模拟系统流程
• 3.3 模式物理过程及参数化
• 3.3.1 水平扩散
• 3.3.2 干对流调整
• 3.3.3 降水物理过程的处理
• 3.3.4 混合法
• 3.3.5 边界层参数化
• 3.3.6 辐射参数化
• 3.4 侧边界条件处理
• 3.5 网格嵌套
• 3 .6 MM5.V3
• 3.7 MM5的开发和检验
• 参考文献
• 第四章 “96.8”特大暴雨和中尺度系统发生发展结构的非静力数值模拟
• 4.1 “96.8”暴雨的大、中尺度环流系统特征
• 4.1.1 大尺度环流系统特征和高、中、低纬的相互作用
• 4.1.2 台风低压和低空急流
• 4.2 暴雨过程的云图特征
• 4.2.1 中尺度对流云团生成和发展
• 4.2.2 云团的降水量特征
• 4.2.3 云团的移动和冷云顶特征
• 4.3 暴雨过程的雨团活动
• 4.4 MM5模式和数值模拟设计
• 4.4.1 MM5模式和数值模拟设计
• 4.4.2 数值模拟设计
• 4.5 台风低压发展结构的细网格模拟分析
• 4.5.1 台风低压的气旋性涡柱和暖心高湿结构
• 4.5.2 涡柱低空的湿对流不稳定和负湿位涡结构
• 4.5.3 散度场与强垂直运动及云团的耦合发展
• 4.5.4 台风低压环流与强低空急流的互伴结构
• 4.6 降水模似结果分析和讨论
• 4.6.1 降水模拟结果分析
• 4.6.2 地形对垂直运动、对流云团及暴雨雨带的影响
• 4.7 结论
• 参考文献
• 第五章 “98.7”突发大暴雨及中尺度低涡结构分析和数值模拟
• 5.1 降水特征
• 5.1.1 过程降水特征
• 5.1.2 中尺度降水的时变特征
• 5.1.3 中尺度雨团的活动
• 5.1.4 地面中-β尺度系统分析
• 5.1.5 降水的微波遥感-TRMM遥感资料的应用
• 5.2 大尺度环流特征和中尺度系统的分析
• 5.2.1 大尺度环流特征
• 5.2.2 中-α尺度低涡切变线
• 5.2.3 中-β尺度对流系统（MβCS）
• 5.3 MM5模式和数值模拟设计
• 5.3.1 MM5模式和模拟系统
• 5.3.2 数值模拟设计
• 5.4 中-α尺度系统演变的全域模拟分析
• 5.4.1 准稳定的中-α尺度低涡切变线
• 5.4.2 扰动低压和梅雨锋
• 5.5 中-β尺度系统发展结构的细网格模拟分析
• 5.5.1 特强上升运动与饱和气柱的互耦结构
• 5.5.2 超强散度柱与强上升运动及涡柱的耦合发展
• 5.5.3 湿对流不稳定和湿中性与湿位涡守恒结构
• 5.5.4 深对流湿气柱与云团耦合发展和微结构
• 5.5.5 云团微物理结构与微波遥感降水图象的比较
• 5.6 降水模拟结果分析
• 5.6.1 细网络模拟结果分析
• 5.6.2 暴雨与相当位温θ和低空急流的关系
• 5.6.3 暴雨与位涡PV的关系
• 5.7 结论
• 参考文献
• 第六章 “98.7”特大暴雨中尺度系统发展的热量和水汽收支及动力学诊断
• 6.1 暴雨中尺度系统发生发展的热量和水汽收支诊断
• 6.1.1 引言
• 6.1.2 中尺度模式模拟简介
• 6.1.3 中心度热量和水汽收支诊断
• 6.1.4 结论
• 6.2 “98.7”突发性特大暴雨中尺度切变线低涡发展的动力学诊断
• 6.2.1 引言
• 6.2.2 资料及其可用性分析
• 6.2.3 中尺度低涡切变线涡度和涡源的诊断分析
• 6.2.4 大气总涡源诸分量对暴雨中尺度系统发展的贡献
• 6.2.5 结论
• 6.3 锋生函数的诊断分析
• 6.3.1 引言
• 6.3.2 锋生函数公式
• 6.3.3 锋生函数的诊断和分析
• 6.3.4 结论
• 6.4 暴雨的湿位涡诊断分析
• 6.4.1 引言
• 6.4.2 湿位涡方程
• 6.4.3 湿位涡的诊断分析
• 6.4.4 结论
• 6.5 暴雨低涡切变线发展的散度变率诊断
• 6.5.1 资料及其可用性分析
• 6.5.2 散度场的诊断分析
• 6.5.3 散度方程及散度变率诊断分析
• 6.5.4 结论
• 参考文献
• 第七章 双向三重嵌套网格和“98.7”特大暴雨中-β尺度低涡结构演变及降水模拟
• 7.1 模式简述和模拟设计
• 7.1.1 模式简述
• 7.1.2 模拟设计
• 7.2 中-β尺度低涡的模拟结构及其演变
• 7.2.1 强暴雨中-β尺度低涡的生成、发展和演变
• 7.2.2 强暴雨中-β尺度低涡的发展和演变
• 7.2.3 中-β尺度强对流系统发展的概念模型
• 7.3 “98.7”特大暴雨模拟结果分析
• 7.4 结论
• 参考文献
• 第八章 双向四重嵌套网格和“98.7”特大暴雨中-β尺度低涡生成发展及结构演变模拟
• 8.1 鄂东强暴雨和中-β对流系统
• 8.2 模式模拟设计
• 8.3 武汉周边暴雨和中-β切变线低涡生成
• 8.3.1 武汉周边强暴雨:落区及雨强模拟
• 8.3.2 中-β切变线低涡的生成:流场模拟
• 8.4 中-β尺度切变线强烈发展的垂直结构
• 8.4.1 强辐合辐散层复式迭置和强上升运动耦合发展
• 8.4.2 强涡度和位涡度层与强辐合层互伴发展
• 8.4.3 低空湿位温中心与中空饱和水汽带共存
• 8.5 中-β低涡生成的垂直结构
• 8.5.1 散度和上升运动的双支柱状发展:低涡与强辐合柱相伴
• 8.5.2 涡度和位涡度的柱状发展:低涡与涡柱相伴
• 8.5.3 高湿能柱的双支耦合发展:阶梯斜升水汽通道
• 8.6 中-β低涡发展的垂直结构
• 8.6.1 V字型散度柱和上升运动柱互耦发展:低涡强烈发展
• 8.6.2 涡度和位涡度的双柱状结构:低涡相伴强涡柱
• 8.6.3 双支高湿能柱强烈发展:阶梯斜升水汽通道变宽增厚
• 8.7 低涡水质微物理场垂直结构和演变
• 8.7.1 云水和雨水的发生发展场结构:由带状向柱状发展
• 8.7.2 雪和云冰的发生发展场结构:高空带状发展
• 8.8 结论
• 参考文献
• 第九章 对流层降水与平流层臭氧相互联系机制的可能性探索
• 9.1 臭氧总量与降水相关性的观测事实
• 9.2 三维大气化学传输模式SLIMCAT
• 9.3 模式性能检验
• 9.3.1 南极臭氧洞
• 9.3.2 北极臭氧损耗
• 9.3.3 微型臭氧洞
• 9.4 平流层臭氧和对流层降水联系的可能性探讨
• 9.5 结束语
• 参考文献
• 第十章 总结和展望
• 10.1 全文总结
• 1 非静力中尺度模式MM5.V3的开发和检验
• 2 台风登陆变性低压暴雨和典型梅雨锋暴雨的对比研究
• 3 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的研究
• 4 “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的研究
• 5 “98.7”暴雨β中尺度系统发生发展的热量及水汽收支热力诊断
• 6 “98.7”暴雨β中尺度系统发生发展的涡度变率和散度变率动力诊断
• 7 “98.7”梅雨锋低涡切变线发生发展的锋生动力学和湿位涡机制诊断
• 8 暴雨β中尺度系统发展的一种概念模型和定量降水量预报研究
• 9 对流层降水与平流层臭氧相互联系机制的可能性探索
• 10.2 存在问题和新一代中尺度模式展望
• 1 资料问题
• 2 新一代中尺度模式展望
• 参考文献
• 国内外已发表论文、国际会议报告、科研项目、获奖项目
• 致谢