论文摘要
直线大风出自美国气象学会的定义,实际应用中指的对流阵风、水平出流和下击暴流,通常都会造成严重的近地面风灾。因此加强对带来直线大风天气系统的研究十分重要。直线大风通常都由中小尺度的强对流系统引发,主要包括准线性对流系统（各类飑线）和下击暴流,近地面中涡旋也会对直线大风的强度产生影响。目前对这些中小尺度系统的常规观测主要依靠多普勒雷达站的临近监测,而且只有在过程恰好通过气象铁塔时才能获得边界层低层的精细观测资料。因此数值模拟就成为研究这些中小尺度系统的必要补充方式。因中小尺度系统受边界层湍流影响较重,而直线大风的强风结构一般均在边界层内,为获得可反映直线大风相关精细结构的模拟结果,有必要选择可更好反映湍流动量能量输送的大涡模拟方案作为边界层湍流方案。本文着重分析了京津地区三次通过天津气象铁塔的直线大风过程。主要内容如下：（1）分析了这三次过程的中尺度环境场,并利用雷达回波协助判别涉及的天气系统。三次过程的中尺度环境场不同,造成直线大风的天气系统也不同,分别为过程A：强浮力和中等强度垂直风切变下的飑线阵风锋；过程B：弱浮力和中层强垂直风切变及低层弱垂直风切变下、受海风锋与中涡旋共同影响的飑线阵风锋；过程C：下击暴流。虽然系统不同,但水平出流的传播依然具有一定的规律。中尺度系统的高低压排列往往会组成水平变形场,水平变形场的挤压作用会导致斜压带,即非锋温度密集带的生成,而水平出流的基本传播方向就是平行于位温梯度穿越斜压带,中尺度系统也要受科氏力的影响因此向右偏转。但如果移动路径周围存在如近地面中涡旋这样的更小尺度系统,中涡旋的旋转效应会引导水平出流的传播方向与旋转方向相同。这导致了过程B的阵风锋传播方向沿温度梯度方向向左偏斜。（2）在这三次大风经过天津气象铁塔时,使用铁塔20s观测资料对大风过程的边界层低层内部精细结构进行了分析。在计算了Kelvin-Helmholtz波（K-H波）的周期和对应出流头部长度后,对观测数据分别进行了十分钟、五分钟、两分钟和一分钟的滑动平均。结果显示十分钟滑动平均能够表现出水平出流的锋面结构与头部环流,而经典的头部结构与头后部浪涌的识别则需要五分钟滑动平均才可观测到。两分钟滑动平均近一步提供了更强的直线大风强度,而一分钟滑动平均则展示出了受湍流影响的小尺度规则结构。为此本文使用小波分析和湍流通量计算了这些内部结构的尺度,研究了小尺度结构的相干性质,并给出了不同环境背景下的小尺度水平出流结构及大风区域的概念模型。过程A为典型的具有浪涌特征的阵风锋,浪涌是强浮力与强垂直风切变共同支持K-H波向后传播导致的。过程B基本不具有浪涌结构,但头上方的对流环流有明显增强,原因是环境中的弱浮力与低层弱垂直风切变匹配,抑制了K-H波的向后传播,而中层强垂直风切变则激发由此生成的次生对流系统进一步发展；另一方面K-H波无法向后传播,其携带的动量与能量只能下传,于是在阵风锋头后部激发出更强的下沉运动,引起直线大风,并因为其具有的小尺度特性而使得头部大风区更为破碎。过程C是典型的移动中的下击暴流,其结构符合Fujita提出的概念模型。（3）使用大涡模拟（LES）方案对过程B进行了高精度细网格的数值模拟。为保证模式顺利运行,使用了逐次降网格的计算方案。模拟结果显示,在未使用LES的粗网格中,虽能表现出阵风锋的位置,却无法显示阵风锋的结构,也无法模拟出相关的中尺度乃至更小尺度的天气系统。而在使用了LES的两层细网格中,模拟出了阵风锋的内部结构,与观测结果接近,而细网格模拟结果中也呈现出了海风锋与中涡旋的完整结构,特别在最细的水平分辨率300m的网格中,显示出了更小的直径2km的中涡旋耦合的分布形态和独立中涡旋后的宽度2km的带状冷湿输送带,系统内的直线大风带获得了很好的表述。
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标签：边界层论文; 直线大风论文; 阵风锋论文; 下击暴流论文; 浮力论文; 垂直风切变论文; 次生结构论文; 大涡模拟论文;