一次华北低涡大暴雨的诊断分析和数值模拟研究

论文摘要

河北省东频渤海，西倚太行山，自然地理条件复杂。在实际天气预报业务中，暴雨强度和落区的预报成为预报员预报、决策服务的难题之一，其中重要原因是中尺度地形对暴雨的影响比较大。本文首先利用Micaps系统下常规资料、云图和雷达资料，对于2004年7月11日～12日发生在河北省中南部的一次局地大暴雨个例进行了观测分析。进一步采用NCEP的粗网格（2.5°×2.5°）全球再分析资料对大暴雨过程从动力、热力和水汽三方面进行大尺度初步诊断。最后又用MM5V3.7模式对大暴雨进行了数值模拟，利用成功的模拟结果对该暴雨触发机制及低涡垂直结构做了详细分析，并针对地形进行敏感实验。通过观测分析、粗网格诊断和细网格模拟，得出了一些有意义的结果，为华北低涡的结构认识和大暴雨的预报提供有益的参考。观测分析表明：200hPa西风槽、500hPa华北低涡和中低层偏东风，是这场暴雨的直接影响系统；云图上可以看到太行山地形阻挡，使得中小尺度云团长时间维持，造成太行山东麓出现大暴雨；雷达基本反射率因子特征显示该大暴雨对流较弱，是层、积混合性降水，3小时累积降水图用于分析站点降水强弱，对短时、定点、定量的降水预报有积极作用。诊断分析表明：华北低涡是低层冷心、高层暖心的深厚系统，具有随高度向西北倾斜的特征，涡度场特征明显，暴雨区对应着深厚的正涡度区，散度场结构零乱，非高层辐散、低层辐合的配置，暴雨区上空上升运动较强。冷空气来源于500hPa以下的东北地区，发生对流的高度较低，水汽的源地来自于渤海，低层偏东风可能是暴雨区所需水汽的主要携带者。模拟分析表明：MM5模式比较成功地模拟出河北中南部太行山东簏的强降水区，再现了华北低涡移动发展的特点，说明该模式对华北低涡的预报具有指导作用。模拟的低涡流场显示降水初期是偏南气流和东北气流汇合遇太行山阻挡在山前聚集，强盛期，偏南低空急流减弱，东北气流起主要作用，东北冷空气受太行山阻挡在山前长时间停滞形成稳定性降雨导致暴雨的一个重要因素；垂直结构分析中发现500hPa以下存在小范围的强上升气流，影响降水的动力因素主要发生在中低层。局地螺旋度的大值预示未来暴雨，其锋区与暴雨落区相对应，总螺旋度与降水也有较好的对应关系。暴雨区在位涡正压项的高值区东北侧，位涡移向预示强暴雨落区方向，位涡斜压项在落区和强度方面是很好的预报参考指标，高位涡下传与低相对湿度区配合，存在干侵入现象。湿位涡中MPV1和MPV2的发展演变同低层天气系统和暴雨中心演变基本一致，MPV1的零等值线位置演变与降水强弱变化有很好的对应关系，强降水落区位于MPV1零等值线内偏暖侧；正MPV2的移动可示踪着低涡的活动，暴雨落在MPV2移动方向右侧的锋区里。锋生函数中辐散项和倾斜项有利于锋生，锋生带的中心位置与雨区相接近，雨区主要位于锋生区的前方，这为未来的降水落区预报提供了参考。地形高度降低为原地形的40％后，降水落区偏东、强度明显减弱，低层偏东风加强，上升气流减弱，天气系统和常用物理量如涡度、散度、垂直速度等东移较快。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 暴雨中尺度系统的研究进展
• 1.2 暴雨数值模拟及诊断分析的研究进展
• 1.3 中小尺度地形对暴雨影响的研究
• 1.4 本文的研究目的和内容
• 参考文献
• 第二章 大暴雨天气形势及影响系统分析
• 2.1 降水过程概述
• 2.2 大暴雨的天气形势特征及其演变
• 2.3 云图演变特征分析
• 2.4 多普勒雷达图演变分析
• 2.4.1 基本反射率因子特征
• 2.4.2 3小时累积降水图分析
• 2.5 小结
• 参考文献
• 第三章 暴雨过程的物理量初步诊断分析
• 3.1 动力结构分析
• 3.1.1 涡度
• 3.1.2 散度
• 3.1.3 垂直速度
• 3.1.4 低涡所在区域的平均动力状况
• 3.1.5 风场分布
• 3.2 热力结构分析
• 3.2.1 温度场分布
• 3.2.2 假相当位温θse分析
• 3.3 水汽分析
• 3.3.1 湿度场分布
• 3.3.2 水汽通量及其散度分布
• 3.4 小结
• 参考文献
• 第四章 MM5数值模式和设计方案
• 4.1 模式简介
• 4.2 模式总体设计方案
• 4.3 模式输出资料
• 参考文献
• 第五章 模式模拟结果及诊断分析
• 5.1 数值模拟结果和客观分析比较
• 5.1.1 同时段的24小时模拟降水量和实际降水量比较
• 5.1.2 500hPa环流形势场比较
• 5.1.3 850hPa流场比较
• 5.1.4 小结
• 5.2 低涡的流场结构分析
• 5.3 低涡的垂直结构分析
• 5.4 螺旋度诊断分析
• 5.4.1 螺旋度的有关概念及其计算方法
• 5.4.2 诊断结果分析
• 5.5 位涡诊断分析
• 5.5.1 等压面上的位涡分析
• 5.5.2 等压面上的湿位涡分析
• 5.6 锋生函数分析
• 5.7 小结
• 参考文献
• 第六章 太行山地形对降水的敏感性实验研究
• 6.1 敏感性试验设计
• 6.2 敏感性试验结果分析
• 6.2.1 地形对暴雨落区和强度的影响
• 6.2.2 地形对风场的影响
• 6.2.3 地形对气象物理量的影响
• 6.3 小结
• 第七章 结论与讨论
• 7.1 全文总结
• 7.2 有待于进一步研究的问题
• 在学期间的研究成果
• 致谢