2017年7月7日下午至午夜,河北西北部和北京中北部發(fā)生了一次伴有閃電、大風(fēng)和冰雹的罕見(jiàn)強(qiáng)弓狀颮線過(guò)程。已有統(tǒng)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)北京北部較少發(fā)生颮線過(guò)程,因此,研究該次颮線的觸發(fā)、演變和維持機(jī)制等具有較高的預(yù)報(bào)應(yīng)用價(jià)值。本文綜合地面自動(dòng)站資料、雷達(dá)資料、衛(wèi)星資料等各類觀測(cè)資料、NCEP(National Centers for Environmental Prediction)分析資料以及歐洲數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)的全球細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)產(chǎn)品,利用“配料法”對(duì)該次颮線過(guò)程的環(huán)境條件、觸發(fā)、演變、風(fēng)暴結(jié)構(gòu)和弓形回波的形成與維持機(jī)制進(jìn)行了研究和分析,并在此基礎(chǔ)上采用RMAPS-ST系統(tǒng)(Rapid-refresh Multi-scale Analysis and Prediction System—Short Term,中文名為睿圖-ST)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。主要結(jié)論如下:(1)此次颮線的初始對(duì)流在河北中北部持續(xù)維持的一支西北風(fēng)和西南偏西風(fēng)之間的地面輻合線附近觸發(fā)。在500 hPa冷渦西南部的前傾低槽和高低空明顯急流形勢(shì)下,對(duì)流系統(tǒng)在河北中北部和北京北部具有較大的有效位能(CAPE)、強(qiáng)0–3 km和0–6 km垂直風(fēng)切變的有利環(huán)境條件下發(fā)展和維持,并為冰雹和地面強(qiáng)風(fēng)的形成提供了有利條件;地面高溫高濕、對(duì)流層中層大的溫度露點(diǎn)差以及大的垂直減溫率造成環(huán)境大氣具有強(qiáng)的下沉對(duì)流有效位能(DCAPE),利于弓狀回波和地面大風(fēng)形成。大的CAPE和DCAPE值以及強(qiáng)垂直風(fēng)切變是有利于颮線維持的環(huán)境條件。(2)此次颮線演變過(guò)程較為罕見(jiàn),雷達(dá)回波顯示,近東西向的線狀對(duì)流系統(tǒng)演變?yōu)閳F(tuán)狀超級(jí)單體風(fēng)暴,最后演變?yōu)闁|北-西南向的、鑲嵌有超級(jí)單體的強(qiáng)弓狀回波颮線系統(tǒng)。超級(jí)單體階段和颮線階段都有明顯的回波懸垂、弱回波區(qū)、中氣旋(颮線成熟后期為中渦旋)、強(qiáng)后側(cè)入流及其伴隨的入流缺口等;對(duì)流層中層強(qiáng)后側(cè)入流和大的溫度露點(diǎn)差是形成強(qiáng)下沉氣流并發(fā)展出弓狀特征的主要原因。(3)此次颮線的RMAPS-ST系統(tǒng)數(shù)值模擬的9和3 km分辨率區(qū)域內(nèi)采用Thompson云微物理方案和YSU邊界層方案;1 km分辨率區(qū)域采用Morrison(2-moment)云微物理方案和MYJ邊界層方案。模擬的颮線發(fā)展較實(shí)況提前1小時(shí)左右,其大尺度環(huán)流形勢(shì)、雷達(dá)反射率以及1小時(shí)累計(jì)降水均與實(shí)況具有較好對(duì)應(yīng),成功地反映了颮線的演變特征,包括東西向線狀對(duì)流階段、團(tuán)狀對(duì)流階段、颮線成熟階段以及其“弓狀”特征。(4)成熟階段的入流缺口、回波懸垂、弱回波區(qū)、中層后側(cè)入流以及中渦旋等特征結(jié)構(gòu)均模擬成功;地面中尺度氣壓場(chǎng)上清晰地呈現(xiàn)出“低壓-高壓-低壓”的結(jié)構(gòu),即層狀云后部的尾流低壓、颮線中后部中高壓以及颮線前方的颮前低壓。冰相粒子混合比高值區(qū)與實(shí)況地閃密集區(qū)較好對(duì)應(yīng)。在颮線“弓狀”頂端中高層的平均冰相粒子含量大,大量冰相粒子的融化和升華等吸收熱量加強(qiáng)了后側(cè)下沉氣流。中層的反氣旋式渦旋的水平散度和垂直渦度隨高度具有后傾特征,其中層強(qiáng)的輻合作用能夠增強(qiáng)后側(cè)入流和下沉運(yùn)動(dòng),從而有利于颮線的發(fā)展和維持。(5)定性分析發(fā)現(xiàn)模擬的颮線成熟階段的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與RKW(Rotunno-Klemp-Weisman)理論中颮線維持的最佳模態(tài)接近。進(jìn)一步定量比較了冷池的傳播速度與垂直于颮線的低層垂直風(fēng)切變分量的比值。發(fā)展階段,兩者比值1;成熟階段,兩者的比值約為1;消亡階段,兩者比值1。這說(shuō)明只有颮線成熟階段的冷池傳播速度與沿颮線法向的低層垂直風(fēng)切分量近似平衡,與RKW理論中有利于颮線發(fā)展維持的最佳模態(tài)接近。因此,RKW理論可用于解釋該次颮線成熟階段維持的動(dòng)力機(jī)制。本文新意主要在于:第一,發(fā)現(xiàn)本次颮線演變較為特殊。雷達(dá)反射率因子和冷池演變顯示,對(duì)流系統(tǒng)先后演變?yōu)闁|西向線狀對(duì)流,團(tuán)狀的超級(jí)單體風(fēng)暴以及東北-西南向的“弓狀”特征颮線;第二,1 km水平分辨率的數(shù)值模擬資料顯示颮線成熟階段存在中渦旋,其與颮線“弓狀”特征的形成機(jī)制和維持有關(guān);第三,基于1 km分辨率數(shù)值模擬結(jié)果分別從定性和定量?jī)蓚�(gè)角度驗(yàn)證了RKW理論對(duì)此次颮線過(guò)程維持機(jī)制的適用性。
【學(xué)位單位】：中國(guó)氣象科學(xué)研究院
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：P458.3
【部分圖文】：

冷渦背景下颮線機(jī)理個(gè)例分析和模擬2圖1.1 三種線性中尺度對(duì)流系統(tǒng)的理想化生命史的反射率示意圖（Parker and Johnson，2000）除了按照組織形式不同對(duì)颮線進(jìn)行分類外，組織程度的差異也是研究者關(guān)注的重點(diǎn)。Campbell et al（2017）根據(jù)每個(gè)中尺度對(duì)流系統(tǒng)的組織程度來(lái)確定組織結(jié)構(gòu)與 MCS 運(yùn)動(dòng)之間的可能聯(lián)系，將中尺度對(duì)流系統(tǒng)分成了四類，認(rèn)為 MCS 的運(yùn)動(dòng)是對(duì)流分量和傳播分量的總和，并且只在高度組織的第一類 MCS中出現(xiàn)的線端渦旋或MCV使得這類MCS移動(dòng)速度最快。另外，颮線的組織形式對(duì)颮線的發(fā)展演變固然重要，而其消散形式在颮線的研究中也同樣值得關(guān)注，Meng et al（2013）對(duì) 2008-2009 年華東地區(qū)颮線消散模式進(jìn)行了研究，將其分為三種模式。詳細(xì)的線狀對(duì)流組織形式分類有利于更好的認(rèn)識(shí)對(duì)流風(fēng)暴形態(tài)與各類惡劣天氣之間的關(guān)系

而當(dāng)冷池弱于垂直風(fēng)切變時(shí)，上升氣流向前傾斜；強(qiáng)于垂直風(fēng)切變時(shí)，上升氣流向后傾斜。這兩種狀態(tài)均不利于新單體的生成。圖1.2 對(duì)流系統(tǒng)演變的三個(gè)階段（Weisman and Rotunno，2004）垂直風(fēng)切變深度的選取和冷池深度的選取與 RKW 理論的在實(shí)際颮線中的應(yīng)用都有著密切的聯(lián)系。一般情況下，低層（0-3 km）垂直風(fēng)切變對(duì)颮線的發(fā)展和維持更重要，而 RKW 理論的提出建立在理想化模擬試驗(yàn)上，對(duì)于環(huán)境條件更為復(fù)雜多變的真實(shí)颮線對(duì)流系統(tǒng)是否仍采用 0-3 km 層之間的垂直風(fēng)切變探討 RKW 理論的適用性值得探究。因此，除了檢驗(yàn)低層垂直切變之外，更深層次的垂直風(fēng)切變也是影響颮線發(fā)展不可忽略的要素。通過(guò)前人的研究，發(fā)現(xiàn)若冷池-切變相互作用對(duì)于產(chǎn)生強(qiáng)盛、長(zhǎng)生命史的颮線系統(tǒng)至關(guān)重要，那么 3 km 上相對(duì)對(duì)流線的法向切變的延伸也是至關(guān)重要的（Coniglio et al

圖 3.1 天氣實(shí)況、颮線移動(dòng)路徑（a）09–15 UTC 受颮線影響區(qū)域逐小時(shí)自動(dòng)氣象站≥20 mm/h 短大風(fēng)（自動(dòng)站氣象站觀測(cè)的大風(fēng)未給出；紅色圓圈為張家口和時(shí)最強(qiáng)反射率因子核心的移動(dòng)路徑和35 dBZ等值線，圖中標(biāo)注棕色線為移動(dòng)路徑；填色為 13:30 UTC ≥30 dBZ 反射率因子；灰
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本文編號(hào)：2868282