中国东部地区一次飑线过程的数值模拟研究

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飑线作为典型的中尺度对流系统之一,伴随的强降水、大风,甚至冰雹等灾害性天气经常给人民生命财产造成巨大的损失,对其发生发展机制的研究以及提高数值模式对飑线系统的预报能力具有十分重要的意义。观测研究表明,江苏省北部是中国东部飑线发生频率最高的地区,灾害性天气影响江苏、安徽、上海等经济发达和人口稠密的地区。本研究选取了2009年6月14日发生在此处的一次飑线过程个例进行研究,因为此次过程强度较大、影响较广,多个站点观测到冰雹,影响了江苏、安徽、山东等地,生成位置和移动路径都具有这一地区飑线的典型特征。本研究利用中尺度WRF(Weather Research and Forecasting)模式结合观测松弛方法(OBS-Nudging),采用次公里尺度分辨率模拟中纬度飑线的精细结构,通过对飑线过程较好地模拟讨论了中尺度模式对飑线的模拟能力和不足,以及通过地面加密自动站资料的引入,改进模式模拟能力,同时研究地形对飑线的发生发展的影响。本研究得到如下主要成果:(1)控制试验(CTL)较好地模拟了此次飑线过程的演变和基本结构,强降水的落区和观测基本一致,在此基础上,本文研究了地面加密自动站资料在模拟中的应用。分析发现,FNL资料中的低层相对湿度低于观测,而在中国东部地区低层水汽对大气不稳定能量的形成起到至关重要的作用。通过增加低层水汽的敏感性试验证明,低层水汽的改善可以有效地提高模拟效果。利用OBS-Nudging方法在模式模拟过程中同化入地面自动气象站资料的敏感性实验中,低层水汽模拟得到改进,对流触发时间比控制试验提前1小时,可以模拟出与观测更为相似的飑线发展过程。(2)通过WRF模式对此次飑线过程的模拟,发现WRF模式在气温日循环模拟中存在偏差,其模拟的低层日最高气温滞后实际观测2到3小时,并且模拟的傍晚低层气温的降温幅度低于实际观测2-3℃。对比试验证实,通过将边界层参数化方案由YSU改为MYJ可以减弱边界层和自由大气的温度交换,进而一定程度上改善模拟结果,即模拟的飑线强度和低层温度都与实际观测更为相近。同时在不改变边界层方案的情况下,将地面自动加密观测站数据同化入模式中也可以起到相同的作用。(3)江苏省北部飑线频发的原因除了大尺度环境场等有利条件,地形也起到十分重要的作用。本文通过对地形的敏感性试验指出,山体通过阻碍低层暖湿气流,在低层造成水汽堆积以外,在垂直方向上强迫出次级环流,从而增强低层垂直切变。气流在低层的翻转和切变对飑线的早期发生起到十分重要的作用,在去除山体的敏感性试验中对流发生时间明显滞后,强度减弱。(4)湖泊在飑线发展过程中的作用尚未得到较好的研究,虽然前人普遍认为湖泊可以为对流发展提供更加充足的水汽,但是本研究通过对江苏省北部地区湖泊的一系列敏感性试验提出湖泊对动力场的调制影响飑线发展:江苏省北部的洪泽湖和高邮湖不但为飑线发展提供了水汽等更加有利的热力场,而且低层的温度梯度的增强更进一步增强了低层垂直切变,形成更有利于飑线发展的动力场。指出了前人所忽略的湖泊在动力上对飑线发展的重要作用,同时从地形的角度解释了江苏省地区飑线频发的原因。
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