华北暴雪与准锢囚过程研究

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华北暴雪具有强度大、突发性和局地性强等特征,预报准确率一直很低。华北暴雪多由从东北平原南下冷空气经渤海向西回流到华北平原的回流天气造成。在回流背景下,若东路冷空气在华北地区与倒槽或气旋系统的冷锋相遇形成锢囚锋,则会增大降雪强度,从而给预报带来更大困难。统计表明,准锢囚型暴雪在华北地区暴雪中占了相当比重,但相关研究却较少,要提高其预报准确率仍缺乏技术支撑和预报依据。本文利用RSM再分析资料、常规观测资料和多普勒雷达资料,系统研究了发生在天津和北京地区的两场典型准锢囚型暴雪过程(2008年12月20日-21日和2009年11月1日)的中尺度动力和热力特征及其发生发展的物理机制,探讨了地形对天气过程的影响,并利用数值模拟敏感性试验进行了诊断分析。本文主要结论如下:  1、两次降雪过程的降水区附近均存在气旋式风场辐合,但是降水落区存在较大差异。“081220”的降水区位于气旋式风场辐合中心的西北象限,“091101”降水区位于气旋式风场辐合中心的东南象限。  2、通过分析地面加密自动站的物理量变化,可以清晰地看到冷空气的移动路径,露点温度梯度的特征最突出。根据等温线的梯度可以看到,081220过程东支的斜压带属于弱斜压带,091101过程东支属于强斜压带。当东、西两路冷空气移入降雪地区时,两支冷空气在降雪地区西侧相遇并形成锢囚锋降雪,锢囚点东南侧为降雪过程的最大地区。  3、据雷达回波分析,降雪期间回波高度丰要维持在3km以下,以块状回波为主。081220和091101过程均在两支泠空气交汇后,在雷达反射率图上形成人字形回波,交叉点处的回波强度增强,与实况观测的降雪量较大时段对应。雷达风廓线观测表明,锢囚锋形成时东北风从不足1km高度侵入,当侵入高度不断向上发展时锢囚锋维持且降水强,当冷空气侵入高度继续升高导致其上的西南气流层越来越薄时,降水回波减弱,锢囚锋结构逐渐减弱消失。降雪过程的开始和增强都与偏东风的嵌入时间和伸展高度对应。  4、081220过程降雪前期在回流冷空气侵入抬升作用下,在浅层激发出次级环流并向西传播,降雪区域的涡度场也是东支冷空气激发出的次级环流中的一部分。垂直速度场低层上升运动的西侧为上升速度梯度值最大的地方,其始终跟随涡度场辐合辐散的一个次级环流圈移动。地面降雪最强时段涡度中心值增大且伸展高度升高,辐合上升运动也达到最强。当西支冷空气主体南压后,先在800hPa出现辐散,随后辐散层向下传播至地面,降雪过程结束。091101过程中东支回流气流对次级环流的触发作用并不明显,可能与西侧存在山脉影响有关。  5、“081220”和“091101”都是东路冷空气从对流层中低层自上而下侵入暖空气之中。081220先是东路冷空气有一支从近地层将东南暖空气抬升,随后当西路冷空气移入时,形成锢囚锋,降雪最大地点位于锢囚点附近。“091101”是东路回流冷空气将西南暖空气抬升,随后与西路冷空气相遇形成锢囚锋。这两次过程的东支干冷空气都是700hPa附近自上而下向降雪区域输送,但是“081220”和“091101”两次过程的东南支气流性质是截然相反的“081220”为暖湿,“091101”为干冷。  6、计算的气块三维水汽轨迹路径结果向我们展示了东北支回流气流的情况:两次降雪过程中气块均先经历下沉后上升运动,“081220”气块上升经过渤海海面后湿度开始明显加强,增湿后的气块跟随低层的东南气流再次转向,向西北方向运动直通向降雪发生地。相反,091101过程的气块由于没有经过渤海,因此东南支的气流依旧是干的。这说明渤海在回流降水过程中起到了非常重要的水汽条件促进作用。  7、数值模拟的假相当位温剖面图上可以看到两支冷锋相向运动并将暖空气抬升的过程,进·步验证了锢囚降雪的推断。“091101”过程去掉地形后,降水位置偏西偏南,说明受地形影响很大,同时,地形敏感性试验很好地解释了09年的降雪过程没有明显次级环流的原因。“081220”暴雪过程当去掉地形后,降水落区位置偏东而强度变化很小,当渤海被设为农田后,降水量显著下降,进一步证明海洋水汽、热力输送对本次降雪起到了关键作用。
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