飑线强对流和地形暴雨过程中的惯性重力波特征及其反馈机制研究

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许多研究发现,不同降水过程的发生发展均与惯性重力波有着密切的联系。本论文以2009年6月14日江淮地区的一次华东飑线过程(无地形)和2014年08月17日四川地区的一次暴雨过程(有地形)为例,围绕惯性重力波展开研究,重点研究惯性重力波的产生、发展和传播特征及其对降水过程的影响。主要结论如下:  (1)首先利用ARPS模式和WRF模式分别对这两个个例进行高分辨率数值模拟,利用模拟资料详细研究这两个过程的动热力结构和发生发展机制。发现这两个个例的发展过程中均存在惯性重力波特征,并且惯性重力波对华东飑线和地形暴雨过程的发展和移动起着关键的作用。华东飑线过程主要是由于对流层中层惯性重力波的上升支与低层飑线前沿的冷池出流产生的对流单体处于适当的位相差时,高低空耦合合并,产生深厚的上升运动,维持并促进飑线的移动和发展。四川地形暴雨过程主要是由于地形和强对流的凝结潜热释放相配合在高空激发出惯性重力波,该波动反过来促进和维持了暴雨的传播和发展。  (2)结合二维傅里叶方法、交叉谱方法和小波交叉谱方法,建立定量识别二维惯性重力波的方法,其能够识别和提取出不同降水过程中的关键尺度的波动。在此基础上,对惯性重力波的结构和传播特征进行分析。分析发现,地形暴雨过程中在高空10km-14km的位置存在周期为80-100min,波长为40-50km的惯性重力波,该波动平均以15-20m/s的速度向东传播。惯性重力波主要发生在强降水过程中,维持时间约7小时,主要位于地形上空。在华东飑线过程中,存在周期20-30min,波长20-25km的惯性重力波。该波动平均以13m/s的速度向南传播,其主要位于飑线内部,产生于飑线的发展阶段,维持时间约1小时。同时,无论是华东飑线过程还是地形暴雨过程中的波动,其与降水的强度和落区都有很好的对应关系。  (3)在前人的基础上,推导出适用于中小尺度的三维EP通量,并利用EP通量理论研究波动的能量传播以及波动对环境场的反馈机制,以期为降水的预报提供一定的参考依据。通过分析发现,华东飑线过程中的波动能量向前向下传播,这有利于能量在飑线前部不断聚集,触发新的对流单体,从而促进飑线的传播和发展。地形暴雨过程中的惯性重力波发生在大气对流层高层,波动能量是向前向上传播的。对变形欧拉方程中的各项进行分析,发现这两个过程存在相同点,即三维EP通量散度均能够增强环境风场的垂直切变,从而有利于飑线和地形暴雨中波动的维持和发展。  (4)利用数值敏感性试验分别探究强对流和地形强迫作用对惯性重力波和降水的影响。地形敏感性试验结果表明,不同尺度的地形对波动的传播特征影响显著。山脉的尺度与惯性重力波的波数和频率是相对应的:较宽的山脉能够激发出波长和周期较大的波动,而较窄的山脉激发出波动的波长和周期相对较小。同时,利用地形和云微物理过程的敏感性试验进一步证明四川地形暴雨过程中惯性重力波的产生是地形和强对流共同作用造成的。
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