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为了分析研究1998年长江中下游地区夏季降水的天气气候特征,本论文利用4 km分辨率的区域模式MM5对该年梅雨期两个不同时段(6月12~30日和7月20~31日)极端强降水过程进行了连续的数值模拟,并着重分析和比较了这两个时段里降水演变和相关环流特征的异同。此外,论文还通过敏感性试验研究了模式的水平分辨率、对流参数化方案和侧边界缓冲区宽度的选取对梅雨期降水过程的影响。
通过与多种观测资料的对比,本研究发现MM5模式较好地再现了整个模拟时段(6月8日~7月31日)大尺度环流场的演变特征以及日到准双周尺度内的主要降水事件,包括降水沿着梅雨锋的传播和演变特征,特别是很好的再现了第二个时段长江中下游地区的异常强降水特征。较好的模拟结果保证了后面诊断分析的可信性。
模拟结果分析表明,两个降水时段的梅雨锋在热力和动力结构上存在较显著的差异。在第一段降水期间,长江流域的梅雨锋深厚而且宽广,由于锋面北侧势力较强的干冷空气长时间维持,阻挡了西南暖湿空气的北进,暖湿空气沿着锋面爬升使得长江以南地区产生大范围强降水。在第二段降水期间,梅雨锋锋面宽度和深度明显减弱,而低层西南和偏东气流沿着长江流域却形成了强而窄的切变辐合形势,提供了强降水必需的暖湿空气,有利于中尺度强对流天气系统的发生发展,加上朝鲜半岛以西的气旋性环流所对应的偏北气流也可以部分地增加长江流域的水汽供给,进一步增大了梅雨降水的强度。
两个阶段的降水呈现出不同的纬向传播和相似的周期性演变特征。在第一段降水期间,降水和中尺度对流天气系统呈现出明显的2~3 d的周期性东传特征,并且在长江中下游地区发展加强。在第二段降水期间,降水和中尺度对流天气系统则趋于在局地发展加强。降水的小波分析结果表明,两个降水时段内降水的演变均呈现出显著的周期性特征,主要的周期包括1d、2~3 d、和5~8 d。进一步分析发现,850 hPa风场、对流层低层中尺度对流系统活动、500-hPa中高纬度波动分别与以上的三个降水周期有较好的对应关系。
降水纬向传播过程和降水周期性分析都显示梅雨期降水存在显著的日变化特征。在两个降水时段内,长江中下游地区的降水主要出现在白天,并在0600~1500 LST达到极值。对流层低层平均风场和典型降水事件个例分析都发现,长江以南地区的西南低空急流(LLJ)是与降水日变化紧密相联系的主要天气系统。LLJ随着对流层低层MCS的传播而发展,出现在强降水的上游地区,其风速极一大值主要出现在夜间至清晨(0600 LST),较降水峰值提前约3~6 hr。
最后,本论文对MM5模式模拟1998年极端降水事件的不确定性进行了探索。敏感性试验结果表明,就1998年夏季长江流域梅雨期的降水过程而言,积云对流参数化方案和侧边界缓冲区宽度的选取对于MM5模式准确再现强降水事件具有决定性作用,而水平分辨率的精细程度是模式能否准确抓住天气尺度强降水过程的一个重要因子。侧边界缓冲区宽度过窄导致大尺度强迫不能完全传入MM5模式的模拟区域,因此模拟区域内部的环流和降水产生较大的偏差。模式水平分辨率的降低和积云参数化方案选取不当都可能会引起对流不稳定能量过度发展,从而导致数值点风暴(NPS)现象发生,影响了降水甚至环流形势的准确再现。
本项研究是对较高分辨率区域气候模式运用于极端天气气候事件模拟能力的进一步检验,同时对1998年长江流域极端强降水事件的演变特征做了一个细致的探索,这些研究为这一事件深入的机制分析奠定了基础。针对区域气候模式模拟不确定性的探索也为将来区域气候模式应用于短期气候预测提供有益的借鉴。