华南暖季对流的雷达气候学特征及其机制研究

【摘要】：华南是我国暖季强降水频发区,其引起的城市内涝和山体滑坡等气象地质灾害常给当地造成巨大的生命财产和社会经济损失。强降水的形成与对流紧密相关,因此充分认识华南暖季对流特征和形成机制,对于提高强降水预报有着重要意义。多普勒天气雷达是观测对流三维精细结构重要的工具。本研究率先利用我国业务多普勒雷达长期精细观测资料,从雷达气候学角度揭示了华南地区暖季对流和降水的空间分布、日变化、传播和结构特征。在此基础上,结合高分辨率数值模拟,提出了该地区暖季对流系统触发、传播以及日变化机制。首先,以珠三角地区为代表,利用2007。2009年暖季(5月至9月)的广州业务多普勒雷达资料,统计了该区域暖季对流的空间分布以及时间变化特征,揭示华南沿岸区域和内陆地形迎风坡上存在两个对流性降水中心。对流系统在6月份发生频次最高、9月份发生频次最低。在华南季风活跃期(5—6月),对流日变化特征呈现双峰结构,主峰值出现在午后,次峰值出现在凌晨。入夏后(7—9月份),凌晨对流发生的频次明显减少,对流多数发生在午后,因此对流日变化特征呈现为单峰结构。结合三年的日本气象厅(JMA)20km×25 km高分辨率再分析资料、地面观测资料以及雷达径向风资料,揭示了华南沿岸强降水中心的形成与低空急流的出现存在着直接的关系。沿海岸对流性降水多发生于有偏南低空急流存在的天气形势下,海陆摩擦差异造成的速度辐合是海岸对流触发的主要物理机制。当存在偏南低空急流时,由于海面和内陆表面的摩擦差异,来自海洋的暖湿空气会在海岸线上辐合抬升并产生对流性降水。否则,来自海上的暖湿空气可以越过海岸线,被内陆地形所抬升,对流多产生于内陆山区的迎风坡。在暖季对流时空特征统计基础上,本研究进一步结合雷达观测和数值模拟,研究了华南季风活跃期对流性降水双峰型日变化特征的形成原因。观测分析表明：午后触发的对流系统主要是由太阳加热作用引起,而凌晨对流则与海陆风环流和局地地形密切相关。在内陆山区的迎风坡上,地形对夜间的西南边界层急流的抬升是该区域形成凌晨对流峰值的主要原因,但凌晨和午后的对流系统的传播特征都不明显。在沿海岸区域,夜间对流降水的触发与陆风和低层盛行南风间的辐合密切相关。之后,当陆风逐渐转为海风,沿海岸的对流系统会逐渐从海岸区域传播到内陆地区。在观测分析的基础上,本研究利用ARW-WRF模式构建了理想模型。以2007-2009三年华南季风活跃期内平均的全球模式再分析资料作为理想模型的曰变化边界条件,并采用了理想化的海岸线和下垫面条件,模拟再现了华南季风活跃期时海岸区域降水的日变化和传播过程,印证了雷达观测中所发现的华南沿海地区的对流性降水目变化的物理机制。同时,揭示了热动力过程和复杂地形在降水过程中的非线性作用,明确了海陆风及其降水日变化形成的物理过程与动力机制。最后,本研究通过改进美国国家大气中心(NCAR)的雷达资料四维变分同化分析系统(VDRAS),对2008年05月华南沿岸区域的一次对流性降水过程的形成机制进行了分析。结果表明：通过在VDRAS中加入了地面资料同化模块,更合理地分析出了沿岸对流触发和演变过程中大气低层热力及动力场的四维精细结构；揭示了沿海岸地形以及海风锋在对流触发发展过程中的重要作用,内陆地形抬升所产生的对流单体与海风锋触发产生的对流单体合并后,最终形成了平行于海岸线的对流性降水雨带。 【关键词】：华南暖季对流 多普勒雷达 季风 海陆差异 沿岸地形
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P412.25
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-24
• 1.1 研究背景和动机11-13
• 1.2 华南暖季对流的气候背景13-14
• 1.3 对流的空间分布和结构14-16
• 1.4 对流的日变化特征16-18
• 1.5 对流的触发和演变机理18-21
• 1.6 本文研究的主要内容及创新点21-24
• 第二章 资料与分析方法24-34
• 2.1 资料介绍24-27
• 2.2 雷达资料的分析方法27-29
• 2.3 四维变分雷达同化分析系统(VDRAS)及其改进29-33
• 2.4 本章小结33-34
• 第三章 华南暖季对流特征的统计34-55
• 3.1 对流系统的空间分布35-38
• 3.2 对流系统的月变化特征38-46
• 3.3 海岸对流中心形成的物理机制46-53
• 3.4 本章小结53-55
• 第四章 季风活跃期华南对流的日变化特征55-71
• 4.1 季风活跃期的定义以及基本天气形势55-58
• 4.2 季风活跃期对流的日变化及传播特征58-63
• 4.3 季风活跃期对流触发及传播的物理机制63-69
• 4.4 本章小结69-71
• 第五章 季风活跃期海陆风及其降水的日变化机制71-94
• 5.1 理想实验的设计73-75
• 5.2 理想实验结果的分析及与观测对比75-78
• 5.3 海陆风的日变化特征以及沿岸地形对其的影响78-87
• 5.4 热动力过程对海陆风及对流传播的影响87-91
• 5.5 本章小结91-94
• 第六章 华南沿岸对流触发及发展过程的个例研究94-107
• 6.1 个例天气背景和降水分布95-97
• 6.2 海岸对流的初生与演变97-100
• 6.3 对流触发和发展机制100-106
• 6.4 本章小结106-107
• 第七章 总结与展望107-112
• 7.1 总结107-110
• 7.2 未来研究展望110-112
• 参考文献112-123
• 致谢123-125
• 攻博期间发表文章及科研成果目录125-126

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