一次飑线过程的数值模拟和诊断分析

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2003年4月12日江西、福建、浙江三省交界处发生一次飑线过程,该飑线在移动过程中造成了暴雨、冰雹、大风等灾害性天气。本文对这次飑线过程的大尺度背景场进行了分析,随后使用中尺度数值模式模拟了该过程,并对模拟的飑线系统的动力、热力结构进行了诊断分析,最后本文使用LAPS模式在模拟场基础上融合同化卫星、雷达、地面观测资料等观测资料,以期给出系统发生时的三维大气动力、热力结构以及云场结构,主要结论如下。   背景场分析显示,本次飑线是一次典型的尾部新生型山地飑线,它发生于大尺度鞍型场中,由准静止锋、MCC、切变线、低空西南急流、高空西风急流等系统共同作用下生成,从位涡角度看,它则是在高空正的湿位涡移至低层斜压不稳定的准静止冷锋上所诱生的一次强对流过程。   武夷山地形既是本次飑线形成的触发机制也是一个加强机制,它不但触发了飑线系统的形成,还左右着飑线系统的移动、组织、分裂过程。   对飑线发生机理的探讨则显示,CAPE值并不是飑线系统发生发展的主要影响因子,对于PS和LS飑线而言其发生前的CAPE往往只有1000 J/kg,从本文所研究个例来看,风切变(尤其是低空风切变)、地形或许才是飑线形成的关键因素。   对飑线近地层风场的分析表明,本次飑线过程主要为南北向气流的辐合,东西向气流的辐合较小,温度场和海平面气压场上则可以清晰的看出冷池和中高(低)压结构,冷池的存在对风场有明显的加速作用,风速在飑锋处达到最大,且飑锋出流与飑线系统的移速和方向较为匹配,这是本次飑线过程维持和发展的主要因子。对流层结构的分析则显示,本次飑线介于前部层云降水飑线(LS)和平行层云降水飑线(PS)之间,飑线系统移动方向上(纬向)的垂直结构类似于Front-Fed LS(FFLS)结构,垂直于移动方向(经向)的垂直结构则与典型的尾部层云降水飑线(TS)结构一致。涡度散度的分析则显示,飑线内部气流为强烈的气旋式上升气流,在飑线高层以及飑线后方则为反气旋式流场结构。LAPS系统则是一套业务运行的数据同化融合系统,其优点在于算法简洁,并能够快速有效的处理众多的观测数据,受资料的限制,本文仅使用了满足LAPS系统运行的最小资料集,即,卫星资料、雷达资料和地面观测资料。从结果来看,LAPS系统具有一定的同化分析能力,但同化效果取决于同化背景场,当背景场本身已经较为合理时,观测资料的加入容易破坏原本的动力平衡,同化结果反而差于背景场,而当背景场本身较差时,LAPS系统在同化观测资料后能够有效的给出系统发生时的动力、热力结构。云分析则是LAPS系统的主要特色,本次飑线过程的云分析结果显示,在融合了卫星、雷达、地面观测资料后,LAPS系统能够准确的描述三维云场结构,并能够准确的捕捉云场内部的穹窿结构。
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