渤海湾地区碰撞型海风锋及对流触发机理研究

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海风锋是与沿海地区强对流天气密切相关的边界层系统之一,其中碰撞型海风锋更容易触发新的对流系统,或增强原有的对流系统。作为京津冀地区的海上门户,渤海湾属于海风锋多发地区。对渤海湾碰撞型海风锋进行研究,能够提高对该地区突发性强对流天气的认识和理解,增强灾害性天气的防灾减灾能力,有利于减少人民群众的生命财产损失。因此,本文对渤海湾地区碰撞型海风锋的多年统计特征,碰撞过程中的非典型锢囚结构及对流触发(Convection Initiation,CI)机理进行详细研究。  根据天津雷达和渤海湾地区地面自动站观测资料,对2009~2015年5~9月发生的131个碰撞型海风锋个例进行统计分析。结果表明,与阵风锋碰撞的个例有85个,与对流系统碰撞的个例有46个。这些碰撞型海风锋发生碰撞的位置主要分布在天津雷达的北侧和西侧,其中西北方向最多,而南侧较少;在天津和唐山市附近约20~30km区域范围内出现频率较高。从水平尺度来看,发生碰撞的海风锋和阵风锋约为50~300km,而超过50%的对流系统小于50km。碰撞型海风锋的发生具有显著的年际变化,其中2009年最多(26个),2011年最少(13个),平均每年发生18.7个。从月变化特征来看,90%以上的碰撞型海风锋发生在6~8月,其中7月份最多。碰撞型海风锋还具有显著的日变化特征,大约95%的个例发生在12~19时。对于海风锋和阵风锋碰撞的情形,约39%的个例在碰撞之前于它们中间区域发生了CI。其中当海风锋和阵风锋的水平尺度均超过150km时,碰撞前发生CI的概率高达75%。从海风锋与阵风锋移动方向的夹角来看,两条锋面迎面相向移动碰撞的个例数量占据总数的88.2%。  利用中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecasting model),对2011年7月14日发生的海风锋与阵风锋碰撞个例(简称110714个例)进行高分辨率(水平分辨率为1.333km)数值模拟。该个例中,来自渤海湾的海风锋以较慢的速度向内陆移动,而从西北方向迎面而来的阵风锋移速较快,两者最终在天津市发生碰撞。通过对该碰撞过程的动力和热力结构进行分析,发现两条锋面在碰撞过程中能够把两者之间的暖空气挤压抬升至海风锋之上,形成与锋面气旋理论类似的锢囚结构。然而该过程并非产生于温带气旋之中,而是由两条具有冷锋性质的中尺度锋面相向移动碰撞形成。此外,该过程的时间和空间尺度皆远小于锋面气旋理论中的锢囚过程,因此称之为碰撞型海风锋导致的非典型锢囚过程。与经典锢囚锋理论中的“追赶过程”和“卷入过程”不同,该过程是两条中尺度冷锋碰撞形成,因此称之为“碰撞过程”。该“碰撞过程”伴随着局地强对流天气系统的快速发展。  利用WRF模式对110714个例中两条锋面碰撞前产生的对流触发进行更高分辨率(水平分辨率为444.4m)的模拟及诊断分析。结果表明,对流触发之前环境大气同时具备有利于对流触发的动力强迫特征(即低层辐合)和热力特征(即条件性不稳定)。根据垂直动量方程,垂直加速度可分解为动力加速度(ad)和浮力加速度(ab)。对流触发前边界层下层具有很强的ad,比ab大一个量级,因此两条锋面之间的对流触发主要是动力因素导致。通过在对流单体中选取代表性的空气粒子并沿着粒子后向移动轨迹进行垂直动量诊断,发现粒子从近地面抬升至边界层顶部的过程中,ad的贡献明显大于ab,同样表明本次对流触发是由动力作用主导。根据滞弹性近似,进一步把ad分解为伸展项,水平弯曲项,垂直扭转项,以及空气密度垂直变化项等四项。诊断结果表明,ad主要是由伸展项造成的。因此,结合区域平均意义上的分析结果可以推断,在两条锋面相向移动过程中低层的辐合作用贡献了该伸展项,并且为本次CI提供了动力抬升触发机制。
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