川藏地区雷暴大风活动特征和产生机制的初步研究

作     者：王黉 

作者单位：中国气象科学研究院 

学位级别：硕士

导师姓名：李英

授予年度：2020年

学科分类：07[理学] 070601[理学-气象学] 0706[理学-大气科学] 

主      题：川藏地区 雷暴大风 活动特征 产生机制 

摘      要：雷暴大风天气局地性和突发性强,并且破坏力大、致灾性强,是气象灾害性天气预报和防御的难点。川藏地区是我国西部开发的一个关键区域,但雷暴大风等灾害性强对流天气发生频繁。而该区域地形高原、盆地和深切峡谷共存,大气环流系统复杂多变,加之气象观测站稀少等因素影响,雷暴大风的准确预报和防御仍十分困难。认识川藏地区雷暴大风的活动特征及其产生机制是一项亟待开展的研究工作。本文首先利用地面站点观测资料对2010-2017年川藏地区雷暴大风的活动特征进行统计,对比分析高原和盆地不同地形下雷暴大风分布的差异。其次利用四川及周边省份多普勒天气雷达组网资料,对该区域产生雷暴大风的对流系统组织类型特征分类统计。再次基于地面观测和探空资料,计算雷暴大风发生前大气环境的水汽、热力和动力参数,揭示高原和盆地不同地形影响下雷暴大风发生的大气环境特征及其差异。最后,选取川藏高原地区一次罕见的雷暴大风过程,对其天气环流背景、大气热动力环境、对流系统的结构演变及局地大风的产生机制进行探讨。统计对比川藏地区高原和盆地雷暴大风活动特征,结果表明:(1)高原雷暴大风除冬季外均有发生,发生频数呈5-6月和9月双峰型分布特征,且主要在午后发生,20时前后达峰值。盆地雷暴大风主要发生在夏季,7月达到年内峰值,且在午后和夜间均较活跃。(2)高原站雷暴大风发生的年均频次约为2次/站,两个高频中心分布在甘孜西部和那曲东北部。高原雷暴和大风中,分别约4.5%和8%为雷暴大风。而盆地站雷暴大风年均频数仅为0.4次/站,其雷暴中仅1%为雷暴大风,但大风中约60%是雷暴大风。(3)高原和盆地雷暴大风的强度相当,大多在20 m s及以下,但高原风速极值更大。将川藏地区产生雷暴大风的对流系统分为较小尺度风暴型(孤立单体、簇状多单体和断裂线状)和MCS型(非线状MCS、飑线和弓状回波)两大类,共6种子类型,统计其分布和回波特征。结果表明:(1)各类型对流系统造成的雷暴大风主要发生在4-9月,各类型峰值不同,5月和7月为主次峰。较小尺度风暴型主要在午后发生,峰值为20时前后,MCS型雷暴大风在午后和夜间均较活跃。(2)高原或山区的雷暴大风主要由较小尺度风暴产生,个例间的回波强度差异较大。盆地雷暴大风主要由MCS引起,其回波强度一般大于高原对流系统,其中非线状MCS型最多,占比可达45.4%,飑线型次之为27.5%。(3)较小尺度风暴型雷暴大风发生前,其反射率因子质心下降特征更明显。MCS型雷暴大风发生前易出现多种标志特征,且其出现的比例一般高于前者,其中反射率因子质心降低和低层风速大值区有较好的预报指示性。统计合成分析川藏地区雷暴大风的大气环境特征和典型环流形势,结果表明:(1)高原雷暴大风发生环境的水汽含量不足,对流发展和下沉气流潜势、垂直风切变均低于盆地。(2)高原雷暴大风的层结通常表现为中层有一不厚的湿层,而低层较干,呈上湿下干的垂直结构。同时中低层大气温度垂直递减率较大,蒸发过程更强降水量一般很小,具有干性天气特征。(3)盆地雷暴大风发生环境的水汽充沛,可降水量大,近地面温度和露点高。垂直温湿环境一般表现为中层干层明显,低层较湿的上干下湿垂直结构,有利于短时雨强,具有湿性天气特征。(4)高原雷暴大风频次双峰期间的环流场形势存在一定差异。5-6月为高空西北气流影响型,高层位于高空急流入口区右侧,存在辐散场中心。中层有弱冷平流侵入,低层受切变线影响,环境风垂直切变较大。而9月为副高边缘影响型,高层辐散场较弱,中层温度平流不明显。低层同样受切变线影响,环境风垂直切变弱于5-6月,但有明显的偏南气流输送水汽。上述两种环流形势均有利于雷暴大风的产生。分析2016年9月川藏高原一次罕见的雷暴大风过程,结果表明:(1)高原雷暴大风通常具有干性特征,但这次过程出现多站10 mm以上的小时强降水且伴随18 mm大冰雹,是一次罕见的“湿性高原强对流天气过程。(2)对流系统发生在500 h Pa弱冷平流和低层切变线影响下,环境的高CAPE和较大垂直风切变为超级单体的形成和维持提供了有利条件。大气中低层深厚的湿层是对流风暴内湿下击暴流产生的一个重要原因。(3)初始对流在地面辐合线上生成,其北侧大片层状云镶嵌多个γ中尺度单体,而南侧仅有微弱的零星回波。在东南移入高CAPE、大垂直风切变的环境场过程中,北侧多单体对流系统逐渐发展成线状MCS,并与南侧对流单体区域合并,促使南侧对流单体则迅速演变成超级单体。(4)超级单体发展成熟期,低层有清晰的前侧入流缺口、钩状回波和中气旋特征。垂直剖面上强回波区随高度前倾,高层有显著的上冲云顶突起,回波顶高接近15 km。中层存在明显的回波悬垂和有界弱回波区。随后出现中层径向辐合、上升气流减弱和反射率因子核心快速下降等特征,预示着风暴内下击暴流的产生。(5)中层干空气的夹卷过程增大了超