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MCS的观测研究与MCV的个例模拟研究

作　者: 束宇
导　师: 伍荣生
学　校: 南京大学
专　业: 气象学
关键词: 自动识别方法中尺度对流系统中尺度对流涡旋形成机制
分类号: P458
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

中尺度对流系统(Mesoscale Convective System,简称MCS)是我国夏季造成暴雨和洪涝灾害的主要天气系统之一,静止卫星红外云图是监测MCS的重要手段。因而基于静止卫星红外云图对MCS进行普查是MCS研究的一个重要方向。静止卫星原始数据经过定位、插值、定标三个步骤可以转化为格点上的物理量数据,从而可以用于科学计算中。以往对MCS的普查工作中,由于人工识别MCS的普查方法的限制,对MCS的普查工作往往局限在一个较小的时间跨度和空间范围内,而且带有一定的主观性,不利于对MCS气候学特征的研究。本文中,作者开发了一种基于静止卫星红外云图的MCS的计算机自动识别方法。自动识别方法主要包括三个步骤：MCS轮廓的生成、对MCS的追踪、对MCS的判别。对1999年中国及邻近地区MCS的抽样普查结果表明,自动识别方法在查找MαCS时的错识别率大约为19.1%,误识别率为1.4%,漏识别率为零；查找MβCS的错识别率为10.1%,误识别率和漏识别率均为零。基于新的MCS自动识别方法,作者开发了一款卫星云图资料处理软件：“静止卫星云图处理和强对流侦测系统”。采用基于静止卫星红外云图的MCS的计算机自动识别方法普查了1995～2008年夏半年亚洲和西太平洋地区的四类不同尺度和形状的MCS,共得到47468个满足要求的MCS。然后,以这些普查到的MCS为样本,研究了亚洲和西太平洋地区MCS的形状、尺度、持续时间、移动速度、地理分布、月变化、日变化生命史等的气候学统计特征。结果显示：MCS近线形的数目是近圆形的2.5倍,近线形MCS的尺度更大,近圆形MCS的持续时间更长。500hPa引导气流对MCS的移动起重要作用,MCS成熟以后移动速度会加快。四类MCS的地理分布特征、月变化特征较为相似。MCS基本呈纬向带状分布,从南向北依次有三条活动强度递减的MCS分布带。各地区MCS的月变化与其所处的大尺度环境的季节调整相关联。MCS按日变化特征可以分为四类：低纬全天候MCS、高纬全天候MCS、夜发性MCS和午后形成的MCS。在中国地区,高原和丘陵地区的MCS是单峰型生命史,下午形成,傍晚成熟,入夜后减弱消散；平原地区MCS的生命史是多峰型特征,下午和夜间都有MCS形成；洋面上午夜时是MCS的形成高峰；两广沿海受海陆风环流影响,MCS集中在下午三四点左右形成；四川盆地受山谷风环流影响,MCS夜发性特征显著。利用2008年华南暴雨实验期间的LAPS分析资料、MT1R红外云图资料、多普勒雷达资料对2008年6月12日的一次暴雨MCS过程进行了诊断分析,研究了其发生的环境背景、红外云图上MCS演变过程及对流系统中风暴的发生发展和演变。结果显示：该次暴雨MCS形成于有利的对流发展环境中,低层的西南涡在MCS的形成和演变中起到了重要作用；红外云图显示对流系统是一次MβECS过程；雷达图象显示对流系统是一次飚线强风暴过程,入流区低层反射率因子梯度很大,存在弱回波区,中高层的回波悬垂结构明显,径向速度图显示入流区中层存在辐合区；LAPS资料分析表明强风暴形成于中等的CAPE值和较强的垂直风切变环境中。使用WRF3.2对2009年8月16日～18日发生的一次暴雨灾害过程进行了数值模拟,该次模拟较好的模拟出了该次暴雨过程中的MCS活动和MCV活动。结果显示：MCV形成于800hPa以下,以850hPa涡旋特征最为明显；涡旋形成于对流性降水区中,涡旋形成时涡旋区域内有正负变涡耦极子,涡旋向正变涡的方向移动；在对流层低层,辐合辐散项和倾斜项是正涡度的来源,而对流项和平流项则抑制局地涡度的增大。大气对对流加热的平衡响应,是该MCV的形成机制之一,该MCV形成的另一个机制为对流内上升运动造成的水平涡管的倾斜。对MCV形成时的Rossby形变半径的计算表明,扰动尺度大于Rossby形变半径,即扰动为“动力大尺度”的,MCV将会持续较长的时间。

全文目录

致谢  4-6
摘要  6-9
Abstract  9-16
第一章绪论  16-42
  1.1 中尺度对流系统和中尺度对流涡旋的概念  16
  1.2 MCS的定义  16-20
  1.3 MCS的普查研究  20-22
  1.4 MCS和MCV的形成环境  22-23
  1.5 MCV的观测研究和数值模拟研究  23-27
    1.5.1 国外MCV研究的概况  23-26
      a) 早期的MCV研究  23-24
      b) MCV形成机理研究  24
      c) MCV的结构  24-25
      d) MCV对继生对流的激发作用  25-26
    1.5.2 国内MCV研究的概况  26-27
  1.6 本文研究的目的和内容  27-29
    1.6.1 研究目的  27-28
    1.6.2 研究内容  28-29
  参考文献  29-42
第二章静止卫星原始数据的处理和红外云图上MCS的自动识别方法  42-77
  2.1 引言  42-43
  2.2 静止卫星原始数据的处理  43-46
    2.2.1 定位  43-44
    2.2.2 双线性插值  44-45
    2.2.3 定标  45-46
  2.3 红外云图上MCS的自动识别方法  46-68
    2.3.1 自动识别方法的具体步骤  46
    2.3.2 MCS轮廓的生成和轮廓特征量的计算  46-55
      a) MCS轮廓生成的流程  46-48
      b) 轮廓的查找方法和编码方法  48-50
      c) 轮廓特征量的计算  50-54
      d) 轮廓信息的保存  54-55
    2.3.3 系统查找法  55-59
      a) 轮廓数据的准备  55
      b) 系统的查找(MCS的追踪)  55-59
    2.3.4 系统的判别  59
    2.3.5 自动识别方法的误差和抽样检验  59-68
      a) 自动识别方法的误差  59-63
      b) 系统查找法中最优参数的选择  63-64
      c) 自动识别方法的抽样普查结果  64-68
  2.4 静止卫星云图处理和强对流侦测系统  68-71
    2.4.1 软件的窗口界面  68-70
    2.4.2 输入数据格式  70
    2.4.3 输出数据格式  70-71
  2.5 小结  71-73
  参考文献  73-77
第三章基于静止卫星红外云图的MCS的统计特征  77-119
  3.1 引言  77
  3.2 资料、方法和MCS的定义  77-81
    3.2.1 MCS的分类和相关定义  78-79
    3.2.2 资料  79-80
    3.2.3 MCS自动识别方法  80-81
  3.3 普查结果以及亚洲和西太平洋地区MCS的统计特征  81-102
    3.3.1 普查结果  81-82
    3.3.2 MCS的基本红外云图特征  82-85
    3.3.3 MCS的移动速度特征  85-89
    3.3.4 MCS的地理分布特征  89-92
    3.3.5 MCS的月变化特征  92-95
    3.3.6 MCS的日变化特征  95-102
      a) 区域日变化特征  95-97
      b) 沿不同经线的日变化特征  97-99
      c) 沿不同纬线的日变化特征  99-102
  3.4 中国地区不同下垫面情况下MCS的生命史特征  102-105
  3.5 2008年华南暴雨过程中MCS活动的诊断分析  105-112
    3.5.1 环境条件  105-106
    3.5.2 MCS发生发展的红外云图过程  106-110
    3.5.3 MCS发生发展过程的雷达资料分析  110-112
  3.6 小结  112-115
  参考文献  115-119
第四章 2009年中国东部地区一次MCV过程的数值模拟研究  119-155
  4.1 引言  119
  4.2 数值模拟方案  119-121
  4.3 天气过程概况  121-129
    4.3.1 天气实况和天气背景分析  122-124
      a) 天气实况  122-123
      b) 天气背景  123-124
    4.3.2 红外卫星云图上MCS活动概况  124-127
    4.3.3 MCV活动概况  127-129
  4.4 数值模拟验证  129-132
    4.4.1 红外云图上对流活动对比  129-132
    4.4.2 MCV活动状况对比  132
  4.5 MCV形成时的涡度收支分析  132-140
    4.5.1 涡度方程  132-134
    4.5.2 MCV形成时涡度方程的尺度分析  134-138
    4.5.3 MCV形成时的涡度收支分析  138-140
  4.6 MCV形成机制讨论  140-144
    4.6.1 潜热释放和辐合辐散  140-141
    4.6.2 上升运动与涡管扭曲  141-144
  4.7 本章小节  144-147
  参考文献  147-155
第五章全文总结和工作中存在的问题  155-158
  5.1 全文总结  155-157
  5.2 存在问题和未来工作展望  157-158

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