中国西南部一次东移型暴雨中...旋发展的多尺度地形影响研究_李祥.pdf
《中国西南部一次东移型暴雨中...旋发展的多尺度地形影响研究_李祥.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《中国西南部一次东移型暴雨中...旋发展的多尺度地形影响研究_李祥.pdf(19页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、李祥,杨帅,杨书运.2023.中国西南部一次东移型暴雨中涡旋发展的多尺度地形影响研究 J.大气科学,47(1):3452.LIXiang,YANGShuai,YANGShuyun.2023.InfluenceofMulti-scaleTopographicFactorsonVortexDevelopmentduringanEastward-PropagatingRainstormEventinSouthwestChinaJ.ChineseJournalofAtmosphericSciences(inChinese),47(1):3452.doi:10.3878/j.issn.1006-9895
2、.2106.21072中国西南部一次东移型暴雨中涡旋发展的多尺度地形影响研究李祥1,2杨帅2杨书运11安徽农业大学资源与环境学院,合肥2300002中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴重点试验室,北京100029摘要由观测和数值模拟结果分析发现,2019 年 8 月 56 日中国西南部的东移型致灾暴雨事件中存在三涡(南北双高原涡、西南涡)相继发展并导致暴雨加强和移动的现象。借助数值试验,研究了多尺度地形因子(青藏高原、横断山脉和四川盆地三大地形)各自对涡旋演变的作用。结果表明,横断山脉对西南涡的形成起关键作用,四川盆地影响着西南涡的位置和强度。对于高原涡(南侧高原涡)的移动,四川盆地地形
3、只影响涡旋强度演变,但不会改变高原涡的移动路径。一旦横断山脉被移除,高原涡的东移现象随之消失。进一步分析青藏高原和四川盆地交界处的陡峭地形坡度改变对涡旋发展的影响发现,发现坡度越陡,高原涡移动速度越快,且盆地内二涡合并后的西南涡强度越强。最后借助于倾斜涡度发展理论,解释了不同坡度对涡旋强度演变的影响:随着坡度变陡,倾斜涡度发展系数沿涡旋下滑路径快速减小,对垂直涡度局地倾向的强迫作用,加剧了涡旋的快速加强。关键词暴雨涡旋地形数值模拟文章编号1006-9895(2023)01-0034-19中图分类号P458文献标识码Adoi:10.3878/j.issn.1006-9895.2106.21072
4、Influence of Multi-scale Topographic Factors on Vortex Developmentduring an Eastward-Propagating Rainstorm Event in Southwest ChinaLIXiang1,2,YANGShuai2,andYANGShuyun11College of Resources and Environment,Anhui Agricultural University,Hefei 2300002Key Laboratory of CloudPrecipitation Physics and Sev
5、ere Storms,Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing100029AbstractUsingobservationandnumericalsimulationresults,werevealthatthreevortexes,namelythenorthernplateauvortexes(TPV1),southernplateauvortex(TPV2),andSouthwestvortex(SWV),developedsuccessivelyduringadisaster-causing
6、rainstormeventinSouthwestChinafromAugust5to6,2019,whichledtotheintensificationandeastwardpropagationoftherainstorm.Throughnumericalexperiments,westudytheeffectsofmulti-scaletopographicfactors(TibetanPlateauTP,HengduanCordilleraHC,andSichuanBasinSB)onvortexevolution.TheresultsshowthatHCplaysakeyrolei
7、nSWVformation,whileSBinfluencestheSWVlocationandintensity.ThetopographyoftheSBonlyaffectstheintensityofTPV2butdoesnotchangethepropagationpath.IntheabsenceofHC,theplateauvortexdoesnot收稿日期2021-04-25;网络预出版日期2021-06-16作者简介李祥,男,1996 年出生,硕士研究生,主要从事中尺度天气学研究。E-mail:通讯作者杨帅,E-mail:资助项目中国科学院战略性先导科技专项(A 类)资助 XD
8、A23090101,国家自然科学基金资助项目 41875079、91937301、42175010Funded byStrategicPriorityResearchProgramoftheChineseAcademyofSciences(GrantXDA23090101),NationalNaturalScienceFoundationofChina(Grants41875079,91937301,42175010)第47卷第1期大气科学Vol.47No.12023年1月ChineseJournalofAtmosphericSciencesJan.2023propagate.Theinflu
9、enceofslopechangeofthesteepterrainattheboundarybetweenTPandSBonvortexdevelopmentwasfurtheranalyzed.Thesteepertheslope,thefasterthepropagationspeedoftheplateauvortex,andthestrongertheSWVafterthemergingofTPV2andSWV.Finally,theimpactoftheterrainslopeontheevolutionofvortexintensitywasanalyzedaccordingto
10、thetheoryofslantwisevorticitydevelopment.Astheslopebecomessteeper,thedevelopmentcoefficientofinclinedvorticitydecreasesrapidlyalongthevortexslidepath,andtheforcingeffectonthelocaltendencyofverticalvorticityintensifiestherapidstrengtheningofvorticity.KeywordsRainstorm,Vortex,Topography,Numericalsimul
11、ation 1 引言中国西南地区地形复杂,多尺度地形的热力作用和机械强迫,为西南地区的涡旋形成提供了适宜环境条件,利于夏季活跃的对流发展和降水发生。分别在青藏高原和四川盆地附近形成的高原涡(TPV)和西南涡(SWV)是诱发我国西南山区暴雨的重要涡旋系统。该区域山地暴雨频繁发生,成为中国雨量最多的地区之一,常常造成严重的洪涝和地质灾害(Chenetal.,2019,2020;Fuetal.,2019;周玉淑等,2019;黄楚惠等,2020;李强等,2020;罗亚丽等,2020;Yangetal.,2020)。过去研究已经证实了 TPV 对青藏高原上空降水的重要影响(Gaoetal.,1981;S
12、henetal.,1986;李国平等,2016;Fuetal.,2019)。根据其是否移出高原,可将高原涡分为两类:一类 TPV 生成于高原、消亡于高原,另外一类则在高原生成后向东移出高原,影响下游降水(江吉喜等,2002;Lietal.,2008;Huetal.,2016;Fuetal.,2019)。统计分析表明,第一类 TPV 占比更大,后一类型发生率则相对较低。然而,一旦 TPV 东移,其伴随的强降水对人口密集的下游地区(如四川盆地和长江中下游地区)影响更大,易引发泥石流、山洪、城市内涝等地质灾害。因此,西南地区强降水过程中的东移型 TPV 及相关物理过程的研究更应引起重视。有关 SWV
13、 和四川盆地暴雨的研究亦大量开展(李琴等,2016;Lietal.,2017;Yangetal.,2017a,2017b;刘晓冉等,2020;罗亚丽等,2020;汤欢等,2020;王晓芳等,2020;蒲学敏和白爱娟,2021;吴志鹏等,2021)。已有研究表明,四川盆地降水与西南涡、低空急流等天气系统有关,具有明显的日变化特征,降水高峰多出现在夜间和清晨(YanaiandLi,1994;Yuetal.,2007;Yinetal.,2009)。Kuoetal.(1986)研究发现,四川盆地地形对 SWV 的形成起主导作用。Fuetal.(2010)根据 Zwack-Okossi 方程,诊断了 2
14、003 年 6 月一次的 SWV 生成的原因,发现潜热释放和辐合是 SWV 形成的两个最重要的因素,分别占涡度方程总强迫项的42%和 15%,通过个例分析归纳出热力比动力作用对 SWV 的形成更为重要。需要指出的是,复杂地形强迫与涡旋演变和降水发展显著相关,多尺度地形对涡旋发展作用的研究是我国西南涡暴雨研究的重要方面。WangandTan(2014)利用理想模拟方法研究了高原地区SWV 形成的地形控制要素,认为青藏高原和横断山脉在控制西南涡的位置和规模上起主导作用,并为西南涡的形成提供涡流源。地形降水的日变化和对流系统的移动,与山地平原热力环流(MPS)有明显联系,该 MPS 环流是由于高原较
15、高海拔的山地下垫面与平原上空同一水平高度处的大气热力差异造成的,导致下午时段的降水主要集中在山地,午夜降水则出现在平原地区(Qianetal.,2015;Zhangetal.,2019),降水落区与 MPS 环流上升支对应(SunandZhang,2012;Zhangetal.,2018,2019)。根据观测和模拟结果(Kuoetal.,1986;WangandTan,2014),地形的动力效应则主要表现为频繁发生的高原背风涡旋(如这里的 SWV)。特别是在四川省及其附近地区,由于青藏高原、横断山脉和四川盆地组成的复杂多尺度地形影响,为局地暴雨的准确预报带来很大困难,甚至影响高原和盆地交界处陡
16、峭地形过渡区的数值模式稳定运行。因此,需要进一步研究多尺度地形对暴雨及相关降水物理过程的作用,找出关键地形要素以期完善地形相关物理过程参数化方案,来改进山地降水的模拟和预报。应当加强多尺度地形对涡旋发展作用的研究,找出高原涡、西南涡旋增长的关键地形归因,进而从地形要素角度出发改进涡旋降水的模拟和预测。以往研究多围绕复杂地形对西南地区降水的综合作用展开,而分离三大地形单独的贡献、剖析其对降水和涡旋移动各自影响的研究较少。特别是对于致灾严重的东移型涡旋降水,更应该探讨多尺度地形及相关物理过程对涡旋演变和降水的影响。在1期李祥等:中国西南部一次东移型暴雨中涡旋发展的多尺度地形影响研究No.1LIXi
17、angetal.InfluenceofMulti-scaleTopographicFactorsonVortexDevelopmentduringan.35青藏高原、横断山脉和四川盆地三大地形中,究竟哪种地形要素对涡旋的增长起关键作用?青藏高原和四川盆地交界处的陡峭地形坡度对涡旋发展有何影响?这些都是本文研究的重点。为解决这些问题,我们借助于 2019 年夏季青藏高原至四川盆地的一次东移涡旋降水事件,通过数值模拟和理论分析,研究了多尺度地形因子对涡旋演变的各自作用。2 数值模拟、试验设计与方法 2.1 模式本文采用中尺度 WRF(V4.0)模式对 2019年 8 月 5 日 00:00 至 6
18、 日 18:00(协调世界时,下同)的山地暴雨过程(降水分布如图 1 所示)进行了数值模拟,模拟区域覆盖中国西南地区(图 2),水平网格点为 460(纬向)360(经向),水平格距 3km。模拟方案采用 YSU 边界层参数化方案(Noahetal.,2001)、Noah 陆面过程参数化方案(Chen and Dudhia,2001)、RRTM 长 波 辐 射 和Dudia 短波辐射方案(Dudhia,1989),以及 WSM5微物理参数化方案(HongandLim,2006)。模式积分的初始和侧边界条件由 NOAA 的 0.50.5的 GFS 再分析资料提供,观测降水为中国自动站与 CMORP
19、H 降水产品融合的 0.10.1分辨率的逐小时降水场产品。2.2 试验设计理想地形构建和敏感性试验设计如图 3 和表 1所示。本文开展两组试验,第一组试验用于分离三大地形的单独效应,探讨其各自对涡旋演变的影响(见表 1 中 Group1,及图 3ae 中不同地形组合情景);第二组试验研究陡峭地形的坡度改变对涡旋移动的影响(见表 1 中 Group2 和图 3f)。这里构造与真实地形(图 3a)几何形状相似的理想地形(图 3b),有如下两点优势:一是在保证尽可能逼近真实模拟效果的同时,易于分割出某单一地形,方便与其它地形情景组合;二是通过在青藏高原和四川盆地相邻区域设置坡度调节系数,灵活改变陡峭
20、地形坡度。其中,理想地形组合的几何形状由椭圆、圆、近圆角矩形组成(如图 3b 所示),来分别近似青藏高原、四川盆地和横断山脉(图 3a),图 3b 所示区域的中心点位于(30N,100E),靠近青藏高原和四川盆地的交界处。参考中国地形图数据,青藏高原和四川盆地的中心点位置设置为以上中心点位置相对距离(750km,400km)和(500km,50km)处。其几何图形根据曲线方程(1)至(4)绘制(WangandTan,2006,2014)。方程(1)为青藏高原地形设置方程:hq(x,y)=(HqH0)|1tanh|2(x2Rqx+y2Rqy)5|+H0,(1)其中,hq指构建的青藏高原地形,青藏
21、高原整体形状参数表示为长半轴为 Rqx=1450km,短半轴为Rqy=725km 的椭圆形,H0=1000m,为陆面参考高度,该设置是因为除了四川盆地以外,西南涡基本在 1000m 以上发展;Hq=5000m,为青藏高原平均海拔高度。方程(2)为横断山脉地形设置方程:hh(x,y)=(HhH0)|1cos(2RhxLhxRhx)4|cos(2LhyRhy)2+H0,(2)其中,hh指构建的横断山脉地形,横断山脉呈近圆角矩形,圆角矩形的宽度为 Rhx=500km,纵长为 Rhy=800km,从青藏高原和横断山脉的交界点东南向伸展 25,Hh=5000m 为横断山脉的最高海拔。对于模拟域中任一点(
22、x,y),Lhx是该点到横断山脉中央脊线的最短距离,而 Lhy为该点到正交横断山脉中央脊线的线段的最小距离,注意这里的正交线特指过区域中心点(30N,100E)的那条线段。方程(3)为四川盆地地形设置方程:hs(x,y)=(HsH0)|1tanh|2(x2+y2Rs)3|+H0,(3)其中,hs指构建的四川盆地地形,Hs=500m 为四川盆地的基底高度。方程(1)和(3)中的 x、y分别代表的是模拟域中的一点到青藏高原和四川盆地中心点的 x 轴、y 轴方向上的距离。方程(4)构造出我国西南部的主要大地形,为联合三大地形的联立方程:hqhs(x,y)=max(hq,hh)121+sin(2LsR
23、s0.3Rs)+hs1121+sin(2LsRs0.3Rs),(4)其中,Ls是模拟区域中任一点(x,y)到四川盆地中心点的距离;首先将青藏高原和横断山脉联合,大气科学47卷36ChineseJournalofAtmosphericSciencesVol.47图12019 年 8 月 5 日(a1、a2)00:00、(b1、b2)06:00、(c1、c2)12:00、(d1、d2)18:00 和(e1、e2)6 日 00:00(协调世界时,下同)观测(左列)和模拟(右列)的 6 小时累积降水量(彩色阴影,单位:mm)。灰色阴影表示地形高度,单位:mFig.1Observed(leftcolum
24、n)andsimulated(rightcolumn)6haccumulativeprecipitation(colorshaded,units:mm)at(a)0000UTC,(b)0600UTC,(c)1200UTC,(d)1800UTC5,and(e)0000UTC6August2019.Thegraylinerepresentsterrainheight(units:m)1期李祥等:中国西南部一次东移型暴雨中涡旋发展的多尺度地形影响研究No.1LIXiangetal.InfluenceofMulti-scaleTopographicFactorsonVortexDevelopmentd
25、uringan.37地形高度设置为二者的最大值 max(hq,hh),然后在比邻四川盆地附近0.3Rs的地形重叠区域,设置地形高度渐变,避免过渡带地形突变引起的模拟结果不确定性和模式积分不稳定。根据方程(4),将青藏高原、横断山脉和四川盆地联合起来,构造出我国西南部的主要大地形,此理想地形能较好抓取我国西南地区的主体地形特征;另外通过将地形坡度系数从0.3Rs调整到0.8Rs、2.0Rs、4.0Rs、6.0Rs,可灵活设置地形陡峭或缓坡,其垂直剖面如图 3f 所示。所有试验使用相同的初边界条件,模拟时间为 2019 年 8 月 5 日 00:00 至 6 日 18:00,积分持续42 小时。C
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 中国 西南部 一次 东移型 暴雨 发展 尺度 地形 影响 研究 李祥
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。