基于数值模拟的新乡2016暴雨的发生发展机制与敏感性实验

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2016年7月8日至9日,河南新乡地区遭受了百年一遇的暴雨袭击,业务预报模式预报出了此次暴雨的发生,但是对于最大降水却有明显的低估。为了再现此次暴雨,我们使用南京大学WeatherResearchandForecasting(WRF-NJU)模式对其进行了模拟。结果显示WRF-NJU模式不仅仅对于降水的分布、降水的时间序列模拟的很好,对于最大降水量和雷达回波也有很好的再现。为了能更系统地了解此次过程,并根据模拟结果,此次过程被分为三个阶段,分别为触发与发展阶段、成熟与维持阶段、以及消散阶段。在触发与发展阶段,受太行山脉阻挡产生的东北风与台风外围东南风辐合,触发对流单体。单体生成后,受700hPa引导气流作用,上山加强。降水形成的冷空气堆受地形阻挡,逐渐在山前堆积形成冷池,老的单体消亡,而新的单体在冷池边缘触发,这一阶段引发降水的主要机制为列车效应。在维持与成熟阶段,新生单体增强后沿着太行山山脉向东北方向移动,与西北方向移入的中尺度对流系统(MCS)合并形成了新的MCS。此MCS是此次过程的主要降水系统,偏南风入流将其限制在不可翻越的阻碍之前从而使之在新乡附近维持了较长时间。台风与高压之间气体性质差异形成的大尺度水平相当位温梯度为MCS维持提供了东侧阻挡条件,此阶段两个大尺度系统强度相当,水平相当位温位置少动,无法强迫MCS移动,为MCS维持提供了大尺度条件。同时太行山脉提供了西侧阻挡条件。而边界层惯性振荡产生的夜间边界层低空急流加强了由850hPa偏南风和低层台风外围气流组成的入流,使得入流与对流出流的量值相当,有利于维持降水。地形与入流为MCS维持提供了中尺度条件。多尺度的相互作用共同导致了此次暴雨较长的维持时间。消散阶段,由于高压的加强与台风登陆减弱,高压主导的空气南压导致水平相当位温与MCS开始南移,同时由于惯性振荡导致扰动风风向与入流方向相反、夜间低空急流消失,台风入流减弱使得低层入流风速明显减弱,系统减弱并移出新乡地区。通过此次研究发现,对于华北暴雨,台风与高压的相互作用不仅仅表现在动力上可以加强偏东风,两者直接输送气体的性质差异也会影响到暴雨的产生;而夜间低空急流不仅仅可以输送水汽与加强上升运动,其还可以加强低层入流使之与对流出流相平衡从而引发较长的持续时间。除长持续时间以外,高的降水效率,充足的台风水汽供给,少动的大尺度上升运动共同引发了此次新乡暴雨。而通过地形与惯性振荡的敏感性实验进一步证实了之前的结论。惯性振荡的敏感性实验证明了低空急流对于水汽输送和垂直运动的重要性,其影响降水率主要是通过这两个方面而非降水效率,而它对于持续时间的影响也被证实。地形敏感性实验说明,地形除了可以引起山前水汽的堆积和提供迎风坡抬升条件外,在某些条件下,还可以加强水汽的输送。
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