致洪暴雨过程中准平衡中尺度涡旋持续性发展的机理研究

The recent observational and simulated researches indicate that the flash-flooding rainstorms, composed of continuous heavy rain or recurring strong precipitation, have close relationship with the genesis and persistent intensification of mesoscale vortexes. So giving preciser description to the structure of these mesoscale vortexes and exploring their occurrence and development dynamic mechanisms are important to reveal the physical essence of flash-flooding rainstorms.. This proposal is designed to advance the physical mechanisms for understanding the persistent development of quasi-balanced mesoscale vortex(QBMV) in flash-flooding rainstorms through the method of synoptic statistics, dynamic analysis and numerical experiments. Key results from this work will include:①obtaining the spatial and temporal statistic distribution features of these QBMVs within the main precipitation area in China and the environmental conditions for their formation and maintenance; ②clarification the physical process which describe the genesis, development and organization of deep moist convections(DMCs) in the QBMV by investigating the dynamic and thermal factors for triggering and strengthening the DMCs and analyzing the effects of different scale perturbations to the configuration of instability, moisture concentration and lifting; ③ establishing de concept model of persistent development of QBMV under the interaction of convections and vortex by better understanding to the redistribution of moisture, momentum and heat affected with external forces and internal factors in quasi-balanced dynamic model.

观测和模拟研究表明，区域持续性暴雨或由多场强降水导致的致洪暴雨常常与中尺度涡旋的生成和强烈发展有关。因此，准确描述中尺度涡旋系统的结构特征和演变规律，研究其发生发展的动力学机理是揭示致洪暴雨过程物理本质的主要科学问题。本项目将天气学分析、动力学诊断与数值模拟相结合，探索与致洪暴雨过程相联系的准平衡中尺度涡旋持续性发展的物理机制，即在分析我国主要降水区内这类中尺度涡旋系统的时空分布特征及其形成和持续性发展的环境场条件的基础上；基于成份法，分析致洪暴雨过程中不同尺度扰动对涡旋系统内不稳定条件、水汽汇集和抬升机制配置的影响，揭示涡旋系统内部深厚湿对流发生发展并组织化的物理图像；重点研究准平衡动力学模型下，深厚湿对流组织化过程中，水汽、动量和热量再分配的物理过程；探索外源强迫和系统内部物理过程影响下对流和涡旋的相互作用，建立准平衡中尺度涡旋系统持续发展的概念模型。

观测和模拟研究表明，以登陆热带气旋和中尺度低涡为代表的典型中尺度涡旋系统是造成局地暴雨的主要天气系统之一。因此，探索涡旋系统内深对流发生发展并组织化的动力学过程及其与中尺度涡旋之间相互作用的物理机制，研究伴随有深厚湿对流的中尺度涡旋持续性发展的机理，对揭示致洪暴雨过程物理本质具有重要意义。.项目组通过理论建模和动力研究、长时间样本统计分析、个例数值模拟和诊断分析等方法，丰富了准平衡动力学模型下中尺度涡旋持续性发展的动力学理论，梳理了影响这类中尺度涡旋系统持续性发展的物理条件，完善了外部强迫和内部因子影响下涡旋系统内部深厚湿对流发生发展并组织化的概念模型。具体内容包括：.①从波动、不稳定以及运动学基本概念出发对涡旋性系统持续性发展的物理机制进行动力理论研究，提出的混合涡旋Rossby-重力波和混合不稳定机理，以及基于急动度的大气运动稳定性理论，为深入理解涡旋性系统结构和强度变化的物理过程提供新的理论模型。②基于长时间历史资料对涡旋性系统快速增强的环境场进行统计，得到对涡旋性系统强度变化快速加强起关键作用的物理因子，并分析系统沿不同路径移动时关键因子的作用大小，为涡旋系统持续性发展机理研究和预报技术研究提供统计依据。③ 选择典型个例进行高分辨率数值模拟，在对这类中尺度涡旋系统结构进行精细化描述的基础上，为诊断分析系统演变的外部强迫影响和内部物理机制提供数据支撑。④利用观测和模式大气资料诊断分析诊断涡旋系统内深厚湿对流激发和发展的动力和热力因子，探索得到环境风切、水汽条件等外源强迫和涡旋系统内部动力过程对深厚湿对流组织化的影响，分析深厚湿对流组织化过程中，水汽、动量和热量的再分配对涡旋系统的反馈，揭示了引发中尺度涡旋持续性发展的动力学过程。