长白山复杂地形下重力波特征及其对暴雨的影响机理研究

Although the topographic forcing has an important effect on the atmospheric flow and the formation and development of precipitation in Changbai Mountain region, the quantitative studies of the relationship among actual terrain, atmospheric flow and precipitation are deficient, and people are not enough for the knowledge of the effect of complex terrain on precipitation systems of different scales and a possible cause of the high incidence of local rainstorms in summer season. In view of this, it is of great scientific significance and application value to improve the forecast of intensity and area of heavy rain via the study of the influence mechanism of complex terrain on the occurrence and development of heavy rain in Changbai Mountain region. The two-dimensional discrete cosine transform is used to decompose terrain height fields in this project, and four study areas are selected to study spectral characteristics of terrain, based on the summer rainfall distribution in Changbai Mountain region. Also, a possible cause of the high incidence of local heavy rain and the specific response relationship among the topographic forcing, atmospheric flow and precipitation are investigated, through the presentation of terrain, atmospheric flow and precipitation along the direction of monthly prevailing winds in summer in spectrum space. Besides, a typical torrential rain event occurred in the area with strong topographic disturbance, selected by the spectral decomposition, is simulated with high resolution. Combined with a variety of spectral analysis methods, the temporal and spatial characteristics of the key-dimension disturbance of gravity waves are quantitatively identified, according to the theory of gravitational wave polarization. It is studied on the fluctuation characteristics of the gravity waves and its influence mechanism on the evolution of heavy topographic rainstorm.

长白山复杂地形对大气流场及降水发生发展具有重要作用，目前我国缺乏对该地区实际地形、流场及降水之间具体响应关系的定量研究，复杂地形对夏季不同尺度降水系统的影响以及局地暴雨高发的可能原因尚缺乏足够的认识，故开展长白山复杂地形对暴雨的具体影响机理研究，对提高和改善地形暴雨落区和强度预报水平具有重要的科学意义和应用价值。本项目引入二维离散余弦变换方法，对长白山地形高度场进行谱分解，根据夏季降水分布特征分区讨论长白山地形特征。将地形、流场及降水沿夏季逐月盛行风方向进行频谱分析，以研究长白山地形动力强迫与风场和降水场在谱空间的具体响应关系以及局地暴雨高发的可能原因。此外，根据谱分解得到的地形扰动显著区域，挑选典型暴雨个例进行高分辨率数值模拟并结合二维傅里叶变换、小波变换和交叉谱等多种谱分析方法，根据重力波极化理论，定量识别提取关键尺度重力波，研究地形暴雨中重力波的波动特征及其对暴雨发生发展的影响机制。

长白山复杂地形对大气流场及降水发生发展具有重要作用，目前我国缺乏对该地区实际地形、流场及降水之间具体响应关系的定量研究，并且缺乏从重力波角度分析地形暴雨中重力波特征及其对暴雨发生发展的影响研究。本项目引入二维离散余弦变换方法研究长白山地形动力强迫与风场和降水场在谱空间的具体响应关系，并利用WRF模式研究地形暴雨中重力波特征及其对暴雨发生发展的影响。研究表明，长白山地区的整体地形复杂，各向差异特征明显。三个降水大值中心中，区域A内夏季降水的分布受地形和非地形因素共同作用；区域B在小于278.3 km的波长带上，地形谱、降水谱及风场谱的波动具有较好一致性，说明该区域较小尺度地形对大气抬升及夏季降水的发生发展起重要作用；对于区域C，地形谱、降水谱及风场谱的波动在全波长带上都很一致，说明大、小尺度地形对风场的抬升及降水的发生发展起关键作用。利用WRF模式输出资料研究典型暴雨个例，发现对流层中低层存在明显的重力波波动特征，该波动随气流向东传播，与强降水落区对应较好。利用小波交叉谱分析方法得到关键尺度重力波的波参数特征及其波动位置和时间。此外，该重力波与强对流之间相互促进相互影响，促进了波动和降水的共同发展。利用逆余弦变换，对垂直速度进行滤波，重构了此次降水过程中的重力波，可以清晰看到波动的产生和传播的位置，以及与降水的密切联系。开展地形敏感性试验，研究地形高度对重力波的产生、发展和传播过程的影响：地形高度增加后，波动时间提前，波动位置偏西，这主要是因为增加的地形增强了该地区的风场扰动；随着地形的下降，地形抬升作用逐渐减弱，重力波的产生与地形的相关性减弱，随着降水区北抬，42°N方向上的波动特征不明显。本研究结果能加深人们对长白山局地地形扰动特征的认识，提高对地形暴雨形成机理的认识和理解，同时也有助于提高该地区地形降水业务预报能力以及防灾减灾能力，具有重要的科学研究以及实际应用价值。