天山陡峭地形影响下的锋生动力特征及锋面空间结构观测与模拟研究

So far, the dynamic impacts of topography on the front have been mainly numerically simulated by the two-layer frontal model and the two-dimension ideal atmosphere model with single physical process and artificial terrain but lack of the research aiming to influence of the true complex topography on the practical weather. Moreover, the study about the front mainly focuses on the Yangze river and Huai river. The Tianshan Mountain is high and steep so as to lead to intensive perturbation at the upper level and dam low air flow, which causes the formation of Tianshan quasi-stationary front. The widely different air masses in term of humidity and temperature distribute on both sides of the mountain. Few researches have been performed on the process characteristics of frontogenesis dynamics and frontal spatial structure. This project will make use of the high-density automatic weather stations in mountainous region for horizontal observation, weather radar for monitoring cloud systems and wind field, and A-Train satellites retrievals to attain the cloud water distribution of the front. The observation still will combine with the GPS observational net, two microwave radiometers and two wind profiler radars at east end and west one of the Middle Tianshan Mountain for vertical profilers of wind, temperature and humidity. Based on the numerical simulation with WRF (version 3.3.1) at vertical resolution of 51 layers and at horizontal resolution of 1 km, the illustration will focus on frontogenesis dynamic impacts of the actual, high and steep topography; The structure features and movement rule will be examined based on vertical inclination and horizontal region of the Tianshan quasi-stationary, which can enrich the connotation of frontal topography dynamics; Through exploring the key physical progress and sensitive factors, the forecasting ability for cold front and weather related to the cold wave will be promoted.

目前，锋面地形动力学影响，主要利用二层锋面模式和二维理想大气模型，采用单一物理过程和人造地形进行模拟研究，利用真实复杂地形结合实际天气研究尚少。我国锋面研究主要集中于江淮及华南。天山高峻陡峭，两侧干湿冷热迥异,对高空流场强烈扰动，对低层冷空气坝状阻拦，形成天山准静止锋，其锋生动力过程的特点是什么？锋面的空间结构特征为何？至今研究很少。本项目利用加密自动气象站进行水平观测；天气雷达进行云系和风场观测；A-Train卫星反演层析锋面云水分布；GPS网、两台微波辐射仪和风廓线仪在天山东西两端观测垂直风、温和湿廓线；利用WRFv3.3.1模式垂直51层1km格距进行细致数值模拟。阐明天山真实高大陡峭地形对锋生的动力学影响，揭示天山准静止锋水平宽度和垂直倾角等结构特征和移动规律，丰富锋面地形动力学内涵；探寻中尺度模式锋面模拟预报的关键物理过程和敏感因子，提高模式对寒潮冷锋及伴随天气模拟预报水平。

目前，锋面地形动力学影响，主要利用二层锋面模式和二维理想大气模型，采用单一物理过程和人造地形进行模拟研究，利用真实复杂地形结合实际天气研究尚少。我国锋面研究主要集中于江淮及华南。天山高峻陡峭，两侧干湿冷热迥异,对高空流场强烈扰动，对低层冷空气坝状阻拦，形成天山准静止锋，其锋生动力过程的特点是什么？锋面的空间结构特征为何？至今研究很少。针对上述问题，本项目按照项目计划任务书，沿两条路线进行十字交叉穿越天山,开展研究关键区的实地调查，勘察研究靶区的地形地貌，地表类型和植被分布；普查了2000年-2016年天山准静止锋67个天气个例，建立了档案库。利用天山北坡乌鲁木齐站的微波辐射计对典型天山准静止锋天气进行了垂直剖面观测，发现当锋面维持时，冷暖和干湿界面显著。利用ncep-fnl资料进行诊断分析; 利用WRF3.8.1模式，垂直50层，格距3×3km对典型的锋面天气过程进行模拟，并进行了地形敏感试验。设计了3 种地形高度模拟试验方案：⑴ 控制试验（Ctl），保持模式原有的地形特征；⑵地形减半试验（SM1），把模式第三重网格区域的地形高度减小至原来的50%；⑶地形增加25%试验（SM2），把地形高度增加至原来的125%。分析了天山真实高大陡峭地形对锋生的动力学影响。给出了天山准静止锋在天山的等位温线剖面，给出了温度梯度等压面图和垂直剖面，发现当锋面移动到天山山脉，受大地形影响，地形冷锋变强变窄，后倾角增大，当到达天山形成准静止锋，锋面几乎与地面垂直。准静止锋可维持18小时。分析了锋生函数在等压面水平方向和垂直剖面的演变特征，发现随着锋面接近天山，南北坡温差加大使得位温的梯度增大，产生锋生。在垂直剖面上，天山山区的山体上空的大气层均为窄而且陡峭的锋生区，高度到达400hPa高度。这些分析结果已经在当地天气预报分析中得到应用。撰写了6篇论文，已经发表3篇，国内核心期刊论文2篇，唯一资助SCI《Journal of Geophysical Research: Atmospheres》论文1篇；第一资助投向《Monthly Weather Review》1篇，已经完成第四次修改，预计2018年3月可以见刊。另外完成的的两篇论文正在投稿。观测数据资料和开发的软件在内部网络共享。