地形暴雨中惯性重力波特征及其对暴雨影响机理的研究

Under the background of severe orographic precipitation in Southwest China, from the perspective of inertia-gravity waves, this project aims to explore the influence mechanism of inertia-gravity waves on the occurrence and development of heavy orographic rainstorm and analyze the generation and propagation characteristics of inertia-gravity waves. Firstly, combined with a variety of spectral analysis methods, a set of applicable methods for quantitatively identifying the temporal and spatial characteristics of the three-dimensional inertia-gravity waves are established, so as to better understanding of the inertia-gravity waves in the topographic rainstorm. Secondly, the three-dimensional wave activity flux (3D EP flux) suitable for non-geostrophic and non-hydrostatic equilibrium of rainstorm system is derived, which applied to studying the effect mechanism of waves energy propagation and dispersion on the evolution of the severe precipitation and the feedback mechanism on environment in rainstorm system，so as to exploring the influence mechanism of the inertia-gravity waves on the evolution of heavy topographic rainstorm.

针对我国西南地区复杂地形下的典型暴雨过程，从惯性重力波的角度出发，重点研究地形暴雨过程中惯性重力波的产生、传播特征及其对地形暴雨发生发展的影响机理，期望为提高我国地形暴雨的预报能力提供一定的理论基础。首先，利用二维傅里叶变换、交叉谱和小波交叉谱方法，发展定量识别地形暴雨过程中三维惯性重力波的方法，系统地研究地形暴雨过程中惯性重力波的波动特征及其发生发展过程，加深对地形暴雨中惯性重力波的认识和理解；其次，在非地转平衡和非静力平衡的动力框架下，推导暴雨系统中适用于惯性重力波的三维EP通量理论，研究惯性重力波对环境场的反馈作用以及波动的能量传播和频散过程对地形暴雨的影响，探究惯性重力波对地形暴雨发展演变的影响机理。

针对我国西南地区复杂地形下的典型暴雨过程，从惯性重力波的角度出发，重点研究地形暴雨过程中惯性重力波的产生、传播特征以及惯性重力波对地形暴雨发生发展的影响机理，以期为加强地形暴雨的预报提供一定的理论依据。首先，基于WRF高分辨率数值模拟结果，结合二维傅里叶变化、交叉谱和小波交叉谱方法，发展了定量地识别暴雨系统中关键尺度惯性重力波的方法。利用该方法定量地分析了四川地区一次地形暴雨过程中惯性重力波的波动和传播特征。分析发现，此次四川地区暴雨过程中在高空10-14km位置处存在波速15-20m/s向东传播的波动，波动的波长约为40km-50km，周期约为100min。同时发现，该关键尺度波动对降水的增幅有着重要的作用。进一步，结合小波分析方法和WRF高分辨率数值模拟，开展地形敏感性试验，研究了不同尺度地形下波动的产生、传播及其对降水过程的影响。研究发现小尺度地形是激发重力波的重要条件。其次，推导出适用于中小尺度惯性重力波的三维变形欧拉方程和三维EP通量表达式，并结合实际暴雨个例进行诊断分析，研究了惯性重力波的扰动动量大值区分布及其传播特征，分析惯性重力波对地形暴雨的触发、增强和降水落区等的影响机理；另一方面，利用三维EP 通量散度项研究惯性重力波对环境场的反馈作用，详细分析了惯性重力波通过动热量的扰动输送，对大气的层结稳定度、环境风切变等环境要素的影响。分析结果发现，EP通量散度有利于促进和维持高空急流的发展，同时增强高空急流上下两侧的垂直风切，从而促进暴雨发展。另外，高空急流的发展反过来也能够促进波动的发展和增强。这种相互促进的正反馈作用对降水的发生发展起到了关键作用。通过以上一系列研究，本项目加深了地形暴雨过程中惯性重力波的认识，并一定程度上揭示了关键尺度波动对暴雨发生发展的影响机理，完成预期的研究目标。