上海城市热岛和海陆风相互作用对热对流影响的机制研究

Thermal convective precipitation under the subtropical high in summertime usually relates to the interactions of sea breeze and urban heat island circulations which caused by coastal location and comprehensive land cover characteristics of Shanghai Megacity. Then, it is very important to understand the interactions of urban local circulations and their impacts on the origin and development of TCP, and to forecast the severe convective weather. The investigation discusses the interactions of urban heat island and sea breeze circulation over Shanghai, as well as the development of summer thermal convection. It includes three items as follow: 1) An analysis about synoptic scale background field in the generation of thermal convection. 2) Evolution process of sea breeze and urban heat island circulation, and the trigger mechanism of their interactions on thermal convective. 3) Impacts of sea breeze and urban heat island circulations on development and decline mechanisms of thermal convection and precipitation distribution. The expecting results as follow: 1) a WRF-UCM model, Weather Research and Forecasting model coupling urban canopy model, which could simulate sea breeze and urban heat island circulation, 2) a set of physical parameters that are able to give consults about the initiation, development, movement, and decline of thermal convections efficiently, and 3) Understanding the effect of urban heat island and sea breeze circulations on development and decline mechanisms of thermal convection and precipitation distribution, then providing useful scientific support for thermal convective precipitation forecast.

上海滨江临海的地理位置和超大城市复杂的下垫面特征导致其独特的海陆风和城市热岛环流，而夏季副高控制下由热对流引发的局地阵性强降水(TCP)往往与海陆风和城市热岛环流相互作用有关，因而探讨城市局地环流对TCP云团发生发展的作用及物理机制，对于改进强对流天气预报具有重要意义。本项目以海陆风与热岛环流的相互作用与热对流的发生发展为研究对象，采用中小尺度诊断分析、数值模拟等方法，拟开展三方面研究：1)热对流产生的大尺度背景条件分析，2) 海陆风和热岛环流演变及其相互作用与热对流的触发机制，3) 海陆风和热岛环流对热对流云团发生、发展、移动及降水落区分布的影响。预期：开发一个可模拟海陆风和热岛环流、和中尺度WRF模式相耦合的城市冠层模式；建立一套可有效表征热对流触发、发展和消退的物理参量组合及阈值；掌握海陆风和热岛环流相互作用影响热对流云团发展、移动及降水落区分布的物理机制，为TCP预报提供有效支撑。

上海夏季副高控制下的热对流降水(TCP)往往与海陆风和城市热岛环流相互作用有关。本课题利用高时空分辨率的加密自动站、边界层探测资料和耦合了城市冠层模式的中尺度模式，采用诊断分析和数值模拟等方法探讨了城市热岛、海陆风与热对流触发及其发生发展的作用。主要结果如下：(1)遴选出2011-2015年夏季午后25例典型热对流过程，副高边缘型和副高中心型是极易产生热对流的两种天气型。热对流日对流有效位能较大，午后低层水汽改善，大气层结趋于更不稳定状态。（2）基于雷达反射率因子识别海风锋，根据登陆地点将海风锋分为北支、南支和双支海风锋3类。环境风向决定海风锋类型及其可能的热对流落区。由于北支和双支海风锋热力条件好与南支海风锋，其触发热对流的成功率也高。（3）建立了热岛和海风锋相互作用触发热对流概念模型，其直接机制为“冷垫抬升”，海陆锋迫使环境暖气团易突破自由对流高度；海风锋登陆加剧了层结不稳定性；海风锋与热岛环流互相作用导致近地面锋生效应和上升气流维持热对流初期的发展。（4）开发了基于精细城乡地表覆盖的城市能量平衡的简化模型诊断上海地区地表热岛和边界层热岛。引入上海市域粗糙度和近地面层风速分层插值方法，优化了三维质量守恒风场调整模式反演边界层三维风场。基于融合多元资料的LAPS系统诊断热岛、海风锋、风场辐合区以及其他与热对流有关的物理量。（5）将城市陆面过程和单层城市冠层模式耦合到中尺度模式，进行边界层参数本地化和人为热优化、地面覆盖类型的细化，明显改进城市地表通量、城市热岛分布和海陆风模拟能力。（6）开发了用天气雷达和葵花-8号卫星云图识别热对流生命期阶段的方法。（7）基于融合多元资料分析场，确立了可表征热对流发生、发展、移动和落区的物理参量组合和阈值。经2016年的10次热对流过程检验,效果为风场散度≥Q矢量散度＞螺旋度，热对流初生位置平均距离误差为8.7公里，平均提前量为102 分钟。