城市化对珠江三角洲强雷暴天气的可能影响

通过对2004年8月11日午后发生在珠江三角洲地区的一次强雷暴天气的高分辨数值模拟，研究了城市化发展可能对雷暴活动的影响问题，主要考察了与城市土地利用类型改变相关的“城市热岛”的形成和演变特征，城区粗糙度增大可能引起的低层辐合的增强过程，及其与雷暴发展强度变化的关系。结果表明:模拟的雷暴发展和演变过程与这一地区城市化的发展有密切的联系。引进了更加真实的关于珠江三角洲地区的土地利用类型资料之后，耦合了陆面模式Noah LSM的MM5模式可以更加成功地模拟出强雷暴天气的发展和演变过程。雷暴系统移经主要城市区后在珠江口西岸的增强过程与这一地区“城市热岛”的效应有关。中午时热岛开始形成于广州城区的上空，之后向南移动，范围扩大。另外，城区粗糙度增大引起的低层辐合增强可能在雷暴发展和演变过程中也起到了作用。模拟的与城市影响有关的低层辐合主要位于500 m以下的近地面层，开始时形成于城市的上风方向，并在下风方向增强， 由此引起的强烈上升运动有利于新的对流的启动和发展，促使雷暴强度增强。     

一次飑线过程及其受下垫面影响的数值模拟

利用WRFV3. 8模式对2016年7月25日发生在渤海海域的一次海上发展、移速较慢、生命史长的飑线过程进行了数值模拟,通过填海敏感性试验探讨了渤海水面对飑线形成过程的影响。结果表明:(1) WRF模式合理地模拟出了飑线的形成过程,系统入海前,海上吹来的偏东风是形成对流的关键因素,而在海上增强阶段,偏北风与西南风在海上交汇形成强辐合带,飑线重新组织发展,冷空气触发层结不稳定能量释放为对流提供能量,西南低空急流的脉动促进了对流的发展,较强的低层和深层垂直风切变为系统的增强和线状组织创造了有利条件;(2)光滑的渤海水面对入海的近地面风有增强作用,入海后西南风增强,与南下偏北风辐合增强,使对流更加活跃,但也阻碍了辐合带南移,使飑线南下趋缓;(3)白天渤海水面感、潜热交换较陆地下垫面小,湍流活动弱,而夜间渤海水面潜热通量高于陆地,但边界层高度较低,不利于低层垂直风切变的增强,阻碍了飑线的发展。     

2013年9月13日上海地区雷暴天气过程分析

利用卫星云图、多普勒天气雷达资料、常规地面和高空观测资料,对2013年9月13日上海全年最强雷暴天气过程进行了天气学诊断分析,简要讨论了不同尺度天气系统的发展演变以及作用。研究结果表明:(1)此次强对流天气是在变形场环流背景下发生的,较强的不稳定层结、低层充沛的水汽和高低空急流相互作用所形成的较强的大尺度辐合抬升,为其提供了有利的环境条件。(2)在此基础上,边界层辐合区触发大气释放不稳定能量,引发对流单体的初生。(3)该过程包含三个阶段的中γ或β尺度对流系统的发生、发展、移动和合并过程,雷暴云团在大气边界层辐合线中被触发,沿辐合线后向传播发展,加强边界层辐合线初生的监控对强雷暴发生的预警以及传播方向预报有着重要意义。     

青藏高原东侧一次β中尺度对流系统的数值模拟

利用PSU/NCAR的高分辨率中尺度非静力数值模式MM5,模拟了2001年9月18日发生在青藏高原东侧的绵阳大暴雨过程.结果表明,高分辨率数值模式对触发本次降水过程的β中尺度对流系统具有较好的模拟能力.高分辨率模拟输出显示"9.18"绵阳大暴雨与边界层内一个中尺度辐合扰动的发展和移动相伴,且中尺度辐合扰动还诱发了一个时间尺度约为6 h的β中尺度涡旋和强烈发展的降水雨团.模拟还显示受高原地形影响,该β中尺度对流系统具有独特的动力和热力结构.其动力特征是强上升运动和超强散度柱与对流层低层强涡度互耦发展,热力特征是对流层低层具有对流不稳定能量,中层具有斜压不稳定能量.中尺度对流系统具有两支上升入流和两支下沉出流,低层入流(东南气流)触发低层对流不稳定能量释放,中层入流(高原近地层偏西暖湿气流)触发中层大气斜压不稳定能量释放,两种不稳定能量共同作用促使对流雨团强烈发展,形成绵阳大暴雨.     

青藏高原东侧一次β中尺度对流系统的数值模拟

利用PSU／NCAR的高分辨率中尺度非静力数值模式MM5，模拟了2001年9月18日发生在青藏高原东侧的绵阳大暴雨过程。结果表明，高分辨率数值模式对触发本次降水过程的β中尺度对流系统具有较好的模拟能力。高分辨率模拟输出显示“9．18”绵阳大暴雨与边界层内一个中尺度辐合扰动的发展和移动相伴，且中尺度辐合扰动还诱发了一个时间尺度约为6h的β中尺度涡旋和强烈发展的降水雨团。模拟还显示受高原地形影响，该β中尺度对流系统具有独特的动力和热力结构。其动力特征是强上升运动和超强散度柱与对流层低层强涡度互耦发展，热力特征是对流层低层具有对流不稳定能量，中层具有斜压不稳定能量。中尺度对流系统具有两支上升人流和两支下沉出流，低层人流(东南气流)触发低层对流不稳定能量释放，中层人流(高原近地层偏西暖湿气流)触发中层大气斜压不稳定能量释放，两种不稳定能量共同作用促使对流雨团强烈发展，形成绵阳大暴雨。     

一次东北冷涡MCS边界层特征数值模拟分析

边界层是中尺度对流系统(MCS)动力和水汽的主要来源.针对东北冷涡中MCS的边界层特征及边界层对MCS的触发和维持机理,应用MM5模式耦合Noar陆面模式对2004年7月5日发生在辽宁中西部的强对流过程进行了数值模拟.重点分析了MCS不同发展阶段边界层三维气流结构、边界层冷丘、边界层层结结构及其在MCS触发和维持中的影响.结果表明,本次MCS在边界层有3股明显的气流汇合于雷暴区,1股是来源于东北部长白山稳定气团的东北气流,1股是西北部的西北下沉气流,1股是西南气流,浅薄的东北部底层冷空气有利于西南气流的上升,形成对流.MCS初期边界层低层的辐合强于边界层高层辐合,边界层气流旋转作用较弱,边界层辐合线是对流触发的重要因素之一.MCS边界层卜层的中尺度辐合涡旋主要由环境场辐合,边界层摩擦抽吸形成,是对流重要的能量、水汽输送系统,它伴随着强对流的发展而出现,同时对对流的维持、发展有重要的反馈作用,是边界层与自由大气进行交换的重要系统,是对流系统维持的人流的主要入口.MCS边界层冷丘内部为潜在稳定层结,特别在近地面层形成了非常稳定的层结,其温湿层结及气流结构改变了边界层人流.     

陆面过程参数化对太湖地区雷暴过程模拟的影响

以2010年8月发生在太湖地区的一次雷暴过程为例,利用WRF模式进行48 h的短期天气模拟,分析两个陆面参数化方案(Noah方案和RUC方案)对雷暴过程模拟的影响。对比模式结果与实况降水以及太湖地区两个站点的近地面要素表明:雷暴过程对陆面参数化方案的选取较为敏感,不同陆面参数化方案可影响雷暴发生的时间、地点及强度,两种方案的降水中心值差达40 mm以上,其中Noah方案所模拟的降水与实况更为接近。通过对两个方案模拟的物理量场的对比分析发现,RUC方案中对流发展滞后于Noah方案2 h;这表明陆面过程对雷暴等中尺度对流过程有显著的反馈作用,不同陆面参数化方案的使用影响雷暴发生的动力和热力作用,并改变雷暴的时空分布特征。陆面过程通过改变地面热通量输送影响边界层结构,使得水平和垂直方向上的风和温度等发生变化并产生辐合辐散,进而影响对流的启动时间和对流发展强度。由于对不同植被的参数化处理的差异,Noah方案对下垫面特征的描述能力优于RUC方案,尤其是对城市下垫面的处理,这也使得之后该方案模拟的雷暴发生时间更加接近于实况且雷暴过程更加强烈。     

宁波地区海-陆下垫面差异对雷暴过程影响的数值模拟

利用耦合Noah陆面过程的WRF模式对2009年6月5日傍晚发生在宁波地区的一次雷暴过程进行数值模拟,通过改变下垫面覆盖类型的敏感性试验,探讨了海洋和陆地下垫面对雷暴过程的影响。结果表明,WRF模式能够较合理地模拟出雷暴的发生、发展过程。雷暴发生前期,由于海-陆强烈的热力差异,海风特征明显,海风引起的抬升运动触发了雷暴,海风形成的强辐合区对应雷暴过程累积降水量的大值区。当研究区域全部被替换成陆地后,地表的粗糙度增大,在研究区域东部由于摩擦辐合加强,产生了强烈的上升运动,多个发展旺盛的对流单体在上升运动区生成,使雷暴产生的降水区域东扩、降水量增大、雷暴维持时间延长。当研究区域所有陆地被替换成水体后,白天地表通量减小,大气边界层中湍流运动减弱,边界层高度降低,大气层结变得稳定,不利于对流发展。     

伊犁地区一次罕见特大暴雨中尺度系统的数值模拟

利用自动气象站观测资料、FY-2G卫星TBB资料和NCEP/NCAR再分析资料,针对2016年6月16—17日伊犁地区的一次罕见强降水过程,在天气形势和中尺度系统分析基础上,借助WRF模式高分辨率模拟资料对强降水的形成过程进行细致分析。结果表明:中亚低槽、高空偏西急流、低空切变线和辐合线是此次强降水过程的主要天气系统。多个中尺度云团受伊犁北部天山地形抬升作用,长时间维持在沿天山地区,并持续产生强降水。模拟结果显示,不断移至北部沿天山地区的中尺度对流单体是造成此次伊犁地区强降水的直接中尺度系统,其发生发展与低空急流、低层风场辐合和地形有密切关系。低空急流增强引起动力辐合增强,触发不稳定能量释放,加之地形抬升,使得垂直运动维持并快速发展,并在有利的水汽条件配合下引发低层辐合线附近对流系统加强,导致伊犁北部沿天山地区出现强降水。     

2003年8月“巴蜀夜雨”过程的模拟和分析研究

结合中尺度数值预报模式AREM的数值试验和观测资料分析,对2003年8月川西地区的9次夜雨过程进行了模拟研究和综合分析.结果表明,在一定环流背景下,川西地区特殊地形引起的沿坡地的辐合上升运动和下垫面提供给低层大气的热通量所导致的大气层结不稳定,对川西夜雨的形成和发展有重要影响.白天,随着陆-气通量交换的增加,低层大气的温度和湿度逐步升高,并在午后达到极值.与此同时,低层偏南暖湿气流在盆地西部由于气旋性弯曲而形成的东北风在午后逐渐加强,这支气流在盆地西部被地形阻挡,产生爬升运动.辐合上升将低层高温高湿的大气向上输送,使得大气不稳定层结的厚度以及强度都增加;日落以后,低层大气的相对湿度随着气温的降低而增大,容易饱和而形成凝结,同时大气中积累了相当可观的对流有效位能,低层辐合抬升等因素容易触发不稳定能量释放,造成对流性夜雨天气.强烈的对流辐合运动需要周围大气的入流补偿,促使偏东风气流增强且向高空伸展,这令辐合抬升作用进一步增强.     

盛夏杭州湾一次海风锋触发雷暴的数值模拟分析

利用常规气象观测资料、多普勒气象雷达资料、浙江省自动站加密资料、NCEP/FNL再分析资料,结合高分辨率中尺度数值模式WRF对杭州湾地区2016年7月28日一次海风锋触发雷暴天气的发生、发展演变特征进行数值模拟。结果表明:1)海风锋是此次强雷暴天气过程的主要触发系统。2)中尺度模式WRF较好地模拟出此次雷暴过程的降水和低层风场、温度场分布以及海风锋水平垂直结构。3)海风锋对局地比湿及涡度特征的加强有明显的促进作用,为雷暴的发生发展提供有利的水汽和动力条件。4)分析对流参数演变曲线的突变位置,对雷暴发生的时间有一定的指示和预报意义,杭州湾南侧单纯的海风锋也可以触发雷暴的发生发展。     

大理苍山—洱海局地环流的数值模拟

利用耦合了湖泊模型的WRF_CLM模式模拟了秋季大理苍山—洱海地区的局地环流特征。结果表明:模式对近地面温度、风向、风速的模拟与观测基本一致,模拟结果能较好地再现该地区山谷风和湖陆风相互作用的局地环流特征。在秋季,大理苍山的谷风起止时间为08:00~17:00(北京时,下同),湖风起止时间为09:00~19:00。局地环流受高山地形及洱海湖面影响明显,山谷风形成早于湖陆风1 h,夜间山风、陆风强盛于白天谷风、湖风。白天苍山谷风与洱海湖风的叠加作用会驱动谷风到达2600 m的高度,而傍晚最先形成的苍山山风则会减弱洱海的湖风环流。夜间盆地南部在两侧山风、陆风的共同作用下,形成稳定而持续的气旋式环流。日出以后,对流边界层迅速发展,边界层高度逐渐增高。陆地17:00温度达到最高,边界层高度也达到峰值2000 m,之后逐渐降低。日落后形成稳定边界层,边界层高度在夜间基本保持在100 m。相对于陆地,湖面白天边界层高度低300 m,夜间边界层高度高100 m。     

环太湖地区土地利用变化的局地气候效应

利用WRF模式和1985年、2005年环太湖区域的土地利用资料,模拟了环太湖区域土地利用变化的局地气候效应,并从陆面过程的角度进行了分析。模拟结果显示：城市扩张区域净短波辐射通量增多,地面温度升高,感热通量增大,潜热通量减小。近地面水平风场在城市化地区风速减小,在城市化带方向上形成狭长的动能衰减区域。湖陆风和城市热岛环流增强,城市化地区向上垂直速度增大,积云性降水增多。老城区和郊区下沉运动增强,对流受到抑制,积云性降水减少。层云降水的改变,集中在层云降水的大值区,且多呈带状分布。总降水在城市化区域增强,在老城区和郊区减少,积云性降水占总降水的比值增大。在土地利用没有变化的区域,降水的改变与地表能量通量的改变在空间分布上大致吻合。     

Simulation of location-specific severe thunderstorm events using high resolution land data assimilation

In this study, the impact of different land initial conditions on the simulation of thunderstorms and monsoon depressions is investigated using the Weather Research and Forecasting (WRF) model. A control run (CNTL) and a simulation with an improved land state (soil moisture and temperature) using the High Resolution Land Data Assimilation System (HRLDAS, experiment name: EHRLDAS) are compared for three different rainfall cases in order to examine the robustness of the assimilation system. The study comprises two thunderstorm cases (one in the pre-monsoon and one during the monsoon) and one monsoon depression case that occurred during the Interaction of Convective Organisation, Atmosphere, Surface and Sea (INCOMPASS) field campaign of the 2016 Indian monsoon. EHRLDAS is shown to yield improvements in the representation of location-specific rainfall, particularly over land. Further, it is found that surface fluxes as well as convective indices are better captured for the pre-monsoon thunderstorm case in EHRLDAS. By analysing components of the vorticity tendency equation, it is found that the vertical advection term is the major contributor towards the positive vorticity tendency in EHRLDAS compared to CNTL, hence improving localised convection and consequently facilitating rainfall. Significant improvements in the simulation of the pre-monsoon thunderstorm are noted, as seen using Automatic Weather Station (AWS) validation, whereas improvements in the monsoon depression are minimal. Further, it is found that vertical advection (moisture flux convergence) is the major driver modulating the convective circulation in localised thunderstorm (monsoon depression) cases and these dynamics are better represented by EHRLDAS compared to CNTL. These findings underline the importance of accurate and high resolution land-state conditions in model initial conditions for forecasting severe weather systems, particularly the simulation of localised thunderstorms over India.     

Numerical Simulations of a Florida Sea Breeze and Its Interactions with Associated Convection: Effects of Geophysical Representation and Model Resolution

The Florida peninsula in the USA has a frequent occurrence of sea breeze(SB)thunderstorms.In this study,the numerical simulation of a Florida SB and its associated convective initiation(CI)is simulated using the mesoscale community Weather Research and Forecasting(WRF)model in one-way nested domains at different horizontal resolutions.Results are compared with observations to examine the accuracy of model-simulated SB convection and factors that influence SB CI within the simulation.It is found that the WRF model can realistically reproduce the observed SB CI.Differences are found in the timing,location,and intensity of the convective cells at different domains with various spatial resolutions.With increasing spatial resolution,the simulation improvements are manifested mainly in the timing of CI and the orientation of the convection after the sea breeze front(SBF)merger into the squall line over the peninsula.Diagnoses indicate that accurate representation of geophysical variables(e.g.,coastline and bay shape,small lakes measuring 10-30 km2),better resolved by the high resolution,play a significant role in improving the simulations.The geophysical variables,together with the high resolution,impact the location and timing of SB CI due to changes in low-level atmospheric convergence and surface sensible heating.More importantly,they enable Florida lakes(30 km2 and larger)to produce noticeable lake breezes(LBs)that collide with the SBFs to produce CI.Furthermore,they also help the model reproduce a stronger convective squall line caused by merging SBs,leading to more accurate locations of postfrontal convective systems.     

2013年宁波地区一次海风锋对雷暴过程影响分析及数值模拟

利用浙江省常规气象站观测资料、地面自动站加密资料、新一代多普勒天气雷达资料、NCEP GFS分析资料以及WRF中尺度模式,对2013年7月29日发生在宁波市地区的一个局地强雷暴天气过程进行了诊断分析和数值模拟。通过对天气环流和数值模拟结果的分析发现：本次强雷暴过程发生在较稳定的大气背景下,主要影响系统是中尺度辐合线海风锋;多普勒雷达出现弱窄带回波时,对应中尺度辐合线海风锋;海风锋向内陆推进时,对应站点温度降低、湿度增大。WRF模式能较好地模拟出此次雷暴过程以及宁波地区低层海风锋环流,高空回流随时间和空间的演变特征;海风锋的锋生造成的地转强迫促使次级环流加强,在东西风辐合线西侧有垂直上升运动出现;通过与敏感试验的对比可知,海陆热力差异是影响雷暴降水强度、海风锋水平垂直环流的重要因素。     

阵风锋、海风锋和冷锋等触发局地强对流风暴实例分析

利用CINRAD/SA雷达探测资料,结合地面实况和探空资料,对7次典型中尺度辐合线触发强对流风暴的特征进行了分析。结果表明：阵风锋、海风锋和冷锋等边界层辐合线在一定条件下雷达低层反射率因子产品上表现为清晰的窄带回波,某些辐合线在反射率因子产品上不能得到任何有用信息,但在低层径向速度上可识别出线性径向速度辐合;识别出窄带回波或清晰的径向辐合线约1 h后,是雷暴首次触发的主要时间段;对于干型强对流风暴产生的阵风锋,其右侧往往是雷暴触发的主要区域,导致风暴右向传播;湿型强对流风暴产生的阵风锋,激发雷暴的方向与雷暴平均移动方向基本相反,导致风暴呈后向传播特征;海风锋向内陆推进速度快的区域是雷暴触发的主要区域,后继雷暴具有两侧传播特征;单纯的线性低层径向速度辐合在合适的环境条件下触发强对流,主要特征是对流风暴移动缓慢,可造成局地灾害性强降雨天气。     

雷暴大风过程中对流层中低层动量通量和动能通量输送特征研究

2014年5月31日北京发生一次雷暴大风过程。以雷达资料同化结果为初始场,对此次过程进行高分辨率数值模拟。采用非静力平衡和非地转平衡的经向动量方程和质量权重动能方程,利用模拟资料,对雷暴大风过程中经向动量和质量权重动能进行收支分析,以此来研究雷暴过程中对流层中低层动量通量和动能通量输送特征,讨论地面大风的可能成因。分析结果表明,在对流层中低层,经向动量通量散度是影响经向动量局地变化的主要强迫项。雷暴系统后部的入流把中低层的经向动量倾斜向下输送,系统前部对流云区中低层的下沉气流也向下输送经向动量。这两支下传动量通量先后与近地面经向动量的水平通量汇合,向系统前沿输送经向动量。在北京西北部地形阻挡作用下,经向动量通量在系统前端近地面辐合,促进那里的经向动量局地增长,有利于增强那里的南风。质量动能收支的特征与经向动量收支类似,在近地面层质量动能的局地变化主要是由质量动能通量散度引起的。系统后部入流把中层质量动能向下传输到近地面层,然后与近地面质量动能的水平通量汇合,向系统前沿输送质量动能。相对来说,近地面层经向动量和质量动能的水平通量比下传通量更重要,这主要与低层较强的东南急流有关。     

城市下垫面对渤海湾海风锋特征影响的一次数值试验

海风锋与沿海强对流天气密切相关,而城市化发展对沿海地区下垫面的改变会对海风锋特征产生影响。鉴于此,本文利用耦合了新一代城市物理方案UCP-BEM(Urban Canopy Parameterization-Building Energy Model)的WRF(Weather Research and Forecasting)模式开展数值试验分析了城市下垫面对渤海湾海风锋特征的影响。结果显示:城市下垫面高粗糙度对低层海风风速的明显削弱造成海风锋往内陆推进距离稍减,低层辐合和上升运动减弱;城市下垫面较大的向上感热通量和较小的向上水汽通量以及高粗糙度对海风的削弱的共同作用造成冷湿海风对低层大气的降温和增湿幅度减弱;高粗糙度的城市下垫面对海风环流的摩擦力效应使得海风得到抬升,这导致了冷湿海风对低层大气的降温和增湿的垂直范围得到提升;受这些结果影响,海风锋背后低层有效位能减小,但垂直分布范围扩大,从而造成对流抑制高值区抬升,同时海风锋背后的静力不稳定区变厚,其上面的动力不稳定区则变薄,但不稳定区总厚度基本不变。