暴雨中尺度模式的发展历程和研究进展

短期数值天气预报模式的发展,由于具备了对动力辐合、湿物理及边界层等过程和实际地形的刻画能力,在分辨率提高到几十公里尺度时,可以对暴雨进行数值预报。经过近50 a的发展,暴雨中尺度模式经历了静力平衡到非静力平衡、粗分辨率到高分辨率、简单物理过程到细致物理过程、云雨隐式预报到显式预报、简单初始化到复杂同化等的转变。本文从暴雨中尺度模式框架、物理过程和初始化方法三个方面,回顾了国内外主要暴雨中尺度模式的发展历程和重要进展,同时指出了未来模式可能的发展趋势并给予了分析讨论。     

计及地形效应后中小尺度天气预报的一个改进

在一个二维板对称非静力平衡数值云模式中引入地形效应后明显改进了原模式的预报结果,揭示了地形对中尺度天气系统生成发展的重要作用.     

乌鲁木齐市区域数值预报模式业务系统

介绍了区域非静力中尺度数值模式预报系统，模式与MICAPS平台的结合，运行的硬件、软件平台，在新疆气候及复杂地形下对模式的预报能力进行了初步的试验。     

对北京地区一次局地灾害性暴雨的数值模拟分析

利用美国国家大气研究中心（ＮＣＡＲ）和美国宾州大学（ＰＳＵ）联合研制的中尺度非静力模式ＭＭ５（Ｖ．２），有用三重网格双向嵌套技术，对北京延庆地区的一次暴雨过程进行了数值模拟，并探讨利用中尺度非静力模式ＭＭ５对重点城市进行短期天气预报的方法。结果表明：ＭＭ５模式能够预报出实际发生的β中尺度降水，在有利的大尺度环境下，暴雨的局地分布特征受中尺度条件制征。在适当的地形，水汽和能量条件下，由地形扰动而形成     

物理过程参数化方案对中尺度暴雨数值模拟影响的研究

利用中尺度非静力MM 5模式和中国 2 0 0 1年 8月的 4个暴雨个例 ,研究了非绝热物理过程对中国暴雨动力和热力场预报的影响 ,深入分析了对流参数化方案在中尺度暴雨预报中的作用 ,讨论了利用模式扰动方法开展中国暴雨集合预报的可行性。结果表明 ,在短期数值预报中 ,非绝热物理过程对高度场预报影响较小 ,但边界层方案和对流参数化方案对产生暴雨的 3个基本条件即水汽通量散度、垂直速度、不稳定层结的影响很明显。不同对流参数化方案所预报的中尺度热力、动力场离差的结构特征与所预报降水的离差特征相似 ,且主要是在模式积分初期迅速增加 ,其后即趋于稳定。对中国热力场较均匀的暴雨过程 ,可以通过扰动模式的边界层和对流参数化方案 ,构造集合预报模式     

"2004.7.21"广西柳江流域致洪暴雨的中尺度数值模拟及几种数值预报产品分析

利用非静力中尺度数值模式MM5V36对2004年7月21日广西柳江流域致洪暴雨过程进行数值模拟并对几种数值预报产品进行分析,结果表明,MM5V36模式对这次过程具有较强的模拟能力,数值预报产品能为防汛抗洪决策服务提供有力的参考依据.     

应用MM5模式对一次冬季降水过程的预报

应用MM5非静力中尺度模式(以下简称MM5模式)对2001年1月5-6日发生在湖北省的一次强降水过程作了尝试预报。结果表明，MM5模式对此次过程的降水发生和加强的时间及其降水强度的预报均较为准确。     

“2004．7．21”广西柳江流域致洪暴雨的中尺度数值模拟及几种数值预报产品分析

利用非静力中尺度数值模式MM5736对2004年7月21日广西柳江流域致洪暴雨过程进行数值模拟并对几种数值预报产品进行分析，结果表明，MM5736模式对这次过程具有较强的模拟能力，数值预报产品能为防汛抗洪决策服务提供有力的参考依据。     

重庆市"5·29"暴雨天气过程诊断分析与数值模拟

在天气分析的基础上,利用非静力中尺度数值预报模式MM5和双向二重嵌套网格技术,对2004年5月29~30日重庆市暴雨天气过程进行数值模拟。诊断分析表明,高空低槽产生的冷锋云系发展东移是产生此次暴雨天气过程的主要大尺度天气系统,由高空槽诱发产生的中尺度涡旋是产生此次暴雨天气的主要中尺度系统。模拟结果与观测结果的对比显示表明,MM5中尺度数值预报模式能够成功模拟四川盆地东部的暴雨天气过程,同时揭示了高空槽东移过程中在重庆地区范围内产生的较强中尺度气旋性辐合和强烈上升运动促使了暴雨的产生。     

中尺度数值预报模式初边值作用的试验研究

通过一次影响华南地区的锋面降水过程实例，进行了静力与非静力中尺度模式、不同驱动模式、不同初边值组合、不同边值更新周期、不同起报时次等27组对比试验。较全面细致地从不同侧面分析讨论了初、边值对中尺度模式的影响规律及特点，得出了一些有学术和应用价值的结论。如中尺度模式预报的总体趋势决定于其驱动模式，初值仅显著影响中尺度模式大约前10小时的预报，以后的预报趋势则主要决定于边值的信息；边值对模式内区的影响主要通过各种时间尺度天气信息(天气波动)的传播和移动来实现；土壤含水量等模式外参量初值可影响较长时效的预报；模式通过边界只能引入大于等于边值更新周期4倍的时间尺度的信息，更快的信息则被过滤掉；等等。其中一些结论对今后发展中尺度数值预报及其资料同化具有参考价值。     

非热成风平衡基流的对称不稳定

采用适合于中尺度研究的ｆ平面、非静力平衡、滤声波模式，运用解析方法研究了具有非热成风梯度存在的高空急流入口区右侧及低空急流入口区左侧的对称不稳定性问题。求出了扰动流函数解析表达式，从而定性地分析了由于非热成风梯度的存在，中尺度扰动波结构以及波振幅空间分布特征。所得理论结果可以解释在平行型高低空急流入口区间产生强暴雨的原因。     

鲁南一次锋面附近局地特大暴雨成因分析

利用美国新一代中尺度数值模式WRF对2005年9月2日发生在鲁南的一次局地特大暴雨过程进行了数值模拟,着重对此次暴雨的产生机制进行了分析.研究表明,台风倒槽顶部的高湿区是暴雨主要水汽来源;对流层低层辐合线在暴雨发生发展过程中起重要作用;锋面附近的小尺度扰动是造成暴雨的直接系统;对流层低层地形造成的绕流是暴雨重要的触发机制;南北两系统的相互对峙是造成特大暴雨的重要原因.     

相当湿位涡异常与梅雨锋暴雨分析

基于位涡异常与中尺度对流系统发展密切相关的分析事实,以及中尺度天气的发生发展的过程中水汽的重要作用,在引入水汽变化方程的基础上,导出了非均匀饱和大气中的相当湿位涡方程,进而分析了引起相当湿位涡异常的主要因子。依据相当湿位涡包含动力因子、热力因子和水汽因子的特点,利用相当湿位涡及增量对一次梅雨锋暴雨进行诊断和模拟分析,初步揭示了相当湿位涡及其增量对梅雨锋强降水的指示意义,相当湿位涡及其增量大值区对未来1～3小时的强降水具有较好的指示作用。针对梅雨锋暴雨,可以将梅雨湿度锋与相当湿位涡相结合作为强降水短时临近预报的一个指标。      

北京“7.10”暴雨β-中尺度对流系统分析

采用NCEP/NCAR再分析资料、自动站加密观测资料、逐时云顶亮温TBB资料、多普勒雷达资料以及成功模拟基础上的高分辨率模式输出资料，对2004年7月10日北京突发性暴雨过程β-中尺度对流系统的发生发展、结构与成因进行了综合分析。结果表明:此次过程影响系统为β-中尺度对流系统，它发生在大尺度暖脊之中，对流层中层的短波槽以及低层西风槽前西南气流与暖切变线北侧东南气流的汇合为其发生提供了良好的环境条件；该β-中尺度对流系统由两个对流云团合并而成，具有椭圆形结构特征，其水平尺度为150 km×100 km，时间尺度约为5 h；低层流场上它表现为中尺度辐合线或强辐合中心，雷达回波和径向速度场所反映的中尺度回波带和辐合线与它的演变有密切关系；在发展强盛期，β-中尺度对流系统具有较强的斜压性特征，垂直倾斜的上升气流及其两侧有明显的下沉补偿气流，显示它具有对流型风暴结构特征；在强对流不稳定层结条件下，700 hPa以下对流层低层具有明显的假相当位温θ_se暖湿舌，近地面层偏南风与偏东风两支气流的辐合及冷空气的侵入，导致行星边界层内能量锋区的加强，从而有利于β-中尺度对流系统发生发展。     

涡列涡量内传的数值研究

用一个高分辨率的准地转正压模式实施了4组积分时间为24h的试验,研究台风环流区域中尺度涡列对台风强度的影响,并与单个中尺度涡旋的情况作了对比。结果表明:涡列内传过程中出现了两次涡合并现象,涡列涡量内传对台风强度的影响能力较弱,单个中尺度涡旋涡量内传可使台风增强。     

基于VDRAS的快速更新雷达四维变分分析系统

基于雷达资料快速更新四维变分同化 (RR4DVar) 技术和三维数值云模式,初步研发了一个针对对流尺度数值模拟的快速更新雷达四维变分分析系统。系统通过对京津冀6部多普勒天气雷达资料进行RR4DVar同化,并融合5 min自动气象站观测和中尺度数值模式结果,可快速分析得到12~18 min更新的低层大气三维动力、热力场的对流尺度结构特征。针对2009年7月22日发生在京津冀的一次强风暴个例,通过一系列敏感性试验,并利用局地加密资料进行检验对比,表明有效的雷达资料RR4DVar同化及自动气象站和中尺度模式资料融合方案、恰当的中尺度背景场设置和动力约束方法是获得合理结果的关键。研究也表明:恰当的系统配置能够模拟出与对流生消发展密切相关的近风暴环境特征,包括低层入流、垂直风切变、低层辐合上升和暖舌等,以及风暴自身形成的冷池、出流等与风暴演变密切相关的对流尺度结构。     

边界层辐合线发展成飑线的数值试验

利用高分辨率η坐标模式，以一个实际飑线个例的常规资料为初值，通过嵌入一定强度的边界中层尺度辐合线，进行了边界层辐合线型飑线激发的数值试验，结果表明，飑线实例的大尺度环境场提供了累积的有效浮力能，小尺度积云对流则通过对流翻腾提供高层水汽凝结潜热加热和低层降温冷却，而中尺度幅合线通过提供带状辐合上升运动，起着胚胎和组织积云对流的作用，这样大、中、小三种尺度相互作用导致了边界层中尺度辐合线发展成为飑线。     

“98.8”清江典型致洪暴雨分析

针对1998年8月上、中旬清江流动的典型致江暴雨过程，就雨洪关系、环流形势、中尺度系统等方面进行了剖析。结果表明，清江流域洪峰直接由致洪暴雨形成，而雨团总时次与暴雨过程累积面量紧密相关。致洪暴雨的产生与500hPa副热带高压位置，高、中、低各层中尺度环流系统及其配置和演变密切相关。     

98.8松嫩流域一次东北冷涡暴雨的数值模拟初步分析

利用MM5中尺度非静力模式对1998年8月8~9日松嫩流域的东北冷涡切变型暴雨过程进行了数值模拟和对比试验。结果表明, MM5能够对此次过程进行较成功的模拟; 同时发现, 此次过程首先由高层强的正涡度平流触发, 低涡区强降水的产生是由于高低空急流的耦合。其中, 高空急流的作用强烈而短暂, 低空急流的作用较为持久, 强度稍弱。阻高前部下沉气流形成的中层偏东干冷气流是切变形成的关键, 它与偏南气流在对流层中层形成的风向切变是产生上升运动的主要强迫机制。减弱阻高使其底部偏东气流减弱及后部偏南气流在高层减弱、低层增强, 导致降水减弱, 并使系统位置偏东、偏南。西北路冷空气增强使低涡和切变北侧高层偏南气流增强、低层偏南气流减弱, 导致降水强度增强、尺度增大。     

海岸边界层的非静力模式

建立了一个３级非静力边界层模式,并采用一种新的非局地反梯度闭合方案在杭州附近复杂地形区进行了数值模拟。通过与实测资料和静力条件下的模拟结果的比较,进一步分析了非局地闭合下非静力３级边界层模式的效能。结果表明,该模式比静力模式更能合理地模拟海岩边界层的风温场和湍流场,且模拟结果与实测更接近。