台风对深港局地风影响数值模拟及地形敏感性试验

采用WRF中尺度模式和美国国家环境预报中心每6h一次的1°×1°全球再分析资料,分别对西北太平洋1208号台风韦森特及1415号台风海鸥个例进行了数值模拟,结果表明WRF模式可以较好地模拟台风中心移动的路径与强度变化,单点风速的时间变化表明模拟得到的近地风场与实际观测吻合。在模式结果与实际观测比较一致的基础上,开展了改变特定区域内的地形和陆面特征的敏感性试验,通过比较不同站点的观测和模拟风速的变化,探究台风影响下香港及深圳地区地形和下垫面性质的改变对深圳不同地区阵风变化的作用,发现对于登陆粤西或向西移动的台风,香港地形和陆地的阻挡和摩擦作用减弱了台风在深圳中西部地区引起的风速,香港对深圳中西部起到了一定的缓冲和保护作用,另外深圳地区的梧桐山地形所形成的峡口使得盐田港风力增大。     

WRF模式对济南地区夏季近地面气象场模拟效果评估

不同地区中尺度气象模式WRF的模拟性能存在明显差异,本文利用数值模拟和统计方法,评估了WRF模式在济南地区的模拟性能,并对比研究地形和土地利用对WRF模式模拟性能的影响,为WRF模式在济南地区的业务化运行提供参考。结果表明:WRF模式能较准确的模拟济南地区近地面气象场及其时间变化特征;统计分析发现,WRF模式对济南地区近地面气温、比湿、风速及风向的模拟准确率分别为72.5%、59.6%、29.4%和36.2%。WRF模式模拟的济南地区夏季比湿偏低、风速偏高,模拟的风速存在系统性偏差。下垫面对WRF模式的模拟结果有显著影响,10 m风速的均方根误差(RMSE)与地形、坡度、模式格点和观测站点的地形偏差显著相关,与坡度的相关系数最大;2 m气温的RMSE仅与地形偏差显著相关,在复杂地形区比较站点观测气温与模式格点气温时,需考虑地形偏差的影响。     

次网格地形参数化对WRF模式在复杂地形区风场模拟的影响

黄土高原特殊的地形导致该地区风场特征复杂,本文以黄土高原为研究对象,通过3组数值模拟试验,探讨次网格地形参数化对WRF模式模拟近地面风场的影响。结果表明:地形越复杂,次网格地形标准差越大,WRF模式中离站点最近格点的海拔高度与站点实际海拔高度差异越大;研究时段内,若不考虑次网格地形影响,观测风速较小时,WRF会高估风速,而观测风速较大时,WRF则低估风速。在相对平坦的地区,模拟风速与观测风速之间的均方根误差较小,地形越复杂时,均方根误差越大。采用次网格参数化方案后,模式对风速的模拟有明显改进,认同指数、准确率、相关性等都有明显提高,模拟误差明显降低。3组试验均能模拟出风速的日变化,但不考虑次网格地形影响时,模拟的风速几乎是观测值的2倍,考虑次网格地形影响后,模拟的风速明显降低,其中Jimenez方案模拟的风速与观测值之间的偏差最小,能更好地描述风速的空间分布特征,而Mass方案仅降低了平原和山谷地区的风速却没有突出山区的高风速,对风速空间变化的模拟不如Jimenez方案。     

地形对台风“海葵”降水增幅影响的研究

使用NCEP GFS资料和WRF V3.4模式对2012年第11号台风"海葵"(1211)引发的安徽强降水过程进行数值模拟,通过改变模式中安徽省大别山区和皖南山区的地形高度,设计一组敏感性试验,对"海葵"降水的地形增幅效应进行研究。结果表明:(1)WRF模式对台风"海葵"降水过程有较好的模拟能力。(2)大别山区和皖南山区地形对"海葵"移动路径、强度以及降水分布、强度均有不同程度的影响;不同地形高度下模拟的台风路径及降水分布差异较大,且降水中心强度与地形高度相关性较好,地形对暴雨增幅作用明显。(3)山区地形有利于中尺度辐合线和低涡生成、发展,并有强水汽辐合中心与之相对应;有地形时对流层低层上升运动比无地形时明显加强,对安徽中南部强降水增幅作用显著。     

0414号台风“云娜”的数值模拟

利用美国CAPS的非静力高分辨率区域预报模式(ARPS)对0414号台风"云娜"进行数值模拟,其中把新一代多普勒天气雷达资料分析引入模式,模拟结果表明ARPS模式能较好模拟台风"云娜"的移动路径、中心气压强度变化及台风大暴雨;并利用模式输出的组合反射率与雷达组合反射率资料比较来检验模拟结果.数值模拟结果表明台风自身结构是引起0414号台风西折路径的重要原因;浙南闽北地形对0414号台风的影响作地形敏感性试验结果表明浙南闽北地形使0414号台风移动路径出现右偏现象;浙南闽北地形对0414号台风强度影响较小,地形对深入内陆后台风强度变化有较明显的影响;浙南闽北地形对0414号台风暴雨有增幅作用,降水分布更加不均匀.     

台风“桑美”的数值模拟和地形敏感性试验

用WRF模式对0608号台风“桑美”进行了数值模拟研究,较为成功地模拟出了台风路径和降水,但模拟的台风中心气压远高于实况。为研究“桑美”登陆期间地形的抬升作用对其降水及结构的影响,通过改变特定区域内的地形高度设计了一组敏感性试验。结果表明,台风登陆过程中地形抬升作用对台风降雨量有显著的增幅作用;台风中心位势涡度、气流垂直上升速度、水平水汽通量散度明显增大;地形抬升机制在台风登陆时刻达到最强。     

"登台入闽"型台风个例10 m风场 特征分析及模拟研究

通过浮标资料和模拟试验,对比不同路径下台风的10 m风场的时空演变规律。结果表明,由于登陆台湾岛位置不同,三种路径的台风在台湾海峡内风场随时间变化差异较大,北路台风在海峡内风向转变最早,中路台风风速极值出现最早,南路风速被削减最明显。在中尺度数值模式(Weather Research Forecasting, WRF)模拟试验中,YSU边界层参数方案模拟效果最优,对于中路台风的模拟效果最好。模拟结果表明,北路台风在过岛过程中,大风圈从北部绕过海拔较高的地形,风速减弱不明显;中路和南路台风由于中低层环流难以过山,强风中心通过动力减压作用出现在背风坡,并范围逐渐增大,取代原中心。地形敏感性试验表明,受中央山脉影响,在靠近台湾岛时迎风面大气堆积风速增强,南路台风的风场在登陆福建前受地形阻挡削减最大,中心风速减小幅度为20 m·s^-1。     

台风“山竹”登陆前后广东沿海珠三角机场阵风预报方法研究

利用WRF模式对1822号台风"山竹"的登陆过程进行数值模拟试验,分析台风产生的大风特征,比较不同的阵风参数化方法在机场大风预报中的效果,结果表明:(1)试验基本模拟出了台风的路径和强度变化过程,模拟的珠三角机场平均风速大小和变化趋势与观测非常接近。(2)地面最大风速区出现在距离台风中心大约50-100km的位置上,垂直方向上风速从低层到高层逐渐减小,湍流动能的大值区集中在1.5km以下的边界层内。(3)台风登陆过程中广州、深圳和珠海机场的平均阵风因子分别为1.45、1.51和1.46,且随着平均风速的增大,阵风因子有减小的趋势。(4)基于湍流动能的阵风参数化方案在珠三角机场阵风预报中效果最好,平均预报误差只有3.9m/s,可以考虑应用到台风天气过程中机场阵风的业务预报。     

不同土地利用数据对中国西北地区风速模拟的影响

基于中尺度数值模式WRF,利用2015年7月和12月国家基本气象站观测的10 m风速资料、MODIS卫星遥感反演的IGBP土地利用数据和WRF模式自带的USGS土地利用数据,研究了不同土地利用数据对WRF模式在西北地区复杂地形条件下10 m风速模拟的影响。结果表明:(1)使用IGBP土地利用数据能有效改进模式10 m风速逐日变化和随不同预报时效变化的模拟效果。其中对2015年7月和12月模拟效果均有改进,且对12月10 m风速改进更加显著。(2)IGBP土地利用数据对西北地区不同区域风速数值模拟误差改进不同,主要改进区域位于甘肃河东、宁夏北部和陕西南部地区。(3)使用IGBP土地利用数据对模拟10 m风速的改进可能是由于其对地面粗糙度数据的改进。     

台湾岛地形对台风移动路径的作用

本文用一个β平面准地转正压模式实施了九组试验，研究台湾岛地形对台风移动路径的作用。初始场系根据SPECTRUM和TCM-90期间加强观测资料确定。结果表明:台湾岛地形的引进会使台风路径向右偏移；地形使台风环流的最大风速区向台风中心方向推移，造成台风环流空间尺度减小，这个结构的变化是路径右偏的一个可能原因。     

台风“海燕”过境海南岛数值模拟及暴雨成因诊断

利用NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料、地面观测降水资料、FY-2E卫星相当黑体温度资料,采用WRF中尺度数值模式对2013年11月9—11日台风"海燕"过程进行数值模拟,并对期间海南暴雨天气诊断分析。结果表明:台风"海燕"携带的大量水汽,为海南暴雨提供了丰富的水汽来源;TBB梯度高值区与暴雨强度及落区有很好的对应关系。地形在暴雨过程中起到重要作用,初期台风外围偏东气流遇海南中部高山产生地形重力波,促使局地辐合上升,产生降水;随着台风靠近,风向转为偏南且风速增大,地形作用促使气流强烈抬升,在低层产生强对流中尺度系统,并与高层辐散系统配合,产生强降水。     

贵州中西部地区一次台风暴雨天气过程的诊断分析及数值模拟

利用常规观测资料和NCEP/NCAR再分析资料,对2014年9月16—18日发生在贵州中西部地区的一次台风暴雨天气过程进行诊断分析,并利用中尺度模式WRF对该次过程进行了数值模拟。结果表明:此次暴雨天气过程具有降水强度大、持续时间长的特点。强降水时段主要有两个时段,且两个时段降水时空特征存在区别及其主要影响的天气系统也不一致。第1时段主要受1415号台风"海鸥"外围云系影响,降水强度较大且持续时间长;第2时段为700 hPa低涡切变系统配合冷空气侵入台风尾流云系,强降水持续时间比第1时段短但强降水范围更为集中,且最大小时雨强比第1时段强。台风云系带来的深厚湿层与暖湿气流沿地形抬升的动力作用,使得贵州累积的不稳定能量得到释放,加上后期700 hPa低涡切变带来的冷空气补充影响,导致此次贵州中西部地区连续强降水天气过程的形成。WRF模式较好地模拟出了台风的演变特征,并揭示了此次暴雨过程形成的重要机理,但WRF模式不能够较好地分离第1时段和第2时段的降水分布特征。总体来说,模式对于700 hPa切变系统降水的模拟略优于台风系统降水的模拟。     

台风“凡亚比”的诊断分析和数值模拟研究

运用WRF模式对2010年11号台风"凡亚比"进行数值模拟和诊断分析,将模式模拟的结果与观测资料进行对比表明,模式对台风"凡亚比"的登陆过程模拟效果还是比较好的,基本表现出了台风的演变过程的特征;模式较好地模拟出了台风的几次转向,除了后期路径整体偏北以外,模拟路径与观测路径较为接近;经过一段时间的运转后,模式模拟效果逐渐改善,虽然降水强度与实况还存在着一定差距,但是基本模拟出了降水落区和降水中心。     

一个双台风降水的数值模拟及其分析

运用WRF模式对2012年双台风个例-1209号台风“苏拉”和1210号台风“达维”进行数值模拟,成功地模拟出了这次双台风的路径和中心强度变化,同时也模拟出这次双台风降水空间分布以及这次过程的强降水中心.WRF模式模拟的位势涡度场与NCEP再分析资料的位势涡度场极其相似.通过700hPa水汽通量与风矢量场对这次双台风降水过程的水汽条件进行分析,并结合这次双台风路径和台风中心强度对这次双台风相互作用进行初步探讨.     

岛屿地形对台风影响的流体力学模拟实验研究

有关岛屿地形对台风的影响,国内外一些气象学者,用实际观测资料研究了登陆前后台风的强度、移速、路径、眼的直径、中心气压以及最大旋衡风速半径等的变化特征.因观测资料所限,对台风经过岛屿地形时,流场变化特征分析研究较少.近年来,人们以流体力学模拟实验的方法,研究了分布在太平洋西北部的岛屿(如台湾岛、海南岛等)对台风的影响.模拟实验研究可在一定程度上揭示台风经过岛屿的流场变化特征,但对台风中心移动(移速和方向)的变化,一般仅能作定性描述。     

0907号热带风暴“天鹅”暴雨的数值模拟

利用新一代中尺度数值模式WRF,对登陆后滞留粤西地区近50 h并带来了暴雨以上强降水的0907号热带风暴"天鹅"进行数值模拟,取得了较好的效果。该模式成功模拟出"天鹅"的移动路径、强度和强降水分布,暴雨的中心强度与实况基本一致。利用模式输出的高分辨率结果分析研究"天鹅"的暴雨降水原因,通过改变地形高度的敏感性试验表明,沿海地区地形的抬升作用对降雨有显著的增幅作用,并且使降水分布更加不均匀。     

台湾地形对海棠台风影响的数值模拟研究

应用美国国家大气研究中心(NCAR)研发的WRF(Weather Research and Forecasting)气象模式,研究海棠台风(2005)接近并登陆台湾岛的过程中的强度、结构的演变,以及地形强迫作用对台风的影响.对模拟结果的评估表明,在整个海棠台风(2005)模拟实验期间,WRF模式很好地抓住了台风海棠强风,低中心气压的高强度特征.对引起台风降水的中尺度系统的分析表明,一方面台风环流与中央山脉地形共同作用激发出垂直次级环流在降水区域产生强烈的上升运动;另一方面,水平风场源源不断给该地区输送暖湿空气,为对流发展提供充足的水汽.分析结果表明中央山脉地形与台风环流场之间的配置形势对台风降水有着重要的影响.     

广西沿海地形对超强台风“威马逊”影响的数值试验

以在广西沿海登陆的超强台风"威马逊"为研究对象。针对沿海山脉—十万大山,基于区域数值模式WRF3.4.1,开展敏感性数值试验。结果表明,WRF模式能够较好地模拟出台风移动的路径及降水的空间分布特征。十万大山山脉的存在有利于中低层的南北风在山脉周围抬升,而地形抬升作用是导致沿海发生强降水的有利条件之一。移除十万大山地形后,台风中心位置偏西,大气环流的改变使山脉周围水汽辐合减弱,此外,偏南气流由于没有地形的阻挡,因此向北发展,而地形造成的中低层抬升作用也随之消失。水汽辐合的减弱及地形抬升作用的消失共同导致十万大山周围降水减少,最大减幅可达到40mm。     

中国区域近地面风速动力降尺度研究

利用2006年NCEP FNL再分析资料和气象站点观测资料,评估中国区域近地面风速WRF动力降尺度效果。结果表明:WRF模式显著高估近地面风速,在风速较大(小)的区域,WRF模式低(高)估了近地面风速;春季和冬季WRF模式模拟的近地面风速误差较大,夏季和秋季模拟的风速误差相对较小;西北干旱区、青藏高原和华南地区WRF模式模拟的风速误差较大,其他地区风速误差相对较小;3种边界层参数化方案(YSU、MYJ和ACM2)中ACM2方案模拟的风速偏差最小。     

局部地形对北京“7.21”特大暴雨影响的数值研究

利用NCEP1°×1°再分析资料和WRF模式对2012年7月21日北京特大暴雨过程进行数值模拟,结果表明,WRF模式能够成功模拟出本次暴雨过程,特别是对100 mm以上的大暴雨也有较强的模拟能力。基于控制试验,针对北京地区复杂的地形,设计了4组地形敏感性试验。试验结果表明:北京地区局部地形的改变对暴雨落区的模拟影响不大,但对暴雨中心的分布和强度有影响,特别是西南部的局部地形对于本次暴雨过程中降水中心的落区具有很大影响,而北部和东北部的局部地形则作用不明显。进一步研究表明,北京地区西南部的局部地形主要是通过影响低层偏南风急流的流场结构,改变强辐合区和垂直运动的分布和强度,进而引起降水中心位置和强度的改变。