黄山地区短时强降雨的地形增幅机制

应用黄山地区191个地面自动观测站资料,统计分析了201 5年发生在黄山地区短时强降雨时空分布。统计发现:发生短时强降雨过程次数在午后及傍晚(14和18时)时段中明显增多;黄山山脉及其附近是短时强降雨多发生的中心地带,发生短时强降雨次数分布与山脉形态一致、和地形高度相关,短时强降雨与地形关系密切。分别利用三个典型个例分析了山脉地形动力阻拦和热力对短时强降雨的增幅作用,结果表明:(1)山脉地形迎风坡处因地形抬升速度与地面辐合线相配合降雨增强,水汽收支方法诊断计算降雨增量可达6成;(2)锋面过境山脉时垂直扰动增强水平位温梯度增大锋生,在背风坡处地面涡度、上升运动增强,导致降水增幅;(3)山脉西南区域因地面感热通量差异形成热低压,在该区域增暖增湿,大气不稳定增强,受冷平流影响形成强对流天气,导致山区降水增幅。     

鲁中山区地形对山东省一次暴雨影响的敏感性数值模拟试验

利用PSU/NCAR MM5V3中尺度数值模式进行了鲁中山区地形对一次台风暴雨的数值模拟敏感性试验,结果分析表明:鲁中山区地形作用对山东省暴雨有重要影响,迎风坡可引起低层气流和水汽的辐合上升运动增强,降水量增加,但偏北气流在迎风坡的水汽辐合不明显,降水量影响不大;山顶引起低层辐合上升运动减弱,辐散下沉运动增强,降水量减小;背风坡引起低层气流和水汽的辐合上升运动增强,降水量增加。     

北雁荡山地形对2020年“黑格比”台风暴雨影响的数值模拟

2020年第4号台风“黑格比”在浙南登陆后过境北雁荡山期间在山区引发了特大暴雨。基于中尺度数值模式WRFV4.0.2对台风进行高分辨率数值模拟，分析北雁荡山地形对此次台风暴雨的作用，并设置了升降地形敏感性试验。结果表明：数值试验较好地模拟了台风移动及特大暴雨的落区和强度，台风大风区明显不对称分布，台风登陆后第一、四象限过境山区，其东侧强偏南气流向山区输送了充足水汽。台风登陆前山区低空存在一条由台风内核拖曳出的狭长螺旋辐合带，水汽通量辐合与风场辐合相一致。台风眼墙过境时沿着降水中心的迎风坡有强烈上升运动，动力条件极好，水汽输送带由近地面向对流层低层延展，山区有零星对流单体触发加强。台风后部环流影响时在高海拔山区风速减弱、绕流激发了中尺度低涡，强降水中心迎风坡上出现持续性、停滞不动的强正涡度中心，是特大暴雨发生的主要原因。地形敏感性试验中无地形时降水减幅40%～50%，地形高度翻倍降水增幅超过60%。     

地形影响下海河流域北系强降水成因分析

利用区域自动站观测和NCAR/NCEP 1°×1°再分析资料,对比2012-2014年海河流域北系4次强降水过程成因,重点分析地形对强降水过程的影响。分析结果表明,4次强降水过程均属于低槽类暴雨,高空槽是影响流域北系强降水的主要影响系统,副热带高压、低层辐合系统对暴雨强度、位置及持续时间存在明显影响。此外,除能量及水汽的积聚外,地形对海河流域北系降水强度有明显增幅作用。风场与地形相配合的地形抬升是降雨增幅的动力因子。在水平方向上,呈"V"形分布的上升运动区,对应燕山山脉迎风坡坡度较大地区;在垂直方向上,地形强迫引起的低层上升运动中心与天气系统抬升引起的中高层上升运动中心逐渐合并加强。地形阻挡导致的水汽通量辐合也是迎风坡降雨增幅的重要因子,低层地形引起的水汽辐合明显强于中层天气系统引起的水汽辐合。     

乌鲁木齐一次暴雪过程地形敏感性试验

以NCEP资料为初始场和侧边界条件,利用WRF模式对东、西天山地形对2015年12月9—12日大暴雪影响进行敏感性试验,从降水强度和分布等方面对比分析模拟结果,探讨地形在暴雪过程中的作用,对成因进行初步研究分析,结果表明:(1)此次强降雪发生是高空西南急流抽吸、低层风切变及风速辐合、偏北风与地形强迫抬升、地面冷锋移动缓慢等共同造成的。(2)此次暴雪天气过程,地形对强降雪的落区、强度影响很大,东、西天山高度与强降雪强度正相关,东、西天山高度降低、强降雪落区沿环流方向移动。(3)地形动力强迫整体上增强次级环流圈。近地面上升速度中心出现在迎风坡山脚至山腰区域,并向两侧递减,与此次大暴雪中心落区以及乌鲁木齐附近测站降雪量分布吻合,东、西天山地形高度降低50%,近地面上升速度中心值减少30%。地形强迫东、西天山峡谷近地面生成辐合中心和辐合线,辐合中心强度与地形高度正相关。(4)地形强迫抬升有加强水汽辐合汇聚的作用,东、西天山地形高度降低50%,水汽通量与水汽通量散度减少30%。     

低层偏东气流对贵州梵净山东侧强降水的作用

利用常规观测资料、地面加密自动站资料、雷达探测资料与NCEP 1°×1°再分析资料等,对低层偏东气流影响下贵州铜仁梵净山东侧4次强降水天气过程进行了分析,重点探讨了在低层偏东气流与地形共同作用下的强降水形成机制,并归纳低层偏东气流影响下的梵净山东侧强降水概念模型。结果表明:(1)高空槽、低层切变线、地面中尺度辐合线是影响梵净山东侧强降水的主要天气系统;(2)低层浅薄偏东气流对梵净山东侧强降水起着关键作用,当低空气流u分量随高度减小时,地形迎风坡气流辐合上升,而气流v分量随高度增加时,地形迎风坡会产生与山脉垂直的水平涡管,在地形抬升作用下涡管向上凸起形成两个涡管环流圈,涡度垂直分量使山脚附近上升气流加强而有利于山脚产生强降水;(3)梵净山东侧强降水区的形成存在三种机制,即迎风坡山脚多次触发对流形成雨量叠加效应、地面中尺度辐合线自身触发组织对流、回波沿地面中尺度辐合线东移形成“列车效应”,三种机制产生的降水带与地面中尺度辐合线走向一致。     

“8·31”云阳特大暴雨地形动力作用数值研究

利用NCEP再分析资料和WRF模式对2014年8月31日云阳特大暴雨过程进行环流形势分析和数值模拟,并针对大巴山和齐岳山进行地形敏感性试验。结果表明:西南涡、辐合切变线、低空急流是本次暴雨的直接影响系统。大巴山对暴雨的影响主要是阻挡作用和迎风坡作用。大巴山高度降低后,低涡明显向北扩展,降水中心向东北方向偏移,低层辐合减弱导致垂直次级环流上升支强度和对流高度降低使暴雨减幅。齐岳山对暴雨的影响主要是地形狭管效应。齐岳山高度降低后,狭管效应减弱,低空急流强度减弱、位置南压;低层辐合区位置偏南导致垂直次级环流上升支的位置偏南。     

地形对海南岛冬季暴雨影响的数值试验

利用中尺度WRF模式,针对2013年12月14-15日海南岛东南沿岸(五指山山脉的迎风坡)出现的罕见暴雨过程,从地形角度出发设计了一组控制试验和两组敏感性试验,探讨地形对冬季暴雨的影响及可能机制。结果表明:WRF模式能够较合理地模拟出本次降水过程特征以及相关气象要素的变化过程。五指山脉可使对流层低层偏东风和东南风在山前加强、汇合形成辐合带并长时间维持,降水出现在辐合带上。在偏东气流影响下,地形促使其东侧出现有利于水汽抬升的"低层辐合、高层辐散"环流配置,同时阻挡了中低层暖湿气流向西输送,造成地形东侧水汽大量聚集,为暴雨发生发展提供动力条件和充足的水汽。地形均一试验进一步表明,地形高度及起伏共同作用对水平流场分布、垂直运动发展以及水汽输送等影响更为显著,对暴雨增幅作用更为明显,使得降水的分布形式更为复杂。     

2015年7月27日承德市强对流天气过程分析

利用常规气象资料、NCEP/NCAR 6h再分析资料、卫星云图及多普勒雷达资料,对2015年7月承德一次强对流天气进行分析。结果表明:此次强对流过程是500h Pa冷涡、850h Pa暖湿气流、地面辐合线共同作用形成的。低层西南暖湿气流增大,风向风速辐合,水汽通量散度负值中心上移,促进了低层暖湿空气向上输送,为对流云发展提供了充足的水汽。较高K指数、CAPE值及整层上升运动意味着此次过程具备了较好的热力、能量和动力条件。卫星、雷达资料揭示低云顶亮温发展前端高梯度区冰雹等强对流天气发生概率较大;在强风暴发展阶段存在弱回波区、低层风速辐合、风暴顶辐散、垂直累积液态水大值区;当低层偏东风转为西南风并逐渐加强时,雨强达到最强,当中低层逐渐转为西北气流,降水开始减弱。     

重庆地区夏季一次降水过程及增雨潜力的数值模拟分析

利用国家气象中心GRAPES人工增雨云系模式,选取2008年7月4日重庆地区一次降水过程进行数值模拟,分析了重庆地区降雨天气的水汽分布、云系宏微观分布、云中微物理转化和增雨潜力等特征。结果表明：本次降水大气过程中,重庆地区水汽含量极为丰富,水汽分布与地形分布呈明显的对应关系,低层水汽输送较大,整层水汽通量较高,有明显水汽辐合,云中液态水对地面降水影响很大。西南气流和地形共同作用为重庆地区液态水的形成提供了有利条件,在东北部山区迎风坡处大量水汽累积抬升,易形成丰富的液态水。重庆东北部地区水汽向云水转化较强,过冷液态水含量丰富,冰晶含量少,0℃层附近水汽垂直通量较大,降水效率较低,有较大的增雨潜力。     

多普勒雷达径向散度在迎风坡降水中的应用

以太行山东部3次迎风坡降水过程为例,分析了由多普勒雷达原始资料计算得到的径向辐合与迎风坡降水分布的关系:迎风坡降水大值区落在临近径向的辐合大值区的弱辐合区内,且降水中心落在正径向速度开始减小的边界同NE风急流相交的位置。连续分布的径向辐合越强,降水越强。同时以2004年7月11—12日过程为例说明单站径向辐合和降水率的关系:径向辐合越强,降水越强,且径向辐合变化超前于降水率变化1h以上;径向辐合持续减弱3h以上,降水率减小,直至结束。径向散度对迎风坡区域的降水预报有很好的指示作用:综合分析区域径向辐合分布和单站径向辐合随时间的变化,可以预测迎风坡降水的落区、发展及生消。     

一次鄂西地区暴雨过程中地形敏感性试验研究

利用WRF模式中提供的不同平滑地形方案对2007年5月30-31日发生在湖北西部地区的暴雨过程进行数值模拟。在此基础上,利用WRF模式进行地形高度敏感性试验。结果表明：地形平滑方案与降水的时空分布有很大的相关性,地形越接近实际地形,降水的时空分布越接近实况;地形高度对降水的强度及落区影响较大,随着山脉地形高度的增加,迎风坡和背风坡的2个降水中心带有远离山脉的趋势,当山脉高度达到一定高度以后,迎风坡和背风坡的两个降水中心带又有靠近山脉的趋势。     

06·6福建大暴雨的数值模拟及复杂地形影响试验

利用WRF（Weather Research Forecast）中尺度模式对2006年6月5-7日福建地区出现的一次大暴雨过程进行了数值模拟,根据模式输出的物理量进行了诊断分析,并通过地形敏感性试验讨论福建地形对此次暴雨的影响。结果表明：中尺度WRF模式成功模拟出了这次暴雨的雨况及高低空流场分布。这是建立在静止锋、低空切变线和低空急流等系统基础上的一次典型的华南准静止锋降水。冷暖气流在底层交汇并产生强烈的垂直上升运动,不稳定能量的释放是暴雨发生和维持的机制之一,位温的垂直分布有利于低层涡度的发展。福建北部的喇叭口地形和武夷山迎风坡共同作用,导致西南气流的转向辐合,触发了中尺度切变线和中尺度涡旋的形成,加速了上升运动和中层对流发展,有利于位于迎风坡的建瓯、邵武、蒲城等地区降水的增强。     

THE WINDFIELD AND RAINFALL DISTRIBUTION INDUCED WITHIN A SMALL VALLEY: FIELD OBSERVATIONS AND 2-D NUMERICAL MODELLING

The distribution of rainfall over small-scale topography of uniformroughness was studied both numerically and from field observations. Field data haveshown that small-scale topographic inhomogeneities (hills and valleys of afew tens of metres in height) substantially influence the rainfalldistribution over the inhomogeneity itself and also some distance downwind from it.According to comprehensive rainfall measurements carried out in a smallwatershed, windward slopes received less conventionally-measured rain than lee-sides.Moreover, on the windward slope rainfall decreased uphill, to apronounced minimum near the crest. In addition, directional raingages,situated at the bottom of both slopes revealed a pattern suggesting a reversedsurface flow on the lower slopes. This pattern persisted through a variety ofbackground conditions.To explain the observed data, a numerical simulation of both the windfieldand of drop trajectories was carried out. The windfield was generated insimulations using the Colorado State University RAMS model with a very highresolution (5 m in the horizontal). Drop trajectories were calculated usingan equation for the motion of drops in a flow field that incorporates currentexperimental results.A strong effect of small-scale topography on drop trajectories wasfound. The simulation results are encouraging and help to explain manycharacteristic features of precipitation distributions observed in fieldexperiments.     

北京地形和热岛效应对一次β中尺度暴雨的作用

针对2010年7月9日北京地区一次典型的β中尺度暴雨过程,利用常规天气观测资料、地面加密自动站资料、风廓线雷达数据以及VDRAS（Variational Doppler Radar Analysis System）提供的精细化分析资料,研究了本次过程中地形、热岛效应以及两者相互作用对暴雨的影响。研究表明：地形的抬升作用对暴雨有明显的增强作用,降水过程中有地形雨带的生成;降水前城区热岛效应明显,由此造成的风场垂直切变和边界层辐合为β中尺度系统提供了有利的触发和加强条件,边界层辐合线的位置对暴雨落区有一定的指示意义;降水在西部山前城区发生后低层偏东风与降水之间形成了明显的正反馈,是β中尺度暴雨得以维持和发展的重要机制。     

太行山地形在“7·19”华北持续性低涡暴雨中的作用北大核心

本文对2016年“7·19”华北特大暴雨进行观测分析和数值模拟,并设置了改变地形高度的敏感性试验,以探究该过程降水系统的发生发展机制以及太行山地形的作用。结果表明:(1)本次强降水过程发生在“东高西低”的有利环流形势下,受太行山地形和平原环流系统影响,低层东风急流造成强的对流性降水和低涡作用的叠置造成“7·19”华北地区持续性暴雨的维持和加强;(2)第一阶段为对流性降水,太行山东麓大气对流不稳定能量释放,大气逐渐转为稳定层结;第二阶段为低涡降水,涡度收支分析表明水平散度项和扭转项对低涡维持和发展起到了主要的正贡献,同时伴随有较强的上升运动和垂直风切变,垂直风切变的增强促使水平涡度向垂直涡度转变;(3)太行山地形在持续性暴雨中对两阶段降水、低涡和水汽的作用存在差异。地形高度敏感性试验中,地形高度增高对低层气流的阻挡和强迫抬升作用增强,使得地形降水增强,低涡路径东移,且强度增大。水平散度项使得对流层低层辐合上升运动增强,造成涡度的垂直输送,这是低涡发展和维持的重要原因之一。太行山地形阻挡截留东部平原水汽,且水汽回流加强,有利于太行山东麓水汽的输送与辐合。     

A preliminary study of the formation of precipitation systems under undisturbed conditions during TAMEX

Summary The effect of mountains on the occurrence of precipitation systems on Taiwan island is very significant, especially as mountain areas occupy about two-thirds of the land-mass. The mountains are, on average, about 3 km high. To investigate the formation of precipitation systems influenced by Pacific high pressure systems, we selected five cases (May 24, 25 and 26, June 19 and 20 in 1987) during a field program, TAMEX (Taiwan Area Mesoscale Experiment, Kuo and Chen, 1990). In all cases most of the rainfall took place in the afternoon when the level of free convection (LFC) was at about the 1 km height. If the average wind (below 3 km in height) was from the south (May 25 and 26), higher amounts of precipitation would be found along the sloped areas of western and eastern Taiwan. Rainfall also occurred in southern and northern Taiwan. If the average wind was from the southwest (May 24), the precipitation pattern was similar to that on May 25, except over the plains area in southwest and northeast Taiwan, where the amount was less. However, if the prevailing wind direction changed little with height and the average wind was from the south-southeast (June 19), higher rainfall amounts occurred from northwestern to central Taiwan. If the average wind was from the south and wind direction changed little with height (June 20), higher rainfall amounts took place in northern and central Taiwan. A nonhydrostatic model was used to simulate the formation of precipitation systems in all five cases. Simulation results indicated that the mixing ratio of rainwater could occur on the upstream side of a mountain slope and in the central mountain areas, where topographic lifting from the environmental wind and an upslope flow due to surface heating were evident. On the downstream side of the mountain, upward motion due to lee-side convergence and upslope motion from surface heating would also help rain form.With 13 Figures     

江苏一次大暴雨过程的数值模拟

采用中尺度数值模式WRF（v2．2）对2007年7月7～9日发生在江苏的一次区域性大暴雨过程进行数值模拟,对模式输出资料,利用位涡与湿位涡理论分析了这次大暴雨维持发展的机制。分析结果表明,正位涡异常区对应着强上升区,低层湿位涡负值中心对应降水中心,高层正值区的移动也能预示雨区的移动,湿等熵面的陡立面的出现致使对流不稳定发展。