次网格地形动力效应参数化及其对降水模拟效果的影响

地形对气流的动力抬升作用是地形降水的重要产生机制之一, 为了在模式中考虑地形对气流的动力抬升作用, 改进模式对复杂地形区域的降水模拟效果, 本文提出了一个次网格地形动力效应参数化方案.在模式中首先利用高分辨率的地形高度资料计算出次网格格点处的地形坡度、坡向, 这些微观地形参数可以较为精细地描述次网格尺度地形信息;然后再根据地面气压与地形对气流动力抬升作用的关系, 对地面气压倾向进行次网格修正;最后利用 p-σ区域气候模式进行了三个数值试验, 检验该方案对模式模拟降水能力的影响.结果表明, 次网格地形动力效应参数化方案的引入, 对中国区域的降水模拟有明显改进, 尤其对冬、春季的降水模拟, 无论是分布范围还是中心最大强度都与实况比较接近.     

GRAPES中地形重力波拖曳物理过程的引进和应用试验

在中国新一代全球中期/区域中尺度同化与预报系统(GRAPES)模式中引进了ECMWF地形重力波拖曳物理过程,填补了GRAPES全球中期数值预报系统中物理过程的空白。重新计算了地形重力波过程需要的地形静态资料数据,并与原ECMWF模式的地形静态参数进行了对比分析,验证了模式地形参数的正确性。利用GRAPES模式,进行了地形重力波拖曳物理过程影响的敏感性数值试验;结果表明:引进地形重力波拖曳过程以后,在存在大地形的区域,风场会发生变化,当纬向风遇到青藏高原时,一部分气流会产生爬坡效应而越过高原,使高原上空的西风气流减弱;另一部分气流会绕过高原,在高原的南侧产生绕流;随着模式积分时间的延长,风场变化会越来越明显,地形越复杂,风场的变化也越复杂;连续的模式积分试验结果显示,引进地形重力波过程,可以延长GRAPES模式的可用预报时效,提高了全球形势预报的准确率。通过对一次降水过程的模拟,对地形重力波过程影响降水预报的原因进行了简单分析。结果显示:引进地形重力波拖曳过程后,改变了大气流场的分布,使预报的流场更接近于大气真实状态,从而提高了降水预报的准确率。     

爬流和绕流对山地突发性暴雨的影响

利用ERA5再分析资料和融合降水数据,针对2018年5月21-22日发生在中国四川盆地西南部的一次山地突发性暴雨,首先对其降水强度和天气概况进行相关分析,并且通过绕流和爬流方程,将流场分解为绕流和爬流分量,重点探讨地形对于过山气流的影响及其对降水的作用。研究表明:受欧亚中高纬低槽槽后西北气流引导冷空气南下和西南低涡东移的共同影响,在四川盆地西南部山区发生了一次强降水过程。此次降水范围较广、强度大并且降水时间集中,是一次典型的山地突发性暴雨事件。由于地形的阻挡作用,使得来自东北方向的气流发生旋转,产生绕流运动,在盆地内形成局地涡旋。同时盆地和盆周山地之间的地形高度差强迫过山气流产生爬流运动,导致垂直上升运动加强。在绕流与爬流的共同作用下,为此次突发性暴雨的发生发展提供了有利的流场条件。进一步分析得出地形区域内爬流分量略大于绕流分量,即气流对于山地屏障的地形适应以爬流运动为主,绕流运动次之,地形爬流产生的垂直上升运动与雨带的分布密切相关。     

特殊地形对鄂东北一次局地强降水过程的作用机制分析

基于FNL1°×1°再分析资料和来自国家气象信息中心的区域自动站与CMORPH小时降水融合产品,通过高分辨率的WRF数值模拟,本文重点分析了2015年7月22-24日期间在西南涡东移过程中,受长江中下游特殊地形影响,在鄂东北江汉平原河谷地区诱发生成的一次短时局地强降水天气过程,围绕特殊地形对局地降水增幅的作用机制展开一系列的深入研究,研究结果表明:此次局地强降水过程是在长江中下游特殊的中尺度地形影响下,配合东移西南涡前部偏南暖湿气流的输送,两者共同作用而诱发产生,此次局地降水过程持续时间短,降水增幅显著。之后,通过研究单一地形对局地降水的影响发现,大别山脉作为单一地形的作用效果为提升局地降水增幅,扩大强降水范围;幕阜山脉作为单一地形的作用效果为削弱降水增幅,缩小强降水范围。进一步深入分析上述单一地形影响降水变化的作用机制得出,大别山脉的地形作用有利于局地强降水区附近对流层低层的层结对流不稳定性增强,以及降水区近地面层冷池的维持和增强,有利于提升局地降水的增幅。而与大别山脉对局地降水作用效果不同,就幕阜山脉单一地形而言,地形对偏南暖湿气流的阻挡作用,削弱了局地强降水期间进入降水区的水汽通量,继而对局地降水的增幅有抑制作用。此外通过研究组合地形对局地降水的影响时发现,大别山脉、幕阜山脉、皖南山地,以及幕阜山脉和皖南山地之间的狭窄河谷地形共同构成的类似"喇叭口"地形,其产生的狭管效应,使进入地形区内的偏南气流辐合加强,而幕阜山脉和大别山脉之间的河谷地区,作为偏南气流从幕阜山脉东侧绕流进入江汉平原的重要通道,有效保证了强降水区域内充足的正涡度平流输送,上述有利的地形组合配置对于局地降水发展增强起到了至关重要的作用。     

台风“康森”对防城港市影响特点分析

利用MICAPS3.0常规天气图、防城港市自动站资料对第1002号台风"康森"路径及防城港市暴雨降水过程的原因进行分析,分析表明,1002号台风"康森"的移动路径和副高的位置相关;此次暴雨降水过程是由于在"康森"发生发展的整个过程中,台风附近的对流层顶部始终伴随着强的辐散流场。"康森"进入南海后,低层的西南低空急流强盛,还受稳定强大的副热带高压阻挡,台风北侧偏东气流明显加强,从而使低层台风附近气旋性的气流辐合加剧;西南季风加强有利于气流辐合上升。另外,十万大山地形抬升作用使得西部地区降水明显增幅。     

2009-08-17山东特大暴雨雷达回波及地形作用分析

利用常规、非常规资料对2009年8月17—18日山东省出现的特大暴雨过程进行分析。结果表明：＂8.17＂特大暴雨主要出现在西风槽东移、副高南退时的副高西北侧边缘,对流有效位能（CAPE）等热力环境指数对鲁南强降水有较强的反应能力。降水分布具有典型的地形影响特征,复杂山地地形对降水有显著增幅作用和对对流系统传播的阻碍作用。存在低空急流和列车效应,强回波维持时间较长是费县出现强降水的重要原因,较强的偏南气流、湿度层深厚是费县出现特大暴雨的根本原因。地形影响气流理论很好地解释了山东＂8.17＂特大暴雨降水分布,费县特殊地形对特大暴雨有很大贡献。雷达资料可以弥补常规观测的不足;地形对强降雨及其分布有重要影响。     

基于WRF模式的三峡地区局地下垫面效应的数值试验

基于WRF模式,在模式下垫面中嵌入长江水体以及改变地形高度,研究了三峡地区长江水体和局地地形在有降水和无降水事件中的局地效应.结果表明,在有降水事件中,水体下垫面为降水提供了局地水汽,同时在局地喇叭口和峡谷地形动力强迫作用下,近地面河谷风增加,偏南气流携带水汽北上,三峡地区下游段在峡谷地形的"狭管"效应作用下,河谷风偏...     

山东特大暴雨雷达回波及地形作用分析

利用常规、非常规资料对2009年8月17—18日山东省出现的特大暴雨过程进行分析。结果表明:“817”特大暴雨主要出现在西风槽东移、副高南退时的副高西北侧边缘,对流有效位能(CAPE)等热力环境指数对鲁南强降水有较强的反应能力。降水分布具有典型的地形影响特征,复杂山地地形对降水有显著增幅作用和对对流系统传播的阻碍作用。存在低空急流和列车效应,强回波维持时间较长是费县出现强降水的重要原因,较强的偏南气流、湿度层深厚是费县出现特大暴雨的根本原因。地形影响气流理论很好地解释了山东“817”特大暴雨降水分布,费县特殊地形对特大暴雨有很大贡献。雷达资料可以弥补常规观测的不足;地形对强降雨及其分布有重要影响。     

神农架林区西南坡局地暴雨过程诊断分析

神农架林区西南坡为局地暴雨灾害多发区。利用常规资料、多普勒雷达资料和区域自动站资料,分析了导致神农架林区西南坡2014年8月6日至7日夜间连续两场短时暴雨过程中MCS发生发展的天气背景及结构特征,并探讨了神农架山区复杂地形构造对西南坡暴雨的增幅作用。结果表明:1)中高层天气系统强迫弱时,副高边缘地面暖低压倒槽及850 h Pa气旋性弯曲区与辐合的发生发展可能是造成这类局地强降水天气的触发系统,地面弱冷空气的入侵有利于降水的维持和加强。2)两次局地暴雨过程均是由中β尺度对流系统影响产生的,降水历时短、强度大,雨区移动呈现局地性,具有明显的中尺度强对流系统特征,分别属前导层状云与尾随层状云中尺度对流系统型。3)第一场暴雨过程以对流降水为主,回波较强;第二场暴雨过程回波质心低且层状云特征比较突出,但维持时间相对较长,降水效率更高。4)神农架西南坡坡度大,海拔高度高,地形的动力抬升和辐合作用促使上升运动加强,地形强迫抬升作用显著不仅对局地对流触发、降水增幅有重要作用,而且会影响中尺度对流系统结构,这可能是神农架林区西南坡暴雨高发的重要原因。     

理想地形下不同云微物理方案对登陆台风降水增幅影响的数值研究

利用WRF（Weather Research and Forecasting）模式,在理想岛屿地形条件下设计了云的微物理冰相过程中水凝物中有霰和无霰的两个对比试验,考察了台风登陆时复杂冰相和简单冰相对台风移动路径、强度和降水增幅的影响。结果表明：1）云微物理过程中有霰的复杂冰相过程时,具有更强烈的云“播撒”效应,因而对台风降水具有明显增幅作用。2）当台风受到理想地形作用时,地形对云“播撒”效应引起的增幅作用具有放大作用,此时台风眼墙非绝热加热量形成明显增强中心,使得台风降水增幅明显。3）当台风登陆时,云微物理冰相过程使得台风越山时存在向西北指向的涡度变化倾向。     

2007年7月川东北连续3场大暴雨过程的诊断分析

利用常规观测资料及NCEP 1°×1° 6h再分析资料,对2007年7月上旬四川东北部连续出现的3场大暴雨过程的环流形势及动力结构、水汽输送和热力不稳定条件进行了诊断分析。结果表明：（1）前2场区域性大暴雨出现在副热带高压和巴尔喀什湖冷涡两个长波系统稳定少动的阻塞环流形势下．第3场局地性大暴雨发生在环流调整过程中,副热带高压快速东撤导致对流云团在东移过程中迅速减弱消亡;（2）暴雨的水汽主要来自南海,低空偏南风急流的维持为连续暴雨提供了源源不断的水汽输送和持续的能量供应,3场暴雨的中心均出现在位于低空急流出口区左侧水汽辐合中心的巴中地区;（3）造成严重洪涝灾害的前2场区域性大暴雨过程期间,从地面到高层形成了“辐合-辐散-辐合-辐散”接力式上下大气运动的动力结构,大气层结处于高能和对流不稳定状态,且有冷空气触发,大暴雨发生在能量锋区偏向暖区一侧。     

黑龙江省一次伴有龙卷的暖区暴雨成因分析

2014年7月19日夜间黑龙江克山出现雨强超过90 mm的短时强降水,利用常规观测资料、区域站资料、NCEP/NCAR再分析资料等对此次冷锋前部的暖区强降水成因进行分析。结果表明:(1)此次强降水出现在580 dagpm线附近,副高诱发的超低空急流为强降水提供了充沛的水汽和不稳定能量。(2)地面辐合线和地形抬升触发对流。高空急流东移,高空急流出口区左侧和辐散区与低层辐合相耦合促使对流快速发展增强。耦合消失,强降水则快速减弱。(3)低层暖平流明显,尤其地面具有暖锋锋生特征。强降水出现在不稳定层结和上升运动快速增强的阶段。(4)地面～200 hPa辐合层形成深厚的上升运动区,促使对流快速发展。(5)中尺度对流雨带沿地面辐合线生消。降水先出现在暖湿舌前部。随后,强降水产生的冷空气抬升暖湿空气形成冷锋特征的降水,由于强降水和冷空气的正反馈作用,降水持续时间长。冷空气势力最强时,伴随中尺度气旋性环流及0～1 km强垂直风切变有利于龙卷产生。(6)开口状地形的辐合作用、抬升及局地地形导致的中尺度环流风场对暖区降水的形成和维持作用显著。     

长江中下游地区暖区暴雨特征分析

利用2007到2013年5-9月间常规和非常规资料以及6 h一次的NCEP 1°×1°再分析资料,将长江中下游地区暖区暴雨按天气形势划分为冷锋前暖区暴雨、暖切变暖区暴雨以及副热带高压边缘暖区暴雨三种类型。统计表明暖区暴雨一般发生在距离切变线(锋线)100~300 km的暖区内。主要结论包括:(1)冷锋型降水强度偏弱且分布均匀,集中在5、6月;暖切变型发生次数最多且强度大,主要发生在6、7月长江中下游地区的偏南部;副热带高压边缘型发生次数最少但强度较大,发生在7、8月。暖区暴雨的发生次数及强度在大别山、皖南山区较为集中。(2)暖区暴雨中短时强降水贡献大。(3)冷锋背景下的暖区暴雨一般产生在锋前低压槽中,暴雨落区与高低空急流耦合有紧密联系;暖切变型以低层暖切变线为主要天气背景,地面常有弱静止锋,暖区对流活动与中尺度急流结构、地形强迫等因素存在较高的相关性;副热带高压边缘暖区暴雨与局地的水汽积累和对流不稳定条件的发展有密切关系。据此建立三类暖区暴雨的概念模型。     

阳江复杂地形对特大暴雨影响机理的数值研究

采用中尺度天气预报模式WRF (Weather Research Forecast)对广东省阳江地区2019年5月26日00时—28日00时暴雨事件进行数值模拟,并通过一系列的地形敏感试验,讨论地形对暴雨发生和发展的影响。结果表明:地形对暴雨的影响显著,地形的高度影响暴雨的强度和位置;与未作任何改变的控制试验相比,地形降低试验和细网格地形高度取平均试验无山脉的阻挡,阳江地区无爬流和绕流运动及相对涡度减小,南风将低层水汽和能量带到更北的位置,暴雨中心随之北抬;增高地形试验,由于山脉阻挡,更多水汽和能量堆积,以及地形的阻挡产生绕流和爬流运动,绕流有利于局地涡旋生成,爬流运动会增加垂直运动速度,正涡度中心增强,低层的水汽辐合上升凝结,造成更大暴雨。      

山东省春秋季暴雨天气的环流特征和形成机制初探

对山东省春秋季暴雨的气候特征和影响系统进行了分析, 制作了春秋季暴雨的平均环流形势图。分析了2003年春秋季两次大范围暴雨的环流特征和影响系统及暴雨期间大气的热力特征和水汽输送特征, 应用k-螺旋度和倾斜涡度发展理论, 分析了暴雨的形成机制。结果表明:4月暴雨均受气旋影响, 10月暴雨以冷锋影响居多。2003年4月17—18日为气旋暴雨, 10月10—12日为切变线冷锋暴雨。两次暴雨前都有低空偏南风急流向暴雨区输送水汽, 大气强烈增温增湿, 对流不稳定度增大, 湿斜压性增强。强冷锋南下触发对流不稳定能量释放, 产生暴雨。暴雨期间低层正k-螺旋度猛烈发展。暴雨前期中低层MPV1 < 0且MPV2 > 0, 冷锋影响期间MPV1 > 0且MPV2 < 0, 都有利于倾斜涡度发展, 增强了上升运动。     

Mesoscale numerical modeling of meteorological events in a strong topographic gradient in the northeastern part of Mexico

A series of numerical experiments were carried out to study the effect of meteorological events such as warm and cold air masses on climatic features and variability of a understudied region with strong topographic gradients in the northeastern part of Mexico. We applied the mesoscale model MM5. We investigated the influence of soil moisture availability in the performance of the model under two representative events for winter and summer. The results showed that a better resolution in land use cover improved the agreement among observed and calculated data. The topography induces atmospheric circulation patterns that determine the spatial distribution of climate and seasonal behavior. The numerical experiments reveal regions favorable to forced convection on the eastern side of the mountain chains Eastern Sierra Madre and Sierra de Alvarez. These processes affect the vertical and horizontal structure of the meteorological variables along the topographic gradient.     

北京两次重污染沙尘天气成因及动力传输特征的对比研究

应用气象、空气质量和ERA-Interim再分析资料,结合HYSPLIT后向轨迹模型和地理信息,对比分析了2018年北京两次重污染沙尘天气的成因、传输特征及影响要素等。结果表明:两次过程的沙尘源地均为蒙古国,但3月28日沙尘天气由蒙古气旋引发,传输出现折向,以东北和偏东两条路径输送入京,5月28日沙尘受低涡和发展的低压冷锋影响,为典型的西北传输路径;高空的引导气流与低层冷空气的强度以及地形是导致沙尘传输出现显著差异的主要影响因素;高空为偏西气流,低层冷平流较弱,受到山脉的阻挡,沙尘气团东移至地势较低的区域后,在气压梯度力的驱动下传输方向发生转折,以偏东路径绕流进入北京;高空的偏北气流和低层冷平流较强,沙尘气团可直接翻越山脉从西北路径入京,沙尘粒子的运移高度相对较高。     

2017年湖南一次极端降雨过程特征及成因分析

2017年6月22日-7月2日湖南出现了一次罕见的大范围持续暴雨、大暴雨过程，持续强降雨造成了重大人员伤亡和财产损失。本文利用地面常规探测资料、自动站资料和NCEP/NCAR再分析资料，对此次极端降雨过程的成因进行了分析。结果表明：（1）过程发生在单阻型稳定背景条件下，西太平洋副高较常年位置偏南，带状副高与北方冷涡对峙，导致了梅雨锋雨带在湖南摆动；（2）高低空急流加强了低层辐合高空辐散的动力作用，同时高能高湿激发了对流不稳定的产生，为大暴雨产生提供了动、热力条件；（3）水汽异常偏高，整层可降水量超过常年同期1-2个标准差，其大值区的演变与实际强降水区域对应较好；（4）湖南地形对降水有一定的增幅作用，地形坡度绝对值与降水量变化十分吻合，地形变化越剧烈降水强度越大，且在地形复杂的2个山峰之间区域通常对应着降水的峰值。     

2018年9月丹东连续两次风雹天气的多尺度对比分析

利用高空、地面等常规气象资料和多普勒雷达等气象观测资料,以及NCEP再分析资料,对丹东2018年9月连续出现的两次风雹天气进行对比分析,探讨和总结两次风雹天气过程形成、维持、发展成因的异同。结果表明：中低层切变线、强垂直风切变和辐合抬升有利于风雹天气的发生。高空冷空气的入侵方式和强度、低空急流建立、环境垂直风切变强度对风雹天气剧烈程度有重要影响。两次风雹天气过程分别为东北冷涡型和高空冷槽型,9月6日横槽转竖引导冷空气快速移动并且后方还有冷涡后部的冷空气不断补充,配合850 hPa西南急流带来充沛水汽,使得6日风雹天气现象较3日更加剧烈;两次风雹天气过程在多普勒雷达回波上的特征明显。9月3日的风雹过程由多单体线对流风暴在东移过程中逐渐演变成弓形回波,在径向速度图上有明显的逆风区;9月6日的风雹过程沿地面辐合线激发多个超级单体呈现列车效应移动,径向速度图上出现了速度模糊,有较高的垂直累积液态水含量（Vertical Integrated Liquid water content,VIL）。     

云南不同类型地质灾害的天气诱因分析

2017年6月24日和2019年9月30日云南省昭通市盐津县出现了两次严重的地质灾害,造成重大人员伤亡和财产损失。本文利用NCEP再分析资料、地面自动站观测资料及多普勒天气雷达探测资料,对比分析了两次灾害的天气诱因。结果表明:“6.24”滑坡灾害发生在夏季主汛期,是由冷暖空气长时间交汇造成的持续性降水天气导致,期间伴有几次区域性强降水过程,雷达回波以大范围层积混合云回波特征为主,对流性暴雨特征不明显。“9.30”泥石流灾害发生在大气环流突变的秋季,冷暖空气势力较弱,天气尺度系统造成的区域降水强度不大,而由局地热力作用造成的单点对流性强降水才是灾害发生的主要诱因。