华南飑线升尺度增长过程中的多尺度能量相互作用分析

采用WRF模式对华南飑线的升尺度增长过程进行模拟,利用Barnes滤波将模式数据分解为三个尺度,分别代入相应的能量方程中进行计算,从能量角度研究飑线升尺度增长过程中动能和位能的变化,以及三个尺度系统能量的相互转化.研究表明:动能的变化与飑线过程中各尺度系统的演变有较好的对应,β中小尺度对流的发展对应β中小尺度系统动能的...     

华南一次飑线升尺度增长过程的机制分析

利用中国自动站与CMORPH降水产品融合的逐时降水量0.1°×0.1°网格数据集、1°×1°NCEP再分析气象资料、常规观测资料和高分辨率的WRF数值模拟资料对2016年4月13日前后发生在华南的一次飑线升尺度增长过程进行了动力和热力环境条件分析。飑线形成前,对流层高层有急流,华南位于急流入口区右侧,有利于高空辐散。高空有弱槽存在,并且温度槽落后于高度槽,有利于槽发展。近地面上有低压系统控制,并且有风场的辐合,加强了抬升运动。模拟的结果表明:WRF模式成功模拟了此次飑线升尺度过程,飑线的降水量和落区较为接近实况。与以往的飑线过程相比,此次飑线过程中,升尺度阶段有效位能较初始对流阶段要高,但是整个华南地区对流有效位能始终处于中低水平。除了天气尺度系统的影响,多种中尺条件的配合对这次飑线升尺度发展很有利。低层的垂直风切变、低位涡和较高温度递减率是触发条件,提供了一定的不稳定条件和抬升条件。低层风场转向加强,垂直风切变的方向改变,充足的水汽供应和后部入流的加深加剧了不稳定和垂直抬升运动,是促进β中尺度飑线升尺度的重要条件。冷池在升尺度阶段不明显,但冷池对维持成熟阶段的α中尺度飑线结构很重要。     

天山地形对新疆强降水天气影响的数值模拟研究

2009年5月24日夜间~26日夜间,新疆地区自西向东出现了明显的降水、大风、降温天气过程。为研究此次天气过程中天山地形的作用,本文用WRFV3.1模式对其进行了数值模拟,并通过改变天山山脉的地形高度设计了一组敏感性试验没,分析了天山地形对此次强天气过程中大风和降温的影响作用。结果表明,（1）天山山脉的地形作用是此次强降水天气过程在天山山区形成暴雨的主要原因之一;随着地形的升高,雨带在天山迎风坡一侧的带状分布特征越明显,迎风坡一侧的降水量极值越大;地形的抬升作用对暴雨在山脉迎风坡一侧的降雨量有明显的增幅作用,对其雨带分布也有显著影响;（2）天山山脉对5﹒25强降水天气过程中的西南暖湿气流有明显的分流与阻挡作用。天山山脉将西南暖湿气流分为南北两支,使北支的水汽混合比极大值减小,湿区范围增大;使南支的水汽混合比极大值增大,湿区范围增大。（3）天山山脉的地形抬升作用为5﹒25强降水过程在天山山区发生暴雨天气创造了水汽的垂直上升运动条件,对昆仑山北坡暖湿气流的垂直上升运动的也有一定的贡献作用。     

低层垂直风切变和冷池相互作用影响华北地区一次飑线过程发展维持的数值模拟

春夏季我国华南地区水汽充足,飑线可以在短时间尺度迅速增长。为探究水汽含量对飑线升尺度增长过程的影响,利用WRF模式对2020年5月11日华南地区的一次飑线进行数值模拟,分析华南飑线系统升尺度增长机制,并研究不同层次水汽的变化对其强度及结构的影响。分析显示此次飑线发生在“上干下湿”的不稳定层结中,存在高空急流与低层切变相互配合。模拟结果显示,前期广东省西南部的最大对流有效位能(MCAPE)较大,利于不稳定能量在此积累,同时此处的低层垂直风切变较大,飑线线性结构能更好地维持,随后南移与暖区对流合并,尺度进一步增长。水汽试验表明,MCAPE值主要受低层水汽的影响,低层水汽越多,雷暴高压更强,较大的MCAPE值及低层垂直风切变使得对流后向新生尺度增长,维持时间更长。减小中层水汽后地面强降水减少,对流强度减弱且很快分散为对流单体,但当飑线移动到MCAPE值大值区时又一次发展形成线性结构。因此增加低层水汽或减少中层水汽后的环境利于对流新生,但减少中层水汽后中层干空气相对而言使得线性结构难以维持。进一步研究飑线内部结构表明,垂直运动及后向入流也能影响飑线的尺度增长,此次对流系统中较强的后向入流增强了上升运动,同时形成向前的出流,造成地面大风天气。增强低层水汽后,对流后部层状云区范围更大,系统中的上升运动更强,且保持垂直,利于对流长时间维持;减小中层水汽后,对流强度减弱,回波顶高度降低。发展阶段后向入流增强,干冷空气迅速下沉,地面冷池增强,向前的出流形成大风天气。

     

区域地形影响下冷锋后飑线的数值模拟

本文设计了一个加地形并含详细边界层参数化方案的十三层有限区域细网格模式，并对1983年4月28日冷锋后方、大别山东侧干锋触发形成的近似垂直于冷锋的飑线过程进行了模拟。通过和无地形模式模拟结果的比较，表明区域地形的诱发作用是大别山东侧一类飑线形成的可能原因。文中还模拟了冷区飑线的热力、动力结构，其主要特征和观测研究的结果是一致的。     

雷达资料同化对一次飑线过程的次公里尺度数值模拟影响研究

针对2019年6月5日重庆地区发生的一次飑线天气过程,利用中尺度WRF(Weather Research and Forecasting)模式和ARPS(The Advanced Regional Prediction System)的3DVAR三维变分同化系统及其ADAS(ARPS Data Assimilation System)云分析系统,探究了不同模式水平分辨率下雷达资料同化对该飑线系统的模拟改进效果。结果表明：(1)未同化雷达资料时,模式水平分辨率从900 m提高到300 m,模式模拟结果无明显改进。(2)不同模式水平分辨率下,同化试验的模拟效果相比同化前,对于雷达回波的形状、强度和落区都有一定改善。(3)使用雷达资料同化的情况下,同时提高模式水平分辨率,能进一步优化调整模式的动力、热力及水汽条件,使得对本次飑线系统的发生发展和组织结构特征的模拟与实况更接近。     

九岭山地形对弓形飑线形成影响的模拟分析

基于GSI-3DVar同化系统,将多部多普勒雷达径向风和反射率资料同化进入初始场,利用WRF-ARW模式对2016年4月16日发生在江西省西北部的一次飑线天气进行数值模拟,以分析九岭山地形对飑线形状演变的影响及其原因。结果表明：1） 真实地形下的试验基本再现了飑线在经过九岭山东移下山过程中由直线形演变成弓形的情景,而将地形高度减半后飑线未能由直线形演变成弓形,地形直接影响了飑线形状的演变。2） 九岭山地形影响飑线系统的近地面冷池和后侧入流急流的强度,其中九岭山地形存在时,气流下山增强,飑线后侧对流层低层形成强后侧入流急流,且形成近地面冷池,有利于飑线由直线形演变成弓形。若九岭山地形不存在时,后侧入流急流明显减弱,近地面冷池强度也有所减弱,飑线未能由直线形演变成弓形。     

地形影响下四川暴雨的数值模拟分析

本文以NCEP资料为初值场对2004年9月3日到5日地形作用下四川省一次暴雨过程进行数值模拟,并在模式中加入加密的观测资料(OBS)进行模拟,结合实况对这两种模拟结果进行分析表明:前者模拟出的降水强度与实况相比有较大偏差,而后者的降水与实际更为相符,这表明加密观测资料对再现暴雨强度具有重要的中尺度信息作用.对大巴山的地形敏感性试验和诊断分析表明:大巴山地形使得西南暖湿气流所带来的水汽和热量在迎风坡堆积,从而在迎风坡和山顶出现较强的降水中心;而地形降低为"平台"后,大巴山降水中心减弱消失,说明地形对降水的落区和强度有重要影响;中尺度物理量的诊断分析表明物理量场与降水有很好的对应关系,涡度、散度的高低层配置、垂直上升运动、水汽输送的方向和强度等对暴雨的落区和强度有着决定性意义;层结稳定度分析表明大巴山降水中心以非对流性降水为主.     

地形对山西暴雨影响的数值模拟研究

为了深入研究地形对暴雨的影响,提高暴雨预报的精准度,利用逐6 h NCEP 1°×1°再分析资料和中尺度模式WRF V3.2.1,对2007年7月29-0日发生在山西南部的一次特大暴雨过程做了地形敏感性数值模拟试验,探讨地形改变后对此次暴雨过程的影响。结果表明:特大暴雨是在有利的环境场及特殊地形作用下发生的,与地形的影响密切相关。山西海拔高度和地形起伏对暴雨落区和强度有重要的影响,降低全省的海拔高度会使暴雨强度减小,落区向西北偏移。在降低晋东南太行山海拔高度的同时去掉地形起伏,则会使低空偏南暖湿气流不再受太行山阻挡,一直北上到晋中吕梁山的东侧才受地形阻挡辐合抬升,导致暴雨北移到吕梁山东侧且落区增大。地形对低层水平风场和水汽的影响也很大,改变地形会迫使近地层水平流场辐合线的位置和强度发生改变,也会改变水汽的分布。喇叭口地形对暴雨有非常大的增幅作用,破坏掉喇叭口地形之后,降水强度大为减弱。喇叭口地形对垂直环流及散度、涡度等物理量场的分布也有很大影响。     

一次华南强飑线过程的数值模拟分析

采用高分辨率中尺度数值模式WRF对2007年4月17日华南强飑线过程进行数值模拟,并利用数值模拟结果对强飑线过程进行诊断分析,探讨其触发和维持机制.结果表明,低层中尺度辐合线及切变线是本次飑线过程主要的触发系统和重要的维持机制之一,干侵入和对流性不稳定以及低空辐合高空辐散对飑线的发展和维持有着重要的作用.此外,WRF模式能成功地模拟出本次飑线过程的β中尺度结构特征,表明该模式对强对流天气系统有一定的模拟能力.     

启动对流的初始扰动对热带飑线模拟的影响

在中尺度数值模拟及数值预报中,正确的对流启动是模拟或预报是否取得成功的关键。作者针对一次热带海洋飑线过程,利用一个风暴尺度云分辨数值模式进行数值模拟,采用不同的初始扰动触发与启动对流发展,重点讨论这些不同启动对流的初始扰动对飑线演变、生命史及其成熟结构等模拟的影响。结果表明,初始扰动的结构、形态分布及其与环境场的不同配置对具有深对流的飑线生命史存在重要影响,而对飑线的成熟结构影响较小。     

华东地区一次飑线过程的数值模拟与诊断分析

本文利用ARPS(Advanced Regional Prediction System)同化多部多普勒雷达观测资料和常规地面探空观测资料,对2009年8月17日发生在我国华东地区的一次飑线过程进行高分辨率数值模拟;利用模拟输出资料,分析该飑线过程的动力和热力特征和对流线单体后向新生的环境条件。研究结果表明:(1)在飑线系统初生阶段,从飑线后部(北方)的团状对流系统的低层MCV(mesoscale convective vortex)中南下的冷空气与西南暖湿气流相遇激发强对流,促进飑线发展;随着飑线系统的发展和南移,团状强对流系统的低层MCV的气旋性环流对飑线的影响逐渐减弱,而飑线本身产生的低层冷池向外辐散的冷空气与环境场西南暖湿气流辐合成为飑线持续发展的主要动力。(2)本次飑线系统属于典型的后向新生型飑线,由4条处于不同发展阶段的对流线合并而成,对流线上对流单体的后向新生是动力和热力过程共同作用的结果,既需要一定的对流抑制能量促进对流有效位能的累积,也需要一定的环境风场垂直切变、低层风场的辐合和水平涡管向垂直涡度的转化。     

尺度适应的对流参数化方案对一次华南飑线模拟的影响

尺度适应(scale-aware)的物理过程是现代数值预报发展的一种趋势,本文针对GRAPES_Meso(Global/Regional Assimilation and Prediction Enhanced System)模式没有考虑物理过程尺度适应的现状,首先在KFeta(Kain-Fritsch Eta)积云对流参数化方案中引进了尺度适应过程,对该方案的对流时间尺度、格点垂直速度以及夹卷率进行了基于尺度适应参数化的改进。为研究尺度适应KFeta方案与原KFeta方案对不同分辨率模式模拟结果的影响,选取了一次华南飑线过程进行数值模拟和影响分析。结果表明:在3 km、5 km、10 km、20 km水平分辨率的GRAPES_Meso模式中,尺度适应KFeta方案相比原方案,对降水强度及落区分布的模拟有一定的正效果,随着模式水平分辨率提高,次网格降水减少、格点降水增多、对流层中低层夹卷略有增强,对原来存在的对流层高层及低层偏冷的偏差有一定的改进,对流活跃区域的上升气流强度、云中水凝物含量更符合真实的天气系统演变。综合来看,改进后的方案更适用于高分辨率数值预报模式,该研究结果可以为尺度适应对流参数化方案的应用及数值模式强降水预报性能的优化提供有益的参考。     

2014年3月广东一次飑线过程观测及数值模拟分析

对2014年3月31日广东省一次飑线过程进行了观测资料分析和数值模拟研究。观测资料分析表明:飑线发生在强低空垂直风切变和"上干下湿"的水汽垂直分布的环境条件下。在强盛阶段,飑线上的对流单体多表现为强降水超级单体,有明显的有界弱回波区(BWER)和回波悬垂结构。飑线前沿有明显阵风锋,后侧有弱回波通道,弱回波通道和后侧入流急流(RIJ)相对应,RIJ维持时间较长,对"弓"形回波的形成、地面大风、飑线的维持和快速移动具有重要的作用。模式输出的高分辨率资料分析表明:在减弱阶段飑线移入残留的冷池中,冷池得到加强,此时西南暖湿气流加强,飑线二次发展。成熟飑线的三维结构表现为低层为2支入流、高层为2支出流,且前侧出流速度较快,使得气流倾斜上升,容易形成悬挂回波和弱回波区(WER)。后侧入流下部(600 h Pa高度层以下)的辐散下沉气流是地面大风形成的原因。对流两侧的"涡旋串"(Vortex bunch)对冷暖空气加速入流、对流发展强度和高度以及对流的长时间维持有很大的作用。     

2007年华南一次强飑线过程的雷达回波分析及数值模拟

2007年4月17日华南发生了一次强飑线天气过程.利用常规气象资料、多普勒雷达资料分析了这次强飑线过程的成因,并用高分辨率中尺度数值模式WRF对该过程进行数值模拟.结果表明:这次强飑线过程发生在欧亚中高纬地区两槽-脊的经向环流形势下,西风槽、地面冷锋为其主要的影响系统.雷达回波显示,这次强飑线过程的雷达回波具有典型的三体散射和弓形回波特征.此外,WRF模式能成功地模拟出本次飑线过程的中β尺度结构特征.数值模拟结果显示,飑线发生的带状区域内有明显的低层气流汇合和切变以及中低层的大气对流性不稳定结构,强对流带内有东北-西南走向的气流汇合线,汇合线附近有强的辐合,辐合中心强度达-0.8x10-3s-1,表明WRF模式对强对流天气系统有一定的模拟能力.     

初始场与云微物理参数方案在飑线数值模拟中的对比研究

采用CM1模式以200 m的高精度水平网格距对一次东北冷涡下的飑线过程进行模拟,采用1 km的水平网格距进行对比试验探究网格距的影响,并通过探空资料的替换与修改研究不稳定能量和垂直风切变对飑线发展的影响。研究表明,水平网格距增大主要使系统演变减缓,强度也有一定的减弱;初始场的不稳定能量减小会使飑线减弱明显,直至无法生成;垂直风切变对飑线的形成影响较小,主要改变了飑线的结构,没有垂直风切变时形成的飑线更为松散。最后的敏感性试验研究了7种云微物理参数方案对飑线内水粒子分布的影响,发现不同的云微物理参数方案会使水粒子的含量和分布出现变化,进一步影响固、液态的降水,飑线模拟采用的NA方案高层冰和雪含量最高,但由于雨和降落到地表的雹、霰含量低,使得累计降水量最小。     

A Modeling Study on the Mechanism of Convective Initiation of a Squall Line over Northeastern China

High-resolution numerical simulation results of a squall line initiated along a convergence zone in northeast China on 26 June 2014 were presented in this study. The simulation was performed by a convection-permitting model with coarse and fine grids of 4 and 1.33 km, respectively, and the simulation results were validated against the observation. Results showed that the simulation adequately reproduced the life cycle of the squall line, which allowed detailed investigation of the mechanism of convective initiation in this case. The synoptic condition was favorable for convective initiation and the convection was triggered in a convergence zone, where a branch of dry and cold air and a branch of moist and warm air collided. The water vapor flux divergence was inhomogeneous and some cores of water vapor convergence existed in the convergence zone. These cores were the spots where water vapor converged intensely and the air there was forced to rise, creating favorable spots where the convection was initially triggered. A series of quasi-equally spaced vortices near the surface, which themselves were the result of horizontal shear instability, were accountable for the inhomogeneity of the surface water vapor flux divergence. These vortices rotated the moist air into their north and dry air into their south, thus creating more favorable spots for convective initiation in their north. After initiation, the updraft turned the horizontal vorticity into vertical vorticity in the mid-level. The vortices near the surface collaborated with the vorticity maxima in the mid-level and enhanced the development of convection by providing water vapor.