六盘山区一次典型暴雨过程的地形敏感性模拟试验

基于WRF(weather research and forecasting)中尺度数值模式,对2018年7月10日六盘山区一次典型的暴雨天气过程进行模拟,分析此次过程的动力场、水汽场、云降水微物理结构的演变特征,通过改变模式初始场中六盘山地形高度进行敏感性试验,对六盘山地形影响该地区降水机制进行讨论。结果表明:蒙古冷涡底部冷空气和副热带高压西侧暖湿气流在六盘山区交汇配合低层700 hPa切变线辐合抬升导致此次暴雨过程;控制试验较好地模拟出雨带的分布范围、强降水中心位置及动力场结构特征,在降水发展和旺盛阶段,东南暖湿气流受地形强迫抬升和地形绕流共同影响,六盘山西坡和东坡均为上升气流,配合700 hPa切变线系统在六盘山山脊处上升气流汇聚加强,将云水带到负温层形成过冷水,云水、冰晶、雪和霰在0℃层至-40℃层之间共存,有利于冰相粒子碰冻增长和贝吉龙过程发生;地形敏感性试验发现改变地形对降水落区范围影响不大,而地形增高使六盘山区降水量级显著增大,尤其强降水更多集中在迎风坡一侧(山脉东侧),地形强迫抬升作用使得上升气流和水汽的垂直输送进一步加强,云中冰相过程发展充分,过冷云水为雪和霰的增长提供有利条件,因此使得地面降水增多。     

伊犁地区一次罕见特大暴雨中尺度系统的数值模拟

利用自动气象站观测资料、FY-2G卫星TBB资料和NCEP/NCAR再分析资料,针对2016年6月16—17日伊犁地区的一次罕见强降水过程,在天气形势和中尺度系统分析基础上,借助WRF模式高分辨率模拟资料对强降水的形成过程进行细致分析。结果表明:中亚低槽、高空偏西急流、低空切变线和辐合线是此次强降水过程的主要天气系统。多个中尺度云团受伊犁北部天山地形抬升作用,长时间维持在沿天山地区,并持续产生强降水。模拟结果显示,不断移至北部沿天山地区的中尺度对流单体是造成此次伊犁地区强降水的直接中尺度系统,其发生发展与低空急流、低层风场辐合和地形有密切关系。低空急流增强引起动力辐合增强,触发不稳定能量释放,加之地形抬升,使得垂直运动维持并快速发展,并在有利的水汽条件配合下引发低层辐合线附近对流系统加强,导致伊犁北部沿天山地区出现强降水。     

不同云微物理方案对青藏高原一次强降水的模拟影响分析

利用WRF模式中三种云微物理参数化方案(Lin、Eta和WSM6)对青藏高原一次强降水过程进行模拟试验,将模拟降水结果与实测资料进行对比,以评估不同云微物理参数化方案对该区域降水过程的模拟性能。结果表明:三种方案均能够模拟出此次降水天气过程的发生,但在主要降水区域和降水强度两方面仍与实测资料存在偏差;在水凝物方面,三种方案对冰粒子的模拟较接近,Lin和WSM6方案模拟的雪粒子差异较大,但霰粒子无明显差异。进一步对比分析了Lin和WSM6方案模拟的云微物理转化过程,结果表明:这两种方案都表现出了霰向雨水转化的特点。在Lin方案中,通过水汽向霰粒子凝华、霰碰并水汽凝华生成的雪粒子以及霰碰并云水这三种过程生成的霰粒子最终融化为雨水。而在WSM6方案中,一方面水汽凝结成云水,云水被雪和霰粒子碰并收集转化为霰,之后霰融化为雨水;另一方面水汽凝华为冰粒子,一部分冰转化为雪,雪直接融化为雨水或转化为霰融化为雨水,另一部分冰转化为霰,霰融化为雨水。      

中亚低涡背景下阿克苏地区一次强降水天气分析

为了加强对新疆暴雨过程的中尺度系统发展机理的认识,利用美国环境预测中心的FNL、欧洲中期数值预报中心的全球再分析资料、中国气象局提供的地面自动气象站观测资料、中国国家卫星气象中心提供的卫星辐射亮温（TBB）资料及WRF高分辨率数值模拟对2013年6月17—18日发生在新疆阿克苏地区的一次暴雨天气过程进行分析。结果表明,此次降水过程是发生在中高纬度“两脊一槽”的环流形势下,中亚低涡为这次暴雨的发生提供了有利的天气尺度动力及水汽条件;中亚低涡环流与天山南脉特殊地形造成的气流绕流叠加生成的中尺度辐合线是此次强降水的重要中尺度影响系统,山谷地形热力性质差异造成的下坡风推动辐合线移动,辐合线上发展的强对流引发了阿克苏地区的强降水。WRF模拟结果能够基本再现本次天气过程的降水落区、强度以及风场演变等。结合观测以及模拟资料进行的初步分析显示,西天山的阻挡导致偏南风在西天山南坡山谷附近产生堆积和辐合,山谷附近有局地的地形辐合线形成。同时,随着大尺度环流形势的调整,中亚低涡移动至阿克苏地区附近后,低涡南部的偏西气流一部分直接越过西天山变为西北风,另一部分穿过伊犁河谷转为东北风,这两支气流共同加剧了天山南脉阿克苏地区的偏北气流,促进了西天山南坡山谷附近中尺度辐合线的加强。辐合线以东的偏东气流带来的水汽在天山南脉前堆积,随着夜间山谷下坡风的增强作用,中尺度辐合线在向东南方向推进过程中不断发展加强,配合山脚堆积的水汽和辐合抬升,不稳定能量释放,对流发展,为阿克苏地区带来强降水天气。      

西安致灾短时暴雨中尺度与动力指数特征

基于同化多普勒雷达资料的WRF模式、地面加密观测、卫星云图和NCEP再分析资料等,分析总结2015年8月3日、2016年7月24日西安两次致灾短时暴雨过程环境条件、中尺度系统及动力因子指数特征。结果表明:关中处于稳定少动的西太平洋副热带高压西北边缘,上干下湿、午后低层大气超绝热状态,为短时暴雨提供了热力条件。西风槽与近地层切变线是暴雨直接影响系统。伴随冷锋过境,午后西北方向咸阳、铜川一带地面偏北风跃增是短时暴雨有利触发因子,强降水位于地面3 h正变压中心至东侧大梯度区附近。短时暴雨对流云团距离北部高空急流相对较远,无斜压叶状云系特征,降水对上升气流拖曳作用明显,云团TBB中心降至-65 ℃以下后,周边出现最大雨强。暴雨云团内部,霰粒子含量最大,冰粒子比其他粒子偏少一个量级以上,最强上升运动在霰粒子中心上方-30 ℃层附近、接近雪粒子中心;伴随整层雨水、霰和雪粒子含量5倍以上突增出现短时暴雨,雪粒子比雨水、霰粒子开始增多时段偏晚约1 h,其含量峰值与最大雨强同步。两次短时暴雨环境条件和中尺度特征差异明显。“0803”过程为切变线冷区暴雨,高空西风急流范围大、位置偏南,西太平洋副热带高压较弱,西风槽后偏北冷空气活跃,偏南水汽输送弱,关中地区中下层存在明显能量锋区和对称不稳定;云团内部冰相粒子明显偏多,雪粒子相对霰粒子占比偏高,冷空气入侵有利于冰相粒子快速生长;暴雨位于能量锋区和对流云团边缘、TBB最大梯度区附近。“0724”过程为切变线暖区暴雨,高空急流范围小、位置偏北,西太平洋副热带高压强盛,偏北冷空气弱,偏南水汽输送明显,关中地区中下层为位势不稳定;云团内部冰粒子偏少,雪粒子相对霰粒子占比低;暴雨位于对流云团内部、TBB中心附近。定义的垂直螺旋度指数VHI和散度垂直通量指数DVFI对暴雨落区预报具有较好的参考价值:大暴雨位于动力指数异常大值中心趋于集中且稳定少动的区域附近,动力指数小于200、中心分散且大值持续时间短的区域,降水不明显。      

基于WRF模式的雅安暴雨数值模拟研究

利用WRF模式对2010年8月21日发生在雅安地区的一次暴雨过程进行了数值模拟。对比分析模拟和实况发现,WRF模式较好的模拟了此次降水过程的时空分布,人而利用模式输出的高时空分辨率模拟资料对此次暴雨进行诊断分析。结果表明,青藏高原地形的阻挡作用使副热带高压西南缘的暖湿气流持续向四川盆地输送,在雅安地区上空700 hPa形成气旋性环流中心;主要降水时段内强降水中心从低层到高层均出现了强烈的上升运动,以及暴雨中心上空维持着高层辐散、低层辐合,高空为负涡度、低空为正涡度,且随暴雨过程发展对流层正涡度的加强作用为暴雨的生成和维持提供了有利的动力条件;对流层中低层接近饱和的空气、强烈的水汽输送以及水汽通量散度高低层的配置,为本次暴雨提供了充足的水汽条件;对流层低层大气存在明显的不稳定层结,中层为中性层结,这种对流性不稳定的维持为暴雨天气的发生提供了热力条件,有利于强降水过程的形成。     

西北地区东部夏季一次典型暴雨的分析和数值模拟

利用地面区域站降水量资料、NCEP FNL再分析资料、风云卫星数据产品以及WRF数值模拟结果,对2013年7月7~9日发生在西北地区东部的一次暴雨过程进行诊断分析。结果表明:此次暴雨是一次典型的副热带高压(简称副高)西北侧西南气流型暴雨,西风槽和高原槽发展东移,配合副高外围的西南气流及低层低涡切变是造成此次暴雨的主要影响系统。高低空急流的耦合、充沛的水汽聚集、较强的动力作用以及大气层结的不稳定等对此次强降水的发展起到促进作用。WRF模式对此次复杂地形下的暴雨有较好的模拟能力,模拟的降水与实况相吻合,风场、比湿、涡度、CAPE、垂直速度等物理量对此次降水过程有较好的反映。低层气流经喇叭口地形时被抬升并辐合,再配合丰富的水汽场,使得降雨过程得以维持和发展。     

2012年7月21日北京特大暴雨的多尺度特征

本文采用观测和NCEP分析场资料对2012年7月21日发生在北京地区的特大暴雨过程的天气形势、水汽来源和中尺度对流系统的特征进行了研究。结果如下:“7.21”北京暴雨过程是高低空与中低纬系统共同配合的结果,暴雨发生在“东高西低”的环流形势下,低涡、切变线、低槽冷锋和低空急流为此次过程的主要影响天气系统;孟加拉湾至西太平洋地区热带辐合带(ITCZ)活跃,其中热带气旋的活动有利于水汽向东亚大陆输送,此次暴雨过程中华北地区的水汽源地包括孟加拉湾和我国东部的渤海、黄海等,低层的水汽主要来自东部,中层的水汽主要来自孟加拉湾;北京的强降雨有两段,第1段降雨虽然发生在冷锋前,但有明显冷空气的侵入,并与地形和东风的作用有关,第2段降雨对流的组织和增强与冷锋强迫相关。在有利环境下,中尺度对流系统频繁发生发展,持续时间长,且稳定少动是此次特大暴雨形成的重要原因。     

六盘山地区一次低槽低涡云系结构及其降水机制的数值模拟研究

六盘山是西北重要的水源涵养林基地,干旱少雨制约了该地区农业和经济发展。作为该地区人工增雨技术研究的基础,本文利用WRF模式对2018年8月21日发生在宁夏南部六盘山区的一次降水天气过程进行了数值模拟。根据模拟结果结合实测资料,分析了造成此次强降水过程的有利环流形势场,重点讨论了山区降水云系的微物理结构以及降水形成机制。结果表明:降水是在高空槽配合低涡的动力场作用下形成的,受六盘山地形的阻挡作用,低层低涡系统移速落后于高空槽;垂直方向上云系呈现“催化—供给”的分层结构,但在云系不同部位,各层水凝物配置不同,导致冷暖云过程对降水的贡献差异;六盘山东部迎风坡降水强于西坡。霰粒子融化和云水碰并是地面降水的主要来源;碰冻过冷雨水是霰增长的主要过程。迎风坡云水层深厚,含水量高,一方面促进过冷层中霰粒子的碰冻增长过程,一方面为雨滴碰并增长提供充沛的云水条件,即同时增强了冷暖云降水过程。地形对云的发展和降水的形成有明显影响,当降低地形高度后,云水量减少,暖云过程减弱,同时也影响了霰粒子的增长过程。     

江西2012年5月12日大暴雨过程水汽输送分析

利用NCEP 1°×1°再分析资料、常规气象观测资料和WRF中尺度数值模式,对2012年5月12日江西出现的大暴雨天气水汽输送的过程进行分析。结果表明,从大尺度分析,此次暴雨过程的水汽输送特征并不典型,比湿、水汽通量、水汽通量散度、整层水汽输送等均不能满足江西出现暴雨时应该达到的水汽条件;但模拟的中小尺度水汽指数能够满足江西发生暴雨的水汽条件。此次暴雨过程的水汽主要来自南海地区。暴雨出现的区域与整层水汽大值区的水平梯度最大处相吻合。当整层水汽输送值较小时,水汽输送主要集中在中低层,但当整层水汽输送值较大时,水汽输送的高度高度超过500 hPa高度层,仅分析500 hPa高度层以下的水汽输送对暴雨预报会造成一定的误差。     

新疆西部一次大暴雨形成机理的数值模拟初步分析

2016年7月31日至8月1日新疆西部发生了一次罕见的大暴雨过程,利用常规观测资料、FY-2G卫星TBB（Black-Body Temperature）资料和NCEP/NCAR（1°×1°）再分析资料,在天气尺度环流背景和中尺度系统分析的基础上,利用WRF（Weather Research and Forecasting）模式对此次大暴雨过程进行了高分辨率数值模拟,利用模拟资料对大暴雨的形成进行了分析。结果表明:此次暴雨发生在稳定维持的"两脊一槽"环流形势下,巴尔喀什湖低槽、高空偏西急流、低空偏东急流和近地面辐合线是造成此次大暴雨过程的主要天气系统。中尺度云团沿近地面的辐合线在天山迎风坡附近不断生成,云团生成后,在向东北方向移动过程中,经过伊犁地区上空时,受天山地形抬升影响不断发展增强,造成伊犁地区出现持续性较强降水。天山迎风坡附近持续较长时间的辐合线是造成此次新疆西部大暴雨的直接中尺度系统,其生成与低层风场辐合、低空急流和地形均有关系。低层辐合引发的垂直运动在地形迎风坡附近加强,风场辐合及地形抬升共同导致强垂直运动发展并维持,类似于"列车效应",不断生成的尺度更小的对流系统沿着辐合线持续移过新疆西部的伊犁地区,是该次暴雨持续的重要原因。     

夏季东天山中段一次强对流天气过程的数值模拟

利用常规气象观测资料、区域自动站观测资料和FY-2D卫星逐时TBB资料,采用WRF中尺度数值模式,对2011年夏季发生在东天山中段一次强对流天气过程进行数值模拟和诊断分析,研究了天山特殊地形对降水过程的动力结构、水汽输送和云降水微物理机制的影响。结果表明,西风气流东移时受东天山的阻挡,气流从东天山南北两侧绕流,北侧急流经博尔塔拉谷地越过北天山西段后,急流右侧气流反气旋转向形成北支气流;南侧急流遇吐鲁番地区反气旋系统阻挡而转向北进形成南支气流。两支气流受地形动力抬升在东天山中段北坡汇合,为此区域局地强对流降水的形成和发展提供动力条件,北支气流为主要的水汽供应源。高空西南气流引导的冰相云系与低层局地对流云在东天山中段北坡结合,分别持续提供冰晶和云水,促使云微物理过程发展旺盛,致使局地暴雨过程产生。     

四川地区一次暴雨过程的观测分析与数值模拟

本文首先利用多种资料,对2010年8月18~19日四川地区一次引发了泥石流次生灾害的暴雨天气过程开展了观测分析,进一步利用中尺度模式WRF对此次降水过程开展了高分辨率数值模拟,并利用模拟资料对暴雨过程进行了初步诊断分析。结果指出:(1)此次暴雨过程具有强降水持续时间短、短时降水强度大、局地性强等特点,在空间和时间上都具有明显中尺度特征;强降水主要发生在汶川—雅安断裂带陡峭地形附近,与地形关系密切;(2)中高纬度“两脊一槽”环流形势及其缓慢变化、副热带高压(简称副高)与高压脊叠加形成“东高西低”形势,为此次暴雨天气过程提供了有利的大尺度条件;西南涡的发展加强及其与副高西侧边缘强风速带的相互作用,增强了川西陡峭地形的抬升效应,促发暴雨发生;而四川盆地中多个中尺度云团的发生、发展与暴雨的发生直接相关;(3)WRF模式较好地模拟再现了此次降水过程,模拟结果初步诊断分析显示,在四川盆地复杂地形及大尺度环流背景发展和演变的影响下,稳定层结盖的进退、低层东南风的加强和减弱以及不稳定能量的累积与释放控制着暴雨过程的发生与结束。     

不同云微物理方案对“7.21”特大暴雨模拟的对比试验

利用中尺度数值模式WRF v3.5.1中的17种不同云微物理过程参数化方案,对2012年7月21—22日北京特大暴雨过程进行了对比试验。模拟结果表明:不同云微物理方案对不同量级降水的模拟效果各有优势。NSSL 1-momlfo方案对中雨和大暴雨两个等级降水的模拟效果最好,降水中心值最接近实况;Eta(Ferrier)和Kessler方案分别对大雨和暴雨等级降水的模拟效果最好。总体上,能够较好地模拟出本次特大暴雨过程的方案依次为:NSSL 1-mom、NSSL 1-momlfo和Milbrandt 2-mom方案,而WDM6方案的模拟效果最差。云中水成物演变特征表明,模拟较好的方案中液态水、云冰和霰的含量较多,且随时间演变与地面降水强度的变化相一致。另外,模拟较好的方案中冰相粒子多,过冷水的范围大、含量高,有利于各相态粒子相互转化,促进冰相过程发展,致使降水量增多。     

天山南坡暖季暴雨过程的水汽来源及输送特征

利用1981—2020年5—9月天山南坡16个气象站逐日降水资料和NCEP/NCAR GDAS再分析资料,分析天山南坡暖季暴雨过程的环流形势,并采用HYSPLIT模式,模拟追踪水汽源地及输送特征。结果表明:天山南坡暖季暴雨主要发生在南亚高压双体型、500 hPa以上西南急流(气流)、700 hPa切变辐合以及天山地形辐合抬升的重叠区域。水汽主要源自中亚、大西洋及其沿岸、地中海和黑海及其附近,经TKAP(塔吉克斯坦、吉尔吉斯坦、阿富汗东北部、巴基斯坦北部和印度西北部)、南疆、北疆关键区,分别从偏西、偏南、偏北通道输入暴雨区,700 hPa以上偏西通道、以下偏北通道占主导地位,且贡献最大的是南疆关键区。源自中亚的水汽主要输送至暴雨区700 hPa及以下,对暴雨的贡献较大,且沿途损失较大;源自大西洋及其沿岸、地中海和黑海及其附近的水汽主要输送至暴雨区700 hPa以上,对暴雨的贡献较小。另外,中低层还存在源自北疆、南疆、北美洲东部、蒙古的水汽。基于上述特征,建立了天山南坡暖季暴雨过程水汽三维精细化结构模型。     

天山南坡暖季暴雨过程的水汽来源及输送特征

利用1981—2020年5—9月天山南坡16个气象站逐日降水资料和NCEP/NCAR GDAS再分析资料,分析天山南坡暖季暴雨过程的环流形势,并采用HYSPLIT模式,模拟追踪水汽源地及输送特征。结果表明:天山南坡暖季暴雨主要发生在南亚高压双体型、500 hPa以上西南急流(气流)、700 hPa切变辐合以及天山地形辐合抬升的重叠区域。水汽主要源自中亚、大西洋及其沿岸、地中海和黑海及其附近,经TKAP(塔吉克斯坦、吉尔吉斯坦、阿富汗东北部、巴基斯坦北部和印度西北部)、南疆、北疆关键区,分别从偏西、偏南、偏北通道输入暴雨区,700 hPa以上偏西通道、以下偏北通道占主导地位,且贡献最大的是南疆关键区。源自中亚的水汽主要输送至暴雨区700 hPa及以下,对暴雨的贡献较大,且沿途损失较大;源自大西洋及其沿岸、地中海和黑海及其附近的水汽主要输送至暴雨区700 hPa以上,对暴雨的贡献较小。另外,中低层还存在源自北疆、南疆、北美洲东部、蒙古的水汽。基于上述特征,建立了天山南坡暖季暴雨过程水汽三维精细化结构模型。     

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%。     

"99.8"山东特大暴雨形成机制的数值模拟分析

利用双重嵌套的非静力数值模式MM5V3,成功地模拟了1999年8月11~12日山东诸城发生的特大暴雨。利用模式输出的高时空分辨率资料,对这次暴雨天气及中尺度低涡的形成机制进行了诊断分析。结果表明,这次特大暴雨是在弱冷空气侵入台风低压环流,热带辐合带北伸的形势下形成的;倾斜涡度发展是特大暴雨及中尺度低涡产生、发展的重要机制,鲁东南有利的地形对中尺度低涡的形成具有重要作用;台风低压倒槽顶部的强辐合作用首先触发上升运动,产生强降水,强降水位于低层气旋性暖式切变最明显的地方;强降水释放的凝结潜热使高层气层增暖,高层辐散加强,引起低层中尺度低涡强烈发展,导致降水增幅。可见,CISK机制是特大暴雨和中尺度低涡加强的另一种机制。     

川贵渝复杂地形下横槽诱发双涡贵州暴雨过程的数值模拟

青藏高原大地形作用下,西南复杂地形区暴雨天气预报是一个十分重要和困难的科学问题。应用西南区域数值预报业务模式,结合业务常规观测和非常规观测资料,分析了2014年7月15日至17日发生在四川、贵州和重庆复杂地形下的一次由横槽诱发双低涡的贵州暴雨过程,得到:西南区域模式对这次暴雨过程的数值模拟结果与再分析资料有较好的对应关系,尤其是重现了降雨的落区、强度以及盆地涡与贵州涡的发生、发展过程。在暴雨过程中,两低涡垂直发展深厚,上升运动均伸展至对流层顶。涡度收支方面,盆地涡的发展主要源于涡度方程的散度项,而贵州涡的发展除了受散度项的显著影响外,平流项也起着重要作用。由于川渝盆地—云贵高原交界处地形、云贵高原横断山脉延伸区局地地形的作用,区域大气气旋式旋转的加强发展诱发了盆地涡和贵州涡。热力结构上,盆地涡的发生、发展在冷、暖气流交汇辐合区域内,而贵州涡则生成在暖区中,其降雨及加强更多地受到动力过程的影响。川渝盆地—云贵高原特殊的北低南高地形使高纬度干冷气流与低纬度暖湿气流交汇,形成强的上升运动,引发了盆地涡发展及其暴雨天气。云贵高原贵州特殊的西高东低地形导致来自低层的暖湿气流只能沿横断山脉边缘绕流,进入贵州西部的偏南气流与来自盆地涡西侧的偏东北气流汇合作用形成贵州涡,引发贵州暴雨天气。因此,局地地形与环流的相互作用是贵州涡生成及其引发暴雨过程的重要原因。