重庆"9·4"特大暴雨天气过程数值模拟分析

本文利用MM5中尺度数值预报模式对2004年9月4日发生在重庆的特大暴雨天气过程进行了模拟。模拟结果表明,模拟降水的落区和量级效果较好,通过对造成此次暴雨天气的中尺度天气系统西南涡的分析,模拟结果是西南涡的强度和中心与实况分析都是一致的。结合高低层的物理量场分析形成暴雨发生条件和落区分布的物理概念模型,水汽的输送和辐合从低层到高层是沿着西南气流的方向向东倾斜,落区的分布与中高层500 hPa~300 hPa的风场辐合相关性非常好,降水强度与垂直速度的强度和上升高度有关。     

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.     

高原东侧陡峭地形对一次盆地中尺度涡旋及暴雨的数值试验

利用MM5中尺度模式,对2003年8月8~10日发生在四川盆地的一次强降水过程进行了数值模拟。分析表明:MM5模式较成功地模拟出2003年8月8~10日发生在高原东侧陡坡地形区域的四川盆地西北部的大暴雨过程。在本次暴雨过程中,中尺度涡旋有利于盆地上空正涡度输送和辐合上升运动的维持,有利于降水的维持和强降水的发生。地形对中尺度涡旋活动的影响主要表现在:复杂陡峭的地形扰动有利于中尺度涡旋的形成。保留真实地形,在青藏高原东部到盆地西部,涡旋活动频繁;降低地形高度和坡度,不仅减少了涡的个数,还减弱了涡的强度,并改变了涡的生成源地以及涡的移动路径;不考虑地形使得青藏高原到四川盆地西部涡旋活动明显减少,且涡移动速度加快;仅降低地形高度而不改变地形坡度,对该地区的涡旋活动无明显的影响;仅保留青藏高原地形,高原地区涡旋活动频繁,无地形地区涡明显减少。数值试验还表明,地形与涡旋的活动及降水的分布密切相关。     

AREM模式对"05.7"四川大暴雨的敏感性试验

利用AREM中尺度数值模式,对2005年7月8日四川盆地大暴雨天气过程进行了数值模拟,比较分析了AREM模式提供的不同降水方案、地表通量方案、地表辐射参数化方案对此次降水过程的模拟,以及对该过程中西南低涡活动特征的模拟。试验结果表明:各方案较好地反映了四川盆地西南部强降水,对其东北部的强降水模拟存在较大偏差;各方案模拟的涡度场和流场分布决定了降水区域分布;采用降水的显式云微物理过程和大尺度饱和凝结过程模拟的降水强度、低涡强度和低空急流有一定差异,后者模拟的偏强,与实况更接近;不同地表通量过程和地表辐射过程对降水、低涡和低空急流的模拟无明显差异。     

海南岛地形对局地海风降水强度和分布影响的数值模拟

利用高分辨率模式WRF对2013年5月31日发生在海南岛的一次海风降水过程进行数值模拟,通过不同地形高度及裸土化的敏感性试验,探讨了地形对局地海风降水模拟的影响。结果表明,随着海风环流的不断发展,海风锋与降水落区几乎同相向内陆推进,降水落区主要分布在岛屿西部的黎母岭山前。海南岛海风降水的强度及分布特征与当地四周低平、中间高耸的地形特点密不可分,地形在整个海风降水期间存在动力、热力作用的交替演变。11:00(北京时,下同)-16:00,降水主要由岛屿单侧海风锋引起,由于海风所经之处地形坡度较低,地形对海风的影响以热力增强为主,地形高度越大,驱动海风发展的海陆感热通量差异越大,海风环流发展越旺盛,降水强度也越大。17:00-21:00,降水主要由东南、西北向海风锋正向碰撞造成,随着海风不断向内陆传播,地形的动力阻挡作用越来越强,当地形坡度增加到一定程度时,这种阻挡作用可以迅速削弱海风环流,使降水强度减小。裸土化试验进一步表明,地形高度变化导致的以上影响依赖于下垫面的非均匀特征,地形和植被的共同作用可使地表能量的分配产生更大的差异,进而对局地降水产生较大的影响。     

一次秦岭南麓暴雨中秦巴山区地形作用模拟分析

利用NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料对2014年8月30日发生在秦岭南麓一次暴雨天气过程的成因进行了诊断分析,并利用中尺度模式WRF V3.3对此次暴雨过程进行了模拟和地形敏感性试验。结果表明:(1)500hPa西风槽,700hPa、850hPa低涡切变和副高外围西南暖湿气流是暴雨的主要影响天气系统。(2)秦巴山区起伏地形,使陕南降水增多,关中降水减少;而地形起伏大小,会影响关中地区降水落区,地形起伏越大,关中地区降水落区越偏南;若去掉秦巴山区地形起伏,陕南降水落区和强度均减小,雨带北移。(3)秦巴山区对偏南气流的阻挡,使秦岭上空形成一风速梯度大值区,造成风速和水汽的辐合,激发上升运动,产生强降水;当秦巴山区地形高度按比例降低,或去掉秦巴山区地形起伏时,均造成秦岭上空风速梯度减小,水汽辐合减弱,雨强减小。(4)秦巴山区地形对秦岭地区降水有增幅作用,地形高度和降水强度呈正相关,地形越低,层结不稳定条件越差,能量越弱,上升运动越小,雨强就越小。     

习水南部一次秋季最强降水中的地形作用

该文利用习水107个站点的降水观测数据、高空和地面形势实况资料、习水双偏振雷达数据、ERA5全球再分析资料,通过天气学统计方法,分析2021年9月12日习水强降水过程成因,并解释了地形对此次强降水的增强作用。分析结果表明：（1）此次过程发生在双台风夹击的背景下,主要影响系统有对流层中层高空槽、低空低涡切变线;（2）高空槽东移迫使低涡切变线发展加强,为此次过程提供了抬升条件,14号超强台风“灿都”外围的偏东气流减缓了低涡切变线东移速度,使得其在习水停留时间变长,同时,低空偏南气流和偏东气流的辐合为强降水的发生发展提供了热力不稳定和水汽条件;（3）雷达回波是以积云为主的混合降水回波,多对流单体活动,并有明显的“列车效应”现象;（4）由于大娄山南侧地形对对流层的气流有辐合抬升作用,对流单体在山脉南侧移速减慢、合并增强,导致降水强度和范围增大,从而形成此次强降水过程。     

豫西地形对一次强降水过程的影响分析

利用中尺度模式WRF 3.3.1模拟了2007年7月29日豫西山区强对流天气过程,并进行了地形高度敏感性试验。结果表明：模式能够很好地再现此次强对流降水过程,模拟降水范围与强降雨中心均与实况较一致。分析对比控制试验和地形敏感性试验结果可知,地形的改变能够在水平和垂直方向上影响环流形势,进而影响降水的落区和中心量级。地形升高和迎风坡梯度增大使近地面层水平风场辐合增强,中层上升运动明显增大,且低层的水汽通量增大,导致雨带横向范围和降水中心量级明显增大;而地形降低和迎风坡梯度减小使山脉对近地面层气流的阻挡作用明显减弱,低层水汽通量显著降低,中层辐合抬升运动明显减弱,迎风坡前强降水中心减弱甚至消失,而山脉下游降水则有所增强。分析地形高度与山前降水的定量关系可知,降水中心量级随着地形升高或降低相应地增大或减小,但二者并非完全的线性正相关。     

四川暴雨过程中盆地地形作用的数值模拟

利用WRF-Chem模拟了2012年7月20日一次四川盆地暴雨降水过程,并基于控制试验设置填充四川盆地地形的敏感性试验。利用大气动力-热力学和云降水物理学对两试验差异进行诊断分析,与敏感性试验相比,控制试验虽然延迟强降水出现时间,却增强了降水强度。研究表明:偏南气流自南向北经过盆地时,在四川盆地南部形成正涡度扰动中心,延迟水汽、能量到达盆地北部的时间,使强降水出现时间偏晚;地形高度及动力差异使控制试验近地面累积大量水汽、能量,低层能量到达盆地北部迎风坡后受地形抬升与正涡度扰动共同作用激发了强烈的对流;控制试验中,盆地北部大气强烈对流运动及其携带盆地内大量水汽有利于云系的垂直发展,雨滴、雪晶、霰粒子质量浓度明显增大,使降水强度增强至大暴雨量级。     

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%。     

Turbulence in Complex Terrain

Theoretical results and data are presented in order to describethe spectral modifications induced by the effects of surfaceinhomogeneity on the features of turbulent boundary-layer flows.The hill case is used by way of example, and atmospheric andlaboratory data in neutral conditions are discussed. Shear andblocking effects with different characteristics are shown to bepresent both upwind and over the hill top.     

二维地形的地形阻力

讨论了在上部稳定层覆盖的不稳定大气边界层中,二维地形扰动所引起的上层波动以及扰动速度的动量通量输送,表明在大气低层层结不稳定时,波动仍可能在大气动量平衡中起明显作用。     

修正WRF次网格地形方案及其对风速模拟的影响

复杂地形区域风场模拟的准确率一直是风能研究领域的难点和重点。WRF模式是目前风能评估领域应用最广泛的天气数值模式之一,但该模式在复杂地形区域存在对平原、山谷风速高估且对山顶风速低估的系统性误差,并有研究建立次网格地形方案以订正误差。而次网格地形方案在不同水平分辨率下常出现错误的修正结果,该文基于高精度地形高程数据分析了方案失效的主要原因,发现其方程组中判断山体形态特征的阈值-20在过低和过高水平分辨率下均失去参考性。针对这一原因,将方案中影响关键参数C_t的地形高度算子与模式水平分辨率进行拟合,形成地形高度算子与水平分辨率相依赖的线性关系,获得不同分辨率下更适合的山体形态阈值。通过与自动气象站10 m风速对比分析了修正前后WRF对低层风速的模拟效果,结果显示:修正后的次网格地形方案能够分别在较低和较高分辨率下,部分矫正原方案错误的订正结果,使低层风速模拟更接近实况。修正后的次网格地形方案可为复杂地形区域开展高分辨率风场模拟提供参考。     

Evolution of Cold-Air-Pooling Processes in Complex Terrain

Elucidating cold-air-pooling processes forms part of the longstanding problem of parametrizing the effects of complex terrain in larger-scale numerical models. The Weather Research and Forecasting model has been set-up and run at high resolution over an idealized alpine-valley domain with a width of order 10 km, to investigate the four-dimensional variation of key cold-air-pooling forcing mechanisms, under decoupled stable conditions. Results of the simulation indicated that the total average valley-atmosphere cooling is driven by a complex balance/interplay between radiation and dynamical effects. Three fairly distinct regimes in the evolution of cold-air-pooling processes have been identified. Starting about 1 h before sunset, there is an initial 30-min period when the downslope flows are initiated and the total average valley-atmosphere instantaneous cooling is dominated by radiative heat loss. A period of instability follows, when there is a competition between radiation and dynamical effects, lasting some 90 min. Finally, there is a gradual reduction of the contribution of radiative cooling from 75 to 37 %. The maximum cold-air-pool intensity corresponds to the time of minimum radiative cooling, within the period of instability. Although, once the flow is established, the valley atmosphere cools at broadly similar rates by radiation and dynamical effects, overall, radiation effects dominate the total average valley-atmosphere cooling. Some of the intricacies of the valley mixing have been revealed. There are places where the dynamics dominate the cooling and radiation effects are minor. Characteristics of internal gravity waves propagating away from the slopes are discussed.     

Turbulence Intensity Parameters over a Very Complex Terrain

Detailed knowledge of turbulence structure is important for the understanding of atmospheric phenomena in the boundary layer, especially over complex terrain. In the present study, turbulence intensity parameters are analyzed for different conditions regarding stability, wind speed and wind direction over a mountainous region. The purpose of the analysis is to verify whether the observed parameters follow Monin–Obukhov similarity theory (MOST), despite the terrain heterogeneity. The dataset was collected during an experimental campaign at the Nova Roma do Sul site, in southern Brazil, with a micrometeorological tower located near a sharp slope, approximately 400 m high. The results show that the normalized standard deviations of the vertical velocity component as well as the normalized standard deviation of temperature follow Monin–Obukhov similarity for all stability regimes, regardless of the wind direction. However the normalized standard deviation of the horizontal components of the turbulent velocity obeys the similarity relationship only for a limited range of the stability parameters.     

Underestimation of Monostatic Sodar Measurements in Complex Terrain

Recent investigations in complex terrain have found that remote sensing instrumentation commonly finds mean wind-speed differences when compared to cup anemometery. In many cases the difference is found to be an underestimation and varies from 2 to 9% depending on topology. We describe these differences in a theoretical sense for a five-beam sodar. An investigation is conducted on a New Zealand ridge with a five-beam sodar and three computational models, consisting of a potential flow model and two computational fluid dynamical simulations, OpenFOAM and the industry standard software WindSim. All models predict the difference to within 0.1–2.5%. A comparative assessment is made and it is found that, given the computing overheads, the potential flow model provides a good compromise in the prediction of mean wind-speed difference.     

复杂地形区域之大气环境容量

复杂地形区域之风场及污染物的输送,受地形影响往往是非均匀的,这类地区大气环境容量的估算也有别于平坦地形区域。本文以粤东山区之梅州市工业居民混合区为例,介绍了复杂地形条件下大气环境容量的计算方法。主要包括:1.确定地形影响下近地面之主要流型.2.合理给出模式调整前容量的初估值,以尽量减少模式调整的工作量.3.建立非均匀风场条件下的环境容量调整模式.4.通过模式调整得出大气环境容量的准确值。     

复杂地形风场的精细数值模拟

风能是一种重要气候资源,随着我国风电规模的迅速增大,发展风能资源评估系统和风功率预测系统已成为一项重要的研究内容。国内外对复杂地形风场结构的数值模拟有大量研究,随着计算机能力增强,以往用于空气动力学精细流场计算的计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模式越来越多地在气象领域得到应用,人们开始研究用中尺度预报模式和CFD模式结合进行复杂地形风场的数值模拟。本文的耦合模式系统采用中尺度气象模式(WRF),通过嵌套网格到内层尺度(一般是几公里),然后通过耦合CFD模式Fluent软件获得高分辨率(水平30~100 m,垂直150 m高度以下10 m)的风速分布资料,得到精细化的风场信息。通过对鄱阳湖北部区域和云南杨梅山复杂地形的风场模拟,提供了风能评估和预报的一种可行的方法。     

Turbulence Characteristics Over Complex Terrain In West China

Meteorological data of velocity components and temperature have been measured on a mast of height 4.9 m at one site in the Heihe River Basin Field Experiment (HEIFE) conducted in west China. Mean and individual turbulence parameters, power spectra/cospectra, phase angles and their changes withfetch downwind of a change in surface roughness were analyzed. The turbulence characteristics depend strongly on the prevailing wind direction, which in turn is associated with changes in the upwind surface roughness pattern. The results show that values of horizontal velocity standard deviations sigma;_u,v scaled with local friction velocity u under different stratifications are larger than those over flat terrain, while the values of _w/u have the same values as over flat terrain. The differences between variance values of the horizontal velocity components, u and v, over inhomogeneous terrain were found to be significantly smaller than those over flat terrain. Since energy densities of the w spectra, uw and wT cospectra at low frequencies are relatively lower than those of longitudinal velocity spectra, total energies of w spectra, uw and wT cospectra tend to be in equilibrium with the local terrain. The values of phase angles at the low frequency end of the frequency showed obvious differences associated with changes of roughness.