盛夏杭州湾一次海风锋触发雷暴的数值模拟分析

利用常规气象观测资料、多普勒气象雷达资料、浙江省自动站加密资料、NCEP/FNL再分析资料,结合高分辨率中尺度数值模式WRF对杭州湾地区2016年7月28日一次海风锋触发雷暴天气的发生、发展演变特征进行数值模拟。结果表明:1)海风锋是此次强雷暴天气过程的主要触发系统。2)中尺度模式WRF较好地模拟出此次雷暴过程的降水和低层风场、温度场分布以及海风锋水平垂直结构。3)海风锋对局地比湿及涡度特征的加强有明显的促进作用,为雷暴的发生发展提供有利的水汽和动力条件。4)分析对流参数演变曲线的突变位置,对雷暴发生的时间有一定的指示和预报意义,杭州湾南侧单纯的海风锋也可以触发雷暴的发生发展。     

Assessment of the WRF model in reproducing a flash-flood heavy rainfall event over Korea

This study examines the ability of the cloud-resolving weather research and forecasting (WRF) model to reproduce the convective cells associated with the flash-flooding heavy rainfall near Seoul, South Korea, on 12 July 2006. A triply nested WRF model with the highest resolution of 3-km horizontal grid spacing was integrated with conventional analysis data. The WRF model simulated the initiation of isolated thunderstorms, and the formation of a convective band, cloud cluster, and squall line at nearly the right time. The corresponding precipitation simulation was also reasonably reproduced in its distribution, although the amount was underestimated. A sensitivity experiment that excludes the orography over the peninsula revealed that orographic forcing over the peninsula is responsible for about 20% increase in precipitation over the heavy rainfall region. It was identified that in addition to the up-lifting local orographic forcing to the west of the mountain range in South Korea, anticyclonic circulation due to the presence of the Gaema Heights in North Korea contribute to the confinement of convective activities in the heavy rainfall region.     

OBSERVATIONAL STUDY ON THE PRE-TROPICAL CYCLONE SQUALL LINE OF 8 AUGUST 2007 OVER THE COAST OF SOUTH CHINA

A squall line in front of the tropical cyclone Pabuk occurred in the west of the Pearl River Delta to Zhanjiang on August 8th, 2007 when the storm approached South China. The development, structure and environmental conditions for this squall line were investigated in this study, with particular attention paid to the possible connection of this squall line with Pabuk. The observational data employed in this study are from soundings, Doppler weather radars and wind profile radars. The following six major conclusions are drawn by our observational analyses. (1) This squall line developed gradually from individual convective cells, and land breeze may be responsible for the onset of the squall line. (2) The path and intensity of the squall line were modulated by the environmental conditions. The squall line propagated along the coastline, and it was stronger on the landing side of the coastline compared with the surrounding in-land regions and oceanic regions. (3) The typical characteristics of tropical squall lines were seen in this squall line, including the cold-pool intensity, vertical structure and the wake flow stratiform precipitation at its developing and mature phases. (4) The environmental conditions of this squall line resemble those of tropical squall lines in terms of deep moist air and low convection condensation level. They also resemble mid-latitude squall lines in terms of the convective instable energy and vertical wind shear in the lower troposphere. (5) Two roles were played by the strong wind around Pabuk. On the one hand, it made the atmosphere more unstable via suppressed shallow convection and increased solar radiation. On the other hand, it enhanced the land-sea thermal contrast and therefore strengthened the sea breeze and the resultant water vapor transport. The sinking temperature inversion prevented the occurrence of low-layer weak convection and accumulated convection instability energy for the development of the strong convection.     

山东半岛海风锋在一次飑线系统演变过程中的作用

2016年6月30日生成于华北南部的一次长生命期的强飑线过程，造成了山东地区大范围风雹天气。文中利用常规观测资料、区域自动气象站观测数据及雷达监测产品，分析了山东半岛复杂的海风锋特征在这次飑线系统的断裂、再组织化以及极端大风、冰雹灾害形成过程中的重要作用。结果表明:（1）初始对流是在地面冷锋辐合线上触发的弱对流，在对流系统向更不稳定区域移动时与水平对流卷相交，对流迅速发展，并组织成东西走向的直线型飑线。（2）飑线系统在平原地区继续向前移动的过程中发生断裂，这一过程与渤海湾在黄河三角洲形成的两条移动方向不同的海风锋以及飑线系统的阵风锋有关:向内陆推进的两条海风锋与阵风锋在飑线系统中段的前部相交，诱发新生单体，造成该处对流系统更快地向前传播，最终导致飑线系统断裂；与此同时，断裂后的西段风暴因低层暖湿入流被切断而逐渐减弱。（3）断裂后西段残留风暴系统出流阵风产生的新生风暴向东北方向发展，与断裂后的东段风暴的后向传播（向西南方向发展）机制相互作用，完成了飑线的再次组织化，形成了具有典型弓状特征、水平尺度更大、近似于东北—西南走向的飑线系统。（4）长生命期飑线系统造成的极端雷暴大风和最大冰雹出现在飑线再组织化初期，位于飑线系统“弓部”位置，地面极端雷暴大风是冷池密度流、后侧入流急流和水成物对应的前侧下沉气流共同作用的结果，其中与后侧入流急流几乎完全分离的、与水成物对应的前侧下沉气流在这次极端地面大风发生时可能起到了重要作用。（5）山东半岛东侧的黄海海风锋向内陆推进（东南向西北）过程中与自西北向东南移动的飑线相遇，加强了风暴前侧的抬升、水汽供给和组织化程度，为飑线的长时间维持提供了有利条件。      

渤海湾地区一次碰撞型海风锋天气过程的数值模拟分析

利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式对渤海湾地区2009年9月26日一次碰撞型海风锋天气过程进行了数值模拟分析,模拟结果较好地重现了这次天气过程以及海风锋的结构和特征。结果显示,海风锋锋后是较为深厚的对流不稳定能量和水汽高值区,锋后水汽高值区的形成源于海风的堆积和往高空输送,而锋后对流不稳定能量的产生归因于抬升凝结高度和自由对流高度的降低以及平衡高度的升高,这些高度变化则源于冷湿海风给低层大气带来的降温和增湿,其中给低层大气带来的增湿是主要影响因子。对流系统与海风锋相向碰撞时,对流系统容易进入海风锋锋后触发强对流不稳定能量形成强对流运动,同时弱对流抑制为对流运动的触发提供了有利的条件,强对流运动把海风锋锋后充沛的水汽往上输送,从而造成强降水天气。另外,对流系统与海风锋碰撞后沿着海风锋锋后移动可能更有利于对流运动的发展和维持。     

福建沿岸一次飑线过程发生发展机理分析

利用常规观测资料、NCEP/NCAR(1°×1°)的逐6h再分析资料结合ARW-WRF中尺度数值模式模拟结果对2018年6月20日发生在福建沿岸的一次飑线过程的发生发展机理进行了分析,结果表明:①本次飑线过程属于槽前型,对流层低层存在发展的低涡切变,切变南侧有冷空气南下,低空西南急流不明显,但有持续的暖湿气流输送至福建中北部地区,飑线生成于低涡南侧的沿岸附近。②飑线发展期间系统南侧低层风速不断增大且维持高的水汽输送和不稳定能量;前期对流的触发因子包括锋面对流系统的冷出流、地形的抬升以及海风锋造成的冷堆强迫抬升;后期冷出流边界与海风锋边界碰撞合并,加强了低层辐合促进了对流的发展,是飑线形成的主要原因。③飑线成熟时期地面存在中高压和尾流低压,高压后部为强烈的辐散区,风速较大;成熟时期内部存在两支气流,前向入流为低层暖湿气流在飑线前方流入并在对流云区被抬升,后向入流为中层干冷空气在飑线后方流入,在低层形成下沉运动,是地面大风形成的重要原因之一。     

一次飑线过程的数值模拟及诊断分析

利用NCAR、NCEP和FSL/NOAA等共同研制的WRF中尺度数值模式,对2009年6月3日河南地区发生的一次飑线过程进行数值模拟,并利用模式输出的高分辨率资料对该次过程进行诊断分析。结果表明:WRF模式成功地再现了高低空环流形势演变及强对流的分布发展特征,高空冷涡后部冷空气南下,近地层较暖,形成了上冷下暖的位势不稳定层结及地面辐合线是这次强对流和飑线天气过程的触发机制。强对流发生时,该地区出现的低空增温增湿、低空急流的爆发及低层急流核向东南快传、高空急流轴稳定在强对流天气发生地上空,对流有效位能积累和释放随时间的演变过程及垂直螺旋度大值中心等对此次强对流天气过程有较好的指示意义。     

2013年宁波地区一次海风锋对雷暴过程影响分析及数值模拟

利用浙江省常规气象站观测资料、地面自动站加密资料、新一代多普勒天气雷达资料、NCEP GFS分析资料以及WRF中尺度模式,对2013年7月29日发生在宁波市地区的一个局地强雷暴天气过程进行了诊断分析和数值模拟。通过对天气环流和数值模拟结果的分析发现：本次强雷暴过程发生在较稳定的大气背景下,主要影响系统是中尺度辐合线海风锋;多普勒雷达出现弱窄带回波时,对应中尺度辐合线海风锋;海风锋向内陆推进时,对应站点温度降低、湿度增大。WRF模式能较好地模拟出此次雷暴过程以及宁波地区低层海风锋环流,高空回流随时间和空间的演变特征;海风锋的锋生造成的地转强迫促使次级环流加强,在东西风辐合线西侧有垂直上升运动出现;通过与敏感试验的对比可知,海陆热力差异是影响雷暴降水强度、海风锋水平垂直环流的重要因素。     

飑线结构和强度对低层湿度和环境垂直风切变的敏感性研究

利用数值模式WRF进行二维飑线理想数值试验。通过改变初始场低层湿度和低层环境垂直风切变探讨了初始环境场对飑线在触发阶段与发展初期结构和强度的影响。低层湿度试验表明,增加低层湿度有利于初始启动阶段对流的发生从而使对流系统强度更强;飑线强度增加,对流上升运动增强,更有利于冷池前沿激发出新生对流单体,系统发展更快;同时激发更多降水,冷池强度增强。低层环境垂直风切变试验表明,在飑线触发阶段,更强的环境垂直风切变使对流主体前倾趋势更大,对对流的触发有阻碍作用;冷池和环境垂直风切变的相互作用被认为是飑线发展的重要机制,基于RKW理论,在飑线发展初期,近地面冷池相对较弱,在更弱的环境垂直风切变作用下更容易使对流结构呈直立状态从而产生更强和更深的上升运动,飑线强度增强。     

A non-hydrostatic modeling study of surface moisture effects on mesoscale convection induced by sea breeze circulation

Summary Convection and subsequent precipitation induced by the sea breeze circulations are often observed in the Florida peninsula during summer. In this study, the mechanisms of initiation and maintenance of the convective clouds and precipitation are investigated. A fully-compressible fine resolution non-hydrostatic mesoscale numerical model is used in this study. Surface energy and moisture budget were included in this model to simulate the diurnal cycle of ground surface temperature and wetness. The model also has a sophisticated boundary layer and explicit cloud physics. A sounding obtained from Orlando, Florida at 1110 UTC 17 July 1991 as part of the Convection and Precipitation Electrification (CaPE) experiment is used for initialization. The initial data for the model is kept in geostrophic and thermal wind balance. Several sensitivity tests were conducted to investigate the effects of different treatments of ground surface moisture and temperature on the model forecast of the convection and precipitation induced by the sea breeze circulations. The simulations agree reasonably well with the observations when both surface energy and moisture budget were included in the model to predict ground surface temperature and wetness. The surface moisture has a significant impact on the formation, strength, sustenance, and the location of convection and precipitation induced by the sea breezes.With 17 Figures     

大别山地形对江淮飑线发展变化及组织结构的影响研究

利用中尺度WRF模式,NCEP/NCAR再分析资料以及常规气象观测资料,对2014年7月11—12日发生在江淮地区的一次飑线过程进行数值模拟、地形敏感性试验和对比分析,研究了在经过大别山地形时飑线内部组织结构的变化特征以及地形对其发展的影响。结果表明:(1)飑线经过大别山主体时在山前加强以及过山后迅速减弱的主要原因与山前对流不稳定、上升运动大于山后有关;(2)大别山东部边缘对飑线的加强有增幅作用:当午后飑线移至大别山东部边缘时,东部边缘的谷风加强并强迫对流单体在飑线的前部新生,试验得出谷风可使低层风速最大增强6 m·s~(-1)左右,若无山谷存在时前向新生单体不再出现;(3)经地形敏感性试验得出:地形引发的大别山东部背风一侧的背风波扰动,有利于飑线内部对流单体的发展与加强,同时充沛的水汽补充,也是下山后飑线加强的因子之一。     

多云天气下海南岛海风环流结构的数值模拟

利用WRF-Noah耦合中尺度模式对海南岛2012年7月5日的多云海风个例进行三维高分辨率数值模拟,重点分析多云天气条件下复杂地形区域的海风环流结构及其演变特征。通过观测资料与模拟结果的对比发现,WRF模式能够合理地模拟出岛屿四周的海风演变特征。与少云海风日相似,多云海风日中全岛海风于12时开始形成,15时海风发展最为强盛,影响范围最广,18时全岛海风的辐合程度最强,海风辐合区是主要的潜在降水区域。对比山区与平坦地区的海风环流发现,山区海风环流强盛期为13—18时,而平坦地区海风环流强盛期为15—18时。复杂的山地对海风环流结构有直接和间接的影响:一方面在山地地形动力阻挡和抬升作用下,海风环流变得更加清晰完整,间接延长了海风环流的维持时间;另一方面局地地形热力作用形成的谷风环流与海风几乎同时产生和消亡,两者汇合后,谷风的瞬间加强会引起海风锋锋消,瞬间减弱会引起海风锋锋生;两者同相叠加会使得海风环流结构更加完整。相比之下,平坦地区的海风受到的地形动力和热力作用小,海风水平分布比较规则,海风环流垂直结构的变化主要取决于不同方向海风之间的相互作用。     

一次华南海岸带台前飑线的结构特征与环境条件的观测研究

2007年8月8日,热带风暴“帕布”移动到华南近海,在珠江三角洲至湛江以西地区出现了一次强飑线天气过程。根据多普勒天气雷达、风廓线雷达和气象探空等观测数据,分析此次台前飑线的生成、演变过程、组织结构以及环境大气条件特征,并对热带风暴“帕布”与台前飑线环境大气的关系进行初步探讨。观测和分析结果显示:(1)此次台前飑线系统是由孤立的对流单体逐渐发展而成,陆风环流的抬升作用有可能对飑线的初始生成起到重要作用;(2)台前飑线移动路径和强度受海岸附近环境条件的影响;在海岸靠近陆地一侧的强度远比内陆和海洋上强,移动路径倾向于沿海岸线平行;(3)台前飑线在发展和成熟阶段,其水平结构具有典型的尾流层云降水特征;其冷池强度和垂直结构具有典型的热带飑线特征;(4)台前飑线发生在具有深厚水汽层、对流凝结高度较低的环境大气条件中,与热带飑线的环境大气条件类似;而对流不稳定能量和低层垂直风切变强度与中纬度飑线接近;(5)热带气旋外围大风一方面使低层风切变加强,同时为环境大气提供了高层的水汽。在下沉环流区内太阳辐射使陆地明显增温,一方面使位势不稳定能量增大,另一方面也使海陆温差增大、海风环流加强,导致低层风切变进一步加强,低层水汽输送增大。下沉逆温抑制了低层弱对流的发生,为强对流的发展积累了对流不稳定能量。      

地表通量输送对飑线过程影响的数值模拟研究

使用水平分辨率20km的RSM-RANAL再分析资料和WRF模式,对2004年7月12日影响上海地区的一次飑线过程进行分析和数值模拟,结果表明:(1)雷暴发生区域的西北侧约300km处有一冷锋,地面风场辐合;中低层为一致西南急流,雷暴发生区域上空300hPa位于西风急流右后侧辐散区中;地面存在明显的温度梯度。(2)雷暴发生前浙皖交界山区处的CAPE增至1000J/kg,CIN减至30J/kg以下;杭州湾附近的CAPE值大于2000J/kg。这些地方之后均有强对流单体生成,并成为飑线的一部分。(3)WRF模式对这次飑线过程的主要特征模拟较好,包括地面风场和飑线的结构。(4)敏感性试验指出陆面过程对本次飑线过程的形成发展起了重要作用。一方面通过潜热通量输送增大边界层湿度;另一方面通过感热通量输送改变了边界层的层结结构,使得低层辐合(或抬升)比较容易释放不稳定。在强对流天气的预报中地表条件不可忽略。     

A three-dimensional numerical sensitivity study of convection over the Florida peninsula

The Florida peninsula has the highest annual number of days with thunderstorms in the United States, partly due to sea breeze convergence. A three-dimensional mesoscale planetary boundary layer (PBL) model with the E- turbulence closure is used to investigate the relationship between sea breeze convergence and convection over the peninsula for two ambient wind cases during typical summer days.It is found that the spatial and temporal variation of the sea breeze convergence zones and the associated convective activities depend to a large extent on the direction and magnitude of the ambient wind. For the case of southeasterly ambient winds, a strong convergence zone and hence significant rainfall occur primarily along the west coast of the peninsula. The convergence zone and the associated rainfall shift towards the east coast for the case of southwesterly ambient winds. These are in agreement with the observations. In contrast to the southeasterly and southwesterly ambient winds, an intense convergence zone and rainfall occur near both coastlines of the peninsula under light ambient winds.It is also found that lake Okeechobee has a substantial influence on south Florida's mesoscale weather. A cloudless region is always present over the lake at least until late afternoon due to its own lake breeze circulation. Finally, increased roughness of the land surface appears to influence the temporal and spatial variation of the convection by determining the intensity of the vertical turbulent transport of heat and momentum.     

城市下垫面对渤海湾海风锋特征影响的一次数值试验

海风锋与沿海强对流天气密切相关,而城市化发展对沿海地区下垫面的改变会对海风锋特征产生影响。鉴于此,本文利用耦合了新一代城市物理方案UCP-BEM(Urban Canopy Parameterization-Building Energy Model)的WRF(Weather Research and Forecasting)模式开展数值试验分析了城市下垫面对渤海湾海风锋特征的影响。结果显示:城市下垫面高粗糙度对低层海风风速的明显削弱造成海风锋往内陆推进距离稍减,低层辐合和上升运动减弱;城市下垫面较大的向上感热通量和较小的向上水汽通量以及高粗糙度对海风的削弱的共同作用造成冷湿海风对低层大气的降温和增湿幅度减弱;高粗糙度的城市下垫面对海风环流的摩擦力效应使得海风得到抬升,这导致了冷湿海风对低层大气的降温和增湿的垂直范围得到提升;受这些结果影响,海风锋背后低层有效位能减小,但垂直分布范围扩大,从而造成对流抑制高值区抬升,同时海风锋背后的静力不稳定区变厚,其上面的动力不稳定区则变薄,但不稳定区总厚度基本不变。     

澳门及其邻近地区海陆风的模拟

利用宾州／美国国家大气研究中心的ＭＭ５模式来模拟澳门的海陆风和珠江口的三维风场。模式设计为四重套网格,分辨率分别为 １ｋｍ,３ ｋｍ,９ ｋｍ,２７ ｋｍ。使用常规观测资料作为初始场,模拟时间为３０小时。结果表明采用高分辨率（１ｋｍ）模拟能很好地捕捉到澳门的海风和陆风。海风锋和热力内边界层也清楚可见。如果最小分辨率为３ ｋｍ,则只捕捉到海风,陆风却模拟不出来。     

不同分辨率和微物理方案对飑线阵风锋模拟的影响

为研究不同分辨率和微物理方案对飑线阵风锋模拟的影响,利用WRF中尺度数值预报模式,对2009年6月5日发生在上海的一次飑线过程分别进行了3、1、0.5 km水平分辨率和一、二阶矩微物理方案的理想试验。结果表明,模式水平分辨率和微物理方案对模拟飑线阵风锋有明显的影响。随模式水平分辨率的提高,模式模拟的飑线弓状回波结构更精细。与3 km分辨率相比,1和0.5 km分辨率模式能很好模拟出飑线后部下沉气流和前部上升气流,模拟的冷池前沿最大风速相对更接近实况。二阶矩微物理方案更能模拟出飑线弓状回波前强后弱的结构特征和飑线过境地面降温幅度,模拟的飑线移动速度、冷池面积和强度、冷池前沿最大风速和雨水蒸发率等均小于一阶矩微物理方案的模拟值。采用1和0.5 km模式水平分辨率及二阶矩微物理方案模式模拟的飑线与WSR-88D多普勒天气雷达探测实况更接近。模式分辨率的提高有利于模拟飑线的维持。对业务数值预报模式模拟飑线阵风锋而言,在计算条件允许的情况下,模式水平分辨率达1 km并采用二阶矩微物理方案可能是需要的。结果还表明,冷池前沿最大风速、冷池强度、模式底层降温幅度、飑线移动速度与雨水蒸发率存在对应的变化趋势,飑线移动速度的变化对飑线阵风锋地面大风的预报有指示意义。改善数值模式对飑线阵风锋预报性能除需关注模式水平分辨率和微物理方案外,还需关注数值模式对雨水蒸发率的模拟能力。     

华南一次飑线过程线状对流模态变异机理研究

利用高时空分辨率的地面观测资料、探空资料、NCEP再分析资料和多普勒天气雷达资料,并结合中尺度数值模式WRF分析2013年5月15日发生在广西广东地区的一次强飑线过程,着重分析了中尺度对流系统(Mesoscale Convective System,MCS)由平行型(PS)模态到拖尾型(TS)模态的转变过程及机理。结果表明,此次飑线过程发生于高层弱辐散区,500 hPa有明显短波槽东移发展,850 hPa有切变线和低空暖湿急流,地面有冷锋和低压倒槽。西侧初始对流发展为PS型MCS模态,成熟期无雷暴高压。东侧减弱的初始对流再次加强发展后与西侧PS型MCS合并发展成为TS型MCS模态。数值模拟结果显示,PS型模态具有平行于对流线的气压梯度力和加速度分量,该分量产生了平行于对流线的风分量。TS型模态中,平行于对流线的气压梯度力和加速度很小,而垂直于对流线的气压梯度力和加速度很大,正是由于平行于对流线的加速度分量的消失和垂直于对流线的加速度分量的增强促使对流线内部相对系统流场由平行向转变为垂直向,导致MCS模态由PS型转为TS型。     

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。