基于多雷达观测和数值模拟的中天山北坡夏季降水过程研究

基于微雨雷达、Ka波段云雷达、C波段天气雷达和微波辐射计等仪器的观测资料对2019年7月27日中天山地区一次局地对流云降水过程的精细结构及演变过程进行分析,并结合WRF高分辨率数值模式模拟结果研究了热力不稳定结构及风切变层对云发展的影响。结果表明：此次降水过程中天山北坡区域受到地形热力强迫,形成爬坡气流,并与翻越天山山脉的偏南气流在局部形成对流;雷达观测发现,由于天山山区受到高空西风的控制,局地产生的对流云团不足以突破中天山北坡上空的风速较大的西南气流或偏西气流,低层的偏北气流被高层气流夹带而转向形成风切变层。降水发生后,低层对流云团被限制在风切变层以下,云顶平整且高度较低,风切变层对对流云团存在明显的抑制作用。通过分析模拟结果,此次降水过程中风切变层对中天山北坡降水云的发展及热力不稳定变化影响十分重要,高层西南风对相当位温的平流输送使得风切变层上空更倾向于热力不稳定,同时使其下方更倾向于热力稳定从而抑制低层对流而促进高层对流的发展。当低层对流云团强度不足以突破其上空因垂直风切变导致的稳定层结,对流便会被局限于垂直风切变层以下,使得降水强度减弱。     

有地形存在时对流云发展的数值模拟研究

本文通过应用地形转换坐标，建立了一个能够模拟复杂地形上对流云发展的二维非静力的弹性模式，并对以下几个方面进行了模拟实验：首先对初始环境场的调整适应过程进行了模拟研究，得到：在有对流云发展的情况下，只要调整适应时间大于一个浮力振荡周期（即２π／Ｎ），则此时间尺度的大小只对对流云的发展强度产生影响，而对其发展的趋势影响不大。然后我们对下述过程进行了模拟：①地形抬升对积云的触发作用；②上坡环流对已发展对流云的加强；③下坡环流对已发展对流云的减弱。模拟结果表明，模式是稳定的、可靠的。上述模拟研究为我们今后深入开展强对流云数值模拟工作打下了基础。     

发生短时强降雨的对流云合并作用分析

利用静止气象卫星、新一代多普勒天气雷达、地面、wrf数值模拟和LAPS再分析资料,对2013年6月30日皖南山区一次短时强降雨过程中的对流云合并现象进行了观测和分析。综合观测显示,这是一次由三个强弱不同的对流云先后发生合并的过程;强弱不同或强度相当的两对流云合并后的新对流云系统短时间内强度是增强的。分析认为,山区夏季对流云合并发生在水平垂直风切变及垂直涡度增大的湿斜压不稳定增强的环境中;对流云合并过程中伴有中气旋、地形涡等中γ系统形成,中气旋与地形涡系统内的强烈垂直运动导致低层形成辐合的垂直环流是山区短时强降雨触发机制。     

2016年7月华北特大暴雨过程河北南部垂直风切变观测特征

利用气象观测站小时雨量、不同探测手段得到的高空风资料，对2016年7月19—20日华北特大暴雨过程中河北南部降雨不同阶段水平风的垂直变化特征进行分析。结果表明：（1）在河北南部，太行山沿山一带到山前平原、平原东部分布着两片短时强降雨区，而前者强度更强，体现了地形迎风坡对降雨的增幅作用。（2）本次过程中，三种探测手段计算的深层垂直风切变具有一致的变化规律。西部山区和山前平原降雨显著增强阶段，环境风维持强深层垂直风切变，相应的u风差也显著增强，利于迎风坡降雨增强；降雨结束时，深层垂直风切变为弱垂直风切变。（3）强降雨阶段，水平风垂直切变矢量基本上呈现单一方向顺时针切变，且低层风垂直切变较大；降雨结束阶段，水平风垂直切变矢量方向变化复杂。（4）太行山脉高度以下的东风不断增强，最大东风分量达到8～28 m?s-1，利于山区和山前降雨的增强。     

长春地区对流云起电过程的数值模拟

在三维强风暴动力和电耦合数值模式的基础上,考虑了粒子直径及降落末速差对转移电荷的影响,把非感应起电参数化方案作了进一步改进,对长春地区两次不同强度、不同环境风切变的对流云内电荷累积和电场发展过程进行了模拟分析。结果表明,对流云上升气流达到极大值时,较强和较弱两块云分别具有三极性和反偶极性电荷分布结构。垂直上升气流是表明电场发展强弱的重要参量。对发展强烈的对流云,较强的上升气流使霰和冰晶在云体的中上部维持较长的时间．存在感应和非感应起电的跃增。     

风切变对强对流云降水的影响

本文采用一个完全弹性方程组二维积云摸式，考虑了暖云和冷云微物理过程，以实际探空资料作为初始场，对吉林省强对流天气中风切变的作用进行了数值模拟研究，主要对风切变情况作了三种处理（且）．不考虑风切变；（2）．实际探空资料的风切变；（3）．适当强度的低层风切变。结果表明：低层风切变可以使顺切变一侧有持续不断的水汽供应，持续云内对流系统，促使对流云发展。而适当的风切变，对云体发展更有利，并维持更长时间，增加地面降水量。     

地形的动力作用与冷锋锋生研究

本文建立了一个考虑天气尺度水平变形场的二维、滞弹性、非静力平衡锋生模式，对冷锋过山时的锋生锋消机制进行了数值研究，试验结果表明:当无地形影响时，由于变形场的锋生作用与摩擦等因子的锋消作用相互抵消，冷锋最终达到其强度的准定常状态；当考虑地形影响时，地形强迫环流与锋面环流相互作用，使得锋面强度在山前和山后发生变化，在冷锋开始爬坡时锋生，爬过半山腰后开始锋消，过山顶后锋面强度变化不明显或者有微弱锋生，到达山脚后开始强烈锋生，并在地形下游其强度达到最大；总之，冷锋在翻越山脉或从高原移到平原之后，锋面发展的强度比冷锋不遇到地形时的更大。     

我国东南沿岸及复杂山地后汛期降水日变化的数值研究

利用2009~2017年7~9月福建省逐小时地面加密自动站资料和2015~2017年7~9月厦门站的探空资料,通过K均值聚类法和中尺度数值模式(WRF3.9.1.1版本)理想数值模拟,分析了我国东南沿岸及复杂山地(福建)后汛期降水日变化特征,揭示了地形热力环流以及海陆风环流在热对流降水日变化形成中的作用,探讨了环境温湿廓线及风垂直廓线对热对流降水日峰值强度和日峰值出现时间的影响。结果发现:我国东南沿岸复杂山地(福建)后汛期降水日变化受地形热力环流和海陆风环流的影响和调制,白天辐射加热在复杂山地形成的局地热力环流激发出对流降雨带,午后受海风环流的影响,对流降雨带组织发展达到峰值,之后随着地形热力环流和海风环流减弱雨带逐渐减弱。武夷山及周边复杂山地的降水日变化主要受地形热力环流的影响,在午后对流降水达到峰值,夜间减弱几近消失。理想数值试验进一步证实了我国东南沿岸复杂山地地形热力环流对对流降雨的触发以及海陆风环流在山地对流雨带组织发展中的作用,环境温湿廓线以及风垂直廓线对热对流降水日峰值强度以及日峰值出现的时间具有重要影响,其中环境温湿廓线的大气抬升凝结高度、大气可降水量、大气的对流不稳定度以及大气中低层湿度分布的不同,会影响热对流降水日峰值强度,并通过影响山地热力对流触发时间,改变热对流降水日峰值时间,而环境风垂直廓线的低层气流强度和方向、中低层垂直风切变的不同,会影响地形热力对流系统的启动、组织发展和移动等特征,进而影响热对流降水日峰值强度以及热对流降水日峰值时间。     

西北太平洋环境风垂直切变和热带气旋移动对涡旋内对流非对称分布影响的特征分析

热带气旋（TC）预报特别是强度预报是当今大气科学研究和业务预报的重点、难点问题,TC环流内部的对流系统对气旋的结构和强度变化有着十分重要的影响。利用FY-2C/2E黑体亮温（TBB）资料和NCEP分析资料,研究了2005-2012年西北太平洋热带气旋外雨带区的对流非对称分布特征,及其与环境风垂直切变和TC移动的关系。分析发现,整层风垂直切变的方向与TBB一波非对称大值区关于方位角的分布有很好的对应关系。在弱整层风垂直切变条件下（<5 m/s）,TC移动引起的非对称摩擦效应会使对流易出现在移动方向的右前象限。在中强整层风垂直切变条件下（>5 m/s）,风切变成为影响对流非对称分布的主要因子,TC外螺旋雨带区的对流集中于顺风切方向及其左侧,对流偏离顺切变左侧的程度一方面受到TC内逆时针环流的影响,另一方面与风垂直切变的强度有关：对于发展阶段的TC,当风垂直切变增强时,一波非对称分布更加显著,切变越强,TC强度越大,外雨带区的对流越偏离顺风切左侧;对于消亡阶段的TC,风垂直切变的影响作用并不明显。     

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。     

地形辐射效应参数化对海南岛海风环流结构和云水分布模拟的影响

采用非静力中尺度模式WRF研究地形辐射效应参数化对海南岛2012年7月5日多云天气条件下的海风环流结构和云水分布模拟的影响, 并分析了差异产生的可能原因。地形辐射效应是考虑坡地辐射强迫后, 辐射与大气中的各种气体、云以及非均匀下垫面间相互反馈的累积效应。其中地形辐射效应参数化的使用使得温度的模拟更接近实际, 对水汽的模拟也有一定改进能力, 对风速、风向的改进效果不明显。考虑地形辐射效应后, 海风的发生发展演变过程及风场的水平分布无显著变化, 但局地海风以及海风对流云的位置和强度有较明显的改变。山区四周的海风环流结构和对流云的变化与坡地辐射强迫直接相关, 考虑地形辐射效应后, 山坡向阳面的海风有所增强, 背阳面的海风减弱; 向阳坡谷风减弱, 背阳坡谷风增强; 同时紧临海岸的山坡对海风的影响与岛上山坡对谷风的作用类似。平坦地区的海风环流和海风对流云总体上有所减弱, 其变化原因比较复杂。各向海风的强度变化最终会改变海风辐合线的分布, 使海风潜在降水区域发生变化。      

Relation of slope winds to the ambient flow over gentle terrain

Four years of continuous tower data collected at the Risø National Laboratory are analyzed to study the climatological influence of a gentle slope on surface winds. Under very stable nocturnal conditions, the surface air tends to flow down the slope, at least intermittently, regardless of the direction of the overlying ambient wind. With more significant upslope ambient wind and only modest stability, downslope gravity flow is normally prevented. However, the slope-buoyancy effect is still of importance in that it retards the upslope flow of cold air. This effect is of climatic importance for the data studied here.     

雹云的判别方法与短时预报统计模式

本文利用江苏省强对流天气的雷达回波资料、天气与灾情实况和探空资料,讨论了降雹概率与回波顶高的关系。用独立参数降雹条件概率公式判别雹云,并对条状和带状回波移向与高空风向间的偏角进行了统计分析。所建立的统计模式,具有一定实用价值。     

Observation and modeling of thermally induced upslope flow

Thermally induced upslope flows were observed on several slopes and in valleys, and a simple one-layer model of upslope flow was developed. In this model, the thickness and speed of upslope flow are expressed in terms of sensible heat flux from the slope surface, drag coefficient of the slope surface, slope steepness and stability of the ambient atmosphere. Model results compare favorably with the observations.The development process in the upslope direction of a steady upslope flow was investigated with this model. A steadily developing state in the upslope direction is expressed by the dimensionless equations together with a unique parameter associated with momentum advection. The vertical distance of the slope required for well-developed upslope flow has a minimum value for a moderate slope steepness, but increases monotonously with decreasing ambient stability. The effect of unsteadiness on upslope flow was also investigated. The transient time required to reach a steady state becomes shorter with increasing ambient stability and slope steepness.     

A three-dimensional numerical sensitivity study of mesoscale circulations induced by circular lakes

Summary A three-dimensional mesoscale planetary boundary layer model with theE- turbulence closure is used to simulate airflow over a lake of circular shape. A series of model sensitivity studies are performed to examine the effects of lake-land temperature difference, ambient wind magnitude and direction, lake size, surface roughness, the Coriolis force and baroclinic ambient wind conditions on mesoscale lake circulations.The lake-land temperature difference is essentially the basic energy source driving the mesoscale circulations over the lake on synoptically undisturbed days. A lake-breeze convergence zone is predicted by the model due to the differential heating between the land and the water. It is found that spatial and temporal variations of this convergence zone and associated convection are strongly controlled by the direction and the magnitude of the ambient wind. Under southeasterly and southwesterly ambient winds, the lake-breeze convergence zone and the associated convection occur primarily along up wind and lateral sides of the lake with reference to the general direction of the ambient flow. In contrast to the southeasterly and southwesterly ambient winds, the lake-breeze convergence zone and the convection are predicted all around the coastline of the lake under calm wind.The model also predicts a cloudless region over the lake in all the case studies due to divergent nature of the lake-breeze circulation. The lake size is found to have a significant effect in intensifying convection. Surface roughness over the land surface is found to be important in determining the intensity of the convection. The combined effect of the Coriolis force and the differential surface roughness between land and water appear to be the responsible mechanism for producing the asymmetric shape of the lake-breeze convergence zone around the symmetric circular lake. Finally, it was found that an initial baroclinic flow has different mesoscale lake-breeze circulation patterns as compared to an initial barotropic flow.With 16 Figures     

Comparison of Different Generation Mechanisms of Free Convection between Two Stations on the Tibetan Plateau

Based on high-quality data from eddy covariance measurements at the Qomolangma Monitoring and Research Station for Atmosphere and Environment(QOMS) and the Southeast Tibet Monitoring and Research Station for Environment(SETS),near-ground free convection conditions(FCCs) and their characteristics are investigated. At QOMS, strong thermal effects accompanied by lower wind speeds can easily trigger the occurrence of FCCs. The change of circulation from prevailing katabatic glacier winds to prevailing upslope winds and the oscillation of upslope winds due to cloud cover are the two main causes of decreases in wind speed at QOMS. The analysis of results from SETS shows that the most important trigger mechanism of FCCs is strong solar heating. Turbulence structural analysis using wavelet transform indicates that lowerfrequency turbulence near the ground emerges from the detected FCCs both at QOMS and at SETS. It should be noted that the heterogeneous underlying surface at SETS creates large-scale turbulence during periods without the occurrence of FCCs. Regarding datasets of all seasons, the distribution of FCCs presents different characteristics during monsoonal and non-monsoonal periods.     

Water-tank experiment on the thermal circulation induced by the bottom heating in an asymmetric valley

Water tank experiments were carried out to investigate the thermal convection due to the bottom heating in an asymmetrical valley under neutral and stably stratified approach flows with the Particle Image Velometry (PIV) visualization technique. In the neutral stratification approach flow, the ascending draft induced by bottom heating is mainly located in the center of the valley in calm ambient wind. However~with ambient wind flow, the thermal convection is shifted leeward, and the descending draft is located on the leeward side of the valley, while the ascending draft is located on the windward side. The descending draft is minorly turbulent and organized, while the ascending draft is highly turbulent. With the increase of the towing speed, the descending and ascending drafts induced by the mechanical elevation begin to play a more dominant role in the valley flow, while the role of the thermal convection in the valley airflow becomes limited. In the stable stratification approach flow, the thermal convection is limited by the stable stratification and no distinct circulation is formed in calm ambient wind. With ambient wind, agravity wave appears in the upper layer in the valley. With the increase of the ambient wind speed, a gravity wave plays an important role in the valley flow, and the location and intensity of the thermal convection are also modulated by the gravity internal waves. The thermal convection has difficulty penetrating the upper stable layer. Its exchange is limited between the air in the upper layer and that in the lower layer in the valley, and it is adverse to the diffusion of pollutants in the valley.     

利用双多普勒雷达分析对流云垂直运动结构试验

对流云是我国南方地区主要的降水云系, 含有丰富的云水资源, 是南方人工增雨作业的主要对象。为了研究江淮地区对流云发生发展规律, 利用双多普勒雷达反演技术分析了发生在2004年7月31日的一块对流云不同发展阶段的垂直运动结构。对流云在发展阶段以上升气流为主, 底层辐合明显, 结构紧密; 成熟阶段的上升与下沉气流势力相当, 且比发展阶段强盛, 强回波位置下移, 结构较发展阶段松散; 减弱阶段上升和下沉速度均减小, 水平辐散增强。结果表明:反演的不同阶段对流云垂直运动结构合理, 可以利用双多普勒雷达反演技术进行对流云三维运动结构研究。     

江西副高边缘雷暴大风雷达拼图回波特征分析

利用MICAPS常规天气图资料、地面自动气象站资料、雷电资料和雷达拼图等资料，采用天气图中分析方法、统计方法、回波图像、回波廓线等分析方法，对2020年7月11日江西副热带高压边缘中尺度雷暴大风回波特征进行分析，结果表明：1）副热带高压控制或边缘上，江西上空100 hPa是东北风，500 hPa是西南风，高空呈现逆时针环流，T-lnP图上层结不稳定，对流有效位能CAPE （Convective Available Potential Energy）面积较大，对产生强对流天气有利；由于上下两层的风向不同，使得雷暴回波系统的移动与回波系统的云砧伸展方向不一致，从而加剧了对流上升运动，使得雷暴回波系统发展、加强、维持。2）回波产生初期是局地对流单体回波，通过不断新生单体和单体合并等方式，形成南北走向的回波短带，这种合并形成的回波短带发展旺盛时，会产生多站雷暴大风天气。3）南北走向的回波短带是产生雷暴大风的主要回波特征，虽然回波强度只有55 dBZ，但移动速度较快（60～70 km/h），造成地面大风。江西WebGIS雷达拼图上叠加多部雷达风暴跟踪信息STI （Storm Tracking Information），可以明确风暴的移动方向和移动速度，根据STI密集区判断，增加了STI的可用性。4）“前伸”或“延伸”回波反映了回波系统上方的高空风走向和积雨云的云砧飘离方向。“延伸”回波一定程度上表现出副高边缘雷暴回波系统的强弱程度。为改进副热带高压边缘中尺度雷暴大风的预警预报准确率提供依据。     

二维滞弹性非静力平衡云模式第一部分──低空风切变对云微物理过程的影响

本文对已有的二维时变的深对流型模式［1］进行了部分修改和补充，尤其对于云微物理过程参数化方案进行了一些改进，使原有的模式对暖云、雹云和雪云都具有一定的模拟能力。依据建立的模式．就低空风切变（单向无扭转）对对流的影响，尤其对云和降水形成过程的作用进行了对比试验。为此我们设计了五种风速垂直分布方案进行了对比分析。结果表明：低空风切变对对流的发生、发展有很大的影响，而且对云和降水的形成过程影响更大。