各种非绝热物理过程在中尺度模式中的作用

随着中尺度模式水平分辨率的不断提高,考虑加入尽可能合理的各种非绝热物理过程极为重要。如积云参数化需包括湿下沉气流、中上层的云卷出和非降水性浅对流。显式云物理方案需同时加入含有水相和冰相的预报方程,以计入水负荷、凝结蒸发、冻结融化和凝华升华的影响。本文首先从实测角度介绍上述物理过程在产生中β尺度环流结构的作用,然后通过一些敏感性数值试验来阐述它们如何帮助成功模拟不同的中尺度对流系统。这些物理过程的相对作用取决于网格距大小或可分辨尺度垂直运动的强度。当网格距在20～50 km之间,本文特别强调积云参数化和显式云物理方案的同时使用。最后对各种非绝热物理过程的耦合以及中尺度模式的局限性作了适当讨论。     

一次飑线过程的三维模拟

用美国俄克拉荷马州大学“风暴分析预报中心”（CAPS）开发的ARPS非静力中尺度数值模式对发生在美国VORTEX－1995试验期间的一次飑线过程进行了三维模拟，ARPS模式成功地模拟了飑线中的β尺度结构特征，该模式对飑线强对流天气系统有较强的模拟能力。试验研究表明，地面中尺度汇合线或切换线是此次飑线过程主要的触发系统和重要的维持机制之一；对流凝结潜热释放在飑线的发生、发展中重要作用；高低空的急流合形势为飑线的发展和维持提供了有利的动力条件。     

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变化,而在飑线升尺度增长过程中,α中尺度系统动能快速增长。在飑线发展过程中环境场通过位能向动能的转化使得β中小尺度对流快速发展加强,而β中尺度飑线的快速发展与合并加强导致了飑线的升尺度增长。在飑线的升尺度增长过程中,β中小尺度动能大量转化为α中尺度动能使得α中尺度飑线迅速增强,而环境场对飑线升尺度增长过程的直接影响较小。      

飑线群发展的若干特征

飑线,除了作为单一的对流性的中尺度系统外,在特定的天气形势下,还会同时出现多条飑线,我们称之飑线群。在卫星云图上则可以看到多个中尺度对流复合体(MCC),它们大多数是由许多对流单体组合而成的,其水平尺度可以到100—200千米。也有的是从一个对流单体发展为超级对流单体的。飑线群发生后,多数排列成一线,并向同一方向移动。有的飑线群排列不规则,移动方向也不一致。也有的飑线群由于两条飑线相近及其邻近环境相互作用,形成飑线的合流,在地面出现强烈的暴风区,造成严重的灾害。下面介绍两次发展不同的飑线群实例。     

边界层辐合线发展成飑线的数值试验

利用高分辨率η坐标模式，以一个实际飑线个例的常规资料为初值，通过嵌入一定强度的边界中层尺度辐合线，进行了边界层辐合线型飑线激发的数值试验，结果表明，飑线实例的大尺度环境场提供了累积的有效浮力能，小尺度积云对流则通过对流翻腾提供高层水汽凝结潜热加热和低层降温冷却，而中尺度幅合线通过提供带状辐合上升运动，起着胚胎和组织积云对流的作用，这样大、中、小三种尺度相互作用导致了边界层中尺度辐合线发展成为飑线。     

华北飑线系统的结构与演变特征

1983年6月27日有一次飑线群影响华北、华东地区的七个省市。本文利用天气雷达、卫星云图、高空探空测风和地面加密观测等资料,对飑线系统的结构与演变作了综合分析。飑线群由四个飑线系统组成,它们相继发生发展组成一次影响范围大、持续时间长的强对流天气过程。 本文提出了华北地区飑线系统生命史的中尺度天气模式,包括组织、扩展和消散三个阶段。生命史总共3—5小时。在组织阶段,几个孤立分散的对流单体组织成一条对流带——飑线。在扩展阶段,对流带扩展成一个中尺度对流系统——飑线系统,它包括系统前缘的飑线和后部不断扩大的砧云     

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。     

热带飑线结构和演变的数值模拟研究第一部分：云分辨模式

利用风暴尺度、云分辨的数值模式ＡＲＰＳ模拟了 １９９３年２月 ２２日 ＴＯＧＡＣＯＡＲＥ试验期间在赤道南太平洋观测到一次热带海洋飑线过程的发生发展过程，验证该模式的模拟热带对流系统的能力，并详细地分析了该次飑线的结构特征和动力学形成机制。通过数值敏感性试验研究了不同的云微物理过程对热带飑线的结构和发展演变过程的影响，所考虑的云微物理过程分为包含六种水相态的冰相过程和 Ｋｅｓｓｌｅｒ暖雨过程。模拟结果表明，云分辨模式ＡＲＰＳ采用合适的物理过程可以较成功地模拟出热带飑线的三维结构及其演变过程。数值敏感性试验结果表明，在对流上升过程中，由于与冻结作用有关的冰相微物理过程能释放更多的潜热，这种潜热能产生垂直方向上的浮力梯度从而较明显地加强系统的深对流，有利于对流系统组织性的对流带的长时间维持；相比之下，暖雨过程中飑线的生命周期缩短，而系统倾斜结构更明显，层状云区的发展比较旺盛。     

东北冷涡过程中的飑线分析

利用哈尔滨站的飑线资料和常规高空、地面观测资料,对冷涡过程中的飑线从天气尺度环流背景、大尺度动力条件和中尺度天气系统等几个方面进行了分析。结果指出：①飑线发生在冷涡发展较强阶段,②飑线发生在冷涡浊温压场结构不对称性较强的锋区上,③层结不稳定、低层水汽输送与辐合、强烈的上升运动等是必要的天气尺度条件,④地面上有明显的中尺度系统,⑤飑线发生时天气尺度动能明显向中尺度系统转换。     

山东省2006年4月28日飑线天气过程分析

对2006年4月28日山东省一次飑线天气过程进行诊断分析，应用湿位涡守恒理论研究了飑线的发展机制。结果表明：飑线是由500hPa西风槽影响产生的，为低层增温增湿，高层冷空气南下，低能舌叠加在高能舌之上，导致大气对流性不稳定。850hPa切变线和地面低压槽中的辐合上升运动触发对流不稳定能量释放，产生中尺度对流云团，在热力不稳定和风垂直切变的环境条件下对流云团东移发展，形成飑线。低层大气湿斜压性增强，破坏了地转平衡，倾斜涡度发展，上升运动增强，对流发展；高空高位势涡度下传使得中低层位势涡度增大，导致其垂直涡度增大，有利于对流层低层中尺度涡旋发展，对流增强。较强的上升运动与风垂直切变相互作用，促使对流系统发展形成飑线，产生雷雨大风。     

一次黄海之滨中尺度对流复合体多尺度结构特征观测研究

2006年7月3日傍晚到4日凌晨,苏北到黄海的一个中尺度对流复合体(MCC)产生了系列龙卷、直线型对流大风和强降水,利用常规高空地面观测、区域自动气象站、卫星云图以及多普勒天气雷达资料,详细分析此次中尺度对流复合体的结构和产生的天气背景。主要结论如下:(1)该中尺度对流复合体高层为对应分离背景场的强辐散,中层在副热带高压西北侧和500 hPa东移的短波槽前,地面位于锋面气旋暖区内;该中尺度对流复合体发生在中等到强的对流有效位能、强的深层(0—6 km)和低层(0—1 km)风垂直切变环境下;(2)该中尺度对流复合体主要垂直环流特征为:近地层东南气流和其上的中低层西南暖湿气流从对流复合体南部流入到复合体中心,复合体后部对流层中低层和中层为较干冷的西北气流夹卷进入中尺度对流复合体,导致降水蒸发冷却形成强烈下沉气流,产生带有西北风动量的下沉气流,到地面形成β中尺度冷池,冷池与周边暖湿气流的交界处为β中尺度阵风锋,同时中尺度对流复合体位于对流层低层到地面部分形成深厚冷池导致的雷暴高压,阵风锋前部有β中尺度暖低压;中尺度对流复合体中高层由于水汽凝结潜热释放加热形成暖心结构,位于对流层中层的主要特征为β中尺度气旋性涡旋对应的中尺度低压,对流层高层存在β中尺度辐散反气旋环流;(3)多普勒天气雷达探测揭示该中尺度对流复合体成熟阶段主要呈现为线性结构,主要构成是一条尺度在150—200 km的活跃弓形飑线,还有数条较弱的呈气旋性弯曲的对流雨带,雨带旋入共同的涡旋中心,该涡旋中心与地面锋面气旋的中心相对应(重合),同时也是相应中尺度对流复合体的β中尺度气旋的中心,直径为40—60 km;(4)在上述活跃弓形飑线的前侧出现多个中尺度涡旋,4个EF2级龙卷和3个EF1级龙卷都发生在这些中尺度涡旋内,导致龙卷的中尺度涡旋水平尺度为4—5 km,旋转速度接近超级单体的强中气旋旋转速度,垂直伸展比超级单体中气旋浅薄,形成机制也与超级单体中气旋有明显差异;(5)该中尺度对流复合体成熟阶段的云系尺度为1000 km,其中低于220 K (-52℃)冷云盖的尺度在400 km左右,其内部结构的主要构成是一条150—200 km长的活跃弓形飑线,地面β中尺度冷池和阵风锋,沿着弓形飑线前侧出现多个尺度为4—5 km的中尺度涡旋,其中部分中尺度涡旋导致尺度只有几十至几百米的EF1和EF2级龙卷,呈现出明显的多尺度结构特征。      

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。     

季风槽环境中暴雨中尺度对流系统的分析与数值预报试验

应用地面降水观测资料、卫星云图、雷达回波以及NCEP再分析资料,对华南沿海受季风槽影响下发生的一次持续性暴雨的中尺度对流系统（MCS）进行分析,并探讨采用数值模式对中尺度对流系统降水进行预报的可能性。分析表明,暴雨由多个相继发展的中尺度对流系统造成。在相似环境中,不同中尺度对流系统发展形态和水平尺度有较大差异,最大可组织发展成α中尺度对流复合体（MCC）,但一般为β中尺度线状或带状对流系统。对其中发展形态分别表现为椭圆形中尺度对流复合体（MCS-2）和带状β中尺度对流系统（MCS-4）的对比分析发现,对流的起始发展均发生在夜间,与季风槽中低空急流的南风脉动有良好对应关系。基于临近探空资料的诊断发现,被认为对中尺度对流系统组织发展有指示作用的关键物理量如对流有效位能（CAPE）和风垂直切变难以区分不同中尺度对流系统的发展形态和趋势,探空资料的代表性将影响诸如“配料法”等暴雨客观预报方法的建立和应用。利用华南区域中心GRAPES（GRAPES_GZ）数值模式对两个中尺度对流系统进行的模拟预报结果表明,采用数值模式对中尺度对流系统降水进行显式预报已成为可能。比较而言,3 km水平分辨率模式可以更好地预报出暴雨的发生,但结果对是否调用对流参数化（CP）方案敏感。尽管不依靠对流参数化方案模式能够较好地预报出中尺度对流系统初始降水的发生,但会过度预报发展成熟后的降水。模式中如何描述中尺度对流系统对流的组织发展机制、如何处理对流参数化方案的“灰色区分辨率”问题需要仔细考虑。      

对LASG-REM模式的改进及云雨数值试验

改进中尺度动力预报模式中较为简单的云雨过程处理方案,用预报方程对大尺度(即网格尺度)的水汽、云水和雨水作显式求解,对次网格尺度的积云对流进行参数化处理,并以1998年7月21日00时(UTC)的欧亚探空资料和地面资料为初始场,对武汉地区的暴雨过程进行数值试验。结果表明,改进后的LASG—REM模式对降水有很好的模拟能力,能够模拟出空中云水、雨水的分布特征。     

不同对流参数化方案试验中凝结加热的特征及对暴雨中尺度模拟结果的影响

使用20 km分辨率的MM5模式,分别选用KUO,GRELL,KAIN-FRITSCH和BETTS-MILLER(以下简称KU,GR,KF和BM)等4种不同对流参数化方案,对1996年8月3~4日石家庄特大暴雨过程作数值模拟试验,分析比较了4个不同试验中网格尺度(显式方案)和次网格尺度(对流参数化方案)凝结加热的水平、垂直分布和时变特征;研究探讨了凝结加热分布及差异对暴雨中尺度模拟结果的可能影响。分析显示,暴雨过程中,4个不同对流参数化方案试验所得到的次网格尺度凝结加热基本都呈单峰特征、加热峰值在对流层中层,但加热层厚度和强度在不同试验间存在差别;4个试验的网格尺度凝结加热的垂直范围表现出较好的一致性,加热重心位于对流层低层,但加热强度仍有所不同;GR和KF及BM试验的总凝结加热率的垂直分布特征主要受其网格尺度凝结加热率特征的影响、加热重心在对流层低层,而KU试验的总凝结加热率的垂直分布特征由其次网格尺度凝结加热率特征所决定、加热重心在对流层中层。研究表明,尽管4个试验在暴雨期间总凝结加热的垂直分布差异并不显著,但对暴雨中尺度模拟的影响却不能忽视。凝结加热的分布特征及演变直接影响与暴雨发生发展密切关联的物理量场的中尺度结构和演变;凝结加热对暴雨中尺度的影响具有连锁性,由加热差异波及局部环流细致结构和强度及其变化的差异,进而影响暴雨发生发展的细致特征。在20 km或更高一些分辨率的条件下,对于描述温带/中纬度暴雨的发展和结构,选用KF方案得到的模拟结果可能更具物理合理性;而KU方案模拟结果容易出现格点气柱的水汽和温度被过量调整的不合理情况。要得到一个可信的中尺度模拟结果,对降水模拟结果进行细化特征的验证、特别是随时间演变特征的验证分析是非常重要的,因为降水的细致演变特征与凝结加热及与之相联系的物理量场的中尺度演变特征密切关联。     

一次强飑线边界层气象要素模拟分析

使用WRF中尺度数值模式,分别选用两种不同边界层参数化方案（MYJ,YSU）,对2006—06—25洛阳地区一次强飑线边界层结构进行模拟,对比分析近地面层风场、温度场以及边界层日变化特征,结果发现：WRF模式基本模拟出了强飑线过程边界层变化特征;在边界层方案中,MYJ方案描述的边界层结构较YSU方案合理。这表明,用WRF模式能较好地模拟预报飑线的边界层气象要素特征。     

一次长三角地区飑线过程的数值预报分析北大核心

2019年4月9日,长三角地区发生了一次罕见的长历时强飑线天气过程。在分析其天气形势背景和发展演变基础上,利用新一代华东区域数值模式对此次过程进行了预报分析,初步分析了其演变过程中的中尺度结构特征。结果表明,此次飑线发生在高空槽前、低层强烈辐合抬升天气背景下,强的垂直风切变、冷空气向南侵入与低层暖湿气流叠加建立了强的对流不稳定层结,是飑线发生发展和长时间维持的重要原因。数值模式成功模拟了飑线前部低层暖湿空气上升和后部中层干冷空气下沉这两支入流,以及飑线过境时边界层高度和大气可降水量迅速下降,地面中尺度冷池向东南方向的传播过程,冷池与对流风暴的移动速度基本一致,导致对流前部低层一直有风场的切变辐合抬升,有助于对流维持并发展。     

一次弱弓形飑线后方入流特征的观测分析

后方入流是中尺度对流系统内中尺度环流的一部分,表现为一支从风暴后部穿过层状回波区进入风暴系统的相对气流,对增强中尺度下沉气流和地面冷池具有重要作用。利用多普勒雷达探测资料、地面加密自动站和NCEP再分析资料,结合雷达径向剖面内反演的系统相对水平速度,对2012年5月16日江苏省一次弱弓形飑线的后方入流演变特征进行了分析。结果表明,此次飑线是在东北冷涡影响下,受高、低空温度平流差动、低空急流和低层温度暖脊的共同作用生成。飑线发展阶段,后方入流最早出现在对流层中层的层状回波区中,并向前伸展到对流回波区后缘;成熟阶段,后方入流逐渐下沉并与对流区前低层辐散外流合并,形成一条从飑线后部中层延伸到对流区前缘的持续性后方入流通道;消散阶段,后方入流中心下沉到地面附近,与冷池外流共同增强,与其前侧西南入流的局地辐合,可能是触发对流单体后向新生并促使双带状回波出现的有利条件。后方入流把中层干冷空气持续输送到对流区中下方,通过加剧降水粒子的蒸发冷却作用,增强地面冷池及其出流,导致成熟阶段地面大风生成,这与以往的研究结论一致。受后方入流中心下沉到地面以及新生带状回波系统的影响,地面冷池持续增强,可能是消散阶段地面大风形成的原因。此外,后方入流与飑前地面中尺度辐合线具有很好的对应关系。      

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.     

基于对流尺度集合预报的飑线结构特征模拟与改善

对流尺度集合预报是研究飑线等强对流天气的新方向。当前对飑线系统结构的研究主要采用卫星和雷达资料结合高分辨率确定性预报的方法,而本文从集合预报技术的角度分析飑线结构特征。针对2014年7月30日中国江淮地区的一次强飑线过程,利用WRF模式开展了对流尺度集合预报试验,采用概率匹配平均法对集合预报结果进行综合处理,重点考察集合预报对飑线结构特征的模拟能力。结果表明:对流尺度集合预报能够模拟出飑线系统的基本结构特征。集合平均和概率匹配平均法相比控制预报而言,对飑线回波、热力场、动力场和微物理量场结构有明显的改善作用。同时模拟出了飑线系统近地面冷池和环境垂直风切变的相互作用,与RKW理论相一致。概率匹配平均法在回波强度上较集合平均更接近实况,应用于对流尺度集合预报研究极端天气事件具有指示意义。