河南特强暴雨β中尺度流场发展机理的数值模拟研究

采用宇如聪等研制开发的η坐标有限区域中尺度暴雨数值预报模式AREM,对2004年7月16—17日发生在河南的一次特大暴雨过程进行了数值模拟。模拟结果表明:凝结潜热促使对流层中层大气在β中尺度水平范围的气柱内得到加热,中高层大气的等压面抬高并形成β中尺度高压,中低层大气的等压面降低并形成β中尺度低压,上下层的共同作用促进了垂直运动的迅速发展。当上升运动强烈发展时,在其四周有明显的补偿下沉气流出现:在强上升运动南侧,对流层高层辐散气流向南回流导致对流层高层出现中尺度垂直环流圈,它的下沉支融入上升运动区南侧的补偿下沉气流中,并将高空的水平动量带到对流层低层形成一支新的β中尺度急流;在强上升运动北侧,对流层低层发展出了一支中尺度垂直环流圈,其下沉支向南的辐散气流与低层西南暖湿气流汇合,形成β中尺度辐合线,加强了暴雨区上空低层的辐合;在强上升运动东侧,对流层低层也有一支中尺度垂直环流发展,其下沉支中向西的辐散气流使该区域原来较为一致的西南气流出现向东的偏转,从而在西南气流中形成气旋性弯曲,更进一步加强了β中尺度辐合线上的辐合。对流层低层非地转涡度的强烈发展是β中尺度气旋形成的重要原因。最后给出了强暴雨β中尺度流场发展机理的三维空间示意图。     

2009年早春南方地区一次高架雷暴天气过程的机理分析

利用常规气象观测资料、6.7μm卫星水汽图像和TBB、闪电定位资料以及NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料,对2009年3月3日南方地区一次高架雷暴天气过程进行诊断研究。结果表明,该过程主要影响系统是中低层低槽、低涡切变线、西南低空急流、南北支西风急流。低空急流造成暖湿气流输送和高空急流造成冷平流侵入是对流触发机制。近地层为层结稳定的"冷空气垫",位势不稳定出现在低空急流与中高层干冷气流之间,并因急流中的下沉运动得以加强;西南暖湿气流与其北部干冷气流在中低层形成湿斜压锋区,西南气流的下沉支和北方下沉气流汇合在近地层形成的东北风回流与上部西南风生成锋面次级环流圈及中高层上升气流与北支急流中的下沉气流耦合形成次级正环流圈有利于倾斜上升运动的发展;低空急流的强暖平流和水汽通量辐合、北支急流入口区右侧的强辐散和南支急流北侧的辐合均加强了中尺度上升运动。湿层浅薄、上下干层较为深厚、强垂直风切变、低层逆温、-20~0℃过冷水层气流强上升运动等有利于雷暴天气的发生。雷电和冰雹出现在TBB、低空急流风速、θse、水汽通量以及300 h Pa散度等值线密集区附近。     

黄河中游一次大暴雨的观测分析与数值模拟

利用常规观测资料、FY-2E TBB资料、地面加密自动气象站资料等,对2013年7月9日黄河中游地区(山西)暴雨过程进行了观测分析,利用WRF中尺度模式输出结果分析了低层切变线及其附近中尺度扰动的演变特征、动热力结构及水汽特征,以及低层偏东北气流的性质和作用等。结果表明:暴雨大暴雨是由700 h Pa切变线附近激发的4个中尺度对流云团直接造成的;低层稳定的切变线附近形成的中尺度扰动低涡,与地面中尺度露点锋和中尺度辐合线共同作用,触发了中尺度对流云团的发生、发展。受来自低层西路和东北路两支冷空气夹挤,暴雨区暖湿空气沿东南—西北向被迫抬升,形成一个狭窄的沿西路冷空气爬升的倾斜上升气流区,在其两侧形成两个方向相反的次级环流圈。水汽辐合中心在边界层附近,但这不是造成暴雨大暴雨的主要原因。低层辐合上升运动持续增强,偏南风入流将水汽向暴雨区集中,而次级环流的上升支将水汽向高层输送,使得暴雨区上空局地整层可降水量持续增加,以及对流不稳定和对称不稳定共存,加强了涡层不稳定,水汽在强不稳定的环境中沿倾斜上升气流抬升凝结,并高效率下降,可能是此次暴雨大暴雨的重要原因。低层偏东北气流为干冷与暖湿的一个倾斜交界面,该面上各种气象要素并不均匀,但在其中心区域低层为温度的零平流区,以及垂直速度、涡度和散度等物理量的零线区;围绕该支气流形成一个反气旋式的次级环流圈;该支气流两侧均存在较大垂直风切变,随着该支气流的南压和向河套地区的深入,低层暖湿气流的上升辐合作用不断加强,下沉支也逐渐活跃,是中尺度对流系统发生发展的重要触发机制之一。     

一次辽宁秋季暴雨天气的诊断分析

使用1.0°×1.0°NCEP再分析资料,对2006年10月21—22日深秋暴雨在天气形势分析的基础上,进行物理量诊断。结果表明:在有利的环境背景形势下,高位涡从对流层高层向低层伸展并形成湿位涡柱,引起气旋性环流与低涡环流叠加。对流层低层的湿斜压性增强,引起低层的锋区加强及垂直涡度发展,高空入侵干冷空气锲入底层,低层暖湿空气强迫抬升,使地面发展为气旋;高低空急流耦合产生上升气流,同时较强的补偿下沉运动激发上升运动加强,使次级环流加强,触发不稳定能量的释放;低空急流和超低空急流向辽宁输送暖湿空气及能量,对流层中低层形成湿柱并积聚高不稳定能量;中尺度气旋、高低空急流、湿位涡柱、次级环流上升支、地面高水汽含量湿区、高假相当位温出现的时间、强度、位置和结构决定了暴雨的时间和落区。     

2017年春季南疆中部两次强降水天气环流配置及干冷空气侵入特征对比

本文利用常规观测资料、加密自动站资料、NCEP再分析资料对比分析2017年4月14日("4·14"过程)和2017年5月1—2日("5·1"过程)南疆中部巴州地区强降水过程,探讨春季强降水天气动力学异同。结果表明:春季强降水发生在副热带西风急流活跃,伊朗副热带高压向北伸展,地面冷锋活动,高低空为急流锋区配置背景中。水汽源地位于东经40°的阿拉伯海—里海附近,沿西方路径进入新疆,在有利风场条件下汇合至巴州地区,高低空急流耦合形成次级垂直环流,干冷空气多方向侵入增强春季降水强度。主要差异在于"4·14"过程是副热带西风急流异常北跳、影响系统西风带短波槽、冷空气西方路径,"5·1"过程则是极锋急流与副热带西风急流汇合、深厚长波槽系统、冷空气西北路径;"4·14"过程是典型急流锋区降水伴有对流性降水,强降水发生时形成两支次级环流圈,3股干冷空气从不同方向向中低层气旋性环流附近汇合激发了另一支低层中尺度次级垂直环流圈的建立;"5·1"过程是典型急流冷锋降水,高空干冷空气在垂直方向向下入侵触发和增强冷锋降水,形成了一支完整强大的次级垂直环流圈造成巴州大范围的系统性降水。     

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。     

华南前汛期一次特大暴雨过程的数值模拟及其诊断分析

利用WRF3 DVAR同化常规观测和全国自动站资料的WRF模拟结果,对2010年6月18—20日华南前汛期一次特大暴雨过程发生发展的动力条件和热力条件进行详细的诊断分析和研究。结果表明,同化观测资料的WRF模式能较好地模拟出特大暴雨过程的强降水中心、雨带分布及降水强度的变化趋势。稳定的大尺度环流是特大暴雨发生的背景条件。高低空急流及其耦合产生的次级环流的建立是特大暴雨过程的主要动力机制。地面不稳定能量的累积和西南急流输送的充沛水汽和不稳定能量在强垂直运动作用下形成的湿上升,以及中高层冷空气在次级环流的下沉支作用下向低层侵入是特大暴雨过程的热力条件。湿位涡和锋生函数的诊断表明,对流层中高层的干冷空气在次级环流作用下向低层侵入与上升的暖湿空气相互作用,促使斜压不稳定和对流不稳定的释放和发展,是特大暴雨发生发展的触发机制。     

祁连山区夏季各类降水过程的典型个例分析

对祁连山区降水过程的大尺度天气类型：西南气流移动型、西南气流阻塞型、西北气流冷平流型、河套冷涡型和平直西风气流型,分类选取典型个例,对各类型产生降水的环流特征、副热带西风急流、垂直速度、水汽输送和水汽汇、影响降水的天气系统和稳定度等进行诊断分析,并对照云图分析了地形云和对流云团产生的条件,降水强度等。     

重庆雾的天气成因

在对重庆雾进行天气学分类基础上，利用合成方法分析了几次典型辐射雾和雨雾的环流形势、流场特征以及雾的垂直环流结构，揭示出两类雾的形成原因。分析表明，辐射雾产生在经向环流背景下，中亚地区高压脊为主要影响系统；经向垂直剖面表现为青藏高原东侧的对流层中层有一发展完好的顺时针旋转的垂直经向环流，其前部的下沉气流顺着地形坡地下滑时在四川盆地强迫出一个逆时针旋转的垂直环流，使重庆附近低层的下沉气流得到加强；夜间辐射降温明显，并有贴地逆温存在，大气层结较稳定。雨雾发生在亚洲地区经向环流相对较弱的背景下，青藏高原低压槽和地面冷锋为主要影响系统；垂直环流结构表现为高空低压槽发展东移时在四川盆地诱生一逆时针旋转的垂直环流，其东侧的上升支正好与地面弱冷空气入侵四川盆地时形成的顺时针旋转的垂直环流的上升支相耦合，使重庆附近上升气流加强，地面附近暖湿气流较活跃，明显增湿过程对雨雾形成起到重要作用。     

受两次干线影响的湖北大暴雨过程成因分析

利用GFS的6小时间隔的再分析场、FY-2C卫星云图、加密自动雨量监测、雷达监测等资料,对2011年6月17—18日湖北大暴雨过程进行分析,结果表明:先后两次干线作用是此次大范围大暴雨的重要触发机制。500 hPa槽后干空气的侵入在鄂西南附近先后触发产生4个中尺度云团,槽前有正涡度平流东移与江汉平原南部低涡环流叠加,加强了低涡发展,造成湖北南部强降水发生。西南急流的发展加强与华北高压干冷空气南侵,产生明显干锋生,表现为江汉平原东部相继生成3个中尺度云团。另外,高层高位涡沿等θse锋面产生动量下传,在江汉平原东部暴雨区形成一个垂直高值涡度柱,北侧干冷空气向南向下侵入,形成次级环流,为持续性强降水提供动力上升条件;地面图上有3支气流汇合加强,气流汇合中心与强降水中心吻合较好,是降水天气的主要触发条件。      

A STUDY OF TWO-BRANCH ONE-DIMENSIONAL NUMERICAL MODEL:EFFECTS OF CLOUD-PRECIPITATION DEVELOPMENT ON THE FORMATION OF VERTICAL CIRCULATION IN A SUPERCELL STORM

A one-dimensional time-dependent numerical model has been designed to simulate the vertical circulation in a supercell storm.The model includes two branches:one describes the developing process of cloud-precipitation and supplies the liquid hydrometeors;the other simulates the development of downdraft.The calculation indicates that the dry-cold ambient airflow breaking into the rearpart of cloud plays a critical role in the genesis of the downdraft in meso-scale circulations,while the transport of liquid hydrometeors satisfies the requirement for the persistance of moist adiabatic process,otherwise the downdraft will be damped.In addition,the simulation shows that the intensity of the downdarft varies with the strength of the ambient air injection,with the amount of liquid hydrometeor transport,and with the microstructure of hydrometeors.     

基于遥感数据光流场的2021年郑州“7·20”特大暴雨动力条件和水凝物输送特征分析

本文针对2021年7月20日河南省郑州市发生的“7·20”特大暴雨天气过程,主要基于FY-4A静止气象卫星成像仪和地基天气雷达遥感数据,利用光流法分别计算遥感数据图像的光流场（Optical Flow Field）。经与FNL数据水平风和地面风速观测对比表明,气象卫星和雷达光流场可以近似反映大气和云系的高空和低空的运动特征。在此基础上,分析了与暴雨天气过程有关的动力条件和水凝物输送特征。结果显示,在20日午后,存在从华南经河南延伸至华北“西南—东北”走向的水汽和云水输送带,其中对流活动非常明显,并一直延伸至河南中北部的既有云系中,为河南郑州地区特大暴雨的形成提供了有利的水汽和云水输送条件。20日午后至16时（北京时）最强降水发生前,郑州地区低空由辐散转为强烈的气旋状辐合,并且高空的反气旋涡度增强,表明郑州地区整个降水系统上升运动增强。在最强降水发生前,从郑州地区南侧输入的水凝物急剧增加。这些结果表明,郑州地区不仅存在大量水汽输入,同时还有大量水凝物随强对流云输送进入到大范围降水系统的上升运动区,可能极大地加速了水汽转化为云水进而形成降水的微物理过程转化速率,这可能是此次郑州特大暴雨快速增强的主要成因。本文提出的基于遥感数据光流场的分析方法在暴雨短临预报和预警中有显著的应用潜力。     

雷暴云中起电活动对动力和微物理过程的影响

本文通过改变三维强风暴动力—电耦合数值模式中电场参量的引入条件，将电场带入积云运动方程及水凝物下落末速中，模拟比较了有无电场影响下模拟云的主要差异。在考虑电场的作用下，由于初期电活动并不剧烈，降水强度与云内风速变化较小；随着云中起电活动的增强，考虑电场影响的模拟云内上升、下沉风速均有所增加，对应时段的降水强度有明显起伏，但累计液态与固态降水量增加微弱；同时，闪电数目增多，闪电发生得更早，持续的时间更长，电场的影响是不可忽视的。模拟发现:雷暴成熟时期，由于电场力的作用，雹粒子瞬时落速变化的极值均超过10 m s-1，霰粒子瞬时落速变化极值也超过了7 m s-1。但强电场的区域较小，粒子下落时经过强电场区域的时间较短，所以落速极值变化不大，相比之下电场力对半径较小粒子的下落末速的瞬时改变更显著。电场通过对粒子下落速度的影响，改变了水凝物粒子主要源项的生成率，增加雨滴、冰晶粒子的生成率，减小霰、雹粒子的生成率，调整了三相水凝物粒子的时空分布，使云中水汽总量增加9%，释放潜热增加7%，为云体的进一步发展提供了内能。     

Turbulence in Continental Stratocumulus,Part II: Eddy Dissipation Rates and Large-Eddy Coherent Structures

This study first illustrates the utility of using the Doppler spectrum width from millimetre wavelength radar to calculate the energy dissipation rate and then to use the energy dissipation rate to study turbulence structure in a continental stratocumulus cloud. It is shown that the turbulence kinetic energy dissipation rate calculated from the radar-measured Doppler spectrum width agrees well with that calculated from the Doppler velocity power spectrum. During the 16-h stratocumulus cloud event, the small-scale turbulence contributes 40 % of the total velocity variance at cloud base, 50 % at normalized cloud depth = 0.8 and 70 % at cloud top, which suggests that small-scale turbulence plays a critical role near the cloud top where the entrainment and cloud-top radiative cooling act. The 16-h mean vertical integral length scale decreases from about 160 m at cloud base to 60 m at cloud top, and this signifies that the larger scale turbulence dominates around cloud base whereas the small-scale turbulence dominates around cloud top. The energy dissipation rate, total variance and squared spectrum width exhibit diurnal variations, but unlike marine stratocumulus they are high during the day and lowest around sunset at all levels; energy dissipation rates increase at night with the intensification of the cloud-top cooling. In the normalized coordinate system, the averaged coherent structure of updrafts is characterized by low energy dissipation rates in the updraft core and higher energy dissipation rates surround the updraft core at the top and along the edges. In contrast, the energy dissipation rate is higher inside the downdraft core indicating that the downdraft core is more turbulent. The turbulence around the updraft is weaker at night and stronger during the day; the opposite is true around the downdraft. This behaviour indicates that the turbulence in the downdraft has a diurnal cycle similar to that observed in marine stratocumulus whereas the turbulence diurnal cycle in the updraft is reversed. For both updraft and downdraft, the maximum energy dissipation rate occurs at a cloud depth = 0.8 where the maximum reflectivity and air acceleration or deceleration are observed. Resolved turbulence dominates near cloud base whereas unresolved turbulence dominates near cloud top. Similar to the unresolved turbulence, the resolved turbulence described by the radial velocity variance is higher in the downdraft than in the updraft. The impact of the surface heating on the resolved turbulence in the updraft decreases with height and diminishes around the cloud top. In both updrafts and downdrafts, the resolved turbulence increases with height and reaches a maximum at cloud depth = 0.4 and then decreases to the cloud top; the resolved turbulence near cloud top, just as the unresolved turbulence, is mostly due to the cloud-top radiative cooling.     

Differences between Convective and Stratiform Precipitation Budgets in a Torrential Rainfall Event

Differences in rainfall budgets between convective and stratiform regions of a torrential rainfall event were investigated using high-resolution simulation data produced by the Weather Research and Forecasting(WRF) model. The convective and stratiform regions were reasonably separated by the radar-based convective–stratiform partitioning method, and the threedimensional WRF-based precipitation equation combining water vapor and hydrometeor budgets was further used to analyze the rainfall budgets. The results showed that the magnitude of precipitation budget processes in the convective region was one order larger than that in the stratiform region. In convective/stratiform updraft regions, precipitation was mainly from the contribution of moisture-related processes, with a small negative contribution from cloud-related processes. In convective/stratiform downdraft regions, cloud-related processes played positive roles in precipitation, while moisture-related processes made a negative contribution. Moisture flux convergence played a dominant role in the moisture-related processes in convective or stratiform updraft regions, which was closely related to large-scale dynamics. Differences in cloud-related processes between convective and stratiform regions were more complex compared with those in moisture-related processes.Both liquid-and ice-phase microphysical processes were strong in convective/stratiform updraft regions, and ice-phase processes were dominant in convective/stratiform downdraft regions. There was strong net latent heating within almost the whole troposphere in updraft regions, especially in the convective updraft region, while the net latent heating(cooling) mainly existed above(below) the zero-layer in convective/stratiform downdraft regions.     

强对流(冰雹)云中水凝物的积累和云水的消耗

在冰雹云中过冷水的累积对冰雹增长起重要作用。文中回顾了水凝物累积和过冷水消耗机制中的不确定性 ,利用三维Euler强对流云模式和三维Lagrange粒子群运行增长模式 ,重新研究了对流云中水凝物粒子的累积机制和过冷水的消耗图像 ,得出以下结果 :(1)强对流 (冰雹 )云具有翻滚式对流流场 ,流场的性质决定云中存在着一个动力吸引区 ,它处于主上升气流区旁侧水平气流近于零的区域 ,粒子在增长运行中向这里集中 ,造成水凝物的累积 ;(2 )这种粒子的集中和水凝物的累积 ,是流场动力特征和粒子增长行为相互作用的表现 ;(3)粒子的集中和水凝物的累积是动态循环式的 ,而不是静态平衡式的 ,粒子可以进入吸引区 ,也可以吹离吸引区 ,在进入和吹离的循环中动态地形成了集中和累积 ,累积可以发生在主上升气流上方 ,也可以延伸到其下方 ;(4)粒子的集中和水凝物的累积是受流场和粒子运动的动力过程控制的 ,而累积粒子是液相雨滴 ,或是固相霰粒、雪团和冰雹是受降水发展过程属液相或固相占优势来决定的 ;(5 )云水场中云水量 ,只在大粒子的集中区才被显著消耗 ;而在区外的云水量消耗不显著 ;(6 )对于云水含量高达 6 g/kg的云水场 ,播撒粒子浓度达到 10 0个 /m3 时 ,在考虑消耗时 ,已不能增长成直径大于 1cm的冰雹。     

二维非静力平衡深厚湿倾斜对流数值模式设计与条件性对称不稳定数值试验

设计了一个宜于研究深厚湿倾斜对流运动的二维非弹性非静力平衡数值模式.模式采用非静力平衡条件、非常值湍流扩散系数,并具有最优协调分辨率,弥补了以往条件性对称不稳定数值研究中的诸多缺陷.数值试验表明:模式运行稳定可信且对深厚湿倾斜对流运动有较强的描述能力.在条件性对称不稳定条件下,扰动发展呈现为强倾斜环流特征,垂直速度场有狭窄的强倾斜上升运动,与倾斜上升运动相伴有倾斜云带发展.诊断分析表明:在扰动发展演化过程中,条件性对称不稳定演化为一种混合不稳定的形式存在.     

云凝结物平流输送对降水云系发展影响的数值模拟研究

大气动力学中"平流输送"是非常重要的宏观动力学过程,云凝结物的平流输送与降水云系的发展演变密切相关,它把宏观动力过程与各种云凝结物粒子的时空演变联系起来,云凝结物的平流输送可以增加或减少局地大气中云凝结物的含量,改变云凝结物的空间分布状况,影响云凝结物的微观物理过程,进而促进或抑制降水云系的发展演变.本文在数值模拟研究中.通过改变云凝结物平流输送的状况来研究宏观动力过程对云微观物理过程的影响,因而利用ARPS模式开展3个分别排除云凝结物水平平流输送、垂直平流输送和三维平流输送的敏感试验,进行关于云凝结物平流输送对降水云系发展演变影响的敏感性数值模拟研究.结果表明,云凝结物的平流输送对水汽比湿的影响很小.云凝结物的三维平流输送有利于增加降水云系中雪和霰的混合比含量,抑制云水、雨水和云冰混合比含量的增长.云凝结物的水平平流输送可以降低降水云系中云水和雨水的混合比含量,增加云冰和雪的混合比含量;云凝结物垂直平流输送的作用是增加降水云系中雨水、雪和霰的混合比含量,减少云与冰混合比含量.云凝结物三维平流输送效应的分析表明,云凝结物的三维平流输送主要通过调整云凝结物的微物理过程源汇项以及降水粒子(雨水、雪和霰)的下落末速项来改变降水云系中云凝结物的垂直结构;另外,雪的三维平流输送对雪本身的分布也有一定影响.     

强西南急流背景下南岭山脉一次暖区大暴雨数值模拟分析

利用常规观测资料、卫星FY-2G逐时TBB资料,采用WRF中尺度数值模式,对2016年5月5日湘桂粤边界南岭山脉的一次强西南急流背景下预报失败的暖区大暴雨过程(简称16·5过程,下同)进行数值模拟和诊断分析,研究了南岭山脉特殊地形对此次暖区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,中低层西南气流由于受到南岭多处山脉地形的阻挡、侧摩擦和峡谷等效应的影响反复出现强烈辐合区,导致连续出现超强的水汽辐合中心,造成了湘桂粤边界暖区大暴雨的发生;在南岭特殊地形导致的动力、水汽条件下和有利于云内微物理过程发展的环境下,局地对流云系强烈发展与大尺度西南气流引导的深厚高层冰相云系结合后,云内的过冷云水在强盛的上升气流作用下抬升,丰富的过冷云水有利于贝吉隆过程和结凇进程,促进云内固态粒子增长,这是导致此次暖区大暴雨发生的重要云微物理内因。      

基于云雷达和降水雷达资料的一次典型暖云降水成因及粒子类型演变

针对2020年8月9日南京市一次典型对流性暖云降水过程,结合云雷达和双偏振降水雷达资料,研究了此次短时强降水的雷达回波特征和成因;基于雷达参量和模糊逻辑算法识别了水凝物粒子类型,并分析了降水过程中水凝物粒子的性质和演变.结果 表明:此次降水强度大、效率高,雷达观测的云体回波呈现低质心、强回波的热带型结构.正负速度对的出...