一次梅雨锋暴雨过程的数值模拟及机理分析

对2003年6月24、25日的江南北部暴雨过程进行了数值模拟及其结果分析。研究表明：这是一次在高空槽、低空切变线及高低空急流的共同影响下，冷暖空气交汇形成梅雨锋而引发的降雨；在暴雨过程中，高低空急流的共同作用对暴雨的发生发展起着重要作用，风场的特殊结构，使得中空出现三个无辐散层、两个垂直上升运动中心，从而维持了整层的垂直上升运动；去除潜热的“干”敏感性试验表明，潜热释放加热了深厚的大气层，使得高层加压辐散，暴雨区北侧的高空西北急流加强，低层减压辐合，暴雨区南侧的低空西南急流加强，同时使得低层的切变线得以维持加强。     

一次华南低空急流和暴雨过程的对比数值试验

在文献「４」成功地模拟华南前汛期一次低空急流和暴雨过程的基础上，分析讨论了４个对比数值试验。结果表明：凝结潜热加热和青藏高原大地形对暴雨的产生，华南低空急流的维持是十分重要的；不同的边界层过程以及华南地形的作用只表现在雨量的大小和分布上。     

非纬向高空急流与远距离台风中尺度暴雨的研究

首先对非纬向高空急流与远距离台风暴雨的相关统计进行了分析，得出：暴雨发生时，２００hPa高空一般为西南风急流（９０．２％），暴雨区位高空急流右后方，暴雨增幅时，２００hPa高空急流有一个增强转贤的趋势，用ＭＭ４模型对９７１１号台风８月１９日００时－２０日００时（ＧＭＴ）进行了数值模拟和诊断分析，认为，远距离台风暴雨与非纬向风有关，高层辐散场使低产生变风场辐合，从而导致台风倒槽的形成与暴雨加强，在暴雨增幅过程中，用中尺度系统分析发现在高空急流右后方３００hPa以下存在一支中尺度环流，该环流对暴雨的维持与加强有密切联系，它的生成与高空急流的非纬向性增强有关，在高空急流右后侧的次级环流与降水产生的潜热反馈，高空非纬向场（v场）的增强之间存在一种有利于远距离暴雨增幅的正反馈机制。     

两次陕北暴雨过程热力动力机制诊断

利用常规气象观测资料、NCEP FNL分析资料（水平分辨率为1°×1°,时间分辨率为6 h）,对2013年7月21-22日和2014年7月8-9日两次陕北暴雨过程成因进行热力动力诊断,结果表明:两次陕北暴雨与高低空急流关系密切,暴雨带位于低空急流左侧的水汽辐合区,“0721”过程低空急流更强,在高低空急流耦合的强上升运动区（延安）出现大暴雨。降水前期,两次过程大气均存在对流不稳定,切变线触发对流,产生强降水,而其释放的凝结潜热加热形成中低层大气的热力不连续面,湿斜压性及锋生增强,造成整层饱和大气的抬升,维持强降水。“0721”过程前期对流降水的潜热释放更大,由此反馈的低空急流及锋生更强,出现大暴雨天气。广义对流涡度矢量垂直分量很好地描述了两次暴雨过程高低空急流耦合作用以及凝结潜热释放增强的锋生作用,其变化趋势能够反映降水的发展和减弱过程。暴雨出现在湿热力平流参数垂直积分大值中心及南侧的高梯度区,大值中心出现后约6 h会产生强降水,这对于强降水落区的预报有一定指示意义。     

登陆台风不连续北跳与暴雨的数值模拟研究

利用MM4（PSU/NCAR）模式，对1992年8月31日20时～9月1日20时登陆台风暴雨过程进行了数值试验研究。结果表明；登陆台风的不连续北跳与西风槽和积云对流潜热反馈有关。倒槽南部雨区内积云对流的发展加大了对台风倒槽内的水汽、动量、热量等输送，使倒槽内降水增幅。积云对流潜热反馈对高低空急流以及台风的移动都有很大的影响。     

一次黄河暴雨的不同尺度系统相互作用的数值试验

利用张玉玲等人的１０层有限区域细网络模式，模拟了１９８２年７月３０日黄河三花间的暴雨过程，并用该模式作了减弱大尺度高低空急流的数值试验，结果发现高低空急流在暴雨区耦合得很好，但在同一暴雨过程中的不同区域，高低空急流对暴雨有各自不同的主导作用，对这次暴雨过程而言，低空急流更重要，天气尺度低空急流与冷空气的相互作用激发了次天气尺度能量锋区的发展与暴雨的发生，次天气尺度扰动又通过暴雨的凝结反馈，促使天气     

中国西部地区暴雨过程高、低空急流耦合影响机制的个例研究

高、低空急流对中国暴雨有重要影响,但是其对中国西部地区暴雨影响的深入研究缺乏,其耦合过程及机制的研究更少。本文利用常规观测、加密自动气象站降水资料以及NCEP/NCAR再分析资料,借助数值模拟,研究高、低空急流耦合效应对2018年7月8～11日中国西部一次特大暴雨过程的影响及其发生机制。结果表明：（1）此次暴雨过程是在中高纬东移冷涡低槽与副高西伸北抬的有利背景下产生的,高、低空急流耦合有利于暴雨的发展。（2）高、低空急流耦合主要通过次级环流和动量下传得以实现：高空急流加强高层辐散下沉,同时低空急流加强低层辐合上升,促使高、低空急流之间形成次级环流,其下沉支引导高层高值位涡向下层传播,形成动量下传,与中层高值位涡区相衔接,高、低空急流在中层耦合。（3）高、低空急流的耦合,加强了中层不稳定能量的聚集,促使低空急流加强发展;进而增强了辐合强度,促使上升运动加强,从而增强了降水强度。通过增减高、低空风速的敏感性试验发现,高低层风速的增减能够改变中低层最大位涡的增减,其基本对应了强降水时段,且位涡值越大降水强度越强。（4）高、低空急流强度共同对降水强度有重要影响：数值模式敏感试验表明,当同时增加...     

一次特大暴雨形成中天气尺度和次天气尺度系统的作用

采用中尺度数值模式MM5V2对1998年6月下旬发生在长江流域持续的暴雨过程进行分析研究。通过尺度分离与数值模拟对比试验，着重分析了暴雨过程中天气尺度与次天气尺度各物理量场的结构特征，提出本次暴雨过程形成的物理机制:天气尺度流场与水汽场为降水提供持续的远距离水汽输送通道，次天气尺度流场形成稳定的经向强辐合，为水汽的抬升与凝结提供动力条件；在有利的高、低空急流的配置下，暴雨区落在高空急流轴以南、低空急流轴以北；次天气尺度温度场下暖上冷的热力不稳定层结促进了热力不稳定的发展，促使暴雨增幅；特大暴雨发生地区上空的次天气尺度湿度的高值中心，有利于湿空气在上升运动中释放潜热，形成暴雨的反馈机制。数值试验分离模式初始场不同尺度系统信息，揭示了不同尺度系统在暴雨发生过程中的动力作用，没有中尺度系统的配合，仅有天气尺度系统信息，或只有次天气尺度系统信息，没有大尺度系统的配合，暴雨的强度及范围都将有所消减。分析及数值试验结果表明大暴雨是在天气尺度和次天气尺度系统的共同作用下才得以产生和维持的。     

2011年梅雨期长江中下游地区两次暴雨过程数值模拟对比分析

基于WRF数值预报模式,对2011年梅雨期6月9—10日和14—15日长江中下游地区两次暴雨过程（分别简称“6·10”过程和“6·14”过程）进行数值模拟,重点对比分析了暴雨期间西南涡的活动与高低空急流耦合配置之间的关系。结果表明：1） 西南涡的活动和高低空急流耦合配置与暴雨活动关系密切,是造成两次暴雨过程范围和强度差异的重要因素。2）“6·10”过程中,一个浅薄的西南涡系统受青藏高原浅槽东移北缩减弱影响,向东北方向移动,同时西南低空急流位置偏北,导致暴雨区位置偏北;“6·14”过程中,一个深厚的西南涡系统受高空浅槽东移发展加深影响,沿长江缓慢东移,伴随西南低空急流位置偏南,降水缓慢向东移动,导致暴雨区位置偏南。3） 两次过程的强降水中心均位于高低空急流耦合区,“6·10”过程中,在长江中下游地区形成的高低空急流耦合区范围偏小且强度偏弱,因此辐合上升运动偏弱,不利于形成大范围的强降水;“6·14”过程中,在长江下游地区形成大范围高低空急流耦合的环流形势,强烈的辐合上升运动配合充足的水汽供应,最终形成大范围强降水。     

近海台风对“21·7”河南极端暴雨过程水汽通量和动、热力条件影响的模拟

本文利用WRF模式对近海台风“烟花”及“查帕卡”影响2021年7月19日至21日河南极端暴雨的过程进行数值模拟。控制试验（CTL）对台风路径、强度、大尺度环流形势,以及河南暴雨的强度和空间分布型等均给出合理的模拟,基本再现了本次河南极端暴雨的发展过程。敏感性试验表明,在移除台风“烟花”后,副热带高压系统显著南压并在南侧形成东南风急流,河南地区的南风分量减弱、东风增强,东西方向的水汽输送占主导,有利于降水分布型由CTL试验的南—北向转变为东—西向;另一方面,由于低层东南风急流相较于移除“烟花”前的东风急流偏弱,河南降雨区的局地辐合减弱,水汽通量净流入值较CTL试验降低5.81%,且中纬度冷气团西移减慢,引起局地相当位温梯度减弱,最终导致移除台风“烟花”试验的降雨强度偏弱。移除台风“查帕卡”后,大尺度环流形势几乎未受影响,河南南侧的水汽输送略有减弱,因此强降水分布基本与CTL试验类似,降雨强度略有减小。与台风“烟花”相比,“查帕卡”对河南暴雨的影响较弱。     

川西平原一次暖区暴雨的能量天气学分析

利用NCEP 1°×1°再分析资料,应用能量天气学方法对发生在2015年8月14日的川西平原暖区暴雨进行了分析。结果表明,总能量在8月14日经历了在上午积聚和午后释放的过程,并且随着时间由北向南增加,这和雨带从成都往眉山、乐山移动一致。总能量极大值14时出现在30°N附近,这和强降雨中心午间出现在眉山吻合。14日白天潜热能和总能量变化趋势一致,且不同时段变化值接近,潜热能的变化是导致总能量变化的主要因子,潜热能是此次川西平原暖区暴雨的主要贡献者。川西平原潜热能明显增大,有利于出现降水,潜在不稳定区和雨区有较好的对应关系。饱和能差较小,对流不稳定能量增加,有利于出现降水。14日14时对流不稳定能量和潜在不稳定能量显著增大,能量平衡高度达到200h Pa附近,导致成片暴雨区的出现。      

一次大暴雨过程的物理量平衡分析

本文分析了1977年7月一次大暴雨过程的动能、感热和水汽的平衡。结果表明暴雨系统把来自周围大气的感热能和潜热能变成动能,在高层又将动能输送给周围大气。次网格尺度运动对天气尺度系统的作用是感热源、潜热汇。对于动能,在强对流的中心区是动能源,在包括中心周围的较大范围内是汇。 本文所得结果对于降水数值预报模式的设计有一定意义。     

The Uncertainty of Mesoscale Numerical Prediction of Heavy Rain in South China and the Ensemble Simulations?

In the context of non-hydrostatic MM5 version we have explored the impact of convective parameterization schemes on uncertainty in mesoscale numerical prediction of South China heavy rain and mesoscale heavy rainfall short-range ensemble simulation by using two kinds of physics perturbation methods through a heavy rain case occurring on June 8, 1998 in Guangdong and Fujian Provinces. The results show the physical process of impacts of convective schemes on heavy rainfall is that different latent heat of convective condensation produced by different convective schemes can make local temperature perturbation, leading to the difference of local vertical speed by the intrinsic dynamic and thermodynamic processes of atmosphere,and therefore, making difference of the timing, locations and strength of mesh scale and subgrid scale precipitation later. New precipitations become the new source of latent heat and temperature perturbation,which finally make the dynamic and thermodynamic structures different in the simulations. Two kinds of methods are used to construct different model version stochastically. The first one is using different convective parameterization and planetary boundary layer schemes, the second is adjusting different parameters of convective trigger functions in Grell scheme. The results indicate that the first ensemble simulations can provide more uncertainty information of location and strength of heavy rainfall than the second. The single determinate predictions of heavy rain are unstable; physics ensemble predictions can reflect the uncertainty of heavy rain, provide more useful guidance and have higher application value.Physics ensembles suggest that model errors should be taken into consideration in the heavy rainfall ensembles. Although the method of using different parameters in Grell scheme could not produce good results, how to construct the perturbation model or adjust the parameter in one scheme according to the physical meaning of the parameter still needs further investigation. The limitation of the current study is that it is based on a single case and more cases will be addressed in the future researches.     

华南中尺度暴雨数值预报的不确定性与集合预报试验

利用非静力MM5模式,分析了不同积云对流参数化方案对华南暖区暴雨数值预报的不确定性影响,进行了中尺度暴雨模式扰动集合预报试验。不同对流参数化方案的对流凝结加热引起不同的局地温度扰动,通过大气内部的热力动力过程,导致垂直速度的差异,进而影响网格尺度和次网格尺度降水时间、地点和强度。后续降水再通过凝结潜热释放形成新的扰动源。不同积云对流参数化方案还可引起扰动源能量传播方式不同,最终使模拟大气的动力和热力结构有差异。针对物理过程的不确定性,使用两种模式扰动方法构造集合预报扰动模式,第一种方法是随机组合不同积云对流参数化方案和边界层方案,第二种方法是扰动Grell积云对流参数化方案中主要参数振幅。集合预报结果表明,第一种方法的集合预报效果优于第二种方法,仅扰动参数振幅值似乎还不足以反映华南暴雨预报的不确定性。单一的确定性预报在暴雨落区和强度方面的可信度不稳定,集合产品能给华南暴雨过程提供更有用价值的指导预报,具有较高的应用价值。     

THE IMPACT OF DIFFERENT PHYSICAL PROCESSES AND THEIR PARAMETERIZATIONS ON FORECAST OF A HEAVY RAINFALL IN SOUTH CHINA IN ANNUALLY FIRST RAINING SEASON

An ensemble prediction system based on the GRAPES model, using multi-physics, is used to discuss the influence of different physical processes in numerical models on forecast of heavy rainfall in South China in the annually first raining season(AFRS). Pattern, magnitude and area of precipitation, evolution of synoptic situation, as well as apparent heat source and apparent moisture sink between different ensemble members are comparatively analyzed. The choice of parameterization scheme for land-surface processes gives rise to the largest influence on the precipitation prediction. The influences of cumulus-convection and cloud-microphysics processes are mainly focused on heavy rainfall;the use of cumulus-convection parameterization tends to produce large-area and light rainfall. Change in parameterization schemes for land-surface and cumulus-convection processes both will cause prominent change in forecast of both dynamic and thermodynamic variables, while change in cloud-microphysics processes show primary impact on dynamic variables. Comparing simplified Arakawa-Schubert and Kain-Fritsch with Betts-Miller-Janjic schemes, SLAB with NOAH schemes, as well as both WRF single moment 6-class and NCEP 3-class with simplified explicit schemes of phase-mixed cloud and precipitation shows that the former predicts stronger low-level jets and high humidity concentration, more convective rainfall and local heavy rainfall, and have better performance in precipitation forecast. Appropriate parameterization schemes can reasonably describe the physical process related to heavy rainfall in South China in the AFRS, such as low-level convergence, latent heat release, vertical transport of heat and water vapor, thereby depicting the multi-scale interactions of low-level jet and meso-scale convective systems in heavy rainfall suitably, and improving the prediction of heavy rainfall in South China in the AFRS as a result.     

两类华南沿海暖区暴雨特征及热力发展机制对比研究

对2009—2014年4—6月的华南沿海暖区暴雨依据低层环流进行分类:第一类为偏南向型,即珠江口以西经向性偏南向辐合线型,由东南、偏南、西南三支气流汇合;第二类为西南向型,即珠江口以东纬向性西南向辐合线型,由偏西和西南风两支气流汇合。6小时强降水统计显示,6年中偏南向型年平均73.2次,西南向型年平均50.3次。南海夏季风爆发后,两种类型发生频数均明显增加。两类低层辐合线系统对应上层的合成特征显示,500 hPa天气形势偏南向型为宽阔暖脊,温度脊落后,有较明显的暖平流,无锋区;西南向型为弱槽,中纬度温度槽落后,锋区偏北,华南位于锋面前暖区,有弱波动。两类暴雨垂直剖面上有深厚垂直速度中心伸展到400 hPa;对应强烈的辐合层为几个垂直叠置的辐合中心;均为水汽充沛,对流不稳定能量层次深厚,有较强凝结潜热释放,造成气柱增暖拉伸,加强深厚多中心辐合及上升气流,其中西南向型凝结潜热释放更强,偏南向型中高层暖平流强于其凝结潜热释放。探讨热力发展机制的数值模拟显示,凝结潜热释放对气柱增温,大大增强暴雨区垂直速度厚度与强度,并增强暴雨区低层辐合环流,减弱中层辐散环流,其影响力达到环流强度的30%~50%,有利于维持强烈对流,促进暖区暴雨的发展。      

SENSITIVITY OF LANDFALLING TYPHOON STRUCTURE AND PRECIPITATION TO VARYING CLOUD MICROPHYSICAL PROCESSES

Typhoon KROSA in 2007 is simulated using GRAPES, a mesoscale numerical model, in which a two-parameter mixed-phase microphysics scheme is implanted. A series of numerical experiments are designed to test the sensitivity of landfalling typhoon structure and precipitation to varying cloud microphysics and latent heat release. It is found that typhoon track is sensitive to different microphysical processes and latent heat release. The cloud structures of simulated cyclones can be quite different with that of varying microphysical processes. Graupel particles play an important role in the formation of local heavy rainfall and the maintenance of spiral rainbands. Analysis reveals that the feedback of latent heat to dynamic fields can significantly change the content and distribution of cloud hydrometeors, thus having an impact on surface precipitation.     

The Uncertainty of Mesoscale Numerical Prediction of Heavy Rain in South China and the Ensemble Simulations

1. IntroductionHeavy rain is a kind of severe natural calamitythat influences South China. After decades of years oftests and theoretical exploration by Chinese scientists,significant progresses have been achieved in its predic-tion and basic theoretical studies (Huang, 1986; Xue,1999; Zhou et al., 2003). Currently, the mesoscale nu-merical model has already been employed as one of themajor tools in the prediction and research on heavyrain in South China, promoting considerably the ac-curac…     

2010年6月中旬浙闽赣地区暴雨特征和冰云热力效应的数值模拟分析

以2010年6月19日发生在浙闽赣地区的一次强降水过程为例,利用中尺度WRF模式进行模拟,用模拟资料对该地区降水收支特征和冰云热力作用进行分析。依据局地水汽/热量变化项、水汽/热量辐合辐散项和云凝物辐合辐散项这3个因子可将降水分为8类,其中局地水汽变干和大气变暖、水汽辐合和热量辐散以及云凝物辐合时,降水强度(雨强)最强,而局地水汽变湿和大气变冷、水汽辐合和热量辐散以及云凝物辐合时,降水覆盖率最大。冰云热力效应包括辐射和潜热两部分。基准试验与敏感性试验对比分析表明冰云辐射减弱降水,而冰云潜热增强降水。热量收支对比分析发现冰云辐射造成辐射冷却的减弱在对流层中低层随高度增加,减弱大气不稳定和降水;而冰云潜热造成潜热增强在对流层中高层随高度减小,增强大气不稳定和降水。