亚洲夏季风区中尺度地形降水结构及分布特征

采用高分辨率TRMM、AIRS卫星实测资料, 从气候态的降水微物理过程角度分析了亚洲夏季风期间中尺度山脉对不同性质降水垂直结构和水平分布的影响。研究表明, 中尺度山脉迎风、背风坡均以层云降水为主, 层云降水强度在迎风坡强于背风坡; 对流降水在迎风坡主要为浅对流, 背风坡主要为深对流, 对流降水强度在背风坡强于迎风坡。沿西南季风推进方向依次经过的中尺度山脉, 其两侧发生降水像素个数、 降水微物理特征等差异逐渐减小, 其中, 对流降水迎风坡向背风坡转变明显, 而层云降水背风坡向迎风坡转变明显。大气稳定度与对流降水在迎风、背风坡的分布相一致。另外, 对中尺度地形降水的研究为区域气候模式模拟高精度地形降水分布提供了实测依据。     

太行山地形对一次河北暴雨过程影响的数值研究

应用MM5模式对2000年7月5日河北省中南部的暴雨个例进行数值模拟及诊断分析,探讨了太行山脉对于河北省暴雨的影响.结果表明:降水分布在太行山东部迎风坡上,且强降水中心与喇叭口地形相对应,地形雨特征明显.在高分辨率模式模拟中,地形资料越精细,对迎风坡地形暴雨特征模拟能力越好.本次个例中低层东风越大,造成的迎风坡降水越强.近地面层受地形影响,气流表现为局地环流特征,随山脉的起伏,各物理场均有波动的特征.     

豫西地形对一次强降水过程的影响分析

利用中尺度模式WRF 3.3.1模拟了2007年7月29日豫西山区强对流天气过程,并进行了地形高度敏感性试验。结果表明：模式能够很好地再现此次强对流降水过程,模拟降水范围与强降雨中心均与实况较一致。分析对比控制试验和地形敏感性试验结果可知,地形的改变能够在水平和垂直方向上影响环流形势,进而影响降水的落区和中心量级。地形升高和迎风坡梯度增大使近地面层水平风场辐合增强,中层上升运动明显增大,且低层的水汽通量增大,导致雨带横向范围和降水中心量级明显增大;而地形降低和迎风坡梯度减小使山脉对近地面层气流的阻挡作用明显减弱,低层水汽通量显著降低,中层辐合抬升运动明显减弱,迎风坡前强降水中心减弱甚至消失,而山脉下游降水则有所增强。分析地形高度与山前降水的定量关系可知,降水中心量级随着地形升高或降低相应地增大或减小,但二者并非完全的线性正相关。     

地形降水试验和背风回流降水机制

利用中尺度数值模式（ARPS模式）研究了湿气流过山脉地形和地形降水的产生机制。研究结果表明，地形降水是水汽、气流和地形相互作用而形成的。小山脉地形降水主要发生在山脉的迎风坡，表现出典型的迎风降水和背风雨影特征。而回流降水天气是湿气流过大的山脉地形的产物，大的山脉地形有利于风切变临界层的产生，地形降水并不只是简单的上坡降水，还有背风回流和背风波降水机制。     

一次暴雪过程地形方案的敏感性试验研究

利用WRF模式中提供的包络地形、轮廓地形和平均地形方案对2005年12月20-21日的山东暴雪过程进行数值模拟.结果表明:地形方案与降雪的时空分布有很大的相关性,地形越接近实际地形,降雪的时空分布越接近实况;降雪过程中有明显的中尺度重力波活动,降雪的峰值滞后于重力波的波峰;重力波受地形影响很大,地形越不平滑,重力波的强度越强、移速越慢;当重力波的强度较强时,降雪峰值滞后于波峰的时间差也较长.     

分层气流条件下地形降水的二维理想数值试验

利用WRF v3.5中尺度数值模式,在条件不稳定层结下,针对分层气流(基本气流风速和大气湿浮力频率呈二层均匀分布)过山时,地形对降水的影响进行了多组二维理想数值试验,以研究不同高度、尺度山脉和不同方向基本气流对降水形态和分布的影响。模拟结果表明,地形重力波触发对流是地形降水的主要机制之一,地形波的特征(波长、振幅)和传播均受到地形和基本气流的影响,其中,强基本气流流经高而陡峭的山脉时,更容易在其背风坡捕捉到重力波,地形降水呈现多种模态,反之亦然;当改变基本气流与山脉交角时,主要通过影响地形强迫抬升速度、基流对波动稳定性发展来进一步影响地形降水的强度和分布。     

黄山地区短时强降雨的地形增幅机制

应用黄山地区191个地面自动观测站资料,统计分析了201 5年发生在黄山地区短时强降雨时空分布。统计发现:发生短时强降雨过程次数在午后及傍晚(14和18时)时段中明显增多;黄山山脉及其附近是短时强降雨多发生的中心地带,发生短时强降雨次数分布与山脉形态一致、和地形高度相关,短时强降雨与地形关系密切。分别利用三个典型个例分析了山脉地形动力阻拦和热力对短时强降雨的增幅作用,结果表明:(1)山脉地形迎风坡处因地形抬升速度与地面辐合线相配合降雨增强,水汽收支方法诊断计算降雨增量可达6成;(2)锋面过境山脉时垂直扰动增强水平位温梯度增大锋生,在背风坡处地面涡度、上升运动增强,导致降水增幅;(3)山脉西南区域因地面感热通量差异形成热低压,在该区域增暖增湿,大气不稳定增强,受冷平流影响形成强对流天气,导致山区降水增幅。     

WRF模式不同地形平滑方案对降水预报的影响

基于重庆市气象局中尺度数值预报业务系统,开展不同地形平滑方案对模式降水预报的影响研究,详细对比WRF模式中不使用地形平滑方案以及使用s-d-s和1-2-1两种平滑方案生成的静态地形高度场的差异,开展不同地形平滑方案批量平行试验并选取典型强降水个例进行对比分析,结果表明:不同地形平滑方案生成的静态地形高度场之间有明显的差异,特别是在地形较为陡峭的高原和山脉等地区,最大绝对偏差可达462.56m;s-d-s和1-2-1两种地形平滑方案主要平滑掉了模式地形中较小尺度的地形特征,且总体而言1-2-1方案的平滑效果比s-d-s方案明显。连续一个月批量平行试验降水预报检验结果表明,进行模式地形平滑对大雨及以上量级降水预报有正面影响,且使用1-2-1平滑方案的预报结果优于使用s-d-s平滑方案的预报结果;降水个例对比分析结果表明:采用不同的地形平滑方案会造成垂直速度和水汽通量散度预报的明显差异,这样的明显差异会进而影响强降水预报的落区和强度。     

大兴安岭和长白山地形影响东北夏季降水的数值模拟研究

利用区域数值模式WRF-ARW（V3.9）开展高分辨率数值模拟试验,研究了东北地区大兴安岭和长白山地形对该地区夏季降水的单独和共同影响。结果表明,东北地区两大山脉地形可以显著影响东北及其周边区域的大气环流和降水。大兴安岭和长白山地形的阻挡作用使得夏季偏南气流在两个山脉的迎风坡一侧堆积,引起局地水汽增加并产生上升运动,因此两个山脉的迎风坡一侧降水增加;而在两个山脉的背风坡一侧,局地水汽减少并伴随下沉运动,因此两个山脉的背风坡一侧降水减少。大兴安岭地形的存在使得其东侧到松嫩平原地区夏季降水增加1.09 mm d?1（相较参照试验增幅为30%）,而使其西侧蒙古东部地区夏季降水减少0.69 mm d?1（相较参照试验减幅为24%）;长白山地形的存在使得长白山南侧到朝鲜半岛地区夏季降水增加1.76 mm d?1（相较参照试验增幅为26%）,而使其北侧三江平原地区夏季降水减少0.81 mm d?1（相较参照试验减幅为22%）。当大兴安岭与长白山同时存在时,两者的协同作用会减弱蒙古东部、松嫩平原和朝鲜半岛地区夏季降水的响应,而增强三江平原地区夏季降水的响应。该研究结果对于理解东北地区当代气候的形成具有重要的科学意义。     

华北回流暴雪发展机理个例研究

利用新一代中尺度数值模式WRF对2004年11月24-25日发生在华北的一次回流暴雪过程进行了数值模拟,并着重对回流暴雪形成发展的机制进行了分析研究.在回流暴雪形成与发展的过程中,动力锋生机制发挥了重要作用;其产生的锋面次级环流是造成这次暴雪的主要原因;降水过程中,雨雪相态的转变与温度廓线有直接关系,随着降水由雨转为雪,雪水混合比增大迅速且其高度有所降低.地形在此回流暴雪过程中,通过其强迫的、分别位于迎风坡和背风坡的正负垂直速度中心,对降雪起明显的增幅作用,同时对雨水和云水分布产生影响.     

基于西南区域模式预报的川西高原东坡过渡带降水地形订正试验

基于西南区域模式（SWCWARMS）网格降水预报,通过地形降水估算量构建地形降水订正方程,分别应用模式地形和实际地形的订正方案对2020年6~8月发生在川西高原东坡过渡带的11次强降水过程进行订正试验。结果表明:应用模式地形订正后各量级降水预报的平均TS（Threat Score）评分较模式预报均有所提高,大雨及以上量级TS评分提高4%以上,平均空报、漏报率均减小,订正效果优于应用实况地形订正的效果。该方法具有普适性,对于地形复杂的川西高原东坡、攀西河谷及盆地西部沿山地区,预报和实况落区相似、不相似及强、弱降水过程均适用。      

Dynamical Downscaling of Temperature and Precipitation Extremes in China under Current and Future Climates

Climate changes over China from the present (1996–2005) to the future (2046–2055) under Representative Concentration Pathways 4.5 (RCP4.5) and Representative Concentration Pathways 8.5 (RCP8.5) scenarios are projected using the Weather Research and Forecasting (WRF) model, version 3.7.1. The WRF model was driven by the Global 6-Hourly Bias-corrected Coupled Model Intercomparison Project, Phase 5 (CMIP5), Community Earth System Model dataset over China with a resolution of 30?km. The results demonstrate that WRF downscaling generally simulates more reliable spatial distributions of surface air temperature and precipitation in China with higher spatial pattern correlations and closer in magnitude to the Community Climate System Model, version 4.0, simulation results, especially near mountain ranges. The WRF projections for temperature and precipitation for the future under the two emission scenarios are compared with the present simulation. Generally stronger warming, both in mean temperature and extreme statistics, is produced by WRF-RCP8.5 than by WRF-RCP4.5. The projections for precipitation changes are more varied with season and region for both scenarios.     

Impacts of Cumulus Convective Parameterization Schemes on Summer Monsoon Precipitation Simulation over China

By using the Betts-Miller-Janjic, Grell-Devenyi, and Kain-Fritsch cumulus convective parameterization schemes in theWeather Research and Forecasting (WRF) model, long time simulations from 2000 to 2009 are conducted to investigate the impacts of different cumulus convective parameterization schemes on summer monsoon precipitation simulation over China. The results show that all the schemes have the capability to reasonably reproduce the spatial and temporal distributions of summer monsoon precipitation and the corresponding background circulation. The observed north-south shift of monsoon rain belt is also well simulated by the three schemes. Detailed comparison indicates that the Grell-Devenyi scheme gives a better performance than the others. Deficiency in simulated water vapor transport is one possible reason for the precipitation simulation bias.     

区域气候模式不同积云对流参数化方案对新疆气候模拟的影响研究

使用NCEP-FNL全球分析资料作为WRF模式的初始场和边界场,利用该模式中7种积云对流参数化方案对新疆地区进行2006年10月1日至2008年3月1日的模拟积分试验,重点考察模式在水平分辨率为10 km下不同积云对流参数化方案对新疆地区气象要素模拟的敏感性。结果表明:1）采用7种积云对流参数化方案的模式都能较好地模拟出年、雨季总降水量、平均温度的空间分布及大气的垂直结构。2）对于不同区域来说,采用各种积云对流参数化方案的模式都能模拟出候降水及候平均温度随时间演变,模式候降水与观测的相关系数在0.20~0.85之间,而候平均温度与观测的相关系数在0.98以上。对于整个新疆地区来说,采用各方案模式模拟的低层偏干偏冷,大气层结较稳定导致降水较观测偏少,而其中天山地区模式模拟的低层较观测偏湿偏暖,大气层结偏向不稳定导致降水偏多。3）采用新的Grell和Kain-Fritsch（new Eta）方案模式模拟的效果综合来看较好。因此利用WRF模式开展新疆地区数值模拟研究时应该考虑不同积云对流参数化方案适用范围。     

太行山地形对“96.8”暴雨影响的数值试验研究

利用ＭＭ４模型,设计了４种模式地形方案,讨论了太行山地形对“９６．８”暴雨降水量的贡献;并利用垂直运动和水汽通量等物理量,探讨了太行山地形对本次暴雨过程增幅作用的机制。结果显示,太行山地形对本次暴雨过程的降水中心强度及位置有显著影响,具有６０％增幅作用。太行山地形对垂直运动及水汽辐合也都具有增幅作用。模式地形越真实,预报结果越好,地形越高,降水增幅作用越明显。     

WRF模式对江西2006—2015年夏季气候模拟的性能分析

基于NCEP/FNL再分析资料,利用中尺度天气预报模式（WRF）对2006—2015年1月1日—8月31日的天气形势进行模拟,分析探讨了模式对江西省夏季(6—8月)气温和降水的模拟能力。结果表明：WRF模式能准确模拟出江西省气温和降水的空间分布气候特征,模拟结果与中国区域高时空分辨率地面气象要素驱动数据集（CMFD）接近。其中,降水的模拟精度低于气温模拟;模拟的气温在鄱阳湖地区出现低值,与CMFD的偏差最大。WRF模式模拟的地面反照率偏大导致气温模拟结果偏低。     

北雁荡山地形对2020年“黑格比”台风暴雨影响的数值模拟

2020年第4号台风“黑格比”在浙南登陆后过境北雁荡山期间在山区引发了特大暴雨。基于中尺度数值模式WRFV4.0.2对台风进行高分辨率数值模拟，分析北雁荡山地形对此次台风暴雨的作用，并设置了升降地形敏感性试验。结果表明：数值试验较好地模拟了台风移动及特大暴雨的落区和强度，台风大风区明显不对称分布，台风登陆后第一、四象限过境山区，其东侧强偏南气流向山区输送了充足水汽。台风登陆前山区低空存在一条由台风内核拖曳出的狭长螺旋辐合带，水汽通量辐合与风场辐合相一致。台风眼墙过境时沿着降水中心的迎风坡有强烈上升运动，动力条件极好，水汽输送带由近地面向对流层低层延展，山区有零星对流单体触发加强。台风后部环流影响时在高海拔山区风速减弱、绕流激发了中尺度低涡，强降水中心迎风坡上出现持续性、停滞不动的强正涡度中心，是特大暴雨发生的主要原因。地形敏感性试验中无地形时降水减幅40%～50%，地形高度翻倍降水增幅超过60%。     

不同行星边界层参数化方案对新疆降水模拟的影响研究

使用NCEP-FNL全球分析资料作为WRF模式的初始场和边界场,利用该模式中6种行星边界层参数化方案对新疆进行2006年10月1日至2008年1月1日的模拟积分试验,重点考察模式在10 km水平分辨率下不同行星边界层参数化方案对新疆降水模拟的敏感性。结果表明:1）采用6种行星边界层参数化方案的模式都能较好地模拟出年、雨季总降水量的空间分布及月降水的季节循环。2）对于新疆整体来说,采用Grenier-Bretherton-McCaa（GBM）方案模拟雨季降水更接近观测,偏差在±30%以内。对于天山地区来说,采用Bougeault-Lacarrere（BouLac）方案模拟年降水更接近观测,偏差为－19.13%;采用GBM方案模拟中雨和大雨的TS评分最高分别为0.37和0.33,并且能够较好地模拟7月5次较大降水日中不同下垫面类型的昼夜降水,偏差在5 mm以内。3）BouLac方案能够较好地模拟天山地区年降水的时空分布特征,GBM方案更适合模拟新疆整体雨季期间降水。因此利用WRF模式开展新疆降水模拟研究时应考虑不同行星边界层参数化方案的适用范围。     

地形对华南飑线升尺度影响机制的数值模拟研究

本文利用NCEP/NCAR提供的1°×1°的再分析资料,应用WRF4.0中尺度数值模式对2016年4月13日华南地区的一次飑线升尺度过程进行模拟,并设计一系列的敏感性试验,详细研究了南岭对飑线升尺度增长的影响以及可能的机制。结果表明:WRF模式较好的模拟了本次飑线过山前后的变化以及其降水的分布。强对流在过山后比过山前发展要强烈,水平的尺度增长快。但不同高度的地形敏感性试验表明,适宜的地形高度对于风暴的发展更有利。地形影响了飑线的尺度和组织,地形过高会使得广东北部的对流分散。地形可以通过改变水平流场、水汽场、垂直运动以及低层的垂直风切变等来间接影响飑线中的对流单体的分布和对流单体的强度。无地形阻挡时,有利于急流的北进,水汽输送更为有利。但是,一定的地形高度对低层的垂直运动是有利的。地形较高,则会利于高层的垂直运动,低层更多的可能以绕流为主。当地形超过一定高度时,低层的辐合场也相应的减弱。