非均匀下垫面大气边界层研究进展

总结了水平非均匀下垫面的大气边界层研究,指出干旱区的绿洲具有明显的“冷湿岛效应”,并可形成边缘逆湿和区域环流,而植被和水域的分布则显著改变了大气边界层结构．阐述了复杂地形下垫面对局地风场和小尺度环流产生的影响、城市热岛效应的产生及特点和城市中绿地和水体的微气候效应．比较分析了不同陆面参数化方案以及边界层气候模式,提出未来在热力与动力非均匀的结合、湿地下垫面的数值模拟、城市复杂下垫面参数化以及气候模式的耦合等方面尚需进行深入的研究．     

2006年“珍珠”台风影响期间福建省降水酸度分布特征分析

利用2006年"珍珠"台风影响福建省期间的酸雨监测资料和新一代天气雷达回波资料,对城市降水酸度分布特征及福州市短时段降水酸度进行分析,结果表明:来自海上的台风降水呈偏碱性;登陆后台风对福建省城市降水酸度的影响与其螺旋雨带上降水云团的移动路径及城市周边污染源分布有关;"珍珠"台风的短时段降水酸度并非保持恒定,对福州市降水酸度的影响会随着台风强度、风场结构的变化及螺旋雨带上降水云团途经下垫面城市大气污染排放状况而发生改变.     

北京地区降水空间分布及城市效应分析

利用1971-2010年北京地区20个测站降水资料和城市发展数据,分析了北京地区降水的大尺度变化趋势及局地降水的城市效应特征。结果表明:(1)北京地区年降水量具有大尺度变化特征,其线性倾向率为-9.12 mm·(10a)-1;(2)城市化缓慢期城市对降水影响不明显,而快速发展期则表现出明显的雨岛效应,城市化不仅使雨岛增强,还对城市下风向降水有一定影响;(3)受盛行风及热岛环流的共同影响,北京地区不同季节局地降水表现出不同的分布形态;(4)城市化过程对城区局地强降水日数存在增加效应。     

成都城市化发展对局地气候的影响

为研究成都地区城市化对局地气候的影响,利用新一代中尺度数值模式WRF,将不同时期下垫面土地利用类型作为控制试验和敏感试验的模拟条件,探讨了下垫面改变对成都市夏季和冬季城市化效应的影响。结果表明:城市下垫面对夏季中心城区的地表气温升高有显著影响,敏感性试验表明,下垫面的改变引起成都地区夏季28℃以上的高温区域扩大并向东北和西南扩张,且城区的外扩导致周边区域地表气温升高。冬季成都地区常为多云天气,能到达地面的太阳辐射较夏季大大减小,城市化导致的升温作用没有夏季显著。城市化作用使城市上风区降水量以减少为主,下风区降水量以增多为主,城市化使得发生强降水的概率增加,并且强降水在空间分布上更集中在城市下风区。      

边界层方案对一次西南涡背景下局地暴雨过程影响分析北大核心

利用WRF模式对2017年6月9日重庆合川区一次局地暴雨过程开展对流可分辨尺度的模拟试验,比较三种边界层参数化方案对降水模拟的影响。结果表明,不同试验均能模拟出此次降水的主要分布特征,而不同边界层参数化方案能够显著影响降水落区和强度的模拟。MYJ方案对强降水的模拟最好,能较好地模拟出降水触发的时间和位置;其次为BouLac方案,触发时间偏晚约2 h,降水落区与MYJ方案相近;YSU方案模拟的降水分布偏差较大,降水触发的位置和落区偏北。湍流混合强度是造成落区模拟差异的主要原因,通过影响1.5 km高度以下风场分布改变造成此次局地强降水过程的西南涡位置,进而影响到降水的落区。基于YSU方案的湍流混合减弱试验证明了湍流混合强度与降水落区的关系。     

城市化对江苏气候变化影响的数值模拟个例分析

利用MM5模式对2003年夏季6、7两个月典型区域气候极端事件进行数值模拟,研究城市化急剧扩张对区域气候极端事件的影响和可能机制.研究发现:苏南及邻近地区城市化区域的扩张,会引起区域降水分布的变化.在城市化区域,降水将减少,而在城市化的下风区会有局地的降水增加;同时,在苏南城市化区域中,太湖等湖泊的影响也很重要,会加强其邻近地区局地降水强度.城市化区域的地面气温有明显的上升,对高温天气的作用更大.城市化也会影响地面风场,阻挡穿越城市化区域的风;苏南沿海城市化区域扩张,会使海陆风环流增强,加大了海面向陆面的风.城市化区域的潜热通量明显减少,而感热通量显著增加.城市化增暖产生的局地热源,使城市化区域及邻近地区局地环流发生变化,增强了低层城市化区域向周边辐散的强度.随着高度的增加,城市化的影响也越来越小.     

湿地边界层通量影响热带气旋登陆维持和降水的数值试验

用MM5v3模式及其TC Bogus方案对台风Nina(7503)在中国大陆上的维持加强过程进行模拟,并通过各种敏感性试验,研究了饱和湿地对热带气旋在大陆上维持和降水的影响。结果表明:湿地边界层内各通量对登陆热带气旋的强度、结构及其降水具有明显影响。潜热通量和感热通量均有利于热带气旋的维持和加强,其中潜热输送的作用显著,感热输送的作用较小。潜热和感热通量有利于热带气旋雨带螺旋结构的维持,对台风降水分布有明显影响,动量通量对热带气旋风场有显著的削弱作用,是其能量耗散、低压填塞的主要原因,但对台风降水具有局地增幅作用。     

下垫面对雹云形成发展的影响

利用中尺度模式WRF(Weather Research and Forecasting)对2005年5月31日发生在北京地区的一次强冰雹天气过程进行了数值模拟研究,并与观测的雷达回波、冰雹云移动路径和冰雹落区进行比较,在此基础上探讨了城市和农田两种下垫面对雹云的影响。结果表明,由于"城市热岛"效应的作用,城市下垫面的地面感热通量显著增加,有利于雹云的发展增强和大冰雹的形成,使地面累积降雹量增加,但对雹云移动路径影响不大。农田下垫面具有较大的潜热通量,局地蒸发强,有利于大量小冰雹的形成,云中冰雹含量增加,但降雹强度较弱,地面累积降雹量小。     

城市化对北京一次极端降水过程影响的数值分析

通过敏感性试验探讨了城市化对北京2011年6月23日局地极端降水事件的影响.结果表明耦合了城市冠层模式的WRF系统能较好地模拟出强降水的局地性和突发性特征,考虑了精细下垫面分类的敏感性试验模拟降水更接近实况;下垫面城市化对地表能量平衡影响明显,对大气的热量影响除加强地表对边界层大气向上感热输送外,还会减少局地地表蒸发及大气水分供应,增加边界层高度,并对移经本地的天气系统强度及水汽输送产生较明显的影响.     

8·30湖州西南山区大暴雨的地形影响特征

湖州西南山区地形复杂,受地形影响产生的局地强降水造成的灾害很多.2011年8月29-30日西南山区的强降水是在满足大尺度降水条件下受地形影响加强的局地大暴雨过程.本文利用实况高空、雷达以及加密自动站对背景场、雷达回波、地面风场等几个方面进行分析得出,冷空气南下和近岸台风外围东风环流促进低层风场的调整,在大尺度降水条件下,地形对地面风场的辐合作用触发了局地强降水的发生.     

气候变化与城市全要素生产率：理论与实证

利用1994—2014年中国城市数据探讨气候变化对城市全要素生产率（TFP）的影响。研究发现：气候变化（气温变化和降水量变化）对城市TFP均有负面影响,其中降水量的影响更显著,但对中国东部地区城市的TFP影响不明显;经济发展水平越高的城市,其TFP受气候变化的影响越小,而经济发展水平越低,这种影响就越显著;城市产业结构越趋合理,天气与气候的影响越低,反之则影响越大。其中降水量的变化对三大产业都有影响,对第一产业影响最显著。     

Changes in urban-related precipitation in the summer over three city clusters in China

The impacts of urban surface expansion on the summer precipitations over three city clusters [Beijing-Tianjin-Hebei (BTH), the Yangtze River Delta (YRD), and the Pearl River Delta (PRD)] in eastern China under different monsoonal circulation backgrounds were explored using the nested fifth-generation Penn State/NCAR Mesoscale Model version 3.7 (MM5 V3.7), including the urban-related thermal and dynamical parameters. Ten-year integrations were performed using satellite image data from 2000 and 2010 to represent the urban surface distributions and expansions in China. Changes in the precipitation revealed obvious subregional characteristics, which could be explained by the influences of the vertical wind velocity and moisture flux. With urban-related warming, vertical wind motion generally intensified over urban surface-expanded areas. Meanwhile, the increase in impervious surface areas induced rapid rainwater runoff into drains, and the Bowen ratio increased over urban areas, which further contributed to changes in the local moisture fluxes in these regions. The intensities of the changes in precipitation were inconsistent over the three city clusters, although the changes in vertical motion and local evaporation were similar, which indicates that the changes in precipitation cannot be solely explained by the changes in the local evaporation-related moisture flux. The changes in precipitation were also influenced by the changes in the East Asian summer monsoon (EASM) circulation and the corresponding moisture flux, which are expressed in marked subregional characteristics. Therefore, the influence of urban-related precipitation over the three city clusters in China, for which changes in moisture flux from both the impacted local evaporation and EASM circulation should be considered, varied based on the precipitation changes of only a single city.     

1713号台风“天鸽”与1822号台风“山竹” 大风过程对比及成因分析

利用常规观测、地面自动气象站、FY-2E 卫星红外云图以及多普勒天气雷达资料等,对登陆珠江三角洲沿海的1713号台风“天鸽”和1822号台风“山竹”的大风过程进行对比及成因分析。结果表明：台风本身的强度、结构及其变化对台风的影响范围、出现时间和持续时间有密切关系;地面气压场的分布对台风大风的出现时间起到了重要作用,且气压梯度加大有助于增加大风影响范围和影响时间;“喇叭口”地形的狭管效应对风速有加强作用。卫星云图对预测台风大风的影响时间和影响范围有一定参考作用;当台风中心进入雷达的监测范围时,雷达产品可以有效估测风速大小、影响时间和影响范围。     

局地地形、地表特征对上海暴雨过程影响的研究

作者在对2001年8月5~6日上海地区一场特大暴雨的诊断分析与数值模拟研究中确知,停滞在上海的热带低压及在其内发生、发展起来的中尺度对流云团是造成此次暴雨的直接天气系统。暴雨过程中,非常规观测资料及高分辨率暴雨数值模拟结果的分析对于揭示热带低压内暴雨中尺度系统的结构及发展演变的时空连续性具有重要作用。但同时也意识到,对于造成暴雨的各尺度系统的发生、发展,特别是造成局地突发性强降水的暴雨中尺度系统,某些物理过程的影响是不可忽视的。这些物理过程或独立影响着暴雨中尺度系统的发展,或相互作用、相互制约,共同影响着暴雨中尺度系统的发展。为此,作者在此次暴雨过程较成功的数值模拟研究基础上,对上海附近山脉地形及上海地区地表状况等可能影响暴雨中尺度系统发展的物理过程进行了模拟试验研究,结果表明,上海及其周边地区局地山脉地形和上海地区的地表分布特征虽不是造成此次局地突发性强暴雨的直接原因,但明显影响着暴雨系统的移动、停滞、发展和加强。上海以西的莫干山、天目山在热带低压东移过程中对于气流具有一定阻挡作用,有利于暖湿气流的聚集及热带低压移速的减慢。但若山脉过高且热带低压移至非平原地带,则来自西南的暖湿气流会受阻而汇集在莫干山至杭州湾一带,这样在相对强的偏西气流作用下,热带低压的移向就会出现变化。另外,上海局地地表城市化特征的加强使得城市近地层空气的暖干特性效应和城区上风方风速辐合,并由此引起暴雨系统内中尺度动力、热力特征出现变化,这值得在局地暴雨强度预报中加以关注。局地城市地表特征是城市暴雨灾害不容忽视的影响因素。     

地表利用城市化在一次极端高温过程数值模拟中的影响

地表种类的城市化对城市区域的热力结构和局地环流都会产生巨大的影响。利用地面、高空观测资料和MODIS地表覆盖资料,使用耦合城市冠层模式(UCM)的区域中尺度数值模式(WRF),对2013年8月8日福州地区的一次极端高温天气过程进行数值模拟,研究地表利用变化对福州城市热岛效应及其对福州城市区域局地环流的影响。结果表明:地表利用的城市化使得午后城市热岛现象更加明显而夜间热岛效应呈现出减小的趋势;地表利用城市化后,中心城区的近地面风速减小,但城区与山区以及城区与海洋之间的局地热力环流明显加强,促进了山谷风和海陆风环流的发展;同时地表加热效应增强,促进了垂直运动的发展。      

1211号“海葵”台风登陆后引发两段大暴雨过程的对比分析

利用地面加密自动站观测资料以及NCEP再分析资料,对1211号“海葵”台风登陆后在江苏引发的两段降水对流特征差异明显的大暴雨天气进行对比分析。结果表明:第一段区域性大暴雨天气发生在台风环流中心及北侧偏东风急流附近,此时台风环流完整,中心维持正压结构,环流中心及其北侧偏东急流附近伴有较大范围的水汽辐合和强上升运动,有利于区域性大暴雨天气发生,但降水发生在近乎中性的层结下,降水分布较均匀,发展平缓,降水期间对流活动较弱;第二段大暴雨则发生在远离环流中心的台风倒槽顶部,降水期间暴雨区中高层伴有较明显的冷平流,有利于对流不稳定层结发展,降水发展过程中,地面风场出现中尺度扰动,增强了局地辐合和气旋性涡度,加之地面锋区发展,促进了中尺度对流系统的形成和发展,此段降水中尺度特征显著,发展迅速,雨强大,伴有明显的对流特征,导致出现局地特大暴雨天气。     

北京地形和热岛效应对一次β中尺度暴雨的作用

针对2010年7月9日北京地区一次典型的β中尺度暴雨过程,利用常规天气观测资料、地面加密自动站资料、风廓线雷达数据以及VDRAS（Variational Doppler Radar Analysis System）提供的精细化分析资料,研究了本次过程中地形、热岛效应以及两者相互作用对暴雨的影响。研究表明：地形的抬升作用对暴雨有明显的增强作用,降水过程中有地形雨带的生成;降水前城区热岛效应明显,由此造成的风场垂直切变和边界层辐合为β中尺度系统提供了有利的触发和加强条件,边界层辐合线的位置对暴雨落区有一定的指示意义;降水在西部山前城区发生后低层偏东风与降水之间形成了明显的正反馈,是β中尺度暴雨得以维持和发展的重要机制。     

台风Lekima(1909)登陆前后动热力结构变化对浙江极端降水的影响

利用NCEP FNL 1 °×1 °的全球再分析资料、FY-2F卫星相当黑体亮温TBB资料、中国自动站与CMORPH降水产品融合的逐时降水资料和多普勒天气雷达资料,重点分析了台风Lekima(2019)发展演变过程中的动热力结构变化和水汽分布特征与浙江极端强降水之间的关系。台风Lekima(2019)近海急剧加强为具有特殊双眼壁结构的超强台风,登陆前后环境水平风垂直切变维持较小值是主导台风高强度维持的重要原因。浙江上空维持着强盛的低层辐合和高层辐散场,高低层辐散风的高强度维持使得次级环流抽吸作用强,低层旋转风和辐散风对水汽、动量和热量的输送和分布起到显著的再分配作用,而中层的辐散风风向和风速变化对螺旋云带中的中尺度对流性降水具有重要的指示意义。登陆前后台风低层东北侧(超)低空急流和中层的辐合线是此次浙江台风暴雨的关键点,业务中需密切关注登陆前后台风东北侧的低空急流的影响区域及其变化。此外,700 hPa上非地转湿Q矢量散度场能较好指示未来1小时短时强降水的落区和强度变化,同时结合垂直速度场和低层水汽辐合场来综合判断台风降水落区的效果更佳。      

LAPS上海本地化及其在局地对流天气中的应用研究

本文首先基于地面自动站、探空、雷达和卫星资料,开展局地分析预报系统(Local Analysis and Prediction System,LAPS)上海本地化研究,并结合2010—2014年夏季6个局地对流天气个例对其性能进行检验评估。结果表明:雷达径向风资料对LAPS风速分析影响较大,使分析场风速廓线与探空廓线的均方根误差缩小约7.66%;风云卫星资料能够改善LAPS温度和相对湿度,使分析场温度、相对湿度廓线与探空廓线的均方根误差分别缩小约9.09%和14.01%;探空气球飘移对本文LAPS分析场检验影响不明显。进一步将LAPS分析场用于2011年8月13日、2014年8月4日两次局地对流个例分析表明:LAPS高时空分辨率的分析场能够反映中小尺度天气系统的时空变化,在天气尺度背景并不十分有利于对流生成的情况下,热岛、海陆风环流的形成和持续对上海夏季局地对流天气的发生和发展起到关键作用。