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。     

一次鄂西地区暴雨过程中地形敏感性试验研究

利用WRF模式中提供的不同平滑地形方案对2007年5月30-31日发生在湖北西部地区的暴雨过程进行数值模拟。在此基础上,利用WRF模式进行地形高度敏感性试验。结果表明：地形平滑方案与降水的时空分布有很大的相关性,地形越接近实际地形,降水的时空分布越接近实况;地形高度对降水的强度及落区影响较大,随着山脉地形高度的增加,迎风坡和背风坡的2个降水中心带有远离山脉的趋势,当山脉高度达到一定高度以后,迎风坡和背风坡的两个降水中心带又有靠近山脉的趋势。     

卫星资料揭示的中尺度地形对南海夏季气候的影响

利用一组高分辨率的卫星观测资料, 研究了中尺度地形, 特别是中南半岛长山山脉对南海夏季区域气候的影响。分析表明, 当夏季暖湿、不稳定的西南季风接近长山山脉时, 由于地形的强迫抬升作用在山脉的迎风一侧形成强降水区, 而在山脉的背风一侧、南海西部则形成无降水区或降水量相对较少的区域。另外, 盛行的西南季风气流绕过长山山脉的南端, 在越南东南沿海明显形成一支边界层低空急流。这支低空急流通过其引起的蒸发冷却和沿岸上翻流在其北侧形成一片冷海水区, 该冷水区的形成反过来又对其上的热带对流活动产生影响。研究还表明, 南海中部夏季降水分布呈现东多、西少东西向分布不均匀特征, 而降水这种东西向分布不均匀形成可能与中南半岛上中尺度地形的作用有关, 严重低估中尺度地形的影响可能是造成全球大气环流模式模拟南海季风夏季降水时存在严重误差的主要原因。     

条件不稳定大气中二维小尺度双脊地形上空对流及降水特征

在条件不稳定大气条件下,二维小尺度双脊钟形地形上空对流触发、传播和降水分布特征主要决定于地形上游基流强度、双脊地形配置形式、地形高度及其山谷宽度。双脊地形在沿基流方向上有两种配置:高脊地形位于上游和低脊地形位于上游。对于高脊地形位于上游的双脊地形,上游高地形将起主导作用,山地上空对流及降水特征与单脊地形类似。对于低脊地形位于上游的双脊地形,上游低地形可明显地改变下游高地形的前方来流,同时,下游高地形也能够对上游低地形背风侧流动产生影响,从而导致出现地形上空复杂的对流传播、降水分布特征。对于低脊地形位于上游的双脊地形,其山谷宽度主要决定了双脊地形与单脊地形之间在对流、降水分布等的差异;当山谷宽度较小时,双脊地形可以近似为一个包络地形,此时地形上空的对流、降水特征与单脊地形类似;当山谷宽度较大时,双脊上空流动相互影响较小,此时双脊地形可以分成两个单脊地形;当山谷宽度在一定范围内,其上空的对流及其降水分布与单脊地形有明显差异。对于低脊地形位于上游、中等山谷宽度的双脊地形上空降水主要呈现4种类型:(1)山谷与低脊迎风坡降水;(2)高脊迎风坡降水;(3)低脊山峰与高脊迎风坡降水;(4)低脊背风侧、双脊山峰准静止降水。     

钟形地形动力抬升和重力波传播与地形云和降水形成关系研究

地形云和降水过程在区域水循环、水资源、生态环境及气候变化中具有十分重要的作用。本文利用中尺度数值模式WRF 数值模拟试验,以及通过引入表示大气层流速度、层结稳定度和地形特征的关系参数——湿Froude 数(F_w),研究了北京2009 年5 月1 日湿条件不稳定大气层结下,地形云和降水形成过程与地形动力抬升和地形重力波传播之间的关系及形成机理。研究表明,在地形最大高度2 km、半宽10 km 的条件下,层流速度从2.5 m/s 逐步增加到25 m/s 时,对应的湿F_w 数从0.19 增加到1.81。当F_w≤1 时,地形的阻挡起主要作用,由地形抬升形成的地形云主要产生在迎风坡一侧。地形重力波主要产生在迎风坡,并向上游传播,先形成层状云,最后演变为准稳定浅对流波状云。最大降水主要发生在紧靠山顶的迎风坡一侧,但当F_w 很小时,地形云不产生降水。当F_w>1 时,地形抬升形成的云主要发生在山顶附近,而地形重力波主要形成在背风坡,并向下游方向传播,形成准稳定波状云。最大降水主要产生在紧靠山顶的背风坡一侧。另外,在弱湿条件不稳定大气层流下,地形降水主要由地形动力抬升造成的暖云微物理过程产生,地形重力波形成的波状云几乎不产生降水。     

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.     

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。     

复杂地形与锋面系统共同作用对台湾岛暴雨影响的数值分析

应用MM5V2数值模式输出的高分辨率资料对在复杂地形和锋面系统共同作用下台湾暴雨发生的水汽、垂直速度、低空急流等物理量场的中尺度特征进行了分析。表明地形是使锋面降水加强．最终形成暴雨的主要原因。在地形作用下，速度场、湿度场都具有比较稳定的局地特征，台湾岛迎风区保持着比背风区大的湿度场，流场表现为一个地形性中尺度环流。随着锋面系统的不断靠近，局地特征表现为加强和减弱两个阶段。发现迎风坡的低空急流主要是由地形引起的，它的南北向分布不均使空气发生了辐合上升运动，与地形和锋面引起的上升运动叠加，在地形迎风坡形成了一个垂直速度的大值区。有地形比无地形的降水明显加强。     

“碧利斯”(0604)暴雨过程不同类型降水云微物理特征分析

本文利用"碧利斯"(0604)暴雨增幅过程高分辨率的数值模拟资料, 将降水分成对流降水和层云降水, 对比分析了不同类型降水云微物理特征和过程的差异, 探讨了不同类型降水对暴雨增幅的贡献, 结果指出:(1)暴雨增幅前, 降水基本为层云降水, 对流降水只存在于零星的几个小区域, 暴雨增幅发生时段, 对流降水所占比例较暴雨增幅前有显著增加, 平均降水强度达层云降水强度的3倍多。(2)暴雨增幅时段, 云系发展更加旺盛, 云中各种水凝物含量较增幅前明显增加, 其中, 对流和层云降水区云中水凝物含量均有一定程度增长, 但对流降水区增加更显著;而无论增幅前还是增幅时段, 对流降水区云中水凝物含量均要明显大于层云降水区, 并且两者的这种差异随着地面降水强度的增强而增大。(3)暴雨增幅前后, 对流降水区雨滴的两个主要来源最终均可以追踪到云水, 通过云水与大的液相粒子(雨滴)和大的固相粒子(雪)之间、以及大的固相粒子(雪和霰)之间的相互作用和转化, 造成雨滴增长, 并最终形成地面降水, 而层云降水区中与雨滴形成相关的上述主要云微物理过程明显变弱, 但层云降水区中暴雨增幅时段的上述过程又要强于增幅前, 说明层云降水对暴雨增幅也有一定贡献。     

TRMM测雨雷达和微波成像仪对两个中尺度特大暴雨降水结构的观测分析研究

文中利用TRMM卫星的测雨雷达和微波成像仪探测结果,研究了1998年7月20日21时(世界时)和1999年6月9日21时发生在武汉地区附近和皖南地区的两个中尺度强降水系统的水平结构和垂直结构,以及TMI微波亮温对降水强弱和分布的响应。研究结果表明:这两个中尺度强降水系统中对流降水所占面积比层云降水面积小,但对流降水具有很强的降水率,它对总降水量的贡献超过了层云降水。降水水平结构表明,两个中尺度强降水系统由多个强雨团或雨带组成,它们均属于对流性降水;降水垂直结构分析表明,强对流降水的雨顶高度可达15km,强对流降水主体中存在垂直方向和水平方向非均匀降水率分布区,层云降水有清晰的亮度带,层云降水的上方存在多层云系结构。降水廓线分布表明:对流降水廓线与层云降水廓线有明显的区别,并且降水廓线清晰地反映了降水微物理过程的垂直分布。整个中尺度强降水系统中对流降水与层云降水的区别还反映在标准化的总降水率随高度的分布。微波信号分析表明:TMI85 GHz极化修正亮温,19.4与37.0,19.4与85.5,37.0与85.5 GHz的垂直极化亮温差均能较好地指示陆面附近的降水分布。     

地形与城市环流共同作用下的β中尺度暴雨

从中尺度天气动力学理论入手, 利用尺度分析的方法, 得到了地形与城市热岛共同作用下的β中尺度暴雨的一系列理论特征。利用北京地区稠密的地面观测网资料以及分布于距暴雨中心区不同距离的两部风廓线仪观测资料, 通过分析2006年夏季发生的3次β中尺度暴雨酝酿、 发生、 发展、 维持过程中的气温、 降水、 风场的配置关系, 对β中尺度暴雨的部分理论特征进行了验证。主要结论: (1) 由城市热岛形成的水平温度梯度有可能在靠近城区的山前迎风坡强迫产生相对独立的中尺度风的垂直切变, 由此产生的低空风的垂直切变是维系中尺度对流降水发生、 发展的重要条件。另一方面, 一旦迎风坡出现强降水, 将形成吹向迎风坡的风速与降水强度之间的正反馈现象, 这种正反馈过程对β中尺度暴雨的形成过程起到了重要作用; (2) 地形越靠近城区, 山前越容易形成强的水平温度梯度, 进而越容易出现低空风的垂直切变。形成强低空风的垂直切变的响应时间取决于水平温度梯度的强度; (3) 地形坡度越大的地方, 产生的上升运动越强, 中尺度系统的水平尺度越小, 对于地形坡度较为平坦的地方, 更有利于产生水平尺度较大的中尺度系统; (4) 一般情况下, 地形与城市热力过程造成的中尺度暴雨过程多发生于傍晚前后或凌晨前后。     

06·6福建大暴雨的数值模拟及复杂地形影响试验

利用WRF（Weather Research Forecast）中尺度模式对2006年6月5-7日福建地区出现的一次大暴雨过程进行了数值模拟,根据模式输出的物理量进行了诊断分析,并通过地形敏感性试验讨论福建地形对此次暴雨的影响。结果表明：中尺度WRF模式成功模拟出了这次暴雨的雨况及高低空流场分布。这是建立在静止锋、低空切变线和低空急流等系统基础上的一次典型的华南准静止锋降水。冷暖气流在底层交汇并产生强烈的垂直上升运动,不稳定能量的释放是暴雨发生和维持的机制之一,位温的垂直分布有利于低层涡度的发展。福建北部的喇叭口地形和武夷山迎风坡共同作用,导致西南气流的转向辐合,触发了中尺度切变线和中尺度涡旋的形成,加速了上升运动和中层对流发展,有利于位于迎风坡的建瓯、邵武、蒲城等地区降水的增强。     

低层偏东气流对贵州梵净山东侧强降水的作用

利用常规观测资料、地面加密自动站资料、雷达探测资料与NCEP 1°×1°再分析资料等,对低层偏东气流影响下贵州铜仁梵净山东侧4次强降水天气过程进行了分析,重点探讨了在低层偏东气流与地形共同作用下的强降水形成机制,并归纳低层偏东气流影响下的梵净山东侧强降水概念模型。结果表明:(1)高空槽、低层切变线、地面中尺度辐合线是影响梵净山东侧强降水的主要天气系统;(2)低层浅薄偏东气流对梵净山东侧强降水起着关键作用,当低空气流u分量随高度减小时,地形迎风坡气流辐合上升,而气流v分量随高度增加时,地形迎风坡会产生与山脉垂直的水平涡管,在地形抬升作用下涡管向上凸起形成两个涡管环流圈,涡度垂直分量使山脚附近上升气流加强而有利于山脚产生强降水;(3)梵净山东侧强降水区的形成存在三种机制,即迎风坡山脚多次触发对流形成雨量叠加效应、地面中尺度辐合线自身触发组织对流、回波沿地面中尺度辐合线东移形成“列车效应”,三种机制产生的降水带与地面中尺度辐合线走向一致。     

Thermodynamics and Microphysical Characteristics of an Extreme Rainfall Event Under the Influence of a Low-level Jet over the South China Coast

In this paper, the data of Automatic Weather Stations (AWSs), ERA5 reanalysis, sounding, wind profile radar, and dual-polarization radar are used to study an extreme rainfall event in the south China Coast on 11 to 12 May 2022 from the aspects of thermodynamics and microphysical characteristics under the influence of low-level jets (LLJs). Results show that: (1) The extreme rainfall event can be divided into two stages: the first stage (S1) from 0000 to 0600 LST on May 12 and the second stage (S2) from 0700 to 1700 LST on the same day. During S1, the rainfall is mainly caused by the upper-level shortwave trough and the boundary layer jet (BLJ), characterized by strong upward motion on the windward side of mountains. In S2, the combined influence of the BLJ and synoptic-system-related low-level jet (SLLJ) increases the vertical wind shear and vertical vorticity, strengthening the rainstorm. In combination with the effect of topography, a warm and humid southwest flow continuously transports water vapor to farther north, resulting in a significant increase in rainfall over the study area (on the terrain’s windward slope). From S1 to S2, the altitude of a divergence center in the upper air decreases obviously. (2) The rainfalls in the two stages are both associated with the mesoscale convergence line (MCL) on the surface, and the wind field from the mesoscale outflow boundary (MOB) in S1 is in the same direction as the environmental winds. Due to a small area of convergence that is left behind the MOB, convection moves eastward quickly and causes a short duration of heavy rainfall. In S2, the convergence along the MOB is enhanced, which strengthens the rainfall and leads to strong outflows, further enhancing the surface convergence near the MOB and forming a positive feedback mechanism. It results in a slow motion of convection and a long duration of heavy rainfall. (3) In terms of microphysics, the center of a strong echo in S1 is higher than in S2. The warm-rain process of the oceanic type characterizes both stages, but the convective intensity in S2 is significantly stronger than that in S1, featuring bigger drop sizes and lower concentrations. It is mainly due to the strengthening of LLJs, which makes small cloud droplets lift to melting levels, enhancing the ice phase process (riming process), producing large amounts of graupel particles and enhancing the melting and collision processes as they fall, resulting in the increase of liquid water content (LWC) and the formation of large raindrops near the surface.     

台风Rananim登陆期间地形对其降水和结构影响的数值模拟试验

应用非静力平衡中尺度模式MM5(V3.6)，对0414号台风Rananim在登陆期间移动路径和所产生的降水进行了数值模拟研究，模式较好地再现了台风Rananim的移动路径和所产生的降水，但模拟的过程降雨量与实况值还有所偏差。多普勒雷达探测资料表明，台风Rananim登陆期间，强回波带出现在台风移动的右前方，螺旋云带中镶嵌着大量的对流云团；垂直液态水含量的高值区出现在台风中心的西北侧。作者通过在浙江、福建东部沿海一带进行有无地形的数值对比试验，着重讨论了台风登陆期间地形对台风降水、台风结构特征变化的影响。结果表明:（1）台风登陆期间， 地形的影响对台风降雨量有明显的增幅作用。由地形强迫产生的降雨量和地形走向相一致，迎风坡降雨量增加，背风坡降雨量减少，地形影响使浙江东部一带增加的平均降雨量约占该地区模拟平均总降雨量的40%左右。（2）台风登陆期间，地形的强迫作用有利于在低层台风眼的西北侧形成明显的辐合带，高层为明显的辐散区；在中尺度环流场上，地形的影响有利于台风中心西北侧低层中尺度气旋性涡旋系统的发生发展，从而激发中尺度对流云团，形成中尺度雨团，造成了台风中心南北雨区和雨量的不对称分布。（3）地形的强迫作用，可以使台风流场局部发生改变。当地形强迫产生与台风环流同向的中尺度扰动时，将使台风环流局部明显增强；当地形强迫产生与台风环流反向的中尺度扰动时，将使台风环流局部明显减弱。（4）台风登陆期间，地形的影响可以使台风靠近陆地一侧眼壁内的垂直上升速度增大，位涡明显增强，从而造成台风涡旋的增强。     

Investigation of orographic effects on two heavy rainfall events over southwestern Taiwan during the Mei-yu season

Orographic influences on the development of two heavy rainfall events over southwestern Taiwan during the Mei-yu season were analyzed. For the first event (5 June 1997), the maximum daily rainfall accumulation (∼371 mm) occurred over the southwest coast of Taiwan, whereas for the second event (20 May 2001), the maximum daily rainfall accumulation (∼535 mm) occurred over the southwestern windward slopes. The important processes for the development of heavy rainfall for these two events were studied from gridded data from the European Center for Medium-Range Weather Forecasts and from surface rainfall data and numerical modeling results using the nonhydrostatic fifth-generation mesoscale model from the National Center for Atmospheric Research and the Pennsylvania State University (MM5).     

A meso-scale three-dimensional dynamical model of orographic rainfall

Summary A mesoscale three-dimensional (3-D) dynamical model is presented to diagnose orographic rainfall, with particular reference to the Western Ghats (WG) in India. This model has two parts, namely, a dynamical part and a thermodynamical part. In the dynamical part the vertical velocity induced by a mesoscale elliptical orographic barrier has been computed using the perturbation technique. In the thermodynamical part rainfall intensity (RFI) has been computed using the computed vertical velocities, with the help of continuity of moisture and mass. The computed RFI has been compared with observed RFI as well as with that computed by 2-D model. The present study shows that during the southwest monsoon season (SWMS), orographic rainfall enhancement in the WG area appears to be solely due to the vertical shear of the basic flow and its variation with height. Stability appears to have very little influence on it. The spatial distribution of RFI across the barrier shows that there are four regions of maximum rainfall, one primary on the windward side behind the peak of the barrier and three secondary on the leeward side. The symmetry in the locations of these secondary rainfall maxima appears to be critically dependent on the component of basic flow parallel to the major ridge axis of the barrier.     

太行山地形影响下的极端短时强降水分析

2015年8月2日午夜和2011年8月9日前半夜,在两种不同天气系统背景下太行山东麓都出现了小时雨量超过50 mm的极端短时强降水天气,两次过程都是雷暴先在太行山区触发加强,经过下山2 h先后在丘陵站平山和山前平原站石家庄市区产生极端短时强降水。利用常规探测资料、地面加密观测资料、石家庄SA多普勒天气雷达资料,对不同天气系统背景下太行山特殊地形影响的极端短时强降水成因进行分析。结果表明:偏东气流被南北向的太行山地形强迫抬升,且与下山雷暴出流形成中尺度辐合线触发新的雷暴,雷达回波呈现后向传播特征和列车效应造成局地极端短时强降水。太行山地形通过增强辐合上升运动、增大垂直风切变使雷暴下山加强。不同天气系统强迫下,太行山特殊地形对雷暴发展作用不同。在偏西气流引导下,暖区极端短时强降水由阵风锋触发,具有突发性、降水时间短、伴随风力大的特点,下山雷暴出流加快且与山前偏东风的辐合加强,陆续在丘陵区和山前平原触发对流与下山雷暴合并加强造成极端短时强降水;而在东北气流引导下,回流冷锋和阵风锋共同触发的极端短时强降水具有持续时间较长、降雨总量较大、伴随风力较小的特点,太行山东坡对东北冷湿回流有阻挡积聚作用,东北偏北来的雷暴出流边界西端在迎风坡上强迫抬升使雷暴触发并加强,东北气流遇山后发生气旋性偏转使雷暴出流转向东南下山,与平原的偏东风辐合加强,造成丘陵区和山前平原的总降雨时间更长、降雨总量更大。     

一次冷涡暴雨的中尺度对流云团分析及数值模拟研究

利用MM5模式对2000年8月发生在河北省的一次暴雨过程进行了模拟,发现本次过程是由蒙古东部的低涡与副热带高压共同作用形成的,而局地大暴雨的直接原因是中尺度对流云团的作用。中尺度对流云团形成前期有一个能量急剧积累的过程。通过改变地形、低层东南风大小的敏感性试验,发现这次暴雨虽然发生在河北东部,但华北西部、北部的地形对暴雨影响很大:当降低地形高度后,雨区的位置和强度都发生变化;减弱低层东南风后,蒙古东部冷涡的强度和移动速度都有不同程度的改变,并且层次越低影响越明显。     

一次淮河流域梅雨锋暴雨的大别山地形敏感性试验

利用NCEP／NCAR提供的TRMM资料、FNL资料和再分析资料,应用WRFV3．2中尺度模式对2011年6月23—24日淮河流域梅雨锋暴雨进行了数值模拟,并通过一系列地形敏感性试验,详细分析了大别山地形对暴雨的影响。结果表明：1）大别山地形会强迫底层西南暖湿气流绕流和抬升,形成扰动并使其所含水汽和不稳定能量沿途释放,形成带状降水;2）大别山地形会使暖湿气流与偏北气流交汇形成带状分布的小槽,降水与气流辐合带方向一致;3）当地形增高时,降水中心位置变化不大,但对流更加剧烈;若使地形降低或消失,江苏淮河流域降水中心明显东移,说明大别山减弱了降水系统的东移,并使大值降水分布相对集中。