基于雷达四维变分分析系统的强对流高分辨率模拟个例分析和批量检验

利用以雷达资料快速更新四维变分同化(RR4DVar)技术和三维数值云模式为核心的模拟分析系统,通过同化京津冀区域6部新一代天气雷达逐6 min的径向速度和反射率因子资料,并融合区域自动站逐5 min观测和中尺度数值模式结果,对发生在京津冀地区的18个对流风暴"事件"进行了高分辨率数值模拟,开展了个例分析和全部模拟结果的检验评估。个例分析结果表明,模拟的低层三维动力、热动力和水汽特征可以明确解释复杂地形条件下对流风暴的局地新生、组织化和线状中尺度对流系统(MCS)的形成。高分辨率模拟结果也明确指示了线状中尺度对流系统中对流风暴单体不断新生(再生)和"后向传播"的机制,以及地形强迫在风暴形成和演变中的重要作用。基于一部风廓线雷达、两部地基微波辐射计、一个秒级探空和一个边界层观测塔等局地高频非常规观测数据对18个对流风暴"事件"模拟结果的检验表明,0-3 km的风速、风向和温度的模拟误差(包括偏差和均方根误差)总体较小。其中,最低模式层(187.5 m)风速偏差和均方根误差分别在-0.5和0.9 m/s以内,最高检验层(2.8125 km)风速偏差和均方根误差分别在-0.9和1.6 m/s以内,风速误差随高度逐渐增大;风向偏差在14°-22°,风向均方根误差小于38°;温度偏差和均方根误差分别在-1和1.8℃以内。系统模拟的低层风速、风向和温度的偏差和均方根误差在对流风暴内部稍大于外部。上述研究表明,该系统模拟结果对对流风暴生消、发展及生命史特征的临近预报和预警具有重要指示意义。     

"神舟六号"飞船着陆时段主着陆场区风场的数值模拟

本文通过分析"神舟六号"飞船着陆时期WRF模式对主着陆场区的风场及其影响系统的模拟结果, 发现WRF模式对主着陆场区的地面风速、风向的预报,WRF模式输出的850 hPa 模拟风场对100 m高度以下浅层风的最大风速及其风向的预报,结果均比较理想;WRF模式输出的300 hPa 高度风速、风向的模拟结果和急流轴的强度、位置模拟结果,与高空7～12 km最大风速及其风向的相关性较好,可作为预报指标;模式对风场的主要影响系统东北低压加深东移和蒙古高压的演变模拟基本准确.本模式能够作为未来客观预报主着陆场区地面和高空风场一种新的技术手段和工具.     

武汉上空钠原子层结构短期演化特征

对1996年3月1日～3日钠荧光散射雷达获得的观测数据进行了分析与处理,得到了武汉（30#+[o]32'N,114#+[o]22'E）上空钠原子层结构的短期演化特征分布图,并对它作了初步分析。结果指出,武汉上空钠原子层结构具有显著的时空变化特点,钠原子数密度的变化在1 h之内可达50%。     

登陆台风边界层风廓线特征的地基雷达观测

为了分析登陆台风边界层风廓线特征,利用2004—2013年中国东南沿海新一代多普勒天气雷达收集的17个登陆台风资料,采用飓风速度体积分析方法,反演登陆台风的边界层风场结构特征。与探空观测对比表明,利用雷达径向风场可以准确地反演登陆台风的边界层风场结构,其风速误差小于2 m/s,风向误差小于5°。所有登陆台风合成的边界层风廓线显示,在近地层(100 m)以上,边界层风廓线存在类似急流的最大切向风,其高度均在1 km以上,显著高于大西洋观测到的飓风边界层急流高度(低于1 km)。陆地边界层内低层入流强度也明显大于过去海上观测,这主要是由陆地上摩擦增大引起。越靠近台风中心,边界层风廓线离散度越大,其中,径向风廓线比全风速以及切向风廓线离散度更大。将风廓线相对台风移动方向分为4个象限,分析边界层风廓线非对称特征显示,台风移动前侧入流层明显高于移动后侧。最大切向风位于台风移动左后侧,而台风右后侧没有显著的急流特征,与过去理想模拟的海陆差异导致的台风非对称分布特征一致。     

基于WRF/CALMET的近地面精细化风场的动力模拟试验研究

本文利用中尺度动力模式 WRF和诊断模式CALMET对琼州海峡的两次冷空气过程的近地层风场进行模拟和诊断,所用的资料是美国NCEP再分析FNL资料。WRF模式第一至第四层网格的水平距离分别是27、9、3和1 km,并用WRF-1 km场以单向嵌套模拟方式降至200 m,同时以 WRF-1 km 预报场作为 CALMET 初猜场降尺度诊断至200 m。分别用CALMET-200 m风场、WRF-1 km风场和 WRF-200 m风场,3个风场的风速、风向与沿琼海海峡分布的21个测站（其中6个测风塔）观测资料进行检验比较分析。主要结论是：（1）CALMET-200 m的风速RMSE明显小于另外两组试验,风向RMSE总体上差异不大;在60～80 m高度上也没有明显差异。（2）在0～8 m·s－1风速,10 m高度上CALMET-200 m风场诊断结果最好,风速平均偏差值从4～0 m·s－1,WRF的两组试验平均偏差值比CALMET-200 m结果大约2 m·s－1,风向上表现为偏差的分布更加集中;60～80 m高度上,CALMET-200 m 诊断效果与 WRF-1 km 模拟效果相当,但是冷空气时段内 WRF-200 m的风速要远远差于另外两组试验;而3组试验的风向并无大的差异。（3）WRF／CALMET模式系统在非冷空气活动时段内的风速风向模拟诊断偏差更小,说明其在层结相对较稳定时模拟诊断的准确度更高。     

新疆哈密复杂地形风场的数值模拟及特征分析

为了实现复杂地形下高分辨率风场的数值模拟及特征分析,采用中尺度气象模式WRF(Weather Research and Forecasting M odel)结合牛顿松弛逼近Nudging资料同化技术,实现哈密地区水平分辨率1 km的近地层风场数值模拟计算。基于模拟区域测风塔实测数据的对比检验发现,同化观测资料后风速风向的模拟结果均与实测更加接近,70 m高度风速模拟结果的绝对误差降低0. 25 m·s~(-1),同化后的模拟结果可以较好的修正风速较小时模拟值偏高和风速较大时模拟值偏小的问题,同时风廓线的模拟结果也与实测更加吻合。通过分析哈密复杂地形下水平分辨率1 km逐10 min风场输出结果发现:(1)哈密地区地形比较复杂,风速平面分布差异很大,4月份风速较大区域主要分布在山北地区和西部山南垭口附近,而7月份风速较大区域则位于西部的山坳南部和北部地区;(2)复杂地形下风速较小时风速为负切变,且平均风速越小负切变值越大,地形越复杂负切变值越大;风速较大即使是复杂地形下同样为正切变,但是正切变值比平坦地区的值要小,平坦地形下风速越大正切变值越大;(3)哈密地区复杂地形下,风速12～25 m·s~(-1)的风速占比在时间和空间上分布差异较大,风速较大的4月份,大部分地区占比达到20%以上,尤其是山北和西部垭口附近,占比甚至达到了50%以上,风速为12～25 m·s~(-1)的情况下80 m高度平均风速比60 m高0. 60～0. 80 m·s~(-1),比月平均风速的垂直变化值要大;(4)风速较大时,风向10 min变化不明显,风速较小时,风向变化值较大,且地形较平坦地区风向变化值较大,地形复杂地区变化值较小;(5)风向的垂直变化与风速大小关系比较明显,风速越小,其垂直变化越大,风向垂直变化的区域分布与地形复杂程度相关,地形越复杂风向的垂直变化值越大。     

我国东部地区冬季模式边界层探空效果评估

应用中尺度气象模式MM5对2006年和2007年12月东部地区进行逐日模拟,并用地面常规观测资料及南京和安庆12h一次的逐日探空资料对模拟的地面及边界层内气象要素进行检验,计算地面和边界层内不同高度的温度、湿度、风向和风速等要素的多种常用统计参数;并分别评估雾发生前和发生时边界层探空的模拟效果。结果表明:(1)MM5模式模拟的地面温度和湿度均较理想,但风速误差较大。温度、相对湿度、风速的观测与模拟的偏差概率分布均呈近正态分布,峰值中心分别为-1.52℃、4.59%和1.92m·s-1,白天模拟效果优于夜间。(2)以南京、安庆两站为例,模拟的08:00(北京时,下同)和20:00边界层内探空基本可靠,但20:00的效果比08:00好;模拟效果均随高度上升而变好;且南京站边界层内温度、湿度的模拟效果优于安庆站,但安庆站风的模拟效果优于南京站。(3)以南京站为例,雾发生前和发生时温度、湿度模拟效果较平均情况差,风速模拟较其他模拟时段无明显变化。(4)南京、安庆冬季近地层逆温发生频率都比较高,常见多层逆温,MM5模式能再现近地层逆温,但有高估的倾向,且对边界层中上部逆温模拟效果不佳。此外,敏感性试验的结果表明,模拟方案中地面负的温度偏差不是由近地层高垂直分辨率所致。     

复杂地形区陆面资料对WRF模式模拟性能的影响

本文利用WRF（Weather Research and Forecasting）模式耦合Noah陆面过程模式,对比研究了使用不同精度陆面资料:WRF默认陆面资料、中国1 km分辨率数字高程模型数据集、2006年MODIS（MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer）土地利用和植被覆盖度资料,WRF模式对兰州地区冬季气象场模拟结果的差异。结果表明,近地面气温对陆面资料的精度非常敏感,而风场对陆面资料的精度不敏感,WRF模式对气温的模拟效果好于对风场模拟。采用高精度且时效性好的陆面资料后,WRF模拟的近地面气温准确率提高了15.8%,模拟的夜间气温改进幅度较白天大。陆面资料可影响整个边界层温度场分布,准确的陆面资料对提高WRF模式模拟近地面乃至整个边界层气象场至关重要。尽管风速模拟误差较大,但总体上WRF模式能较准确地模拟出研究区的风场演变特征。使用新的陆面资料后WRF模拟的风速误差略有减小,风向误差略有增加。干旱半干旱区冬季数值模拟需要注意土壤湿度初值和模式初始积分时刻对模拟结果的影响。     

一个诊断非平坦地形上边界层风的数值模式

根据半地转大气边界层模式，由大尺度数值模式并考虑了下垫面地形及粗糙度的水平非均匀性及大尺度气压场的时空变化，给出了一个诊断边界层风的数值模式。对低纬度运用塔层风模式进行诊断。诊断结果与实测资料比较，风向风速均达到了一定的精确度。     

多普勒雷达与L波段雷达垂直风廓线对比分析北大核心

利用2012-2017年阜阳多普勒雷达与L波段雷达测风数据进行对比分析,统计两者的相关性和测量误差,进一步了解多普勒雷达风廓线产品的准确性和可信度。结果表明:两者测风结果一致性较好,风向和风速相关系数分别为0.97和0.94,标准差分别为19.5°和2.65 m·s^(-1)。多普勒雷达风速总体上在同一高度比L波段雷达风速偏小,两者风速相对偏差平均为24.48%;风速标准差随高度增高呈增大趋势,在降水期间对比差值小于非降水;风向标准差在7 km以下呈递减趋势,8 km以上有小幅增加趋势;风速相关系数随高度增加呈增大趋势,除低空偏低以外,其他高度相关系数均较高。     

不均匀地表产生的中尺度通量的数值试验

采用北京大学三维的复杂地形中尺度模式,结合陆面过程模式(SiB),模拟了草原和沙漠并存的下垫面的边界层大气运动.利用SiB模式计算了地表辐射、感热、潜热通量,并且预报地表温度.中尺度模式则模拟了沙漠地区受热抬升,形成的辐合运动,垂直速度的分布,不同高度上水平流场的变化以及中尺度动量和热量通量,把中尺度通量跟湍流通量进行了比较,以确定这种中尺度运动在GCM模式的参数化过程中的重要性.试验表明中尺度通量尤其是热量通量要比湍流通量大很多.     

A nonhydrostatic model for simulation of airflow over mesoscale bell-shaped ridges

This paper describes a nonhydrostatic and incompressible mesoscale model formulation using a terrain-following coordinate system. A tensor transformation procedure is used to derive a diagnostic equation for the nonhydrostatic pressure field. The model features a simplified second-order turbulence closure scheme. The two-dimensional version of the nonhydrostatic model, as well as the corresponding hydrostatic model, are applied to simulate stably stratified airflow over mesoscale bell-shaped mountain ridges. The results show that the nonhydrostatic model is capable of simulating nonhydrostatic dynamics of mesoscale lee wave systems such as the trapped wave phenomenon.     

贵州南部山区一次大暴雨的数值模拟

利用WRF模式,对2008年5月27日夜间贵州南部山区大暴雨天气进行了数值模拟。复杂地形条件下,数值模拟有一定难度。本次数值模拟能够反映此次大暴雨的降水区域、降水特征和降水强度。在此基础上,利用高分辨率的数值结果,对该暴雨过程的中尺度气旋及地形对降水的作用进行了分析,结果表明：中β尺度气旋是造成此次局地暴雨的直接系统;气旋在结构上表现出中低层强烈的辐合和正涡度柱的耦合,出现了伸展到对流层顶的深厚强上升运动;造成大暴雨的辐合线生成在贵州西部地形梯度较大地方,辐合线上发展起来的中尺度气旋在850 hPa和地面上表现为生成在一个开口向南的喇叭口地形上,由于喇叭口地形对气流的辐合和抬升作用,水汽辐合和上升运动在该地达到最强,无疑对降水的落区和强度有重要影响。     

基于高分辨率中尺度气象模式的实际雷暴过程的数值模拟试验

雷暴数值预报的实际应用离我们还有多远？本文对此进行了尝试, 即利用一个复杂的高分辨率中尺度气象模式驱动一个三维雷电模式, 在只采用常规气象观测资料的条件下, 对北京的一次实际雷暴过程进行模拟试验, 分析了雷暴云的宏观动力、 微物理过程及电结构的时空变化特征以及其可能的相互作用机制。结果表明: 利用高分辨中尺度模式预报出的三维气象场作为雷电模式的初始场, 完全可以不需添加虚假的扰动来触发雷暴云的发展, 高分辨中尺度模式的预报场本身所包含的水平非均匀、 垂直强非静力性及较强的对流不稳定信息足够促发雷暴云的剧烈发展; 用较为真实的三维气象场作为初始场模拟产生的电场分布特征与云微物理分布特征及环境气象要素的分布结构非常协调, 得到的雷暴云的电荷结构特征以及电结构随时间的演变特征更为复杂, 更真实的体现了实际雷暴云本身发展的复杂性, 同时, 模式能够模拟出合理的云闪及正负云地闪, 且模拟的闪电频数随时间发展演变趋势基本与观测实况基本吻合, 从而表现了对雷电天气潜在的预报能力。本次模拟的北京雷暴云在发展过程中, 水物质霰的最大质量比、 最大正电场强度及闪电频数随模拟时间的演变发展趋势非常相似。     

"2003.3"辽宁暴雪及其中尺度系统发展和演变

利用中尺度数值模式MM5V3．6和6h一次的全球再分析NCEP资料，对2003年3月1-2日发生在辽宁的暴雪过程进行了数值模拟试验，着重分析和讨论了这一过程中中尺度系统的发生、发展和结构演变特征。结果表明：MM5V3．6能够成功地模拟中尺度暴雪的各个要素，由于低空辐合，高空辐散，导致上升运动加强以及低层正涡度中心的产生和维持，由此产生的垂直方向上水汽凝结是此次暴雪的形成机制。     

一次局地大暴雨过程的数值模拟和诊断分析

采用中尺度数值模式MM5(V3)对2002年8月15-16日发生在江苏启东附近的一次局地大暴雨过程进行了数值模拟,较好地模拟出了本次过程的暴雨中心落区和降水量,以及相关的中尺度系统的发生、发展过程.探讨了中尺度涡旋、局地环流对这次暴雨过程的影响,结果表明,中尺度涡旋对暴雨的发生起了至关重要的作用,局地环流的存在,也有利于降水的发生.     

长江中下游中尺度云团演变过程的数值模拟

本文用中尺度五层原始方程模式，模拟了长江中下游中尺度云团的生成、强盛和减弱。结果表明，由这个模式，用实测大尺度资料，可以模拟出伴有暴雨的云团演变过程。此外，对于原模式作了一些改动，加进了地形作用。与无地形的数值试验相比，地形作用有利于在长江中下游形成一条近于东西方向的切变线，对系统的发展有促进作用。     

ISENTROPIC POTENTIAL VORTICITY ANALYSIS ON THE MESOSCALE CYCLONE DEVELOPMENT IN A TORRENTIAL RAIN PROCESS*

The mesoscale model MM4 is used to simulate the torrential rain associated with Meiyu front occurring on 5-6 July.1991 in the Changjiang-Huaihe Basin.Based on the outputs of the model,the cause of the mesoscale cyclogenesis on the lower troposphere is investigated in terms of the potential vorticity principle.The results show that because of the favorable pattern of moist isentropic surface,the absolute vorticity increases when cold air with high moist potential vorticity value rapidly slides down southwards along the moist isentropic surface,and then causes the cyclonic vortex development.     

重庆市"5·29"暴雨天气过程诊断分析与数值模拟

在天气分析的基础上,利用非静力中尺度数值预报模式MM5和双向二重嵌套网格技术,对2004年5月29~30日重庆市暴雨天气过程进行数值模拟。诊断分析表明,高空低槽产生的冷锋云系发展东移是产生此次暴雨天气过程的主要大尺度天气系统,由高空槽诱发产生的中尺度涡旋是产生此次暴雨天气的主要中尺度系统。模拟结果与观测结果的对比显示表明,MM5中尺度数值预报模式能够成功模拟四川盆地东部的暴雨天气过程,同时揭示了高空槽东移过程中在重庆地区范围内产生的较强中尺度气旋性辐合和强烈上升运动促使了暴雨的产生。     

暴雨中尺度气旋发展的等熵面位涡分析

利用中尺度模式ＭＭ４对１９９１年７月５～６日的江淮梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟。用模式输 出资料，根据湿位涡理论分析了这次暴雨过程中对流层低层的中尺度低涡及地面气旋发生发 展的原因。结果表明，在有利的等熵面形态下，具有较高湿位涡值的高层冷空气沿等熵面快 速向南下降的过程中绝对涡度增加，导致了气旋性涡旋的发展加强。