陆面网格尺度变换时植被类型处理方法的探讨

针对陆面模式与大气模式耦合, 对比分析了模式网格点上多种植被并存和单一植被两种情况下的计算结果, 同时给出了网格元上地表有效温度、地表有效感热和潜热通量等的计算方案。试验使用SSiB陆面模式并以HAPEX-MOBILHY资料作为气象强迫场。试验结果表明:如果将网格元上多种植被类型归类成同一种植被类型, 模式对有效地表温度、感热和潜热通量等的计算结果与考虑多种植被类型的结果有很大差异。根据实际情况, HAPEX-MOBILHY试验区40%为森林, 60%为混合农业区, 如果根据一般的植被类型归类法, 将该试验区全部看作草地, 其积分结果与将该试验区看作40%为落叶针叶林和60%为草地的积分结果也存在一定的差别; 虽然有些植被类型在网格元上所占的覆盖面积较小, 但它却对网格元上地表通量的计算有较大的贡献。该研究对今后陆面模式耦合工作有一定的指导意义。     

陆面特征量初始扰动的敏感性及集合预报试验

文章利用中尺度模式Weather Research and Forecasting Model(WRF)3.2.1版本及National Centers for Environmental Prediction(NCEP)分析资料,研究了陆面变量(土壤湿度、土壤温度)和陆面参数(植被覆盖率)初始场随机扰动对长江中下游暴雨预报的影响并进行了集合预报试验。试验结果表明,短期暴雨过程对陆面变量(参数)扰动是敏感的;陆面变量(参数)初始场扰动影响降水的时间尺度小于10 h甚至可以小于6 h。从影响机理上来看,陆面变量(参数)扰动首先改变地表的潜热通量和感热通量,而地表通量的改变会通过陆气相互作用对局地大气的温、压、湿、风产生较大影响,从而对暴雨的强度和落区产生较大影响。集合预报结果表明,利用陆面变量(参数)扰动制作集合预报,预报的集合平均结果要好于控制预报的结果,且比集合成员稳定可靠,降水概率预报可以提供一些有用的信息,对预报强降水有一定的指示意义。在初值集合预报中,以这些参数或变量的扰动来引进集合成员是十分有意义的。     

西南季风与登陆台风耦合的暴雨增幅诊断及其数值模拟

以登陆内陆后维持时间长、暴雨增幅的热带气旋＂碧利斯＂（0604）为研究对象,利用＂CMA-STI＂热带气旋最佳路径数据集、NCEP/NCAR再分析资料及地面加密观测资料,讨论了西南季风与登陆台风耦合的暴雨增幅,分析了台风涡旋周围的水汽收支特征,发现净西风、净南风输送为暴雨提供了充足的水汽,在＂碧利斯＂登陆大陆减弱西行的过程中,西南季风对登陆台风的维持和暴雨增幅有重要影响。利用WRF（weather research and forecasting）模式模拟＂碧利斯＂登陆后的降水表明,该模式能够较好地模拟降水强度和暴雨落区,模拟路径与台风实际路径走向大体一致,但存在一定偏差;季风涌爆发时,台风中心南侧降水出现明显增幅。敏感性试验结果表明,降水强度对水汽输送大小较敏感,水汽输送减弱致使降水强度明显减弱,可见西南季风的水汽输送对暴雨的影响至关重要。     

两次严重影响湖南的登陆台风水汽场特征数值模拟

针对造成湖南省特大暴雨过程的"碧利斯"和"圣帕"两次台风,利用气象、水文加密观测资料及NCEP再分析资料,结合中尺度数值预报模式AREM的模拟结果,对它们独特的水汽场特征进行了对比分析.结果表明:这两次台风的共同特点是有两条主要水汽输送通道,即与西南季风相联系的偏南风水汽通道和与台风低压环流相联系的偏北风水汽通道;凝结降水的水汽主要来源于低层风场辐合和水汽平流,并通过局地垂直运动再将其输送到中高层;在湘东南强降水区上空始终存在强的水汽水平辐合和水汽垂直输送,比较而言,"圣帕"台风暴雨区上空水汽通量更强,但水汽通量辐合强度却小于"碧利斯"台风,水汽辐合层也不及后者深厚,但前者由于自身旋转性强,低压环流中心南部的切变较长时间维持,并自东向西转动,使得强降水持续时间更长,过程雨量更大,影响范围也更大."碧利斯"水汽主要源地较"圣帕"更加偏南,水汽辐合更强,与南海季风的相互作用更显著,降水时段集中,局部地区短时间内的降雨强度甚至超过了"圣帕".     

台风"碧利斯"特点及动力成因分析

利用常规观测资料、T213资料、FY-2C卫星资料和多普勒雷达资料等,对0604号台风“碧利斯“进行了综合研究,并与历史上相似路径的台风进行了对比分析.分析结果表明,“碧利斯“造成的暴雨出现在江西中南部,与历史上进入赣南的热带气旋一般特点相一致;“碧利斯“路径与副高的位置和演变有关;“碧利斯“造成的江西暴雨落区,与辐合上升运动中心及高层辐散中心对应较好,并与台风不对称环流、地形、不稳定能量等因素有关;暴雨与湿位涡呈反位相相关,且在暴雨较强时相关性更好.     

藏北高原陆面过程的模拟试验

利用NCAR陆面过程模式(Land Surface Model)和1998年"青藏高原能量与水分观测实验"加强观测期(GAME/Tibet IOP)的观测资料对青藏高原地区陆面过程进行了模拟研究.结果表明,在观测资料的强迫下模式能够较好地模拟出地表特征量的变化趋势,深层的土壤温度的模拟对初始场在0℃左右的变化敏感.模拟的感热通量、潜热通量以及地表反射的太阳辐射较观测值偏大.在高原地区地表类型分布状况的真实描述及植被、土壤参数的选取可能是提高该地区效果的首要问题;草地下垫面的陆面特征有待进一步研究;对土壤水热运动的真实描述,及冻土过程的加入对大气环流模式(GCM)跨季节的数值模拟会有所改进.     

相似路径热带气旋“海棠”(0505)和“碧利斯”(0604)暴雨对比分析

一般认为相似路径台风的影响大致相似,但实际上相似路径台风的风雨分布尤其是暴雨分布往往有很大差异,因此,对相似路径热带气旋“海棠”(0505)和“碧利斯”(0604)暴雨成因的对比分析有助于加强台风暴雨发生机制的认识和预报。“海棠”(0505)和“碧利斯”(0604)逐日降水分布对比分析表明,两者登陆前降水分布类似,而登陆后降水分布差异比较大。利用NCEP/GFS 1 °×1 °分析资料对热带气旋登陆前后天气形势、水汽通量和水汽通量散度进行诊断分析,结果表明：“海棠”(0505)和“碧利斯”(0604)登陆前引起浙闽沿海地区大降水主要是热带气旋外围偏东气流和地形共同影响下形成。“海棠”登陆后,维持在浙江东部沿海东南风急流不断输送水汽到“海棠”倒槽内引起浙东南沿海强降水,深入内陆后,降水主要由“海棠”自身环流携带的水汽辐合引起的,降水比沿海地区明显减弱;而“碧利斯”登陆后,有明显的南海季风环流输送水汽并入热带气旋南侧环流,在其南侧形成偏南风急流,使南侧水汽输送得到明显加强,造成“碧利斯”南侧水汽通量辐合,北侧水汽通量辐散,南侧降水比北侧降水强很多;深入内陆后,“碧利斯”环流仍维持并引导北方槽后弱冷空气渗透到其西南侧,使南侧降水进一步增幅。本文还探讨了包括热带气旋外核在内区域平均垂直风切变和热带气旋强降水落区的关系,结果表明：“海棠”和“碧丽斯”大暴雨落区均对应于暴雨区区域平均垂直风切矢量左侧水汽通量散度负值区。“海棠”垂直风切变矢量平行于移动路径并指向移动路径后方是造成“海棠”强降水分布在其移动路径右侧的重要原因,“碧利斯”垂直风切变矢量平行于移动路径并指向移动路径前方是造成“碧利斯”强降水分布在其移动路径左侧的重要原因。因此,利用垂直风切结合水汽输送条件可以作热带气旋大暴雨落区预报可能是一种比较有效的方法。     

利用一个海气耦合模式对台风Krovanh的模拟

采用中尺度大气模式MM5和区域海洋模式POM构造了中尺度海气耦合模式, 模拟了Krovanh (0312) 台风过程中台风－海洋相互作用, 分析了台风引起的海面降温影响台风强度的机制和海洋对台风响应的特征。试验结果显示: 考虑台风引起的海面降温使台风强度模拟有了较大改进, 模拟的台风中心气压和近中心最大风速均与实况较符合。POM模拟的海表面温度与TRMM/TMI观测的海表面温度也较为一致, 台风Krovanh在其路径右侧95 km处引起较大的海面降温, 最大降温幅度达5.8℃。与海表面温度降低相对应的是混合层深度的增加, 较大的海面降温对应较大的混合层加深, 表明大风夹卷在海表面温度的降低中起主要作用。分析表明, 台风引起的海面降温降低海洋向大气输送的潜热通量和感热通量, 特别是在台风内核区, 平均总热通量减少了32.1%。热通量的减少使得湿静力能及湿静力能径向梯度减小, 削弱了台风强度。     

台风"碧利斯"的结构与江西暴雨诊断分析

利用T213资料、自动气象站加密资料和常规观测资料等,研究分析了0604号台风“碧利斯“的环流背景、移动路径、内部结构和外围暴雨的分布特征,并将其与0505号台风“海棠“、0513号台风“泰利“、0414号台风“云娜“,进行了对比分析.研究结果表明,台风暴雨与台风环流场、热力场的不对称有关,并不一定总是集中在环流中心附近.无论是对称结构,还是非对称结构,降水中心都与强对流云带位置相对应.“碧利斯“先西北行后向西折的路径,主要是受强大稳定的副热带高压引导,并表现为明显的不对称结构,东侧、南侧的积云对流较为旺盛,降水主要集中在移动路径的第三象限;850 hPa台风环流场表现为南部环流强盛,南海季风为西南急流的稳定维持提供了充沛的水汽条件;局地地形激发深厚的上升运动,进而产生庐山和赣南南部山区的大暴雨天气;垂直运动、散度、涡度、水汽通量、假相当位温等各物理量场,均与外围暴雨区有较好的对应关系.     

耦合不同陆面过程对江西南部一次暖区特大暴雨过程的模拟试验

利用WRF V模式耦合4个陆面过程对2015年5月18—19日江西南部暖区特大暴雨进行了模拟,以检验陆面过程对暴雨过程的影响;在此基础上,又进行了地表通量敏感性试验,以检验地面扰动通量对降水的影响。结果表明,各方案模拟的降水范围、雨带走向以及降水中心位置与实况都比较相似,但是降水强度大小与陆面过程的选择存在一定的差异。其中,WRF模式耦合NOAH方案模拟的降水中心、降水强度和累积降水量均能够较好地反映这次暴雨过程的发展。感热和潜热通量在暖区暴雨中是维持降水持续的主要能量输送,对暴雨中心强度和位置变化的影响,潜热通量比感热通量发挥了更重要的作用。来自地面水汽蒸发所释放的潜热以及水汽抬升和辐合释放的潜能为维持暴雨强度提供了重要的能量支撑。