郑州“7·20”极端暴雨过程中水汽和高低空急流作用机制的数值模拟

针对郑州“7·20”特大暴雨过程,使用CMA-MESO区域模式对此次极端强降水过程中水汽与高低空急流的影响进行了数值试验分析。结果表明,此次暴雨过程较为成功地被中尺度模式模拟再现;暴雨过程中水汽来源主要为台风“烟花”北侧的东南急流携带的来自西太平洋与印度洋的水汽以及台风“查帕卡”北侧东南气流携带的来自南海的水汽;降水及水汽输送对水汽含量十分敏感,水汽含量微小的变化便会使郑州上空气流辐合区强度减弱,水汽累积减少,降水范围向河南北部缩小,降水强度大幅度减弱;低空急流对应的气流辐合区是郑州上空出现强垂直上升运动中心的主要机制,低空急流减弱后,水汽辐合减弱,降水减少,降水中心位置偏西南,高空急流对降水的影响与低空急流相比较小。     

风切变对积云发展影响的数值模拟研究

本文采用二维暖积云模式研究了风切变对积云发展和降水大小的影响。计算结果表阴:一般有风切变情况下积云的发展和降水量都明显减弱。这是由于水平气流的作用促进了云内外水汽和热量交换,减弱了积云发展的条件。计算还表明:在多种不同风速廓线和大气层结下风切变对云和降水发展均不利。 我们发现当云移行前方有高湿区时,在中等的风切变下可能有利于积云发展和降水形成。这是由于在水汽场和风场的配置下,云中得到充沛的水汽补充,促进了云和降水的发展,总降水量可增加2—3倍。     

近50年来东北冷涡暴雨过程动力条件诊断和水汽条件分析

本文统计了吉林省近50年东北冷涡暴雨过程,利用NCEP资料,计算了与降水有关的各种物理量,讨论了各种物理量的特征。并从环流系统着手,着重分析了冷涡暴雨水汽源地和水汽输送条件,结论指出,冷涡暴雨中心存在深厚、持续的上升气流,最大上升气流多数出现在500h Pa,比一般对流天气层次高;低层气流辐合,高空气流向北向东辐散的特征更加明显;上升气流中心位置、数值大小以及低空辐合中心及伸出的大值区等特征值可以作为定性判断暴雨落区指标;影响暴雨的水汽分别来自西太平洋副热带高压南部低纬热带地区和盂加拉湾,小部分来自日本海回流,两支主要水汽分别由西太平洋副热带高压后部西南气流直接向北方输送,或是分别由孟加拉湾向东和由副热带高压南部偏东气流向西输送在我国南部沿海合并后再向北输送。在水汽输送过程中,低空急流和副高位置起到了至关重要的作用。     

2018年6月贵州一次持续性降水天气过程分析

该文利用常规气象降水观测资料和NCAR提供的1°×1°的FNL再分析资料,对贵州2018年6月20—24日大范围持续性降水天气过程进行分析,结果表明:100 hPa受南亚高压影响,贵州处在高压前部的高层辐散、低层辐合气流中,有利于产生上升运动。500 hPa亚欧大陆稳定的两槽一脊环流形势,导致北方弱冷空气从贝加尔湖高压脊前不断南下至长江流域。850 hPa主要受低空急流和切变线的影响,低空急流将西南暖湿气流源源不断地输送到中国南方;切变线稳定位于浙江中部至贵州北部,同时贵州的水汽通量辐合区位于切变线南侧,利于水汽辐合上升。贵州全省处在低层辐合、高层辐散的垂直运动负值区中,有良好的上升运动条件。水汽和动力条件的配合,是造成此次贵州大范围的持续性降水天气的主要原因。     

夏季南海低空越赤道气流变化与亚澳季风区降水异常的联系

基于1979—2014年ERA-Interim逐月风场和水汽通量资料及GPCP逐月降水率资料,采用相关分析及合成分析等方法研究了夏季南海低空越赤道气流的变化特征及其与亚澳季风区降水异常的联系。结果表明:1)夏季南海低空越赤道气流强度的年际变化特征明显,具有3~4 a的周期。2)夏季南海低空越赤道气流强度变化与热带东印度洋和海洋性大陆区域降水异常具有显著的负相关关系、与热带西太平洋降水异常存在明显的正相关关系、与我国中部地区降水异常存在较好的负相关关系。3)当夏季南海低空越赤道气流强度偏强时,850 hPa上自阿拉伯海向东一直延伸到热带西太平洋为西风异常,这种环流形势有利于热带西太平洋出现水汽辐合,使得该区域降水出现明显偏多,同时热带东印度洋低层为东风异常,受其影响,热带东印度洋和海洋性大陆区域出现水汽辐散,使得该区域降水偏少;此外,在我国东南沿海为一个气旋式风场异常,不利于来自热带海洋的水汽输送到达我国中部地区,使得该地区降水偏少;反之亦然。4)当夏季南海低空越赤道气流偏强时,东亚地区局地Hadley环流表现为异常偏弱,低空偏南越赤道气流异常在20°N附近与来自北半球的冷空气交汇上升,赤道附近及30~40°N地区出现异常下沉运动,使得热带海洋性大陆区域和我国中部地区降水减少;反之亦然。     

习水南部一次秋季最强降水中的地形作用

该文利用习水107个站点的降水观测数据、高空和地面形势实况资料、习水双偏振雷达数据、ERA5全球再分析资料,通过天气学统计方法,分析2021年9月12日习水强降水过程成因,并解释了地形对此次强降水的增强作用。分析结果表明：（1）此次过程发生在双台风夹击的背景下,主要影响系统有对流层中层高空槽、低空低涡切变线;（2）高空槽东移迫使低涡切变线发展加强,为此次过程提供了抬升条件,14号超强台风“灿都”外围的偏东气流减缓了低涡切变线东移速度,使得其在习水停留时间变长,同时,低空偏南气流和偏东气流的辐合为强降水的发生发展提供了热力不稳定和水汽条件;（3）雷达回波是以积云为主的混合降水回波,多对流单体活动,并有明显的“列车效应”现象;（4）由于大娄山南侧地形对对流层的气流有辐合抬升作用,对流单体在山脉南侧移速减慢、合并增强,导致降水强度和范围增大,从而形成此次强降水过程。     

牡丹江地区初夏一次大到暴雨过程诊断分析

本文对2008年5月30日牡丹江地区大到暴雨过程进行诊断分析,分析表明:当高空有正涡度平流、低空有负涡度平流时,将产生强烈的动力作用,配合垂直速度场有强烈上升区,为这次大到暴雨的产生提供了动力条件;水汽通量大值区和水汽通量散度负值区与降水落区对应比较一致,是这次降水过程重要的水汽条件。     

山西一次低空偏东风暴雪天气结构特征分析

应用常规地面、探空观测资料和NCEP 1°×1°再分析资料,对2011年11月28-29日山西低空偏东风暴雪天气结构特征进行了探讨。结果表明:(1)这次低空偏东风暴雪是由高空西风槽、低空切变线、地面回流和倒槽共同影响造成。降雪前约18 h,山西925~850 hPa上空出现东北风;降雪前约12 h,山西中南部地面出现较强东北风,强降雪期间地面东北风强劲;降水开始前,低空东北风是干冷性质,降水开始后低空东北风是湿冷垫。(2)暴雪的水汽来源主要是源于西太平洋的偏东风水汽输送在北部湾附近转向的西南水汽与南支槽前的西南气流在西南地区汇合北上,再与西风槽前西南水汽结合;强降雪出现在700 hPa水汽通量中心西北侧等值线密集区且风向气旋性辐合的偏南气流区域。(3)强降雪伴随山西上空深厚湿层、500 hPa以下明显水汽辐合,以及800 hPa以上对流层中强上升气流,而上升区下是明显的下沉气流,这是由低空偏东风的契入产生的。(4)强降雪期间300 hPa西风急流不断东移南压,山西位于其入口区右侧,出现强辐散,有利于地面河套倒槽发展、维持,以及垂直上升运动的增强。     

风廓线雷达资料在冀中一次强降水天气预报中的应用

通过运用常规气象站、自动站、风廓线雷达资料和NCEP(1°×1°)再分析资料对2015年7月30日出现在京津之间的一次短时强降水天气进行综合诊断,特别是深入分析了降水开始前大气的风场特征。结果表明:(1)低空急流在强降水开始前2 h左右出现,其不仅为短时强降水的爆发提供充足水汽,同时也是700 h Pa以下对流不稳定层结的建立者和不稳定能量释放的触发者;(2)强降水发生前约90 min在1 000 m高度以上出现上升气流,此后其所在最低高度下降,厚度增加,30 min后上升气流达到最强盛;随着降水的临近,上升气流开始减弱,降水开始后,下沉气流迅速占据绝对主导地位;(3)强降水发生前70 min边界层有冷平流形成,西南暖湿气流在其上爬升,使得水汽和能量积聚,中层冷空气开始楔入并发展强盛,表明冷暖空气强烈交绥,同时能量释放;(4)低空急流指数的脉动虽与强降水的发生有密切关系,但并不是高指数就一定会出现强降水,雨强的变化除了与低空急流有关,还与水汽、动力以及热力等多种因素相关,是一种综合条件共同作用的结果;(5)强降水形成所需的水汽、动力、热力等条件均在降水出现前积累加强,这种强烈的信号一般提前60~120 min达到极致,为强降水的临近预报提供了科学依据。     

2007年5月8日新疆大降水过程分析

利用常规天气资料、T213资料及FY2-C卫星云图分析了2007年5月8—9日新疆强天气过程中大降水的成因。分析得出：在春季强天气典型环流背景下,500hPa两支锋区在北疆西部汇合,西南气流在此加强,增强了水汽的输送;低空700～850hPa偏东气流是本次过程水汽输送的又一通道,其建立与大降水出现的时间同步,增强了辐合上升运动;地面锋面及鞍形场中气流辐合区的位置与降水落区较为吻合;中低层强烈的垂直上升运动及水汽的辐合对大降水起到了重要作用。     

A mass-flux cumulus parameterization scheme for large-scale models: description and test with observations

A simple mass-flux cumulus parameterization scheme suitable for large-scale atmospheric models is presented. The scheme is based on a bulk-cloud approach and has the following properties: (1) Deep convection is launched at the level of maximum moist static energy above the top of the boundary layer. It is triggered if there is positive convective available potential energy (CAPE) and relative humidity of the air at the lifting level of convection cloud is greater than 75%; (2) Convective updrafts for mass, dry static energy, moisture, cloud liquid water and momentum are parameterized by a one-dimensional entrainment/detrainment bulk-cloud model. The lateral entrainment of the environmental air into the unstable ascending parcel before it rises to the lifting condensation level is considered. The entrainment/detrainment amount for the updraft cloud parcel is separately determined according to the increase/decrease of updraft parcel mass with altitude, and the mass change for the adiabatic ascent cloud parcel with altitude is derived from a total energy conservation equation of the whole adiabatic system in which involves the updraft cloud parcel and the environment; (3) The convective downdraft is assumed saturated and originated from the level of minimum environmental saturated equivalent potential temperature within the updraft cloud; (4) The mass flux at the base of convective cloud is determined by a closure scheme suggested by Zhang (J Geophys Res 107(D14), doi:10.1029/2001JD001005, 2002) in which the increase/decrease of CAPE due to changes of the thermodynamic states in the free troposphere resulting from convection approximately balances the decrease/increase resulting from large-scale processes. Evaluation of the proposed convection scheme is performed by using a single column model (SCM) forced by the Atmospheric Radiation Measurement Program’s (ARM) summer 1995 and 1997 Intensive Observing Period (IOP) observations, and field observations from the Global Atmospheric Research Program’s Atlantic Tropical Experiment (GATE) and the Tropical Ocean and Global Atmosphere Coupled Ocean–Atmosphere Response Experiment (TOGA COARE). The SCM can generally capture the convective events and produce a realistic timing of most events of intense precipitation although there are some biases in the strength of simulated precipitation.     

GRAPES全球模式次网格对流过程对云预报的影响研究

50 km分辨率下的GRAPES全球模式对赤道及低纬度地区云水、云冰、云量和格点降水的预报较实际观测偏少。为解决这一问题,在模式原有的格点尺度云方案基础上,将次网格对流过程的影响作为源汇项,加入到云水、云冰和总云量的预报方程中。结合云和地球辐射能量系统(CERES)与热带降雨测量(TRMM)等卫星云观测资料,进行了改进后的云方案与原云方案预报结果的对比分析。结果显示,考虑了对流对格点尺度云含水量和云量预报的影响后,GRAPES全球模式预报的云和格点降水在赤道及低纬度地区有明显改善,水凝物含水量和总云量的预报结果与实况较为接近,格点降水在总降水中的比例由原来的5%提高到25%。研究进一步表明,次网格对流过程对格点尺度云和降水的影响取决于上升气流质量通量的分布和强度,上升气流的质量通量在对流活动强烈的低纬度热带地区较强,其最大值出现在650—450 hPa高度,因此,次网格对流的卷出过程对中云的影响最为明显。对高云和低云也有一定程度的影响,使云顶变高,云底变低。     

低层环境风场对积云模拟的作用

采用二维和三维完全弹性参数化冷云数值模式模拟研究了低层单向切变风场中积云的发展演变过程和地面降水特征。结果表明:在低层切变风场中，用热泡扰动方式激发对流的启动条件提高，而冷出流方式激发对流则更加容易。适当强度的低层切变使对流峰值强度减小，但积云生命史延长，地面累计总降水量增大，雨区拓宽，峰值雨强则减小。采用二维模式来模拟单向切变风场的对流活动虽然存在严重歪曲，但积云最大升速以及地面总降水随时间的演变特征与三维模拟结果一致。     

基于云雷达和降水雷达资料的一次典型暖云降水成因及粒子类型演变

针对2020年8月9日南京市一次典型对流性暖云降水过程,结合云雷达和双偏振降水雷达资料,研究了此次短时强降水的雷达回波特征和成因;基于雷达参量和模糊逻辑算法识别了水凝物粒子类型,并分析了降水过程中水凝物粒子的性质和演变.结果 表明:此次降水强度大、效率高,雷达观测的云体回波呈现低质心、强回波的热带型结构.正负速度对的出...     

苏南一次深秋局地强对流的多源资料分析

针对2014年苏南地区深秋一次强对流天气过程,运用雷达、闪电定位仪、风廓线雷达和雨滴谱仪分别对强对流天气过程进行分析,发现新探测资料对于强对流的发生和发展有一定提示作用。本次天气过程主要是在前期回暖明显,西南气流强盛,有高空槽引导冷空气南下,冷空气的入侵导致了局地强对流的发生。深秋强对流发生的各种潜势与汛期强对流形成的阈值明显不一样,虽然不稳定能量没有春夏高,但在动力条件下触发低层冷空气强烈抬升暖湿空气,继而引发局地冰雹。雷达数据与汛期强对流的各种指标对比表明:无锡地区冰雹回波结构与汛期发生的冰雹个例相比,垂直累积液态水含量和回波顶高明显下降,这与季节的不同有明显关系,热力条件已无春夏好,季节的原因导致回波顶高偏低。通过闪电资料的统计表明:闪电频数的突然上升说明超级单体有较强的上升气流。雨滴谱资料的应用说明,降水过程中不同雨强下雨滴谱分布均呈单峰型,随着雨强增加,雨滴谱谱型在大粒子端逐渐上抬。对流云降水谱宽明显大于层状云降水。对流云降水阶段的平均直径明显大于层状云降水阶段。     

中国冬夏季模式降水方案的应用分析研究

通过对中国冬夏季各一次降水过程的模拟分析 ,研究了不同云降水方案在中国区域的应用特征。结果指出 ,夏季 ,Kain Fritsch(KF)和Betts Miller(BM)积云方案模拟产生的积云降水是有差异的 ,KF方案对本次连续降水过程的预报要优于BM方案 ;KF方案和BM方案可以使周围环境大气状况发生不同的变化 ,KF方案可以使周围环境大气变得更湿、上升气流更加深厚 ,更有利于网格尺度降水的产生 ,即不同积云对流方案对网格尺度降水具有重要的影响 ;冬季 ,中国北方大陆基本没有对流降水产生 ,不同积云对流方案对网格尺度降水预报的影响基本可以不予考虑 ,中国北方的冬季降水主要是由网格尺度降水构成的。     

黄河上游河曲地区对流云催化增雨的数值模拟研究

应用中国科学院大气物理研究所开发的三维对流云模式,对青藏高原河曲地区强对流云的催化增雨效果及催化云的动力特征、微物理机制进行了模拟研究.模拟结果显示:黄河上游河曲地区的对流云具备一定的催化潜力.如果催化时机、部位选择适当,降水总量增加有望达到30%～50%,催化所产生的动力效果比较显著.催化剂的加入使得云中凝华潜热释放量增加,上升气流加强,云顶升高,云水平尺度也有所加大,地面降水区域扩大,降水时间延长.由于云中冰晶大量生成,导致过冷云水、雨水减少,暖雨过程迅速减弱,云中霰和冻滴量增多,其融化过程加强引起的降水增加远远超过了暖雨量的减少,总的增雨效果比较显著.敏感性实验表明,催化高度对增雨效果的影响最为显著,高于某一催化高度,有可能产生增雨防雹的好效果;低于某一催化高度,则会在防雹的同时使地面降水减少.对流云早期催化的增雨效果较好.一定范围内催化剂量的变化对增雨量影响不大,小剂量催化也有可能达到较好的增雨效果.     

有云泡结构的对流云中降水形成的研究

观测事实表明,对流云中分布着许多不同大小的云泡,本文根据这一事实讨论有云泡结构的对流云中降水粒子形成的问题。我们考虑在云泡中的含水量和垂直气流均比云泡外的云中的值大,因此这是一个含水量和垂直气流同时起伏条件下滴在云中随机生长的模式。 根据滴在云中碰併增长的公式,我们推得一个重要的关系:即对于任何滴同样的半径增量,通过云泡所需移动的距离要比在云泡外的云中所需移动的距离少,而这个距离的差值仅与云泡的特性有关,与滴的初始大小无关,因此滴在云中经过若干云泡的生长就由一个排列问题转变为组合问题,这就便于我们讨论摘随机穿过若干云泡的生长。 计算结果表明,有云泡结构的云中,比较薄的云就可以形成较大的水滴或冰雹,或者说降低了形成降水对云厚的要求。本文还计算了云泡特征量对降水形成的影响。     

对流性强降水的数值模拟研究

利用中科院大气所改进的三维强降水对流云数值模式，在证明该模式可较好地模拟对流性强降水的基础上，对1998年7月21日晨发生在武汉的梅雨锋强降水个例进行模拟，深入分析云体结构、降水量等特征，研究暴雨形成的云物理机制。作为对比，另外选取了陕西旬邑的一个强降水个例进行模拟。模拟结果表明，武汉个例云发展较稳定，雨水的形成主要是暖雨过程，冷雨过程对雨水的增加有促进作用，地面无固态降水，雨滴直径、大雨滴浓度相对较大。虽然云中最大上升气流速度、各种降水粒子最大含水量以及瞬时最大雨强等都不如旬邑的强对流云个例强，但累积降水量却比旬邑的大。通过人为改变低层大气湿度的模拟结果发现，这次强降水的长时间维持与低层充沛的水汽供应密切相关。     

对流降水云中大气垂直运动反演及个例试验

为深入认识对流降水云结构及动力特征,基于降水频段调频连续波5520 MHz垂直指向雷达(VPR-CFMCW),使用地面至15 km高度的反射率因子及径向速度,建立对流降水云中大气垂直运动的反演方法,分析对流垂直结构及大气垂直运动随高度分布的演变特征.对在广东龙门测站探测的2019年4月20-22日前汛期4次对流降水进行...