夏季季风区气候的模拟特征

用一个由大气模式、土壤模式和水域模式三个子模式组成的模式模拟了夏季风区的气候特征。模拟得到的平均气候特征,如温度场、风场、降水和蒸发场均与实际观测场接近;模式模拟出季风区的地面气候特征,表明其与大气状态和下垫面性质关系密切;对加热场的模拟则表明,积云对流凝结潜热加热对总加热率的贡献最大.     

夏季季风区气候的模拟特征

用一个由大气模式、土壤模式和水域模式三个子模式组成的模式模拟了夏季风区的气候特征。模拟得到的平均气候特征,如温度场、风场、降水和蒸发场均与实际观测场接近;模式模拟出季风区的地面气候特征,表明其与大气状态和下垫面性质关系密切;对加热场的模拟则表明,积云对流凝结潜热加热对总加热率的贡献最大.     

垂直风切变对风暴云影响的数值模拟

本文用一个适合中－β尺度天气系统研究的三维非静力全弹性模式通过对理想环境大气中垂直风切变的不同分布进行数值模拟试验，结果表明：环境风场在风暴的发展演变中具有很大的影响作用，特别是低层风垂直切变值的大小决定了对流风暴的类型和发展演变的主要特征。     

区域气候模式不同积云对流参数化方案对新疆气候模拟的影响研究

使用NCEP-FNL全球分析资料作为WRF模式的初始场和边界场,利用该模式中7种积云对流参数化方案对新疆地区进行2006年10月1日至2008年3月1日的模拟积分试验,重点考察模式在水平分辨率为10 km下不同积云对流参数化方案对新疆地区气象要素模拟的敏感性。结果表明:1）采用7种积云对流参数化方案的模式都能较好地模拟出年、雨季总降水量、平均温度的空间分布及大气的垂直结构。2）对于不同区域来说,采用各种积云对流参数化方案的模式都能模拟出候降水及候平均温度随时间演变,模式候降水与观测的相关系数在0.20~0.85之间,而候平均温度与观测的相关系数在0.98以上。对于整个新疆地区来说,采用各方案模式模拟的低层偏干偏冷,大气层结较稳定导致降水较观测偏少,而其中天山地区模式模拟的低层较观测偏湿偏暖,大气层结偏向不稳定导致降水偏多。3）采用新的Grell和Kain-Fritsch（new Eta）方案模式模拟的效果综合来看较好。因此利用WRF模式开展新疆地区数值模拟研究时应该考虑不同积云对流参数化方案适用范围。     

一次南方大暴雨过程的数值模拟及其误差的敏感性诊断分析

选用0．18度（约20km）分辨率中尺度大气非静力模式GARPES-Meso对2005年5月31日-6月1日发生在湖南省的大暴雨过程进行了数值模拟和敏感性试验，并用探空、地面加密实况资料和客观分析场资料等对模拟结果进行细致的误差分析和诊断研究。结果表明：此次暴雨过程发生的大尺度环流背景、尤其是500hPa环流形势及其变化过程的模拟与实况非常接近；模式对暴雨过程累积降水总分布特征、大降水的主要落区等的模拟能力亦较强。从天气过程的角度看，模式可以对降水短期预报提供有较好参考和指导价值的可用数值产品。当然，本次暴雨过程细节特征的模拟还存在着一定偏差，如：模拟降水出现过早、降水峰值模拟偏弱、低层风速模拟偏大、高空急流核风速模拟偏小等。诊断分析显示，引起这些模拟误差的原因并不相同。模拟降水出现过早，主要是由模式初值误差引起，而非模式本身原因。处于暴雨区的初始低层风场偏差，在有利的环流条件下，积分前几个小时内不断增长并向对流层低层的上部扩展，引起模式低层风场和水汽发生异常辐合，进而激发出模式降水。而模拟降水峰值显著偏弱的可能原因，一是暴雨发生前高空急流核细节特征的模拟出现偏差，影响了高空强辐散与低层强辐合的垂直耦合，导致暴雨区高空辐散和垂直运动的模拟呈现出一种明显偏弱的连锁反应；二是模式次网格尺度和网格尺度降水方案的协调性不够，对流调整和对流对格点尺度温湿场的反馈似乎还不够有效，影响了模式格点尺度产生凝结至雨的温湿条件，进而影响显式降水方案作用的发挥。上述两方面因素的不断相互作用，对模拟降水构成一种负反馈影响。最终导致模拟降水峰值显著偏弱。要提升中尺度模式定量降水预报能力，还需特别关注模式物理过程的描述和提高模式降水物理过程方案之间的协调性。     

中国夏季不同强度降水模拟对不同积云对流参数化方案的敏感性研究

利用PσRCM9区域气候模式, 分析了中国夏季不同强度降水模拟对不同积云对流参数化方案的敏感性。结果表明, 采用四种积云对流参数化方案, 模式能够模拟出小雨、 大雨和暴雨的雨量百分比和雨日百分比空间分布的一致性特征, 但不能模拟出中雨雨量百分比和雨日百分比空间分布的相似性, 这是由于模式不能模拟中雨雨量百分比的空间分布形式所致。还发现模拟的我国夏季降水以小雨和中雨为主, 四种积云对流参数化方案均低估了中国夏季大雨和暴雨对总降水的贡献, 尤其是在我国西部、 东北和华北地区更明显。不同积云对流参数化方案下模拟的极端强降水阈值的空间分布形式基本与观测一致, 但强度与观测存在较大差异。相比较而言, Grell方案较Kuo、 Anthes-Kuo和Betts-Mille积云对流参数化方案更适合中国东南部地区夏季极端强降水的模拟。     

—η坐标模式降水预报敏感性试验

采用η坐标模式，对1995年8月23-24日四川盆地西部一次强降水过程进行了降水敏感性试验。试验结果表明：适当放宽饱和凝结比临界条件，可增大大尺度降水成分，但对不同地域、不同季节需适当调整饱和凝结比。减小积云活动特征时间，将导致积云对流降水增大，总降水也增大；当增大饱和气压差绝对值时，对降水的范围、中心预报及其演变有一定程度改进，与实况较为接近。     

大涡模拟模式研究对流层湍流

利用三维大涡模拟模式研究不同地面热力状况和风切变对湍流产生的影响，在对流层湍流发展过程中，这两种作用是同时存在的、同时起作用，水平风速的瞬时垂直切变可以在自由大气中激发湍流，但它不能维持很长时间，对流热泡也可以在自由大气中激发湍流，其湍流强度与地面的热量强度有关。     

WRF模式中微物理和积云对流参数化方案对台风“莫拉克”模拟敏感性分析

基于WRF模式,研究了不同微物理和积云对流参数化方案对0908号台风"莫拉克"的路径移动、强度变化和降水过程模拟的敏感性。结果显示,积云对流参数化方案对台风"莫拉克"的路径和强度模拟起主导作用,采用Kain-Fritsch积云对流方案模拟的72 h平均路径误差较小;降水量的模拟主要取决于微物理参数化方案,而降水分布的好坏更依赖于积云对流参数化方案,而采用Thompson微物理和Grell-Devenyi积云对流方案的试验导致累积降水极值的偏干误差较大。积云对流方案对环境场和潜热释放模拟存在差异,导致路径和强度、温度廓线和垂直运动的模拟结果不同,而微物理方案对不同相态降水粒子的垂直分布结构模拟存在差异,从而导致降水模拟的差别。此外,由不同试验构造的集合平均能减少单个成员模拟路径和降水的不确定性,特别在强降水方面能减小空报数和漏报数,提高TS评分,改善模拟效果。     

风切变对强对流云降水的影响

本文采用一个完全弹性方程组二维积云摸式，考虑了暖云和冷云微物理过程，以实际探空资料作为初始场，对吉林省强对流天气中风切变的作用进行了数值模拟研究，主要对风切变情况作了三种处理（且）．不考虑风切变；（2）．实际探空资料的风切变；（3）．适当强度的低层风切变。结果表明：低层风切变可以使顺切变一侧有持续不断的水汽供应，持续云内对流系统，促使对流云发展。而适当的风切变，对云体发展更有利，并维持更长时间，增加地面降水量。     

风切变对中尺度对流系统强度和组织结构影响的数值试验

采用我国实际观测的探空作为中尺度模式Weather Research and Forecasting(WRF)的理想试验的背景场,分别改变整层、低层和中层的垂直风切变,研究其对中尺度对流系统强度和组织结构的影响。结果表明,改变整层垂直风切变对对流系统的强度和组织结构影响最显著,增加整层垂直风切变,对流强度增强且易组织成线状,减小整层垂直风切变,对流强度弱且呈分散状态。从垂直速度、水平风场、散度场和冷池的三维结构特征分析了其影响的机制:(1)风切变增加,上升气流与下沉气流的相互干扰减弱,有利于垂直速度的维持和增强;(2)垂直风切变增加造成水平涡度增加,扭转项的作用分别使上升和下沉运动得到加强;(3)垂直风切变增加,冷池强度和高度增加且集中在系统后部,使系统线状组织性增强。研究还发现,增加垂直风切变造成近地面大风和降水增强,且强降水出现在大风之后,这主要是因为在对流发展阶段上升运动与下沉运动互不干扰情况下,强下沉运动造成的近地面大风,而成熟阶段上升运动不断增强或维持造成雨水比湿不断增加形成强降水。     

2013年5月14—16日江西暴雨过程成因及非常规资料特征分析

利用常规观测资料、NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料、风廓线雷达、GPS/MET可降水量等非常规资料,对2013年5月14—16日江西区域性暴雨的成因进行了分析。结果表明:1)此次暴雨过程较强的动力条件和水汽条件是在高空低槽、中低层切变线、西南急流、低涡的共同作用下形成的。2)低层暖湿气流与高层干冷空气的配置有利于热力不稳定能量积聚;稳定度(θse500-850)密集区有利于激发中尺度对流云团发生发展;较强的垂直风切变对不稳定能量的释放和对流性暴雨的产生起到了触发的作用。3)风廓线雷达监测的超低空西南急流脉动与下风方地区的强降水相对应;该雷达监测的中低层风场特征对辅助分析天气尺度系统演变有一定的参考;风廓线雷达特征表现的强信噪比、较大的垂直向下运动与本站的强降水对应。4)强降水落区基本与可降水量(PWV)等值线密集带相对应;最大雨强常在可降水量值达到最高点之后1—3 h出现;在降水出现前站点的PWV值增幅越大,上升至高位值后维持时间越长,同时又有动力触发,对应该站点降水量也越大。     

我国东南沿岸及复杂山地后汛期降水日变化的数值研究

利用2009~2017年7~9月福建省逐小时地面加密自动站资料和2015~2017年7~9月厦门站的探空资料,通过K均值聚类法和中尺度数值模式(WRF3.9.1.1版本)理想数值模拟,分析了我国东南沿岸及复杂山地(福建)后汛期降水日变化特征,揭示了地形热力环流以及海陆风环流在热对流降水日变化形成中的作用,探讨了环境温湿廓线及风垂直廓线对热对流降水日峰值强度和日峰值出现时间的影响。结果发现:我国东南沿岸复杂山地(福建)后汛期降水日变化受地形热力环流和海陆风环流的影响和调制,白天辐射加热在复杂山地形成的局地热力环流激发出对流降雨带,午后受海风环流的影响,对流降雨带组织发展达到峰值,之后随着地形热力环流和海风环流减弱雨带逐渐减弱。武夷山及周边复杂山地的降水日变化主要受地形热力环流的影响,在午后对流降水达到峰值,夜间减弱几近消失。理想数值试验进一步证实了我国东南沿岸复杂山地地形热力环流对对流降雨的触发以及海陆风环流在山地对流雨带组织发展中的作用,环境温湿廓线以及风垂直廓线对热对流降水日峰值强度以及日峰值出现的时间具有重要影响,其中环境温湿廓线的大气抬升凝结高度、大气可降水量、大气的对流不稳定度以及大气中低层湿度分布的不同,会影响热对流降水日峰值强度,并通过影响山地热力对流触发时间,改变热对流降水日峰值时间,而环境风垂直廓线的低层气流强度和方向、中低层垂直风切变的不同,会影响地形热力对流系统的启动、组织发展和移动等特征,进而影响热对流降水日峰值强度以及热对流降水日峰值时间。     

2017年“5.7”广州特大暴雨的中尺度特征分析与成因初探

2017年5月7日发生在广州北部的特大暴雨,局地性强,最大雨强达184.4 mm/h,3 h雨量突破了广东省历史极值,强降水持续时间长,具有明显的中尺度特征。特大暴雨有A区（花都）和B区（增城、黄埔）两个中心,它们在降水特点、地面中尺度特征及触发、对流的发展演变等方面各有特点。由于天气尺度强迫背景弱,数值模式无明显反映,给预报带来了很大的挑战。利用常规及加密自动站、多普勒雷达、风廓线、地基GPS等非常规观测资料,结合ERA-Interim 0.125 °×0.125 °逐6 h再分析资料重点分析和讨论了此次过程的中尺度特征、对流的触发与演变,以期为今后这类暴雨预报提供着眼点。结果表明:（1）此次过程突发性强,降水强度大,A区降水开始时间早,范围较B区小,但B区小时雨强更强,强降水持续时间更长;（2）次天气尺度边界层“7”字型的风压场形势下,脊后回流并加强的偏南风使暖层和湿层增厚,“下密上疏”的温度垂直结构,为强降水的发生提供了有利的环境条件。进入对流云中水汽质量无异常但产生了大量降水,极高的降水效率很可能是对流系统内部云水高效转化的结果,云的微物理过程在形成此次高强度的降水发挥着重要作用;（3）A区强降水发生前暖空气在山前堆积造成升温升压,东、西两支绕流广州城区的气流汇合并在工业区暖中心、山前暖空气堆积具有较高的对流边界层位置触发了对流;（4）B区强降水发生前持续降压并形成中尺度低压槽,A区中尺度对流系统前方入流造成的负变压,与地形强迫造成的风速辐合共同作用触发了B区对流。中尺度反气旋底部的偏北风与偏南、东南两支气流辐合稳定,使强降水长时间维持;（5）回波具有后向传播,垂直顶高低、质心低的热带对流回波特征,降水效率高。降水的拖曳下沉及蒸发冷却使边界层形成冷池,并与前侧暖湿空气相互作用,不断激发新的对流,冷池出流是持续抬升机制,是强降水持续时间长的重要原因。B区冷池厚度、暖湿气流爬升的高度与坡度比A区更大,冷池出流与暖湿气流辐合强度也比A区更强,造成B区雨强更强、持续时间更长,累积雨量更大。      

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。     

青岛市一次局地大暴雨天气成因和逆风区特征分析

利用地面和探空气象观测数据、雷达探测资料以及ECMWF（ERA5）0.25°×0.25°全球再分析数据,分析了2016年8月19日青岛市环胶州湾一次局地大暴雨过程的环流形势、环境条件及逆风区演变特征。结果表明:副热带高压边缘的地面冷锋进入倒槽,冷空气向地面辐合线的暖区渗透触发对流天气是此次过程的形成机制。此次大暴雨过程与地形关系紧密,主要分布在低层暖湿气流和山脉抬升作用形成的迎风坡前位涡大值区,该区域中低空垂直上升运动和相对湿度配合较好。大暴雨区站点的强降水时段与垂直上升运动时段吻合,小时最大雨量出现在垂直上升运动强度的跃增阶段。过程降水开始前,0℃层高度和近地面层比湿变化不大,CAPE值、K指数以及垂直风切变等各项不稳定指数均较08时明显增强。雷达产品分析显示,造成大暴雨的对流单体呈暖区对流特征,强降水前20~30min垂直风切变增强。此次降水过程产生的4处逆风区均出现在对流单体生成之后,为对流单体下沉气流产生的与环境风相反方向的辐散气流。其中2处低层相对湿度大值区的逆风区能得到发展增强,而逆风区的发展则进一步促进了对流增强,此演变特征对本次大暴雨过程的临近预报预警有较好的指示作用。      

2008年8月1~2日滁州特大暴雨双多普勒雷达三维风场反演试验的初步结果

受“凤凰”低压和冷空气共同影响, 2008年8月1~2日安徽省东部和江苏西部部分地区出现大雨, 局部地区暴雨到特大暴雨。滁州和全椒24 h雨量分别为429 mm和414 mm, 此次特大暴雨具有局地性和降水强度大的特点。使用南京和马鞍山双多普勒雷达时间同步观测资料, 对此次暴雨的三维风场进行反演, 在此基础上, 研究了暴雨的三维风场结构。由雷达回波分析可知, 此次暴雨是由β中尺度对流系统造成的, 在β中尺度对流系统内部还有γ中尺度对流单体, 对流单体发展非常旺盛。中低层切变线自西向东移入降水区后, 在该地区停留较长时间, 加之有充足的水汽供应, 造成了局地特大暴雨。在垂直剖面内, 对流系统发展旺盛, 强降水区上空回波较强且对应着较强的上升气流区, 而在强回波中心区的两侧均有下沉气流。当切变线减弱并移出降水区后, 强降水停止。     

浙江沿海登陆台风结构特性的多普勒雷达资料分析

利用浙江省新一代多普勒雷达组网资料,选取在浙江东南沿海近乎同一地点登陆的3个台风进行研究。从登陆前6 h到登陆后7 h,对比分析3个台风在登陆前后的雷达回波和降水结构时空变化特征。利用单多普勒雷达四维变分风场反演技术,对温州多普勒雷达探测资料进行了风场反演。结合利用雷达回波强度资料,对3个台风登陆前后1 h在云岩、昌禅等地造成特大暴雨的中尺度对流系统的三维结构及其演变特征进行了详细分析。结果表明,台风强度与其螺旋云带中的对流单体密切相关。台风强度愈强,其中低层环状平均回波强度就愈强,对流活动也就愈旺盛,降水强度也愈大。台风登陆前,回波(雨带)从眼墙向外围传播。台风登陆后,随着台风外围回波(雨带)明显减弱,台风眼墙回波(雨带)则明显增强,台风眼区逐渐被强回波所取代,使台风登陆后眼墙的平均雨强比登陆前增大。台风登陆后1 h,由于低(高)层水平辐合(散)增强,强对流回波中倾斜的上升(下沉)气流明显增大,使对流运动更加活跃,造成登陆后1 h的降雨量显著增强。台风强度与登陆后1 h降雨量的增强幅度成正比。台风强度越强,垂直风切变就越大,垂直切变风速大值区与最大降雨区有较好的对应关系。台风登陆后1 h,垂直切变风速的明显增加对登陆台风螺旋雨带中的中小尺度对流的加强和维持起到了非常重要的作用。     

两类不同风灾个例超级单体特征对比分析

采用分钟级加密自动气象站观测资料,盐城、淮安和岳阳、荆州雷达探测数据,以及欧洲中期天气预报中心（ECMWF）高分辨率的ERA-Interim全球再分析数据,对比分析了2016年6月23日江苏阜宁龙卷灾害和2015年6月1日湖北监利下击暴流大风灾害的环境特征与超级单体的结构特征。结果表明:（1）两次强对流大风灾害发生在相似的低空环流背景下:风灾发生在低空急流出口区左侧的暖区内、850 hPa低涡中心东侧6—7个经距的位置;环境大气的对流有效位能大于2000 J/kg。但是风灾的类型不同,江苏阜宁大风灾害主要由超级单体龙卷造成,监利“东方之星”沉船事故主要是超级单体触发的下击暴流造成。短时强降水中心与风灾中心的相对位置不同:阜宁龙卷移动方向的左侧伴随着最强短时降水;湖北监利沉船事件发生期间,风灾中心与短时强降水中心基本重合。鉴于不同性质的对流大风位置与超级单体母体的中心位置对应关系上存在差异,通过比较地面观测的瞬时大风与瞬时强降水中心的相对位置将有助于区分强对流大风的性质。（2）环境风垂直切变强度对对流风暴结构、发展、维持有重要影响:阜宁龙卷发生时,其上空0—6 km风垂直切变达4×10-3 s-1,超级单体有明显的向前倾斜结构,形成有界弱回波区;而监利强对流沉船位置0—6 km风垂直切变只有2.3×10-3 s-1左右,风暴单体中的上升气流近乎于垂直。阜宁超级单体中气旋,首先出现在0—1.5 km风垂直切变和0—3 km风暴相对螺旋度带状大值区,在向抬升凝结高度更低的环境移动过程中,其底部不断下降,形成龙卷;而在监利沉船区,中低层风切变和风暴相对螺旋度相对要弱得多,对应风暴单体中的中气旋强度、持续性较弱,中气旋底部高度维持在1.6 km左右。（3）环境湿度垂直结构特征不同可能是风暴单体形成不同类型灾害大风的重要环境因子。监利下击暴流造成的风灾发生时,在地面气温迅速下降过程中,气压变化呈现快速跳升又快速下降的“尖锥”形,气压峰值比降水峰值提前4 min出现。它与对流层中高层环境大气中较为深厚的干空气卷入对流风暴中造成水物质强烈蒸发、冷却过程有关。而阜宁风灾过程中,环境大气中层仅存在非常浅薄的干层,加之低层较为深厚的饱和大气环境,对应的地面冷池效应相对较弱。      

新一代可移式天气雷达在人工影响天气中的应用研究

在总结“十五”国家科技攻关重大计划项目“人工增雨技术研究及示范”成果的基础上,利用我国可移式新一代天气雷达在青海省河南县和河南省许昌市进行秋(春)季降水系统中尺度结构外场试验观测的方法和技术,对这两个地区云和降水的若干特征进行了分析;另外,使用两步变分方法反演了风场结构,分析了层状云和对流云的中尺度回波强度和动力结构。结果表明:新一代天气雷达可为人工影响天气作业指挥和云物理研究提供更多信息,包括风场中尺度结构、辐合线位置等;青海省河南县及周边地区秋季降水以对流云降水为主,低空辐合是对流云旺盛发展的重要原因;河南省许昌市春季降水既含有对流云降水也含有层状云降水,对流云降水过程伴有低空辐合,层状云内风场比较均匀,但风的垂直切变明显,多为暖平流。