河南特强暴雨β中尺度流场发展机理的数值模拟研究

采用宇如聪等研制开发的η坐标有限区域中尺度暴雨数值预报模式AREM,对2004年7月16—17日发生在河南的一次特大暴雨过程进行了数值模拟。模拟结果表明:凝结潜热促使对流层中层大气在β中尺度水平范围的气柱内得到加热,中高层大气的等压面抬高并形成β中尺度高压,中低层大气的等压面降低并形成β中尺度低压,上下层的共同作用促进了垂直运动的迅速发展。当上升运动强烈发展时,在其四周有明显的补偿下沉气流出现:在强上升运动南侧,对流层高层辐散气流向南回流导致对流层高层出现中尺度垂直环流圈,它的下沉支融入上升运动区南侧的补偿下沉气流中,并将高空的水平动量带到对流层低层形成一支新的β中尺度急流;在强上升运动北侧,对流层低层发展出了一支中尺度垂直环流圈,其下沉支向南的辐散气流与低层西南暖湿气流汇合,形成β中尺度辐合线,加强了暴雨区上空低层的辐合;在强上升运动东侧,对流层低层也有一支中尺度垂直环流发展,其下沉支中向西的辐散气流使该区域原来较为一致的西南气流出现向东的偏转,从而在西南气流中形成气旋性弯曲,更进一步加强了β中尺度辐合线上的辐合。对流层低层非地转涡度的强烈发展是β中尺度气旋形成的重要原因。最后给出了强暴雨β中尺度流场发展机理的三维空间示意图。     

梅雨锋上三类暴雨特征的数值模拟比较研究

中国暴雨的地域性、时间性特征明显,尤其是暴雨多发区--长江流域,沿江不同地段暴雨成因各异.为综合研究长江不同地域暴雨特征和形成规律,利用我国新一代暴雨数值模式AREM对梅雨锋东端(116°E以东)初生气旋类暴雨、β中尺度深对流类暴雨和梅雨锋西端"北槽南涡"类暴雨的典型个例进行了数值模拟.通过诊断分析和比较研究,初步揭示了三类暴雨在结构和形成机制等方面的主要差异.结果表明:(1)梅雨锋上生成并发展的α中尺度气旋是造成梅雨锋东端初生气旋类暴雨的系统.强盛时,系统的垂直上升运动伸展不高,正涡度柱、辐合层以及最大加热和增湿均位于中低层.(2)β中尺度深对流类暴雨发生时梅雨锋区的南北温差很小.在低空辐合风场作用下,强位势不稳定能量的释放导致了β中尺度深对流系统的发生与发展.强盛时,系统的正涡度柱和上升运动柱贯穿对流层,深厚的辐合层达到了中层,最大加热出现在中高层.(3)"北槽南涡"类暴雨是在青藏高原大地形作用下高低空系统有利配置的结果."北槽南涡"的天气系统配置有利于低层辐合的加强和位势不稳定能量的释放,使低层涡旋向中高层强烈发展.强盛时,系统的正涡度柱贯穿对流层,积云对流发展强烈,最强上升运动和最大加热层都位于中层.     

2008年6月20—21日一次β中尺度切变线、低涡降水机制研究

利用WRF中尺度数值模式,模拟2008年6月20-21日江淮一次β中尺度切变线、低涡降水过程。分析发现：低层大尺度的0．5×10 -6m2·S-1·K·kg-1的大值位涡为切变线暴雨提供了背景场,在其南部边缘,低层的切变辐合及云水形成的非绝热加热,导致了正位涡的增长,使低层正涡度加大引起降水加强。低层的正位涡通过上升运动向上传递,导致了高层位涡正异常,高层位涡的正异常又可导致低层的气旋性涡度进一步加大并使降水加大;β中尺度低涡的生成与大别山地形关系不大,主要是由对流层高层正位涡异常引起,但是低涡的维持及降水与大别山的地形坡度密切相关,当地形平坦时,不利于低涡维持和降水加强,当具有大别山的地形坡度时,不论山脉的高低都有利于低涡维持和降水加强。     

2008年6月20-21日一次β中尺度切变线、低涡降水机制研究

利用ＷＲＦ中尺度数值模式,模拟2008年6月20-21日江淮一次β中尺度切变线、低涡降水过程。分析发现：低层大尺度的0.5×10－６ｍ２·ｓ－１·Ｋ·ｋｇ－１的大值位涡为切变线暴雨提供了背景场,在其南部边缘,低层的切变辐合及云水形成的非绝热加热,导致了正位涡的增长,使低层正涡度加大引起降水加强。低层的正位涡通过上升运动向上传递,导致了高层位涡正异常,高层位涡的正异常又可导致低层的气旋性涡度进一步加大并使降水加大;β中尺度低涡的生成与大别山地形关系不大,主要是由对流层高层正位涡异常引起,但是低涡的维持及降水与大别山的地形坡度密切相关,当地形平坦时,不利于低涡维持和降水加强,当具有大别山的地形坡度时,不论山脉的高低都有利于低涡维持和降水加强。     

西南地区东部一次大暴雨的中尺度数值模拟

利用中尺度数值模式MM5V3 5对2007年5月23-25日发生在贵州的一次大暴雨过程进行48 h的数值模拟研究,并结合天气形势、雷达回波和卫星云图演变对此次过程进行分析.结果表明:模式较成功地模拟了这次强降水过程,模拟出了暴雨的强度、位置以及随时间的变化.导致这次大暴雨发生的主要影响系统是中尺度低涡,它的稳定维持是暴雨产生的主要原因.中尺度系统的发展、增强、减弱,主要由低层的正涡度产生.高层辐散、低层辐合、强烈的垂直上升运动是大暴雨天气维持和发展的可能机制之一,强降水与强烈的上升运动区和正涡度区有很好的对应关系.     

登陆台风Matsa (麦莎) 中尺度扰动特征分析

地面中尺度自动站和多普勒雷达资料的分析都表明, 台风Matsa登陆后的低层螺旋云带中活跃着中尺度气旋性涡旋系统。本文使用新一代中尺度WRF模式对台风Matsa登陆后的变化特征进行了数值模拟, 使用四维变分多普勒雷达分析系统 (4D-VDRAS) 对台风Matsa多普勒雷达径向风进行了风场反演。在此基础上对台风Matsa登陆后中尺度扰动特性进行了初步探讨; 对台风Matsa与其螺旋云带的中尺度系统之间动能和涡度的相互转换进行了诊断分析。分析表明: (1) 数值模拟和雷达风场反演结果表明, 登陆台风Matsa的低层螺旋云带中活跃着中尺度气旋式涡旋系统, 与之相伴随的为较强的中尺度上升区, 而且, 中尺度垂直上升运动的强弱与雷达对流回波强度成正相关, 中尺度垂直上升运动越强, 雷达对流回波发展越旺盛。 (2) 台风Matsa与其中尺度系统动能转换的诊断分析说明, 低层中尺度系统从台风Matsa环流中获得动能而发展; Matsa在陆地上长久维持主要是从高层获得动能。 (3) 台风Matsa与其中尺度系统涡度转换的诊断分析说明, 低层中尺度系统向Matsa输送正涡度主要依靠中尺度垂直运动来完成; 高层正涡度的转换通过水平输送和垂直输送共同来完成。所以, 中尺度系统所产生的正涡度源源不断地向Matsa输送, 使Matsa的气旋性环流可以在陆地上长久维持。     

"99.8"山东特大暴雨形成机制的数值模拟分析

利用双重嵌套的非静力数值模式MM5V3,成功地模拟了1999年8月11~12日山东诸城发生的特大暴雨。利用模式输出的高时空分辨率资料,对这次暴雨天气及中尺度低涡的形成机制进行了诊断分析。结果表明,这次特大暴雨是在弱冷空气侵入台风低压环流,热带辐合带北伸的形势下形成的;倾斜涡度发展是特大暴雨及中尺度低涡产生、发展的重要机制,鲁东南有利的地形对中尺度低涡的形成具有重要作用;台风低压倒槽顶部的强辐合作用首先触发上升运动,产生强降水,强降水位于低层气旋性暖式切变最明显的地方;强降水释放的凝结潜热使高层气层增暖,高层辐散加强,引起低层中尺度低涡强烈发展,导致降水增幅。可见,CISK机制是特大暴雨和中尺度低涡加强的另一种机制。     

2015年6月1日江汉平原大暴雨过程诊断分析

应用常规观测资料、NCEP 1°×1°再分析资料及湖北省地基GPS数据对2015年6月1日江汉平原一次大暴雨过程进行诊断分析,结果表明:稳定强盛的水汽输送通道建立是大暴雨形成的基础,降水强度和范围则与水汽通量辐合中心和大气可降水量增量中心关系密切。强降水开始前对流层低层出现能量锋区,监利和洪湖地区位于暖平流控制下的高能舌中,气旋性环流显著。对流层低层正螺旋度的加强与气旋性暖式切变的增强相一致,高层强辐散、低层强辐合并配合正涡度,且整层均为强上升运动的形势为低层中尺度涡旋的新生和发展提供了有利的动力条件。在有利的环境条件下,暖切变线上发生发展的α中尺度低涡及地面暖低压倒槽中对应的β中尺度低压和涡旋最终导致了此次强降水过程。     

2009年6月8日贵州暴雨数值模拟及诊断分析

采用PSU/NCAR等共同研制的新一代细网格WRF中尺度数值模式,对2009年6月8日贵州南部地区的暴雨过程进行了数值模拟,并利用模式输出的高分辨率资料进行了初步诊断分析。模式较成功地模拟出了降水分布和变化特征。中-β尺度低涡的形成和发展是贵州西南及东南产生强降水的重要影响因素,低涡的时空演变特征与暴雨中心的移动和雨强的变化相一致。近地层西北偏北路径冷空气的补充为强天气提供了触发条件,而低层偏南风急流则提供了充沛的水汽。暴雨区上空低层正涡度、高层负涡度形成抽吸结构,暴雨中心区与强烈上升运动区吻合。     

一次低空急流加强下的暴雨过程成因分析

基于地面、高空常规气象观测资料及风廓线雷达资料和WRF模式资料,分析江西一次低空急流加强下暴雨过程的环境场及成因。结果表明:(1)暴雨发生在副热带高压(简称"副高")北抬、西南急流加强的天气背景下,此次暴雨是副高、西风带短波槽、中尺度辐合系统、低层切变、季风等多系统作用的结果。(2)低层增湿、增暖和对流层中层冷平流的侵入以及异常的各项热力不稳定指数,使江西北部成为高能、高湿、高不稳定区,并在江西东北部形成中尺度假相当位温θ_(se)能量锋区和露点锋区,而锋生正是此次暴雨过程原因之一。(3)低空急流加强一方面带来了充沛水汽,另一方面,中尺度辐合系统沿着急流发展形成中尺度能量、温度锋区,而对流性降水释放的凝结潜热反馈又促使中尺度对流系统进一步加强,利于强降水发生。1.5～3 km 16 m·s~(-1)以上急流可提前1～3 h指示西南风下风方向地区有强降水。(4)500 hPa正涡度平流的发展使得对流层中层气旋性涡度增加,导致正涡度柱发展,并与涡度柱北侧下沉运动构成次级环流。同时高位涡中心向下发展,有利于低层气旋性涡度加强、锋生加剧,促进上升运动,有利于暴雨维持。     

长江中游一次中β低涡暴雨的数值模拟分析

利用AREM中尺度暴雨数值模式对2002年7月22~23日发生在长江中游的一次强暴雨过程进行了数值模拟分析,结果表明,模式对此次强暴雨过程的雨带分布及雨团活动的模拟是比较成功的。通过对强暴雨过程中β尺度低压和气旋发展的数值模拟,认为西南低空急流的发展变化是造成这次过程的重要原因,急流中心轴线向北、向上的推进加强了其北侧的风速梯度和切变,从而使涡度场发生剧烈变化,强正涡度柱的发展和维持最终导致了中β尺度低压和气旋自下而上的发展,并沿着切变线东移。雨团的移动路径更接近中β尺度低压的移动路径。     

2012年庆阳市一次短时大暴雨的诊断

庆阳市2012年7月21日区域性大暴雨创造了环县1957年建站以来的历史极值,导致了人民财产的重大损失。本文利用常规资料、自动站等探测资料以及历史相似个例,对2012年7月21日庆阳市出现的区域性大暴雨天气进行分析。结果表明：（1）高空低槽伴随地面冷锋东移,受西太平洋副热带高压的阻挡移动缓慢,副高、大陆高压不断加强,造成贝加尔湖冷空气在两高之间大量堆积,为这场大暴雨发生奠定了基础;（2）2012年第8号台风“韦森特”登陆前,台风低压和副热带高压之间形成的强气压梯度导致通向庆阳市的南风低空急流建立并加强,为此次大暴雨的发生提供了充分的水汽条件;（3）在高空槽前正涡度平流的作用下,对流层中低层出现明显的辐合,产生强烈上升运动,低层暖湿气流抬升促使对流不稳定能量爆发,从而形成局地强对流和暴雨;（4）导致庆阳区域性大暴雨的中尺度对流系统起源于河套地区低层涡旋的发展,在中尺度涡旋向东北和向东扩展过程中,尺度明显增大,整个系统低层具有明显的气旋性切变和气旋性涡度,在有利的环境条件下整个中尺度对流系统的东移和发展壮大,最终导致庆阳市区域性大暴雨的发生。     

南宁城区"7.18"灾害性强降水分析

对发生在南宁市区由台风低压"碧利斯"引发的灾害性强降水过程进行了分析.结果表明,500hPa强大的大陆高压和西太平洋副高使台风低压稳定少动,西南季风为台风低压附近提供了充足的水汽条件;高空槽前的正涡度平流和低层辐合切变线的动力抬升作用导致中β尺度低压的生成和发展.低层对流不稳定,中低层有强烈的垂直上升运动,促使低层水汽、能量向上混合输送,充足的水汽条件和强烈的辐合上升运动使得大气层结不稳定能量释放,促使中尺度系统的不断发展,南宁市区在短时间内出现强降水,导致城市出现洪涝灾害.     

青藏高原东侧一次β中尺度对流系统的数值模拟

利用PSU／NCAR的高分辨率中尺度非静力数值模式MM5，模拟了2001年9月18日发生在青藏高原东侧的绵阳大暴雨过程。结果表明，高分辨率数值模式对触发本次降水过程的β中尺度对流系统具有较好的模拟能力。高分辨率模拟输出显示“9．18”绵阳大暴雨与边界层内一个中尺度辐合扰动的发展和移动相伴，且中尺度辐合扰动还诱发了一个时间尺度约为6h的β中尺度涡旋和强烈发展的降水雨团。模拟还显示受高原地形影响，该β中尺度对流系统具有独特的动力和热力结构。其动力特征是强上升运动和超强散度柱与对流层低层强涡度互耦发展，热力特征是对流层低层具有对流不稳定能量，中层具有斜压不稳定能量。中尺度对流系统具有两支上升人流和两支下沉出流，低层人流(东南气流)触发低层对流不稳定能量释放，中层人流(高原近地层偏西暖湿气流)触发中层大气斜压不稳定能量释放，两种不稳定能量共同作用促使对流雨团强烈发展，形成绵阳大暴雨。     

“98.7”暴雨β中尺度低涡生成发展结构演变:双向四重嵌套网格模拟

用非静力中尺度模式MM5.V3全物理湿过程和双向四重嵌套网格技术及四维资料同化分析张弛方法,对1998年7月20～22日(简称"98.7")鄂东武汉沿江地区特大暴雨进行了36 h数值模拟,结果大大改进了原二重和三重嵌套网格的模拟,特别是水平分辨率为2 km的嵌套子域D04能更正确地模拟出暴雨的落区及雨强中心,进而揭示了强暴雨β中尺度系统发生和发展的结构及演变. 其主要结果包括(1)β中尺度切变线在鄂东沿江低空强烈发展及辐合中心的出现与其β中尺度低涡的形成和发展直接关联.(2)β中尺度切变线强烈发展的垂直结构强辐合层和强辐散层复式迭置并与强上升运动耦合发展;强涡度层和强位涡度层与强辐合层互伴发展;低空湿位温中心与中空饱和水汽带共存.(3)β中尺度低涡生成的垂直结构散度和上升运动均呈双支柱状发展;涡度和位涡度均呈单支柱状发展;高湿能柱呈双支耦合发展,水汽通道呈阶梯斜升状.(4)β中尺度低涡发展的垂直结构V字型散度柱和上升运动柱互耦发展;涡度和位涡度呈双支柱状;双支高湿能柱强烈发展,阶梯斜升水汽通道变宽增厚.至此低涡发展达最强,其结构具有典型性.模拟结果还指出,发展时空分辨率更高的多重嵌套网格模拟技术和应用四维资料同化方法,将有助于更细致的了解β中尺度强对流系统发生和发展的结构及其演变,并能进一步提高对暴雨落区及雨强的预报水平.     

一次诱发山地灾害突发性暴雨数值模拟及诊断分析

应用MM5V3.5中尺度非静力数值模式对2003年7月14～15日发生在陕西省一次区域性暴雨过程进行数值模拟和诊断分析,结果发现,西太平洋副热带高压西侧的暖湿气流和新疆冷空气是这次暴雨的主要影响系统,充沛的水汽输送、能量的积聚和强烈的上升运动为暴雨的发生提供了充分的条件,700hPa低涡、切变线是暴雨形成的触发机制.模拟结果表明：涡度场和散度场及垂直上升运动互耦;特强辐合辐散柱的出现早于强涡度柱,而深厚的强气旋性涡柱则几乎与暴雨最强盛时期同时出现.     

一次梅雨期暴雨的中尺度数值模拟分析

利用常规气象资料、AREM模式输出资料,对发生在2005年梅雨期湖北的一次暴雨过程进行了中尺度数值模拟分析。分析结果表明,强降水发生时,在对应的中尺度对流系统中存在两个分别位于300hPa和600hPa附近的强上升运动中心,低层辐合、高层辐散的单模态分布是上升运动得以维持的重要条件;环境风场并不能控制中尺度对流系统的移动方向,中尺度对流系统向低层涡度增加的地方移动;强降水形成可概括为低层切变线东移诱发地面低压发展、引起垂直上升运动迅速增加、触发低层水汽的垂直输送和高不稳定能量强烈释放等过程。     

贵州大暴雨个例形成机制数值模拟

利用3层嵌套的中尺度数值模式MM5 V3.5,模拟了2007年6月24～25日发生在贵州中南部的一次大暴雨过程.利用模式输出的高分辨率资料,对这次暴雨天气及中尺度低涡的形成机制进行了诊断分析.模式较成功地模拟出了中尺度系统的演变和降水的分布特征.中尺度低涡的发展、稳定维持是造成贵州这次大暴雨天气的直接原因.暴雨、大暴雨出现在低涡的西南侧.在低层正涡度、辐合、强烈的上升运动和高层负涡度、辐散的有利配置下,形成深厚的上升运动柱,这种中尺度动力配置结构,不仅与暴雨区和暴雨发生时段相对应,而且是引起此次暴雨的中尺度低涡发展和持续的动力机制之一.暴雨区与强烈上升运动区,正涡度区相对应.     

西北涡与西南涡共同作用引发秦巴区域大暴雨的成因分析

利用常规观测资料、 ERA-5再分析数据、 FY-4A卫星资料,对2021年9月3-4日一次西北涡与西南涡共同作用引发的秦巴区域大暴雨过程进行了研究,探讨了两涡作用导致大暴雨的中尺度环境场特征,并对西南涡的形成过程进行诊断分析。结果表明：秦巴区域的大暴雨是在西北涡与西南涡共同作用下由中尺度对流复合体（Mesoscal Convective Complex, MCC）引起的,强降水位于MCC云顶亮温冷中心及后部偏冷空气一侧的亮温梯度大值区。西南涡生成前,西北涡后部的偏北气流与西南气流形成了中尺度切变线,在秦巴区域触发对流不稳定而激发出中尺度对流云团而产生降水;西南涡生成后与西北涡共同作用,使秦巴区域水汽的输送加强,对流层低层形成强烈辐合,正涡度和垂直上升运动加强,使MCC强烈发展并具有较长生命史,同时伴随β和γ中尺度的对流云团发展,加强了该区域的强降水,从而造成大暴雨。该过程中西南涡是由500 hPa低涡产生的正涡度和高位涡向下传递强迫,使西北涡后部偏北风与西南气流气旋性运动加强从而形成涡旋环流,西南涡与500 hPa低涡的垂直耦合使其发展为强大的涡旋系统,从而加强水汽的辐合上升运动以加...     

青藏高原东侧一次β中尺度对流系统的数值模拟

利用PSU/NCAR的高分辨率中尺度非静力数值模式MM5,模拟了2001年9月18日发生在青藏高原东侧的绵阳大暴雨过程.结果表明,高分辨率数值模式对触发本次降水过程的β中尺度对流系统具有较好的模拟能力.高分辨率模拟输出显示"9.18"绵阳大暴雨与边界层内一个中尺度辐合扰动的发展和移动相伴,且中尺度辐合扰动还诱发了一个时间尺度约为6 h的β中尺度涡旋和强烈发展的降水雨团.模拟还显示受高原地形影响,该β中尺度对流系统具有独特的动力和热力结构.其动力特征是强上升运动和超强散度柱与对流层低层强涡度互耦发展,热力特征是对流层低层具有对流不稳定能量,中层具有斜压不稳定能量.中尺度对流系统具有两支上升入流和两支下沉出流,低层入流(东南气流)触发低层对流不稳定能量释放,中层入流(高原近地层偏西暖湿气流)触发中层大气斜压不稳定能量释放,两种不稳定能量共同作用促使对流雨团强烈发展,形成绵阳大暴雨.