江淮流域一次特大暴雨的数值模拟及动力分析

以周晓平研制的有限区域细网格数值模式为基础，编制成一个套网格模式，并对１９９１年７月２～３日发生在江淮流域的特大暴雨过程，进行了数值模拟和动力分析。结果表明：低空急流加强，输送了大量暖湿空气并激发强烈的上升运动是造成该区暴雨的主要原因；在该过程中，热成风平衡遭到破坏，其非热成风平衡部分伴随相应的二级环流，也有利于垂直运动的产生。     

非热成风涡度平流和层结稳定度对梅雨暴雨发生发展的作用分析

暴雨发生发展直接的判断是看雨区上空的抽气式垂直环流是否发展和维持。理论分析和数值模拟的结果表明暴雨的发生发展与地转调整过程中产生的热成风不平衡加剧现象关系密切。加剧现象是在怎样的天气尺度背景条件下发生,对此,本文试从已存在降水的情况下(此时空气近饱和)分析实况存在的热成风不平衡的分布和层结不稳定水平分布入手,     

梅雨暴雨系统中的θse暖盖

本文利用一个10层中尺度湿模式，对长江流域的一次梅雨暴雨进行数值模拟。结果如下:1. 梅雨暴雨系统中有θse暖盖存在，并在降水过程中维持加强。它与美国中西部强风暴暴雨系统中的干暖盖不同，是湿暖盖。2．降水多发生在暖盖北侧或东北侧、θse水平梯度大的地区，该地区还处于850—700百帕层的位势不稳定中心和强上升区重叠处附近。3．暖盖的作用除了可抑制其下层（边界层）位势不稳定能量的随时释放外，还起到增强其上层（对流层中低层）位势不稳定度的作用，因而暖盖在暴雨过程中提供了有利于深厚积云对流发生发展的热力环境条件。4．从对热成风涡度方程的讨论可知，暴雨多出现在暖盖上层的位势不稳定中心区和强上升区附近，是由于该处的位势不稳定度及其水平分布不均匀性和上升速度及其水平分布不均匀性的互相耦合，造成热成风不平衡，引起抽气式垂直环流的发生发展，并引起重力惯性波的不稳定之故，所以暖盖还对大气不平衡状态的发展起促进作用。 5．由暖盖的个别变化方程可知，暖盖生成的决定性因子是地转热成风（Vg/p）对水汽的平流和热成风不平衡（v’/ p）引起的θse平流。因此雨区南侧低空偏南湿急流的存在对雨区暖盖的增强极为有利。     

一次暴雨过程与环境流场关系的数值模拟

本文用一个中尺度10层湿模式,对美国中西部一次暴雨过程进行了数值模拟. 通过分析每三小时的预报结果,对暴雨过程中非热成风的变化、高低空急流强度的演变以及它们与降水的关系作了初步探讨,并以湿地转调整观点初步解释了这些现象.最后计算了环境流场气流的三维轨迹. 分析结果表明: 1.垂直环流强度的变化是决定降水大小的关键.而影响垂直环流变化的物理过程是雨区上空的非热成风调整过程.正是这个调整过程维持和加强了雨区上空的上升运动,从而使暴雨维持和加强.高空急流、偏北风低空急流、垂直侧向环流及降水量的变化等,都是调整过程的表现或结果. 2.在整个暴雨过程中,调整变化未能达到热成风平衡,致使雨区及其北侧上空的正侧向环流始终存在.此外,在预报的第12小时后,调整的结果曾一度使垂直环流、降水和偏北风低空急流大大加强,这情况可用湿地转调整观点加以解释. 3.质点的三维轨迹表明,在天气尺度背景下,暴雨区上空迭加了一个中尺度流场,低空是辐合上升区,高空为辐散区.这从另一角度证实了暴雨过程中垂直环流的存在,与过去许多诊断分析的推断一致.     

双重套网格数值模式对一次暴雨系统模拟的比较试验

本文以自嵌套方式，将一个有限区域暴雨数值模式编制成单向和双向的套网格模式，同时又将这两个套网格模式分别与Ｔ４２Ｌ９模式进行了单向嵌套。形成了单向，双向两个双重套网格模式。运用这两个模式对１９９１年７月江淮流域的一次特大暴雨过程进行了数值试验。     

一次江淮暴雨过程中干空气侵入的诊断分析

利用中尺度数值模式MM5(V3)，对2003年7月4日20时至5日20时发生在江淮地区的一次梅雨锋暴雨过程进行模拟，并采用模式输出的具有较高分辨率和动力协调性的网格资料，就干空气侵入及其对暴雨过程的作用进行了诊断研冤。结果表明，此次暴雨过程中有明显的干空气侵入，且干空气侵入对暴雨过程产生重要作用：干空气侵入将对流层高层高位涡带入低层，促进了对流层低层气旋及对流运动的发展，继而引起降水的增强。     

非热成风平衡基流的对称不稳定

采用适合于中尺度研究的ｆ平面、非静力平衡、滤声波模式，运用解析方法研究了具有非热成风梯度存在的高空急流入口区右侧及低空急流入口区左侧的对称不稳定性问题。求出了扰动流函数解析表达式，从而定性地分析了由于非热成风梯度的存在，中尺度扰动波结构以及波振幅空间分布特征。所得理论结果可以解释在平行型高低空急流入口区间产生强暴雨的原因。     

低纬斜压两层模式大气半地转适应过程

利用斜压两层模式研究了赤道平面近似下的低纬热带大气适应过程。指出低纬斜压大气适应过程主要受重力惯性内波控制。通过重力惯性内波对初始非地转能量的频散,使纬向运动达到地转平衡,而经向维持非地转运动,正压模式下称为半地转平衡,斜压模式下称为半热成风平衡。通过对垂直运动方程的求解,可知,垂直运动只与重力惯性内波相联系,其产生与初始斜压位涡度无关,而只与初始时刻的垂直运动和垂直运动倾向有关,半地转适应使运动趋向水平运动。讨论了半热成风平衡的建立及其物理机制,指出由于重力惯性内波激发出垂直运动,与垂直运动相联系的水平辐合辐散调整流场和温度场之间的关系,使温压场最终达到半热成风平衡。通过对适应过程终态的分析,指出平均温度场和切变流场之间的适应方向决定于初始非半地转扰动的尺度与斜压Ｒｏｓｓｂｙ变形半径有关的特征尺度的比值,当比值大于１时,切变流场向平均温度场适应;当比值小于１时,平均温度场向切变流场适应     

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。     

切变风螺旋度和热成风螺旋度在东北冷涡暴雨中的应用

引入切变风螺旋度和热成风螺旋度, 并将其应用于东北冷涡暴雨的诊断分析。理论上, 切变风螺旋度定义为风速垂直切变与绝对涡度矢量的点积, 表示风速垂直方向的分布不均匀对涡管的扭转效应, 由扭转项和垂直涡度的辐合辐散项两部分组成。热成风螺旋度是在切变风螺旋度的基础上利用地转关系和热成风关系得出的简化形式, 其强度和符号取决于上升气流和暖湿空气的配置。相对于切变风螺旋度, 热成风螺旋度的计算只需要单平面层的资料即可, 避免了垂直差分计算, 这大大弥补了台站观测中垂直层密度稀疏或者边界层的处理等问题的不足, 使得计算大大简化, 便于业务应用。在以上定义和理论分析的基础上, 选取一次东北冷涡降水过程进行数值模拟, 利用模式输出的中尺度资料, 诊断分析这次降水过程中的切变风螺旋度和热成风螺旋度。分析表明, 降水中心位于切变风螺旋度的正值和负值区的边界, 与降水的强度变化一致; 而作了热成风近似后的切变风螺旋度中的扭转项 (即热成风螺旋度), 与切变风螺旋度相似, 也能较好地诊断降水和对流 (尤其是强降水和强对流) 的发展, 而且其对暴雨的诊断优于传统的螺旋度。     

高原上热力和动力不稳定与“6．15”洪灾成因探讨

对１９８６年６月１４～１５日发生在氓江上游地区的一次连续性区域暴雨天气过程，进行了热力和动力不稳定分析以及低空急流附近的热成风调整适应机制分析。在这次洪灾过程中，高分辨的热力不稳定能量分布对暴雨落区有较好的指示性；对称不稳定能量是这次持续性区域暴雨又一重要能量之一；低空急流附近的强地转偏差所引起的扰动与非热成风调整之间产生互相增长的正反馈过程，是这次暴雨持续的重要原因。     

平衡流形成的机制与锋生

利用最小能量原理讨论了非地转流经过调整后的平衡态的情况。对于两维模型来说，不平衡流通过调整获得的平衡终态依赖于初始不平衡场的分布特点。如果不平衡流的初始位涡是非均匀的，则其通过适应过程而达到的平衡状态不一定满足热成风关系；对于初始位涡是均匀的或为零的不平衡流来说，如果初始密度的水平变化不是非常显著，则运动最后可以达到热成风平衡状态，反之，最后的平衡态则不满足成风关系，对于这种情况，我们利用广义动量坐标系进行了详细讨论。     

暴雨过程中积云对流反馈作用的诊断研究

根据各收支方程讨论，概述了各研究者采用直接和间接的方法，计算得出长江流域梅雨期暴雨过程中各源汇的空间分布特征。虽然个例，地区和资料不同，其结果各有差异，易比较，但次网格尺度运动对不尺度环境场的反馈作用均非常显著，因而在设计暴雨预报的数值模式时，参数化方案是必不可少的。     

自适应网格技术在MM5中的应用研究

结合一次暴雨过程，将自适应网格技术应用于中尺度模式MM5中进行数值试验，同时对比自适应网格方案和固定网格方案的优劣，对模拟结果作了诊断分析。结果表明：对于此次降水过程，自适应网格模拟的效果取决于一些参数的选择。     

簡单斜压大气中热成风的建立和破坏(一)

本文第一部分利用两层模式討論了热成风的适应問題.如果起始非热成风流場的热成风涡度大于溫度場的热成风涡度时,促使上升运动加强,反之,促使下沉运动加强。对于250—750毫巴之間的斜压系統,适应的特征尺度L_0,是决定流場向溫度場調整,还是溫度場向流場調整的临界水平尺度。 第二部分根据溫度場和流場的平流作用,分析了非热成风产生的机制.并由热成风适应速率和破坏速率的对比,討論了准地轉运动和非地轉运动的形成。 最后,用热成风不断破坏和建立的观点和方法,分析了长波斜压不稳定发展的过程,并进一步揭示了它的物理本貭。     

簡单斜压大气中热成风的建立和破坏(二)

本文第一部分的分析只是近似地反映大气运动的一个方面——起始非热成风怎样达到热成风平衡的,在实际大气中,还存在另外一些因子,不断促使热成风破坏,并在热成风不断破坏和不断适应的基础上,形成了天气系统的变化和发展,自由大气中,造成热成风破坏的因子是多种多样的,例如非绝热加热,非线性平流作用,垂直方向的输送(例如     

2003年6月24～25日江南特大暴雨数值模拟和诊断分析

采用NCAR、NCEP和FSL／NOAA等共同研制的新一代细网格WRF中尺度数值模式，对2003年6月24～25日江南地区出现的一次特大暴雨过程进行了数值模拟，并利用模式输出的高分辨率动力协调资料进行了初步诊断分析。结果表明：WRF模式比较成功地再现了高低空环流形势的演变及暴雨带的分布特征；低层切变线上分布不均匀的辐合区，中低层正涡度区、高层负涡度区的配置有利于造成较强烈的中尺度上升运动；同时有很强的湿度锋区，大气处于不稳定状态。分析发现，沿850hPa切变线的局地风暴相对螺旋度与暴雨有很好的对应关系。     

一次切变线暴雨过程的诊断研究和数值试验

本文对1998年6月12～13日的一次长江中下游切变线暴雨过程进行了诊断研究并使用一个η坐标细网格暴雨数值模式对其作了数值试验。结果发现，与该暴雨过程相联系的β中尺度系统主要表现在低层的切变线及地面的β中尺度气旋，气旋的东移和发展引起长江中下游大范围强降水，在启动该场暴雨过程中，位势不稳定起了决定性的作用；深厚的β中尺度“涡柱”是该暴雨雨团的明显特征；地形对暴雨的强度和范围均有重要影响，该切变线强度对暴雨过程的降水量也有明显影响。     

暴雨过程中湿位涡的中尺度时空特征

本文用21层的η坐标细网格模式对1998年7月l9日～22日发生在武汉地区的一次持续性特大暴雨过程进行数值模拟，并利用较高时空分辨的模式输出结果对湿位涡进行了诊断、从而揭示暴雨过程中湿位涡的中尺度演变特征和空间结构。得到暴雨的发展与负湿位涡有很好的联系。     

河北省变网格数值预报系统设计和试验

设计了一种将原ＭＭ４模式的均匀网格变换成非均匀网格的方案,构造了一套适合河北省特点的变网格预报模式,同时建立了一套可投入业务使用的变网格数值预报系统,最后通过一次暴雨过程的模拟分析,证明变网格数值预报优于均匀网格数值预报