渤海湾地区一次碰撞型海风锋天气过程的数值模拟分析

利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式对渤海湾地区2009年9月26日一次碰撞型海风锋天气过程进行了数值模拟分析,模拟结果较好地重现了这次天气过程以及海风锋的结构和特征。结果显示,海风锋锋后是较为深厚的对流不稳定能量和水汽高值区,锋后水汽高值区的形成源于海风的堆积和往高空输送,而锋后对流不稳定能量的产生归因于抬升凝结高度和自由对流高度的降低以及平衡高度的升高,这些高度变化则源于冷湿海风给低层大气带来的降温和增湿,其中给低层大气带来的增湿是主要影响因子。对流系统与海风锋相向碰撞时,对流系统容易进入海风锋锋后触发强对流不稳定能量形成强对流运动,同时弱对流抑制为对流运动的触发提供了有利的条件,强对流运动把海风锋锋后充沛的水汽往上输送,从而造成强降水天气。另外,对流系统与海风锋碰撞后沿着海风锋锋后移动可能更有利于对流运动的发展和维持。     

天津城市热岛效应对海风(锋)环流影响的数值模拟试验

利用中尺度数值天气模式TJ-WRF,通过对发生在天津城区的局地雷暴天气个例进行模拟,重点通过改变模式中下垫面土地利用类型进行敏感性模拟试验,研究天津城市热岛对海风(锋)环流强度及移动速度等的影响。结果表明:不同土地利用类型城市下垫面造成的城市热岛效应不同,当城市周边郊区下垫面土地类型改为城市建筑用地时,城市热岛效应更加明显且影响范围明显扩大;当城市下垫面改为旱作农地和牧场时,天津城区附近没有出现城市热岛效应。当海风(锋)环流向城区方向移动还未到城区附近时,城市热岛对其有明显加强和加速作用,城市热岛效应越明显其对海风(锋)环流的加强和加速作用越明显,海风(锋)环流移动加快的速度比没有城市热岛时快9.3km·h~(-1)。当海风(锋)环流移动到城区附近时与城市热岛环流相遇,海风(锋)环流受到城市热岛环流阻挡其移速又迅速减慢,其后侧气流南、北分支绕流和向上爬升现象变得明显,两环流相遇叠加后辐合上升运动也明显加强;城市热岛效应越明显其对海风(锋)环流的阻挡作用越明显,海风(锋)环流的移动速度减慢得越多,两环流相遇叠加后的辐合上升运动就越强。另外在向城区移动过程中,海风(锋)环流会使其经过地区低层空气增湿降温,但其后侧湿空气层厚度会因城市热岛效应的存在而明显减小;城市热岛效应越明显,海风(锋)环流后侧湿空气层厚度减小得越明显。     

江苏近海岸夏季两类海风锋特征及其对强对流的激发

利用观测资料、ECMWF Era-interim资料、江苏风塔资料、降水融合资料等,对江苏沿海区域夏季海风锋进行统计与诊断分析,并对海风锋激发强对流过程进行数值模拟。结果显示,海风锋主要显现在较稳定的高压系统边缘地带,可分为两类:Ⅰ类为海上西伸副高控制下的海风锋;Ⅱ类为大陆高压入海环流下的海风锋,Ⅱ类海风锋环流具有更多局地系统,常有强对流天气伴随。海风锋垂直剖面要素结构显示,来自海上的低层偏东风u分量构成海风锋前缘,影响锋面垂直抬升运动位置及强度。锋面附近二级环流,影响海风锋系统的环境不稳定性。海风锋在近海岸地区相遇内陆对流系统时,沿岸风塔资料在风的时序上出现突然的风向转变和迅速的风速增大。同时区域对流有效位能CAPE(convective available potential energy)的高值区显著增强。配合水汽通量辐合中心,构成有利于强对流系统激发及加强的环境条件。数值模拟显示,CAPE的水平分布指示了内陆强对流系统与海风锋的相对移动,CAPE的垂直分布显示海风锋激发强对流时能量增强与释放,强中心在2 h内迅速减弱。     

2003年8月“巴蜀夜雨”过程的模拟和分析研究

结合中尺度数值预报模式AREM的数值试验和观测资料分析,对2003年8月川西地区的9次夜雨过程进行了模拟研究和综合分析.结果表明,在一定环流背景下,川西地区特殊地形引起的沿坡地的辐合上升运动和下垫面提供给低层大气的热通量所导致的大气层结不稳定,对川西夜雨的形成和发展有重要影响.白天,随着陆-气通量交换的增加,低层大气的温度和湿度逐步升高,并在午后达到极值.与此同时,低层偏南暖湿气流在盆地西部由于气旋性弯曲而形成的东北风在午后逐渐加强,这支气流在盆地西部被地形阻挡,产生爬升运动.辐合上升将低层高温高湿的大气向上输送,使得大气不稳定层结的厚度以及强度都增加;日落以后,低层大气的相对湿度随着气温的降低而增大,容易饱和而形成凝结,同时大气中积累了相当可观的对流有效位能,低层辐合抬升等因素容易触发不稳定能量释放,造成对流性夜雨天气.强烈的对流辐合运动需要周围大气的入流补偿,促使偏东风气流增强且向高空伸展,这令辐合抬升作用进一步增强.     

城市效应对登陆热带气旋妮妲降水影响的模拟

运用中尺度数值模式WRF耦合城市冠层模式（urban canopy model,UCM）,对2016年登陆深圳的热带气旋妮妲（1604）（以下简称妮妲）进行数值模拟。高分辨率数值模拟较好地再现了妮妲登陆前后的强度、路径和累积降水。利用城市化过程当中城市冠层对热带气旋降水的敏感性试验结果表明:城市冠层会减弱对流运动和水汽的输送,导致热带气旋登陆后珠江口城市群区域累积降水量略减少。应用最新的土地利用资料进行的城市下垫面敏感性试验结果表明:由于城市下垫面粗糙度增加,造成登陆地面风的减速,强度减弱,潜热通量与2 m高度比湿相应减小;城市下垫面粗糙度增加会加强该区域垂直对流运动以及不稳定能量增加,有利于降水增强,尤其在城市化下垫面处,热带气旋登陆后6 h累积降水增加量最大可超过20 mm。总体而言,对登陆热带气旋降水而言,耦合城市冠层使城市区域热带气旋降水减少,但在数值模拟中城市冠层影响作用不显著。城市化下垫面对登陆热带气旋暴雨的增幅作用明显,在登陆热带气旋降水预报中应重视。     

南京地区城市下垫面特征对雷暴过程影响的数值模拟

本文选取2011年7月23日发生在南京的一次雷暴个例, 利用中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecasting model),耦合Noah/UCM,并采用NCEP FNL 1°×1°每日4次的全球分析场资料作为初始场及南京自动站观测数据等,对南京地区城市下垫面特征对雷暴过程的影响进行了数值模拟。结果表明:模拟的雷暴发生发展过程与该地区城市下垫面有着密切的联系。首先,雷暴发生前期,南京地区热岛效应明显。其次,城市上空的感热通量较高,结合城郊下垫面热力差异造成的城市热岛环流,加强了城区的辐合上升,为雷暴的形成提供了重要的抬升作用。城市下垫面扩张,使其上空边界层高度相应提升,垂直混合高度增加,有助于对流云的发展。此外,城市下垫面加强了大气低层的扰动位温,为雷暴提供了不稳定的层结条件。最后,城市地表较大的粗糙度使雷暴降水在城区低层的迎风面一侧明显增强。     

城市化对北京单次极端高温过程影响的数值模拟研究

城市化对高温热浪的频次和强度具有重要影响,但目前对于城市化影响高温热浪过程的机理了解还不充分。本文利用WRF模式,对2010年7月2～6日（北京时）北京一次高温过程进行了模拟,分析了城市化对此次高温过程的影响机理。采用优化后的WRF模式,能够模拟出北京连续5日高温的特征和城市热岛强度的变化。城市下垫面的不透水性决定了城区2 m高度处相对湿度低于乡村,削弱了城区通过潜热调节城市气温的能力。日落后,城市感热通量下降缓慢,城区降温速率小于乡村,夜间边界层稳定、高度低,风速小,抑制了城乡之间能量的传输,形成了夜间强的城市热岛强度,造成夜间城市气温明显高于乡村。日出后城乡地面感热通量、潜热通量迅速上升,边界层稳定性下降。午后,城市下垫面分别为地表感热通量和潜热通量的高、低值中心,通过潜热调节气温的能力被削弱;边界层稳定性降低,有利于能量的垂直扩散;此时,城市热岛强度小于夜间。因此,北京城市下垫面形成了明显的城市热岛效应,加重了城区极端高温事件的强度。此外,在这次高温热浪期间,中国东部大部分地区受到大陆暖高压控制,晴空少云,西北气流越山后形成焚风效应,是北京地区高温热浪形成的天气背景。     

宁波地区海-陆下垫面差异对雷暴过程影响的数值模拟

利用耦合Noah陆面过程的WRF模式对2009年6月5日傍晚发生在宁波地区的一次雷暴过程进行数值模拟,通过改变下垫面覆盖类型的敏感性试验,探讨了海洋和陆地下垫面对雷暴过程的影响。结果表明,WRF模式能够较合理地模拟出雷暴的发生、发展过程。雷暴发生前期,由于海-陆强烈的热力差异,海风特征明显,海风引起的抬升运动触发了雷暴,海风形成的强辐合区对应雷暴过程累积降水量的大值区。当研究区域全部被替换成陆地后,地表的粗糙度增大,在研究区域东部由于摩擦辐合加强,产生了强烈的上升运动,多个发展旺盛的对流单体在上升运动区生成,使雷暴产生的降水区域东扩、降水量增大、雷暴维持时间延长。当研究区域所有陆地被替换成水体后,白天地表通量减小,大气边界层中湍流运动减弱,边界层高度降低,大气层结变得稳定,不利于对流发展。     

嘉峪关不同下垫面小气候特征及其人体舒适度对比分析

本文通过分析嘉峪关不同下垫面的温度、湿度、风速等要素在不同季节细微差异,分析归纳了以戈壁,湿地,城市工业,园林绿地为代表的下垫面对小气候的影响贡献;并且以人体舒适度为指标,探讨分析园林绿地对宜居城市建设的贡献。结果表明:4种下垫面的气象要素在春季、夏季有显著或极显著差异,而秋季、冬季差异不显著;园林绿化区具有很好的降温、保湿、风屏等效应,对城市生态影响显著;四个区域平均舒适度,呈现湿地保护区>园林绿化区>城市热岛区>戈壁荒漠区的形势,园林绿化区舒适程度在5-9月明显大于其他下垫面;园林绿化区的降温、增湿效应能够有效缓解城市热岛,对改善城市热环境有着重要的作用和意义。     

城市下垫面对河谷城市兰州冬季热岛效应及边界层结构的影响

利用中尺度数值模式WRF耦合单层城市冠层模块UCM,引入2005年MODIS土地利用类型资料,在对2005年1月25—28日兰州市热岛现象进行高分辨率数值模拟的基础上,设计了去除城市下垫面敏感性试验,探讨了城市下垫面对城市边界层的影响程度。结果表明,城市下垫面能使近地层大气温度升高而风速减小,并且,在夜间表现更明显。由城市热岛强度日变化分析可知,城市下垫面对兰州市热岛强度的贡献率为44%。夜间,城市上空200 m以下的近地层大气保持了白天的混合层特征,热岛环流的上升运动促进了山风环流,使得上升气流到达地面以上600 m左右;白天,由于山峰加热效应,城市上空400—600 m存在一个脱地逆温层,城市热岛环流使得11—15时（北京时）市区近地层出现弱上升气流,抑制了谷风环流的形成及发展。城市下垫面的低反照率特性和建筑物的多次反射作用导致城市下垫面的净辐射通量大于非城市下垫面;城市下垫面由于建筑材料的不透水性,导致潜热通量远小于感热通量,而储热项所占比重明显增大。     

Numerical study of the evolution of a sea-breeze front under two environmental flows

The evolution of a sea-breeze front(SBF)in parallel and offshore environmental flows was investigated by using high-resolution simulations of two SBF cases from the Bohai Bay region,China.The results show that the combination of a distinct vertical wind shear caused by the sea-breeze circulation with a neutral or slightly stable atmospheric stratification associated with the thermal inner boundary layer promoted the occurrence and maintenance of a Kelvin-Helmholtz billow(KHB).In a parallel environmental flow,the SBF evolved into a few connected segments because of the inhomogeneity of the sea-breeze direction and intensity as it penetrated inland.A significant upward vertical motion occurred at the two ends of the SBF segment owing to the sea-breeze convergence and was accelerated by the KHB.The KHB made a notable contribution to the intensity at the ends of the segment,whereas the intensity at the middle segment was primarily attributed to the convergence between the sea breeze and the parallel flow.In the offshore environmental flow,the clockwise rotation of the offshore flow varying with time increased the downstream convergence of the interface between the sea breeze and the offshore flow and pushed the downstream convergence zone to an orientation consistent with the offshore flow.The air parcels ascending from the downstream part of the SBF were continuously lifted by the downstream convergence zone during their advection,leading to a significant downstream development of the SBF.The significant upward vertical motion caused by the sea-breeze convergence behind the upstream end of the SBF was shifted to the upstream end of the SBF by the KHB,which enhanced the intensity of the upstream end of the SBF.     

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。     

“4·11”海南致灾雷暴大风环境场与多普勒雷达回波特征分析

利用海口多普勒雷达、海南省区域加密自动站和常规资料对2016年4月11日凌晨发生在海南岛北部近海和陆地的大范围雷暴大风过程进行天气学分析。结果表明:（1）这次雷暴大风过程发生在500 hPa槽前、低空急流左前侧、低层切变线南侧、高空急流分流区下方和地面静止锋南侧的有利于对流发展的较大范围上升气流区域内;（2）对流风暴移动路径上的大气环境具有中等程度的条件不稳定、对流有效位能CAPE以及上干冷下暖湿的温-湿廓线垂直结构、强的深层垂直风切变,对流风暴形成后最终组织发展产生雷暴大风、大冰雹和短时强降水的多单体带状回波和弓形回波;（3）在多单体带状回波中镶嵌的风暴A和B各自发展成为具有中层径向辐合特征的超级单体,风暴B和C合并形成弓形回波,其中风暴C的中气旋加强成为弓形回波北部的气旋式中尺度涡旋;（4）阵风锋对对流风暴的正反馈作用、对流风暴前侧强劲的暖湿入流与风暴后侧径向风速相当的冷池出流,长时间倾斜依存的自组织结构及其与强的低层环境风垂直切变的相互作用,是多单体风暴和弓形回波长时间维持和加强的主要原因;（5）地面原来存在的β中尺度辐合切变线,对流风暴主体回波沿着海南岛北部近海东移等因素,有利于多单体带状回波和弓形回波的长时间维持。      

盛夏杭州湾一次海风锋触发雷暴的数值模拟分析

利用常规气象观测资料、多普勒气象雷达资料、浙江省自动站加密资料、NCEP/FNL再分析资料,结合高分辨率中尺度数值模式WRF对杭州湾地区2016年7月28日一次海风锋触发雷暴天气的发生、发展演变特征进行数值模拟。结果表明:1)海风锋是此次强雷暴天气过程的主要触发系统。2)中尺度模式WRF较好地模拟出此次雷暴过程的降水和低层风场、温度场分布以及海风锋水平垂直结构。3)海风锋对局地比湿及涡度特征的加强有明显的促进作用,为雷暴的发生发展提供有利的水汽和动力条件。4)分析对流参数演变曲线的突变位置,对雷暴发生的时间有一定的指示和预报意义,杭州湾南侧单纯的海风锋也可以触发雷暴的发生发展。     

一次冷锋过境后的海风三维结构数值模拟

为研究大尺度系统风对海风的影响以及海风三维结构特征,利用山东省123个地面自动站资料、青岛地区三十多个内陆及沿海、海岛观测站以及奥帆赛场3个浮标站资料,对2006年8月21日青岛一次海风个例进行了分析,并利用美国俄克拉荷马大学风暴分析预测中心开发的ARPS(the Advanced Regional Prediction System)模式,对海风过程进行了数值模拟研究。结果发现:在较强的离岸风背景下,当内陆气温高于海面气温2℃左右时,海风也可以发生。海风首先在海岸线附近的海上开始,发展的同时向内陆及远海地区推进。海风低层环流很浅,主要位于500 m以下。在较强的偏北离岸风下,海风向内陆推进的距离很短。偏北的大尺度系统风由于渤海冷下垫面的影响,不利于青岛海风的维持。海风开始时,在1500～2500 m高度处同时有反环流出现,但直到傍晚前后,海风的垂直环流圈才发展得比较清晰,其高度也更接近地面。海风消亡后,高层的垂直环流圈及反环流维持3 h左右才逐渐消亡。     

复杂地形下雷暴增强过程的个例研究

本文基于多普勒雷达变分同化分析系统（VDRAS）反演的对流层低层热力和动力场,并结合多种稠密观测资料,对北京地区2009年7月22日一次弱天气尺度强迫下雷暴在山区和平原增强的机理进行了较深入的分析。研究结果表明：雷暴过程受大尺度天气系统影响不明显,对流前期地面弱冷锋,是此次雷暴新生的触发机制,高层冷平流、低层偏南暖湿气流的稳定维持和对流不稳定能量的聚集是本次雷暴增强的必要条件。雷暴从河北北部移进北京西北山区后,在下山和到达平原地区时,经历了两次明显的发展增强阶段。雷暴第一阶段下山增强,地形强迫起着主要作用,具体表现在三个方面：（1）地形斜坡使得雷暴冷池出流下山加速与稳定维持的偏南气流形成了强的辐合区;（2）地形抬升使得偏南暖湿入流强烈地上升,从而加剧了对流的发展;（3）地形抬高了冷池出流高度,使得出流与近地面偏南气流构成随高度顺转的低层垂直风切变,低层暖空气之上有冷平流叠加,使得雷暴前方的动力和热力不稳定增强。雷暴第二阶段在平原地区再次增强的主要原因是：组织完好的雷暴到达平原地区后,其冷池与低层暖舌在城区（朝阳地区）的对峙,产生了强的扰动温度梯度;强的冷池出流与势力相当的偏南暖湿气流相互作用产生了强的辐合上升气流,并与下沉气流在较长时间内共存;冷池出流形成的负涡度与低层切变产生的正涡度达到近似平衡状态。运用RKW理论,三者导致雷暴前方低层的辐合抬升最强,最有利于雷暴的维持发展。     

阵风锋、海风锋和冷锋等触发局地强对流风暴实例分析

利用CINRAD/SA雷达探测资料,结合地面实况和探空资料,对7次典型中尺度辐合线触发强对流风暴的特征进行了分析。结果表明：阵风锋、海风锋和冷锋等边界层辐合线在一定条件下雷达低层反射率因子产品上表现为清晰的窄带回波,某些辐合线在反射率因子产品上不能得到任何有用信息,但在低层径向速度上可识别出线性径向速度辐合;识别出窄带回波或清晰的径向辐合线约1 h后,是雷暴首次触发的主要时间段;对于干型强对流风暴产生的阵风锋,其右侧往往是雷暴触发的主要区域,导致风暴右向传播;湿型强对流风暴产生的阵风锋,激发雷暴的方向与雷暴平均移动方向基本相反,导致风暴呈后向传播特征;海风锋向内陆推进速度快的区域是雷暴触发的主要区域,后继雷暴具有两侧传播特征;单纯的线性低层径向速度辐合在合适的环境条件下触发强对流,主要特征是对流风暴移动缓慢,可造成局地灾害性强降雨天气。     

多云天气下海南岛海风环流结构的数值模拟

利用WRF-Noah耦合中尺度模式对海南岛2012年7月5日的多云海风个例进行三维高分辨率数值模拟,重点分析多云天气条件下复杂地形区域的海风环流结构及其演变特征。通过观测资料与模拟结果的对比发现,WRF模式能够合理地模拟出岛屿四周的海风演变特征。与少云海风日相似,多云海风日中全岛海风于12时开始形成,15时海风发展最为强盛,影响范围最广,18时全岛海风的辐合程度最强,海风辐合区是主要的潜在降水区域。对比山区与平坦地区的海风环流发现,山区海风环流强盛期为13—18时,而平坦地区海风环流强盛期为15—18时。复杂的山地对海风环流结构有直接和间接的影响:一方面在山地地形动力阻挡和抬升作用下,海风环流变得更加清晰完整,间接延长了海风环流的维持时间;另一方面局地地形热力作用形成的谷风环流与海风几乎同时产生和消亡,两者汇合后,谷风的瞬间加强会引起海风锋锋消,瞬间减弱会引起海风锋锋生;两者同相叠加会使得海风环流结构更加完整。相比之下,平坦地区的海风受到的地形动力和热力作用小,海风水平分布比较规则,海风环流垂直结构的变化主要取决于不同方向海风之间的相互作用。     

太湖地区湖陆风对雷暴过程影响的数值模拟

利用耦合了NOAH陆面模式的WRF中尺度数值模式,对2010年8月18日发生在太湖地区的一次强雷暴过程进行数值模拟,并将模拟结果与实况进行对比。结果表明:模式能较合理地模拟出雷暴演变过程及近地面要素变化。此次雷暴天气过程发生在湖风发展强盛时期,雷暴沿东岸湖风与背景风形成的辐合线发展。通过两个敏感性试验,研究了太湖地区湖陆风对雷暴过程的影响。湖风锋对雷暴过程起触发和增强作用,湖风锋的阻挡和抬升作用导致此次雷暴的产生。在湖风锋前缘形成的初始对流进一步发展加强为雷暴,发展成熟的雷暴低层出流又与湖风作用形成新的雷暴,湖风的辐合为对流云的发展提供水汽和能量。在雷暴的形成发展过程中,感热通量输送可改变大气边界层结构,使低层不稳定能量较易释放,潜热释放加强上升和下沉气流,使边界层湿度增大,对流进一步发展增强。