梅雨锋上两类中尺度对流系统形成的边界层特征

采用具有较高时空分辨率的地面观测资料以及WRF（Weather reasearch and forecasting）模式输出资料,分析了2009年6月29一-30日梅雨锋暴雨过程中两类不同的中尺度对流系统（rnesoscale convective system,MCS）边界层特征及边界层对两类MCS的触发维持机理,重点分析了海平面气压场特征、边界层冷池、干线及其在MCS中的影响。结果表明：两类中尺度对流系统的海平面气压特征存在着明显的差异,对流爆发阶段地面风场存在辐合线,再次激发阶段气压场呈“跷跷板”型的中尺度扰动,即由前置中低压和后置中高压组成,最强的对流带位于中低压和中高压之间的过渡区内;边界层辐合线是第一类中尺度对流系统（MCSl）维持的重要因素;MCSl爆发后边界层冷池生成,冷池前的冷出流与低层环境风产生的强辐合触发了第二类中尺度对流系统（MCS2）;存在于中低压和中高压之间的中尺度干线是MCS2的重要特点之一。     

0505号“海棠”台风暴雨数值模拟试验和分析

利用中尺度数值模式WRFv2.2较好的模拟结果, 并结合NCEP再分析资料、 地面自动站降水资料以及实况雷达回波资料对台风 “海棠” 造成的浙闽地区特大暴雨进行分析。研究发现, 这次暴雨属于台风中心北侧附近的螺旋云带降水, 主要是由边界层强中尺度辐合带直接影响造成的, 降水伴随着辐合带发展; 边界层顶的强东风急流和对流层低层强偏南气流在浙闽地区的交汇是强辐合带的成因; 台风向西北方向移动相伴东风急流和强辐合带的北移, 这是本次暴雨出现稳步北抬的原因。台风的三支不同气流在浙江南部和福建北部地区交汇上升, 起到了水汽通道和能量输送以及建立不稳定区的作用, 提供了暴雨的增幅与维持, 而气流的汇合主要发生在边界层内, 这也是中尺度辐合带高度受限于边界层的原因。浙闽地区复杂的中尺度地形对本场暴雨的发生有重要作用, 为暴雨的增幅做出了重要贡献, 但是, 对边界层不同气流造成的中尺度辐合带而言, 地形的作用较小, 仅可阻挡降水向西延伸。     

一次发生在α中尺度涡旋东部的特大暴雨过程分析

2010年9月7日苏皖北部出现了暴雨—大暴雨,局部特大暴雨,这次暴雨过程产生在热带风暴（1009号,玛瑙）在东海北上转向日本以后。利用卫星、雷达和NCEP逐日4次1°×1°资料对天气形势和中尺度对流发展的环境场特征等进行诊断分析表明：位于日本海的热带风暴北部的偏东气流与南下深厚的蒙古高压底部的偏东气流汇合,构成了一支强盛的低空偏东风气流,它向西流向太行山东麓,其分支沿太行山南下时,诱生了位于太行山脉南部切变线东部的涡旋系统。当低涡进入黄淮平原后,在越过渤海的边界层东风急流激发下迅速发展为α中尺度涡旋系统。南方的暖湿气流在涡旋系统边界层东风急流的动力强迫下抬升,不稳定能量释放,导致β中尺度系统发生发展。β中尺度系统的影响和γ中尺度系统的合并导致强降水过程的发生。     

河南省对流性暴雨云系特征与概念模型

利用2005—2010年FY-2C/E和MODIS卫星资料、A0报文、自动气象站降水资料及常规观测资料,修订了河南省对流性暴雨中尺度对流系统标准,统计分析了暴雨中尺度对流系统的活动规律和降水特征,初步建立了河南省典型对流性暴雨概念模型。河南省对流性暴雨中尺度对流系统主要包括新生对流云团、β中尺度对流系统、α中尺度对流系统及带状中尺度对流系统。对流性暴雨易产生于中尺度对流系统的发生、发展期,多发于中尺度对流系统云顶亮温低中心附近及后侧梯度大值区, 云系上云光学厚度高值区为中尺度对流系统发展潜势区。低槽 (涡) 切变型和低槽型过程中干冷气团对中尺度对流系统的发生、发展起触发作用;高压后部型与午后边界层辐射增温关系密切,能量锋、边界层辐合线是中尺度对流系统的触发系统;切变型过程中干线的作用较重要。河南省对流性暴雨中尺度对流系统多发展于山区附近,移动路径有东移、东北移和东南移型,高层云导风可为中尺度对流系统的移动发展提供预报信息。     

长江下游梅汛期中尺度涡旋特征分析

利用2006～2009 年日本再分析资料对长江下游地区梅汛期间(5～7 月)边界层内中尺度涡旋进行普查,并分类统计分析了边界层内中尺度涡旋与暴雨、低空急流的关系。研究结果表明:每年的5～7 月该地区经常在对流层低层或(和)边界层内出现中尺度扰动涡旋,根据中尺度涡旋最初生成的高度不同,可划分为边界层中尺度涡旋、对流层低层中尺度涡旋和对流层低层—边界层中尺度涡旋三类。边界层中尺度涡旋中与暴雨有密切关系的中尺度涡旋称为边界层中尺度扰动涡旋(PMDV),根据涡旋前或后6 小时累积雨量,可以进一步将其分成两类:第一类是暴雨的直接制造者中尺度对流系统(MCS)先于边界层中尺度扰动涡旋发生(MCS-PMDV);第二类是边界层中尺度涡旋产生后,激发了中尺度对流,造成了暴雨过程(PMDV-MCS)。PMDV-MCS 类涡旋暴雨的特点是在对流层低层850 hPa 是一条切变线,其南侧有一支西南低空急流,边界层925 hPa 则是一个闭合的涡旋,暴雨区主要落在涡旋的东北面和东南面。     

“0702”山西大暴雨过程的多尺度特征

利用T639L19 1°×1°分析场、FY 2红外云图及红外辐射亮温TBB、多普勒雷达和气柱水汽总量等资料,对2011年7月2 3日发生在山西境内的区域性暴雨进行了多尺度特征分析。结果表明:(1)副热带高压北上,西南暖湿气流加强,东北冷涡后部冷空气南下,山西北中部锋生是这次区域性暴雨发生的大尺度环流特征。(2)山西中部暴雨由2个β中尺度对流云团生成,且在边界层2条中尺度切变线附近触发对流发展,形成2个暴雨中心;山西南部暴雨则由8个中尺度对流云团生成、发展合并,在边界层α中尺度人字形切变线附近触发对流发展,α中尺度人字形切变线云系上4个γ中尺度气旋是导致局地大暴雨和特大暴雨形成的直接原因;≤-53℃的黑体亮温区超前多普勒雷达人字形切变线云系反射率因子≥35 dBz的区域。(3)降水中前期,对流云团合并,导致地闪频次峰值和降水量峰值出现,且地闪频次峰值出现时间较降水量峰值出现时间提前12~18 min。(4)中部暴雨发生在气柱水汽总量水平梯度大值区与边界层切变线相重叠的区域,南部暴雨则发生在气柱水汽总量水平梯度大值区的南部0.5~1.0个经/纬距的高湿区与边界层人字形切变线相重叠的区域;气柱水汽总量水平梯度大值区形成时间和边界层切变线形成时间均比暴雨发生提起12 h以上。     

三峡谷地三类突发性中尺度暴雨概念模型研究

利用2003—2013年湖北省三峡谷地加密自动站资料、常规观测资料、NCEP/NCAR逐6 h再分析资料,对三峡谷地突发性中尺度暴雨过程进行分型,并从环流背景及天气系统、环境场、地形影响等方面分别进行分析阐述,确立有预报意义的概念模型。结果如下:2003—2013年间,三峡谷地突发性中尺度暴雨过程分为西南低涡前冷暖切变结合型、东北冷槽尾部南北气流汇合型和副高内部边界层辐合型三类。其中,西南低涡前冷暖切变结合型,以天气尺度强迫为主,低层冷暖切变结合区对中尺度暴雨预报指示意义强,地面上以北风气流为主,峡谷入口处南侧迎风坡抬升作用强,峡谷附近温度场呈Ω型,中尺度对流系统(MCS)形成后多沿峡谷向东移动;东北冷槽尾部南北气流汇合型,天气尺度系统明显,低层冷切变尾部辐合区对中尺度暴雨预报指示意义强,地面上南、北两支气流并存,在峡谷入口处交汇进入峡谷,MCS形成后多由北向南移动;副高内部边界层辐合型,以边界层辐合和地形强迫抬升为主,边界层弱切变对预报指示意义强,地面上以偏南气流为主,进入峡谷后受地形阻挡作用,形成逆时针旋转的中尺度辐合中心,配合峡谷入口北侧迎风坡地形抬升作用,动力强迫达到最强,MCS形成后多由南向北移。在上述分析基础上,建立了三峡谷地三类中尺度暴雨概念模型。     

"98·6"广西特大致洪暴雨过程的中尺度系统概述

利用常规天气图和１ｈ雨量图，分析了“９８·６”广西特大致洪暴雨过程的环流背景和中尺度系统，指出比常年偏南的西太平洋副热带高压、稳定的乌拉尔阻塞高压和南亚高压是极有利于中尺度系统在广西境内活动的环流背景，锋面上的扰动、西南低涡、西南热低压、西南低空急流等从区外移入广西的中尺度系统和海南岛绕流辐合、东兰和昭平附近的地形性涡旋和辐合等在本地特定地形条件下形成的地方性中尺度系统共同作用下产生了这次特大的致洪暴雨过程。当有利于中尺度系统活动的背景环流发生调整后，降雨过程便告结束。     

暴雨天气过程的中尺度系统预报分析

暴雨是各种尺度天气系统相互作用的产物,其中直接作用造成暴雨的系统是在大尺度环流背景上发展起来的中尺度系统[1]。以2008年6月8~16日发生在河池市的三次强降水过程为例,对三次强降水过程的中尺度系统进行定性分析,结果发现:南亚高压、中高纬"两槽一脊"的环流型式和西太平洋副热带高压是本次过程的环流背景,锋面上的扰动、切变线、辐合线和低涡等中尺度系统共同作用产生了这次暴雨、大暴雨天气过程。     

城市边界层过程在北京2004年7月10日局地暴雨过程中的作用

从大量的观测事实入手,结合简要的理论分析,揭示发生在北京城区的一次相对孤立的β中尺度对流暴雨系统的启动机制以及城市边界层在这次局地暴雨过程中的作用.研究结果表明:(1) 2004年7月10日北京暴雨前后,局地水汽和天气尺度低空水汽输送条件是非常有利的,但是天气尺度系统的垂直运动对这次北京局地暴雨是存在抑制作用,至少没有明显的帮助.这一点与区域性降雨带中出现的中尺度暴雨中心具有明显区别.(2)暴雨发生在偏南暖湿气流中,首先,可能是位于北京西南的河北涞水和易县附近强雷暴群激发的重力波传播,触发对流不稳定能量释     

边界层方案对华北低层O3垂直分布模拟的影响

利用WRF-Chem模式,采用3种边界层参数化方案 (YSU, MYJ和ACM2),针对1个晴空、静稳日 (2013年8月26日20:00—27日20:00(北京时)) 进行模拟,着重分析不同边界层参数化方案对夜间残留层形成及日出前后O₃浓度垂直分布形式的模拟效果,并与固城站地面及垂直同步观测资料进行对比。结果表明:3种边界层参数化方案均能够模拟出温度及风速的区域分布形式以及风温垂直结构的变化特征;相比之下,MYJ方案模拟的夜间边界层高度较YSU方案和ACM2方案明显偏高,该对比结果可能是导致近地面污染物浓度模拟差异的重要原因;在夜间稳定层结至日出后稳定状态打破的边界层结构演变过程中,采用YSU方案和ACM2方案模拟的温度和风速垂直扩线形式与观测结果更为接近;同样采用非局地闭合的YSU方案和同时考虑局地和非局地闭合的ACM2方案,对于边界层高度内O₃浓度垂直分布形式的模拟效果具有明显优势。     

北京地区夏季边界层结构日变化的高分辨模拟对比

使用WRF中尺度数值模式, 分别选用两种不同的边界层参数化方案 (MYJ, YSU) 和3种陆面参数化方案 (SLAB, Noah, RUC), 对2004年7月1日08:00—7月4日20:00 (北京时) 北京地区夏季边界层结构进行1 km的高分辨模拟。对比分析了近地面层风场、温度场以及边界层的日变化特征, 结果发现:WRF模式基本模拟出了北京夏季边界层的日变化特征; 在边界层方案中, MYJ方案描述的边界层结构较YSU方案合理; Noah陆面模式较好地反映了城市的热岛效应; 无降水时, 风速及边界层高度对于陆面过程不敏感, 而降水发生后, 陆面过程对于边界层结构的影响增大; 各方案模拟的城区风速明显偏大, 这是因为没有充分考虑城市建筑物的阻力作用。     

大气边界层的初值形成

采用850毫巴和地面的大尺度天气状况和物理特性作为外参数,将大气边界层下层的地表层进行特殊处理,考虑了层结的作用,其上分成等距15层,考虑地转民随高度线性变化。上下层耦合,建立一个定常平衡初值模型,并将所得的初值作为第一级近似,再利用地面、300、600、900、1500米五个高度测风资料进行动力调整,试图建立一个更加接近实际状态的边界层初值。 文中利用所建立的模型,对大气边界层的一些物理参数的作用进行了分析,并对动力调整过程以及垂直分层的选取等作了讨论。 最后例举华北地区1966年8月23日08时边界层的各层次风场和垂直运动,清楚地显示出边界层内的细致结构。     

The wind in the baroclinic boundary layer with three sublayers incorporating the weak non-linear effect

In considering the weak non-linear effect, and using the small parameter expansion method, the analyt-ical expressions of the wind distribution within PBL (planetary boundary layer) and the vertical velocity at the top of the PBL are obtained when the PBL is divided into three layers and different eddy transfer coefficients K are adopted for the three layers. The conditions of barotropy and neutrality for the PBL are extended to that of baroclinity and non-neutral stratification. An example of a steady circular vortex is used to display the characteristics of the horizontal wind within the PBL and the vertical velocity at the top of the PBL. Some new results have been obtained, indicating that the magnitude of the speed in the lower height calculated by the present model is larger than that by the model in which k is a constant within the whole boundary layer, for example, in the classical Ekman boundary layer model and the model by Wu (1984). The angle between the wind at the top of the PBL and the wind near the surface calculated by the present model is less than that calculated by the single K model. These results are in agreement with the observations.     

不同边界层参数化方案对一次梅雨锋暴雨过程湍流交换特征模拟的影响

利用WRF模式结合不同的边界层参数化方案,对2007年7月3—5日发生在江淮流域的一次梅雨锋暴雨过程进行多组数值模拟试验。结果发现,边界层方案的选取对于降水的落区和强度模拟会产生较显著的影响;在降水率及地面要素的模拟上,各方案在降水中后期的模拟差异明显大于降水发生阶段;不同边界层方案的选取对于降水时段内的水平风场、垂直运动和假相当位温的垂直分布都产生影响,直接影响降水时空分布的模拟;不同方案都模拟出了在降水发生之后不同于晴空日变化的湍流动能垂直分布,经分析发现与局地较强的垂直风切变和近地面强湍流气团被抬升有关,而浮力项起着耗散作用;各方案的湍流交换特征与湍流动能特征基本吻合,相比于其他方案,MYJ方案在降水区域的湍流动能及湍流交换强度明显偏弱,对热通量的输送也偏弱;GBM方案在边界层内的湍流混合偏弱而在边界层以上湍流混合显著偏强,热通量输送在边界层以上的高度上误差明显,影响了对降水区域气象要素的模拟能力,仍需要进一步改进。      

The Uncertainty of Tropical Cyclone Intensity and Structure Based on Different Parameterization Schemes of Planetary Boundary Layer

Based on different parameterization schemes of planetary boundary layer (PBL), the uncertainty of intensity and structure of the Super-strong Typhoon Rammasun (1409) is investigated using the WRF model (v3.4) with six PBL parameterization schemes. Results indicate that PBL uncertainty leads to the uncertainty in tropical cyclone (TC) prediction, which increases with forecast time. The uncertainty in TC prediction is mainly reflected in the uncertainty in TC intensity, with significant differences in the TC intensity forecasts using various PBL schemes. The uncertainty in TC prediction is also reflected in the uncertainty in TC structures. Greater intensity is accompanied by smaller vortex width, tighter vortex structure, stronger wind in the near-surface layer and middle and lower troposphere, stronger inflow (outflow) wind at the lower (upper) levels, stronger vertical upward wind, smaller thickness of the eye wall, smaller outward extension of the eye wall, and warmer warm core at the upper levels of eye. PBL height, surface upward heat flux and water vapor flux are important factors that cause the uncertainty in TC intensity and structure. The more surface upward heat flux and water vapor flux and the lower PBL height, the faster TC development and the stronger TC intensity.     

行星边界层急流结构数值分析

利用行星边界层初值分析方法对行星边界层内急流结构进行数值分析。根据1979年6月10日20时华南地区的地面和850mb观测资料,计算得到边界层内各个层次的风场。计算结果与实况比较一致,并且清楚地显示出急流的细致结构。     

Sensitivity analysis of planetary boundary layer schemes using the WRF model in Northern Colombia during 2016 dry season

This study conducted meteorological simulations in northern Colombia by analyzing different planetary boundary layer (PBL) schemes available in the numerical Weather Research and Forecasting (WRF) model. The study area included three nested domains with horizontal resolutions of 18 km, 6 km, and 2 km, with 38 vertical levels. The evolution and structure of the PBL were analyzed during the driest months (March, April, and May 2016) and in regions with the highest particulate matter concentrations. Sensitivity analysis of the WRF model was performed with two local and two non-local PBL schemes. The results were validated using observations of the surface air temperature, relative humidity, and surface wind speed collected from three meteorological stations in the area. The PBL heights were experimentally determined using radiosonde data provided by a station located in the center of the study area. Variations in PBL heights were estimated using linear regression methods and minimization of statistical errors for the bulk Richardson number, as well as analysis of vertical temperature and wind profiles. The WRF model reliably reproduced the daily values and diurnal cycles of temperature, relative humidity, and wind speed within the PBL and accounted for the influence of topography and sea breezes. Horizontal heat advection dominates the upwelling of air masses when sea breezes are active. The onshore wind direction starts to change from east to northwest, implying a decay in the land breeze regime. All schemes overestimate the mixing height and tend to underestimate surface air temperature values at night. All show wetter conditions and underestimate wind speed. Although the non-local Yonsei University (YSU) scheme shows the best performance, it also shows the largest sources of errors when determining the behavior of the surface layer during stable conditions. Relative humidity and wind speed estimates provided by the local Mellor‐Yamada‐Nakanishi‐Niino (MYNN) scheme were closer to those recorded at the meteorological stations.