大对流有效位能和条件不稳定下地形降水的三维理想数值研究

利用WRF(V3.01)中尺度数值模式,对具有大对流有效位能和条件不稳定层结下中小尺度地形对降水的影响进行了一系列三维理想数值试验,探讨了不同地形高度、尺度、形状(水平形态比)以及环境气流对降水模态和分布的影响.结果发现:在大对流有效位能(2875 J/kg)和条件不稳定(Nw≈0.01 s-1)下,地形重力波破碎触发...     

条件不稳定大气中二维小尺度双脊地形上空对流及降水特征

在条件不稳定大气条件下,二维小尺度双脊钟形地形上空对流触发、传播和降水分布特征主要决定于地形上游基流强度、双脊地形配置形式、地形高度及其山谷宽度。双脊地形在沿基流方向上有两种配置:高脊地形位于上游和低脊地形位于上游。对于高脊地形位于上游的双脊地形,上游高地形将起主导作用,山地上空对流及降水特征与单脊地形类似。对于低脊地形位于上游的双脊地形,上游低地形可明显地改变下游高地形的前方来流,同时,下游高地形也能够对上游低地形背风侧流动产生影响,从而导致出现地形上空复杂的对流传播、降水分布特征。对于低脊地形位于上游的双脊地形,其山谷宽度主要决定了双脊地形与单脊地形之间在对流、降水分布等的差异;当山谷宽度较小时,双脊地形可以近似为一个包络地形,此时地形上空的对流、降水特征与单脊地形类似;当山谷宽度较大时,双脊上空流动相互影响较小,此时双脊地形可以分成两个单脊地形;当山谷宽度在一定范围内,其上空的对流及其降水分布与单脊地形有明显差异。对于低脊地形位于上游、中等山谷宽度的双脊地形上空降水主要呈现4种类型:(1)山谷与低脊迎风坡降水;(2)高脊迎风坡降水;(3)低脊山峰与高脊迎风坡降水;(4)低脊背风侧、双脊山峰准静止降水。     

复杂山区上空垂直速度场和热力对流活动的理想数值模拟

利用英国气象局高分辨率的边界层数值模式BLASIUS,针对中国西北一个复杂山区进行了一系列的理想数值模拟,分析了在不同天气条件下山区上空的垂直速度场分布和对流特征以及地形对热力对流活动的影响,同时讨论了与地形有关的对流触发机制.模式结果表明,复杂山区的垂直运动在稳定层结和风速较大的情况下较易预测,而在中性层结下,山区上空的垂直运动分布随机性强.在Froude数小于0.5的条件下,气流往往被山峰阻塞而在迎风坡造成地形强迫和辐合性抬升,从而易在迎风坡触发深对流活动;在背风坡则由于迎风坡的绕流重新辐合而造成垂直运动.绕流的辐合是触发深对流活动的另一重要因子.在大风或Froude数较大的条件下,地形重力波容易在山地下游被激发.地形重力波与对流活动的相互影响在模式中清楚可见.在适当的条件下,重力波除了可以与对流活动相耦合从而使气团上升到更高的高度外,重力波的走向很可能会影响到深对流系统的传播路径.研究还发现稳定度对相邻两条对流线之间的距离长短也有影响.稳定度较小时,相邻两条对流线之间的平均宽度趋向变大而单个对流线的强度也相应变大.定量化的结论和理论升华值得进一步的数值模拟研究.     

从不稳定能量角度对条件不稳定相关问题的讨论

大多数深厚的局地对流是在条件不稳定的层结中发生的,这就有必要考虑较厚气层对由底部上升气块所可能产生的总影响。从能量角度讨论了条件不稳定问题中的不稳定能量和对流有效位能,并利用观测资料、结合实例分析了单站地面湿静力能与条件不稳定中不稳定能量的关系。主要结论如下:（1）从能量观点,对对流有效位能的两种定义进行了讨论,认为对流有效位能定义为正、负不稳定能量之差时,其与动能相联系的表达式中包含了低层抬升速度,可以更全面地用于强对流天气预报,尤其是中国南方暖季的强对流预报。（2）气块从底层上升时,无论经历的是干绝热还是湿绝热过程,湿静力能守恒,所以总能量的变化就是动能的变化,等于外界合力对气块做功的大小,不存在湿静力能向动能的转换。（3）从本质上来说,单站低层湿静力能的时序变化用于对流预报的意义在于预示着正、负不稳定能量的改变,从而影响不稳定能量的值。这可以弥补由于高空探测时间分辨率较粗,不能计算逐时正、负不稳定能量的不足。      

湿静力平衡温度及其在大气对流运动中的应用

提出了一个新的大气动力-热力学温湿参量——湿静力平衡温度（T_s）。它与密度温度（T_ρ）有密切关系。作为T_s的应用示例,简化了积云一维时变模式垂直运动方程;提出了“载水气块”和“非载水气块”统一的新的“对流有效位能”表达式。结合实例,计算了“载水气块”和“非载水气块”两种情况下的对流有效位能（分别记作CAPE_w和CAPE）以及对流抑制能量（分别记作CIN_w和CIN）等,“载水气块”与“非载水气块”两种情况的“对流有效位能”及“对流抑制能量”有较大差异。作为强对流天气分析预报的重要参数,目前计算对流有效位能和对流抑制能量的通用公式存在一定缺陷;在对“对流有效位能”的理解方面存在某些模糊认识和盲点。从新的观察角度对“对流有效位能”的概念做了详细分析并进一步阐明了其确切含义。新的方案同样可以方便地在T-lnp图上进行稳定度分析,并可根据新的公式对T-lnp的某些缺点进行修正。     

中国东部夏季风雨带向北推进与条件对称不稳定的关系研究

利用1981～2010年欧洲中期天气预报中心（ECMWF）ERA-interim再分析资料和中国741站日降水资料,分析了中国东部夏季风雨季期间,条件对称不稳定（CSI）与季风雨带季节性向北推进的关系。结果表明,逐月强降水距平场显示了雨带强降水中心自华南（4～6月）先北跳到江淮（5～7月）,再到华北（7～8月）的季节性进程,特别是7～8月强降水距平场具有“北多南少”分布特征,与对应的平均雨量场相比,其表征雨带季节性北跳现象更显著。与雨带强降水中心季节性变化一致,大气负湿位涡通量中心亦先在华南停滞（4～6月）、然后移到江淮（5～7月）,最后到达华北（7～8月）。在垂直方向上,CSI区4、5及9月主要在925～600 hPa,而6～8月抬升到700～600 hPa,CSI区也很好地表征了夏季风北进加强、南撤减弱以及所伴随的雨带变化趋势。在春末夏初,夏季风建立初期的华南、江淮雨季集中期,热成风（垂直风切变）作用对倾斜对流有效位能（SCAPE）的贡献占绝对优势,盛夏的华北雨季集中期则相反,浮力作用项（CAPE）占主要作用;同时,热成风作用项的季节分布与强降水中心季节变化一致,但浮力作用项却没有这种变化关系。条件性湿位涡通量指数（CMF index）可指示雨带强降水异常区。     

大地形上空地转基流中波动的传播和稳定性

研究表明，地形北坡上空东风基本气流中的重力惯性波最易出现不稳定发展，地形坡度大于１‰的地形南坡上空强西风气流中重力惯性波和地形罗斯贝波都是不稳定的。只有在西风气流中重力惯性波才会出现明显的相对基本气流的东、西传播现象。     

低层不稳定大气边界层中的地形阻力

采用两层大气模式,通过求解线性化大气动力学—热力学方程组,得到在上层稳定层结覆盖的不稳定大气边界层中,简单三维地形引起的地形波及其波动阻力的解析表达式。讨论了地形及大气条件对地形波及波动阻力的影响。结果表明:即使在大气低层为不稳定边界层时,三维地形引起的波动在大气动量平衡中仍可起明显作用。     

分层气流条件下地形降水的二维理想数值试验

利用WRF v3.5中尺度数值模式,在条件不稳定层结下,针对分层气流(基本气流风速和大气湿浮力频率呈二层均匀分布)过山时,地形对降水的影响进行了多组二维理想数值试验,以研究不同高度、尺度山脉和不同方向基本气流对降水形态和分布的影响。模拟结果表明,地形重力波触发对流是地形降水的主要机制之一,地形波的特征(波长、振幅)和传播均受到地形和基本气流的影响,其中,强基本气流流经高而陡峭的山脉时,更容易在其背风坡捕捉到重力波,地形降水呈现多种模态,反之亦然;当改变基本气流与山脉交角时,主要通过影响地形强迫抬升速度、基流对波动稳定性发展来进一步影响地形降水的强度和分布。     

Orographic effects on a conditionally unstable flow over an idealized three-dimensional mesoscale mountain

Summary Idealized numerical simulations using the Weather and Research Forecast (WRF) model indicate that three flow regimes, based on the moist Froude number, can be identified for a conditionally unstable, rotational, horizontally homogeneous, uniformly stratified flow over an idealized, three-dimensional, mesoscale mountain stretched spanwise to the impinging flow: (I) a quasi-stationary upslope convective system and an upstream-propagating convective system, (II) a quasi-stationary upslope convective system, and (III) a stationary upslope convective system and a quasi-stationary downstream convective system. Several major differences from a similar type of flow with no rotation over a two-dimensional mountain range are found. One important finding is that relatively strong mean flow produces a quasi-stationary mesoscale convective system (MCS) and maximum rainfall on the windward slope (upslope rain), instead of on the mountain peak or over the lee side.We found that the Coriolis force helps produce heavy upslope rainfall by making transition from flow-around the eastern part of the upslope to flow-over the western part of the upslope (transits to a higher flow regime) by deflecting the incident southerly flow to become east–southeasterly barrier winds. We found that the addition of the western flank of the arc-shaped mountain helps slow down the barrier wind from east and causes the maximum rainfall to move east of the windward slope. A lower-Froude number flow tends to produce a rainfall maximum near the concave region.Several other important facts can also be found in this study. The ratio of the maximum grid scale rainfall to the sub-grid scale rainfall increases when the moist Froude number increases. When the CAPE decreases, it is found that the upstream moist flow tends to shift to a higher Froude-number regime. Therefore, the Froude number cannot solely be used to define a moist flow regime when different CAPEs are considered. In another word, other parameters, such as CAPE, might play an important role in determining moist flow regimes.