郑州地区城市化对一次暴雨过程影响的模拟研究

近年来郑州地区城市化迅速发展,为分析郑州地区城市下垫面扩张对天气过程,特别是暴雨过程的影响,本文利用城市冠层模式(UCM)与WRF3.7模式耦合对2017年5月22日的暴雨过程进行模拟研究。通过改变模式下垫面,设计3组敏感性试验,分别是原始USGS下垫面(方案1),郑州市内5区改为城市(方案2),郑州市行政区范围内都改成城市(方案3)。结果表明,WRF模式能够较好地模拟出这次暴雨的时空分布特征,总体上城市下垫面扩张增强了此次暴雨过程在郑州地区的降水,但对降水的影响分布不均,对城市中心及其上风方向的巩义、荥阳地区的影响更为明显。郑州地区城市化使得城市区域感热通量增加,边界层高度升高,垂直速度增强,有利于城市边界层大气中不稳定能量的积聚,有助于强降水的发生发展。同时,城市下垫面扩张使得城区水汽蒸发减少,潜热通量降低,影响水汽通量的分布,部分地区的水汽条件变差,不利于降水的发生发展。     

1986年6月26—27日京津冀大暴雨的数值试验研究

用移植到DPS-7机上的美国PSU/NCAR中尺度模式MM4对1986年6月26—27日京津冀地区大暴雨过程进行了数值试验。结果表明:高空对流区附近风速减小和低空急流核加强并通过暴雨区对暴雨起决定性的影响；潜热的反馈作用、下垫面提供的热量和水汽通量对降水有重要影响。大陆以东洋面的水汽供应以及西北涡在这次暴雨过程中的作用不显著。另外，采用显式降水方案后，预报的降水落区、中心位置和量值均有所改进。     

耦合不同陆面过程对江西南部一次暖区特大暴雨过程的模拟试验

利用WRF V模式耦合4个陆面过程对2015年5月18—19日江西南部暖区特大暴雨进行了模拟,以检验陆面过程对暴雨过程的影响;在此基础上,又进行了地表通量敏感性试验,以检验地面扰动通量对降水的影响。结果表明,各方案模拟的降水范围、雨带走向以及降水中心位置与实况都比较相似,但是降水强度大小与陆面过程的选择存在一定的差异。其中,WRF模式耦合NOAH方案模拟的降水中心、降水强度和累积降水量均能够较好地反映这次暴雨过程的发展。感热和潜热通量在暖区暴雨中是维持降水持续的主要能量输送,对暴雨中心强度和位置变化的影响,潜热通量比感热通量发挥了更重要的作用。来自地面水汽蒸发所释放的潜热以及水汽抬升和辐合释放的潜能为维持暴雨强度提供了重要的能量支撑。     

地表潜热通量对四川地区降水影响的数值分析

本文利用中国科学院大气物理研究所LASG（IAP）的区域暴雨模式AREM,对2007年7月四川地区的天气过程进行数值试验和分析,结果表明采用不同的地表参数化方案模拟的地表潜热通量在地形复杂的高原东部边坡地带的差异最大,直接导致该区域降水模拟的显著偏差,这一结果同时表明四川盆地降水和地表潜热通量之间有着密切的关系。通过对敏感性试验结果的分析,表明局地下垫面水汽通量是通过改变低层大气的层结结构来影响降水的强度和主要降水时段的。     

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。     

雷州半岛一次典型局地暴雨成因分析

利用ERA5再分析资料和实况资料,对发生在广东湛江的雷州半岛的一次典型局地暴雨进行对比分析和敏感性试验研究。结果表明：此次局地暴雨是由雷暴单体所造成,ERA5资料作为初始场能较好地模拟出高分辨率局地暴雨的生消过程、降水中心和主要降水时段。通过敏感性试验进一步研究发现,雷州半岛局地暴雨的关键是大气中水汽含量。减少雷州半岛土壤湿度,导致显热通量增大,潜热通量减少,增加雷州半岛土壤湿度,导致潜热通量增大,显热通量减少,但潜热通量和显热通量之和与参照试验基本相同,局地暴雨依然触发,土壤湿度不能决定局地暴雨触发与否,仅通过显热通量的大小提前或滞后触发局地暴雨。雷州半岛三面环海的海陆分布,下垫面非均匀加热,陆地相当于热源,对雷州半岛局地暴雨触发有决定性作用。     

太行山地形对“96.8”暴雨影响的数值试验研究

利用ＭＭ４模型,设计了４种模式地形方案,讨论了太行山地形对“９６．８”暴雨降水量的贡献;并利用垂直运动和水汽通量等物理量,探讨了太行山地形对本次暴雨过程增幅作用的机制。结果显示,太行山地形对本次暴雨过程的降水中心强度及位置有显著影响,具有６０％增幅作用。太行山地形对垂直运动及水汽辐合也都具有增幅作用。模式地形越真实,预报结果越好,地形越高,降水增幅作用越明显。     

成都地区一次暴雨过程数值模拟及敏感性试验

本文利用探空资料和NCAR/NCEP全球再分析场资料,对成都地区2009年8月25日的暴雨天气过程的环流背景和影响系统进行诊断分析。分析表明：此次暴雨过程为副高东撤南压后,高原切变快速影响成都地区,形成机制是副高外围的偏南气流结合河套地区南下的冷空气,触发本地不稳定能量的爆发。利用WRF模式对此次暴雨过程进行数值模拟。模拟结果表明：WRF模式能够较好地模拟副热带高压的位置,高原切变线及水汽来源,模拟的雨带位置和雨量与实况较为一致,模拟效果较好。通过修改下垫面性质,对暴雨过程中下垫面的可能影响进行了敏感性数值试验。模拟结果表明：将新的下垫面资料引入后,暴雨落区与控制试验相比变化较小,暴雨区面积略有增加,中雨范围扩大较为明显。分析原因为：成都地区周边的地形环境是影响成都中尺度降水总雨量和落区的关键影响因素。将盆地西部到东部的下垫面全部改为城镇类型后,改变了辐射通量,影响陆气之间的相互作用,改变大气的能量平衡,使之容易产生局地降水。     

成都地区一次暴雨过程数值模拟及敏感性试验

本文利用探空资料和NCAR/NCEP全球再分析场资料, 对成都地区2009年8月25日的暴雨天气过程的环流背景和影响系统进行诊断分析。分析表明:此次暴雨过程为副高东撤南压后, 高原切变快速影响成都地区, 形成机制是副高外围的偏南气流结合河套地区南下的冷空气, 触发本地不稳定能量的爆发。利用WRF模式对此次暴雨过程进行数值模拟。模拟结果表明:WRF模式能够较好地模拟副热带高压的位置, 高原切变线及水汽来源, 模拟的雨带位置和雨量与实况较为一致, 模拟效果较好。通过修改下垫面性质, 对暴雨过程中下垫面的可能影响进行了敏感性数值试验。模拟结果表明:将新的下垫面资料引入后, 暴雨落区与控制试验相比变化较小, 暴雨区面积略有增加, 中雨范围扩大较为明显。分析原因为:成都地区周边的地形环境是影响成都中尺度降水总雨量和落区的关键影响因素。将盆地西部到东部的下垫面全部改为城镇类型后, 改变了辐射通量, 影响陆气之间的相互作用, 改变大气的能量平衡, 使之容易产生局地降水。      

边界层过程对"98·7"长江流域暴雨预报影响的数值试验研究

通过ETA模式对"98@7"长江流域暴雨过程的数值试验研究,讨论了行星边界层过程对暴雨数值预报的影响,结果表明边界层过程在这次暴雨预报中有重要作用.具体结论为:(1)降水大范围落区是受大尺度流场所决定的,但边界层过程对暴雨预报具有重要的作用;(2)不考虑边界层过程会影响对天气系统的正确预报,包括影响大气低层的运动场、水汽及大气不稳定度,从而影响暴雨的预报;(3)从时间层次上看,由于地表通量有着显著的日变化,边界层过程的作用不仅与暴雨本身发生发展及消亡的阶段有关,也与各阶段的时间(白天或夜间)有联系;(4)在空间范围内,边界层过程对大气的影响是通过大气流场重新分布来影响降水的环境条件,故地表通量分布和低层流场的相互配置作用十分重要.长江南北的情况有所不同,长江流域南侧区是地表通量的大值区,也是长江流域雨区水汽和不稳定能量的源区,它对长江流域的暴雨可能有着更为重要的作用.     

WRF模式陆面参数扰动对一次西北暴雨影响的数值模拟

利用NCEP每6h一次的1°×1°再分析资料和中尺度模式WRF V3.1,以2005年7月1～2日发生在甘肃东南部的一次暴雨天气为例,根据NOAH陆面方案中土壤最大容积水含量(MAXSMC)初始扰动对此次暴雨进行了敏感性数值模拟试验。结果表明,此次暴雨对陆面参数MAXSMC扰动比较敏感,MAXSMC初值减少20%,模拟的降水与实况更接近,而增大MAXSMC则对降水的影响不大;浅层土壤湿度、低层气象要素以及地表通量均对MAXSMC扰动有一定的敏感性,但是由于不同的下垫面类型,其敏感性也存在明显的差异;地表通量的直接输送和由低层不稳定所导致的间接水汽输送的变化,对降水的影响是最主要的。在不同的区域,由于下垫面性质的差异导致二者所占的比例存在差异,故模拟的降水会出现完全不同的走势。     

一次华北暴雨过程的数值模拟及水汽过程分析

运用WRF模式对2009年7月华北地区的一次暴雨过程进行数值模拟,结果表明:WRF模式比较合理地再现了这次暴雨天气过程;本次暴雨过程的主要输送载体为西太平洋副热带高压外围及低槽前的西南急流;低层水汽通量散度的负值区与降水落区有较好的相关性;对水汽通量拓展分析研究表明,纬向水汽辐合及由风场辐合效应造成的水汽辐合贡献较大,经向水汽辐合和由于水汽分布不均而形成的平流差异所造成的水汽辐合贡献较小,且多为负贡献;水汽散度的垂直通量负异常区与云水、雨水混合比较大的区域对应得较好,它与降水的相关性也优于水汽通量散度。     

“90.8.11”陇东南大暴雨过程的中尺度数值模拟

利用 PSU/NCAR~*中尺度模式第四版(MM4),较好地模拟了1990年8月11—13日陇东南大暴雨过程的主要环流特征、暴雨中尺度系统、雨带、降水中心位置等。物理过程敏感性试验表明,地面热量、水汽通量对降水量影响显著,改变地面水汽通量,可明显改变降水量预报。     

边界层过程对暴雨影响的敏感性试验

用MM5v3模式对江淮暴雨进行了计入与不计入边界层和计入与不计入地面通量的敏感性试验,结果指出二者的影响是一致的,地面通量是边界层影响的主要部分。一般说,不计边界层影响,则湿位涡、水汽通量散度、涡度、低空急流等分布发生变化,其中心位置改变,强度也有改变(大部分减弱),造成总的降水减弱和降水位置的改变。边界层正是通过湿位涡、水汽通量散度、涡度、低空急流等因素的综合影响来影响暴雨,并影响暴雨的落区和强度。     

两次暴雨过程模拟对陆面参数化方案的敏感性研究

选取发生在江西和福建境内的两次暴雨个例,利用NCEP再分析资料在对暴雨发生前、后的环境场和物理量场进行诊断和对比分析的基础上,采用中尺度模式WRF V3.3,通过数值模拟探讨了陆面过程对两次暴雨过程的可能影响及其相关的物理过程。结果表明,2012年5月12日江西大暴雨主要受大尺度环流和中尺度天气系统影响,具有范围大、持续时间长等特点,属于大尺度降水为主的暴雨;而2011年8月23日福建暴雨发生在副热带高压控制下的午后,局地下垫面强烈的感热和潜热通量使低层大气不稳定性增强,触发了此次对流性降水为主的暴雨。通过资料诊断分析,可以判断陆面过程对福建暴雨个例的影响程度明显强于江西暴雨个例。通过关闭地表通量试验发现,陆面过程对暴雨模拟十分重要,尤其是对于该个例中对流性降水的发生起到关键性的作用。通过陆面参数化方案的敏感性试验发现,两次暴雨过程对陆面参数化方案均较为敏感。江西暴雨对陆面过程的敏感性主要体现在对流降水的模拟上,而福建暴雨则体现在大尺度降水的模拟方面,即福建暴雨对陆面参数化方案的敏感性强于江西暴雨。敏感性产生机制与降水类型关系紧密,大尺度降水对陆面过程的敏感性主要来源于不同参数化模拟的中高空对流系统的差异,而对流降水的敏感性则与不同参数化模拟的地表通量的差异有关。通过陆面参数的扰动试验进一步发现,相比于地表粗糙度和最小叶孔阻抗,土壤孔隙度和地表反照率则是影响对流降水对陆面过程敏感的关键因子,这在本质上与地表通量是否受到扰动有关。地表通量较风场而言,受扰动引起变化的空间范围广、时间响应快,变化具有明显规律性。所得结果可为深入理解陆面过程影响暴雨等天气过程和改进数值模式对暴雨的模拟能力提供一定的参考。     

2007年7月淮河流域暴雨过程天气学诊断计算与分析

采用T213 L31模式大气资料,在等熵坐标系上,对天气学凝结函数降水、水汽通量散度降水做诊断计算;又对对流不稳定降水和气块(团)不稳定降水做理想设计与诊断计算,用以对2007年7月淮河流域暴雨过程的诊断计算.分析表明:大尺度稳定性的凝结函数降水量级较小,天气尺度波动的水汽通量辐合降水虽量级较大,却都不足以形成暴雨,但是它们可以组织起对流性降水运动,被组织的对流不稳定降水则可以形成暴雨,但仍不足以形成大暴雨,只有参与层结不稳定降水,才可以形成大暴雨.因淮河流域高空锋区上多有高空槽及冷空气活动,且副热带高压偏强偏两,使得东亚季风进程中的长时间水汽通量辐合与高温高湿气团维持在淮河流域上空,并在地面静止锋上由凝结函数降水和水汽通量散度降水引发非等熵湿绝热运动的对流不稳定降水和层结不稳定降水,是淮河流域暴雨天气学成因.     

水汽螺旋度及其在一次江淮暴雨分析中的应用

构造了新的诊断量--水汽螺旋度,并对影响水汽螺旋度变化的因子做了分析.利用MM5模式输出资料对2003年7月4日的暴雨过程进行诊断分析,结果表明:水汽螺旋度与暴雨强度和暴雨落区都有较好的相关,螺旋度通量散度和湿螺旋散度对暴雨也有比较明显的指示作用,其中螺旋度通量散度对暴雨落区和强度的指示作用都很好,而湿螺旋散度与暴雨落区对应得稍差.     

’95年7月下旬东北地区暴雨的数值分析

本文对１９９５年７月２５日至３０日出现在东北地区的几场暴雨进行了数值分析和预报．结果表明：ＭＭ２和ＭＭ４中尺度模式有着较强的预报能力；包含所有物理过程的控制试验可对暴雨的落区和量级进行准确预报；长白山区的地形对暴雨有着十分重要的影响；地表通量只对暴雨起到一定的增幅作用；水汽和凝结潜热对暴雨中尺度系统起到决定性作用；降水主要受西北太平洋副热带高压后部西南暖湿气流的影响。     

太行山对北京“7.21”特大暴雨的影响及水汽敏感性分析的数值研究

运用GRAPES_Meso模式对2012年7月21—22日发生在北京地区附近的特大暴雨过程进行数值模拟和地形、水汽的敏感性试验。地形敏感性试验发现,在这次特大暴雨过程中,由于太行山北端的阻挡作用,使得气流和水汽辐合、抬升,加强了对流过程;对流层低层山前东南风和西南风、北风的辐合带增大了气旋性涡度,使东移到北京的低涡稳定维持5 h左右,对降水有明显的增幅作用;而且地形起伏和地形海拔高度对降水都有明显增幅作用,地形起伏的增幅作用较地形高度的大。水汽敏感性试验发现在这次特大暴雨过程中,水汽条件较小的变化,会导致水汽输送的明显差异,从而导致降水量显著地改变。     

2014年河南汛期久旱转雨过程分析及模式预报检验

利用常规气象观测资料、土壤相对湿度监测资料以及数值模式预报产品对2014年汛期的久旱转雨过程进行了分析和检验。结果表明:环流调整是久旱转雨过程的必要条件;500h Pa高空槽东移配合中低层切变线和低空急流东伸加强及地面倒槽发展形成了此次天气过程;低空急流发展为此次暴雨提供充沛的水汽,暴雨落区与水汽通量和水汽通量散度以及垂直速度大值区位置相吻合,另外850~700h Pa大于64℃是此次暴雨预报的指标之一。对T639和ECMWF模式产品检验分析表明,两个模式都对稳定性降水预报有优势,ECMWF-THIN模式对降水预报有48小时提前量。