下垫面对郑州城市强降水的影响:城市化及地形影响的数值模拟研究

利用WRF-ARW中尺度区域数值模式耦合单层城市冠层模式(slab-UCM),采用ERA-interim 0.5°×0.5°再分析资料作为初始场和边界条件,对2016年6月5日郑州地区发生的一次强对流天气进行模拟,并通过改变下垫面的土地利用类型与地形高度数据设置敏感性试验,探究了城市化及郑州西北部山脉地形对对流性强降水过程的影响。结果表明:1)此次强降水过程主要受高层的低槽系统影响,前期的对流不稳定层结为对流触发提供了有利的热力条件;2)城市热岛效应能够改变下垫面的热力状况,有利于在城市地区激发更强的上升运动,使降水向城区集中;3)郑州西北侧山脉激发的重力波能够使郑州地区对流增强;4)山脉能够阻挡低层干空气向郑州地区输送,因此山脉高度的削减造成郑州地区低层相对湿度减小,使雨滴蒸发冷却增强,进而导致与降水相联系的冷池的增强,雨带移速加快,进一步导致累积降水的减少。     

城市化及人为热对西安市气象要素影响差异敏感性分析

利用西安市工业和生活能源消耗量、汽车保有量、主干道车流量等数据,对工业、交通和生活3种人为热排放量进行综合估算,利用耦合到WRF模式中的单层城市冠层模式(WRF/UCM),采用修订的西安人为热日逐时变化参数,对城市化及人为热的影响进行敏感性分析。结果表明:(1)采取修订后的人为热源参数,耦合城市冠层的模式系统更能详细刻画出降水分布的局地性差异,人为热源对城市温度分布及强度的模拟效果有一定的改进作用,对城市地面流场、降水分布及强度有一定的影响,模拟结果更接近实况;(2)城市冠层对长波辐射有一定的截获作用,在增加人为热源的影响下,城市地表吸收的长波辐射增多更为明显,加强了地表对边界层大气向上的感热输送;(3)人为热源对增加边界层高度的作用较为明显,平均在50~100 m;耦合城市冠层和人为热源后,在城市下风方向,垂直速度增大,局地垂直环流逐渐加强,对流系统水平尺度更小;在城市下垫面和人为热源共同影响下,大气的垂直结构发生了变化,从而造成城区不同部位降水强度的差异。     

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。     

海陆风和地形对一次弱天气背景下暖区特大暴雨的影响分析

利用区域气象站、海岛站、测风塔、风廓线和多普勒天气雷达等多种非常规观测以及NCEP/NCAR 0.25°×0.25°再分析资料,对2017年6月22日凌晨广东西部沿海发生的一次预报失败的局地特大暴雨过程的成因进行了综合诊断,重点探讨了局地海陆风和地形(相互)作用对该过程的影响。结果表明:(1)暴雨发生在弱天气尺度环流背景下,华南地区无锋面和高空槽活动,边界层超低空偏南急流为暴雨提供了不稳定能量,不同性质下垫面的热力差异导致天露山山前形成海陆风(偏南)与偏北风的中尺度辐合线,致使初始对流在关键区触发。(2)偏南暖湿气流向北推进受阻后,在天露山地形强迫抬升下对流增强发展成中尺度对流系统(MCS),下垫面热力差异在山前强迫产生的中尺度垂直切变与降水之间可能存在正反馈现象,延长β中尺度对流系统生命史。(3)中尺度辐合线上不断激发的对流云团,形成降水的列车效应,导致了这场罕见的局地特大暴雨过程,凸显海陆风环流对本次暖区暴雨的重要作用。(4)该过程发生前,所有业务客观数值预报模式均未预报出明显降水,数值模式难以做出暖区尤其是弱天气背景下的暴雨以上降水预报,目前的监测和短时临近预警是主要手段。     

城市化对北京一次极端降水过程影响的数值分析

通过敏感性试验探讨了城市化对北京2011年6月23日局地极端降水事件的影响.结果表明耦合了城市冠层模式的WRF系统能较好地模拟出强降水的局地性和突发性特征,考虑了精细下垫面分类的敏感性试验模拟降水更接近实况;下垫面城市化对地表能量平衡影响明显,对大气的热量影响除加强地表对边界层大气向上感热输送外,还会减少局地地表蒸发及大气水分供应,增加边界层高度,并对移经本地的天气系统强度及水汽输送产生较明显的影响.     

地表利用城市化在一次极端高温过程数值模拟中的影响

地表种类的城市化对城市区域的热力结构和局地环流都会产生巨大的影响。利用地面、高空观测资料和MODIS地表覆盖资料,使用耦合城市冠层模式(UCM)的区域中尺度数值模式(WRF),对2013年8月8日福州地区的一次极端高温天气过程进行数值模拟,研究地表利用变化对福州城市热岛效应及其对福州城市区域局地环流的影响。结果表明:地表利用的城市化使得午后城市热岛现象更加明显而夜间热岛效应呈现出减小的趋势;地表利用城市化后,中心城区的近地面风速减小,但城区与山区以及城区与海洋之间的局地热力环流明显加强,促进了山谷风和海陆风环流的发展;同时地表加热效应增强,促进了垂直运动的发展。      

一次苏南大暴雨过程数值模拟及其对交通能见度的影响

利用0.5°×0.5°的GFS分析场数据和中尺度数值模式WRF,对2011年6月17—18日发生在江苏省南部地区覆盖沪宁、沿江及宁常高速公路的一次大暴雨天气过程进行了数值模拟和诊断分析。经过AWMS实测数据及常规气象观测资料的验证,得到如下结论:(1)WRF模式对此次大暴雨过程的模拟结果较为理想,具有良好的预报能力;(2)高低空急流的耦合是本次降水过程爆发的主要动力机制,西南低空急流为此次降水提供了水汽输送通道;(3)雨区上空的垂直螺旋度在低层为正、高层为负;(4)干空气的活动对强降水的形成具有一定的指示作用;(5)强降水是导致公路交通能见度降低的重要因素,且水平能见度与降水强度成负指数关系。     

城市精细天气预报的理论与技术研究进展

对最近二十多年,城市中尺度天气学和精细预报技术研究进展进行了回顾,包括以下几个方面:(1)城市环流对中尺度降水系统的影响研究;(2)城市环流与地形相互作用的物理过程及其对中尺度系统的影响过程研究;(3)城市环流与海(湖)风环流的相互作用对中尺度天气系统的影响过程研究;(4)城市或城市群对大雾形成与分布的影响研究。最后,对未来城市精细天气预报技术的发展方向进行了展望,认为针对特大城市典型的中尺度天气系统开展精细化观测研究,并将研究成果应用于中尺度模式物理过程的改进之中,进一步完善城市冠层模式,可能是提高城市精细化预报能力的主要有效手段。     

城市冠层过程的研究与进展

介绍了城市冠层过程研究的概况和历史,概括了城市冠层的特征及其作用于局地气候和中尺度系统的主要方式,总结了城市冠层参数化方案或模式的研究进展.比较了几种参数化方法和模式的特点,提出目前存在的一些问题.认为：现有的参数化方案和模式尚未能完整体现城市下垫面特征、准确反映人类活动影响,二者的发展有赖于对城市下垫面建筑特征更合理、细致地描述,对人为热量、水汽影响更准确的估计与刻划.与局地因素密切相关的城市冠层模式还需要更多地在模式中引入局地差异影响.同时指出,要提高耦合城市过程的中尺度模式预报水平,需要相应改进包括云、降水、次网格地形及边界层动力学等的参数化.     

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。     

安徽北部一次局地特大暴雨过程的中尺度特征分析

利用NCEP 0.25°×0.25°再分析资料、自动站加密观测资料、卫星和雷达资料,对2018年6月27—28日安徽北部出现的一次局地特大暴雨过程进行特征分析,结果表明:(1)此次特大暴雨过程发生在冷涡后部的大尺度天气背景中,低槽具有前倾结构,环境场提供了充足的水汽和能量条件;(2)降水具有低质心暖云降水特征,后向传播...     

FGOALS海洋同化试验对西北太平洋夏季SST—降水关系的模拟评估

评估了耦合气候系统模式FGOALS海洋同化试验对西北太平洋夏季降水和SST相关关系的模拟技巧,并对比了相应的观测海温强迫试验（AMIP）和历史气候模拟试验结果。结果显示,FGOALS海洋同化试验对亚洲季风区大部分海域夏季SST年际变化有较高的模拟技巧,但其对菲律宾以东海域模拟技巧较低。在西北太平洋夏季降水-SST相关关系方面,同化试验部分地再现了南海和菲律宾以东海域降水超前SST变化1个月和同时二者的负相关关系,优于AMIP试验但逊于自由耦合模拟试验。同化试验对SST倾向-降水相关关系的模拟技巧亦介于AMIP试验和自由耦合试验之间。观测中,西北太平洋夏季降水与环流异常受日界线附近和赤道东印度洋海洋大陆地区海温异常的遥强迫,并通过改变到达海表的净短波辐射通量影响局地SST异常,导致局地海温-降水和局地海温倾向-降水的负相关关系。在AMIP试验中,遥强迫导致的西北太平洋地区环流异常较之观测偏弱,由于缺少局地海气耦合过程,在西北太平洋多数地区表现为海温对大气的强迫作用,即SST-降水正相关关系。FGOALS同化试验和自由耦合试验考虑了局地海气耦合过程,虽然低估了遥强迫对西北太平洋地区夏季环流异常的影响,依然部分模拟出局地降水-SST负相关关系但较之观测偏弱。同时,自由耦合试验高估了西北太平洋20°N以南地区海温异常对大气环流异常的强迫,使得其对中国南海和日本岛以南海域SST-降水负相关关系的模拟稍优于同化试验。     

多层城市冠层模式的建立及数值试验研究

为在城市气象数值模拟中更好地体现由城市发展引起的下垫面土地利用改变及人为活动对大气过程的影响,建立了基于建筑物三维分布的多层城市冠层模式,冠层内动力方程组考虑了建筑物冠层拖曳力的作用及雷诺应力的影响,通过引入建筑物宽度、间距以及垂直分布密度指数等建筑物形态特征参数,以更好地体现城市复杂地表对大气温度、湿度及动量方程的影响.同时,该模式分屋顶、4个侧壤及地面分别考虑辐射及能量平衡求解表面温度,计算各表面与大气的通量交换,并考虑辐射阴影效应、冠层内部各个面之间的可视因子、以及与冠层内建筑物密度指数、可视因子等相关的多重反射辐射导致的辐射截陷作用.模式的离线检验结果表明:(1)冠层模式计算风廓线与风洞实验测量数据吻合良好;(2)离线冠层模式能够模拟实际小区的风速、温度垂直廓线,并能够较好地体现小区内气温日变化.冠层模式与区域边界层模式耦合检验结果表明:(1)耦合模拟的近地面(2 m处)气温及地表温度的结果明显优于传统的水泥平板方案,尤其是在夜间,水泥平板方案与实测气温最大偏差4 K左右,耦合模拟方案为1-2 K;(2)耦合模拟方案考虑了建筑物对冠层之上的拖曳力影响以及建筑物形态结构对雷诺应力的影响,风速(10 m处)计算结果与观测值相差约在1 m/s,水泥平板方案偏差3 m/s左右.     

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。     

北京地区降水空间分布及城市效应分析

利用1971-2010年北京地区20个测站降水资料和城市发展数据,分析了北京地区降水的大尺度变化趋势及局地降水的城市效应特征。结果表明:(1)北京地区年降水量具有大尺度变化特征,其线性倾向率为-9.12 mm·(10a)-1;(2)城市化缓慢期城市对降水影响不明显,而快速发展期则表现出明显的雨岛效应,城市化不仅使雨岛增强,还对城市下风向降水有一定影响;(3)受盛行风及热岛环流的共同影响,北京地区不同季节局地降水表现出不同的分布形态;(4)城市化过程对城区局地强降水日数存在增加效应。     

北京地区夏季极端降水变化特征及城市化的影响

应用北京地区20站1971—2010年降水记录及城市发展数据,采用百分位方法定义极端降水事件的阈值,分析了北京地区夏季极端降水事件的时空变化特征及城市化的影响。结果表明：(1)北京夏季极端降水阈值及频数存在较强局地性特征,基本沿地形高度分布,极端降水频数多发区与高阈值区不完全对应;(2)近40年极端降水频率及强度均呈现下降趋势,年际及年代际差异显著;(3)城市化发展不同阶段极端降水强度及频数均有不同的分布形态,城市化对城市不同区域极端降水影响不一样,城市化导致城市下风向近郊区极端降水强度、次数均表现为增多趋势;(4)城市对极端降水的影响还与天气过程强度有关,强天气背景下城市对极端降水频数的影响程度高于对降水强度的影响。     

粤港澳大湾区下垫面对“5·22”极端强降水过程影响的研究北大核心CSCD

为探讨粤港澳大湾区城市群对局地极端强降水的影响,采用WRF-ARW中尺度区域数值模式及GSI-3DVar同化系统,以ECMWF提供的ERA5再分析资料作为模式初始场和边界场,并进行多普勒雷达资料的三维变分同化,对2020年5月22日发生在大湾区的极端强降水过程进行数值模拟,研究城市对局地极端降水的影响过程与机理。结果表明:相较于未同化任何观测资料,加入雷达反射率和径向风资料的同化可提升降水的模拟能力,尤其对250 mm以上的特大暴雨量级的模拟改善效果最为显著;观测与对照试验共同表明,大湾区城市群一方面作为“热源”,通过感热和潜热过程提高了边界层大气温度,产生明显热岛效应的同时增强了低层大气的对流不稳定度,另一方面,较强的摩擦耗散过程使边界层风速减弱,更多的暖湿空气被截留在城市区域内部,有助于形成更强的热力不稳定与水汽辐合条件,从而使强降水中心落在城市区域边缘靠内部一侧;城市下垫面被替换为农田的敏感性试验进一步表明,城市下垫面造成的摩擦耗散作用可影响800 hPa以下的边界层,而缺乏城市冠层的摩擦耗散作用,边界层更强的西南风可将暖湿不稳定空气输送至城市区域下游更远处,并受到局地地形的强迫抬升,引起更强的垂直上升运动,从而造成比对照试验强度更大、落区位置更偏于城市下风方的降水中心。     

城市化对长江三角洲地区夏季降水、气温的影响

利用WRF耦合城市冠层模式作为区域气候模式,对2001—2007年长江三角洲地区夏季降水进行高分辨率模拟,与站点资料对比来检验模式的适用性;将上海及周边的城建土地利用类型用灌溉农田代替,进行敏感性试验,对比分析城市化对该地区降水、气温的影响,并探讨其影响机制,结果表明:(1) WRF模式合理模拟出该地区夏季降水的气候态分布特征,与实况观测比较接近,并具有较高的时间序列相关系数;该模式具有较高的适用性,可用于该地区研究城市化效应;(2) 城市化使得长三角地区城区上空气候态日平均降水减少,城区下风方向气候态日平均降水增强;城市化进程中不透水的城区面积扩大导致自然植被减少,潜热通量变小,进而减少地表蒸发以及相应局地大气水分的供给,从而使得城区上空降水减少;(3) 城市化使得以上海为中心的长三角城区气候态平均气温显著升高,气温升高最大值达0.8 ℃,升高幅度夜间时段大于白天时段、日最低气温大于日最高气温,城市热岛效应在夜间更明显,城区气温日较差明显减小;城区的城建结构以及建筑群吸收和存储大量太阳短波辐射以及人为热源释放的热能,减少了地面长波辐射的支出,从而使得城区感热通量增大,当其传播到空气中,使得城区地面气温升高。      

耦合不同陆面方案的WRF模式对“8.8”舟曲暴雨过程的模拟

利用NCEP每6 h一次的1°×1°格点资料和中尺度模式WRF(V3.2),选用不同的陆面参数化方案,对2010年8月7—8日发生在甘肃舟曲的一次西北地区特大暴雨天气过程进行数值模拟试验。结果表明,此次暴雨过程数值模拟的准确率对陆面参数化方案的选择比较敏感。在WRF模式中,耦合陆面方案比不耦合陆面方案对暴雨的模拟效果更好,耦合陆面方案所模拟的降水分布、地表通量以及地面气象要素都与实况更加接近。耦合不同的陆面方案模拟的降水以及感热通量、潜热通量都存在较大的差别,但是采用不同的陆面方案模拟的地表温度和水汽差别并不大。总体而言,采用PX陆面方案对降水的模拟效果比采用其他方案都合理,与实况最接近。     

城市冠层模式在GRAPES模式中的应用

在GRAPES中尺度模式中耦合了城市冠层模式(Urban Canopy Model,简写为UCM),并选择珠江三角洲(简称"珠三角")地区2011年7月10日夜间强降水过程和2012年8月19日的高温个例,考察了GRAPES中尺度模式与城市冠层模式耦合在珠三角地区的模拟效果,分别设置了两组试验,在GRAPES模式中耦合和未耦合城市冠层模式(UCM和noUCM)。结果发现,UCM对强降水中心和降水落区的模拟都较noUCM有明显的改善,从降水的四个评估指数(命中率、反命中率、威胁指数及偏差)也可以看出,UCM的结果较noUCM有了较明显的提高,尤其是命中率和威胁指数;对2 m高度的温度和地表热通量而言,两组试验的日间温度和热通量差异较大,中心城区UCM模拟的温度较noUCM高2~4℃,最大差值达5~6℃,热通量差异基本在150 W/m~2,而在夜间,两组试验模拟的温度和热通量差异减小,温度差值基本在0.5~1.0℃之内,热通量差异一般在10 W/m~2左右。两组试验对降水模拟差异的主要原因是UCM模拟出了降水前期地面强的辐合区及相应的温度高值区,对流层低层较大范围的垂直上升运动和辐合上升,对流层中层的暖湿中心及地面较大的CAPE值(达2 000~3 000 J/kg),而noUCM的模拟偏弱或是未能模拟出来。从另外高温个例观测与模式模拟的对比结果来看,UCM模拟的近地面气温、风速、感热通量、向下短波辐射通量和向上长波辐射通量与观测的误差减小,但感热通量与向下短波辐射通量与观测存在一定差距。