“雅安天漏”研究进展

围绕青藏高原东侧＂雅安天漏＂现象,综述了近40多年来＂雅安天漏＂的天气、气候与气候变化研究的主要进展;在分析前期研究薄弱环节的基础上,从基本特征、复杂地形、热源与边界层结构、形成机理、天气气候联系、区域气候响应等方面,提出了＂雅安天漏＂研究中存在的6个主要科学问题,并指出了综合观测、科学试验、资料分析、理论研究和预报技...     

“雅安天漏”研究进展

围绕青藏高原东侧“雅安天漏”现象,综述了近40多年来“雅安天漏”的天气、气候与气候变化研究的主要进展;在分析前期研究薄弱环节的基础上,从基本特征、复杂地形、热源与边界层结构、形成机理、天气气候联系、区域气候响应等方面,提出了“雅安天漏”研究中存在的6 个主要科学问题,并指出了综合观测、科学试验、资料分析、理论研究和预报技术是“雅安天漏”未来研究的重点方向。     

边界层参数化对“雅安天漏”降水数值模拟的影响

选取了2001年7月3个“雅安天漏”个例,采用非静力中尺度数值模式MM5V3进行模拟,着重研究了MRF边界层参数化方案对雨量中心强度和雨区分布的影响,结果发现MRF方案的总体预报效果较好,并能很好地刻画雅安暴雨时的纬向垂直环流结构;在复杂地形条件下,特别是降水有明显日变化的地区,边界层的作用非常重要。     

青藏高原东侧“雅安天漏”旱涝年降水特征

利用四川省雅安市1951~2008年逐日降水资料和1969~2000年逐小时降水资料,统计分析了青藏高原东侧雅安地区4个典型旱年和4个典型涝年的降水量、降水频率的多时间尺度变化特征。结果表明,雅安旱年的平均年降水量为1242.9mm,涝年的平均年降水量比旱年多1010mm。旱年汛期降水量占旱年降水总量的70.4%,涝年汛期降水量超出旱年一倍,且占涝年降水总量的81.1%。旱、涝年降水量的季节变化明显,且涝年的季节差异更加显著;雨强与降水量的季节变化相似,夏季达到最大,且旱、涝年年雨强和汛期雨强的差异很明显;旱、涝年之间的雨日差异要小的多,季节差异也不突出。旱、涝年降水量和雨日的最大值、最小值出现月份不同,旱年降水量7月最多、1月最少,而涝年降水量8月最多、12月最少。另外,旱、涝年白天、夜间的月降水量和月雨日最大值出现时间不同,并且不同降水强度,旱、涝年降水量和雨日的逐月变化也有较大差异;旱、涝年降水日变化与夜雨特征都突出,但夜间降水量和频次远远大于白天。旱、涝年降水量和频次的最大值、最小值出现时间有差异,旱年最大小时降水量在01时,最小在14时。涝年夜间小时降水量为双峰结构,最大小时降水量在23时,另一最大值在03时,最小在16时。旱年和涝年最大小时降水频次均出现在00时,最小分别出现在14时和15时。并且,降水量和频次从谷值到峰值的增加速率超过了从峰值到谷值的衰减速率;进一步分析发现,随着降水强度的增加,其夜间降水量越容易出现多峰值的波动,且旱、涝年夜间降水量和频次的差值也越明显。其中,旱年中雨和大雨降水量和频次高于涝年,但涝年暴雨降水量和频次远高于旱年。     

边界层参数化对“雅安天漏” 降水数值模拟的影响

选取了2001年7月3个"雅安天漏"个例,采用非静力中尺度数值模式MM5V3进行模拟,着重研究了MRF边界层参数化方案对雨量中心强度和雨区分布的影响,结果发现MRF方案的总体预报效果较好,并能很好地刻画雅安暴雨时的纬向垂直环流结构;在复杂地形条件下,特别是降水有明显日变化的地区,边界层的作用非常重要.     

青藏高原夏季对流云微物理特征和降水形成机制

青藏高原对我国天气、气候和水循环过程有重要影响。利用第三次青藏高原大气科学试验（TIPEX-Ⅲ）2014年7月在那曲地区的飞机观测数据,研究青藏高原夏季对流云和降水的微物理特征及降水形成机制。飞机探测的云系主要为初生或发展阶段的冰水混合云,云滴数浓度低于平原、海洋地区1~2个量级,云内存在大量大云滴和雨滴,过冷水含量高。大粒子（D≥50 μm）数浓度量级为100~101 L-1,云内上升气流速度集中在1~4 m·s-1。青藏高原云滴谱主要呈双峰型,云内冰相粒子多为密实、不透明的霰粒子,云内凇附过程显著。云内暖雨过程产生的大云滴和雨滴有利于冰相过程,尤其是凇附过程的产生,使得青藏高原云更易产生降水。此外,残留云系与对流云有着较为类似的微物理特征。     

“雅安天漏”研究 II. 数值预报试验

本文建立了一个用于研究“雅安天漏”的有限区域数值预报模式，并用该模式对10个“雅安天漏”个例进行了数值预报试验，取得了较满意的结果。该模式动力框架的主要特点是: (1) 模式的基本方程组便于构造出完全能量守恒的差分格式；(2)采用了静力扣除；(3)模式的垂直坐标选用了η坐标；(4)选用E网格作为变量的水平分布形式；(5)位势高度与其他预报量在垂直方向交错分布；(6)对E网格的波解分离问题采取了特殊的处理技巧；(7) 首次采用“半格距”差分解决了矩形E网格及球坐标E网格沿对角线的差分计算；(8)采用显示分解的时间积分方案；(9)尽量保留初始场信息。模式的物理过程主要包括: (1)大尺度凝结降水；(2)对流调整及对流降水；(3)水平扩散和垂直通量输送；(4)地面辐射收支和边界层参数化。试报降水的主要降水中心及降水范围与观测分析比较相似。大于10 mm和２５ mm降水的TS平均评分分别为0.41和0.32。     

“雅安天漏”研究II．数值预报试验

本文建立了一个用于研究“雅安天漏”的有限区域数值预报模式，并用该模式对１０个“雅安天漏”个例进行了数值预报试验，取得了较满意的结果。该模式动力框架的主要特点是：（１）模式的基本方程组便于构造出完全能量守恒的差分格式；（２）采用了静力扣除；（３）模式的垂直坐标选用了η坐标；（４）选用Ｅ网格作为变量的水平分布形式；（５）位势高度与其他预报量在垂直方向交错分布；（６）对Ｅ网格的波解分离问题采取了特殊的处理技巧；（７）首次采用“半格距”差分解决了矩形Ｅ网格及球坐标Ｅ网格沿对角线的差分计算；（８）采用显示分解的时间积分方案；（９）尽量保留初始场信息。模式的物理过程主要包括：（１）大尺度凝结降水；（２）对流调整及对流降水；（３）水平扩散和垂直通量输送；（４）地面辐射收支和边界层参数化。试报降水的主要降水中心及降水范围与观测分析比较相似。大于１０ｍｍ和２５ｍｎ降水的ＴＳ平均评分分别为０．４１和０．３２。     

“雅安天漏”研究 I：天气分析

雅安位于四川盆地西缘、青藏高原东麓。由于特定的地理和地形条件所致,降水特多,夏季暴雨频繁,历来素有“天漏”之称。本文基于大量的“雅安天漏”（区域暴雨）个例资料,从气候、大尺度环流、物理量合成、地形作用和中尺度系统等方面进行了研究。结果表明:“雅安天漏”是在青藏高原东坡特定的地形作用下产生的特殊降水现象,其气候特征具有显著的中尺度特点,“夜雨”显著,环境场条件和中尺度系统的物理量结构等方面,都有异于华北、华东和华南等地的暴雨。     

层状云降水微物理特征及降水机制研究概述

层状云是中国北方大部分地区降水的主要云系,采用综合观测资料的分析研究并结合最新的数值模式对层状云特征和降水机制进行深入研究很有必要,也是含后工作的方向。描述了层状云的种类、特点,通过分析机载PMS(粒子测量系统)资料和地面雨滴谱资料介绍了国内外在层状云云滴谱、冰晶谱、雪质粒谱、雨滴谱、云中质粒总谱等微物理特征方面的研究方法及成果,还介绍了国内外在层状云降水机制方面的研究方法及成果,包括层状云降水数值模拟以及暖云降水机制和冷云降水机制研究。     

六盘山地区一次低槽低涡云系结构及其降水机制的数值模拟研究

六盘山是西北重要的水源涵养林基地,干旱少雨制约了该地区农业和经济发展.作为该地区人工增雨技术研究的基础,本文利用WRF模式对2018年8月21日发生在宁夏南部六盘山区的一次降水天气过程进行了数值模拟.根据模拟结果结合实测资料,分析了造成此次强降水过程的有利环流形势场,重点讨论了山区降水云系的微物理结构以及降水形成机制....     

基于CloudSat-CALIPSO资料的北极云宏观特征及形成机制研究北大核心CSCD

基于CloudSat-CALIPSO(CloudSat-Cloud Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations)卫星反演资料以及ERA5(ECMWF Reanalysis v5)月平均再分析资料,分析了北极地区总云量及其出现频率最高的层积云(Sc)的时空分布特征,并且探讨了层积云形成的可能原因。分析结果表明:秋季是北极地区全年总云量最多的季节,且喀拉海—楚科奇海区域云量增加幅度较为明显,其中海气温差较大、表面潜热通量致使边界层上升运动较强且相对湿度大是该区域云形成和维持的主要因素。另外,北极地区分布着大量Sc,主要位于常年几乎无海冰覆盖的挪威海—巴伦支海区域。此区域的低层稳定度与Sc云量呈负相关,即低层稳定度越大,Sc云量越少,此现象与热带以及中纬度等地区不同。开阔的海洋表面通过地表—大气耦合、热量和湿度的湍流表面通量降低了低层稳定度,促进了层积云的形成,增加了层积云的覆盖。     

崇礼云顶冬奥赛场夜间增温事件的统计特征及其形成机制研究

本文利用2018年11月至2019年3月、2019年11月至2020年3月期间的自动站资料,对发生在河北崇礼云顶冬奥赛场的夜间增温事件进行了统计分析,并基于地基微波辐射计、激光测风雷达、风廓线仪以及NCEP/NCAR逐6小时再分析资料探讨了夜间增温事件可能的形成机制.研究得出:云项赛场11月至次年3月,夜间增温事件的发...     

基于WRF-EnKF系统的雷达反射率直接同化对台风“天鸽”（1713）预报的影响

利用基于中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecast)的集合卡尔曼滤波(EnKF,Ensemble Kalman Filter)同化系统直接同化广东地区雷达反射率资料,对2017年台风“天鸽”(1713,Hato)近海发展以及降水预报效果进行数值模拟分析研究。结果显示,直接同化雷达反射率资料后,台风的回波强度和范围有了明显改善,可更好地调整水汽场、水凝物和温度场。当台风风场和水汽场调整后,进入台风主体部分的水汽量显著增加,使得台风强度增强,台风中心最低海平面气压降低,与实况更接近。同化雷达反射率资料后,6 h和24 h降水强度和落区预报效果有显著改善,尤其是能提高大暴雨和特大暴雨量级的TS评分,此外地面2 m温度和2 m相对湿度的预报效果也有改进。      

层状云结构和降水机制研究及人工增雨问题讨论

总结了层状云及其降水物理研究的部分成果。在此基础上, 讨论了层状云人工增雨的几个问题, 提出用常规观测资料判断人工增雨条件的方法。具体结果如下:层状云结构是不均匀的。层状云系在垂直方向上具有分层结构。“催化—供给”云是降水性层状云的典型结构, “催化—供给”云相互作用是导致降水的主要过程。按微观结构可以将降水性层状云分成3 层:冰相层、冰水混合层和液水层。冰相层是催化云, 冰水混合层和液水层是供给云。层状云降水过程研究表明, 对应于层状云或“催化—供给”云的3层宏观结构, 发生着不同的微物理过程, 粒子形成和增长过程也不同。冰相层的冰晶和雪, 凝华是其主要增长方式, 其次是雪与冰晶的聚合过程;雪(或聚合体)落入冰水混合层后, 继续通过凝华增长或贝吉龙过程增长, 同时撞冻过冷云水增长, 有部分冰雪晶通过撞冻增长而转化成霰。在液水层, 雪(或聚合体)霰开始融化, 同时收集云暖区云水增长。冰相粒子的撞冻增长过程和凝华增长过程相比同样重要。层状云各层对降水的贡献不同。一般而言, 对于“催化—供给”云, 催化云对降水的贡献低于30%, 供给云在70%以上。在以上研究的基础上, 讨论了层状云人工增雨的问题。(1)“催化—供给”云结构有利于云水转化成降水, 只有冰相层、冰水混合成和液水层相互“配合”, 才能形成有效降水。可以将“催化—供给”云作为层状云人工增雨催化的结构条件。(2)要选择降水形成以冷云过程为主的层状云催化, 冰面饱和水汽量和过冷水含量要大些。(3)层状云人工增雨原理应该补充。降水形成不但经历贝吉龙-芬德森过程, 冰水混合层的聚合和撞冻增长也是十分重要的过程。过冷水对于降水的形成非常重要, 但冰面饱和水汽量对降水的形成也同样重要。最后, 结合层状云的研究成果, 提出用常规探测资料判别层状云人工增雨催化条件的方法:利用卫星云图和雷达回波判别“催化—供给”云的结构, 用雷达RHI 回波(在距离高度显示器上的回波)判别降水机制和液水层。       

登陆的0915号热带气旋“巨爵”降水分布及其中尺度结构的分析

利用自动气象站、雷达和TRMM卫星的观测资料,对2009年广东登陆热带气旋(TC)“巨爵”(0915)的降水分布进行了分析。结果表明:登陆TC“巨爵”的降水具有明显的非对称性和中尺度特征,TC降水主要位于移动路径的左侧。通过对海表温度(SST)、水汽通量、Q矢量和环境风垂直切变等分析发现,SST分布、水汽辐合、低层对流上升运动和垂直切变都有利于在TC移动路径的左侧产生降水。通过Barnes带通滤波对中尺度结构进行分离发现,登陆TC“巨爵”的降水存在明显的围绕TC中心的中尺度螺旋结构,呈带状或块状形式;登陆TC“巨爵”的局地强降水主要与中尺度螺旋结构的降水有关。      

基于GPM卫星降水产品对1808号超强台风“玛利亚”降水结构的分析

利用GPM卫星探测两个时次的资料,以1808号超强台风"玛利亚"为研究对象,分析了台风降水率、降水类型及台风高度水平分布,降水率垂直廓线变化特征,以及降水率三维结构分布特征。得出以下主要结论:两个时刻"玛利亚"均处在超强台风级,A时刻台风眼区为深厚对流区,B时刻眼区对流有所减弱,但是有强螺旋雨带出现。A、B时刻的降水率最大值与风暴顶高度并非一一对应,还与降水云系中微物理过程有关。GMI低频18.7 GHz探测的水粒子含量的大值区与强降水率对应较好,高频183.31±3 GHz探测的冰粒子信号与风暴顶高度分布一致。不同降水率对应的垂直廓线表明,降水率在5 km高度出现急剧变化,这是由于在该高度上雨滴碰并增长或者蒸发减小。从A时刻到B时刻,云墙区大于10 mm·h~(-1)的云墙半径内缩,B时刻眼壁与螺旋雨带之间存在着弱降水区及无降水区。     

2016年北京“7·20”特大暴雨降水物理过程模拟诊断研究

利用WRF模式,结合三维降水诊断方程,对2016年北京“7·20”特大暴雨过程主降水时段的强降水物理过程开展了高分辨率模拟诊断分析。结果显示:降水峰值时刻前,强盛水汽辐合支撑强降水,同时加湿大气,后期,水汽辐合显著减弱,降水造成局地大气中水汽含量明显减少;降水峰值时刻前,水汽辐合、凝结和液相水凝物辐合共同助力强降水云系快速发展,后期,动力辐合作用减弱以及水凝物持续消耗和辐散,导致水凝物含量显著减少,降水系统逐步瓦解;主降水时段,垂直上升运动强度和垂直扩展范围逐步增大,并在降水峰值时刻达最大,之后减弱收缩;上升运动峰值高度从初期位于零度层上逐步降到零度层附近,进而回落到零度层之下,伴随“弱—强—弱”的降水强度变化;上升运动控制下,水凝物含量变化明显,但不同水凝物变化幅度不一,霰粒子和雨滴增幅最显著,并于降水峰值时刻含量达最大,随后减小,其他水凝物由于微物理转化和动力辐散等过程,导致其含量的变化幅度弱于上述两者。本文研究同时指出,不同微物理参数化方案对“7·20”特大暴雨强降水物理过程的可能影响以及不同强度降水物理过程的差异,值得深入研究。     

“23·7”华北特大暴雨过程雨强精细化特征及动力和热力条件初探

基于ERA5再分析资料、国家级和区域级地面气象观测、双偏振多普勒雷达、地面雨滴谱仪、闪电定位仪、风廓线雷达等多源观测资料,对“23·7”华北创纪录极端降水过程中雨强的精细化特征,导致极端降水的中尺度对流系统(MCS),极端降水的微物理特征及动力和热力条件进行了分析。结果表明:整个过程小时雨强表现出面弱点强的特点,局地小时、分钟级雨强具有极端性。雨强阶段性特征明显,2023年7月30日08:00至31日20:00(第二阶段)雨强最强,与多个β-MCS发展有关,并伴有后向传播及列车效应等中尺度过程,降水以中等直径、高浓度雨滴为主,具有一定量的低浓度大粒子雨滴样本,属于海洋性与大陆性混合型降水,暖云碰并与冰晶聚合融化过程共存。7月29日08:00至30日08:00(第一阶段)和7月31日20:00至8月2日08:00(第三阶段)雨强相对较小,对应于前者的MCS垂直伸展高度较低、强度不强,以暖云降水为主导,雨滴浓度高、直径中等,对应于后者的MCS发展强盛,但移动速度快,也具有海洋性与大陆性降水混合型降水特征。三个阶段的大气整层可降水量最大值均超过70 mm,第一阶段天气尺度强迫强,对流有效位能...