城市热岛与海风锋叠加作用对一次局地强降水的影响

利用常规观测资料、天津255 m气象塔资料、多普勒雷达资料和VDRAS反演资料及中尺度TJ WRF模式输出资料,对2010年8月16日天津城区出现的一次局地强降水过程进行分析,重点分析了城市热岛与海风锋叠加作用对此次局地强降水的触发机制。结果表明：此次局地强降水发生在低层槽后弱的反环流条件下,具有明显的γ中尺度对流降水特征;城市热岛效应能造成局地的热力不均匀,这对形成地面中尺度辐合线非常有利。海风锋由岸边向市区移动中与中尺度辐合线相遇,能激发局地不稳定能量的释放,从而产生强对流天气。城市热岛对海风锋的移动有明显阻挡作用;当海风锋移到城市热岛效应明显区域附近时,其后侧气流会出现明显分支绕流和爬升现象,而且两者相遇处的辐合上升运动会迅速加强,这为该地不稳定能量的释放及雷暴的发生发展提供了有利的动力热力条件。中尺度TJ WRF模式可以很好地模拟出这一现象。     

天津地区城市热岛环流与海风环流相互作用的研究

利用中尺度数值模式（TJ WRF）模拟资料及天津加密自动气象站资料等,选取几个典型天气过程（城区附近局地强雷暴天气过程、受海风影响明显的无天气过程）个例,分析研究天津城市热岛环流与海风环流的空间结构特征及相互作用;重点对城市热岛环流与海风环流相互作用触发局地强雷暴的机制进行分析。结果表明：城市热岛环流的伸展高度基本在800 hPa 附近、空间范围约为20 km、环流内有弱的辐合上升;海风环流的伸展高度在800~750 hPa、空间范围40~60 km,海风环流前沿海风锋的伸展高度为950~900 hPa,垂直上升速度平均为0.2 m·s-1 ,略强于城市热岛环流。海风环流对城市热岛环流有明显消弱作用,城市热岛环流对海风环流有一定的阻挡作用,其阻挡的程度与城市热岛环流强度有关。随海风环流向内陆推进,海风环流与城市热岛环流相遇出现叠加,叠加后的辐合上升运动明显加强,最大上升速度可达0.6 m·s-1,并在不稳定天气形势条件下能触发局地强雷暴天气的出现。     

大气辐射交换对海风模拟结果的影响

建立一个二维的中尺度静力模式，考虑太阳短波辐射，大气中水汽，地表面粗糙度，反射率和土壤层温度等物理因子，讨论大气辐射交换对海风结构的影响，发现如果忽略辐射因素，海风只能局限在较小的范围内，不能向内陆纵深发展。     

苏锡常地区热岛观测与数值模拟研究

结合气象观测、遥感和模式模拟的方法研究了环太湖城市的热岛现象,分析了苏锡常地区2010年5月24日的热岛特征。气象站资料显示苏锡常地区近地面热岛强度具有明显的日变化,12 h前热岛强度在0.5~1℃之间,夜间可达2℃以上。LANDSAT和MODIS卫星观测反演的地表热岛强度约5~7℃。随着太阳辐射的增加热岛加强,其分布及强度与城市下垫面结构和城市发展水平密切相关,苏州的热岛强度最高,无锡次之。WRF模式模拟结果表明城市感热通量大、潜热通量小,高波恩比促进了热岛的发展,进而抬升边界层高度。城市动力、热力特性的改变破坏了自然的能量平衡,会对边界层内气象要素和湍流通量的垂直分布造成影响。     

海风环流的数值模拟

本文建立了一个适用于中小尺度的非静力、完全弹性的二维中β（ｒ）模式，利用该模式对海风环流进行了数值试验，模拟成功地模拟了海风环流的形成，发展消亡过程，并探讨了大气层结稳定性对海风环流的影响，该模式的建立对于中小尺度的强对流天气如暴雨，冰雹等天气过程均有较好的模拟结果。     

从不同的陆面资料看城市化对北京强降水的影响

2004年7月10日,北京地区出现了一次强降水过程.该次过程主要是由中尺度对流云团的活动造成的,整个大环流形势给暴雨的发展提供了水汽条件.分析近地面的特征场发现,在降水发生前1-2 h,北京城区存在一个暖中心,其温度比周边地区高出2-3 ℃,存在明显的热岛现象.该城市热岛现象的出现,使得城区的气压相对较低,郊区有较冷空气向城区辐合,有利于城区产生上升运动,形成对流降水.另外,对该次过程的数值模拟结果表明,使用了最新的陆面资料的模拟结果明显好于没有使用最新的陆面资料的模拟结果.这在一定程度上说明了城市热岛效应对该次强降水具有一定的影响.     

海风雷暴的观测分析和数值模拟研究进展

沿海地区经济相对繁荣,城市化水平较高,对天气和气候的依赖性强,突发性强对流天气所造成的灾害也会更加严重;同时沿海地区的强对流天气又与海风环流密切相关,因此沿海地区海风雷暴的研究受到了日益广泛的关注,成为了气象学和大气科学中的重要研究对象。在过去的半个多世纪中,海风雷暴的观测和模拟研究取得了大量的研究成果。本文通过对这些研究工作进行回顾和总结,系统地分析了国内外的研究现状,重点讨论了海风雷暴的结构和特征、发展演变过程、触发机制及其预报预警。最后对海风雷暴未来的研究方向进行了探讨,提出了一些有待于研究或需深入研究的问题,以利于今后更好的开展有关海风雷暴的工作,加深对其发生发展规律的认识,提高预报预警水平。     

一次海风锋天气过程分析与数值模拟

利用NCEP再分析资料、自动气象站观测数据、多普勒天气雷达反射率因子和WRF模式,对2015年5月24日午后,海南岛东北部出现的一次较强的海风锋降水天气进行过程分析和数值模拟。结果表明:强降水发生期间,海南岛处于副热带高压边缘,中低层水汽来源充沛,降水前后K指数变化明显;两支分别来自海口海岸线向东南移动与来自文昌海岸线向西北移动的海风锋的发展、增强与移动,是导致本次降水的主要原因。另外,中部山区小尺度的地形辐合有利于过程期间海风锋的加强与发展;WRF模式的模拟结果说明,海风锋发展最旺盛的时候,锋面高度达约1000 m,宽度约0.15个经度;海风锋垂直环流圈的建立伴随着地面降水的加强;地面降水减弱时,海风锋环流圈逐渐消失。     

2013年宁波地区一次海风锋对雷暴过程影响分析及数值模拟

利用浙江省常规气象站观测资料、地面自动站加密资料、新一代多普勒天气雷达资料、NCEP GFS分析资料以及WRF中尺度模式,对2013年7月29日发生在宁波市地区的一个局地强雷暴天气过程进行了诊断分析和数值模拟。通过对天气环流和数值模拟结果的分析发现：本次强雷暴过程发生在较稳定的大气背景下,主要影响系统是中尺度辐合线海风锋;多普勒雷达出现弱窄带回波时,对应中尺度辐合线海风锋;海风锋向内陆推进时,对应站点温度降低、湿度增大。WRF模式能较好地模拟出此次雷暴过程以及宁波地区低层海风锋环流,高空回流随时间和空间的演变特征;海风锋的锋生造成的地转强迫促使次级环流加强,在东西风辐合线西侧有垂直上升运动出现;通过与敏感试验的对比可知,海陆热力差异是影响雷暴降水强度、海风锋水平垂直环流的重要因素。     

青岛地区8月一次海风环流实例分析和WRF模拟

根据青岛地区2006年8月份浮标站、岸基站和陆地站观测资料及探空加密测风资料,分析了8月21日到22日一次典型的海、陆风环流过程,并进行了WRF数值模拟和检验分析.观测数据分析表明:海、陆风环流在垂直方向分别具有闭合环流,海风环流发展高度远高于陆风环流,海风环流午后发展最强盛,海风在底层最先发展并在底层最先消失,风速大小随高度减小,发生海风环流时青岛站与浮标站的海陆气温差在4℃以上,海风环流向内陆推进大约40多千米;WRF模式较好地模拟了海风环流发生发展的完整过程,并揭示了海风环流与半岛北部相向风场的相互作用,在半岛中部地区存在辐合上升区.     

珠三角城市集群化发展对热岛强度的影响

利用珠三角城市发展资料及珠三角地区近28年的气温资料,研究了珠三角城市集群化发展指标与城市热岛效应之间的关系。认为:(1)珠三角城市集群化发展指标在2000年前发展缓慢,2000年后,珠三角城市集群化发展指标增长率比2000年前增长了5~9倍;(2)热岛强度增温率2000年前为0.34℃·(10a)~(-1),而2000年后热岛强度增温率为0.69℃·(10a)~(-1),热岛强度增温率增加了1倍。(3)珠三角地区城市热岛强度逐年增强,年内热岛强度雨季和干季变化明显,雨季热岛强度弱而干季热岛强度强,最弱热岛出现在降水充沛的7月,最强热岛出现在天气干燥的12月。(4)采用灰色关联度分析结果显示:城市建成区面积、工业总产值、全年总用电量和常住人口等指标对气温和热岛强度影响明显;根据城市发展指标对气温和热岛强度的关联度,采用灰色模型拟合了城市集群化发展指标对气温和热岛强度的平均拟合相对误差分别为2.7%和7.0%,说明该模型可以较好地拟合城市集群化发展指标对气温和热岛强度的影响。     

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。     

北京城市边界层热岛的日变化周期模拟

用非静力平衡的中尺度模式MM5来模拟北京冬季的热岛。模式采用三重嵌套网格,最高水平分辨率为3 km。在模式中加入分辨率为200 m×200 m的实测北京建筑物高度和地表利用资料,并将下垫面的城市人为热源分为常数部分和日周期变化部分。数值模拟结果显示:MM5模式对这次北京的热岛及热岛环流具有较好的模拟能力。考虑了日周期变化的人为热源作用的数值试验模拟出的热岛的日变化比将热源单纯考虑为常数与实况更接近,这表明加入与实际情况相符的人为热对模拟有改善。     

海风发展对模式初始场依赖的敏感性试验

本文建立了一个二维的中尺度静力模式，考虑了长短波辐射，湿凝结和土壤等物理因子，用六种典型的初始风场对海风发展作了敏感性试验，发现至少有一部分中尺度系统发生发展的结构与性质可以不依赖于初始场的中尺度特征，而是由局地中尺度强迫作用决定的。但是，中尺度系统的强度与位置仍然受初始场的影响。     

泰山地形对一次局地强降水过程动力作用的数值模拟分析

文章针对2005年9月2日发生在济宁郭楼镇的一次泰山背风下游区局地特大暴雨过程（438 mm/7 h）,利用济南SA雷达资料和WRF中尺度数值模式资料,分析了泰山山区地形造成的对流层中低层大气动力过程及其对暴雨中尺度系统的影响,开展了地形敏感性数值试验。结果表明：对流层低层回流南下的东北气流受鲁中山区地形影响,水平方向发生绕流,垂直方向被迫抬升,从而在泰山背风向的暴雨区附近形成准定常的绕流汇合区和重力波扰动区,两项作用强迫的垂直运动,与天气系统辐合区共同作用触发该地区的对流活动,并使移入该地的对流系统增强和维持。改变地形后引起低层风场和散度场变化,进而影响降雨带中的强降水落区和强度,但对主雨带的分布无明显影响。     

渤海湾海风锋触发雷暴的观测和模拟分析

利用天津多普勒天气雷达观测资料和中尺度数值模式,对比分析了2007年8月13日海风锋触发雷暴天气的发生、发展演变特征。结果表明,数值模拟和多普勒天气雷达观测海风锋起始生消时间、形态特征和位置基本吻合。数值模拟能够更清晰地显示海风锋的物理量特征,也能反映出海风锋前端是东南风和东北风交汇的辐合带,在850 hPa以下向内陆推进过程中呈气温降低和湿度增加的特点,并逐渐形成增厚的热内边界层。从水汽和温度的水平分布来看,海风锋前端为温度和湿度等值线的密集区,海风锋背后为冷湿气团。另外,虽然未能模拟出阵风锋的细线回波,但模拟出阵风锋为干冷气流。雷暴四周均存在低层辐散下沉气流,只是雷暴主体前部阵风锋的辐散气流较强,而多普勒天气雷达仅能观测雷暴主体前部的阵风锋。多普勒天气雷达探测海风锋与阵风锋碰撞后,在碰撞交叉处形成雷暴天气,数值模拟揭示了碰撞交叉处形成雷暴天气的物理量特征,即:有明显的垂直运动和散度特征;广义理查逊数的分布特征也较显著,其厚度在1.0 km左右,CAPE值明显增加。     

对流性强降水的数值模拟研究

利用中科院大气所改进的三维强降水对流云数值模式，在证明该模式可较好地模拟对流性强降水的基础上，对1998年7月21日晨发生在武汉的梅雨锋强降水个例进行模拟，深入分析云体结构、降水量等特征，研究暴雨形成的云物理机制。作为对比，另外选取了陕西旬邑的一个强降水个例进行模拟。模拟结果表明，武汉个例云发展较稳定，雨水的形成主要是暖雨过程，冷雨过程对雨水的增加有促进作用，地面无固态降水，雨滴直径、大雨滴浓度相对较大。虽然云中最大上升气流速度、各种降水粒子最大含水量以及瞬时最大雨强等都不如旬邑的强对流云个例强，但累积降水量却比旬邑的大。通过人为改变低层大气湿度的模拟结果发现，这次强降水的长时间维持与低层充沛的水汽供应密切相关。     

盛夏杭州湾一次海风锋触发雷暴的数值模拟分析

利用常规气象观测资料、多普勒气象雷达资料、浙江省自动站加密资料、NCEP/FNL再分析资料,结合高分辨率中尺度数值模式WRF对杭州湾地区2016年7月28日一次海风锋触发雷暴天气的发生、发展演变特征进行数值模拟。结果表明:1)海风锋是此次强雷暴天气过程的主要触发系统。2)中尺度模式WRF较好地模拟出此次雷暴过程的降水和低层风场、温度场分布以及海风锋水平垂直结构。3)海风锋对局地比湿及涡度特征的加强有明显的促进作用,为雷暴的发生发展提供有利的水汽和动力条件。4)分析对流参数演变曲线的突变位置,对雷暴发生的时间有一定的指示和预报意义,杭州湾南侧单纯的海风锋也可以触发雷暴的发生发展。     

不同云微物理方案对青藏高原一次强降水的模拟影响分析

利用WRF模式中三种云微物理参数化方案(Lin、Eta和WSM6)对青藏高原一次强降水过程进行模拟试验,将模拟降水结果与实测资料进行对比,以评估不同云微物理参数化方案对该区域降水过程的模拟性能。结果表明:三种方案均能够模拟出此次降水天气过程的发生,但在主要降水区域和降水强度两方面仍与实测资料存在偏差;在水凝物方面,三种方案对冰粒子的模拟较接近,Lin和WSM6方案模拟的雪粒子差异较大,但霰粒子无明显差异。进一步对比分析了Lin和WSM6方案模拟的云微物理转化过程,结果表明:这两种方案都表现出了霰向雨水转化的特点。在Lin方案中,通过水汽向霰粒子凝华、霰碰并水汽凝华生成的雪粒子以及霰碰并云水这三种过程生成的霰粒子最终融化为雨水。而在WSM6方案中,一方面水汽凝结成云水,云水被雪和霰粒子碰并收集转化为霰,之后霰融化为雨水;另一方面水汽凝华为冰粒子,一部分冰转化为雪,雪直接融化为雨水或转化为霰融化为雨水,另一部分冰转化为霰,霰融化为雨水。      

WRF微物理方案对四川一次强降水模拟的影响

云物理过程是中尺度数值模式中最重要的非绝热加热物理过程之一,成云降雨过程发生以后通过感热、潜热和动量输送等反馈作用影响大尺度环流,并在决定大气温度、湿度场的垂直结构中起着关键作用,也是人们最为关心的降水预报的关键所在。因此在中尺度数值天气预报模式当中,更加准确的描述云物理过程将能够很大程度上提高模式预报降水能力。本文利用WRF模式,对2010年7月14~18日四川一次强降水过程进行了3组数值模拟实验,每组实验采用了不同的微物理参数化方案。方案的选取上主要采用了WRF模式3.0版本后加入的几种新方案,包括(1) WDM6方案(2) New Thompson方案(3) SBU-YLIN方案,在其他参数设置均相同的情况下,首先详细分析了在整个降水过程的各个阶段,3种方案下模式模拟结果与实况的差异,以及3种方案结果之间的差异。认为在降水初期,WDM6方案的模拟结果对比实况来看盆地东部降水中心偏南,而New Thompson方案和SBU-YLin方案模拟的雅安地区降水中心强度和范围都过大,但对于盆地东部的降水中心模拟较好,New Thompson方案对广元地区的降水模拟较实况偏弱。总体看来,New Thompson方案和SBU-YLin效果相当,WDM6略差。在大范围降水产生的时期,3种方案模拟的效果与实况都非常接近,只是各方案对乐山宜宾一线雨带的模拟都有不同程度的加强,使得这一线成了整个区域的最强的中心,其中SBU-YLin方案加强最大,New Thompson方案次之,而实际过程中这一时期最强中心还是在川东北一带。WDM6方案模拟降水强度与实况最为接近,但中心偏东。其中7月16日18时~17日06时是各方案模拟效果最好的一个时段。3种方案给出的的模拟结果相差并不大,较难得出哪种方案的结果最好的结论,但可以初步看出,对于本次降水量级的模拟来讲,WDM6方案模拟降水的量级较好,较少出现模拟过强的现象,而SBU-YLin方案通常模拟的降水中心强度都要大过实际;从降水落区上来看,SBU-YLin方案的表现较好,WDM6方案则有一定偏差。在这两方面New Thompson方案都介于以上两方案之间。最后初步分析了各方案模拟所得的水相参量,主要包括水汽、云水、云冰、雨、雪和霰粒子的混合比,认为造成各方案之间降水差异的原因,主要是各方案处理云水粒子的差别造成。