梅雨锋结构的数值模拟

利用1999年6月下旬持续性梅雨锋降水过程的全程四维同化模拟结果,深入分析梅雨锋结构的时空不均匀变化特征及其与低涡降水强度的密切关系。结果表明,梅雨锋呈现明显的中层锋和边界层锋两段锋的特征,中层梅雨锋区对降水的影响比边界层锋更为关键,中层锋的加强、锋坡增大趋于垂直、锋区垂直环流的加强和与高空急流锋区的上下贯通,有利于梅雨锋降水的加强,强降水并不出现于中层锋区最强的时段,而是发生于大范围锋区强度达峰值之后约16—24 h。中低层总变形加强与梅雨锋的加强有密切关系。组成低空急流的中低层u,v分量呈现不同的分布和演变特征,强南风中心位于900—800 hPa,呈明显的低空急流状特征,贴近暴雨区还可能出现较小尺度的急流;而强西风中心出现于中层锋前700—500 hPa,表现为高空强西风区沿锋区上界的向下延伸;低空南风急流通常与总变形同时加强。强锋段的锋前饱和高湿高能气柱、锋前中低层急流状南风区和中层西风均匀大值区等要素场呈现高度组织化的特征。梅雨锋的低层特性,如辐合、锋区强度、总变形和南风分量及降水强度等要素呈现显著的中尺度扰动特征,有明显的日变化且受长江中下游中尺度地形影响,扰动特征有随时间上传的趋势。     

梅雨锋及其低空急流的数值模拟

使用二维锋面模式研究了东亚梅雨锋的结构与特征,并讨论了湿度和地面通量对梅雨锋的影响及其有关的低空急流。     

一次梅雨暴雨过程的数值模拟

利用中尺度10层湿模式对一次梅雨暴雨过程作了数值模拟,较好地模拟了次天气或中间尺度系统的演变。由模拟结果分析表明: 1.形成暴雨的次天气或中间尺度系统的演变,雨带、暴雨中心位置和强度变化在低层涡度场上反映最清晰。与暴雨中心直接关联的是低层正涡度中心。这次过程中,两次正涡度中心的东移形成了前、后两次降水。 2.当低层正涡度中心移近或叠置在高层负涡度中心之下时,其强度增强,中层上升运动与暴雨也加强。它们是流场上高、低空急流之间动力耦合作用的结果。 3.雨区上空,边界层顶附近存在着一个主要表现为湿度逆增的湿暖盖——θ_(?e)高值中心。它与强风暴中的暖盖不同。此湿暖盖的形成和维持与西南急流输送暖湿气流有关。它的存在不仅有利于暴雨区水汽和能量的辐合,还有利于积云尺度对流的不断诱发,而且它的存在更构成了中层为不稳定,低层为稳定这一对流层的层结结构特点,从而使不稳定的对流降水叠加在稳定性降水之上,构成了梅雨锋大暴雨。     

一次梅雨暴雨过程的数值模拟

运用中尺度暴雨MRM模式,采用常规报文资料作为初始场,对2003年7月8-10日的一次江淮地区暴雨过程进行数值模拟。结果表明：该模式对降水场模拟结果同实况基本相似,模式对暴雨的位置、强度、中心都有较好的模拟,嬲评分较高;西南气流对水汽的输送作用及江淮地区上空水汽通量的高值区,为暴雨的形成与维持提供了重要的水汽条件,水汽辐合区与暴雨落区相对应;中低层辐合、高层辐散的散度垂直分布形势,对暴雨的发生提供了十分有利的动力条件;强降雨出现在低层正涡度中心和负散度中心附近。     

梅雨锋暴雨数值模拟中地形的作用

通过WRF模式对2003年7月9日至10日梅雨锋暴雨天气过程在有、无地形情况下数值模拟的结果的分析,探讨了地形对梅雨锋暴雨的影响。研究表明:在有地形的模拟中,模拟的结果较好地再现了梅雨锋降水过程、主要影响系统和梅雨锋的结构;而无地形的模拟中,模拟的雨带偏南,强降水范围偏大,降水系统偏南。地形对梅雨锋暴雨的作用是由于地形减弱了北方冷空气的强度。     

"03.7"江淮梅雨锋暴雨中尺度系统的数值模拟研究

应用非静力中尺度数值预报模式MM5,对2003年7月4～5日的江淮梅雨锋暴雨过程进行了24h模拟,结果较好地再现了中β尺度暴雨系统的发展过程.进而利用时空分辨率较高的模式输出资料,对与这次暴雨过程相伴随的中β尺度系统的结构、生消变化状况及其可能的形成机制进行了研究.研究结果表明,梅雨带上强烈发展并东移的多个中β尺度对流系统,是造成这次江淮暴雨最直接的影响系统.在对流系统发展初期,锋生强迫下的次级环流加强了锋生区附近大气低层的风向风速辐合,它与对流活动有正反馈作用.对称不稳定可能是中β尺度系统发生发展的一种重要机制,在中β尺度系统发生的弱对流不稳定区,湿位涡的斜压项mpv2起了主导作用.     

一次梅雨锋大暴雨过程的数值模拟分析

利用区域大气数值模式RAMS 6.0,模拟了2008年6月9-10日发生在我国长江中下游地区的一次梅雨锋大暴雨过程。结果表明,模式能较好地再现这次大暴雨过程以及中小尺度系统的生消演变。在这次大暴雨过程中,高低空流场的恰当配置、三支气流在长江中下游的汇合及低涡沿切变线东移等都为大暴雨的形成提供了有利的大尺度环流背景。低涡内生成的一系列中尺度对流系统沿梅雨锋稳定地向东北偏东方向移动并发展,是造成这次长江中下游地区大暴雨的动力机制。孟加拉湾到我国西南地区稳定的南支低槽和副热带高压外围发展旺盛的西南气流输送,为这次暴雨过程提供了充沛的水汽。     

一次非典型梅雨锋暴雨过程及其中尺度系统的数值模拟

利用常规观测资料, 卫星观测的高时空分辨率TBB资料以及客观分析资料, 对2002年6月22~23日(“02.6”)一次非典型的梅雨锋暴雨过程进行了天气分析。在此基础上, 利用中尺度数值模式MM5对此次梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟, 并分析了暴雨中尺度系统的结构特征。结果表明： （1）天气分析显示, “02.6”梅雨锋暴雨过程与α中尺度低涡的东移发展和对流层低层的两支低空急流的增强发展有关。对流层低层700 hPa为一个缓慢东移与南压的东北西南向冷式切变线, 暖式切变线不太明显, 这与通常的江淮切变线梅雨锋暴雨不同。对流层500 hPa的副热带高压非常强, 高层200 hPa对流层高层的反气旋环流非常强并与高空急流相伴, 南亚高压中心位于我国江南地区。（2）TBB资料分析表明, 此次暴雨过程产生与多个β中尺度系统合并发展成α中尺度系统以及此后从α中尺度系统中不断分裂出β中尺度系统发展演变密切相关; 强中尺度对流系统主要在中尺度低涡冷、 暖切变线的的南侧发生和发展, 并不是在中尺度低涡的冷暖切变线上发展。（3）垂直结构分析显示： 在中尺度系统开始发展阶段, 中尺度系统具有强的垂直于剖面的风分量切变、 低空急流核以及高空强辐散低空强辐合, 这有利于中尺度系统的发展; 当中尺度低涡发展到相对成熟的阶段, 其后部不断分裂出中小尺度系统, 对流层低层的θe具有明显暖心结构, 由于气块绝热上升冷却效应比对流潜热释放作用强, 导致在800~600 hPa层上 θe比环境的低, 加之在强上升运动的顶部两侧的下沉补偿气流也比较弱, 这不利于中尺度低涡的维持。     

三次梅雨锋大暴雨过程的数值模拟分析

我台以ＳＧＩ工作站为计算平台，建立了中尺度数值预报系统（ＪＭＮＦＳ）。本文则应用该系统对１９９６年６月２８日，７月３日、７月１４日三次梅雨锋上发生波动后发展成江淮气旋，在江淮地区造成大暴雨和区域性暴雨的过程进行了数值模拟分析，揭示了产生暴雨的天气系统结构特征物理机制和一些预报上的启示。     

模式垂直分辨率对梅雨锋暴雨数值模拟的影响

利用中尺度数值模式MM5(V3),对2003年7月7日~8日发生在武汉地区的一次梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟。采用经过简化处理的基于矢量模的双参数最优化处理方法,对模式大气进行了垂直分层。在水平分辨率不变的情况下,数值模式的垂直分层分别采用25层和36层进行了对比模拟试验。模拟结果表明,水平分辨率达到较高的精度后,粗的垂直分辨率会放大模式中地形的作用,造成数值模拟雨带落区的偏差;要得到比较好的模拟结果,需要相应的提高数值模式的垂直分辨率。水平分辨率与垂直分辨率的不协调,会在水平方向上产生虚假的重力波,影响数值模式的模拟结果。     

梅雨锋暴雨过程中两支雨带的数值模拟

利用中尺度模式（ＭＭ４）对１９８１年６月２７日江淮地区梅雨锋暴雨过程进行数值模拟,取得了与实况比较一致的结果,成功地模拟出南北两支中－α尺度雨带,在此基础上利用模式输出资料进行中尺度诊断分析,揭示了这次天气过程的中尺度结构特征。重点探讨两支雨带形成和维持的机制。并通过干湿对比试验讨论了积云对流潜热反馈作用。研究表明：在这次过程中南、北雨带主要是由于重力惯性波频散、高低空急流耦合等共同作用下的结果。     

梅雨锋上三类暴雨特征的数值模拟比较研究

中国暴雨的地域性、时间性特征明显,尤其是暴雨多发区--长江流域,沿江不同地段暴雨成因各异.为综合研究长江不同地域暴雨特征和形成规律,利用我国新一代暴雨数值模式AREM对梅雨锋东端(116°E以东)初生气旋类暴雨、β中尺度深对流类暴雨和梅雨锋西端"北槽南涡"类暴雨的典型个例进行了数值模拟.通过诊断分析和比较研究,初步揭示了三类暴雨在结构和形成机制等方面的主要差异.结果表明:(1)梅雨锋上生成并发展的α中尺度气旋是造成梅雨锋东端初生气旋类暴雨的系统.强盛时,系统的垂直上升运动伸展不高,正涡度柱、辐合层以及最大加热和增湿均位于中低层.(2)β中尺度深对流类暴雨发生时梅雨锋区的南北温差很小.在低空辐合风场作用下,强位势不稳定能量的释放导致了β中尺度深对流系统的发生与发展.强盛时,系统的正涡度柱和上升运动柱贯穿对流层,深厚的辐合层达到了中层,最大加热出现在中高层.(3)"北槽南涡"类暴雨是在青藏高原大地形作用下高低空系统有利配置的结果."北槽南涡"的天气系统配置有利于低层辐合的加强和位势不稳定能量的释放,使低层涡旋向中高层强烈发展.强盛时,系统的正涡度柱贯穿对流层,积云对流发展强烈,最强上升运动和最大加热层都位于中层.     

低纬环流系统对江淮梅雨暴雨影响的数值模拟

利用有限区域细网格模式与Ｔ４２Ｌ９谱模式进行三维嵌套，对１９９１年７月１０－１１日０８时江淮梅雨暴雨过程作了数值模拟，探讨了低纬环流系统和由其形成的水汽输送通道对江淮梅雨的影响。结果表明：孟加拉湾水汽源地及其西南季风水汽输送通道的贡献大于南海水汽源地及其东南季风水汽输送通道；两个水汽源同时存在，对江淮梅雨暴雨引起非线性叠加增强；台风环流和季风低压环流强度的变化对江淮梅雨暴雨有重要作用。     

梅雨锋降水性云的数值模拟——用暖云数值模式估算和分析梅雨锋降水的尝试

本文将江淮地区梅雨期的持性层探空资料和相应云区的增强显示红外云图参量值输入改进的一维半非常定暖云数值模式进行了数值试验。仅对其中三类不同降水强度的模式云的发生发展过程及其演变特征作了数值分析,并提出了一种用云模式的输出雨量(模式雨量)来预测梅雨锋降水量的简单方法。结果表明,本文云模式在研究梅雨锋降水性云的宏、微观结构和估算梅雨锋降水量等方面有一定使用价值。     

梅雨锋降水性云的数值模拟--用暖云数值模式估算和分析梅雨锋降水的尝试

本文将江淮地区梅雨期的持性层探空资料和相应云区的增强显示红外云图参量值输入改进的一维半非常定暖云数值模式进行了数值试验。仅对其中三类不同降水强度的模式云的发生发展过程及其演变特征作了数值分析,并提出了一种用云模式的输出雨量(模式雨量)来预测梅雨锋降水量的简单方法。结果表明,本文云模式在研究梅雨锋降水性云的宏、微观结构和估算梅雨锋降水量等方面有一定使用价值。     

GPS折射率资料在梅雨锋暴雨数值模拟中的应用

运用WRF三维变分同化系统同化GPS掩星折射率资料,并应用到2007年7月4—6日梅雨锋暴雨个例中进行数值模拟试验,以此考察GPS掩星折射率资料在梅雨锋暴雨数值模拟中的应用。同化结果表明：GPS掩星折射率资料对初始资料的调整主要是中低层湿度场,对于温度场和高度场的调整都是从底层到高层逐渐增大;加入GPS掩星折射率资料对降水预报有所改进,这与中低层湿度场的初始调整有关系;从对模拟结果进行诊断和结构分析中可以发现负散度增量和正涡度增量与降水中心和区域有很好的对应,同化资料之后对于各降水中心地区增强了产生降水的动力条件。     

一次梅雨锋暴雨的数值模拟及位涡诊断

为了探讨暴雨与湿位涡场分布特征之间的关系,利用NCEP 1°×1°间隔6 h的再分析资料,通过计算湿位涡（MPV）的垂直分量(MPV1)和水平分量(MPV2),对华北一次暴雨过程的湿位涡场进行了诊断分析。结果表明：此次暴雨发生在对流层低层等θ_se线密集带内,降水前对流层低层MPV1 < 0、MPV2 > 0,暴雨区存在对流不稳定和斜压不稳定;暴雨区位于对流层低层MPV1、MPV2正负过渡带的等值线密集带内,有利于水汽辐合和垂直涡度的加强;主要降水期间,850 hPa层MPV1起主导作用,MPV1负值增大、MPV2正值减小,降水后期,MPV1 > 0、MPV2几乎为0,大气层结接近对流稳定。低层湿位涡中心的时空分布与暴雨的发生和落区有很好的对应关系。

     

一次梅雨锋暴雨的数值模拟及位涡诊断

在对2005年7月11—12日发生在长江中下游地区的一次暴雨过程进行天气分析的基础上,利用MM5数值模式对这次暴雨过程进行模拟,模拟结果及客观分析对比表明,MM5基本上成功地再现了这次暴雨过程。对模式输出的高分辨率结果进行诊断分析,发现梅雨锋暴雨期间,暴雨区上空对流层中低层有平行于雨带的位涡（PζV）、湿位涡垂直分量（MζPV1）的正值区以及湿位涡水平分量（ζMPV2）的负值区,而分布在高层相当位温（eθ）线密集带上PζV、ζMPV1正值中心以及ζMPV2负值中心沿该密集带传向低空。干空气侵入在这次暴雨过程中有重要作用,对流层高层西风分量下传将高纬高层高位涡干空气带到低纬暴雨区低层,促使对流层低层对流发展,从而产生强降水。     

一次梅雨锋特大暴雨过程分析及数值模拟

利用常规观测资料、NCEP、卫星、雷达和地面加密观测等资料,对2010年6月1 7 20日江西北部一次罕见大暴雨过程进行天气动力学诊断分析、中尺度分析和WRF模式模拟分析。结果表明：（1）这次罕见大暴雨是一次典型梅雨锋暴雨,是在极为有利的天气形势下导致的强β中尺度系统强烈发展所致。500hPa东亚大槽槽后冷平流与强盛稳定的副高西北侧西南气流汇合,导致冷暖交汇带在江南北部维持。（2）冷暖交汇带的稳定和西南暖湿气流的异常强盛,使暴雨的水汽、动力、热力条件十分充足,非常有利于触发中小尺度对流系统强烈发展。（3）强盛水汽及辐合上升运动、低层西南急流加强、中层弱冷空气活动、对流不稳定层结加剧、地面辐合线维持少动、β中尺度强低涡形成并维持、高层强辐散等多种因素的共同组合叠加作用导致了特大暴雨发生。（4）数值模拟分析显示,19日08时β中尺度低涡形成与暖湿气流和弱冷空气共同作用有关;该低涡垂直厚度在550～950hPa之间,850和900hPa最强;并在该低涡南侧出现一串近东西向排列的30～60km更小尺度的强对流系统,它们与特大暴雨区相吻合。     

一次梅雨锋暴雨云物理特征的数值模拟研究

利用中尺度数值模式MM5（V3.6）,选用模式中不同的显式云物理方案,对2003年7月4—5日发生在江淮流域的梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟,并根据模拟结果对造成此次暴雨过程的对流云团的微物理特征进行了分析。研究结果表明：(1)具有详细云物理过程的中尺度模式MM5对短时强降水过程具有较好的模拟能力,提高MM5模式的分辨率,可以更好地模拟短时梅雨锋暴雨过程,模式中的Goddard云物理方案的模拟结果要优于Reisner方案和Schultz方案。（2）梅雨锋对流云团是一种复杂的固、液、气三相混合体结构,在云体区域内的平均质量密度分布中,水汽的质量密度最大,其次是霰,而冰晶、雪、云水和雨水的质量密度较小且数值大小彼此接近,各种相态粒子质量密度峰值出现的高度随时间无明显变化。雨水、云冰和霰的质量密度随时间演变规律与地面降水强度的变化特征相一致,近地面层水汽密度随时间的演变规律比地面降水强度提前1—2个小时,水汽通量的辐合对暴雨时段内水汽的补充和维持起到了重要的作用。（3）除了最基本的云水向雨水转化的云微物理过程之外,此次降水过程还显示,在中层500—700 hPa范围内雪、冰晶等冰相粒子首先转化为霰粒子,而霰和云水的结合进一步加速（剧）云水向雨水的转换,成为短时特大暴雨形成不可或缺的动力机制,云物理过程中的相变潜热与对流运动的正反馈机制是促进暴雨维持和发展的最重要热力因子。