回流暴雪过程的诊断分析和数值试验

华北回流天气是预报中的难题,尤其是对其产生降水的开始和结束时间和华北回流的性质研究不多。作者使用NCEP再分析资料、实时观测资料和中尺度模式MM5,对一次回流暴雪过程进行了诊断分析和数值试验。通过分析和试验得出了一些有意义的结果:回流降水的开始和结束与高低层的风向有关,中高层的西南气流与低层偏东气流叠加时降水开始,两者之一消失降水结束;低层经渤海回流到华北地区的气团是干冷的;回流降水的水汽伴随中层的西南气流来自南方地区。这在实际业务预报中具有很好的指示意义。     

一次山东半岛强冷流暴雪过程的数值模拟和诊断分析

利用NCEP/NCAR再分析资料,应用WRF中尺度数值模式对山东半岛2008年12月4—6日的冷流暴雪天气过程进行了数值模拟,利用模式输出的时空分辨率较高的资料,对此次冷流暴雪的特征及其产生的物理机制进行了分析。结果表明,这次暴雪产生在西北气流、较大海气温差的背景条件下,一定的海气温差是冷流暴雪的重要指标;冷流暴雪产生在较强垂直上升运动区的相当位温高值区附近;水汽输送方向为西北—东南向,水汽辐合层比较浅薄且范围狭窄;降雪分布具有明显的南少北多的特征;850 hPa湿Q矢量散度场辐合区的存在、位置及强度与暴雪的产生、落区及强度具有较好的对应关系;湿Q矢量分量的垂直分布揭示了次级环流的方向和强弱,暴雪位于次级环流的上升支附近。     

天山地形对新疆强降水天气影响的数值模拟研究

2009年5月24日夜间~26日夜间,新疆地区自西向东出现了明显的降水、大风、降温天气过程。为研究此次天气过程中天山地形的作用,本文用WRFV3.1模式对其进行了数值模拟,并通过改变天山山脉的地形高度设计了一组敏感性试验没,分析了天山地形对此次强天气过程中大风和降温的影响作用。结果表明,（1）天山山脉的地形作用是此次强降水天气过程在天山山区形成暴雨的主要原因之一;随着地形的升高,雨带在天山迎风坡一侧的带状分布特征越明显,迎风坡一侧的降水量极值越大;地形的抬升作用对暴雨在山脉迎风坡一侧的降雨量有明显的增幅作用,对其雨带分布也有显著影响;（2）天山山脉对5﹒25强降水天气过程中的西南暖湿气流有明显的分流与阻挡作用。天山山脉将西南暖湿气流分为南北两支,使北支的水汽混合比极大值减小,湿区范围增大;使南支的水汽混合比极大值增大,湿区范围增大。（3）天山山脉的地形抬升作用为5﹒25强降水过程在天山山区发生暴雨天气创造了水汽的垂直上升运动条件,对昆仑山北坡暖湿气流的垂直上升运动的也有一定的贡献作用。     

暴雪数值模拟研究进展

简要回顾目前国内外暴雪数值模拟研究的方法和成果,认为近年来众多学者在暴雪研究中,主要采用数值模拟诊断分析和敏感性试验对比分析方法取得了显著成果,其科研进展主要包括环境场因素、触发因素、中小尺度特征和微物理特征。但由于暴雪成因的复杂性和特殊性,其发生发展的宏观、微观物理机制还有待深入研究。     

"96.1"高原暴雪过程湿对称不稳定的数值研究

利用一次较成功的模拟了“９６．１”青藏高原东北部暴雪过程的ＭＭ４中尺度模式输出资料,根据条件对称不稳定（ＧＳＩ）的非线性理论判据对这次暴雪过程进行了诊断,结果表明,ＣＳＩ是“９６．１”暴雪发生和发展的一种动力机制。在诊断的基础上,用非线性对称不稳定和非纬向非平行期流对称不稳定模式对“９６．１”暴雪发生发展过程的动力学机制进行了数值试验,结果指出：用两种方法进行数值模拟时,都会出现对称环流,不仅ψ场     

大连地区一次区域暴雪的特征分析和数值模拟

利用多普勒雷达资料和GTS1型数字式探空仪探测资料,分析了2006年2月6～7日大连地区暴雪过程的回波演变和要素分布特征。结果表明,降雪期间,多普勒雷达显示为20～25 dBz的层状云,回波高度不超过3 km,对流层中下层的高空冷暖平流是产生强降雪的主要原因。采用中尺度非静力模式MM5对暴雪过程进行了数值模拟,模式较好地模拟了这次过程强降雪中心的强度、位置及强降雪的变化时间。这次降雪的主要影响系统是高空槽和地面华北气旋。诊断分析了强降雪的动力和热力特征及降雪期间的中尺度特征和云物理过程。高空槽前的西南暖湿气流提供了有利的水汽条件,高空辐散和低层辐合相叠置及高空正涡度的下传,有利于垂直上升运动的加强和地面华北气旋的发展。降雪前的增暖增湿与北方冷空气的楔入使大连位于sθe能量锋区和水汽辐合区内,有利于强降雪的产生。中尺度气旋性涡旋系统的形成和发展是强降雪产生和维持的有利因素,中尺度系统维持时间相对短暂。降雪期间,云中水成物的相态分布与温度密切相关,这次降雪过程只有气、固两相粒子作用。冰相粒子主要维持在600～300 hPa,其下部与雪区相对应。冰相粒子发展加强,地面降雪增大;冰相粒子减弱消失,降雪减小停止。     

“0703”东北暴雪成因的数值模拟研究

利用常规观测资料以及中尺度数值模式MM5V3.7的模拟结果,对2007年3月3-5日东北地区罕见暴雪过程成因进行了分析.结果表明:高低空垂直切变明显和高层辐散与低层辐合相配置导致的强上升运动,以及中低层深厚的正涡度产生和维持是强暴雪形成的动力机制;干冷空气侵入是产生暴雪的触发因素;北上低涡东侧的偏南气流携带来自东海和南海两个源地的充沛水汽直抵东北地区,是产生东北暴雪的重要原因之一.     

太行山和山东半岛地形对冷流暴雪的影响分析

用WRF模式模拟了2005 年12 月6-7 日山东半岛一次冷流暴雪过程,通过降低太行山地形高度至10 m和抬升山东半岛地形高度至500 m的敏感性数值试验,分别分析了上游太行山和本地山东半岛地形对山东半岛冷流降雪的影响。结果表明：太行山对山东半岛冷流降雪的强度起到了加强的作用,降低太行山地形高度的敏感性试验在山东半岛北部10 m风场辐合强度较同时次控制性试验明显减弱,减弱的区域主要在山东半岛北部地区,其他区域变化不明显;同时敏感试验的流场在山东半岛的辐合也有所减弱,流线密度要疏散些。850 hPa西北风越过太行山后在背风面产生波动,波动中的气旋性小涡旋移至山东半岛后,加强了山东半岛本地的辐合强度。抬升山东半岛的地形高度后,地形的抬升辐合作用增强,故冷流降雪的强度也得到增强。     

霰粒子参数对强对流云降水和催化影响的数值模拟研究

本文利用三维对流云AgI催化模式, 开展了霰粒子密度和落速参数的敏感性模拟试验, 以研究高凇附度时霰粒子参数的选取对催化模拟结果的影响。敏感性试验中对七个霰微物理过程进行了调整。分析发现改变霰落速参数和霰密度, 可以引起3小时模拟的总降水量增加4.9%。催化后改变了敏感性试验中霰落速和上升气流的配置, 并影响到霰碰并云水和冰晶的过程, 及霰融化成雨水的过程。在高凇附度云中如果只增加霰密度而没有增加相应的落速系数, 将使云中霰含量大幅增加。霰参数也影响了自然云和催化云的降水效率。过量催化使得催化云的降水效率低于自然云。增加霰密度的同时也增加霰落速系数, 将使其降水效率高于对照试验, 从而影响催化效果。在高凇附度云中采用大密度和较大下落系数, 并且利用比数浓度平均落速计算霰粒子比数浓度的下落过程, 会使催化效率从25%减少到15%, 极大地改变催化效果。所以在高凇附度的暴雨个例中, 应当采用高霰密度和相应的高霰落速, 否则减雨的催化效果将会被大幅夸大。     

2011年初湖南暴雪过程的成因和数值模拟分析

利用多种观测资料及NCEP再分析资料,对2011年1月1720日湖南一次大范围暴雪过程进行了诊断分析,并使用WRF模式对其云微物理特征及降水相态转换机制进行数值模拟,旨在探讨本次强雨雪过程降水相态变化和暴雪形成及其发展成因。结果表明：乌拉尔山前部南下的冷空气与来自孟加拉湾及南海的暖湿气流在湖南长时间交汇产生锋生强迫,在静止锋区上界形成强辐合上升运动,是湖南大范围暴雪天气持续的主要原因;强烈的上升运动和持续的水汽辐合为本次暴雪过程提供了动力、水汽条件,“冷空气楔”上爬升的暖湿气流维持时间较长,是持续性大范围暴雪产生的重要热力条件;WRF模式能较好地模拟降雪量级及强降雪落区。雪粒子的产生和发展不仅与液水比含量大小有关,还与其上空冰晶的含量及分布密切相关,雪的凝华增长、冰晶向雪的自动转化和雨水与雪碰并成雪可能是本次降雪发生、发展最主要的物理过程,冰雪粒子大值中心及强上升运动区对预报强降雪带位置有较好的指示作用。     

山峰加热效应的数值试验研究

已有的资料分析和理论研究表明,山峰加热效应是形成冬季兰州市白天脱地逆温的主要原因。本文利用中尺度数值模式MM5,从数值试验角度研究了兰州市白天温度场和环流场的结构特征。模拟结果表明:冬季,白天日出后的皋兰山峰相对于周围空气是一个热源,在环流场的配合下,皋兰山峰的暖空气向市区上空输送,与河谷温度较低的冷空气形成了白天的脱地逆温;理想"削山"试验的结果表明,山峰海拔越高的山体,加热效应越明显,山谷城市的大气逆温强度和稳定度随着山峰海拔高度的降低而减小。数值试验结果进一步验证和补充了观测和理论分析的结论。     

土壤干旱化对短期气候影响的数值模拟

用加进了奥勒冈州立大学陆面模式(OSULSM)的美国PSU／NCAR第五代中尺度模式(MM5)进行了减少土壤含水量对短期气候影响的模拟试验,目的在于探讨我国北方干旱化对短期气候的影响。试验结果表明,对整个模拟区域月降水总量没有明显的影响,但对不同地区有明显的影响。对月降水量较大地区的影响表现为使月降水量有一定程度的减少,而对月降水量中等以下地区的影响则相反,使月降水量略有增加。分析结果表明,其原因是土壤含水量减少会造成地面潜热通量减少、感热通量增加和陆面温度增高,最后生成一个浅薄的偏差热低压。这个偏差热低压在对流层低层有偏差辐合上升气流与之相配合,在对流层中层以上则与偏差辐散下沉气流相伴。这对于浅薄的降水系统的发展是有利的,但对于强大而深厚的降水系统的发展则不利。     

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。     

地表动量通量对一次华南前汛期降水影响的数值模拟

利用ARPS模式,对一次华南前汛期锋面降水进行了数值模拟和敏感性试验,探讨了动量通量对降水的影响机制。结果表明,去掉地表动量通量对降水率可产生正、反两方面的影响,并大致可分为两个阶段,在积分的前一阶段,动量通量为零区域上空的急流核风速增大,其左前方的辐合区和涡度的强度也相应增大,从而导致降水率增大;而在后一阶段,动量通量为零的区域上空埃克曼抽吸减弱,边界层内的辐合强度和垂直上升运动也相应减弱,从而导致降水率减小。     

长江中下游一次暴雪冻雨微物理过程模拟研究

根据NECP1°×1°客观再分析资料和常规观测资料,利用中尺度数值模式WRF对2008年1月25—29日长江中下游暴雪冻雨过程进行了数值模拟,结果表明：WRF模式可以很好地模拟出此次强降雪过程高低空环流形势演变特征以及降水带的分布。分析表明,中层西南急流对暖湿空气的输送以及低层冷空气的持续扩散为暴雪和冻雨的发生提供了很好的温度层结条件。云微物理过程特征分析表明,此次暴雪冻雨过程存在多种云系共同降水,中低空600—850 hpa强逆温层尤其是0 ℃层的存在使得雪、冰晶等冰相粒子融化形成过冷却水,是大范围冻雨形成的必要条件,同时也是区分大范围冻雨暴雪形成的重要条件。     

阿尔泰山中部树轮宽度年表特征及其气候响应

利用阿尔泰山中部地区3个采样点的树轮宽度资料,建立年表,对比3个树轮宽度标准化年表（STD）相关特征参数及年表与气候的响应,结果表明：大东沟（DDG）年表和二道房子（EDF）年表的平均敏感度和信噪比等参数均较大,表明2个年表含有较丰富的气候信息。2个年表的显著性水平达到0.01的自相关大多在4阶以内,表明气候对阿尔泰山中部树轮宽度生长的影响主要表现在当年及其后的3 a,其＂滞后效应＂较明显。位于阿尔泰山中部森林中下部林缘的大东沟树轮宽度年表（DDG）与上年11月-当年4月的降水量有显著的正相关（r=0.503,p〈0.001）;而位于阿尔泰山中部森林上树线附近的哈依萨萨依树轮宽度年表（HYS）对当年6-7月的月平均最低气温有明显的正相关（r=0.462,p〈0.001）,但同时与当年1月的降水有很好的响应。     

北方一次强沙尘暴过程的诊断分析和数值模拟

利用NCEP再分析资料、地面观测资料和中尺度数值模式MM5V3,对2009年4月22-24日强沙尘暴过程的近地面气象要素变化特征进行了分析和数值模拟.结果表明,沙尘暴发生前后温、压和风速均出现了剧烈变化;蒙古气旋和冷锋是这次强沙尘暴过程的主要影响系统.温度平流、涡度平流、垂直速度及位涡在气旋发展、演变过程中起重要作用.模拟的地面环流形势显示,模式对地面气旋的演变特征及地面大风模拟的较好,并指出地面大风区与沙尘暴有较好的对应关系.     

一次蒙古气旋型强沙尘暴的数值模拟试验

利用沙尘数值预报模式对一次典型的蒙古气旋沙尘暴过程进行了数值模拟试验,结果表明:模式对沙尘区范围、强度及蒙古气旋不同发展阶段沙尘暴的强度、位置和演变进行了较成功的模拟。这次过程沙尘主要源于蒙古国南部及我国内蒙古中、西部荒漠化地区,沙尘以细中粉沙为主(d≤22μm)。模式模拟的沙尘暴日变化强于实况,其原因是模式没有考虑沙尘气溶胶辐射反馈机制。沙尘气溶胶的辐射强迫将削弱大气层结的日变化,从而有利于沙尘暴强度的维持。     

一次华北暴雨过程中“质量强迫”的数值模拟

在暴雨系统中,大量降水会造成湿空气质量的亏损,这种湿空气质量亏损对暴雨系统的发生、发展有一定的强迫作用,称之为"质量强迫".本文首先从理论上通过对连续方程进行修改,重新推导了ARPS模式中考虑质量强迫作用的扰动气压倾向方程,并利用该模式对一次华北冷锋暴雨过程进行质量强迫作用的数值模拟试验,详细分析了质量强迫引起的云微物理过程的变化.对比分析表明:(1)质量强迫项影响系统的降水量.在本文个例中,质量强迫项起主要作用的高度在5.75 km左右,使得大气产生了由该层向上、向下的运动调整,其中向下的运动调整不利于低层对流的上升运动,减弱了系统的对流强度,导致中心降水量有所减少.(2)云水场的分布与质量强迫项的分布吻合较好;降水率的变化和质量强迫项的变化趋势相似,且在5.75 km高度上表现明显;降水粒子下落末速度项是引起质量强迫项变化的主要原因.(3)湿空气质量场发生改变将使局地气压发生变化,这种变化又使动力场发生相应的调整,产生辐合、辐散及垂直运动.反之,运动场的调整也影响到气压场的调整,它们之间将是一个相互影响的过程,近而对天气系统发展强度产生较明显的作用.(4)对对比试验中模式控制方程各项的差别分析发现:造成扰动气压局地变化项差的主要原因是由散度项差与垂直速度项差共同作用造成的,其中,质量强迫项差起了间接的作用;造成水汽及云水物质局地变化项差的主要原因是微物理源汇项差,其次是降水粒子下落末速度项差.     

云微物理参数化对华北降雪影响的数值模拟

对发生在华北地区的一次降雪过程进行了中尺度数值模拟。结果表明,高纬强冷空气南下和低纬倒槽的水汽输送是造成这次长时间降雪过程的主要原因。采用混合方案的中尺度数值模拟表明,这次降雪天气不是对流云造成的,而是稳定性的非对流云降雪。敏感性试验也表明,采用其他积云参数化方案对模拟的降雪量基本没有影响。控制试验模拟的24h降雪量与实际观测比较吻合。模拟结果表明,当采用Dudhia简单冰相方案时,会有过多的云冰、过冷却水及雪;当采用Reisner 1混合相方案时,会有过多的云冰和雪;修改的各个Reisner 2方案对此次降雪的预报改进不大,但各个Reisner 2方案的敏感性试验中云冰混合比、过冷却水混合比和雪混合比稍微有差异。