复杂地形与锋面系统共同作用对台湾岛暴雨影响的数值分析

应用MM5V2数值模式输出的高分辨率资料对在复杂地形和锋面系统共同作用下台湾暴雨发生的水汽、垂直速度、低空急流等物理量场的中尺度特征进行了分析。表明地形是使锋面降水加强．最终形成暴雨的主要原因。在地形作用下，速度场、湿度场都具有比较稳定的局地特征，台湾岛迎风区保持着比背风区大的湿度场，流场表现为一个地形性中尺度环流。随着锋面系统的不断靠近，局地特征表现为加强和减弱两个阶段。发现迎风坡的低空急流主要是由地形引起的，它的南北向分布不均使空气发生了辐合上升运动，与地形和锋面引起的上升运动叠加，在地形迎风坡形成了一个垂直速度的大值区。有地形比无地形的降水明显加强。     

地形与城市环流共同作用下的β中尺度暴雨

从中尺度天气动力学理论入手, 利用尺度分析的方法, 得到了地形与城市热岛共同作用下的β中尺度暴雨的一系列理论特征。利用北京地区稠密的地面观测网资料以及分布于距暴雨中心区不同距离的两部风廓线仪观测资料, 通过分析2006年夏季发生的3次β中尺度暴雨酝酿、 发生、 发展、 维持过程中的气温、 降水、 风场的配置关系, 对β中尺度暴雨的部分理论特征进行了验证。主要结论: (1) 由城市热岛形成的水平温度梯度有可能在靠近城区的山前迎风坡强迫产生相对独立的中尺度风的垂直切变, 由此产生的低空风的垂直切变是维系中尺度对流降水发生、 发展的重要条件。另一方面, 一旦迎风坡出现强降水, 将形成吹向迎风坡的风速与降水强度之间的正反馈现象, 这种正反馈过程对β中尺度暴雨的形成过程起到了重要作用; (2) 地形越靠近城区, 山前越容易形成强的水平温度梯度, 进而越容易出现低空风的垂直切变。形成强低空风的垂直切变的响应时间取决于水平温度梯度的强度; (3) 地形坡度越大的地方, 产生的上升运动越强, 中尺度系统的水平尺度越小, 对于地形坡度较为平坦的地方, 更有利于产生水平尺度较大的中尺度系统; (4) 一般情况下, 地形与城市热力过程造成的中尺度暴雨过程多发生于傍晚前后或凌晨前后。     

辽东半岛和山东半岛地形对黄、渤海大风影响的数值模拟试验

利用WRF模式和地形有无的2种试验方案,对2010年11月26—27日由东移发展的蒙古气旋引发的黄、渤海偏南大风转偏北大风天气过程中,辽东半岛和山东半岛地形对大风强度和分布的影响进行了数值模拟试验。(1) 辽东半岛地形对渤海偏南大风和黄海北部偏北大风、山东半岛地形对渤海海峡和黄海北部的偏南、偏北大风均有增幅作用。其中,渤海东北部偏南大风及山东半岛东北部海域偏北大风增幅最大达4 m/s,而山东半岛东北部海域偏南大风和辽东半岛东部海域偏北大风增幅都为2 m/s。(2) 地形作用加大了海岸线附近的垂直运动和温度梯度,有利于黄、渤海中尺度强风区的形成和发展。特别是,在辽东半岛东部和山东半岛东北部造成了强风中的极大阵风。(3) 地形的强迫作用局部改变了黄、渤海沿岸强风区的分布。地形强迫产生与环境风场同向的扰动时,风力局部增大;反之,风力局部减弱。      

河西走廊一次特强沙尘暴的热力动力特征分析

使用NCEP再分析资料、高空和地面观测资料对2010年4月24日发生在河西走廊的一次特强沙尘暴天气进行了热力和动力作用诊断分析。结果表明:沙尘暴发生前,感热通量达最大值,湍流运动增强,增加了大气的不稳定性;大风沙尘暴发展和强盛期与动量通量大值区对应,动量通量对沙尘向上输送起了重要作用;在强锋区附近,地转关系被破坏,大风沙尘暴大气主要出现在变压梯度大,即变压风大的区域,变压风是产生地面强风的主要成分;河西走廊这次沙尘暴过程有明显锋生活动,锋生过程使锋面次级环流加强;水平螺旋度负值中心值越大,近地面层风速越大,大风沙尘暴天气主要出现在水平螺旋度负值中心前方与零值线之间;在河西走廊上空,高空急流沿等熵面穿越等位势高度面下滑到2000gpm,形成偏西风低空急流,低空急流的形成和维持在大风沙尘暴过程中起到关健作用。     

新疆铁路沿线最强风区大风特征对比分析

利用2015-2018年新疆境内兰新铁路沿线32个大风监测站逐小时风速资料,基于统计学方法、空间分析法,从平均大风日数、大风历时、不同风速的贡献率以及平均风速不同时间尺度和地域分布的变化特征等,对兰新铁路新疆段内两个最强风区带——百里风区和前百里风区的大风特征进行统计和对比分析。结果表明：较之百里风区,前百里风区更易出现极端大风天气（大于11级风）,同时具有风速"昼弱夜强"、地域分布差异性大、主导风向与兰新铁路运行方向基本垂直以致横风强劲等特点。该分析结果能够有效弥补前百里风区这一无人区气象规律探索的空白,可为探明特殊地域强风区大风最新变化规律、关键区的大风逐小时内精细化预报、专项试验研究、风速灾害预警阈值的制定等提供基础。     

地形对于气流运动影响的数值研究

建立了二维、非静力平衡的数值模式，研究地形对上游气流的阻挡以及大振幅背风波谷与下坡风的形成。结果表明：地形的阻挡效应受地形高度、大气层结及地形非对称性等因子的影响。数值试验与理论分析都证明地形越高、层结越稳定时阻挡作用越强；同样条件下，迎风坡坡度大的地形容易对气流形成阻挡。此外，分析了地形高度、大气层结、地形非对称性以及基本入流大小对背风波谷及下坡风强度影响的规律，并通过一次实际观测对数值模拟结果进行了检验。     

一次暴风雪过程中的中尺度重力波特征及其影响

应用地面自动气象站观测资料、数字化多普勒天气雷达探测资料和WRFV2.2.1中尺度数值模拟资料,分析了中尺度重力波与基本气流的相互作用,以及重力波活动对暴雪和大风天气的重要影响。结果表明,在波导中传播的中尺度重力波能够与基本气流进行动量交换,使得对流层中上层4.5—8 km气层内的水平平均风速趋于均匀,形成斜穿整个对流层的饱和湿空气急流,即"湿急流"。在高空急流出口区激发的垂直向下传播的重力波,使基本气流的水平风速在垂直方向上出现了加速和减速的交替变化,水平风加速的气层,反射率增大;水平风减速的气层,反射率减小。随着波动下传及其随基本气流的移动,反射率回波强度沿高空风的方向(由西南向东北)出现周期性变化,回波带呈西北—东南走向,强回波中心之间为宽约40 km的弱回波区。重力波下传期间,当地面气压迅速下降时,东北风快速增长,风向有明显的改变,反射率强度开始减弱;气压脊线过后,反射率降低到最低点。地面大风中心出现在反射率回波强度周期性变化的地带,沿西南—东北方向间隔着分布。雷达探测表明,对流层低层风速在风向切变层上下边界对称相等,因此推测在重力波与切变层汇合的高度层存在垂直环流,由风切变层上下边界附近的西南气流和东北气流与受重力波影响形成的垂直方向上的上升和下沉气流共同组成。切变层上方的动量通过垂直环流的下沉支到达地面,强风中心对应着下沉气流,出现在降水回波开始减弱之际。     

洱海盆地一次冬季大风演变特征及其机制模拟分析

利用WRF模式耦合Noah陆面模式和CLM湖泊模式,对2015年1月23日大理地区洱海盆地的大风天气进行模拟,对大风的发展期、强盛期和减弱期的三维动力热力结构特征进行分析,并得出了洱海盆地大风形成机制:在洱海盆地大风发展期,高空以西风为主,盆地中部上空1km高度处出现局地小气旋,地面以偏东风为主,高空偏西气流翻越苍山形成波动扰动,在背风坡侧形成空腔区和二次涡,低层形成了波不稳定区域,波不稳定区域发生波破碎,波破碎区域湍流运动活跃,把上层的能量往下传播。大风强盛期,盆地南北侧高空为两支西风气流控制,中部变为弱的辐散场,造成高空扰动,苍山东侧近地面浅薄逆温层消失,低空逆温层之上温度廓线几乎垂直上升,大气层结处于不稳定状态,有利于高空动量向下输送。大风减弱期,高空西风减弱,扰动消失,湍流动能耗散,地面风速逐渐减小。     

克拉玛依大风数值预报中的重力波拖曳方案应用研究

新疆克拉玛依地区位于背风坡,长期受翻山气流形成的局地大风影响。该地区日常大风预报业务主要依托克拉玛依气象局的精细化数值预报系统,为进一步完善该系统的预报效果,本文开展了重力波拖曳参数化方案应用试验,对比分析了三组试验方案:不开启重力波拖曳、只开启外层区域重力波拖曳以及两重嵌套设置下均开启重力波拖曳的结果。试验结果表明:在克拉玛依大风预报个例中,对于山区地形背风坡处的克拉玛依站,不启动重力波拖曳会导致风速偏大和起风时间较早;开启外层重力波拖曳方案可以延迟克拉玛依站起风时间,两重区域均开启可以进一步延迟该站的起风时间,使起风时间更接近实况;对于非山区地形背风坡处的站点,在内层开启重力波拖曳会导致一定的负效果;对内层区域的统计检验结果表明不开启重力波拖曳,会使地形复杂区域风场预报存在一定的正偏差,在外层开启重力波拖曳会使正偏差有一定改善,而两重嵌套均开启重力波拖曳方案会导致非地形陡峭区域的负偏差增加。综合全区域内大风预报检验结果表明,只在外层开启重力波拖曳会获得最小的误差和较好的预报效果。     

新疆西部一次极端暴雨事件的成因分析

利用常规观测、FY-2G、地面加密自动站和NCEP/NCAR(0. 25°×0. 25°)再分析资料,对2016年7月31日至8月1日新疆西部出现的一次极端特大暴雨过程进行分析。结果表明:暴雨发生在南亚高压单体型和"两脊一槽"稳定环流形势下,暴雨区位于200 h Pa高空西南急流入口区右侧、700 h Pa低空偏东急流前部、500 h Pa偏南急流及700 h Pa辐合线附近。除中亚低槽自身携带的水汽外,在极为有利的高、中、低纬环流系统配合下孟加拉湾、南海和西太平洋向暴雨区输送的丰沛水汽也是此次极端特大暴雨的重要水汽来源。暴雨区西、东、南边界水汽输入均起着重要作用,尤其是西边界和东边界,占水汽输入总量的78. 4%。暴雨区上空高低空急流的配合以及纬向风的水平切变和经向风的垂直切变为暴雨区辐合上升运动和中尺度系统的产生和发展提供有利条件。中尺度对流云团生成后在引导气流的作用下不断向北移动发展,是造成暴雨的直接系统。发展、移动的低空急流、切变线、风场辐合线和地形辐合线及自天山迎风坡向北分布的多个具有强上升支的中尺度垂直环流不断将水汽和能量向上输送,经500 h Pa槽前强偏南气流向北输送至暴雨区上空。中低层暖平流、风切变和天山地形对天山迎风坡暴雨中尺度系统的产生和向上强烈发展有重要的作用。     

超级单体引发的一次大风风速估算及其机理探讨

基于地面、高空、雷达探测资料和GFS再分析资料,对一次超级单体引发的大风风速进行估测,并探讨大风的形成机理。研究表明:①伴随着大风天气的发生,地面气温快速下降、比湿减少;大风的发生与风暴单体的发展程度和中气旋强弱在时间上具有一致性,风向分布与中气旋的旋转方向相同;大风地点发生在大尺度背景下垂直速度下沉区域。②风速具有随着不同等级径向速度面积增加而增加的现象,用其可以大致估算风力等级。③多单体的合并使得风暴单体变强,成为超级单体风暴;通过动量下传,促使空中大风快速下沉至近地层辐散,使之成为地面大风的形成机制之一。④由于中等雨量的拖曳作用,将中层大气拖曳至近地层;地面气温显著降低,表示环境负浮力的增大,加强了中层大气的下沉运动。⑤风暴合并、动量下传、降水拖曳和环境负浮力增加以及风暴后部下沉气流等共同作用引起了地面大风。     

柳州盛夏一次下击暴流特征分析

2021年8月3日柳州市出现一次伴有短时强降水和下击暴流的强雷暴大风天气过程。利用观测资料以及柳州自动站分钟级数据、雷达、风廓线等资料,对此次过程中下击暴流的成因进行分析。结果表明：①此次过程是在大陆高压与热带辐合带间中低层为一致东北气流的背景下,弱垂直风切变与强不稳定能量、深厚干空气源、近地面的干绝热递减等有利环境条件下,由地面中尺度辐合线抬升触发的。②下击暴流初始回波具有脉冲风暴特征,之后发展成多单体风暴;下击暴流发生前有反射率核心下降,低层入流及中层径向辐合增强等特征,其垂直结构表现为低层辐散、中层辐合、中高层辐合旋转。③地面大风出现前风廓线雷达风场有明显高空动量下传和低层风速减小,大风出现在低层风速开始增强时刻,早于低层风速最强时。④下击暴流的产生与降水粒子的拖曳作用和负浮力有关;地形作用使得强对流回波沿地形运动,且下坡地形与峡谷效应对极端大风的形成有叠加作用。     

复杂地形强降雪过程中垂直运动诊断分析

利用WRF模式对2018年11月30日伊犁河谷和天山北坡强降雪过程进行数值模拟,并分析复杂地形强降雪过程垂直速度和垂直动能变化机制。研究表明,冷锋过境造成地表气压升高,干空气气柱质量增大,从而导致垂直气压梯度力和干空气气柱浮力发生变化,进而引起垂直运动发生发展。垂直速度局地时间变化主要取决于扰动垂直气压梯度力、水物质拖曳力和扰动干空气浮力。在天山北坡,气流过山时,迎风坡的扰动垂直气压梯度力较大,扰动干空气浮力较小,二者合力促进上升运动;在背风坡,扰动垂直气压梯度力和扰动空气浮力形成向下的合力,产生下沉加速度,导致背风坡下沉大风。扰动垂直气压梯度力做功和扰动干空气浮力做功情况基本相反,背风坡扰动垂直气压梯度力和综合强迫做功项抑制垂直动能,扰动干空气浮力和水物质拖曳力做功项增强垂直动能。此外,扰动垂直气压梯度力和扰动干空气浮力做功项主要出现在中低层,水物质拖曳力做功项主要位于低层,平缓地形处的综合强迫做功明显小于地形复杂处。     

新疆西部一次大暴雨形成机理的数值模拟初步分析

2016年7月31日至8月1日新疆西部发生了一次罕见的大暴雨过程,利用常规观测资料、FY-2G卫星TBB（Black-Body Temperature）资料和NCEP/NCAR（1°×1°）再分析资料,在天气尺度环流背景和中尺度系统分析的基础上,利用WRF（Weather Research and Forecasting）模式对此次大暴雨过程进行了高分辨率数值模拟,利用模拟资料对大暴雨的形成进行了分析。结果表明:此次暴雨发生在稳定维持的"两脊一槽"环流形势下,巴尔喀什湖低槽、高空偏西急流、低空偏东急流和近地面辐合线是造成此次大暴雨过程的主要天气系统。中尺度云团沿近地面的辐合线在天山迎风坡附近不断生成,云团生成后,在向东北方向移动过程中,经过伊犁地区上空时,受天山地形抬升影响不断发展增强,造成伊犁地区出现持续性较强降水。天山迎风坡附近持续较长时间的辐合线是造成此次新疆西部大暴雨的直接中尺度系统,其生成与低层风场辐合、低空急流和地形均有关系。低层辐合引发的垂直运动在地形迎风坡附近加强,风场辐合及地形抬升共同导致强垂直运动发展并维持,类似于"列车效应",不断生成的尺度更小的对流系统沿着辐合线持续移过新疆西部的伊犁地区,是该次暴雨持续的重要原因。     

2018年5月天山南坡两次翻山大风成因对比分析

利用高空、地面常规探测资料及ERA-interim 0.25°×0.25°再分析资料,对2018年5月7日和24日影响天山南坡的两次翻山大风天气进行诊断分析。结果表明:500 hPa两脊一槽的经向环流是两次大风的环流背景,西南—东北走向的冷槽、300 hPa高空急流、低空急流、巴尔喀什湖冷高压、南疆盆地热低压是主要影响系统;强的水平气压梯度力和地形产生的下坡效应是主要原因,对流层中层强冷平流侵入南疆是造成大风天气的重要热力条件;大风最强时段与经向垂直环流圈出现时间、维持时间有较好对应;大风期间,天山山区附近500～800 hPa有强烈锋生现象,自低到高呈现向北倾斜的结构。     

一次罕见黄渤海大风天气成因分析

利用气象常规资料、风廓线资料和NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料,对2015年10月1日黄渤海罕见大风天气成因进行分析。结果表明:较强冷空气与快速发展的入海气旋相互作用形成强气压梯度是导致此次海上强风的主要原因。对流层中低层强冷平流区与地面变压风大值区有较好的对应关系。上下相接的整层冷平流有利于地面形成强气压梯度和变压梯度。气压梯度在大风形成的初期起主导作用,变压梯度有利于强风的维持。本次过程出现明显动量下传现象,大风形成初期,500~1000m出现低空动量下传并影响地面风场,高空槽过境后,2000m以上的高空动量能够影响地面风场。风廓线观测到低层强风并伴有强的下沉运动,可以作为海上大风临近预警的指标之一。     

一次寒潮强风天气过程分析

１９９５年１１月７日出现的寒潮强风天气过程是由于冷空气不断堆积产生强的气压梯度风,地面迅速加压产生强变压风,冷高压脊前高空动量下传产生强的动量下传风所谓三风合一的所造成。影响范围之广,持续时间之长均为历史上所罕见。     

新疆“2.28” 大风的中尺度数值模拟

受西西伯利亚较强冷空气入侵的影响,2007年2月28日02时,乌鲁木齐开往阿克苏的5807次旅客列车,在新疆三十里风区遭遇狂风,造成11节车厢脱轨侧翻。使用WRF模式对这次大风天气过程进行了数值模拟。结果表明：WRF模式较好地模拟了三十里风区大风的演变和分布特征,对逐时风速的模拟较实况偏小,但变化比较同步;很大的气压梯度和特殊的地形是大风形成的主要原因,狭管效应和下坡风同时存在。