川西西南涡加密探空资料分析及数值模拟试验

本文利用2010年夏,在名山、九龙、稻城三地进行的西南涡加密观测试验所取得的探空资料对川西地区的大气要素场的日变化特征进行分析,认为:3个测站的大气各个要素场的日变化特征明显,整层的风都具有日变化特征,边界层内风场的日变化更为规律一些,能观测到明显的夜间大风速带。温度和湿度场主要受下垫面影响,日变化特征只在边界层内体现。名山平均的边界层高度约为800hPa,九龙和稻城平均的边界层高度约为500hPa。3个测站相比而言,名山站的日变化幅度最小,而九龙站最为突出。将加密的探空资料引入AREM模式中,可以看到在有西南低涡存在的情况下,增加3个探空站资料后形成的初始场更有利于降水天气的产生。但主导整个模拟结果的因素还是模式系统本身,它对模拟结果产生效力主要在前24小时,其后的影响非常微弱。     

空间加密探空观测资料对西南低涡暴雨天气过程数值模拟的影响

本文基于AREM（Advanced Regional Eta Model）模式,结合中国气象局成都高原气象研究所西南低涡加密观测科学试验得到的探空观测第一手资料,通过对2012年7月3～4日四川区域性暴雨天气过程（20120703过程）进行数值模拟分析,结果表明:（1）降水雨带的分布主要取决于西南低涡移动路径,不同初值会使得低涡路径在磨合协调期产生强摆动,稳定后则在此基础上,随着环境流场继续移动发展。（2）引入4个加密探空站点资料会对整个大气物理量场造成一定影响,最大差值分布在这些站点附近,热力和动力物理量场最大偏差中心并不重合。时间演变直观地说明了初值对局地大气状态的影响时段有限,主要集中在前期,与模式自身调整期相重叠。（3）初始的大气状态必然会随着模式的磨合过程进行调整,不同初值在调整期能对中小尺度低涡系统的位置及强度产生影响,形成各自稳定的低涡系统初态。（4）低涡中心所对应的散度、涡度、垂直速度关系非常密切,但三者强度和发展高度的演变并非完全一致。     

加密探空资料同化对北京地区边界层数值模拟的影响

基于2016年8月28日至9月2日在北京市宝联站、朝阳站、大兴站获得的逐3 h加密探空资料,利用WRF V3.9.1模式和WRF-3DVar系统,对北京地区大气边界层进行数值模拟试验,研究加密探空资料同化对边界层数值模拟的影响。结果表明:同化形成的分析场较背景场更接近观测值,更能表现边界层内真实大气的热力、湿度状态及动力特征。位温、比湿、纬向风、经向风、风速分析场的均方根误差分别较背景场的减少了86%、59%、24%、44%、19%,体现出同化的较强修正作用。加密探空资料同化的预报效果在模式积分6 h内最好,之后同化作用的大小及范围逐渐减弱。加密探空资料同化对边界层内大气湿度状态在整个预报时段内均有改进,对边界层内大气热力状态的改进持续6 h,对于边界层内大气动力特征的改进,纬向风改进较多,经向风和风速不明显,这与风的自身属性、北京市的复杂地形有关。另外,加密探空资料的站点数在空间水平方向上比较少也是导致同化在分析场的改善作用明显但是效果难以持续较长时间的原因之一。     

一次大暴雨过程中高原低涡与西南低涡相互作用机制探讨

对2007年7月16-19日高原低涡东移形成的川渝地区大范围大暴雨过程,利用自动气象站雨量资料、常规观测资料、FY-2C TBB云图资料和T213分析场资料,采用天气动力学和中尺度诊断方法,分析了大暴雨的形成机制.结果表明:此次大范围大暴雨过程是高原低涡诱发西南低涡发展从而形成耦合系统造成的,其垂直上升运动气柱和涡柱的耦合发展与维持是低涡发生发展并产生持续性强降水的动力机制,对流层下部深厚不稳定层结的形成和维持是低涡发展并形成持续对流性降水的热力层结条件.     

西南涡加密探空资料对模式初值及西南涡路径的影响

本文基于AREM模式,将高原所的西南涡加密探空资料引入模式作为初值后,进行敏感性试验,通过对比分析后发现:(1)在初值中引入加密探空资料后,四川东北部地区700hPa位势高度普遍偏低,西南部也略有偏低,而与之相反的是西北地区(甘肃)上空的位势高度场则多表现为偏高状态。700hPa高度上温度场以偏低为主,越靠近高原东侧边坡地带,偏差越显著,而川东北部地区则显示为正温度偏差。川西高原及边坡地带整层水汽含量显著偏少,而川北地区却偏多。正风速差值多出现在低涡西侧区域。(2)低涡路径的强波动主要发生在模拟前期,此后的低涡路径则是在前期磨合协调状态的基础上继续移动发展从降水分布来看,低涡停滞时间越长,降水量则越大。      

一次高原低涡诱发西南低涡耦合加强的动力诊断分析

利用2013年6月29日—7月2日期间逐6 h的NCEP 0. 5°×0. 5°全球预报场再分析GFS (Global Forecast System)资料,对一次引发特大暴雨的西南低涡和高原低涡耦合贯通加强过程进行动力诊断分析,结果表明:西南低涡和高原低涡耦合区上方在不同阶段均维持正涡度柱,呈现低空辐合和高空辐散的特征,并伴有强烈上升运动。垂直运动在耦合开始阶段最强,正涡度柱在耦合强盛阶段显著增强,高原低涡和西南低涡耦合贯通后,改变了涡度的垂直特征。西南低涡发展维持的涡动动能主要源于水平通量散度项和涡动动能制造项,摩擦耗散项和垂直通量散度项是其主要消耗项。高原低涡发展维持的涡动动能主要源于垂直通量散度项和区域平均动能与涡动动能之间的转换项,涡动动能制造项出现负值是其涡动动能减弱的主要原因。耦合期间强烈垂直运动将西南低涡的涡动动能向高原低涡输送,西南低涡对高原低涡发展维持有重要动力作用。     

一次东移型西南低涡的数值模拟及位涡诊断

利用非静力中尺度模式WRF对2011年6月16-18日引发强降水的一次东移型西南低涡过程进行了数值模拟,结果表明,WRF模式较成功地模拟了此次西南低涡所引起强降水的范围和移动。低涡首先在低层850 hPa形成,9 h之后在700 hPa出现闭合低涡,发展成熟。西南低涡的初生和成熟阶段在对流层低层都维持与正涡度和高位涡中心相耦合的动力结构,并伴有上升运动;在成熟阶段,上升运动、正涡度柱和高位涡柱明显加强、发展至对流层高层(300 hPa)。低层水汽通量散度对降水带的强度和移动都具有较好的指示意义。位涡收支诊断分析表明,非绝热作用项的垂直结构与垂直通量散度项相反,潜热释放造成的非绝热作用项有利于低层位涡增长、抑制高层位涡增长,对西南低涡的生成、发展有重要作用。     

同化MWHS-2/FY-3C资料对一次西南涡暴雨数值模拟的影响研究

利用WRF模式及WRFDA同化系统,循环同化风云三号微波湿度计资料（MWHS-2）,对2019年6月4日四川西南涡暴雨天气过程进行数值模拟试验。结果表明：WRF模式成功预报出本次暴雨天气过程,同化MWHS-2观测资料对模式初始场盆地中东部的相对湿度有明显调整,较控制试验对盆地降水的模拟结果更接近于实况,不仅改善了700hPa低涡模拟路径与实况路径的差距,也改善了模拟结果中850hPa西南涡在盆地东部打转的虚假活动路线。整个过程中水汽辐合区与强降水区有很好的对应关系,强降水主要出现在700hPa低涡东南侧偏南气流气旋性曲率最大值区与850hPa低涡切变南侧的重叠位置。     

加密探空资料在GRAPES同化系统中的试验结果分析

利用GRAPES₃Dvar系统,分别对2011年发生在四川境内的两次强降水个例进行了加密、常规探空资料的同化对比试验。结果表明,试验的各同化变量的平均、最大调整幅度都随高度增加而增加;通过对两个个例各个同化变量的增量场水平分布的分析可见,试验B主要对四川地区造成影响,试验C的影响区域分布在整个积分区域内,而试验D与试验C的各同化变量增量场分布相似,但它对四川地区各同化变量增量的调整幅度更大;另外B、C、D三组试验的降水预报相对控制预报都有所改善,试验D的预报更优,降水强度与降水落区预报与实况更为接近。     

一次西南涡路径预报偏差分析及数值模拟

2008年7月21-23日,在川东的西南涡移出后东北上.参考各数值模式对22-23日西南涡路径预报后,河南省气象台于21日发布暴雨预报,出现了落区偏差.为加深对西南涡移动路径机理的认识,利用常规和NCEP资料,从大气环流、热力、动力等方面对这次西南涡移动路径特征进行探讨;对数值预报产品作天气学检验;利用WRF模式对本次过程进行模拟.结果表明:(1)这次西南涡呈现南掉-东北上-东东北再东北上的曲折路径;(2)低涡结构显示了中尺度特征,涡度轴向、K指数等对低涡的移动路径有指示意义;(3)由于过于依赖数值预报,加之对东北南下冷空气影响考虑不足,是造成这次低涡路径预报偏差的主要原因;(4)WRF模式对这次低涡路径有较好的预报能力.     

引发暴雨天气的中尺度低涡的数值研究

2008年7月17—19日发生在山东的大到暴雨天气是由“海鸥”台风和副热带高压共同向山东输送水汽,与弱冷空气相互作用造成的。对流层低层的中尺度低涡是暴雨天气的直接制造者。利用常规观测资料和中尺度模式WRF（Weather Research and Forecasting）的模拟资料对该中尺度低涡的结构及形成机制进行了分析研究。结果表明,数值模拟可以清楚地捕捉到中尺度低涡东移过程中有新的涡旋中心形成,并与原来的涡旋中心合并的过程,而不是简单的沿切变线东移。中尺度低涡形成在增温增湿明显、上升运动为主的对流区内;中尺度低涡形成后其中心转为下沉运动,对流区东移,降水区位于低涡的东北和东南象限。中尺度低涡上空近地面层的冷池、600～400hPa的弱冷空气堆、900～850hPa的弱风区及高低空急流耦合发展是中尺度低涡形成和发展阶段的重要特征。中尺度低涡减弱阶段,下沉运动变强,低空急流和高空出流都明显减弱。涡度方程的收支表明,对流层低层的散度项、倾侧项及对流层中层的水平平流项和铅直输送项是正涡度的主要贡献者。中低层的水平辐合、涡度由低层向高层的垂直输送都有利于中尺度低涡的形成和发展。倾侧项对中尺度低涡的形成也有重要贡献。中尺度低涡形成后期,低层辐合、高层辐散及垂直输送的减弱导致正涡度制造的减弱,从而使中尺度低涡减弱。     

Evaluation of radar and automatic weather station data assimilation for a heavy rainfall event in southern China

To improve the accuracy of short-term(0–12 h) forecasts of severe weather in southern China, a real-time storm-scale forecasting system, the Hourly Assimilation and Prediction System(HAPS), has been implemented in Shenzhen, China. The forecasting system is characterized by combining the Advanced Research Weather Research and Forecasting(WRF-ARW)model and the Advanced Regional Prediction System(ARPS) three-dimensional variational data assimilation(3DVAR) package. It is capable of assimilating radar reflectivity and radial velocity data from multiple Doppler radars as well as surface automatic weather station(AWS) data. Experiments are designed to evaluate the impacts of data assimilation on quantitative precipitation forecasting(QPF) by studying a heavy rainfall event in southern China. The forecasts from these experiments are verified against radar, surface, and precipitation observations. Comparison of echo structure and accumulated precipitation suggests that radar data assimilation is useful in improving the short-term forecast by capturing the location and orientation of the band of accumulated rainfall. The assimilation of radar data improves the short-term precipitation forecast skill by up to9 hours by producing more convection. The slight but generally positive impact that surface AWS data has on the forecast of near-surface variables can last up to 6–9 hours. The assimilation of AWS observations alone has some benefit for improving the Fractions Skill Score(FSS) and bias scores; when radar data are assimilated, the additional AWS data may increase the degree of rainfall overprediction.     

由台风低压倒槽引发的山东暴雨过程研究

2004年8月26—28日发生在山东省的大到暴雨过程主要是由“艾莉”台风减弱的低压和西风带冷空气远距离相互作用造成的,台风倒槽的发展与低空东南气流的加强及台风低压外围热量和动量的向北输送密切相关。采用双向三重嵌套网格非静力模式MM5对这一过程进行了数值模拟,研究了台风倒槽的中尺度结构特征,并通过涡度收支探讨了台风倒槽及中尺度低涡发生发展的物理过程。结果表明,强降水是在台风倒槽顶部强风中心与弱风中心之间的强辐合作用下触发的,台风倒槽的增强和中尺度低涡的形成是低空急流及其动力作用的结果,降水的非绝热加热也起着重要作用。涡度方程的收支诊断表明,对流层低层的散度项、对流层中层的水平平流项和铅直输送项是正涡度的主要贡献者,在同一等压面上散度项和水平平流项的作用是相反的。对流层中层铅直输送项的贡献为正,扭转项为负贡献,涡度变化的总趋势是它们相互作用的净结果。等压面上相对涡度的变化趋势并不是均匀的,中尺度低涡的东南象限相对涡度局地变化较强,这是强降水发生在此的重要原因。低层正涡度的增加是由水平辐合引起的,而高层正涡度的增加是涡度由低层向高层垂直输送的结果。因此台风倒槽的发展和中尺度低涡的形成主要是由于低层的涡度制造,另一方面来自中低层涡度的垂直输送。     

一次西南涡特大暴雨的中尺度诊断分析

采用LAPS中尺度分析模式大气资料,对2008年7月一次西南涡暴雨过程进行天气学降水运动的中尺度诊断计算与分析。诊断计算包括：可降水量、层结不稳定能量、对流可降水量、水汽权重平均风速、水汽通量散度、云水、云冰总量及其通量散度和垂直速度与凝结函数降水率等。结果表明：“西南涡-切变线”系统的暴雨发生在暖湿气团与变性冷气团之间的中尺度风场辐合上升运动区,中尺度雨团发生在层结不稳定的暖湿气团一侧。计算的中尺度垂直运动与凝结函数降水率场,降水率为暴雨到特大暴雨。计算的水汽通量辐合降水率与凝结函数降水率不会完全重合,且水汽通量辐合既可致中尺度“雨”,又可成大尺度“云”,并且云水、云冰通量辐合/辐散,可解释为它们的“正”/“负”碰并增长,而碰并增长产生水凝物增量（降水率）也促成大暴雨。因此,在凝结函数降水率场中产生的中、小尺度对流雨团,加上水汽与云水、云冰通量辐合及其碰并增长,并且借助层结不稳定能量释放和可能产生的强迫“次级环流”及水汽与云水、云冰输送,是这次“西南涡-切变线”系统造成襄樊特大暴雨的天气学成因。     

WRF-EnSRF系统同化多普勒雷达资料在多类型强对流天气过程的数值试验

利用自主构建的基于风暴尺度的WRF—EnSRF（weather research and forecasting ensemble square root filter）系统同化实际多普勒雷达资料,检验该同化系统在包括飑线、超级单体风暴和多单体风暴3个不同结构类型的强对流天气过程的同化效果,并考察了初始场扰动时不同强度的位温和水汽扰动对集合离散度以及同化效果的影响。结果表明,在3个个例中该同化系统均表现出有效的同化能力,各分析结果均比较合理,径向速度和反射率因子分析的增量均方差在经过24min同化后分别下降到3～5m／s和10dBz,并维持至60min同化结束。预报场集合离散度和同化效果对热力场的扰动强度比较敏感,适当增加初始扰动时位温和水汽的扰动强度有利于提高集合离散度和改善径向速度的分析效果。     

降水资料同化在梅雨锋特大暴雨个例模拟中的应用研究

利用暴雨数值预报模式AREM,以2009年6月29日发生在长江中下游地区的一次梅雨锋特大暴雨过程为例,以NCEP预报场为背景场,首先开展了不同化任何资料(无同化试验)以及分别利用GRAPES-3DVAR同化系统和局地分析预报系统(LAPS)同化地面、探空资料的3组数值试验,然后进一步开展了降水资料一维变分同化方法在GRAPES-3DVAR同化系统及LAPS系统中二次同化的效果研究,结果表明:(1)采用GRAPES-3DVAR系统同化地面、探空资料的数值试验,其降水预报效果不如无同化试验结果;而采用LAPS资料同化系统同化地面、探空资料的数值试验,其降水预报效果优于无同化试验结果,即就本个例而言,GRAPES-3DVAR同化系统对背景场的修正为负效果,LAPS同化系统对背景场的修正为正效果。(2)降水资料1DVAR方法在GRAPES-3DVAR同化系统中的应用,对物理量场有重要影响,使雨带上空变得更暖更湿,天气系统的配置更利于降水发生,中尺度系统的演变更有利于模拟出与实况更加接近的雨带位置、强度、中尺度结构特征,因而极大地改善了降水模拟效果,其模拟的1、6、24h累积降水量位置、强度、中尺度结构特征都有较明显改善。(3)降水资料1DVAR方法在LAPS系统中的应用同样改善了降水预报效果,使雨带落区位置更加接近实况。     

基于卫星亮温资料同化对2009年热带风暴“浪卡”的数值研究

本文利用三维变分同化系统（WRFDA）,设计了4个同化试验方案,将ATOVS卫星亮温资料直接同化到中尺度数值模式（WRF）中,研究同化ATOVS不同卫星亮温资料对2009年04号热带风暴“浪卡”数值模拟的影响。结果表明,直接同化卫星亮温资料能够改善初始场结构（大气流场、温度场）,尤其是对西太平洋反气旋系统,进而提高对热带气旋路径的模拟精度。同化不同类型的ATOVS卫星亮温资料对于热带气旋的移动路径有着不同程度的改善,其中以HIRS3和HIRS4资料同化对热带气旋移动路径改善效果最好。     

边界层方案对一次西南涡背景下局地暴雨过程影响分析北大核心

利用WRF模式对2017年6月9日重庆合川区一次局地暴雨过程开展对流可分辨尺度的模拟试验,比较三种边界层参数化方案对降水模拟的影响。结果表明,不同试验均能模拟出此次降水的主要分布特征,而不同边界层参数化方案能够显著影响降水落区和强度的模拟。MYJ方案对强降水的模拟最好,能较好地模拟出降水触发的时间和位置;其次为BouLac方案,触发时间偏晚约2 h,降水落区与MYJ方案相近;YSU方案模拟的降水分布偏差较大,降水触发的位置和落区偏北。湍流混合强度是造成落区模拟差异的主要原因,通过影响1.5 km高度以下风场分布改变造成此次局地强降水过程的西南涡位置,进而影响到降水的落区。基于YSU方案的湍流混合减弱试验证明了湍流混合强度与降水落区的关系。     

基于地面资料集合均方根滤波同化方案的京津冀暴雨模拟研究

为了更加有效地同化地面自动气象站观测资料,针对模式地形与观测站地形存在的高度差异对同化效果的影响,提出了相应的解决方案。在同化系统的位温和露点观测误差中分别引入位温和露点地形代表性误差,在WRF模式中应用集合均方根滤波方法（EnSRF）同化地面自动气象站观测资料,并对2016年一次京津冀暴雨个例进行数值试验。研究结果表明,同化地面资料后,同化阶段的均方根误差、预报阶段的降水TS评分和前13个时次各要素预报均有整体改进。在观测误差中引入地形代表性误差与引入前相比,风场均方根误差得到整体改进;位温和露点的均方根误差在前期表现并不稳定,在后期有所改进;预报阶段前24 h累计降水与后24 h累计降水TS评分在整体上均有所提高。新方案能够减少高度差异对同化效果的影响。      

Impact of 4DVAR assimilation of rainfall data on the simulation of mesoscale precipitation systems in a mei-yu heavy rainfall event

The multi-scale weather systems associated with a mei-yu front and the corresponding heavy precipitation during a particular heavy rainfall event that occurred on 4 5 July 2003 in east China were successfully simulated through rainfall assimilation using the PSU/NCAR non-hydrostatic, mesoscale, numerical model （MM5） and its four-dimensional, variational, data assimilation （4DVAR） system. For this case, the improvement of the process via the 4DVAR rainfall assimilation into the simulation of mesoscale precipitation systems is investigated. With the rainfall assimilation, the convection is triggered at the right location and time, and the evolution and spatial distribution of the mesoscale convective systems （MCSs） are also more correctly simulated. Through the interactions between MCSs and the weather systems at different scales, including the low-level jet and mei-yu front, the simulation of the entire mei-yu weather system is significantly improved, both during the data assimilation window and the subsequent 12-h period. The results suggest that the rainfall assimilation first provides positive impact at the convective scale and the influences are then propagated upscale to the meso- and sub-synoptic scales.
Through a set of sensitive experiments designed to evaluate the impact of different initial variables on the simulation of mei-yu heavy rainfall, it was found that the moisture field and meridional wind had the strongest effect during the convection initialization stage, however, after the convection was fully triggered, all of the variables at the initial condition seemed to have comparable importance.