Numerical Simulation of Wind and Temperature Fields over Beijing Area in Summer

1. IntroductionThe basic role of urban-rural boundary layer re-search is to study all kinds of physical process changesin the atmosphere boundary layer over urban and itssurrounding areas. Urban heat island (UHI) is a well-known feature of urban-rural climate. Attempts toincrease the understanding of the causes of the UHIand other urban-rural boundary layer phenomena haveused observational, theoretical and modelling methodssince long before. Seaman (1989) used a hydrostaticmodel, with real …     

基于降尺度方法的入海中尺度对流过程模拟

利用海-气-浪耦合模式和动力降尺度方法模拟并分析了2018年5月12日和7月13日两次东移进入渤海湾的中尺度对流过程,分别为入海减弱型和入海增强型。两次过程均发生在低空西南气流强盛,且地面处于暖舌控制的环境下,具有较好的水汽和能量条件。结果表明：海-气-浪耦合模式能较好地模拟减弱型过程的变化趋势,而对增强型过程的模拟效果较差,且模拟的两次过程对流强度整体偏弱;但经动力降尺度模拟后,两次过程的模拟效果均明显提升。敏感性试验对比表明：采用海-气-浪耦合模式结果为动力降尺度提供初边界条件具有一定优势,适用于入海中尺度对流过程模拟;两次过程对流系统入海前对流有效位能条件均较好,但垂直风切变条件增强型过程优于减弱型过程;对流系统入海后的冷池效应在减弱型过程中明显,而在增强型过程中强度较弱但范围较大;海洋下垫面为对流发展提供的热量和水汽输送在减弱型过程中较少,在增强型过程中明显。     

梅雨锋对引发暴雨的中尺度对流系统发生发展影响的研究

针对梅雨锋(湿度锋)上或附近偏南暖湿气流一侧中尺度对流系统不断发生发展和长时间维持而引发长江流域暴雨的观测事实,利用中尺度数值预报模式WRF(V3.1.1)设计了一系列三维理想数值试验,研究了梅雨锋两侧自身水汽差异效应,探讨了基本气流和风垂直切变对梅雨锋上中尺度对流系统发生发展的影响,揭示了梅雨锋对中尺度对流系统的组织...     

热带夏季风场与对流场季节内振荡传播模比较

利用1979-2007年卫星观测日平均OLR资料以及NCEP/DOE第2套再分析资料中的风场资料,采用有限区域波一频分析、合成分析等方法,分析对比对流层高、低层风场与对流场所表征的热带北半球夏季季节内振荡(BSISO)各种传播模态谱分布气候特征及其年际异常。结果表明:各要素反映的BSISO各种模态的气候特征及其年际变化存在一定差异,总体而言对流层低层风(850hPa纬向风或经向风)与对流比较一致。850hPa经向风(纬向风)所反映的纬向(经向)传播BSISO谱分布气候特征与对流情况最相似。在ENSO发展年,850hPa经向风反映的赤道东传波加强趋势与对流较为一致;850hPa纬向风、经向风反映的北传波变化趋势都与对流相似。在ENSO衰减年,850hPa纬向风(经向风)反映的赤道东传波(赤道外西传波)减弱趋势与对流较为一致;对流以及850hPa经向风、200hPa纬向风和200hPa经向风4种要素都能体现南海及周边地区北传波明显减弱这一特征。对流和850hPa纬向风所反映的北传波与印度洋偶极子模态之间关系一致。     

Comparative Studies of Different Mesoscale Convection Parameterization Schemes in the Simulation of Mei-Yu Front Heavy Rain

The mei-yu front heavy rainstorms occurred over Nanjing on 3 5 and 8 9 July 2003 and were simulated in this paper using the Weather Research and Forecasting Model (WRFv3.1) with various mesoscale convection parameterization schemes (MCPSs). The simulations show that the temporal and spatial evolution and distribution of rainstorms can be modeled; however, there was incongruity between the comparative simulations of four different MCPSs and the observed data. These disparities were exhibited in the simulations of both the 24-hour surface rainfall total and the hourly precipitation rate. Further analysis revealed that the discrepancies of vertical velocity and the convective vorticity vector (CVV) between the four simulations were attributed to the deviation of rainfall values. In addition, the simulations show that the mid-scale convection, particularly the mesoscale convection system (MCS) formation, can be well simulated with the proper mesoscale convection parameterization schemes and may be a crucial factor of the mei-yu front heavy rainstorm. These results suggest that, in an effort to enhance simulation and prediction of heavy rainfall and rainstorms, subsequent studies should focus on the development and improvement of MCPS.     

复杂地形边界层风场的三维局地尺度数值模拟

设计了一个基于有限元方法的中γ尺度复杂地形条件下的三维非静力边界层风场数值模式,利用该模式对河南省登封市阳城工业区周围的实际三维地形进行了数值模拟,并将模拟结果与河南省气象科学研究所的实测资料进行了对比。结果表明,模式对峡谷地形的加速作用、山体的抬升与绕流均有较好的模拟,但是对背风坡涡旋的模拟不太理想。与实测资料的对比显示,在一定的条件下,模式可以得到较好的模拟结果。     

中纬度夏季一次深厚对流过程的数值模拟研究:高空热力层结和风切变影响

针对一次发生在中纬度夏季的深厚对流过程进行的数值模拟研究的结果,引入一个较详细描述深厚对流状态下云微物理过程的参数化方案,对一个有限差分三维非静力弹性大气数值模式进行了改进.数值模拟得到了与天气雷达观测一致的结果.结果还显示,对于这次穿透高度超过了对流层顶的深厚对流过程,与高空斜压扰动有关的上对流层弱稳定热力层结对系统的维持起到了重要的作用.另外,还发现强烈的对流发展到对流层顶的高度时,受上曳体的驱动,在对流层顶附近的稳定层结中产生浮力性的扰动;它们与风切变相结合,进而对系统的水平移动产生控制作用.     

云南春季冰雹、大风天气的中尺度扰动特征

应用Ｂａｒｎｕｓ带通滤波方法,对１９９７年春季两次发生在滇南的冰雹、大风天气进行滤波分析,结果表明：冰雹大风发生前,昆明准确止锋附近低层有中尺度的扰动波列通过,风雹地区包括一个上升运动中和下沉运动中心。     

基于中尺度模式与神经网络的风电功率预测

将中尺度数值天气预报模式与BP神经网络模型相结合用于风电功率预测,以WRF模式回算了2008年6月至2009年6月试验风电场的气象要素,精度检验结果显示风速预报值与对应实测值之间的相关系数达到0.72,风向、气温、湿度、气压的预报也比较准确,满足建立BP神经网络预报模型的需要.逐一建立试验风电场40台风电机组输出功率的BP神经网络预报模型,分析了数据标准化方法、隐含层神经元数对预报精度的影响.进行了26天实效为24 h的逐10 min预报试验,并以独立样本进行预报精度检验,结果显示单台风电机组输出功率相对均方根误差在24.8％～32.6％之间,预报值与实测值之间的相关系数现在0.45～0.68之间;风电场整体相对均方根误差为19.5％,预报值与实测值之间的相关系数为0.74.研究结果表明该方法可以用于实际的风电功率预测.     

基于SRTM资料的小海岛CFD计算模型构建——以东澳岛为例

提出了一种利用SRTM资料构建海岛CFD计算模型的技术方法,并以珠江口的东澳岛为对象,进行了模型构建试验及边界层风场的数值模拟试验.实验结果表明,SRTM资料作为开源的资料,可有效地解析空间尺度在1 km以内数量级的海岛地形,并可以此为基础构建用于CFD模拟的计算模型,真实地刻画出岛屿的地形.利用计算模型进行的模拟试验表明,岛屿地形对风场的影响明显,且这种影响可以被计算模型有效地描述.所提出的技术未来在海岛风资源评估、风电场选址、污染扩散等领域有望发挥作用.     

新疆地区夏季平流层低层风场特征分析及数值模拟

利用2017年6—8月的FNL再分析资料分析了新疆地区夏季平流层低层风场的时空演变特征，开展了平流层低层风场的高分辨率数值模拟和检验。结果表明：新疆地区夏季平流层纬向风随时间的变化存在经向差异，同时准零风层开始和结束的时间也存在经向差异，准零风层开始时间南部地区早于北部地区，而准零风层结束时间则相反。整个夏季新疆地区上空的准零风层处于70～40 hPa之间，其高度随时间呈先降低而后升高的变化趋势。准零风层数值模拟结果表明，模拟的准零风层参数与探空资料分析结果相比二者存在一致的变化趋势，准零风层起始高度的平均绝对误差为467 m，该高度对应的风速均方根误差为1.75 m/s。     

Numerical Simulation on the Formation of Mesoscale Vortex in Col Field

There exist typically two kinds of low-level col fields over the middle and lower reaches of the Yangtze River of China during summer.One is associated with the mesoscale vortex embedded in the Meiyu f...     

用中尺度非静力模式制作北京气温和风预报

利用国家气象中心与北京市气象局联合开发的“北京地区中尺度数值天气预报业务系统”针对业务预报需要,开发了２米温度、１０米风的要素预报。通过近一年的预报效果检验表明,该系统不仅对一般性天气有比较好的预报效果,同时也可以预报出转折性的大风、升（降）温等天气过程。与ＮＣＥＰ的ｅｔａ模式相比,该系统的温度预报误差与之基本相当,而风速预报误差略小于ｅｔａ模式。     

风切变对中尺度对流系统强度和组织结构影响的数值试验

采用我国实际观测的探空作为中尺度模式Weather Research and Forecasting(WRF)的理想试验的背景场,分别改变整层、低层和中层的垂直风切变,研究其对中尺度对流系统强度和组织结构的影响。结果表明,改变整层垂直风切变对对流系统的强度和组织结构影响最显著,增加整层垂直风切变,对流强度增强且易组织成线状,减小整层垂直风切变,对流强度弱且呈分散状态。从垂直速度、水平风场、散度场和冷池的三维结构特征分析了其影响的机制:(1)风切变增加,上升气流与下沉气流的相互干扰减弱,有利于垂直速度的维持和增强;(2)垂直风切变增加造成水平涡度增加,扭转项的作用分别使上升和下沉运动得到加强;(3)垂直风切变增加,冷池强度和高度增加且集中在系统后部,使系统线状组织性增强。研究还发现,增加垂直风切变造成近地面大风和降水增强,且强降水出现在大风之后,这主要是因为在对流发展阶段上升运动与下沉运动互不干扰情况下,强下沉运动造成的近地面大风,而成熟阶段上升运动不断增强或维持造成雨水比湿不断增加形成强降水。     

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。     

一次江淮气旋及其中尺度系统的数值模拟

本文在十一层原始方程模式中引入Fritsch-Chappell一维云模式,对1982年5月12日江淮气旋上中尺度系统进行了模拟试验,分析表明：Fritsch-Chappell一维云模式对深厚积云的考虑细致合理,比郭晓岚积云参数化方案优越,它能模拟出中尺度系统的一些特征。通过数值计算发现：中尺度江淮气旋是对流层低层的天气系统,气压场上具有中尺度低压的某些特征;对流天气的出现,使得中尺度江淮气旋得到发展,但这种发展有一个变化过程,在对流发展加强时,对流引起的动量变化以及下沉气流造成的低层冷却作用,使其有一个暂时的减弱过程,当对流运动趋于减弱时,气旋才得以发展。     

复杂地形下山谷风的数值模拟

利用中尺度数值模式MM5,选用NCEP全球客观分析资料(1°×1°)和国内高空地面资料为初始场,采用张驰逼近边界条件和单一冰相水汽方案,模拟了河南省西部山区的复杂地形对2006年6月19日局地环流的影响,结果表明:太行山的南麓和熊耳山的东侧都有因地形热力作用而形成的山谷风存在。     

短波辐射对东北冷涡强对流影响的模拟分析

针对短波辐射对东北冷涡强对流的可能影响,应用MM5模式对2002年7月12日东北冷涡诱发的强风暴个例进行了数值模拟试验.发现在东北冷涡天气尺度环流背景下,大气接收的短波辐射通过激发中尺度环流影响强对流的发生时间,而不是通过影响不稳定能量的积累触发强对流;地面短波辐射对对流层低层大气的加热作用是触发本次东北冷涡强对流的重要条件.地面短波辐射加热在对流层低层产生中尺度辐合扰动及对流不稳定层结共同促使了对流的爆发和维持.     

风廓线雷达对塔克拉玛干沙漠晴天边界层的探测分析

利用塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站2010年8和10月边界层风廓线雷达资料,分析了沙漠晴天边界层湍流、大气温度、水平风速风向以及垂直速度的发展演变特征和日变化规律。研究表明：（1）大气折射率结构常数（C_n~2）能较好地反映晴空湍流对电磁波的后向散射能力,可以详细刻画湍流发展旺盛区域的高度、强度及其演变特征;沙漠夏季白天湍流发展剧烈,旺盛区域顶部可达4000 m高度左右。（2）RASS系统对沙漠边界层大气温度的探测具有较好的可信度,其近地边界层温度符合一般的日变化规律,昼夜温差显著,白天高温维持时间长,升温过程相对滞后于近地表气温。（3）风廓线雷达对大气风场的探测结果与地面风速风向一致,沙漠晴天主要受东风和东北风控制,风速较小,平均在2.0～6.0 m·s~（-1）范围变化。（4）沙漠腹地大气垂直速度变化符合静力平衡理论,铅直方向运动很弱,一般在-1.0～1.0 m·s~（-1）范围波动。     

中国夏季不同强度降水模拟对不同积云对流参数化方案的敏感性研究

利用PσRCM9区域气候模式, 分析了中国夏季不同强度降水模拟对不同积云对流参数化方案的敏感性。结果表明, 采用四种积云对流参数化方案, 模式能够模拟出小雨、 大雨和暴雨的雨量百分比和雨日百分比空间分布的一致性特征, 但不能模拟出中雨雨量百分比和雨日百分比空间分布的相似性, 这是由于模式不能模拟中雨雨量百分比的空间分布形式所致。还发现模拟的我国夏季降水以小雨和中雨为主, 四种积云对流参数化方案均低估了中国夏季大雨和暴雨对总降水的贡献, 尤其是在我国西部、 东北和华北地区更明显。不同积云对流参数化方案下模拟的极端强降水阈值的空间分布形式基本与观测一致, 但强度与观测存在较大差异。相比较而言, Grell方案较Kuo、 Anthes-Kuo和Betts-Mille积云对流参数化方案更适合中国东南部地区夏季极端强降水的模拟。