北京海坨山区低槽降雪云系演变特征的观测研究

2019年2月14日在北京海坨山地区出现了一次由低槽云系产成的降雪过程.利用飞机、Ka波段云雷达、微波辐射计、降水粒子谱仪、雪晶显微观测仪等协同观测数据集,分析了此次降雪过程的天气形势、中尺度和微观结构的演变特征.协同观测显示:(1)降雪过程由高空低槽和地面倒槽槽前西南暖湿气流与低层东风回流干冷偏东风共同影响形成,西南...     

北京北部山区两次降雪过程微物理形成机制的观测—模拟研究

降雪是北京冬季的重要降水天气过程,但目前对实例降雪形成的微物理机制的观测-模拟研究较少。本文利用中尺度WRF模式结合外场观测资料,对北京2015年1月24日和11月5~6日两次不同天气条件下的山区降雪云系的微物理结构特征及降雪形成的微物理转化机制进行了分析研究,定量比较了云中水凝物含量的比例和降雪形成机制的差异。研究结果表明:(1)由于两次降雪过程的天气形势和水汽输送有较大差异,导致降雪形成的微物理转化机制也出现较大差异。11月5日降雪第一阶段水汽输送较强,云中过冷水含量较高,降雪形成以凝华增长和凇附增长为主,地面表现为雨夹雪天气,而1月24日和11月5~6日第二阶段水汽输送弱,降雪形成以凝华增长和聚并增长为主,地面表现为纯降雪天气;(2)11月5日的雨夹雪天气过程中,云中不仅有冰晶(9%)、雪晶(72%),还有云水(6%)和雨水(12%)的存在,高层生成的雪胚在下落过程中主要通过凝华(78%)和凇附(20%)过程增长。而1月24日与11月5~6日第二阶段的纯降雪过程中,云中水凝物分布相似,以冰晶和雪晶为主,1月24日冰晶含量占28%,雪晶含量占72%;11月5~6日冰晶含量占11%,雪晶含量占88%,冰粒子主要分布在高层。首先高层6~12 km通过云冰转换生成的雪胚下落到低层水汽充足区,然后通过凝华和聚并过程增长,1月24日凝华增长过程占92%,聚并增长过程仅占5%;11月5~6日凝华占88%,聚并仅占3%。(3)垂直上升气流速度与冰晶、雪晶生成和增长过程呈正相关,上升气流带来充足的水汽,配合垂直运动使得雪胚增加,凝华、凇附凇附和聚并过程增强,导致雪晶含量增加。     

北京城市化对一次降雪过程影响的数值模拟研究

利用中尺度数值预报（Weather Research and Forecast,WRF）模式,针对2018年3月17日05—17时（北京时）北京地区的一次降雪过程模拟分析了城市化对降雪的主要影响机制。结果表明,城市化使得北京五环以内降雪量减少,降雨量增加,这主要是由于城市化低层增温效应加强了雪的融化过程,产生混合型降水,距离市中心越近越容易发生混合型降水。城市化对降雪的总降水量和降水的时、空分布也存在一定的影响。降水初期,城市化造成的“城市干热岛”效应不利于水汽的水平和垂直输送,不利于云的形成,地面总降水量减小。随着降水过程的发展,部分冰相粒子融化,使近地面水汽增多,“城市热岛效应”的热力抬升作用有利于水汽的垂直输送和云的发展,部分云滴或水汽抬升进入云中,增强冷云过程,使雪和霰粒子含量增大,地面总降水量增加。城市化产生的“城市效应”对低层大气温度和云微物理过程产生影响,而云微物理过程的非绝热过程反过来又影响低层大气温度和大气层结,影响能量和水汽输送,进而对云和地面降水产生影响。      

北京地区一次降雪系统大气水凝物输送特征及降雪微物理机制的数值模拟研究

北京冬季降雪云系存在丰富的可开发利用的云水资源。出于人工增雪研究和充分开发云水资源的需要,文中对北京2019年11月29日发生的年度首场降雪进行了观测,对其资料做了分析和中尺度数值模拟,研究了降雪过程的宏观特征、水凝物输送及降雪的微物理机制。结果表明:影响本次北京降雪的是稳定性层状冷云云系,水凝物主要从北京区域的西边界和南边界输送到区域内,而从东边界和北边界流出,具有西向和南向分量的湿气流是降雪云系水物质的输送通道。降雪云中的水凝物基本全为冰晶和雪,有少量的云水,整层云系都含有非常丰富的水汽并且贯穿整个降雪时段。在冰面过饱和环境中,水汽凝华（Prds）是雪的主要增长过程;其次是云冰增长成雪（Prci）和云冰聚合成雪（Prai）的过程。     

冬奥会延庆赛区降雪与边界层东风的关系

受特殊地理环境影响,北京地区冬季降雪常与边界层东风相伴,边界层东风所引起的水汽输送和动力辐合效应对降雪发生发展有重要意义。不同于已有边界层东风对平原地区降雪影响的研究,本文结合2022年冬奥会北京延庆赛区的地形特征,对比相似天气背景下不同温湿特性、不同发展高度的边界层东风对降雪的作用机制,研究表明:(1)途经渤海湾的路径较长有利于边界层东风的明显增湿,反之增湿效果则较弱;(2)"干冷"性质的偏东风可形成冷垫抬升北京平原及低海拔地区的暖湿空气;当偏东风在垂直方向发展较为深厚(600 m以上)时,能够翻越延庆东部海拔较低的军都山并在背风坡形成绕流汇合,同时受西部海拔较高的海陀山阻挡,形成迎风坡的强迫抬升,二者共同作用导致延庆区的辐合东强西弱,进而造成降雪分布呈东多西少的特征;(3)"暖湿"性质的边界层东风因垂直延展高度较低,无法向西越过军都山,对延庆赛区降雪基本无影响;(4)空中500 hPa为西北气流影响时,除考虑边界层东风能否越山之外,若存在与地形高度接近的、700 hPa高度附近饱和区与抬升运动的有利配合,将导致延庆赛区的高海拔山区出现明显降雪。     

山西一次降雪云物理特征的飞机观测研究

通过飞机直接进入降雪云进行探测,并配合MICPAS（气象信息综合分析处理系统）、雷达和卫星等资料,对2011年11月29日山西一次降雪云宏、微观结构特征进行分析。研究发现:本次降雪过程的雷达回波以10～20 dBZ大片层状云回波为主,镶嵌了超过30 dBZ的块状强回波,雷达径向速度零线呈较强的“S”型弯曲,出现“牛眼”结构,从低层到高层有较强的风垂直切变。液态水含量主要位于3.2 km以下,最大值为0.0697 g m?3,N₅₀（粒子直径大于50 μm的冰雪晶数浓度）、N₂₀₀（粒子直径大于200 μm的冰雪晶数浓度）和冰水含量主要产生于层积混合降雪云的上部,极大值出现在?9.3°C附近,分别为188.4 L?1、33.5 L?1和0.121 g m?3。?14.4°C～?19.7°C冰晶图像以针状、柱状和不规则状为主,以冰晶的凝华增长为主。?9.3°C附近冰雪晶图像以辐枝状、不规则状为主,辐枝状冰晶的聚并碰撞和折裂繁生可能是造成此处冰雪晶高浓度的主要原因。利用指数形式能较好地拟合冰雪晶谱分布,谱拟合参数可以用幂函数N_os=1.021λ1.684表示（其中,N_os、λ分别表示截距和斜率,N_os越大表示小粒子数浓度越大,λ越大表示小粒子数浓度占总粒子数浓度比例越高）,相关系数R2为0.86。3.2 km以下存在三次逆温,逆温层的出现使云微物理特征量和拟合参数N_os减小,抑制了云内凇附增长和凝华增长,导致本次观测谱拟合参数N_os、λ随温度的变化规律与以往的观测不一致,逆温强度越大抑制作用越大。     

一次冻雨过程云物理特征的数值模拟

运用中尺度数值模式WRF3.5.1对2011年1月1日贵州境内的一次冻雨天气过程进行了数值模拟,研究了本次过程的大气层结、冻雨区云系的宏微观结构和云物理特征,初步分析了冻雨形成的云微物理过程和成因。结果表明,贵州境内的冻雨区(26°N~29°N)具有冷性和部分"冷—暖—冷"的温度层结,在高层没有显著的冰相粒子,冻雨区是相对较强的水汽辐合中心,丰富的水汽输送在冷性的环境条件下形成云滴,进而碰并产生雨滴,过冷雨水主要通过暖雨过程形成;雨滴继续下落至近地层并保持过冷雨水形式,最后接触到低于0°C的物体或地面,迅速冻结而产生地面冻雨。     

华北一次积层混合云微物理和降水特征的数值模拟与飞机观测对比研究

为考察云数值模式中的云物理方案和对实例云物理和降水过程的模拟能力, 本文将中尺度数值模式(WRF)模拟的华北地区一次积层混合云的微物理结构特征、降水过程与国家科技支撑计划重点项目环北京地区三架飞机联合云探测实验数据以及雷达、地面降水观测数据进行了深入的比较和验证研究。结果表明:WRF 模式能够较好地模拟出此次积层混合云的云系演变、雷达回波和降水分布特征。对比结果是:(1)模式模拟的云中液态水浓度(LWC)与飞机观测值具有较好的一致性, 在3℃ 层, 飞机观测的LWC 最大值为0.8 g m-3, 模拟的飞机路径上的LWC 最大值为0.78 g m-3, 两者接近;在－8℃ 层, 飞机观测LWC 最大值为1.5 g m-3, 模拟的飞机路径上的LWC 最大值为1.1 g m-3, 模拟值偏小;在－5℃ 层以下, 模式能够准确模拟云中水凝物的垂直分布, 包括融化层的分布, 模拟的水凝物质量浓度与实测吻合。而对固态水, 在－6～－10℃, 由于模式中雪粒子凇附增长过程较大, 聚合过程发生的高度偏高, 导致模式模拟的固态水凝物质量浓度高于实测值, 说明模式在雪粒子增长过程的处理方面有待进一步改进。(2)在云粒子谱参数方面, 在－8℃ 层, 由于模拟的雪粒子质量浓度偏高, 所以模式计算的粒子谱的截距和斜率都小于飞机观测值, 模拟偏小;在－5℃ 层, 两者比较接近;在3℃ 层, 由于云中小粒子浓度逐渐减少, 所以模式计算的斜率接近观测值, 但是截距大于观测值, 说明模式降水粒子谱参数的描述方案有待改进, 模式中谱形参数μ 不应一直设置为0, 而是应该随着高度变化而变化。     

山西一次降雪云物理特征的飞机观测研究

液态水含量（Liquid Water Content,LWC）是重要的云参数,对了解云微物理过程以及在人工影响天气效果检验等方面有重要的指导意义。针对已有研究的反射率因子（Z）与LWC经验公式适用范围有限的问题,利用2018—2020年飞机观测资料,在验证中国首部机载云雷达（Ka-band Precipitation Radar,KPR）探测能力和数据可靠性的基础上,采用分档平均方案,建立了适用于降水性积层混合云的Z-LWC经验公式（ 相似文献   

山西一次降雪云物理特征的飞机观测研究

层状云中冰粒子、融化层及以下粒子微物理特性演变规律的科学认识对于中国云降水参数化、降水预报及人工影响天气研究具有重要意义。利用2019年8月24日河北省一次层状云飞机观测资料,分析云中负温层、融化层及以下粒子群微物理特性的演变。研究表明,云中负温层冰相粒子以聚合体为主,部分区域存在霰粒子。云中冰相粒子通过凇附、碰连和贝吉龙过程增长。相对来说,上升气流较强及相对湿度较高云区的冰相粒子数浓度较高、粒子谱较宽。融化层中,中等大小粒子数浓度存在增大趋势,说明融化层中不同粒径冰相粒子的融化速率存在差异。研究发现,高相对湿度区（RH≥95%）粒子融化速率较低相对湿度区（RH＜95%）快,低相对湿度区中表面融化的粒子蒸发吸收潜热,使环境温度降低,减缓粒子融化速率。融化层高相对湿度区降水粒子谱分布的截距大于低相对湿度区,斜率与低相对湿度区接近。融化层降水粒子负指数谱分布的截距与斜率均大于负温层,0℃层高度以下HVPS探测到的粒子谱分布参数相似文献   

城市化对北京单次极端高温过程影响的数值模拟研究

城市化对高温热浪的频次和强度具有重要影响,但目前对于城市化影响高温热浪过程的机理了解还不充分。本文利用WRF模式,对2010年7月2～6日（北京时）北京一次高温过程进行了模拟,分析了城市化对此次高温过程的影响机理。采用优化后的WRF模式,能够模拟出北京连续5日高温的特征和城市热岛强度的变化。城市下垫面的不透水性决定了城区2 m高度处相对湿度低于乡村,削弱了城区通过潜热调节城市气温的能力。日落后,城市感热通量下降缓慢,城区降温速率小于乡村,夜间边界层稳定、高度低,风速小,抑制了城乡之间能量的传输,形成了夜间强的城市热岛强度,造成夜间城市气温明显高于乡村。日出后城乡地面感热通量、潜热通量迅速上升,边界层稳定性下降。午后,城市下垫面分别为地表感热通量和潜热通量的高、低值中心,通过潜热调节气温的能力被削弱;边界层稳定性降低,有利于能量的垂直扩散;此时,城市热岛强度小于夜间。因此,北京城市下垫面形成了明显的城市热岛效应,加重了城区极端高温事件的强度。此外,在这次高温热浪期间,中国东部大部分地区受到大陆暖高压控制,晴空少云,西北气流越山后形成焚风效应,是北京地区高温热浪形成的天气背景。     

深对流系统对污染气体CO垂直动力输送作用的数值模拟研究

本文采用高分辨率WRF-Chem模式模拟了2014年7月27日和8月24日发生于长三角地区的两次强度不同的深对流系统对污染气体CO的再分布作用,对比分析了模拟的两次深对流系统在CO垂直输送过程中的差异。通过与实际雷达回波的比较发现,两次模拟的深对流发生时间、回波强度等都与实际观测接近。8月24日深对流过程发生前的对流有效位能和0～6 km垂直风切变强度均高于7月27日个例,因此 8月24日深对流系统更不稳定,发展高度更高。从CO浓度垂直剖面、质量通量随高度的变化特征发现,7月27日的深对流系统最高可以将CO输送到14 km高度处,8月24日的深对流系统最高可以将CO输送到16 km高度处。对CO浓度的垂直通量散度平均垂直廓线分析看出,7月27的深对流系统主要将CO输送到12 km附近,导致7月27日个例对流层中层的CO浓度更高,8月24日的深对流系统主要将CO输送到15 km附近,导致8月24日个例对流层上层的CO浓度更高。对垂直通量求和的分析表明,8月24日的深对流系统每小时垂直输送的CO浓度是7月27的1.3倍,而考虑到8月24日的深对流系统持续时间更长,8月24日的深对流系统对CO的垂直输送作用远远大于7月24日的深对流系统的垂直输送作用。     

基于TMI产品资料对数值模式水凝物模拟能力的检验分析

本文利用热带测雨卫星(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM)搭载微波成像仪(TRMM Microwave Imager,TMI)的探测及反演结果,结合微波辐射传输模式,就2004年17号台风暹芭(Chaba)过程,对AREM(Advanced Regional Eta-coo...     

污染气溶胶对山西一次降水过程影响的数值模拟

利用耦合Morrision双参数物理方案的WRF(Weather Research and Forecasting)中尺度数值模式,对发生在2007年6月13日山西地区的一次强降水过程进行了模拟,并对清洁和污染背景下气溶胶对云微物理结构和降水变化的影响进行了敏感性试验和对比分析.结果显示:污染背景下,降水区域没有明显变...     

WRF模式分辨率对新疆异常降雨天气要素模拟的影响

利用新一代中尺度气候数值模式WRF对中国西北干旱典型地区——新疆2000年10月的异常降雨事件进行模拟,主要研究了不同水平分辨率、垂直分辨率以及不同积云参数化过程对气温、降雨和土壤温度模拟的影响。结果表明：不同分辨率的模拟基本上均模拟出了地面气温的分布特征,且随着水平分辨率的提高,模式模拟能力显著提高,对地面气温值、分布范围的模拟渐趋合理,同时模式对于地形引起的温度分布变化的模拟更加趋近实际。水平分辨率、垂直分辨率的提高同样改善了模式对降水的模拟能力,分辨率的提高不仅改进了模式对降雨分布区模拟的精度,也增强了对于地形引起的降雨变异的模拟能力。在土壤温度模拟上,不同分辨率的试验均能模拟出土壤温度的分布特征,较高水平分辨率有利于描述土壤温度分布细节,但更容易出现“数值点风暴”现象。     

大小兴安岭林区风场动力降尺度对比研究

对2017年春季黑龙江省大、小兴安岭林区的6个代表站点10 m风场进行降尺度分析,并结合观测数据对比分析了WRF模式和CALMET降尺度模式的10 m风速、风向预报结果。结果表明：两模式逐小时风速预报与观测的相关系数为0.5-0.7,且随着风速的增加,模式的预报准确率逐渐提高,夜间的风速预报偏差较大,进入白天后,偏差明显减小。WRF模式对风速变化趋势的预报效果优于CALMET模式,与观测的风速相关性更高,而CALMET模式对较大风速的预报效果优于WRF模式。在风向预报方面,WRF和CALMET的风向模拟与观测风向均有较好的一致性,模式预报准确率较高的两个风向也刚好对应各站的盛行风向。同时,本文用回归方法对日平均风速进行订正发现,订正后各站的日平均风速预报准确率平均提高了50%,具有较好的业务应用价值。     

随机玻璃-聚合物混合超材料屋顶对南京夏季降温效应的模拟分析

为缓解南京夏季城市热环境危机,利用天气研究和预报模式(WRF),模拟了3类屋顶(普通屋顶、高反照率屋顶、随机玻璃-聚合物混合超材料屋顶)对南京夏季高温天气的影响。结果表明:(1)冷却屋顶(高反照率屋顶和随机玻璃-聚合物混合超材料屋顶)均可通过削弱到达城市表面的太阳辐射而使城市降温,随机玻璃-聚合物混合超材料屋顶白天平均降温为0.8～1.2℃,夜间平均降温为0.2～0.4℃,高反照率屋顶白天平均降温为0.6～0.8℃,夜间平均降温为0.2℃;(2)表面温度指数可表征冷却屋顶的热力性能,随机玻璃-聚合物混合超材料屋顶的表面温度指数为0.16～0.43,高反照率屋顶的表面温度指数为0.05～0.26,表明随机玻璃-聚合物混合超材料屋顶的冷却效果强于高反照率屋顶;(3)高反照率屋顶和随机玻璃-聚合物混合超材料屋顶分别能将36.7%和47.1%的太阳短波辐射返回到大气层,分别比普通屋顶少吸收19.6%和34.8%的热量。     

淮河流域暴雨过程的数值模拟和诊断分析

利用中尺度数值模式WRF输出结果，对2003年7月4-6日淮河流域出现的暴雨过程进行了诊断分析。结果表明，WRF模式对这次暴雨过程的雨带位置和走向均有较好的模拟，但暴雨中心位置偏移。这次暴雨过程中尺度天气系统的发生、发展、加强及衰减均在模拟结果中有所显现。     

东亚区域陆面过程方案Noah和Noah-MP的比较评估

文章对天气研究和预报(WRF)模式中两套陆面物理过程参数化方案:Noah及Noah-MP,在整个东亚区域做了评估。评估时间分别为2013年1和7月。通过对地表通量、2 m温度、10 m风速、地表温度、第一层(5 cm)及第二层(25 cm)土壤含水量和第一层(5 cm)及第三层(70 cm)土壤温度的偏差和均方根误差的评估,发现:(1)与Noah陆面参数化方案相比,冬季,Noah-MP方案模拟的地表感热通量在大部分区域偏低,而对地表潜热通量的模拟在大部分区域偏高;夏季,Noah-MP方案对感热通量的模拟值,在印度次大陆、中国西部和相邻区域以及中国东北及其以北地区偏低,其他地区偏高,而对地表潜热通量的模拟在大部分地区偏高,而且幅度明显高于1月。(2)Noah-MP方案提高了土壤水分和土壤温度在东亚区域的整体模拟效果。(3)相较于Noah方案,Noah-MP方案模拟的2 m温度和10 m风的误差较小,特别对印度大陆和高寒地区的2 m温度模拟有较大幅度的提高。此研究证明了Noah-MP在东亚区域的应用优势,为WRF/Noah-MP在未来的进一步业务应用提供了一定的参考依据。