地形对门头沟一次大暴雨动力作用的数值研究

2002年6月24—25日,北京门头沟附近发生了一次大暴雨过程。为探讨地形在本次过程中的动力作用,采用美国俄克拉荷马大学风暴分析预测中心开发的ARPS模式,对大暴雨过程进行了数值试验。控制试验采用27、9 km双重单向嵌套网格,网格覆盖范围约为3000 km×3000 km、900 km×900 km。两层网格均采用全物理过程,使用的都是全球30″的地形资料。在控制试验的基础上,进行了3组敏感性试验:第1组试验采用干过程模拟,即不考虑凝结潜热的作用;第2组试验将地形整体向东/西平移1°;第3组试验是将门头沟西部的局地地形抠除一部分。试验结果表明,在不考虑凝结潜热作用时,东南风气流仍然可以爬升到2 km以上,超过了大气的抬升凝结高度,证实了地形的动力作用是本次大暴雨的触发机制;将地形向东/西平移1°后,由于大气的对流稳定度发生了改变,模拟的降水强度和落区也发生了变化,表明山坡和山顶的对流不稳定大气是导致本次大暴雨的必要条件;抠除局地地形后,模拟的降水量也发生了不同程度的改变,再次证明大暴雨是在多尺度地形以及一定的天气系统配置下产生的。     

一次苏南大暴雨过程数值模拟及其对交通能见度的影响

利用0.5°×0.5°的GFS分析场数据和中尺度数值模式WRF,对2011年6月17—18日发生在江苏省南部地区覆盖沪宁、沿江及宁常高速公路的一次大暴雨天气过程进行了数值模拟和诊断分析。经过AWMS实测数据及常规气象观测资料的验证,得到如下结论:(1)WRF模式对此次大暴雨过程的模拟结果较为理想,具有良好的预报能力;(2)高低空急流的耦合是本次降水过程爆发的主要动力机制,西南低空急流为此次降水提供了水汽输送通道;(3)雨区上空的垂直螺旋度在低层为正、高层为负;(4)干空气的活动对强降水的形成具有一定的指示作用;(5)强降水是导致公路交通能见度降低的重要因素,且水平能见度与降水强度成负指数关系。     

一次暴雨过程中湖北西北部和东北部降水差异的成因分析

利用地面自动站资料和NCEP提供的0.5°×0.5°高时空分辨率GFS(Global Forecast System)再分析资料,对2008年7月1—2日一次暴雨过程中,湖北西北部与东北部降水差异的成因进行分析。结果表明:1)湖北西北部的降水发生在高低空急流发展时期,且西北部很快处于后一个高空急流的右前方,不利于西北部降水持续发生;东北部降水发生在高空急流稳定期与低空急流发展期,高低空急流耦合,诱发中尺度低涡形成,导致持续性强降水。2)水汽输送在西北部集中的时间短,提供的水汽有限;在东北部集中的时间长,提供的水汽充足。3)西北部不稳定能量释放得快;东北部一直存在不稳定能量释放,导致该地区天气尺度系统猛烈发展,激发重力波,造成强降水。4)西北部锋生位于随高度向北倾斜的锋区中,随着冷空气的南下,强降水很快结束;东北部锋生位于随高度向南倾斜的暖区锋区中,冷空气与稳定的副热带高压外围西南暖湿气流对峙,产生较强的倾斜项锋生,有利于东北部的长时间强降水。     

华北一次暴雨过程中潜热对中尺度系统和降水影响的数值研究

针对2005年7月22日的发生于华北的暴雨中尺度对流系统,在用中尺度ARPS模式数值模拟和分析云场、动力场以及微物理过程释放的潜热垂直分布和作用特征的基础上,通过改变主要微物理过程潜热做敏感性数值试验,研究和分析了潜热对云系发展演变、云系宏观动力场、水汽场、云场和降水的影响,总结出云暖区潜热的影响途径。结果表明,在对流云团中,5000 m以上微物理过程起加热作用,以下起冷却作用。不同物理过程潜热加热的云层高度不同:高层起加热作用的主要为水汽凝结、云冰初生和雪凝华增长、霰撞冻云水过程;中层起加热/冷却作用的主要为水汽凝结、霰/雹融化过程;低层雨水的蒸发过程起冷却作用。微物理过程潜热通过影响云系和降水发展过程、云系动力场,进而影响水汽场、云场和降水。忽略霰/雹融化潜热,相当于增加云系暖区潜热,促进了低层气旋性环流的形成,增强了低层动力场的辐合,使得低层辐合区增多、增强;中低层水汽通量辐合区增多、面积扩大,明显地促进了对流云系的发展,增大了含水量和覆盖范围,云系的降水量显著增加,强降水区覆盖范围扩大。即使减少20%的凝结潜热,云系的发展也受到极大抑制,没有气旋性环流生成,低层辐合区缩小、强度降低,水汽通量辐合区也同样缩小、强度降低,云系对流发展减弱、含水量降低,因此,降水量大为减小,降水范围也显著缩小。此外,微物理过程潜热还影响到此次中尺度对流系统发展演变过程,改变了云系的形态、影响到系统的移动和系统中对流云团的发展强度和分布情况。     

江西中西部地区一次暴雨过程的地形敏感性试验

利用常规观测、加密自动站资料和NCEP再分析资料,分析2005年5月江西萍乡地区春季一次暴雨过程发现,该过程仅萍乡南部地区出现暴雨,而中北部地区为小到中雨。考虑到萍乡中南部特殊地形,通过WRF中尺度模式模拟再现这次暴雨过程,并设计降低、增高和移除地形三组敏感性试验探究地形对降水的影响。结果表明：（1）萍乡地形的屏障作用在南部地区造成的风场辐合是南部产生暴雨的重要原因;（2）地形通过影响切变线附近风场辐合以及水汽汇集的位置和强度来改变暴雨的落区与强度;（3）较高的地形造成气流在山前堆积,造成明显的水平气压梯度,使局地气流与背景气流在山前辐合,有利于山前降水增强。     

东北地区一次短时大暴雨β中尺度对流系统分析

为了探寻东北短历时暴雨的预报线索,利用自动站、卫星和常规气象观测资料相结合的方法,研究2006年8月10日最大1 h雨量达到90.8 mm(泰来,其中,后半小时降水82 mm)的东北中西部百年一遇短历时特大暴雨中尺度对流系统(MCS)发展过程,及其发生的天气尺度背景和中尺度环境与触发机制.通过红外卫星云图和高分辨率的可见光云图,分析MCS如何从一个γ中尺度发展为α中尺度对流复合体(MCC)的过程.分析表明,与6个市(县)半小时雨量超过33 mm相关联的MβCS分别发生在2个阶段,第1阶段在MCC形成之前,MβCS主要向东移动(最后合并成MCC),第2阶段,在MCC成熟阶段.MpCS出现在MCC的西南边缘,而且最强短历时暴雨就发生在这里.从分辨率更高的可见光云图上可以发现,有北、西两条积云线,它们交汇的地方MβCS强烈发展并产生暴雨.分析MCS加强和产生暴雨的原因表明:(1)暴雨发生前夕暴雨区域具有高温、高湿和对流性不稳定层结,并存在明显的对流有效位能增加、抬升凝结高度及自由对流高度降低的现象,有利于暴雨发生;(2)β中尺度云团之间的合并,使MCS迅速发展,产生暴雨;(3)北、西两条积云线分别与地面风场中的两条辐合线相对应,在它们交汇处的较强辐合导致β中尺度云团强烈发展产生暴雨.分析MCS在MCC西南方向传播的原因表明,两条辐合线的移动方向和速度决定了暴雨MCS的传播方向.另外,偏北气流的出现和新老云团的新陈代谢过程是触发暴雨的关键因素.上述分析结果也为短历时暴雨的预报提供了有用的线索.     

一次华南持续性暴雨的动力诊断分析和数值模拟

利用倾斜涡度发展（slantwise vorticity development,SVD）理论,对2008年6月中旬华南地区持续性暴雨进行了动力学机制的诊断分析,讨论了低空急流（10wleveljet,Lu）在低涡发展过程中起的作用,同时利用MM5数值模式对暴雨过程进行了验证并对模拟结果进行了进一步分析。结果表明,高原低涡的发展是前期广西地区降水的主要动力因素,由于湿等熵面相对地形倾斜,且气块沿等熵面有相对运动,同时满足热力学参数CM〈0的条件,使得SVD发生作用,导致低涡移出高原后得到进一步发展;而LLJ的增强改变了大气斜压性,是后期低涡继续东移发展,并造成广东地区持续性暴雨的重要原因。数值模拟控制试验结果很好地反映了这次低涡降水的发展过程。敏感性试验结果初步表明,LLJ改变了低层大气稳定度和风的垂直切变,即大气斜压性增强,从而促进了中尺度低涡的进一步发展。     

Numerical Simulation of a Torrential Rain Event in the Northeast of Huaihe Basin. Part I: Model Verification and Analysis of MCSs

A torrential rain event accompanying Typhoon Prapiroon occurred in 2000, with 24-h rainfall amount reaching 800mm near the typhoon center. This event is simulated by the nonhydrostatic mesoscale model ARPS (V5.2), with thriple one-way nested-grids. Grid spacings of 45, 15, and 5 km are chosen for the three nested domains. The corresponding grid sizes are 75×75, 140×140, and 180×180, respectively. The NCEP/NCAR reanalysis data, radar echoes, and GMS-5 satellite images are assimilated with the ARPS model initially using a 3-D data assimilation system--ADAS. The simple ice phase scheme and the Kain-Fritsch cumulus parameterization scheme are used. There are 35 layers in the vertical, with a vertical grid spacing of about 625 m. The integration is performed up to 48 h from 0800 BT 29 to 0800 BT 31 August 2000. Compared with radar echoes, GMS-5 satellite images, and intensive surface observations, the results show that the heavy rain area down between the 500-hPa trough and the subtropical high in the left-front of Prapiroon is well simulated by the model ARPS, and the simulated rainfall centers are consistent with observations. A comparison of the radar echoes with these retrieved from the simulated hydrometeors reveals that there are meso-β scale convective systems that exhibit distinctive characteristics, and there are four convective belts converging in the vicinity of Xiangshui, where the maximum rainfall is observed. A further comparision of skew T-lgp diagrams from simulated and observed data demonstrates significant instability in this torrential rain process. The persistent vertical wind shear provides kinetic energy for the development of the MCSs, hence promoting the baroclinic development of convective cells, and the concentration of heavy rain at the specific location. The consistency between model results and observations encourages a further study of the torrential rain event using the simulation data.     

北京一次大暴雨的水汽收支和微物理过程数值分析

利用NCEP1°×1°再分析资料和常规气象观测资料,使用WRF模式对2012年7月21日发生在北京地区的一次特大暴雨天气过程进行数值模拟。在模拟结果的基础上,分析了此次暴雨过程的形势演变和水汽条件,并分别计算了暴雨发生过程中北京全市范围内的水汽输送、水汽收支、大气可降水量和空中各相态水物质的量值大小、空间分布情况及其相互转化关系。结果发现:这次降水主要受高空槽、低涡和地面切变线的影响。有东南、西南两条水汽输送通道,计算区域上空水汽收支变化与地面雨强的演变对应很好。中低层持续而强烈的水汽净输入,为暴雨的发生发展提供了很好的水汽条件。北京各站点大气可降水量普遍超过历史极值,反映了降水的极端性。降水发展不同阶段,云内微物理过程存在差异,降水量初期以暖雨为主,降雨量不大,之后冷雨过程增强,降水量迅速增大。     

Diagnosis and numerical simulation of a torrential precipitation event in Catalonia (Spain)

Summary A torrential precipitation event occurred in Catalonia (northeastern part of Spain) during 9 and 10 October 1994. More than 400mm were registered in the south of Catalonia. A diagnostic study shows that most of the ingredients to produce heavy rain (large scale upward vertical motion, instability, high moisture content in all the troposphere) were present over the Spanish coast and western Mediterranean. Mesoscale triggering mechanisms have been associated with the orographic forcing, not only through physical lifting of moist air by the coastal mountains, but also by the redistribution of the surface pressure field induced by the Atlas and Pyrenees ranges. A numerical simulation of the event using a meso- model has been performed. The model forecasts qualitatively well the rainfall distribution but underestimates the maximum rainfalls. The effects of the orography and the evaporation from the sea have been also studied. The simulations have shown that the action of the orography is decisive for the rainfall, pressure and wind distrbutions over the Spanish coast and the western Mediterranean. The isolated action of the evaporation turns to be much less important. However the combined effect of orography and evaporation is the most important factor in the areas where the greatest amount of rainfall occurred.With 26 Figures     

川贵渝复杂地形下横槽诱发双涡贵州暴雨过程的数值模拟

青藏高原大地形作用下,西南复杂地形区暴雨天气预报是一个十分重要和困难的科学问题。应用西南区域数值预报业务模式,结合业务常规观测和非常规观测资料,分析了2014年7月15日至17日发生在四川、贵州和重庆复杂地形下的一次由横槽诱发双低涡的贵州暴雨过程,得到:西南区域模式对这次暴雨过程的数值模拟结果与再分析资料有较好的对应关系,尤其是重现了降雨的落区、强度以及盆地涡与贵州涡的发生、发展过程。在暴雨过程中,两低涡垂直发展深厚,上升运动均伸展至对流层顶。涡度收支方面,盆地涡的发展主要源于涡度方程的散度项,而贵州涡的发展除了受散度项的显著影响外,平流项也起着重要作用。由于川渝盆地—云贵高原交界处地形、云贵高原横断山脉延伸区局地地形的作用,区域大气气旋式旋转的加强发展诱发了盆地涡和贵州涡。热力结构上,盆地涡的发生、发展在冷、暖气流交汇辐合区域内,而贵州涡则生成在暖区中,其降雨及加强更多地受到动力过程的影响。川渝盆地—云贵高原特殊的北低南高地形使高纬度干冷气流与低纬度暖湿气流交汇,形成强的上升运动,引发了盆地涡发展及其暴雨天气。云贵高原贵州特殊的西高东低地形导致来自低层的暖湿气流只能沿横断山脉边缘绕流,进入贵州西部的偏南气流与来自盆地涡西侧的偏东北气流汇合作用形成贵州涡,引发贵州暴雨天气。因此,局地地形与环流的相互作用是贵州涡生成及其引发暴雨过程的重要原因。      

Numerical simulation of plume-advection over a hill with coupled models. Part II: Results

Summary Two-dimensional simulations of plume advection over a hill are presented. The calculations are carried out in two steps. In a first step the flow is calculated by a mesoscale-model. This model solves the equations of motions in a cartesian grid. In a second step, the transport equation is solved using the calculated flow-parameters of the mesoscale model. The numerical formulation of the transport-equation was presented in Part I. This calculation is performed in a coordinatetransformed grid. The merit of this combination is discussed in the paper.With 11 Figures     

“7.20”华北特大暴雨过程中低涡发展演变机制研究

利用中国地面加密自动站观测资料、北京地区雷达探测资料、NCEP （1°×1°） FNL资料、ECMWF ERA Interim （0.125°×0.125°）逐日再分析资料等,对造成2016年7月19-20日华北极端暴雨中的低涡系统发展演变的结构特征和加强机制进行了研究。华北地区这次特大暴雨过程出现了3个阶段降水,其中与低涡系统强烈发展对应的第2阶段降水是本次华北暴雨过程的主要降水阶段。针对该低涡的分析表明：（1）850 hPa以西南低涡为中心的低压带中,在河南西北部新生低涡系统,并且其在向华北地区移动过程中显著加强,该低涡系统在空间结构上,从倾斜涡柱逐渐发展成近乎直立的、贯穿整个对流层的深厚低涡系统;（2）中低层低涡系统快速发展过程与高低空系统构成耦合作用有关：低层低涡系统显著加强之前,对流层上层（300-200 hPa）首先出现高空槽异常加深并向南发展,该高空槽发展的开始阶段与其本身冷暖平流造成的斜压发展过程对应;而后,随着高纬度平流层高位涡沿等熵面向南运动,造成华北地区对流层上层涡度增强,形成正位涡异常区;当这一正位涡异常区叠加在对流层中低层锋区上空时,造成对流层中低层气旋快速发展并向下伸展,诱发河南西北部的新生气旋;低涡系统的发展进一步强化了低空暖平流,促使低空气旋向东北方向发展"移动"（本质上是暖平流前端造成的气旋发展）,这一动力学过程反过来使高层的涡度增强;这一正反馈过程形成的耦合环流不仅造成了整个涡度柱强度增强,而且垂直结构上逐渐由倾斜涡柱演变为近乎于直立的涡柱;（3）随着低涡系统增强,极大地加强了垂直上升运动并触发了对流,形成大范围的强降水,大量的凝结潜热释放,造成了低层低涡系统在强降水开始阶段的快速发展和增强;20日00时（世界时）以后,虽然对流活动显著减弱,但低涡系统的加深维持了大范围强降水过程的持续。强降水与低涡发展的正反馈过程是这次华北暴雨得以长时间维持的重要机制之一,这一过程形成的持续性潜热释放也是对流层中上层低涡系统热力结构发生改变的重要原因。     

2003年江淮梅雨期一次特大暴雨的研究——中尺度对流和水汽条件分析

本文对2003年7月4日-5日江淮梅雨期间的一次特大暴雨过程进行了多尺度的详细分析.环流背景、中尺度对流云团和水汽条件分析表明,这次特大暴雨是在典型梅雨的有利环境背景形势下,由梅雨锋上的中尺度对流系统造成的,地面低压、低层切变线及西南低空急流与这次特大暴雨过程有着密切的关系.强降水中心与中尺度对流云团的关系十分密切,中β尺度云团的生成合并增强,和其中中γ降水系统的存在,导致了降水强度的局地性差异.江淮流域主要表现为经向水汽通量的辐合区,强水汽通量舌与低层高θse的舌区一致,暴雨过程中水汽的快速集中主要是通过风场散度项造成的,局地风场的辐合在水汽快速集中起主要作用.低层充沛的水汽则通过气旋性涡度柱中的强上升气流输送到对流层的中高层.     

梅雨锋上的三类暴雨

利用常规气象观测资料、区域自动站资料、FY-2C云顶亮温（T_BB）资料及NCEP 1°×1°再分析资料,对2015年6月17-18日发生在黔东南地区的典型梅雨锋西段暴雨进行了诊断分析。结果表明（：1）在500 hPa两槽一脊单阻型梅雨形势下,冷空气沿贝加尔湖阻塞高压东侧南下与来自南海、孟加拉湾的暖湿气流在黔东南交汇,500 hPa短波槽东移促使低空切变线东移南压和地面梅雨锋发展,配合200 hPa南亚高压东部脊附近的\     

北京“7.21”特大暴雨环流形势极端性客观分析

2012年7月21日(简称“7.21”),北京发生了自1951年以来最强的暴雨事件。利用倾斜旋转T模态主成分分析法和美国国家环境预报中心/美国国家大气研究中心再分析资料,探讨了北京“7.21”特大暴雨的大尺度环流形势的极端性。结果表明,北京“7.21”暴雨日所属的大尺度环流型在1951—2012年夏季出现的频率为10.9%,而在“7.21”同类环流型中暴雨出现的概率为4.51%。和同类暴雨日平均场相比,“7.21”暴雨日当天西太平洋副热带高压西伸更强,北京地区对流层低空急流更强,并伴随环境大气中极端充沛的可降水量和较大的风垂直切变。在“7.21”同类环流型下的621 d中,“7.21”暴雨日北京南侧的低空急流排在第54位,北京局地风垂直切变排在第209位,可降水量排在第8位,显示出其在低空急流和可降水量上的极端性。1951—2012年夏季,具有“7.21”暴雨日同类环流形势、且925 hPa低空急流和可降水量均达到或超过“7.21”暴雨日值的个例有3次,相当于每21年发生一次。     

“0806”华南持续性暴雨诊断分析与数值模拟

用NCEP再分析资料、常规气象观测等资料,对2008年6月11—13日发生在华南地区的持续性暴雨的大尺度背景进行了分析,用MM5模式模拟出了暴雨的大尺度背景,利用模拟结果对这次暴雨过程的系统演变做了进一步的分析。结果表明:(1)西南涡是暴雨的直接影响系统,随着西南涡的东移,暴雨从广西北部一直推进到广东东南部。(2)中高纬稳定的两槽一脊的环流形势和偏南的西太平洋副高,及不断南下的小股冷空气,为这次暴雨提供了有利的中高纬环流背景冷空气条件;东亚夏季风偏南,越赤道气流偏强,给暴雨的维持提供了丰富的水汽条件。(3)模拟的结果验证了暴雨发生的大尺度环流背景,并在700hPa上模拟出了3个正涡度中心,是华南暴雨发生的动力因子。     

双热带气旋相互作用的机制分析及数值研究 II:数值模拟

在本文第Ⅰ部分关于双热带气旋相互作用物卵机制分析的基础上,利用正压原始方程模式对,平面上无大尺度环境流场情况下双热带气旋的相互作用进行了数值模拟研究,重点考察了双热带气旋水平流场相互作用的次级环流机制,文[1]中所提出的双热带气旋相互作用的临界距离效应概念在模式中得到了验证.同时通过模拟还发现,双热带气旋的联合强度越强、中心间距越小,则互旋越快;对于相互吸引的双热带气旋而言,合并后范围有所扩大,强度有一定的加强,并且较强的两个热带气旋比一强一弱的两个热带气旋维持的时间要长、较难于合并.这些结果与实际双热带气旋相互作用的观测事实极为一致.     

Numerical simulation and sensitivity study of a severe hailstorm in northeast Spain

During the afternoon of August 16th 2003 a severe hail event occurred in the town of Alcañiz in the Ebro Valley (Spain). This storm brought with it intense rain and hail precipitation that caused severe floods, damaged cars and street furniture. A diagnosis, using data from ECMWF, showed the presence of a mesolow at surface level centered over the Northeast of Spain, carrying winds from the Mediterranean Sea towards the Central Ebro Valley. At medium and high levels, a trough, whose axis extended over the Northwest of the Iberian Peninsula, moved eastwards preceded at 500 hPa by a thermal trough that caused increasing instability before the arrival of the geopotential trough.A numerical study of this event has been carried out using the MM5 model with a double aim. On the one hand, it attempts to check whether or not the simulation reproduces the storm in Alcañiz. On the other hand, it carries out a sensitivity experiment in order to evaluate the contribution of two specific factors: topography and solar radiation. Compared with radar data, the control simulation reproduces the region affected by the storm reasonably well. The suppression of topography and/or solar radiation substantially modifies the surface mesolow and the spatial distribution of the precipitation. Neither of these factors, considered independently, reproduces the precipitation caused by the storm in Alcañiz. However, the results illustrate the importance of the synergic effect of these two factors on the spatial localization of the storm and on the intensity of the precipitation registered.     

“5.7”广州局地突发特大暴雨中尺度特征及成因分析

2017年5月7日广州局地突发特大暴雨,降水集中爆发于广州北部复杂地形区,单点小时雨量大、强降雨持续时间长。然而降水发生于副热带高压边缘、无明显的低空急流等天气系统配合,为弱强迫背景下的华南前汛期暴雨,加之珠三角地形复杂,其触发和组织维持机制等问题引起了气象科研和预报工作者的广泛关注。针对其降水特点,采用5 min自动气象站观测、分钟雨量、风廓线雷达、葵花8号气象卫星红外等高时空分辨率观测数据探讨中尺度对流系统的触发和组织维持过程,发现:中纬度入海高压南侧偏东风和低层切变系统为珠三角边界层南风风速辐合提供了有利的天气背景,喇叭口地形增强了风速辐合。小尺度地形辐射降温配合城市热岛在山前形成高温度梯度区,山风与南风对峙使地面辐合线在山前移速变慢有助于热带云团的生成。地形阻挡抬升和高温度梯度加强上升运动,南风风速脉动使云团迅速向山前移动,最终对流爆发。以暖云降水为主的对流系统产生弱冷池驱动对流系统连续传播,使强降水回波面积增大并在小尺度地形影响下稳定位于增城附近,产生极端小时雨强;中尺度对流系统的单体移动方向和传播方向近乎相反导致系统移动非常缓慢,后向传播明显,最终导致长时间强降水。