郑州“7·20”极端暴雨的水汽输送特征

在亚洲中高纬度“两槽一脊”的稳定环流形势下,西北太平洋副热带高压和台风“烟花”“查帕卡”等共同作用,引导水汽在郑州地区辐合,导致2021年7月19—21日郑州地区出现降水极值超过800 mm的罕见极端暴雨(以下简称为“郑州“7·20”极端暴雨”),造成重大人员伤亡和财产损失。针对此次郑州“7·20”极端暴雨过程,采用HYSPLIT模式追踪其水汽来源和输送特征。结果表明:郑州“7·20”极端暴雨的水汽主要来自北太平洋西部和南海北部,北太平洋西部的水汽受西北太平洋副热带高压和台风“烟花”的共同影响,南海北部的水汽受台风“查帕卡”和“烟花”的共同影响。水汽主要在850 hPa以下高度输送,而来自南海北部的水汽在向北输送的过程中逐渐抬升,临近郑州地区时接近700 hPa。基于HYSPLIT后向追踪的水汽轨迹进行定量计算,得到来自北太平洋西部和南海北部的水汽贡献分别约占73%和27%。     

0418号"艾利"台风暴雨过程的数值模拟

本文利用中尺度MM5模式模拟了0418号“艾利”台风造成闽东北强降水的一次物理过程．模拟结果表明：充沛的水汽和强烈的上升运动是造成台风暴雨的直接原因，降水与850hPa涡度场、散度场有较好的对应关系．基本流场存在二次切变时，横渡型扰动会激发产生并且发生不稳定，从而导致暴雨天气的产生．台风附近相当位温密集陡峭和CAPE值的突增表明台风有加强的可能，CISK和涡旋Rossby波的传播是可能的机制．水汽的敏感性试验结果表明：水汽变化会影响台风的强度和降水的强度，水汽的微小变化可造成降水极大的变化，但对台风的位置影响不大．     

低空急流对0212号台风"北冕"后部暴雨影响的分析和数值试验

本文首先用实测资料分析了0212号台风"北冕"造成福建大暴雨过程的环流形势和物理量场特征,指出低空偏南风急流的北抬和加强为远离风暴中心的福建东南沿海大暴雨提供了有利的水汽和动力条件.然后用中尺度模式(MM5)模拟分析了低空偏南风急流强度变化对本次暴雨过程的影响,结果表明低空急流强度变化对福建东南部的暴雨落区及强度有很大影响.     

WRF模式同化系统在“碧利斯”台风暴雨数值模拟中的应用

利用美国高分辨率中尺度模式WRF(weacherResearch and Forccast)式和、WRF三维同化系统(WRF 3DVAR),以2006年"碧利斯"台风低压引发的暴雨天气过程为例,通过控制试验和同化试验的对比分析,探讨了高空和地面实况资料同化对台风低压"碧利斯"暴雨过程分析和预报的影响.初步的结果显示,同化高空和地面实况资料后对模式的初始场有明显的改进、对暴雨过程的降水落区和强度有不同程度的正反馈,更接近实况的降水.     

山东半岛一次中β尺度暴雨的数值模拟分析

利用NCAR/PSU的中尺度大气非静力模式MM5,对2004年8月5日发生在山东半岛的1次中β尺度暴雨过程进行了数值模拟和分析.将模拟的位势高度场、风场、降水与实况进行对比分析,在模拟结果比较合理的情况下,着重对发生暴雨的动力学机制进行了分析.结果表明：黄海中部高能区和副高边缘的高比湿带的维持造成对流不稳定,类似“干线”的特征有利于储存对流不稳定能量.在850hPa散度场上,山东半岛存在辐合辐散交替出现的链式分布,这揭示了重力波的存在;沿辐合辐散交替出现中心连线,作涡度、散度的垂直剖面,显示出重力波的垂直结构特征;重力波过程对暴雨天气的发生、发展有触发、组织和加强作用,天气尺度切变线辐合加强对重力波有激发作用.     

0519号台风“龙王”中尺度螺旋雨带的数值模拟

本文研究0519号"龙王"台风中尺度螺旋雨带结构特征及其与闽东北沿海地区特大暴雨的关系。通过对台风中尺度螺旋雨带特征的分析确定其引发福建暴雨的事实,并采用MM5模式对台风的中尺度降水进行数值模拟。模拟得到的降水分布和强度与实况基本相符,效果较好。在此基础上,我们对此降水过程进行B、C方案的地形敏感性试验,结果表明地形高度增加使迎风坡及山脉东侧的降水增加,地形降低则反之,山脉东侧地势较低地带受地形影响较小,台风降水受地形影响呈现出类重力波式正负相间的降水差值波列形式,但MM5对短时强降水的模拟效果较差。     

赤潮发生和蔓延的动力机制数值模拟

海洋中发生的赤潮不是单纯的生物生态问题,而是在海洋动力环境条件控制下的生物生态问题.对4种情况进行数值模拟来证明动力条件对赤潮的发生、蔓延所起的重要作用.这4种情况是:(1)1998年春实际发生在香港海域的赤潮的生消全过程;(2)改变潮差后的赤潮生消全过程;(3)改变流场的扩散强度后的赤潮生消全过程;(4)通过工程措施改变海区的周边地形来控制赤潮的蔓延途径.这些模拟结果表明海洋的动力条件不仅对赤潮的蔓延发挥输运作用,而且对赤潮的形成有影响,在某些条件下它对赤潮的发生将起着决定性作用.     

0505号台风的数值模拟和中尺度结构分析

采用MM5中尺度数值模式,以NCEP再分析资料作为初始场和侧边界,对0505号台风“海棠”登陆过程进行数值模拟,结果表明模式能很好的模拟出台风路径和暴雨落区,并利用模式输出的高分辨率结果对台风“海棠”的中尺度结构演变特征进行了初步分析。     

三个登陆浙江热带气旋数值试验及暴雨过程的湿位涡分析

首先利用非静力平衡中尺度数值模式MM5(V3)对2004年3个登陆浙江热带气旋的登陆过程进行了数值模拟试验,通过对路径、降水的对比验证表明,MM5模式对热带气旋的模拟是比较成功的。然后在模拟效果较好的基础上,利用高分辨的模拟结果,对台风暴雨过程的湿位涡进行了诊断分析,结果表明:3场台风暴雨的形成机制有显著差异,Rananim强降水是由其本身环流造成的,至于Mindulle和Haima的降水冷空气的侵入起到了重要作用。暴雨都发生在陡立密集区附近,对流层低层湿位涡负值中心与暴雨落区存在较好的对应关系,而其中心数值绝对值随时间的变化量与1h降水存在正相关关系,说明湿位涡负值中心可以作为降水时空分布的重要指标,为台风暴雨预报提供一种思路。     

0307号台风"伊布都"影响广西南部暴雨的数值模拟及诊断分析

本文用MM5模式模拟了0307号台风“伊布都”影响广西的暴雨过程．其结果表明：副高西侧偏南风急流的加强为广西大范围的暴雨天气创造了有利条件，台风环境风场的不对称结构导致其暴雨的不对称分布．盂加拉湾至中南半岛一带维持强盛的西南风急流，为台风南部维持强的涡度中心提供了大尺度的背景场．涡度空间分布的不对称是造成台风南部暴雨的主要原因．本次桂南暴雨的水汽源来自盂加拉湾，中南半岛水汽输送通道明显；过程前期螺旋度高低空负、正垂直螺旋度配置十分有利于系统自身的发展及暴雨的维持；对流不稳定度的增强和湿斜压涡度的发展，导致中低层湿位涡的增强，有利于降水加剧．     

“罗莎”台风造成浙江特大暴雨的过程分析

0716号台风"罗莎"于2007年10月7日下午15:30在浙江省苍南县霞关镇附近的浙闽交界处登陆。受"罗莎"台风的影响,浙江省出现暴雨到大暴雨,过程平均降雨量全省达163.0mm。利用NCEP/NCAR1°×1°再分析格点资料、浙江省自动站降水数据和MICAPS的Ki与Ky指数资料(浙江省部分),对由0716号台风"罗莎"造成的浙江大暴雨到特大暴雨过程的大环流天气形势演变、动力条件、水汽输送及物理量特征等进行诊断研究。结果表明,在10月6～9日"罗莎"台风影响浙江期间,欧亚500hPa中高纬度为平直环流,乌拉尔山以西为高压脊,从河西走廊至中原地区有一移动性冷槽,西太平洋副热带高压逐渐加强,呈东西向带状,位置偏北强度偏强,江淮以南地区为副热带高压控制,脊线位于30°N附近;在对流层中、低层(气压为700hPa、850hPa)有明显的冷温槽,途经河西走廊、河套地区、江淮和长江中下游地区,7日14时至8日14时地面冷锋与"罗莎"台风倒槽在浙江相互作用,形成了台风外围受冷空气侵入的特定环境场,为浙江大暴雨到特大暴雨的形成创造了条件。"罗莎"台风螺旋云带中含有大量水汽从东海向浙江大陆输送,10月6日20时至8日14时,从东海到浙江大部出现强的水汽通量大值区,最大水汽通量出现在10月7日02时低层(气压为850hPa),中心为40g/(s.hPa.cm)以上的水汽通量大值区出现在东海,低层高含水量从东海向浙江陆地持续输送,时间长达42h,为本次大暴雨到特大暴雨提供了有利的水汽条件,诊断得出,大气柱可降水量达65kg/m2时可出现大到暴雨,大气柱可降水量达70kg/m2时可出现特大暴雨。从流场、散度场和垂直速度场发现,台风环流区域内低层的强上升运动为本次大暴雨到特大暴雨提供了上升运动的促发机制,高层辐散区与中低层台风北侧倒槽强烈辐合区叠加,使得中低层的辐合更为强烈,这都有利于台风北侧暴雨的维持和加强;台风环流域内的垂直上升运动区有一个"增厚"过程。分析温度平流发现,6～8日在浙江上空(气压为550hPa以下),有明显的冷暖平流交汇,冷空气进入台风外围与台风携带的暖湿空气相遇,台风环流呈西冷东暖状态,加上低层的辐合机制,促使斜压对流不稳定能量的加大,并释放出最大有效的位能,使得大于35℃的Ki指数和4～6个单位的Ky指数高值区覆盖浙江全省,造成大气强烈的上升运动,导致台风倒槽降雨量的加强。     

一次秋季大暴雨过程动力机制的数值分析

利用中尺度大气非静力模式MM5对2003年10月9～12日发生在冀东南和鲁西北的大暴雨过程进行了数值模拟。基于合理的模拟效果,着重分析了产生此次暴雨的动力、热力机制及中尺度天气系统之间的相互作用。结果表明：蒙古高压前部与西南低压外围在华北平原西部形成东北一西南走向的锋面,冷暖空气相遇,在锋前形成大范围静力不稳定区;生成于河南西南部的中-α涡旋向东北方向移动过程中引起地转平衡局地破坏,质量场向风场的调整过程中激发出惯性重力波,而惯性重力波的频散加强了西南风低空急流中急流核的移动,将水汽和能量向锋前输送;位于锋前的冀东南和鲁西北地区的大气层结不稳定度最大,重力波传播到此迅速发展,触发了该地不稳定能量释放,造成了此次局地大暴雨。     

“12·14”山东暴雪过程的极端性特征及成因

利用国家级地面气象观测站、风廓线雷达、X波段双偏振相控阵雷达等多源观测资料和欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF）第五代大气再分析（ECMWF Reanalysis v5,ERA5）资料,总结了2023年12月13—14日山东大范围暴雪、局地大暴雪（简称“12·14”暴雪）极端性的特征和成因,并与2021年11月7日山东极端暴雪过程（简称“11·7”暴雪）对比分析了降雪量和雪水比差异的原因。结果表明：（1）典型的暖平流型天气形势是产生极端暴雪有利的环流背景条件,低层切变线和风速辐合区在鲁西北叠加,形成强烈而持久的上升运动。（2）低空急流异常偏强,降水强度不仅与低空急流的强度有关,而且与其厚度有关。当3.0 km高度保持低空急流的强度时,10 m·s^-1风速到达的高度越低,降雪强度越大。（3）700 hPa比湿超过4 g·kg^-1、850 hPa比湿超过3 g·kg^-1的持续时间均长达10 h以上,为极端暴雪过程提供了充足的水汽。850 hPa比湿和比湿平流远远高于“12·14”暴雪过程,是“11·7”过程最大累计降雪量大于“12·14”过程的原因之一。（4）“12·14”暴雪过程垂直运动旺盛,最大上升速度位于不稳定层顶的前沿,处于-20~-10 ℃层,有利于树枝状冰晶生长,降雪效率高。对流层整层温度低于0 ℃,雪花下落过程中没有融化,雪水比高,积雪深度大。“11·7”暴雪过程初期最大上升运动中心高度低,形成更多柱状冰晶,经过暖层时融化,雪水比低,积雪深度小于“12·14”暴雪过程。     

一次受台风影响的大气波导过程分析和数值模拟

利用NCEP再分析资料及实况探空资料,对2002年8月31日台风"鹿莎"靠近和进入韩国期间,在我国东部地区大气波导的发生情况,以及相对应物理量场进行分析发现:湿度递减以及辐散下沉运动与大气波导的发生有很好的对应关系.运用中尺度预报模式ARPS对这次大气波导过程进行了两种方案的数值模拟试验,结果表明:对大气波导进行数值模拟时,初始场非常重要.在初始时刻同化了探空资料后的初始场更接近真实大气状况,同化探空资料初始场的模拟结果比没有同化探空资料初始场的模拟结果更接近于实际探空资料.     

冬季高频大风过程对渤海冬季环流和水交换影响的数值模拟

利用ROMS海洋模式和NCEP CFSR提供的日平均和月平均驱动场资料,对渤海冬季风生环流和水交换进行了数值模拟。结果显示:使用包含渤海冬季频繁出现的高频大风过程的日平均风场资料模拟的渤海冬季环流流速明显增强,与用观测资料归纳得到的渤海冬季环流分布吻合较好;大风过程对渤海冬季环流的贡献较大,无论强度或是流态,大风作用下的渤海流场结构在冬季占主导作用。同时大风作用通过控制渤海海峡处强烈的流出和流入,提高渤海与黄海之间热量交换以及水交换能力:通过渤海海峡进入渤海的热输运量显著增加,平衡渤海整体的热量收支;渤海水体平均存留时间缩短,整体水交换得到改善,而在月平均风场驱动结果中只存在缓慢的季节性变化。这显示渤海冬季大风过程的发生频率和强度有可能直接影响着渤海冬季的环流形态和长期变化,也影响着渤海水交换的强弱。     

2002年8月闽东一次暴雨天气过程的可能物理成因和数值试验

利用MM5模式对2002年8月10～11日发生在闽东的一次暴雨过程进行了数 值模拟和诊断分析．结果表明:暴雨中心位于低层正螺旋度中心附近。而且雨强的变 化与正螺旋度的变化近于一致．在MM5模式能较好地模拟本次过程的基础上,对地 形和风场做了对比试验．试验结果表明:地形对暴雨有较强的增幅作用;风速垂直廓 线的线性和非线性分布激发产生的中尺度重力惯性波和涡旋Rossby波,在切变基流 中有可能发生不稳定而导致暴雨天气过程的产生．     

数字滤波初始化对台风“烟花”数值模拟的影响

基于中尺度数值模式WRF（Weather Research and Forecasting）,分析在逐小时循环同化系统中,高频多次应用数字滤波初始化方案对台风“烟花”模拟结果的影响。结果表明：（1）数字滤波能够产生与天气现象相关的滤波增量。晴空区域由于向后积分过程中辐射等重要过程未开启,后向积分结束时近地面温度变化较小,在向前积分时白天到达地表的太阳短波辐射过度累积,夜间地表热辐射过度释放,造成晴空区白天2 m温度升高,夜间2 m温度降低。台风对流区域受后向积分为绝热过程的影响,原本上升运动中水汽凝结释放潜热脱离气块的降水无法在绝热下沉增温中吸收热量变为水汽,在后向积分时产生了热量的异常累积以及水汽的减少,导致强对流区域热力结构发生变化。（2）统计结果显示,随着数字滤波应用次数的增加,初始化过程对初始场和预报的影响逐渐积累,造成的预报差异持续整个模拟过程。（3）在循环同化的基础上多次应用数字滤波初始化,数字滤波初始化显示出较好的抑制高频噪声的作用。多次滤波后台风环流中心暖心增强引起台风强度增强,最低气压更加接近最佳路径资料;暖湿气流向鲁南地区输送的减弱造成鲁西南地区特大暴雨漏报;台风环流位置的偏南影响了后期与西风槽结合的时间导致后期移速偏慢。     

GRAPES模式对“0703”强风暴潮的数值模拟分析

本文对2007年3月4～5日凌晨发生在渤海及山东北部沿岸的一次强风暴潮过程成因进行了分析和探讨,并利用我国新一代数值预报模式GRAPES(Global/Regional Assimilauon and Prediction Enhanced System)对该过程进行了气压场和风场数值模拟.结果表明:由温带气旋产生的强而持久的向岸大风是引发此次强风暴潮发生的主要强迫动力;风应力增水作用与天文大潮相叠加直接导致风暴潮的发生;GRAPES模式较好的模拟出了本次风暴潮过程的气压场和风场特征.其中,气压场中,较好的模拟出了温带气旋的发生发展、移动路径、强度变化等特征;风场中,较好的模拟出了风增大和减弱的趋势以及造成风暴增水的向岸大风的风场分布特征等.