云滴数浓度影响混合型层状云降水的数值模拟

使用耦合了Morrison双参数微物理方案的中尺度WRF模式V2．2,对2008年1月25-29日发生在我国南方的冰雪天气过程进行了数值试验。在模式准确再现了此次天气过程形势演变特点的基础上,对模式微物理方案中云滴数浓度影响累积降水量的情况进行了敏感性试验,发现云滴数浓度对降水量的影响是复杂和非线性的。对此次天气过程中的微物理量进行了详细的分析,并从各种水成物粒子的发展演变上,讨论了云滴数浓度的增加在暖云和冷云两种降水机制上对降水产生的不同影响。结果表明,云滴数浓度越大,云水混合比就越大,云滴的尺度越小。雨滴对不同云滴数浓度的响应与云滴的情况相反,随着云滴数浓度的增加,雨滴数浓度减小,雨水也减少,暖云降水过程受到了抑制;冰晶和雪晶的数浓度的演变过程没有明显变化,而冰晶和雪晶的混合比是相应增加的,冷云降水过程得到了一定程度的增强。从本文模拟的个例来看,设置不同云滴数浓度所得到的总累计降水量的差异在1％以内。总的来说,增加云滴数浓度,降水量会减少。从比例上来看,增加云滴数浓度对暖云降水过程的抑制作用比对冷云降水过程的增强作用更为显著,但是在本文模拟的个例中,冷云降水过程占主导地位,减少的降水和增加的降水的绝对值在同一个量级上并且数值相近,它们相互抵消后得到的结果是降水量变化的绝对值大大减小了,这解释了增加云滴数浓度后模拟的总累积降水量变化不明显的原因。     

强龙卷超级单体风暴特征分析与预警研究

利用多普勒雷达资料,对发生在安徽的3次强烈龙卷过程进行了分析.重点研究了导致F2～F3级强龙卷的3次超级单体风暴多普勒雷达回波特征及其与强冰雹超级单体风暴的差异.另外,利用安徽省、市、县气象报表、历年气候评价灾情资料(部分来自民政部门的灾情报告),对1960年至今的龙卷天气的时空分布及变化趋势、产生龙卷的环流形势特征进行了分析,结果表明:(1)龙卷主要出现在淮北东部和江淮之间东部地势平坦地区,7月份出现龙卷的概率最高.(2)超级单体龙卷产生在中等大小的对流有效位能和强垂直风切变条件下,同时抬升凝结高度较低.(3)3次F2～F3级龙卷在发生前、发生时在多普勒雷达上都探测到强中气旋和龙卷涡旋特征TVS.与非龙卷超级单体风暴相比,导致强龙卷的中气旋底高明显偏低,基本在1 km以下.同时风暴结构也有所不同,造成龙卷天气的超级单体风暴最大反射率因子与风暴质心高度接近,基本在3 km左右,反射率因子在50～60 dBz.造成强冰雹的超级单体风暴在冰雹产生前,风暴最大反射率因子高于风暴质心的高度;当风暴开始降雹时,最大反射率因子高度开始降低,而风暴质心的高度变化不大,高于最大反射率因子高度,基本保持在5km左右,反射率因子在60～70 dBz.     

超级单体引发的龙卷天气过程分析

利用营口市多普勒天气雷达资料,对2005年8月10日16时10-20分左右营口市东南部六个乡出现的龙卷天气过程进行了简要分析,该龙卷发生前的主要天气形势是:一个东移的东北低涡引导高空槽,沿高空等高线冷干气流与低空的暖湿气流产生对流不稳定层结,超低空南支急流与低空西南风急流以及高空西北风产生的较大垂直风切变,有利于龙卷天气的产生.产生该龙卷的对流系统是由渤海湾生成的片状层状云和积状云混合降水回波.自东向偏北方向移动,15:50以后低层反射率因子的强降水回波移入大连北部与营口南部临近区域,在层状云降水中含有一些零散的和有组织的对流降水回波,主体为一个近似团状的对流系统,而龙卷产生自该系统南端的一个超级单体.最初的中气旋形成于8月10日15:56,相应对流单体的反射率因子还没有呈现出超级单体的特征,随后中气旋迅速发展加强,在16:02-16:08反射率因子形态呈现出经典超级单体的特征:明显的低层入流缺口,入流缺口位于超级单体移动方向(偏东南方向)的右侧,低层的弱回波区和中高层的回波悬垂结构,最大反射率因子超过56 dRz.在龙卷产生前几分钟和龙卷进行过程中,中气旋保持较强,而后迅速减弱,低层入流缺口渐渐消失.在龙卷进行过程中,相应45 dBz超级单体的反射率因子区局限在6 km以下,此系统为低质心的对流系统,产生的天气是龙卷,伴随有大风短时强降水,与冰雹的高质心对流系统有明显区别.同时也初步探讨了引发此次龙卷的生成机制.     

江苏阜宁EF4级龙卷的高分辨率数值模拟研究

利用美国Advanced Regional Prediction System(ARPS)模式,采用水平分辨率分别为9 km、1 km、250 m和75 m的四重单向嵌套网格,模拟了2016年6月23日发生在江苏阜宁的EF4级龙卷过程。结果表明：1 km、250 m和75 m网格都可以复制出龙卷风暴的一般特征,包括钩状回波和旋转上升运动等;250 m网格可以模拟出类龙卷涡旋（Tornado-like Vortex,TLV）,75 m网格才可以解析出龙卷涡旋。TLV和龙卷涡旋的形成和增强是近地面上升运动增强导致的,随着模式分辨率的提高,模拟的近地面上升运动更强,模拟的TLV强度更强,持续时间更长。250 m和75 m网格模拟的龙卷的最强级别分别为EF2级和EF3级。龙卷涡旋最初是由若干个强度较强的小尺度涡旋合并形成的,次级出流阵风锋的辐合作用进一步增强了龙卷涡旋,从而发展至成熟阶段。成熟的龙卷涡旋呈现从单涡旋到双涡旋最后到多涡旋龙卷的演变。     

海南一次超级单体引发的强烈龙卷过程观测分析

利用常规高空地面观测、海南省区域加密自动站、海口多普勒雷达、海口风廓线雷达以及风云2G高分辨可见光云图资料对2016年6月5日海南省文昌市一次EF2级龙卷过程进行分析。结果表明:(1)这次龙卷过程发生在副热带高压边缘、500 hPa槽前、850 hPa切变线和地面热低压的南侧,是由超级单体引发的;由于海陆风效应而显著增大的0~2 km垂直风切变,较低的抬升凝结高度,随着白天地面太阳辐射加热迅速增大的CAPE值为超级单体风暴的生成提供了有利的环境条件。(2)超级单体是在东移飑线的东侧,由β中尺度海风锋辐合线和雷暴外流边界触发并加强的,沿着海风锋辐合切变线自东向西传播,与风暴承载层平均风向相反,即后向传播;超级单体具有勾状回波、中高层回波悬垂、中气旋和类似龙卷式涡旋特征(TVS)的小尺度强切变等特征,中层中气旋向低层延伸加强期间龙卷漏斗云生成、触地,小尺度强切变自中层同时向上、向下发展时龙卷达到最强;龙卷发生在勾状回波低层反射率因子最大梯度区域靠近弱回波区域一侧,也是小尺度强切变(类TVS)所在位置;(3)海风锋辐合线与超级单体的下沉气流外流边界合并,形成位于超级单体南侧的阵风锋,从而形成由东指向西的水平涡管,该水平涡管在钩状回波旁的弱回波区被上升气流扭曲拉伸,形成低层中气旋,超级单体南侧的阵风锋与东移的飑线阵风锋相遇而加强的地面辐合,有助于低层中气旋获得拉伸旋转加速而形成龙卷。     

重庆地区一次雷暴云电过程及其对初始云滴数浓度响应的数值模拟

采用耦合了Saunders和Takahashi两种非感应起电参数化方案的RAMS(Regional Atmospheric Modeling System)模式,对重庆地区一次雷暴过程进行模拟,对比分析了两种起电参数化方案下,电荷开始分离时和雷暴云发展到成熟阶段时的水成物粒子的分布、所带电荷密度以及雷暴云的电荷结构分布。模拟结果表明,在Saunders起电参数化方案下,雷暴云的电荷结构从起电到放电都呈现偶极性特征,而在Takahashi参数化方案下,雷暴云的电荷结构则由反偶极性发展成正偶极性。为研究CCN(cloud condensation nuclei)对雷暴云的影响,本文进行了两组敏感性试验,随着云滴初始数浓度增加,雷暴云的电荷结构没有发生极性翻转,但雷暴云中电荷量增加,电荷分布区域变大,有利于闪电发生。在Saunders起电参数化方案下,当云滴初始数浓度大于2 000 cm-3时,电荷量变小。通过分析微物理量场和微物理过程发现,随着云滴初始数浓度增加,冰相粒子质量混合比增加,在Saunders起电参数化方案下,当云滴初始数浓度大于2 000 cm-3时,霰粒子质量混合比减小。验证了CCN的变化能影响云的微物理过程,从而影响雷暴云的电荷分布以及闪电的发生,尤其是冰相物质的变化显著影响了雷暴云的起电过程。     

海南一次微型超级单体引发的EF1级龙卷天气过程分析

利用常规高空地面资料、海南省区域加密观测资料、NCEP再分析资料、海口多普勒雷达、风云2G高分辨可见光云图和欧洲中心预报场等资料,对2019年2月18日发生在海口三江镇的一次EF1级龙卷天气进行分析,并对欧洲中心18日08时预报场进行检验.结果表明:1)副热带高压较弱、500 hPa槽前、低层切变线南侧、高低空辐合辐散为此次龙卷的发生提供有利的天气背景;良好的不稳定条件、较强的低层垂直风切变与较低的抬升凝结高度为龙卷的发生提供较高的环境条件;2)对流带发展前期呈辐合速度带,东移加强中变粗变短,逐渐发展为气旋式旋转的辐合速度对,最后发展为微型超级单体,强盛高度仅3 km,回波顶高5 km;风廓线产品在近地面风速增强、风向转向,0—1 km垂直风切变加大,对龙卷的预警有一定作用;3)南支槽前西风汇入海风,与近地面背景风相对,补充加强边界层切变线上的次级环流,伴随增强的边界层垂直风切变造成水平涡度管对垂直涡度的正输送,直至在海南岛北部形成具有若干中β尺度涡旋的边界层切变线,是龙卷的主要发展机制;4)欧洲中心(ECMWF)较准确把握了此次过程的环流形势与发展时间,但预报的对流强势区域偏移对能否预判此次龙卷的作用很小.     

一次伴随强烈龙卷的强降水超级单体风暴研究

利用徐州多普勒天气雷达、常规观测和地面加密观测资料,对2005年7月30日发生在安徽北部的伴随强烈龙卷和暴雨的强降水超级单体风暴的环境条件和回波结构演变特征进行了详细分析。主要结果如下:（1）该强降水超级单体产生在中等大小的对流有效位能和较大的深层垂直风切变条件下,同时抬升凝结高度很低,边界层内的低层垂直风切变很大,地面存在阵风锋。上述中等程度的对流有效位能值和大的深层垂直风切变有利于超级单体风暴的产生,而大的低层垂直风切变、低的抬升凝结高度和地面阵风锋的存在有利于F2级以上强龙卷的产生。（2）该超级单体的演化可以归结为“带状回波－典型强降水超级单体－弓形回波” 三个阶段。在带状回波阶段,该超级单体的发展从一条狭长对流雨带的变短变粗开始,雨带中间的对流单体内首先有中气旋发展,从4 km左右高度首先出现,然后同时向上和向下发展,前侧入流缺口变得明显,接着雨带南端的单体中也有中气旋发展。在典型强降水超级单体阶段, 雨带南端单体逐渐与中间单体合并,构成一个庞大深厚的强降水超级单体和被包裹在其中的直径12 km左右、深厚强烈的中气旋,然后由于后侧入流的开始出现,低层回波形态层演变为“S”形,而中层回波呈现为螺旋型。（3）龙卷出现在“S” 形回波阶段,在龙卷出现前,有一个龙卷涡旋特征TVS（Tornadic Vortex Signature）出现在中气旋的中心,其对应的垂直涡度值估计为6.0×10-2s-1。龙卷地点上空有很强的风暴顶辐散, 散度值约为0.8×10-2s-1。弓形回波阶段的开始由在弓形回波北部逗点头回波的中心的另一个中气旋形成为标志,原有的中气旋位于弓形回波顶点附近,随后弓形回波的北宽南窄的不对称结构逐渐明显,原有的位于弓形回波顶点附近的中气旋消失, 并出现地面直线型风害。另外,还对此次过程中气旋产生和超级单体形态的演变的可能机制进行了探讨。     

一次超级单体的多普勒特征和数值模拟特征对比分析

首先利用多普勒雷达分析了影响广州的超级单体的典型特征。从反射率因子产品中可以观测到指状回波、V型缺口、弱回波区、回波悬垂和回波墙。截取沿着风暴低层人流方向并通过反射率因子核区的垂直剖面,分析出云内存在两支对峙的上升和下沉气流。随后利用三维对流风暴云模式模拟了此次过程。模拟的最大反射率因子为75dBZ,60dBZ回波核区厚度超过了14km,比实际探测值偏大,这是模式本身的问题,其主要原因是没有考虑衰减的影响,也可能是模式初始扰动偏大和粒子非球形的影响。模式还给出了超级单体强盛时的流场结构：近地层以辐合气流为主,为雷暴出流;其上上升气流占据主导地位,为辐合风场;但在顶端没有给出携带降雨粒子的出流所产生的云砧。另外,模式较好地模拟了云内垂直运动的演变：开始时,地面辐合形成有组织的上升气流;随后上升运动加大,具有倾斜性,促使单体进一步发展;之后,单体内出现了下沉气流,与上升气流并存,但上升气流占主导地位;风暴强盛时近地层辐散加强;此后,下沉气流逐步控制云体,单体迅速减弱。     

雷达资料同化在局地强对流预报中的应用

采用ARPS模式的资料分析系统ADAS同化多普勒雷达径向速度和反射率因子资料,分析两者对初始场的改进作用,并应用于WRF中尺度模式中对2012年8月21日江西省一次局地强对流过程进行了模拟试验。分析结果表明:（1）ADAS同化系统能够利用雷达径向速度和反射率因子资料有效增加初始场中的中小尺度风场信息和云、水物质含量,并通过湿绝热或非绝热初始化对温度场、湿度场和风场进行调整,使初始场在动力和热力上达到平衡。（2）同化径向速度后对改善模式初始场的动力场有重要贡献,而对大气水凝物和降水的预报影响较小;同化反射率因子的主要作用是调整初始场中的水凝物场和热力场,有效缩短了模式的“ spin-up”时间,明显改进了定量降水预报;同时同化雷达径向速度和反射率因子后,初始场中快速调整出了中小尺度风场水平辐合、垂直运动以及合理的温、湿分布,对3小时内雨带形状、降水落区及定量降水的预报与实况更接近。（3）模拟试验表明,同时同化径向速度和反射率因子能成功模拟出本次对流单体风暴的中β尺度三维空间分布结构及其演变过程,中低层切变线的辐合抬升强迫作用是对流单体风暴组织、发展和维持的主要动力机制之一,对流凝结潜热加热在对流单体风暴的发生发展中发挥了重要作用。因此,雷达资料同化对提高临近数值天气预报的准确率以及对强对流天气系统的模拟能力具有重要意义。     

一次冰雹天气强对流(雹)云演变及超级单体结构的个例模拟研究

利用WRF中尺度数值模式,模拟了2005年5月31日发生在北京的冰雹强对流过程,成功地再现了冰雹天气发展过程中起重要作用的冷涡底部的小槽、低层暖湿舌、地形辐合线等中尺度系统;模拟的地面降水、强对流(雹)云移动路径与实况基本符合;模拟的一个长生命史强对流(雹)云的演变及单体结构与北京多普勒雷达观测的沿城市中轴线的雹云相似,具有超级单体概念模型给出回波墙-有界弱同波区(穹窿)-悬挂回波结构、对峙的倾斜上升下沉气流、分裂右移发展等特征.基于数值模拟结果,结合雷达观测,重点分析了这块雹云的演变过程,解剖了超级单体三维动力、热力及回波结构.     

C波段雷达在新疆区域数值预报系统中的应用初探

基于新疆区域数值预报系统（Desert Oasis Gobi Rapid Analysis Forecast System,下称DOGRAFS）,开展了同化C波段雷达资料对2010年10月6日发生在新疆的一次强降水过程预报结果影响的试验分析。其中设计包括不同化任何资料、同化常规资料、同化雷达反射率因子、同化雷达径向风、同时同化反射率因子和径向风五组试验,重点分析了雷达资料同化对此次天气过程降水、温度以及风速模拟效果的影响。结果表明：（1）同化雷达径向风和同时同化径向风和反射率因子相对于其他三组试验,对降水预报的TS和ETs评分更高;（2）相对于其他三组试验,同化雷达径向风和同时同化径向风和反射率因子对模式垂直方向上的温度、风速预报偏差具有一定的改善效果;（3）对于地面2 m温度和10 m风速而言,同化常规观测资料比其他四组试验预报的平均偏差和均方根误差更小;其它四组试验误差相当,差别不明显,表明同化雷达对近地面层温度和风的影响不明显。本研究旨在探索C波段雷达观测资料在新疆区域数值预报系统中的适用性,为今后雷达观测资料在业务系统中的应用提供参考。     

郑州市大气气溶胶数浓度和质量浓度时空变化研究

利用激光粒子计数器和颗粒物自动测定仪测量的郑州市大气气溶胶粒子的数浓度和质量浓度,分析了局地气溶胶的干沉降和湿沉降以及郑州市大气气溶胶数浓度和质量浓度的时空变化,结果表明:郑州市局地区域大气气溶胶中粒径≥2μm的粒子,沉降速度随粒径的增大而增大,而粒径≤0.3μm的粒子,沉降速度变化不大;湿沉降率大于干沉降率。气溶胶浓度有明显的日变化特征,17:00-19:00为最高峰,6:00-9:00为次高峰,这是早晨及下午上下班汽车运行高峰期向大气排放的尾气和汽车扬尘所致。在垂直分布上,45-80 m处的粒子数多于1.5 m处的粒子数;在水平分布上,交通建筑区内的浓度高于其他功能区的浓度。     

二维海陆风环流的数值研究

本文对Nickerson的中尺度模式作了一些修改,加入了地表热量平衡方程和一个13层的土壤层模式,并对Therry等的行星边界层参数化形式作了调整.使之较好地模拟出太阳辐射和地表温度的日变化.对不同地形、纬度和夏、冬季海陆风的模拟表明,本模式具有较强的海陆风模拟能力.     

9414 号热带气旋移动路径异常影响因子的数值研究

文章运用一个10层原始方程模式对9414号热带气旋（DOUG）（下称TC）的异常路径进行了数值模拟,对该TC路径异常的主要原因作了探讨,并在数值模拟基础上研究了各因素在TC移动中所起作用的大小。结果表明：环境流场演变是造成该TC移动路径突变的最主要原因,而TC自身结构对其移动突变的影响相对较小。     

Effects of Different Initial Fields on GRAPES Numerical Prediction

In this paper,a heavy rainfall process occurring in the Huaihe River Basin during 9-10 July 2005 is studied by the new generation numerical weather prediction model system-GRAPES,from the view of different initial field effects on the prediction of the model.Several numerical experiments are conducted with the initial conditions and lateral boundary fields provided by T213 L31 and NCEP final analyses,respectively. The sensitivity of prediction products generated by GRAPES to different initial conditions,including effects of three-dimensional variational assimilation on the results,is discussed.After analyzing the differences between the two initial fields and the four simulated results,the memonic ability of the model to initial fields and their influences on precipitation forecast are investigated.Analyses show the obvious differences of sub-synoptic scale between T213 and NCEP initial fields,which result in the corresponding different simulation results,and the differences do not disappear with the integration running.It also shows that for the same initial field whether it has data assimilation or not,it only obviously influences the GRAPES model results in the initial 24 h.Then the differences reduce.In addition,both the Iocation and intensity of heavy rain forecasted by GRAPES model Further is very close to the fact,but the forecasting area of strong torrential rain has some differences from the fact.For the same initial field when it has assimilation, the 9-12-,12-24-,and 0-24-h precipitation forecasts of the model are better than those without assimilation. All these suggest that the ability of GRAPES numerical prediction depends on the different initial fields and lateral boundary conditions to some extent,and the differences of initial fields will determine the differences of GRAPES simulated results.     

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。     

云凝结核数浓度对华东地区一次飑线过程发展的影响

利用WRF模式对2016年5月2日华东地区的一次飑线过程进行数值模拟,通过开展5组不同初始云凝结核数浓度的数值试验,讨论了污染对飑线发展的影响,并用Q矢量散度进行分析,结果表明:轻度污染下飑线线状结构最完整,强对流组织形式最紧密,而污染过重或过轻均导致飑线强对流组织分散甚至断裂;轻、中度污染对飑线降水有增强作用,而污染程度过重或过轻均对降水有限制作用;从清洁大气加深到轻度污染,强回波区宽度增大,强回波的高度升高,回波强度增强,随着污染继续加深,强回波区宽度减小,强回波的高度降低,回波强度减弱;轻度污染时,垂直速度、涡度和散度的强度较强;飑前低压在轻度污染时强度最强,雷暴高压、尾流低压和冷池则是随着污染加深而逐步减弱,但重度污染时,雷暴高压、尾流低压和冷池又增强;随着污染加深,对流云区不稳定性先增强后减弱,轻度污染下不稳定性最强;除了雪粒子外,其他水凝物粒子混合比含量均在轻度污染下达到最大值,而雪粒子混合比含量的最大值是在重度污染下出现的;推导了非地转非静力平衡的Q矢量散度方程,理论分析和计算结果均表明Q矢量辐合区对应上升运动,辐散区对应下沉运动。在较清洁和轻度污染的情况下,Q矢量散度高值区最强。     

区域气候模式中侧边界地形缓冲区作用的数值试验

利用区域环境系统集成模式以1998年夏季为例,通过数值试验研究了侧边界地形缓冲区对区域气候模拟结果的影响。结果表明,设置侧边界地形缓冲区使模拟场和观测的均方根误差都有所减小,区域平均中尺度动能也减小,从而有利于维持区域模式长期积分的稳定性。设置地形缓冲区并不改变模拟降水分布格局,但对主要降水区各降水时段降水强度的模拟有不同程度的改进。