模式垂直分辨率对梅雨锋暴雨数值模拟的影响

利用中尺度数值模式MM5(V3),对2003年7月7日~8日发生在武汉地区的一次梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟。采用经过简化处理的基于矢量模的双参数最优化处理方法,对模式大气进行了垂直分层。在水平分辨率不变的情况下,数值模式的垂直分层分别采用25层和36层进行了对比模拟试验。模拟结果表明,水平分辨率达到较高的精度后,粗的垂直分辨率会放大模式中地形的作用,造成数值模拟雨带落区的偏差;要得到比较好的模拟结果,需要相应的提高数值模式的垂直分辨率。水平分辨率与垂直分辨率的不协调,会在水平方向上产生虚假的重力波,影响数值模式的模拟结果。     

一次华南暖区暴雨过程可预报性的初值影响研究

华南暖区暴雨发生时,冷空气和锋面离广东较远,往往事前不易被发现,漏报或迟报较多。基于覆盖华南区域的3 km GRAPES_Meso模式和ADAS（ARPS Data Analysis System）系统的复杂云分析方案,选取2015年5月16日发生在粤西沿海地区的一次暖区暴雨个例进行数值试验,研究模式初始湿度条件的差异对暖区对流系统的触发、发展和维持的可预报性的影响。试验结果表明,增加模式的初始云信息可以增大初始场中低层的大气湿度,使空气接近或达到饱和,从而使数值模式有能力模拟出与实况接近的降水。分析模拟结果的对流触发和维持过程,可以发现,（1）初始水汽和云水物质的增多,增大了大气的不稳定性:对流有效位能（CAPE）增大、K指数增大,对流抑制能量（CIN）减小、抬升指数（LI）减小,而且大气可降水量（PW）增多,从而使对流能够被快速激发;（2）暖区暴雨对流触发和对流维持的机制有所不同:模式对初始时刻湿度条件高度敏感,模式开始积分后饱和大气释放凝结潜热加热大气,所导致的浮力增强使对流更容易被触发;对流维持发展阶段,降水引发地面弱冷池形成,冷池向外流出气流与粤西沿海暖湿气流的汇合维持了低层水平风场辐合,从而维持了对流和降水的发展。进一步的敏感性试验表明,减少初始水汽增量,则辐合上升运动减弱,激发的对流强度减弱,且对流发生、发展、消散的速度变慢、滞后于实况。      

山区地形对暴雨的影响

利用常规气象观测资料、卫星云图、多普勒天气雷达资料、区域自动气象站资料与NECP/NCAR 1°×1°逐6 h全球再分析资料,对2016年7月3—4日梵净山东南侧暖区特大暴雨的中尺度系统演变与环境场特征进行了分析。结果表明：（1）该过程暴雨发生在副热带高压西北侧高空槽区、低层暖切变南侧、低空急流左前端及高空200 hPa分流辐散区,主要影响系统为500 hPa高空槽和850 hPa暖切变线,地面无明显冷空气影响,属贵州暖区极端暴雨。（2）此次暖区暴雨是由4个对流云团连续影响直接造成,强降雨出现在对流云团中心附近及其后侧云顶亮温（T_BB）等值线梯度大值区。（3）暴雨由积状云为主的混合降水回波造成;暖云层和湿层深厚、低层水汽输送充沛、异常偏低的自由对流高度（LFC）和抬升凝结高度（LCL）及中等强度“瘦高”型对流有效位能分布,是形成高效率降水的有利环境条件。（4）梵净山对水汽向北输送具有阻挡作用,使水汽通量大值带和水汽辐合中心集中在其东南侧;边界层偏东风在山前转向南流与南来偏南气流在暴雨区形成东西向稳定中尺度辐合线,对流在辐合线附近触发、合并、加强和东移是造成特大暴雨的重要原因;迎风坡和喇叭口地形的中小尺度动力强迫有利于边界层水汽输送和抬升凝结。

     

“5·7”闽南沿海暖区特大暴雨中尺度特征分析

利用双偏振多普勒雷达、风廓线雷达、雨滴谱仪等新型探测资料以及双雷达风场反演资料、地面加密自动观测站资料与FNL再分析资料,分析了2018年5月7日闽南沿海一次暖区特大暴雨过程的中尺度特征。结果表明:此次特大暴雨发生在强盛的超低空西南急流区内;超低空急流具有明显的脉动特征,其突然增强引起低空扰动加强,造成明显的低层辐合;深厚的西南急流导致对流回波形态与回波移动方向高度一致,使得多个强降水对流系统接连经过同一区域,形成列车效应,这是强降水长时间维持的重要原因;强降水对流回波带中,水平方向存在风向、风速双重辐合,垂直方向上存在明显的波状运动,上升运动位于强回波前部,使其不断向东北方向移动,同时在强降水对流回波带东南侧存在明显的补偿性次级环流,使低层辐合和上升运动得以维持;高浓度的小雨滴与大雨滴并存是此次暖区强降水云微物理的重要特征。     

台风“海棠”特大暴雨数值模拟研究

在福建中北部登陆的台风,往往会严重影响浙江,尤其值得注意的是台风引起特大暴雨经常会发生在浙江东南沿海的南雁荡山区和北雁荡山区,2005年在福建省连江黄歧登陆的台风"海棠"(0505)对浙江东南沿海造成严重影响,是这类台风比较典型个例。文中利用非静力模式MM5模拟"海棠"台风在浙东南沿海造成的特大暴雨,模拟结果与实况对比分析表明,模式较好地模拟了台风降水强度和分布,特别是成功模拟出南雁荡山区特大暴雨中心(南部暴雨区)和雁荡山区特大暴雨中心(北部暴雨区);运用高时空分辨率模拟资料对特大暴雨成因进行诊断分析表明,南部暴雨区涡度低层到高层向西倾斜结构和北部暴雨区高低空强辐散辐合的耦合结构有利于形成暴雨区强烈上升运动,环境风场垂直切变产生次级环流进一步加强暴雨区上升运动;暴雨区持续不稳定层结和特殊水汽输送通道为特大暴雨提供热力条件和水汽条件。最后对浙南闽北地形对台风特大暴雨影响进行数值敏感性试验表明,温州南、北雁荡山脉地形等高线与台风水汽输送路径正交是造成特大暴雨的重要原因,地形使暴雨增幅明显,地形越高对暴雨增幅越明显,降水分布更加不均匀。比较台风造成南、北特大暴雨条件,发现两者既有环境风场垂直切变产生次级环流进一步加强暴雨区上升运动、持续不稳定层结以及地形对暴雨增幅作用等相同之处,又有动力结构、维持持续不稳定层结条件以及水汽输送等不同之处。     

2017年5月7日广州特大暴雨微物理特征及其触发维持机制分析

利用区域气象站、海岛站、测风塔、风廓线和多普勒天气雷达等多种非常规观测以及NCEP/NCAR 0.25°×0.25°再分析资料,对2017年6月22日凌晨广东西部沿海发生的一次预报失败的局地特大暴雨过程的成因进行了综合诊断,重点探讨了局地海陆风和地形（相互）作用对该过程的影响。结果表明：（1）暴雨发生在弱天气尺度环流背景下,华南地区无锋面和高空槽活动,边界层超低空偏南急流为暴雨提供了不稳定能量,不同性质下垫面的热力差异导致天露山山前形成海陆风（偏南）与偏北风的中尺度辐合线,致使初始对流在关键区触发。（2）偏南暖湿气流向北推进受阻后,在天露山地形强迫抬升下对流增强发展成中尺度对流系统（MCS）,下垫面热力差异在山前强迫产生的中尺度垂直切变与降水之间可能存在正反馈现象,延长β中尺度对流系统生命史。（3）中尺度辐合线上不断激发的对流云团,形成降水的列车效应,导致了这场罕见的局地特大暴雨过程,凸显海陆风环流对本次暖区暴雨的重要作用。（4）该过程发生前,所有业务客观数值预报模式均未预报出明显降水,数值模式难以做出暖区尤其是弱天气背景下的暴雨以上降水预报,目前的监测和短时临近预警是主要手段。

     

暖区暴雨过程中鲁中山区地形作用的数值试验

利用美国宾西法尼亚州立大学和美国国家大气研究中心研制的中尺度模型ＭＭ４对１９９５年７月３０－３１日鲁中山区和胶东半岛的大暴雨过程进行了地形作用的数值模拟对比试验。结果表明，鲁中中尺度地形的动力抬升作用对暖区对流性降水分布及其强度有重大影响。     

阳江复杂地形对特大暴雨影响机理的数值研究

采用中尺度天气预报模式WRF (Weather Research Forecast)对广东省阳江地区2019年5月26日00时—28日00时暴雨事件进行数值模拟,并通过一系列的地形敏感试验,讨论地形对暴雨发生和发展的影响。结果表明:地形对暴雨的影响显著,地形的高度影响暴雨的强度和位置;与未作任何改变的控制试验相比,地形降低试验和细网格地形高度取平均试验无山脉的阻挡,阳江地区无爬流和绕流运动及相对涡度减小,南风将低层水汽和能量带到更北的位置,暴雨中心随之北抬;增高地形试验,由于山脉阻挡,更多水汽和能量堆积,以及地形的阻挡产生绕流和爬流运动,绕流有利于局地涡旋生成,爬流运动会增加垂直运动速度,正涡度中心增强,低层的水汽辐合上升凝结,造成更大暴雨。      

高原地形对四川盆地西部突发性暴雨影响的数值试验

用η模式对1995年8月24日四川盆地西部一次突发性暴雨进行了数值模拟和地形减半、无地形数值试验。由对数值模拟与试验的结果分析得出:（1）青藏高原地形有利于高原东麓暴雨区的扩大与强度加大。（2）高原地形对其以北的天气系统南伸和以南的天气系统北扩有阻碍作用。（3）高原地形可影响高原附近以东地区的物理特征场分布,从而影响暴雨区的位置与强度。     

广州“5.7”高空槽后和“5.14”槽前大暴雨过程对比分析

利用常规观测资料和雷达资料,对广州2010年5月7日槽后大暴雨和2010年5月14日槽前大暴雨过程进行对比分析。结果表明：＂5.7＂大暴雨主要受500hPa高空槽后西北气流和850hPa切变线的共同作用,与典型的华南前汛期暴雨形势不同的是槽后冷空气叠加在低层暖湿气流上,对层结不稳定起到增幅作用;＂5.14＂大暴雨过程主要受高空槽前的西南气流、切变线和地面弱冷空气共同影响。两次大暴雨过程都是由带有超级单体的飑线引发的,前者飑线长度更长,强回波范围更大,超级单体更多,降水强度和累积降水量更大;飑线维持和发展的机制不同,前者通过补充合并两广交界处不断新生对流单体,后者则是通过吸收合并其移动前方沿近地层辐合带新生单体,得以维持和发展。     

“94·7"北京大暴雨数值分析

受西风带蒙古低空冷涡、台风低压和副热带高压的共同作用，１９９４年７月１１－１２日控制我国中纬义地区的大气环流形势发生了一次由纬向型向经向型的转变。７月１２日北京出现了大暴雨。作在天气学分析的基础上，应用中尺度数值预报模式进行数值试验，探讨天气系统的相互作用，分析北京地区特大暴雨触发机制。     

地形对低涡大暴雨影响的数值模拟试验

用ＭＭ５模式对１９９８年６月２８￣２９日长江三峡及其附近的低涡大暴雨过程作了初步的模拟研究。通过两种地表方案模拟的对比表明,四川盆地东侧山地对西南低涡的产生没有明显影响,但对这次低涡暴雨的强度及其分布有重要影响,主要表现在：涡前暖湿气流受大巴山－神农架山脉拦截形成迎风麓大暴雨带,鄂西南山区南坡也有迎风坡暴雨区,降水系统在东移过程中受盆地东侧整个山体阻滞迫使上游降水显著增强,下游降水系统在东移过程中     

可降水量资料反演及在暴雨数值模拟中的初步应用

通过同化可降水资料改善模式初始湿度场从而提高暴雨模拟与预报效果。首先应用适时回归方法反演大气可降水量资料，然后以1998年6月18—19日暴雨模拟为例，采用变分同化方法研究了可降水量资料在暴雨数值模拟中的作用。数值模拟结果表明：1)MM5模式中同化可降水量资料后，对于雨带位置的模拟效果起到很大的改善；亦可改进暴雨降水强度的模拟效果，改进程度与降水参数化方案有关。2)同化可降水量资料后，明显改善初始湿度场，在一定程度上缓解旋转加强(spin up)问题，从而有效地提高降水模拟效果。3)降水模拟对参数化方案的选取同样敏感，改进初始湿度场的同时应该选择相应的降水参数化方案。     

局地暴雨增强数值预报模式的试验研究

局地暴雨增强数值预报模式是建立在适用于地方微机上可实现的区域数值预报业务系统。该模式由兰州高原大气所引进本台并同时开展数值模式的对比试验，并且在１９９４年６月１５日－７月１５日梅汛期中进行试验，结果表明：模式运行正常可靠，计算稳定，对降水具有一定的预报能力。     

9610号热带风暴中尺度涡旋数值模拟

以实测资料作为初始场,用套网格的中尺数值模式分析和模拟与９６１０号热带低压相伴的特大暴雨过程,结果发现模式对本过程的模拟效果较好,不论粗细网格,在揭示中尺度涡旋方面都具有参考价值。     

急流对海河南系一次特大暴雨影响的数值试验

利用ＭＭ４中尺度模式,模拟了１９９６年８月发生在太行山南段的一次特大暴雨过程。采用对比试验的方法,先后研究了减弱低空急流和减弱高空急流后,降水及物理量的变化。数值试验结果表明,低空急流和高空急流对本次暴雨过程的形成与维持均有促进作用;相比之下,低空急流对暴雨的影响更为显著。     

安徽省夏季暴雨时空分布特征的成因分析

利用安徽省16台站1960—2012年逐日降水资料,建立暴雨指数,分析了安徽省夏季暴雨雨量、日数及强度的时空分布特征,并讨论了暴雨不同空间型的大气环流和海温特征。结果表明:安徽省夏季暴雨雨量、日数及强度均呈北少南多分布。暴雨区从6月至8月由南向北推进,有明显的月变化和地区性差异。暴雨指数空间型主要分为三类:一致型、南北型和中间型,其中一致型占41.5%,南北型占22.6%,中间型占15.1%。一致型与同期东亚—太平洋遥相关(EAP)关系密切,其负相位对应暴雨指数偏强年,反之亦然。同时其与前期冬季亲潮海区温度异常有正相关,相关性最强在同年1月;南北型与中高纬冷空气南进程度及垂直运动有关。