城市下垫面对渤海湾海风锋特征影响的一次数值试验

海风锋与沿海强对流天气密切相关,而城市化发展对沿海地区下垫面的改变会对海风锋特征产生影响。鉴于此,本文利用耦合了新一代城市物理方案UCP-BEM(Urban Canopy Parameterization-Building Energy Model)的WRF(Weather Research and Forecasting)模式开展数值试验分析了城市下垫面对渤海湾海风锋特征的影响。结果显示:城市下垫面高粗糙度对低层海风风速的明显削弱造成海风锋往内陆推进距离稍减,低层辐合和上升运动减弱;城市下垫面较大的向上感热通量和较小的向上水汽通量以及高粗糙度对海风的削弱的共同作用造成冷湿海风对低层大气的降温和增湿幅度减弱;高粗糙度的城市下垫面对海风环流的摩擦力效应使得海风得到抬升,这导致了冷湿海风对低层大气的降温和增湿的垂直范围得到提升;受这些结果影响,海风锋背后低层有效位能减小,但垂直分布范围扩大,从而造成对流抑制高值区抬升,同时海风锋背后的静力不稳定区变厚,其上面的动力不稳定区则变薄,但不稳定区总厚度基本不变。     

粤港澳大湾区下垫面对“5·22”极端强降水过程影响的研究北大核心CSCD

为探讨粤港澳大湾区城市群对局地极端强降水的影响,采用WRF-ARW中尺度区域数值模式及GSI-3DVar同化系统,以ECMWF提供的ERA5再分析资料作为模式初始场和边界场,并进行多普勒雷达资料的三维变分同化,对2020年5月22日发生在大湾区的极端强降水过程进行数值模拟,研究城市对局地极端降水的影响过程与机理。结果表明:相较于未同化任何观测资料,加入雷达反射率和径向风资料的同化可提升降水的模拟能力,尤其对250 mm以上的特大暴雨量级的模拟改善效果最为显著;观测与对照试验共同表明,大湾区城市群一方面作为“热源”,通过感热和潜热过程提高了边界层大气温度,产生明显热岛效应的同时增强了低层大气的对流不稳定度,另一方面,较强的摩擦耗散过程使边界层风速减弱,更多的暖湿空气被截留在城市区域内部,有助于形成更强的热力不稳定与水汽辐合条件,从而使强降水中心落在城市区域边缘靠内部一侧;城市下垫面被替换为农田的敏感性试验进一步表明,城市下垫面造成的摩擦耗散作用可影响800 hPa以下的边界层,而缺乏城市冠层的摩擦耗散作用,边界层更强的西南风可将暖湿不稳定空气输送至城市区域下游更远处,并受到局地地形的强迫抬升,引起更强的垂直上升运动,从而造成比对照试验强度更大、落区位置更偏于城市下风方的降水中心。     

下垫面对郑州城市边界层风的影响

根据１９９３年１月和７月郑州市中心测点和南郊郑州气象观测站同步观测的地面和边界层气象资料,分析了郑州城市下垫面对边界层风的影响。结果表明,在地面气压梯度比较小且天气晴朗条件下,郑州存在城市热岛环流。受城市热岛环流影响,郊区地面风向指向市区;边界层８００ｍ以下,城市上空吹偏西风时同一高度上南郊风向偏于城市风向左侧,吹偏东风时同一高度上南郊风向偏于市区风向右侧;１２００ｍ以上,城市上空吹偏西风时,同一高度上南郊风向偏于城市风向右侧     

下垫面对雹云形成发展的影响

利用中尺度模式WRF(Weather Research and Forecasting)对2005年5月31日发生在北京地区的一次强冰雹天气过程进行了数值模拟研究,并与观测的雷达回波、冰雹云移动路径和冰雹落区进行比较,在此基础上探讨了城市和农田两种下垫面对雹云的影响。结果表明,由于"城市热岛"效应的作用,城市下垫面的地面感热通量显著增加,有利于雹云的发展增强和大冰雹的形成,使地面累积降雹量增加,但对雹云移动路径影响不大。农田下垫面具有较大的潜热通量,局地蒸发强,有利于大量小冰雹的形成,云中冰雹含量增加,但降雹强度较弱,地面累积降雹量小。     

北京地区一次局地强降水过程的数值分析

应用网格距为3 km的中尺度模式MM5v3及3DVAR同化系统,对2006年6月27日夜间发生在北京地区的一次局地强对流天气过程进行了模拟分析.结果表明,模式能够较好地模拟出本次城区西部的局地强降水过程,反映出降水事件的局地性、突发性和短历时特征.分析还表明,直接造成本次暴雨过程的是两个局地生成的中尺度对流系统,地面中尺度辐合线是降水的主要触发机制之一.北京周边陡峭地形的存在,导致山前偏南、偏东气流在迎风坡强烈爬升,并与北面、西面来的过山气流共同作用在山前形成垂直方向次级环流,是强降水维持的主要物理机制.此外,不断发展的城市下垫面亦会对降水过程产生影响.     

利用多普勒雷达资料分析一次强降水的中尺度流场

利用多普勒雷达风场反演资料对2003年7月4~5日发生在我国江淮地区一次大暴雨过程的流场结构进行分析,结果表明,在降水带附近中低层有一个由西南与西北气流交汇形成的辐合带,高层受偏西气流控制;中低层的辐合带长时间维持,是这次持续性降水的主要原因。辐合带南侧的西南气流将暖湿空气源源不断地输送到降水地区,为这次持续降水提供了充沛的水汽。     

雷达资料在云南一次强降水过程中的三维变分同化试验

鉴于云南观测信息相对不足、局地强降水突出的现状,利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其变分同化系统进行雷达反射率因子和反演风场的三维变分同化试验。通过对2012年9月12日00:00—13日00:00发生在云南的一次强降水过程进行数值模拟和对比分析,结果表明,同时同化雷达反演风场和基本反射率因子,对区域模式同化系统中风矢量、相对湿度、位势高度几个基本分析量都有明显影响。雷达资料的同化,有利于区域模式初始场中强降水区域的上游中低层空气湿度增加、水汽输送增强和强降水发生区域的风场辐合加强,从而改善区域模式对强降水落区、强度的预报质量。对于切变线等天气尺度系统影响下的强降水过程,雷达资料的同化持续时间选取3 h、同化间隔为1 h较适宜。另外,雷达反演风场和基本反射率因子的同化均对降水预报改善有明显贡献,且多种资料的同化效果好于单一资料同化。     

城市下垫面对北京冬季气象要素影响的模拟研究

首先总结和分析了气象站观测的2012年1月北京地区主要天气过程和月平均物理量分布特征,然后利用中尺度天气预报模式WRF(Weather Research and Forecasting Model),通过个例模拟平均和平均场模拟两种方法分别模拟了1月北京新、旧城市土地利用状况下月平均2 m温度、2 m比湿和10 m风速;将模拟结果与观测结果验证之后,对比分析了两种模拟方法反映城市发展对冬季月平均气象要素的影响特征。结果表明,两种模拟方法均具有较好的模拟效果,对城区月平均2 m温度、比湿的模拟命中率在70%以上,10 m风速超过60%,且二者对研究区月平均物理量的模拟在空间分布特征和日变化规律是一致的,平均场对2 m气温的模拟效果好于对湿度和风速的模拟;城市下垫面发展对北京地区冬季月平均气象条件影响显著,两种方法在模拟城市发展对月平均气象条件影响方面有较好的一致性,个例模拟平均方法能得到极端影响状况,平均场模拟方法局限性在于无法得到极端影响状况和降水模拟。     

一次重庆特大暴雨过程的中尺度分析

为评估中尺度模式同化常规地面、探空和雷达径向风等不同观测资料对四川暴雨预报性能的影响,以2020年6月14—18日四川一次暴雨过程为例,利用WRF(Weather Research And Forecasting)模式和GSI(Grid Point Statistical Interpolation)同化系统,对常规观测资料和雷达资料分别和同时进行循环同化,开展数值模拟试验,定性和定量地对比分析三组同化试验的降水模拟效果。结果表明：WRF模式结合GSI同化系统对此次暴雨有较好的模拟。针对21 h累积降水模拟,同化常规观测资料较好地改善了暴雨雨带的走向和暴雨的落区;同化雷达资料对降水强度、暴雨范围和小到中雨预报表现较好,小到中雨的ETS评分平均提升0.05;同时同化两种资料对大雨的ETS、POD、FAR和BIAS评分都有改善。针对半日累积降水预报,同化雷达资料对降水趋势的模拟表现最好,同化包括雷达资料的试验对降水落区有较好的改善。针对3 h累积降水预报,同化试验对降水演变均有改善,同化雷达资料表现最好。模式对夜间降水的模拟普遍优于白天,同化试验的改善时段也主要集中在夜间,同化常规资料表现显著。综合21 h、半日和3 h累积降水预报评分结果,同时同化多种资料的降水预报效果不绝对优于仅同化一种资料的降水预报,但至少优于一种资料同化的降水预报评分结果。

     

雷达资料的3DVAR和EnSRF直接同化方法对一次暴雨预报的影响分析

利用合肥站雷达资料和NCEP再分析资料,采用WRF模式、WRF-3DVAR和WRF-En SRF同化系统设计了直接同化雷达径向风和反射率的试验,对2003年7月4—5日发生在江淮流域的一次梅雨锋暴雨过程进行数值模拟分析。结果表明:(1)同化雷达径向风资料可以增加暴雨区低层的扰动,增强对流运动,同时可以减少模拟的过量降水;(2)3DVAR同化方法对水平风场调整明显,同化反射率改进了模式中的微物理量和动力场,同时同化径向风和反射率可以更好地调整风场,改善模拟雷达回波带的强度和位置;(3)En SRF同化方法可以将更多小尺度的风场信息同化进入模式,单独同化反射率可以较准确预报出降水中心,同时同化径向风和反射率可以改进模拟雷达回波带的位置;(4)使用3DVAR和En SRF同化雷达径向风和反射率可以提高降水预报,改善雨带的范围,对降水中心位置和强度的预报也有改进。     

南京市区不同下垫面对近地层温度影响

利用南京市内设立在4种不同典型下垫面的自动气象观测站逐时温度资料,采用对比分析方法,分析不同下垫面对城市近地层温度的影响.结果表明,城市绿地在日出日落后温度变化最明显,春秋两季温度变化速率超过2℃/h,夏冬两季也可达1.2℃/h,这使得绿地夜晚温度较低;城市水体日出日落后的温度变化速率最小,因而城市水体夜晚温度较高,尤其在春秋两季最为明显;城市中的生活区和校区在日出日落后温度变化速率稍高于城市水体,夜间温度一般高于绿地,低于水体.另外,不同下垫面对城市气温的季节变化也有影响,城市水体秋冬季节温度高,绿地在夏季温度低,使得温度的平均年变化减小;城市生活区和校区温度的季节变化特征与前两者相反.温度年变化在四季转换过程中的不均匀性在不同下垫面上也有不同的特点,在冬半年,城市水体温度的月际变化较大,而绿地月际变化小,夏半年则出现完全相反的情况.     

初边界条件改变对四川盆地东部强降水模拟敏感性影响

利用WRF(V3.3.1)模式及其同化系统,根据不同地面观测要素同化对模式侧边界条件和初始条件引起的改变设计数值模拟方案,详细分析了WRF模式初始和侧边界条件的改变对四川盆地东部强降水模拟的敏感性影响.结果显示,WRF模式对初始和侧边界条件改变的敏感度均较明显,对地面温度变化的敏感度要高于对地面风场变化的敏感度.相对湿度场、风场和垂直速度场,均体现为高层比低层更敏感,而温度场则体现为低层比高层更敏感.在模拟时段内,侧边界条件的改变对模拟结果带来的不确定性影响随时间的增加逐渐增加,初始条件改变对模拟结果带来的不确定性影响随时间增加而逐渐减小.     

不同雷达观测资料同化对一次罕见飑线天气模拟的影响

选用WRF(weather research and forecasting)模式及其3D-Var(three-dimensional variation)同化系统,针对2018年3月4日发生在江西的一次罕见强飑线天气,探讨同化多普勒雷达不同观测资料对极端雷暴大风天气模拟预报的影响。结果表明：仅同化由雷达反射率反演的雨水、雪和霰粒子以及由其估算的水汽不能稳定改善模式对飑线雷达反射率的预报效果,尤其对地面大风和降水的预报起反效果;当联合同化雷达反射率与雷达径向风资料后,显著改进了模式对飑线发展演变过程中雷达反射率、地面降水和地面大风的预报效果,雷达反射率的同化呈现显著正效果。原因是仅同化雷达反射率对初始水成物及热力场影响较大,而对动力场调整微弱,随着积分时间增加,热力场对动力场的反馈作用不真实,高层出现虚假辐散风场,飑线前侧模拟出虚假层状云区,且未能改进飑线系统低层垂直风切变、冷池以及对流层中下层后侧入流的模拟,模拟的飑线移动和演变过程与实况有很大差距;当联合同化雷达反射率与雷达径向风资料后明显调整了初始动力、热力和水成物场,物理配置更符合实际,形成更有利于强飑线发生的垂直风切变和风场结...     

基于雷达资料同化的江西一次暴雨过程的数值模拟试验

采用WRF中尺度模式及其三维变分同化系统WRF-3DVAR,对2014年5月24—25日发生在萍乡、宜春地区一次大暴雨天气过程进行了雷达资料直接同化敏感性试验,并对同化结果和模式降水预报进行了对比分析。结果表明:1)雷达资料的同化能有效改善初始场中风场、湿度场和热力场的量值大小及空间分布,使其包含更多的中尺度系统信息。其中,雷达反射率因子的同化对大气湿度场和温度场的影响较大,而雷达径向速度的同化作用主要是调整大气风场。2)短时降水预报方面,雷达反射率因子的同化对0—12 h短时降水预报的量值影响较大,而径向速度的同化对降水预报的落区影响较大,两者同时的同化对降水预报效果较好。3)雷达资料的同化对较长时间(6—12 h)的降水预报仍有较好效果。     

TRMM卫星对青藏高原东坡一次大暴雨强降水结构的研究

利用热带测雨卫星（TRMM）探测资料,NCEP、ERA-Interim再分析资料,结合C波段多普勒雷达和其他地面观测资料,研究了2013年7月21日发生在青藏高原东坡的一次大暴雨强降水结构。结果表明,高能、高湿的不稳定大气在700 hPa切变线及地面辐合线的触发下产生了此次大暴雨,降水具有明显的强对流性质。从水平结构来看,降水系统由成片的层云雨团中分散分布的多个对流性雨团组成,对流样本数远少于层云,但平均雨强是层云的4.7倍,对总降水的贡献达到25.6%;以超过10 mm/h雨强为强度标准,3个20-50 km、回波强度在45-50 dBz的β中尺度对流雨团零散地分布在主雨带中,对应 < 210 K的微波辐射亮温区和≥ 32 mm/h的地面强降水;对流降水的雨强谱集中在1-50 mm/h,其中20-30 mm/h的雨强对总雨强的贡献最大,这与中国东部降水有着显著区别,而90%的层云降水的雨强均小于10 mm/h。从垂直结构来看,对流降水云呈柱状自地面伸展,平均雨顶高度随地面雨强的增强而不断升高（5-12 km）,强降水中心区域的质心在2-6 km;降水廓线反映出强降水系统中降水主要集中在6 km以下高度范围,且降水强度在垂直方向分布不均匀,对流降水和层云降水的强度随高度升高的总趋势是趋于减弱,但在一定高度范围内,对流降水强度随高度升高而增大,并且在多个地表雨强廓线中都有体现。此外,地基雷达的探测结果也表明了强降水的低质心特点及显著的逆风区演变特征,这是对TRMM PR探测的验证和补充。      

荆州市一次强降水的雷达回波特征浅析

使用Micaps提供的有关天气图资料和荆州移动式多普勒雷达(CINRAD／CCJ)PPI图象资料，对2002年5月29日发生在荆州市的一次强降水天气过程的雷达回波特征进行了分析。由于雷达PFI速度“S”状图象表示风向随高度顺转，测站上空有暖平流存在，从而对应强降水存在；“S”状速度减弱或消失意味着短时内降水减弱或消失；浅“W”状速度图象的存在，说明下层有弱的辐合，上层有弱的辐散，但总体为偏北气流，未来强降水过程即将结束。     

一次大暴雨过程的多普勒雷达资料同化的敏感性试验

利用WRF中尺度模式及WRF-3DVAR变分同化系统和LAPS雷达资料前处理模块建立试验平台,直接同化S波段多普勒雷达反射率和径向速度资料,通过对2008年8月15-16日发生在我国长江中游的一次大暴雨过程的各项预报对比试验研究,初步检验和评估不同种类多普勒雷达观测数据同化对改进数值模式初始场及其数值预报能力的影响及作用.初步结果表明:多普勒雷达资料同化对提高暴雨数值预报能力有重要作用.无论在24 h累计降水还是在逐时降水预报方面,同化多普勒雷达资料均可使降水雨带分布和强降水中心预报的准确性得到较大改善;多普勒雷达反射率资料同化对初始水汽场的改变显著,对初始风场影响较小,而同化径向速度对初始水汽场的改变较小,但可增加初始风场的中小尺度信息,使初始风场产生较大变化.总体上看,虽然雷达反射率和径向速度资料同化均可改进强暴雨的数值预报,但雷达反射率资料同化对降水雨带和中心预报的改进更为显著和重要.     

昆明城市庭院气温垂直分布特征及不同下垫面对其影响的研究

以低纬度高原城市昆明市为对象,利用城市庭院内1月（冬季）和7月（夏季）不同高度气温实测资料和不同下垫面（球场、草地和屋顶）气温的实测资料,分析了城市庭院气温垂直分布特征及不同下垫面对其的影响。得出：城市庭院气温垂直分布在不同时间（季节、昼夜）具有不同特征;在后半夜和下午,庭院气温垂直变化程度大于时间变化;而上午和前半夜时间变化程度大于垂直变化;在冬季屋顶面对屋顶高度附近的庭院气温具有较强的加热作用,使得庭院气温在屋顶高度附近形成逆温,导致垂直分布曲线发生改变;混凝土结构的下垫面,对庭院近地层大气具有加热作用,而草地则具有冷却作用,其效应在冬季明显。     

一次局地强对流天气的多普勒雷达回波特征分析

利用白城市多普勒雷达资料,对白城地区出现的一次局地冰雹及局地暴雨天气进行分析,研究探讨这次局地强对流天气的多普勒雷达回波特征。     

多普勒雷达资料同化对暴雨预报的影响

诊断分析了2007年8月8日陕西中南部一次突发性大暴雨过程,利用WRFV3.4数值预报模式及WRF-3DVAR变分同化系统,采用直接同化西安C波段多普勒雷达资料的方法,设计了4组试验方案。结果表明,多普勒雷达资料同化能有效改进WRF数值模式性能,不同的同化方案对模式初始场及预报场有不同的改进,同化反射率对初始水汽场的改变较为显著,而同化径向速度对初始风场的改变更为明显。在加入雷达资料同化后模式系统对中小尺度天气系统特征的模拟效果提高,风场的辐合特征更为明显,水汽也有显著增强,降水强度和中心跟实况更为接近。