2016年北京“7·20”特大暴雨降水物理过程模拟诊断研究

利用WRF模式,结合三维降水诊断方程,对2016年北京“7·20”特大暴雨过程主降水时段的强降水物理过程开展了高分辨率模拟诊断分析。结果显示:降水峰值时刻前,强盛水汽辐合支撑强降水,同时加湿大气,后期,水汽辐合显著减弱,降水造成局地大气中水汽含量明显减少;降水峰值时刻前,水汽辐合、凝结和液相水凝物辐合共同助力强降水云系快速发展,后期,动力辐合作用减弱以及水凝物持续消耗和辐散,导致水凝物含量显著减少,降水系统逐步瓦解;主降水时段,垂直上升运动强度和垂直扩展范围逐步增大,并在降水峰值时刻达最大,之后减弱收缩;上升运动峰值高度从初期位于零度层上逐步降到零度层附近,进而回落到零度层之下,伴随“弱—强—弱”的降水强度变化;上升运动控制下,水凝物含量变化明显,但不同水凝物变化幅度不一,霰粒子和雨滴增幅最显著,并于降水峰值时刻含量达最大,随后减小,其他水凝物由于微物理转化和动力辐散等过程,导致其含量的变化幅度弱于上述两者。本文研究同时指出,不同微物理参数化方案对“7·20”特大暴雨强降水物理过程的可能影响以及不同强度降水物理过程的差异,值得深入研究。     

“21·7”河南暴雨水汽源地追踪和定量贡献分析

2021年7月19～22日,河南省部分地区出现极端暴雨（简称“21·7”河南暴雨）,造成严重城市内涝和人员伤亡。本文借助降水观测资料和再分析数据,分析了此次暴雨过程的大尺度环流形势,并利用拉格朗日轨迹追踪模式FLEXPART及水汽源区定量贡献分析方法,考察了暴雨过程的水汽源地、输送路径和源区水汽定量贡献。结果表明:此次暴雨期间以及暴雨发生前数天,东亚地区500 hPa环流形势极为稳定,西太平洋副热带高压（简称副高）异常偏北,与北侧高压脊连通、位置少动,欧亚大陆高空槽偏西,东亚中高纬环流显著平直,暴雨过程期间,热带气旋“烟花”和“查帕卡”与副高等持续协同影响,建立明显水汽输送通道,提供充足水汽,河南暴雨区维持显著近地面湿区和高可降水量;向前追踪数天发现,暴雨区目标气块主要来自西北太平洋和中国南海等地,且所处大气高度较低,此外,还有少量气块来自日本海附近和欧亚大陆中部（所处高度相对较高）;定量贡献分析显示,水汽主要来自河南南侧中国中东部大陆（D）和西北太平洋（F）,前者水汽贡献率（52.59%）达后者（25.51%）2倍以上,此外,河南暴雨区（T,3.68%）、中南半岛—中国南海（E,3.32%）和暴雨区北侧亚洲大陆（B,2.28%）也有一定贡献;目标气块在D区域水汽摄取量最大,略高于F区域,但前者沿途损耗率明显低于后者,造成D区域水汽贡献显著高于后者;B区域水汽摄取量略高于E区域,但其沿途损耗和未释放部分占比之和高于后者,导致后者水汽贡献相比略高;此外,T区域也有不可忽视的降水再循环率;延长向前追踪天数后,目标气块轨迹和各源区水汽摄取与贡献率相对变化不大,但所有源区水汽总贡献明显提升,可见,对于类似此次河南极端特大暴雨的强降水过程的水汽来源追踪而言,适当延长追踪天数十分必要。     

热带气旋“苏迪罗”（2015）海上活动时段降水物理过程模拟诊断研究

利用WRF模式对2015年热带气旋（TC）"苏迪罗"发展演变过程开展高分辨率数值模拟,模式较好地再现了"苏迪罗"路径、强度、高低空环流、云系演变和降水分布等。应用三维地面降水诊断方程对"苏迪罗"海上活动时段的降水物理过程模拟诊断指出,Q_WVA（三维水汽通量辐合辐散率）对TC环流区域内降水相关的水汽相关过程变率（Q_WV）变化起主导作用,但环流区域内Q_WVL（垂直积分负的水汽局地变化率）和Q_WVE（海面蒸发率）亦有重要贡献（尤其是后者）,尽管Q_WVE贡献明显小于Q_WVA,但由环流区域外辐合来的水汽也可能主要源于区域外不同海域的海面蒸发,海面蒸发的总体贡献应更大。海上活动时段云相关过程变率（Q_CM）特征及变化与Q_WV相比更为复杂,环流区域内的Q_CLL（负的液相水凝物局地变率）基本维持正值（液相水凝物持续减少）,其消耗主要用于向冰相水凝物转化和地面降水,以及向区域外的三维通量辐散,6日04时之前,环流区域内Q_CIL（负的冰相水凝物局地变率）的变化主要归因于微物理转化及地面降水,而6日04时之后,来自环流区域外的通量辐合也有一定作用;降水强度逐渐增强时期,水凝物含量的短暂增长（负值Q_CLL和Q_CIL）主要归因于明显增强和垂直扩展的上升运动,伴随上升运动增强,水凝物含量明显增加,霰融化（P_gmlt）和雨滴碰并云滴（P_racw）是造成雨滴含量增加的主要微物理过程。"苏迪罗"环流内区域和时间平均的降水效率高达96%,其中Q_WVA是主要贡献项,而Q_WVE和Q_WVL亦有重要贡献,这与TC所处海洋下垫面有关,海上活动时段,充足的降水源和较小的降水汇共同造成此时段的高降水效率,雨滴生成主要微物理来源中,P_gmlt约占P_racw的72%,体现出海上活动时段TC环流内旺盛的深对流活动特征。     

RADIATIVE AND MICROPHYSICAL EFFECTS OF ICE CLOUDS ON A TORRENTIAL RAINFALL EVENT OVER HUNAN, CHINA

The radiative and microphysical effects of ice clouds on a torrential rainfall event over Hunan,China in June 2004 are investigated by analyzing the sensitivity of cloud-resolving model simulations.The model is initialized by zonally-uniform vertical velocity,zonal wind,horizontal temperature and vapor advection from National Centers for Environmental Prediction(NCEP) /National Center for Atmospheric Research(NCAR) reanalysis data.The exclusion of radiative effects of ice clouds increases model domain mean surface rain rates through the increase in the mean net condensation associated with the increase in the mean radiative cooling during the onset phase and the increases in the mean net condensation and the mean hydrometeor loss during the mature phase.The decrease in the mean rain rate corresponds to the decreased mean net condensation and associated mean latent heat release as the enhanced mean radiative cooling by the removal of radiative effects of ice clouds cools the mean local atmosphere during the decay phase.The removal of microphysical effects of ice clouds decreases the mean rain rates through the decrease in the mean net condensation during the onset phase,while the evolution of mean net condensation and the mean hydrometeor changes from decrease to increase during the mature phase.The reduction in the mean rain rate is primarily associated with the mean hydrometeor change in the absence of microphysical effects of ice clouds during the decay phase.     

台风“凤凰”登陆过程的高分辨率数值模拟及其降水的诊断分析

本文利用中尺度非静力数值模式WRF对2008年第8号台风 “凤凰” 的登陆过程开展了高分辨率数值模拟, 模拟采用3重嵌套, 最高分辨率3 km, 共积分120小时 (5天)。利用收集到的常规和非常规观测资料与模式模拟结果进行了细致的对比验证分析。结果指出, 模式较好地模拟再现了 “凤凰” 台风的发展演变以及登陆过程, 模拟的台风路径与观测路径较为一致, 同时模式也较好地把握住了整个模拟时段当中, “凤凰” 台风的强度演变过程以及主要的雷达回波特征, 模拟取得了初步成功。进一步, 利用高分辨率的模拟资料对此次台风登陆过程开展了散度垂直通量|Q|的诊断分析, 结果表明, 在整个研究时段内, |Q|的异常值区始终覆盖在地面雨区之上, 二者的空间分布和时间演变趋势比较相似, 并且在雨区内|Q|表现为强信号, 而在非雨区|Q|表现为弱信号。这表明散度垂直通量能够描述暴雨过程中低层大气辐合和高层大气辐散的垂直动力结构, 对强降水落区有较好的指示作用。     

A DYNAMICAL INTERPRETATION OF THE WIND FIELD IN TROPICAL CYCLONES WITH THE CONSIDERATION OF OROGRAPHIC FACTORS

Based on the barotropic primitive equation in the polar coordinate system and the appropriate assumption, we obtained the mathematical equation of orographic forcing on unit mass air parcel. With the consideration of the frictional stress of the sea and land, supposing that parcel velocity in tropical cyclones is in linear variation and that the distribution of surface pressure is circular, a set of equations are derived, which describe the impact of orographic slope error, the central pressure error and position error of tropical cyclones on the wind field in the tropical cyclone. Typhoon Wipha (2007) is selected to verify the above interpretation method. The results show that the orographic slope, the frictional coefficient, the intensity and position of the cyclone are the important factors which have great influence on the interpretation of wind information about tropical cyclones. The dynamic interpretation method gives very good results, especially for the coastal area. It is applicable to improving the forecasts of the wind field in tropical cyclones.     

A modeling study of diurnal rainfall variations during the 21-day period of TOGA COARE

The surface rainfall processes and diurnal variations associated with tropical oceanic convection are examined by analyzing a surface rainfall equation and thermal budget based on hourly zonal-mean data from a series of two-dimensional cloud-resolving simulations. The model is integrated for 21 days with imposed large-scale vertical velocity, zonal wind, and horizontal advection obtained from the Tropical Ocean Global Atmosphere Coupled Ocean-Atmosphere Response Experiment (TOGA COARE) in the control experiment. Diurnal analysis shows that the infrared radiative cooling after sunset, as well as the advective cooling associated with imposed large-scale ascending motion, destabilize the atmosphere and release convective available potential energy to energize nocturnal convective development. Substantial local atmospheric drying is associated with the nocturnal rainfall peak in early morning, which is a result of the large condensation and deposition rates in the vapor budget. Sensitivity experiments show that diurnal variations of radiation and large-scale forcing can produce a nocturnal rainfall peak through infrared and advective cooling, respectively.     

对流层低层偏东风对北京局地暴雨的作用

本文利用风廓线仪、地面自动站观测资料及NCAR/NCEP 1°×1°分析资料等,对北京地区两次局地暴雨天气过程的对流层低层偏东风进行了对比分析研究,重点分析了浅薄和深厚两次偏东风的形成机制、偏东风的垂直结构特征和温、湿特性,以及偏东风在北京局地暴雨中的作用等。主要结论如下:(1)浅薄偏东风活动在距地面高度500 m 以下,水平尺度约250 km,时间尺度约12 h, 地面风速平均约1 m/s;深厚偏东风活动在距地面高度3000 m 以下,水平尺度大于600 km,持续时间大于24 h,地面风速平均约4 m/s。(2)浅薄偏东风由边界层内浅薄的次天气尺度暖性低涡引起,深厚偏东风由天气尺度地面暖性低压倒槽的发展引起。(3)偏东风具有高相当位温的属性,其源地是北京东部或东南部的暖湿气团;在暖湿偏东风上方800～600 hPa 存在干冷空气活动,形成了有利的对流不稳定层结;浅薄偏东风暖湿能量的局地集中特征更为显著,而深厚偏东风在水汽和能量的持续输送方面,以及与500 hPa 偏西风形成较强的、有利于强对流风暴发展的低层垂直风切变方面作用更为显著。(4)浅薄偏东风在时间和空间上与近地面层辐合中心对应较好,与中高空辐散有较好配合,动力作用明显,直接起到了对流风暴的触发机制作用;深厚偏东风与辐合中心对应较差,与垂直运动及上层辐散也没有很好的配合,与对流风暴的触发没有直接的关系。但是深厚偏东风在对流层低层对应厚达3000 m 的潮湿空气层,削弱了雨滴下落过程中产生的蒸发降温作用,有利于对流的发展和维持。     

2015年热带气旋“彩虹”的高分辨率数值模拟与风场诊断分析

利用WRF模式,对热带气旋“彩虹”（1522）登陆过程开展了高分辨率数值模拟,模拟验证表明:模式较成功地模拟出了“彩虹”的移动路径、强度变化和降水分布。利用高分辨率模拟资料,分析了“彩虹”登陆期间的大风分布以及热、动力结构特征,结合切向风动量方程开展了模拟诊断,结果表明:切向风动量方程各项在近地面层和边界层顶代表高度上的平面结构诊断分析显示,近地面（0.4 km）层上,VVOR（角动量径向平流项）和VPGF（切向气压梯度项）是切向风变化的最大贡献项;边界层顶（1.3 km）附近,VPGF和VVA（切向动量垂直平流项）对切向风起到正加速作用,而VVOR则根据入流（出流）特征,起到正（负）加速作用。切向风动量方程各项的轴对称平均结构诊断分析显示,“彩虹”登陆前,VVA和VVOR是决定切向风变化的主要贡献项。     

“碧利斯”（2006）暴雨过程降水强度和降水效率分析

利用2006年第4号强热带风暴“碧利斯”登陆过程的高分辨率数值模拟资料,结合三维地面降水诊断方程和降水效率公式,研究了“碧利斯”登陆后引发的局地暴雨过程,重点分析了此次局地暴雨过程的降水强度和降水效率及其与宏微观物理因子的联系。结果表明,降水强度越强,降水效率越高,但两者并非一一对应的线性关系,随着降水强度增大,降水效率增高的趋势逐渐变缓;伴随暴雨系统快速发展,降水强度和降水效率均显著增强,而主要降水源/汇项的时间变化要复杂得多;暴雨发生前时段与发生时段降水物理过程存在显著差异,发生前,较明显的水汽辐合显著加湿局地大气,并通过微物理转化支持降水云系发展,液相水凝物辐合对降水云系快速发展贡献明显,固相水凝物辐合贡献不显著,较强的“云滴与雨滴碰并（P_racw）”微物理过程同液相水凝物明显辐合可能有直接关系,“霰融化造成雨滴增长（P_gmlt）”仅为P_racw的27%,发生时段,进一步明显加强的水汽辐合依旧是主要降水来源,而汇项发生了明显变化,同时,微物理转化过程与发生前比更活跃,尤其是P_racw和P_gmlt,其中,P_gmlt增强更明显,其值接近P_racw的50%。