由台风低压倒槽引发的山东暴雨过程研究

2004年8月26-28日发生在山东省的大到暴雨过程主要是由"艾莉"台风减弱的低压和西风带冷空气远距离相互作用造成的,台风倒槽的发展与低空东南气流的加强及台风低压外围热量和动量的向北输送密切相关.采用双向三重嵌套网格非静力模式MM5对这一过程进行了数值模拟,研究了台风倒槽的中尺度结构特征,并通过涡度收支探讨了台风倒槽及中尺度低涡发生发展的物理过程.结果表明,强降水是在台风倒槽顶部强风中心与弱风中心之间的强辐合作用下触发的,台风倒槽的增强和中尺度低涡的形成是低空急流及其动力作用的结果,降水的非绝热加热也起着重要作用.涡度方程的收支诊断表明,对流层低层的散度项、对流层中层的水平平流项和铅直输送项是正涡度的主要贡献者,在同一等压面上散度项和水平平流项的作用是相反的.对流层中层铅直输送项的贡献为正,扭转项为负贡献,涡度变化的总趋势是它们相互作用的净结果.等压面上相对涡度的变化趋势并不是均匀的,中尺度低涡的东南象限相对涡度局地变化较强,这是强降水发生在此的重要原因.低层正涡度的增加是由水平辐合引起的,而高层正涡度的增加是涡度由低层向高层垂直输送的结果.因此台风倒槽的发展和中尺度低涡的形成主要是由于低层的涡度制造,另一方面来自中低层涡度的垂直输送.     

对流层中层中尺度涡旋在台风榴莲(2001)生成中的作用—数值模拟及验证

西太平洋热带气旋（TC）的生成和季风槽及中尺度对流系统（MCS）的活动有密切关系,但以往这方面的实例数值模拟很少。为了进一步探讨由MCS对流强迫产生的对流层中层中尺度涡旋（MCV）在TC生成中的作用,作者利用非静力平衡的中尺度模式PSU/NCAR MM5对台风榴莲（2001）的生成过程进行了高分辨率（6 km）数值模拟和比较验证。结果表明:模式成功地模拟出榴莲的生成地点,其与MCS的相对位置关系与以往的观测研究结果一致;模拟的TC移动路径、强度变化与最优观测报告比较接近,准确反映了TC未来登陆地点,以及中心气压缓慢下降和迅速下降两个阶段;对云系演变的模拟,成功模拟出了TC初生时的涡旋云系和季风槽中MCS云系的分离现象,以及在TC登陆前达到成熟阶段时出现的台风眼和螺旋云带。此外,模式还成功模拟出中层MCV,它的水平尺度约200 km,位于800~400 hPa之间,具有暖心结构等,均与已有观测结果相近。模式初始场中包含有充分的MCS信息,是模拟取得成功的关键因素之一。     

热带气旋自同化技术试验研究

针对数值预报初始场的热带气旋普遍偏弱,BOGUS技术不能提供气旋内部中小尺度结构信息的问题,提出了热带气旋自同化技术,利用初始场中的热带气旋风场和台风报文中的7级和10级风圈半径,构建人造热带气旋风场,并利用3维变分同化方法得到新的初始场。该方法的优点是在获得新的初始场中尽可能保留背景场中热带气旋的风场结构信息,同时又使气旋得到加强。从4个个例的72 h模拟试验结果表明,自同化方法取得了较好的效果,结果优于BDA方法。且该方法简单易行,具有一定的业务应用价值。     

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 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%。     

四川暴雨过程动力因子指示意义与预报意义研究

本文利用2010年8月18~19日四川盆地西部地区一次引发了泥石流等次生灾害的暴雨天气过程的数值模拟资料及0.5°×0.5°分辨率、每6 h一次的GFS(Global Forecast Model)预报资料,结合集合动力因子预报系统中的广义对流涡度矢量垂直分量、质量散度、垂直螺旋度、质量垂直螺旋度、水汽垂直螺旋度、热力垂直螺旋度、湿热力平流参数、密度散度垂直通量、散度垂直通量、热力散度垂直通量、水汽散度通量、广义 Q 矢量散度等12个动力因子成员对此次暴雨过程进行诊断分析和预报研究,结果显示:(1)集合动力因子预报系统中的动力因子对此次降水落区诊断效果良好;(2)各动力因子区域均值随时间的变化曲线都能表现出降水区域均值随时间变化曲线双峰形态,其中,广义 Q 矢量散度、水汽垂直螺旋度、热力垂直螺旋度、质量垂直螺旋度、垂直螺旋度与降水的相关系数较大(达0.9以上),对此次降水的诊断效果较好;(3)动力因子对此次强降水过程的发展演变具有一定的预报能力。     

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.