静力稳定度对大地形降水影响的数值模拟研究

利用ARPS模式,通过调节过大地形山脉的湿大气静力稳定度进行敏感性试验,研究了湿大气静力稳定度对大地形降水的影响。结果表明,湿大气静力稳定度的改变影响了地形重力波的形成、维持和传播机制。当静力稳定度偏小时,地形重力波容易破碎,得不到有效维持;当静力稳定度偏大时,地形重力波又不易形成;仅当静力稳定度达到适合的强度时,地形重力波才能得到有效维持和传播。此外,垂直上升速度分布、辐合辐散运动及水汽的凝结输送等是影响大地形降水强度及分布状况的重要因素。

数值模式地形处理方法与地形降水影响模拟研究回顾

本文从数值模式出发,回顾了数值模式中考虑地形影响的处理方法和模式地形构造方法,数值模拟地形对降水影响的一些研究成果,从而获得数值模式中地形处理方法及数值模拟地形降水特征及机理的认识。在数值模式中合理地考虑地形影响,提供更为真实的模式地形,将有助于提高数值模式的预报能力,从而提升天气预报的业务水平。

地形降水机制

从降水量—地形高度对应关系图上可以清楚地看出山脉对水分循环的影响。图1和图2就是例子。在有些地理区城,这种对应关系是已为人们所了解,但在其它区域并非如此,许多年来关于这个问题的科学研究一直进行得很缓慢。本文回顾了目前人们对地形降水的了解。Bonacina(1945),

祁连山夏季两类地形降水过程的环流特征及成因分析

祁连山地区的降水与大尺度环流系统和复杂地形强迫形成的地形云发展变化有关。本文利用多种观测资料对2018年发生在祁连山地区过程降水(2018年7月19-20日,CASE1)和地形云降水(2018年8月28日,CASE2)两类降水过程进行天气学分析,并利用高分辨中尺度数值模式WRFV3.8.1对两类降水过程的数值模拟结果分析了有关物理参量和发展机制等方面的差异。结果表明:CASE1是在有利的大中尺度条件下形成的降水过程,它的形成是大尺度环流系统和局地地形共同作用的结果,CASE2没有明显的大尺度环流系统,主要是由局地地形诱发的降水过程;CASE1具有水汽供给充足,降水发生前大气中层结明显不稳定、对流有效能量大(1064.84 J·kg^(-1))、水平风的垂直切变强(27.6 m·s^(-1))、理查森数(Ri)小于0和垂直上升运动强烈等特点,这有利于产生大范围持续性的降水过程;而CASE2过程中的层结较CASE1的稳定,MCAPE的最大值为546.15 J·kg^(-1),约为CASE1的一半,水平风垂直切变最大值为17.37 m·s^(-1),远小于CASE1的值,理查森数在降水阶段始终大于0,这导致此类降水的降水率相对较小,对流活动较弱,持续时间相对较短。

九江市一次锋前降水过程地形作用分析

利用地面自动站常规资料、再分析资料和S波段双偏振雷达资料,对发生在赣北九江地区2022年4月24日到25日的一次锋前降水的生成、发展过程进行分析。结果表明:1)锋面过境前,当整层都处在上下一致的西南风时,庐山东侧鄱阳湖河谷地带会形成东北-西南向的地形通道,易触发局地对流,形成下游比上游先产生降水的现象。2)此次过程锋前暖区中,庐山东侧的地形通道有通过促进湍流增强加快雨滴凝结增长的方式增强降水的作用。3)幕阜山脉对此次冷锋降水在迎风坡有较弱的增强作用,在山顶及背风坡有削弱作用。

海陀山冬季降水天气分型及冬奥预报应用

基于2019—2021年1月1日至3月15日北京冬奥会延庆赛区(以下简称海陀山)降水观测资料和ERA5再分析资料,对期间34次降水过程进行天气分型,并对各天气型下不同海拔的降水实况特征开展统计分析。研究结果表明:冬季海陀山降水根据天气系统及地形影响可分为偏北气流型、偏东气流型、低涡低槽型、回流低涡低槽型四种天气型。不同天气型下海陀山地形高度以下主要气流方向和强度、水汽垂直分布等条件,以及与地形相互作用使得不同海拔之间降水量、持续时间等呈现显著差异。偏北气流型受500 hPa槽后整层强偏北气流控制,形成越山气流,降水集中在高海拔地区;偏东气流型受低层偏东气流影响,降水集中在低海拔地区,以上两种天气型无天气尺度系统配合,由地形强迫作用主导,降水量不大、持续时间相对较短。低涡低槽型受高空东移低涡低槽作用,配合低层西南气流,高海拔降水量更多,同时该型也是海陀山冬季最主要的降水天气型;回流低涡低槽型受高空东移低涡低槽影响,配合降水前东风回流对低层增湿并起到冷垫作用,低海拔降水量更多,以上两种天气型均存在天气尺度系统,并叠加海陀山地形作用,降水量显著且持续时间长,会对赛事运行造成较大影响。上述特征统计结果在2022年北京冬奥会期间一次强降雪预报服务中得到验证和应用,证明上述结果可以在冬季海陀山复杂地形降水预报中发挥作用。

地形对降水的影响机理及预报方法研究进展

本文分别从观测试验分析研究、地形降水物理机制以及地形降水模拟与可预报性研究等方面回顾了近年来对地形降水观测、数值模拟和预报方法方面取得的进展。概括了近些年来开展的若干地形降水观测试验、数值模式的若干线性地形降水方案,以及模式中次网格地形参数化效应对地形降水预报的影响。回顾了包括地形维度与几何分布、水汽分布及水汽凝结效应、大气稳定性等对地形降水的影响机制,并基于线性地形降水方案,综合考虑了次网格地形阻塞效应和大气降水概率因子,利用GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction System)模式检验了新简化线性地形降水参数化方案的应用情况。指出对地形降水机理研究和预报技术的改进,需进一步开展多种地形观测试验和多源资料机理分析,研究不同尺度天气系统在多尺度复杂地形下的相互作用,改进数值模式动力、物理精度以及资料同化理论技术,以期提高对地形降水的认识水平和数值模拟能力。

江淮地区山区和非山区夏季降水雨滴谱特征

雨滴谱特征分析是研究降水微物理特征的重要方法,使用2011—2012年夏季(6—8月)安徽4个站的雨滴谱资料,根据雨强及其随时间的变化将降水划分为对流降水和层云降水,对比分析山区和非山区对流降水和层云降水的雨滴谱特征。主要结论是:山区地形对对流降水的雨滴谱影响较大,对层云降水的雨滴谱影响较小。当雨强相同时,山区对流降水的雨滴数浓度比非山区高,雨滴尺寸比非山区小。随着雨强增大,山区和非山区对流降水的雨滴数浓度和雨滴尺寸均在增大。比较了标准化参数(Nw)与雨滴数浓度的关系,发现Nw与雨滴数浓度有关,但不能完全反映雨滴数浓度的变化,并且对雨强的变化不敏感。当雨强相同时,山区与非山区对流降水的雨滴数浓度差别较小,Nw则差别明显,说明Nw更能体现山区和非山区降水机制的差异。对于雨强小于30 mm/h的弱对流降水,山区与非山区小雨滴数浓度比较接近,大雨滴数浓度明显低于非山区,对应山区雨滴谱谱宽更窄,此时地形对雨滴谱的影响较为明显。对于雨强超过30 mm/h的强对流降水,山区和非山区雨滴谱比较接近,此时地形对雨滴谱的影响显著减弱。山区降水类型对Z(雷达反射率)-R(雨强)关系的影响较小。

西藏高原地形扰动对其降水分布影响的研究

利用离散谱空间变换中谱能不变性约束下的谱分析方法和引进相对地形高程(地形扰动)概念,研究了西藏高原地形强迫对该区降水分布的影响机制。研究表明,在相对最大降水高度之下,所谓地形-降水分布剖面一致性(即降水分布曲线相似于地形起伏曲线,雨峰雨谷和山峰山谷基本一一对应)的经典结论在西藏高原不能完全满足。频谱空间中的地形-降水锁相关系能够更本质地反映出地形性降水分布的物理特征。揭示出,两种不同的地形-降水锁相关系即分别对应西藏高原的两种地形-降水分布形态,即雨峰雨谷和山峰山谷基本一一对应的共振分布型;降水随地形增高或增或减的漂移分布型。

钟形地形动力抬升和重力波传播与地形云和降水形成关系研究

地形云和降水过程在区域水循环、水资源、生态环境及气候变化中具有十分重要的作用。本文利用中尺度数值模式WRF数值模拟试验,以及通过引入表示大气层流速度、层结稳定度和地形特征的关系参数——湿Froude数(Fw),研究了北京2009年5月1日湿条件不稳定大气层结下,地形云和降水形成过程与地形动力抬升和地形重力波传播之间的关系及形成机理。研究表明,在地形最大高度2km、半宽10km的条件下,层流速度从2.5m/s逐步增加到25m/s时,对应的湿Fw数从0.19增加到1.81。当Fw≤1时,地形的阻挡起主要作用,由地形抬升形成的地形云主要产生在迎风坡一侧。地形重力波主要产生在迎风坡,并向上游传播,先形成层状云,最后演变为准稳定浅对流波状云。最大降水主要发生在紧靠山顶的迎风坡一侧,但当Fw很小时,地形云不产生降水。当Fw>1时,地形抬升形成的云主要发生在山顶附近,而地形重力波主要形成在背风坡,并向下游方向传播,形成准稳定波状云。最大降水主要产生在紧靠山顶的背风坡一侧。另外,在弱湿条件不稳定大气层流下,地形降水主要由地形动力抬升造成的暖云微物理过程产生,地形重力波形成的波状云几乎不产生降水。

秦岭地区气溶胶对地形云降水的抑制作用

以华山站为影响站,周围的西安、渭南和华阴作为对比站,通过影响站与对比站降水之比——地形强化因子（Ro）的变化趋势以及Ro与能见度关系的分析,定量研究了秦岭地区气溶胶对地形云降水的抑制作用。Ro的演变分析表明：有观测以来Ro逐年递减,减幅为14%～20%,即影响站与对比站相比降水量减少了14%～20%;Ro的减少趋势与能见度递减、气溶胶递增相吻合,说明气溶胶的增加抑制了地形云降水。Ro的递减主要是减少了中小雨（日雨量小于30 mm）的天数,这种影响对浅薄的生命期较短的地形云降水作用更明显,对于华山站,30 mm以下的降水都会受到入云气溶胶的抑制作用,而西安站为5 mm以下,入云气溶胶浓度越高,就有越厚的降水云受气溶胶影响而抑制降水;在以动力强迫抬升为主的春秋季,气溶胶抑制华山地形云降水20%左右,最大可达25%;在热对流条件下,气溶胶对地形云和对平原地区云的抑制作用基本相当。不同风速风向下Ro的变化趋势表明,Ro递减随风速增大而加快,迎风向（240°～30°）大风（≥5 m/s）时减少降水超过30%。由Ro与能见度关系的定量分析发现,当能见度在14 km时Ro为1.8左右,随着能见度的降低Ro逐渐减小,当能见度小于8 km时,R0约为1.2,减小了30%左右;华山对于华阴的Ro与能见度呈线性关系,相关系数达0.81。最后,根据研究结果归纳出气溶胶抑制秦岭地区地形云降水的初步物理模型。

基于西南区域中尺度模式系统预报的陡峭地形过渡带降水订正方法

基于地形和西南区域中尺度模式系统(southwest center WRF ADAS real-time modeling system,SWCWARMS)20:00(北京时,下同)和08:00起报的逐3 h风场、相对湿度场,计算地形降水估算量并结合SWCWARMS预报降水场构建降水订正方程,进而对2018—2020年汛期6—8月日降水、四川盆地降水过程及四川盆地西部降水过程3类降水进行订正,并仅对川西高原东坡到四川盆地西部的陡峭地形过渡带进行检验评估。结果表明:(1)各量级降水量订正值TS相对于SWCWARMS预报降水量的TS均有不同程度提高,20:00起报的订正效果优于08:00。对于大雨及以上量级均以四川盆地西部降水过程订正效果最佳,20:00起报的12~36 h大雨、暴雨和大暴雨的降水量订正值TS相对提高率分别为19%、25%和37%,且命中率高,空、漏报率明显减小,订正效果较好。(2)降水订正方程对四川盆地西部降水过程类型中的区域性暴雨个例和一般性降水个例均有较好的订正效果,即使是SWCWARMS模式预报的大雨、暴雨和大暴雨预报降水落区与实况差异甚远的个例也有一定订正效果。

气溶胶对秦岭山脉地形云降水的影响

以华山站为影响站,其周围华阴、渭南、西安为对比站,通过对影响站与对比站降水之比—地形强化因子(R_o)的变化趋势以及R_o与能见度变化关系的分析,研究了气溶胶对秦岭地形云降水的影响。结果表明:有观测以来R_o逐年递减,1980年后R_o递减更快,减幅达20%;R_o的减小趋势与能见度递减、气溶胶递增相吻合,说明气溶胶的增加抑制了地形云降水;华山1980年后的年平均雨量比1980年前减少了15%,达132mm,而平原地区的减少量不超过3%(16mm)。分析气溶胶抑制地形云降水的物理过程发现,R_o的递减主要是减少了中小雨(日雨量小于30mm)的天数,而对大于30mm的降水影响较小,说明气溶胶对浅薄的生命期较短的地形云降水的抑制作用更明显;在以动力强迫抬升为主的春秋季,气溶胶对地形云降水的抑制作用明显强于平原地区,1980—2004年间降水减少了20%～30%;在热力作用下,气溶胶对地形云降水的抑制作用与平原地区相当。

人为气溶胶对地形云降水的影响:以黄山地区为例

选取黄山站为高山站,周围黄山区、绩溪、黄山市三个低海拔高度站为对比站,比较高山站与对比站1960—2009年降水量差值,即地形影响因子R0的变化趋势,以及同期能见度的变化,分析了人为气溶胶对黄山地形云降水的可能影响。结果表明,1960—1979年能见度下降,气溶胶含量增大,R0升高;1980—1989年,能见度升高,气溶胶含量有下降趋势,不同对比站R0变化趋势不同;1990—2009年,能见度下降,气溶胶含量升高,R0显著下降。气溶胶对降水的影响作用与背景气溶胶浓度有关,背景气溶胶浓度较低时,增加气溶胶浓度可促进降水;背景气溶胶浓度较高时,增加气溶胶含量对降水抑制作用显著,对应的能见度阈值为10km。当气溶胶对降水起抑制作用时,抑制作用与风速成反比,与风频和各风向平均降水量呈显著正相关。

云凝结核浓度对不同弗罗德数下形成的地形云和降水的影响

云凝结核(CCN)对云和降水的影响除与其物理化学性质密切相关外,还受到气象条件的影响,但此类研究较少。文中基于WRF中尺度数值模式,引入了表征大气层流速、层结稳定度和地形关系的湿弗罗德(Fw)数,研究揭示了CCN浓度的变化对不同Fw下形成的地形云和降水的影响。研究表明,当Fw≤1,接近临界流时,地形阻挡起主要作用,地形抬升和重力波作用主要发生在迎风坡一侧,主要形成层状云和向上游传播的浅对流波状云,降水主要发生在靠近山顶的迎风坡一侧。在此种情况下,CCN浓度升高对地形云和降水影响较小,当CCN浓度由100 cm^(-3)增至1000 cm^(-3)时,云滴含水量增大,但雨水含量减小,说明云粒子向降水粒子的转化效率降低,CCN浓度升高抑制了暖雨过程。但在云发展后期,云滴被上升气流带至高层形成过冷云滴,与雪粒子发生碰并形成霰粒子,使冰相物理过程有所增强。CCN浓度升高可导致20 h累积降水量减少10—15 mm,约减小7%—8%;当Fw>1时,CCN浓度升高会导致20 h地形云累积降水量减小超过50%,最大达到96%,导致地形云几乎不产生降水,而且降水量峰值位置向山顶后移动5—10 km。研究表明,降水显著减小的原因不仅与CCN浓度升高有关,过山气流产生的背风坡焚风效应也起了非常重要的作用。由于CCN浓度升高形成了大量云滴粒子,使雨滴形成效率显著降低,不能形成降雨的大量云滴被强过山气流快速带至下游背风坡区,由于背风坡下坡气流的绝热加热形成的焚风效应很显著,导致云滴和雨滴快速蒸发,使降水显著减小。这一结果可以解释在落基山脉、以色列及中国华山发现的地形降水减小30%—50%的现象,说明气象环境条件在气溶胶影响降水中起重要作用,污染气溶胶与背风坡焚风效应产生的叠加效应可造成地形云降水显著减小。

利用雷达反射率因子垂直廓线改进复杂地形下的台风降水估测精度

文章发展了一种利用雷达垂直反射率因子廓线改进复杂地形下台风降雨的雷达定量估测方法。该方法通过全局与区域最优拟合的垂直反射率因子廓线(VPR)获取近地面的最优反射率,并获取最优的动态Z-R关系。该方法充分考虑了复杂地形下的垂直降雨结构特征以及地形增雨增幅影响,因此有效弥补了雷达在复杂地形下VPR监测不完整问题。利用浙江地区三个典型登陆台风对方法进行检验,结果表明,反演的VPR能够较好地反映洋面、平原与山区的低层反射率因子结构差异,符合实际降水系统低层结构特征。相比传统的定量降水估计方法.改进算法较好地解决了复杂地形区域的强降水低估问题,其估测的小时降水与地面检验的雨量站观测相关系数达到0.85~0.94,降水累积估测误差减少约50%。

基于西南区域模式预报的川西高原东坡过渡带降水地形订正试验

基于西南区域模式(SWCWARMS)网格降水预报,通过地形降水估算量构建地形降水订正方程,分别应用模式地形和实际地形的订正方案对2020年6~8月发生在川西高原东坡过渡带的11次强降水过程进行订正试验。结果表明:应用模式地形订正后各量级降水预报的平均TS(Threat Score)评分较模式预报均有所提高,大雨及以上量级TS评分提高4%以上,平均空报、漏报率均减小,订正效果优于应用实况地形订正的效果。该方法具有普适性,对于地形复杂的川西高原东坡、攀西河谷及盆地西部沿山地区,预报和实况落区相似、不相似及强、弱降水过程均适用。

华北地区两次低涡暴雨过程降水特征和成因对比分析

本文利用多种观测资料和ERA-5再分析资料对2021年7月11~13日(过程1)和2016年7月19~21日(过程2)华北地区两次低涡暴雨过程的降水特征和成因进行了对比分析。结果表明:这两次暴雨过程均发生在南亚高压东伸加强、副热带高压西伸北抬、中纬度西风带低涡系统东移北上发展、下游高压坝稳定维持的环流背景下,但过程1的累计雨量、降雨强度、影响范围、持续时间和极端性均不及过程2。两次过程的低空急流差异明显,过程1以低涡南侧的西南急流为主,过程2不仅西南急流更强,低涡北侧的偏东风急流同样显著,低层偏东风在太行山东麓地形的作用下产生了更明显的强降水。两次过程的低涡强度、结构及路径存在明显差别,过程1的低涡发展较为浅薄,仅在对流层中低层存在明显的正涡度,且在过程后期移动速度较快,一路沿太行山北上并最终在河北北部消散;而过程2的低涡更为深厚,后期在河北西南部稳定少动直至消散。两次过程的阶段性发展特征也存在一定差异,在第一阶段,过程1的低层辐合主要出现在低涡中心附近的山西南部至河南北部,而过程2的辐合主要出现在低涡北侧偏东风急流与地形交界处的河北西部地区;在第二阶段中,两次过程均出现了类似于台风螺旋雨带结构的低涡螺旋型对流雨带,但过程1主要出现在低涡东侧,而过程2主要发生在低涡北侧,这可能是由于水平涡度旋度、差动垂直涡度平流、暖平流以及非绝热加热的分布差异导致的;在第三阶段,过程1的低涡已移至华北北部,低涡中心附近的强辐合配合不稳定层结和地形抬升产生了较强降雨;而过程2的低涡仍然位于河北西部,低涡东北侧的暖切变辐合不及过程1,但对流不稳定层结更深厚,从而产生了更强的垂直上升运动及更强的降雨。上述结论有助于理解两次暴雨过程的时空分布和强度差异及可能成因。

西北中部半干旱区兴隆山森林岛降水机理的数值模拟

通过WRF V2.1.2模式数值模拟试验并结合长期观测数据,研究了中国西北半干旱区长期存在和维持的森林山区(兴隆山区,103.84°E、35.86°N)的降水特征及其与周边地区的降水差异,并探讨了造成这种差异的主要原因。结果表明,兴隆山区与周边地区的降水差异主要表现在夏、秋季。在夏、秋季兴隆山区受东南湿润气流的影响,获得较多的水汽输入和较稳定的水汽来源,而山地地形则有利于截留东南气流携带的水汽并形成降水;兴隆山区及其周边地区局地的蒸散差异对二者之间降水差异的贡献不大。另外,兴隆山区土壤堆积覆盖的石质山构造和森林下垫面也有利于降水的截留和贮存以及植被的生长。因此,有利于水汽输入的大尺度环流形势、地形对空中水汽的截留以及特殊的地质因素是兴隆山山区孤立森林岛在半干旱区长期存在和维持的原因。