2014年7月5日那曲一次对流降水的数值模拟及组织过程分析

基于全球降水观测计划(GPM)资料和风云卫星(FY-2E)云顶亮温资料,利用WRF模式,对2014年7月5日那曲地区一次对流降水过程进行数值模拟,并对影响其对流组织过程的关键物理机制进行了诊断分析。结果表明:(1)对流初始阶段,受午后不均匀加热影响,那曲附近形成了高相当位温和高有效位能区,并在那曲西北侧和北侧触发出初始对流。(2)触发的西北侧对流带与北侧对流合并,同时那曲附近的垂直风切变促进了对流系统的组织化发展和加强,成熟对流的上升气流也反过来增大垂直风切变强度,进一步维持和加强对流。(3)对流成熟期末期,对流降水形成的冷池出流强度与垂直风切变强度失衡,导致组织化程度减弱,对流消散。

2021年河南极端降水的气候变化归因:对流组织的影响

本文研究了河南“21·7”极端降水事件的气候归因.研究利用区域云解析模式模拟,对该事件采用了基于准地转单柱模拟方法的条件归因.在准地转单柱模拟中,大尺度垂直运动是由简化的准地转垂直速度方程在由动力强迫(基于观测的再分析数据)和潜热释放(基于云解析模拟)共同作用下计算得到.研究发现,气候变暖可能导致区域尺度和台站尺度强降水的显著增强,分别为10~14%K^(-1)(取决于对流组织)和7~9%K^(-1).通过比较无对流组织、由地表温度异常导致的团状对流组织和由垂直风切变导致的线状对流组织这三种情况,我们进一步探讨对流组织如何影响极端降水及其气候响应.研究发现,线状对流对大尺度动力强迫更为敏感,其造成的极端降水在区域和台站尺度上都较无组织的对流更强;而团状对流较无组织的对流只稍微增强了台站尺度极端降水.由于线状对流具有更强的潜热反馈,其区域尺度极端降水气候敏感性较无组织对流大2~3%K^(-1).同时,模拟结果没有发现台站尺度极端降水气候敏感性对于对流组织的系统性依赖.

基于波作用方程的南疆西部干旱区暴雨的组织化机理研究

本文采用位涡波作用密度和波作用方程,对一次南疆西部干旱区暴雨的组织化过程和机制进行了诊断研究,对影响暴雨对流系统组织化的关键物理过程进行了分析和讨论。位涡波作用密度耦合了多种影响对流云体演变的大气动热力扰动,能够良好描述对流系统的组织化过程。以此为基础,描述位涡波作用密度变化的波作用方程能够用来研究驱动对流系统组织化发展的物理因素。研究发现,波作用方程诊断得到的多个物理过程与扰动斜压性、扰动风切变和扰动涡度的发展演变有关,表明它们对对流组织化有重要作用,多条东西向的对流线发展为东北—西南向的带状对流系统过程中,包含强对流的维持和南北尺度的增大。对流线在东北向弱对流的发展增强与基本态气流对强对流区的热力输送引起扰动斜压性增强有关。影响对流线中部强对流的维持和南北向发展的关键过程包括:上升、下沉气流引起的热力输送导致对流线内扰动斜压性增强,扰动西风与扰动东风形成气旋性环流引起经向切变环流增强,及扰动经向风将扰动纬向风切变向对流中心区输送引起纬向切变增强、垂直环流增强。该研究表明,对流系统的组织化是大气多种动热力扰动演变和配合的结果,通过波作用演变方程能够比较清晰体现其中的关键过程,且波作用方程为波作用密度倾向,未来可探讨其对对流系统组织化的预报意义。

日间对流边界层中的非局地动量混合

日间对流边界层最显著的结构特征是在热力作用下所形成的组织化对流。与小尺度湍涡不同的是,组织化对流具有边界层尺度的垂直相干性,可实现垂直贯穿边界层的非局地物质和能量传输。本文针对对流边界层中的动量混合,探究组织化对流对动量输送的贡献。以高精度大涡模拟数据为研究资料,通过傅里叶变换、本征正交分解和经验模态分解3种滤波方法,分离组织化对流和背景湍涡,计算与两者相关的非局地和局地动量通量,发现与组织化对流相关的非局地动量通量是总通量的重要组成部分,并主导混合层中的垂直动量输送。而后,基于协谱和相位谱分析,探究组织化对流的空间结构对动量传输的影响,发现在热力主导的不稳定环境中,单体型环流结构对动量的传输效率较低。而在风切较强的近中性环境中,滚涡型组织化结构可使垂直和水平流向扰动速度的相位差减小,从而提升动量传输效率。研究结果表明,边界层方案需要包含非局地动量通量项,其参数化应考虑整体稳定度对传输效率的影响。

四川盆地雷暴大风雷达回波特征统计分析

采用2009—2018年地面、高空、闪电定位、多普勒雷达资料统计出四川盆地的34次雷暴大风过程,并根据冷空气参与情况及500 hPa影响系统将其分为五种类型:混合性大风类(Ⅰ类)、深厚低槽(低涡)后部类雷暴大风(Ⅱ-1)、低槽(切变)东移类雷暴大风(Ⅱ-2)、副热带高压西侧切变类雷暴大风(Ⅱ-3)和东风扰动类雷暴大风(Ⅱ-4)。统计分析了五类过程中发生雷暴大风站点对应的雷达回波特征,包括:对流组织类型、雷达回波强度、回波顶高、垂直液态水含量、中层径向辐合、风暴移动速度、回波质心下降、低仰角风速大值区和辐散。结果表明,82%的雷暴大风站点具有风速大值区,不同类型的雷暴大风过程还有其他不同的雷达回波特征,这些特征大多可提前10 min以上。另外,当站点出现中层径向辐合、辐散、回波强度大且伴有强梯度或回波类型为飑线时,也要考虑大风是否出现。

垂直分辨率对广州“5·7”特大暴雨数值模拟影响的研究

精细化的垂直分辨率能够更好地反映大气动热力环境和中尺度系统生消演变过程,不同层次高度垂直分辨率的加密对暖区对流系统触发及组织发展机制的影响有待深入研究。本文针对2017年5月6日(UTC)广州局地突发的特大暴雨受复杂地形影响、其对流中尺度系统局地触发、后向传播及组织化的特点,运用WRFV3.9.1,采用GFS资料较好地模拟和再现了此次大暴雨过程,并进行了不同高度垂直分辨率的敏感性试验,以探究垂直分辨率对此次暖区暴雨触发及组织化过程的影响。结果表明:低层垂直分辨率加密试验能够模拟出更强的偏南回流、偏东风和较强的低层风场辐合以及较强的温度扰动,进而引起更强的对流触发;中层垂直分辨率加密更有利于大范围的强干冷空气侵入对流系统,其造成的潜热和不稳定能量的释放,是对流系统发展的重要原因;高空垂直分辨率的加密试验则描述出了对流系统上部与高空急流出流相关的高空辐散中心、对流系统周围的高空强辐散中心以及相邻对流单体的垂直环流,细致再现了对流单体合并为对流系统的组织化过程。

江淮地区两类低涡型暖式切变暴雨的中尺度特征分析

为探究江淮地区低涡型暖切变暴雨的中尺度特征,利用常规观测资料、自动站加密观测资料以及FY-2E卫星云图和NCEP/NCAR再分析资料等,针对江淮地区两次不同类型的典型暴雨过程进行对比分析。其中,"稳定型"过程降水持续时间长、范围广,而"东移型"过程降水相对集中,持续时间短、雨强大。结果表明:(1)两次降水均发生在高空槽和低层暖切变影响下,"稳定型"系统少动,而"东移型"的500 hPa低压槽和低空低涡向东移动发展,与地面中尺度低压相对应,且中低层辐合较强。(2)"稳定型"对流组织形式为"前向次第发展",对流系统结构相对松散,而"东移型"对流组织形式为"后向次第发展",对流系统组织化程度较高。(3)两次暴雨过程均发生在整层高湿环境中,低空急流对水汽输送起关键作用,降水主要位于西南急流轴前部的风速辐合区。其中,"稳定型"水汽主要输送能力体现在850 hPa上,稳定形势下的持续性水汽输送有利于形成较大范围的强降雨;"东移型"西南低空急流风速相对较强,降水后期有活跃的超低空东南急流,两支急流共同作用有利于局地出现更集中的降水。(4)两次过程中,低空西南与东南风的风速辐合形成明显的中尺度抬升条件,且"东移型"比"稳定型"的外力抬升条件更好。强降水多位于地面辐合线附近,对应的中尺度风场辐合线是触发对流的有利条件,对短临降水落区预报有一定指示意义。

2018年8月华南超历史极值降水事件的观测分析与机理研究

2018年8月30~31日一条超长生命期的中尺度线状对流(线状β-MCS)引发了华南沿海一次极端降水事件[1056.7 mm(24 h)^-1],刷新广东省24小时雨量历史纪录,造成严重洪涝并引起社会极大关注。文章采用多源观测资料与NCEP/NCARFNL分析资料,首先从观测分析角度提炼该次过程的降水特点与卫星、雷达的基本演变特征,然后分析了极端降水的天气尺度背景与中尺度环境条件,最后从中尺度大气动力学角度探讨超长生命期线状β-MCS的触发演变与海陆边界风向旋转维持的关系,并揭示线状对流组织与维持的可能物理机制。结果表明:季风低压作为稳定的天气尺度背景,大气层结表现为深厚暖湿与持续不稳定,季风云团北推上岸造成华南沿海大范围暴雨,一条超长生命期、准静止、低顶高、低质心并具备后向传播特征的线状β-MCS造成高潭持续性强降雨,降水强度大、持续时间极长是累积雨量破纪录的主要原因。对流触发及线状β-MCS组织发展与地面风场有密切关系,海陆边界风向旋转率方程定性分析发现地面风场受多尺度调节影响,季风低压的天气尺度项、局地地形摩擦项与中尺度气压梯度项对地面风场协同形成的反向强迫及平衡机制,是偏南气流长时间维持的关键。斜坡地形与黄江河谷一侧偏南气流增强并建立"暖脊",致使山脉一侧冷池出流边界无法向南扩展,形成强烈的水平温度梯度,基于中尺度动力学方程定量诊断表明β-MCS的线状组织过程及对流维持的动力机制来源于局地垂直风切变,这种局地垂直风切变有别于环境垂直风切变,其显著增强是对地面强烈纬向水平温度梯度响应的结果。

北京721特大暴雨极端性分析及思考(一)观测分析及思考

本文利用多种常规和非常规观测资料对北京2012年7月21日大暴雨过程的降水特点,引发特大暴雨的中尺度对流系统的环境场条件及其发生发展过程进行了全面的分析。观测分析发现:这次特大暴雨是一次极端性降水过程,具有持续时间长、雨量大、范围广的特点。降水过程由暖区降水和锋面降水组成。暖区降水开始时间早,强降水中心较为分散,持续时间长。锋面降水阶段,多个强降水中心相连,形成雨带,雨强大,降水效率高,持续时间较短。引发此次特大暴雨的中尺度对流系统的环境场条件分析发现:极端降水过程发生在高层辐散、中低层低涡切变和地面辐合线等高低空系统耦合的背景下。来源于热带和副热带的暖湿空气在暴雨区辐合,持续输送充沛的水汽,具有极高的整层可降水量、强低层水汽辐合等极端水汽条件。在充沛的水汽条件下,低涡切变、低空急流上的风速脉动、地面辐合线、地形作用等触发了强降水。随着锋面系统东移,在冷空气和适度的垂直风切变作用下对流系统组织化发展,产生较强的锋面降水。中尺度对流系统发生发展过程分析发现:降水过程首先以层状云降水和分散的对流性降水为主。随着干冷空气的侵入逐渐转化为高度组织化的对流性降水,多个中小尺度对流云团组织化发展并形成MCC,产生极端强降水。由于回波长轴方向、地形以及回波移动方向三者平行,此次过程的雷达回波具有明显的"列车效应";并具有明显的后向传播特征和低质心的热带降水回波特点。通过此次罕见暴雨事件观测资料的综合分析,提出了需要进一步研究的问题:此次特大暴雨过程极端性降水特点及极端水汽条件的成因;北方地区暖区暴雨的形成机制;列车效应和后向传播的形成机制;对流单体的组织维持机制以及数值预报对暖区降水的模拟诊断能力等。