伊犁河谷流域山区和平原雨滴谱特征统计研究

雨滴谱是理解降水微物理特性和定量降水估测的基础,尤其是在降水机制复杂、时空变异性大的复杂地形中。本文利用Parsivel2激光雨滴谱仪对2020-2022年夏季伊犁河谷流域山区和平原不同降水强度和不同降水类型的雨滴谱特征进行了研究。结果表明:山区和平原降水主要以小雨滴为主,对降水强度R贡献最大的主要是中雨滴。山区降水和平原降水主要出现在午后至傍晚,山区降水大中型雨滴数浓度在各时间段均高于平原。随着雨强增大,雨滴谱的谱宽和各直径档的雨滴数浓度也随之增加,山区降水的大中型粒子数浓度在小雨和大雨时明显大于平原。在相同降水强度和降水类型的情况下,山区降水具有较大的质量加权平均直径(D_(m))和较小的标准化截断参数(log_(10)N_(w))。此外,伊犁河谷流域山区和平原的对流云滴谱均倾向于“大陆性对流簇”。研究发现,两地区降水的μ-Λ关系和Z-R关系也存在显著差异,Z=300R^(1.40)的经验关系显然高估了降水量。研究结果揭示了伊犁河谷流域不同地形条件下的降水微物理特征,为后续利用雷达资料反演降水提供可靠的事实依据。

梅州短时强降水时空分布特征及地形影响

利用2010-2020年梅州市113个自动气象站的逐小时降水资料,运用统计学和空间插值方法,对梅州市短时强降水时空分布特征及地形影响进行分析。结果表明:短时强降水年均频次整体无明显增多或者减少趋势,存在3年左右短周期波动,空间分布为南北大中间小。短时强降水主要发生在4-9月,呈5、8月双峰分布;前汛期主要分布在平远蕉岭、后汛期分布在丰顺,分别主要由西南季风和热带天气系统影响。短时强降水高发时段为下午到傍晚,但极端雨强出现时间比高发时段推迟2 h左右;前汛期北部存在一定的夜雨特征。梅州短时强降水高发区主要分布于迎风坡喇叭口地形处,低值区分布于山脉背风坡的平原低地、盆地处。

北京“23·7”极端强降雨特征和成因分析

利用北京地区加密气象站、补盲的北京市规划和自然资源委员会雨量站、双偏振雷达、风廓线雷达、GPS水汽等观测数据和ERA5再分析数据,对北京“23·7”极端强降雨阶段性特征和成因进行了分析。结果表明:“23·7”极端强降雨累计降水量(331 mm)和单点最大降水量(1025 mm)均打破历史纪录,最大雨强(126.6 mm·h^(-1))排名历史第二位,具有显著的极端性。强降雨可分为5个阶段,其中第Ⅱ和第Ⅳ阶段降水量分别占过程累计降水量的37.1%和39.7%,第Ⅳ阶段雨强更大,对应急流更强,高温、高湿特征也更明显。地形对降雨的增幅作用显著,降水量在海拔100~300 m山区迅速增加,极大值出现在海拔约400 m的山区,第Ⅱ(第Ⅳ)阶段山区平均降水量和小时雨强分别是平原的2.1(3.0)倍和2.0(2.7)倍;第Ⅱ阶段主要为地形对急流的直接抬升,第Ⅳ阶段为地形绕流辐合和直接抬升共同作用。7月31日上午(第Ⅳ阶段)边界层急流出口区与低空急流入口区耦合导致低层上升运动增强,促使西部山前β中尺度对流系统由块状发展成线状并有γ中尺度涡旋产生,该β中尺度对流系统北上时形成短暂的列车效应,引发了西部山区8个站次100 mm·h^(-1)以上的极端短时强降水。

台风“烟花”登陆浙江前后强降水雨带变化特征及成因分析

利用GPM_3IMERGM降水产品、地面加密自动站资料、黑体亮度温度(Blackbody Brightness Temperature,TBB)和ERA5再分析资料,研究台风“烟花”登陆浙江前后强降水雨带变化特征及其成因。结果如下:(1)台风“烟花”登陆前后降水强度减弱慢,强降水雨带分布不对称,登陆前强降水中心在北侧,且存在外围强降水雨带,登陆后强降水中心转至东侧并出现尾部雨带;(2)台风“烟花”引导气流弱、移速慢,台风“查帕卡”和“尼伯特”加强水汽输送,使得“烟花”强度减弱缓慢,维持强降水;“烟花”登陆前水汽输送主要来自南海,登陆后主要来自东侧西太平洋,有利于降水中心向东偏移;(3)垂直风切变的变化与台风“烟花”雨带中心移动有较好对应关系,雨带中心一般位于顺切变左侧或顺切变方向;台风“烟花”登陆前垂直散度场结构向北倾斜,台风区域内的上升运动自北向南减弱,登陆后散度场结构向东倾斜,上升运动自东向西减弱,台风降水中心逐渐从北侧移至东侧;(4)台风“烟花”登陆前的外围雨带受到杭州湾地形辐合和龙门山地形抬升作用影响,登陆后的尾部雨带主要与海岸线附近的摩擦辐合和四明山地形抬升有关。

秋台风“梅花”造成浙江极端降水成因分析

利用全球降水观测计划卫星降水率产品、地面加密自动站和ERA5再分析资料,对202212号台风“梅花”造成浙江极端降水的成因进行分析。结果表明:台风“梅花”造成的极端降水主要分布在沿海和四明山区,极值在四明山区,9月12—13日强降水由台风北侧外围雨带造成,14日则主要为台风本体降水;高层西南风急流的稳定以及台风“梅花”在移动过程中与西风槽结合有利于维持台风强度并引起台风动力结构不对称;台风“梅花”与副热带高压间的东风是台风发展的主要水汽来源,西太平洋上热带气旋的存在也有利于台风“梅花”北侧水汽输送加强,导致台风强降雨带偏北;台风“梅花”北侧高层始终有位涡下传至对流层中低层,促使低层扰动中心的发展,冷空气侵入造成浙江东部中尺度斜压锋生;受四明山地形影响,台风“梅花”环流西北侧的偏北风进入内陆后形成中尺度辐合线,山前抬升,山后下沉,有利于山前降水增幅。

清远一次极端龙舟水的中尺度系统演变分析

利用多源观测数据和ERA5再分析资料,对2022年6月20到21日发生在清远的一次极端特大暴雨过程进行分析。结果表明:(1)该次强降水是在200 hPa分流辐散的背景下,由低涡切变配合其前侧西南急流缓慢东移经过清远造成的。(2)强降水发生前大气层结已处于极不稳定状态,低层来自孟加拉湾和南海的水汽不断在清远市上空辐合,为暴雨的发生提供充足的水汽条件和不稳定能量。(3)强降水的触发机制主要是前期广西降水造成的冷池与低空急流带来的暖湿气团形成的温度锋区和地面辐合线;地形的抬升作用和狭管效应,对降水起到增幅作用。(4)该次强降水主要有2个低质心的热带海洋型中尺度对流系统先后影响发生。

拉格朗日烟团空气质量模式系统气象要素模拟验证

侧重介绍拉格朗日烟团空气质量模式系统及其在北京的应用。这套模式系统充分考虑了天气系统与中、小尺度气象过程对污染物之输送、扩散、转化和迁移过程的影响,区域与城市尺度之间大气污染物的相互影响,以及污染物在大气中的气相与液相化学过程、气溶胶过程和干湿沉积过程对污染物浓度时空分布的影响。在空气质量模拟方面,采用烟团函数分割方法,垂直坐标采用地形追随坐标。可以模拟区域与城市尺度大气气溶胶、对流层臭氧、酸雨、能见度和常规污染物的浓度。在环境风险预警与应急过程中,能为政府提供可靠的环境空气质量及暴露水平数据。通过对比气象要素(风向、风速和露点温度)的模拟值与观测值,结果表明,模拟值与其相应的观测值具有很好的线性关系,相关系数分别为0.95,0.74,0.94。这套模式系统将诊断模型与中尺度模型相耦合,对城市区域的环流特征和边界层结构具有很好的模拟能力,同时能够较真实地模拟下垫面非均匀性对大气边界层结构和局地天气条件的影响。

“7.15”宜昌大暴雨的地形影响特征

湖北地形复杂,受地形影响产生的局地强降水造成的灾害很多。2010年7月15日宜昌地区的强降水是在满足大尺度降水条件下受地形作用加强的局地暴雨。本文利用实况高空、地面、加密自动站、雷达以及LAPS再分析资料对背景场、低层流场、雷达回波等几个方面进行了分析。得出:冷空气南下和副热带高压的加强促进低层风场的调整,在大尺度降水条件下,地形对低层风场的辐合作用触发了局地强降水的发生。此次过程中地形对降水的触发主要有两方面的作用:一方面为地形迎风坡抬升触发作用,另一方面为地形对近地层流场的影响造成的辐合触发。

地形对山西垣曲“0729”特大暴雨影响的数值模拟分析

利用WRF-ARW中尺度数值模式,对山西南部垣曲县喇叭口地形造成的"0729"特大暴雨过程进行了数值模拟和地形敏感性试验,通过分析暴雨云团的动力和微物理结构,探讨地形激发积层混合云系的结构特征及地形对暴雨云系的影响。结果表明:西风带系统与副热带系统相向而行是此次暴雨发生的环流背景特征,当中低空受偏南风急流影响时,垣曲县向南开放的喇叭口地形可使低层的辐合上升显著增强。特殊地形所激发的meso-β积层混合云团是造成此次特大暴雨的直接系统。地形敏感性试验结果表明:地形的变化对积层混合云系的动力结构、微物理特征等有显著影响。地形降低后,喇叭口效应形成的低层强辐合结构与强上升气流消失;下风方向低层辐合、中高层辐散配合强烈的上升运动,对流发展趋于旺盛,暴雨中心向地形下游移动。地形的变化对水相物质的微物理结构也有显著的影响。地形降低后,迎风坡上空上升运动减弱,进入到中间层上层的云水粒子减少,凝华生成的冰晶粒子减少,"播撒—供给"机制减弱,迎风坡降水强度明显减弱;下风方向对流加强,更多的云水粒子进入到中间层上层,降水强度加强。喇叭口地形的存在更有利于上游强对流发展并形成层积混合云系,对下游对流起抑制作用。

基于粒子系统的三维场地降雨实时模拟

粒子系统是实时模拟三维地形场景中具有真实感的降雨情景的一种有效方法。本文基于粒子系统的基本原理分析并提出了适用的雨粒子系统和雨粒子的属性 ,采用了把雨粒子产生区域定义为一个视图体顶部的外接长方体、用象素点和直线作为雨粒子的形状、降落过程的重力作用模拟、用粒子组实现雨粒子的连续补充和雨粒子的降落高度检测等新的方法及算法。试验结果表明 ,该方法能有效地再现三维地形环境场景中的降雨景象 ,在满足实时交互漫游的前提下表现出较强的真实感 。

夏季风期间青藏高原地形对降水的影响

利用高分辨率的3″数字高程模型资料,青藏高原东部102个常规气象观测站5～10月份的降水资料,采用多元逐步回归的方法,分类建立青藏高原雨季逐月降水量和6个地理、地形因子间关系模型,估算青藏高原地区雨季降水量空间分布。结果表明,以此方法建立的青藏高原降水量与诸因子间方程的相关性显著,通过置信度0.95的检验,相对误差在20%内;受季风影响,高原东部地区降水呈现出南北差异,降水高值中心也出现北进-东移-南撤的分布特征,反映了季风水汽输送规律;地理因子、高度及局地地形因子对降水的空间分布的影响有很大差异。

特殊地形及地形梯度对西昌发射场暴雨的影响

研究了西昌发射场特殊地形及地形梯度对其暴雨天气的影响。对比分析表明:2004年6月23日暴雨过程属于低涡切变型暴雨,6月27日暴雨过程属于两高辐合型暴雨。利用MM5V3．7进行了多组地形敏感试验,结果表明:场区北侧山脉对场区降水量影响明显,西昌东侧山脉对西昌降水量影响明显。地形梯度分析表明,西昌地区所处的河谷地形和场区所处喇叭口小地形,有利于中小尺度气压扰动的发生、发展和暴雨的产生,当地形梯度减弱时,降水量相应减弱。

加入地形因素的流域面雨量研究

利用嘉陵江流域的降雨资料,以数字高程模型为出发点,研究影响降水的因素,用DEM数据和有限的降水资料推求无资料地区的降水状况,由此计算流域面雨量。并与算术平均法、泰森多边形法、等雨量线法的计算结果进行对比分析,以此研究基于地形因子相关插补法的面雨量计算方法在嘉陵江流域的适应性,结果表明加入地形因素的流域面雨量计算方法适合此流域的面雨量估算。

地形对0604号“碧利斯”登陆台风暴雨的影响

利用NCEP再分析日资料和常规观测资料等,对2006年第4号强热带风暴"碧利斯"登陆后造成内陆暴雨特别是湘东南特大暴雨的成因进行了分析。结果表明,华南大范围暴雨带与低气压南部的一条切变—槽以及从低压西侧卷入的干、湿两股气流间形成的"湿度锋区"有关;而独立存在于湘东南的尺度较小而强度特大的一条NNE—SSW向的暴雨带则与罗宵山脉的地形影响有密切关系,地形强迫上升及其对暴雨的触发主要不在山坡上,而是在迎风坡气流上游平原地区(即湘东南),实况与理论估算和推断结果一致。由于气流在湘东南平地辐合上升,它的触发作用成为湘东南特大暴雨发生的重要原因。

高原地形对四川盆地西部突发性暴雨影响的数值试验

用η模式对１９９５年８月２４日四川盆地西部一次突发性暴雨进行了数值模拟和地形减半、无地形数值试验。由对数值模拟与试验的结果分析得出：（１）青藏高原地形有利于高原东麓暴雨区的扩大与强度加大。（２）高原地形对其以北的天气系统南伸和以南的天气系统北扩有阻碍作用。（３）高原地形可影响高原附近以东地区的物理特征场分布，从而影响暴雨区的位置与强度。

“7.21”北京大暴雨系统的结构演变特征及成因初探

利用常规观测资料、地面加密自动站、多普勒雷达等多种观测资料以及雷达变分同化分析系统(VDRAS)的高分辨率分析场资料,对2012年7月21日发生在北京的全市性大暴雨、局地特大暴雨的系统结构演变特征及成因进行了初步分析。结果表明:(1)此次降水过程分为两个阶段,第一阶段在21日10—20时,呈现出短时雨强大且波动性显著的对流性降水特点,第二阶段降水在21日20时—22日04时,降水相对平缓,表现为锋面降水特征。(2)21日天气尺度环流形势场配置满足华北暴雨的典型背景条件:高空急流形成的辐散与对流层中低层的低涡、切变线及地面倒槽构成的深厚辐合区,形成强烈垂直运动并持续维持的机制,造成了长达16 h的强降水过程;副热带高压外围的东南水汽通道和西南低空急流的水汽输送为暴雨发生提供了充沛水汽条件。(3)大暴雨过程第一阶段降水回波具有明显的"列车效应"传播特征",列车效应"的初始对流起源于地形强迫造成的暖区内中尺度辐合以及低空急流增强过程中的风速脉动;中尺度对流单体沿低空急流轴左侧传播,具有明显的重力波传播特征,西南急流的稳定维持使惯性重力波不断从背景场中获得能量并不断发展。(4)地形对降水有明显的增幅作用,边界层内长时间维持的东南风在太行山脉前与西南风和东北风交汇,在山前形成辐合带并长时间维持,有利于水汽积聚;山脉的阻挡使东南气流在迎风坡爬坡抬升,从而加大了山前区域的降水量。

1998年7月21～22日鄂东沿江连日特大暴雨成因探讨

分析了１９９８年７月２１～２２日连续两天发生在鄂东沿江的特大暴雨的环流背景特点和中尺度演变过程，并对其成因作了初步探讨。揭示了一种晚梅雨期特有的能把沿江东移的暴雨系统阻滞在鄂东形成持续和重复大暴雨的环流形势。结合当时的环境气流背景，讨论了大别山与鄂东南山地之间的ＮＷ－ＳＥ向河谷地形导致暴雨在夜间沿河谷产生和持续的可能机制。其中包括地形的机械和热力作用导致的中尺度环流变化，和在此情况下形成的一种长生命，强对流云系动态结构。

基于地形影响的龙羊峡库区人工增雨效果评估

对1997年黄河上游地区龙羊峡水库人工增雨效果采用垂向混合产流模型进行效果评估。对目标区数据进行还原处理时，充分考虑地形对降雨空间分布的影响，将降雨量与所在站点经度、纬度和高程进行多元相关。研究结果表明，由于充分考虑了地形因子对降水的影响，用该法得出比用对比区降雨量来简单相关目标区降雨量更高的精确度。

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。

1999-2008年湖南省暴雨特征分析

分析了1999-2008年湖南省暴雨的时空特征,并从地形和低空气流、水汽条件等方面分析了该省暴雨时空分异的原因。分析结果表明:(1)春季和夏季暴雨总日数较多;春季,湖南东部的西北、中部和西南部暴雨日数较多,且东部比西部暴雨总日数多;夏季西北和东南暴雨日数较多;秋季,东部暴雨总日数比西部多;冬季,暴雨分布在岳阳-益阳、株洲北部-衡阳北部-永州北部-邵阳南部这两条西南-东部走向的带状区域。(2)春季,湖南北部和西部日暴雨降水较多;夏季,湖南山区日暴雨降水较多,日暴雨降水从东南至西北呈"多-少-多"的带状分布。秋季,在临湘-平江-长沙县、长沙市域、望城-湘潭-衡山-衡阳市域-祁东-祁阳、永州市、双牌-蓝山、临武、嘉禾这一带状区域暴雨日平均降水较多;冬季,株洲北部-衡阳北部-永州北部邵阳南部一带的平均日暴雨降水较多。(3)冷暖气流交汇、山地对暖湿气流阻挡以及山地有利于湖南平原地区暖气团维持是该省暴雨时空分布一个重要原因。(4)春季和夏季水汽条件相对秋季和冬季充足,导致春季、夏季暴雨比秋季和冬季暴雨要多。