Response of a westerly-trough rainfall episode to multi-scale topographic control in southwestern China

This study aims to quantify the response of a westerly-trough rainfall episode that occurred in summer 2020 to multi-scale topographic control in southwestern China,based on observations and numerical simulations.The multi-scale topography is composed of the Tibetan Plateau,Hengduan Cordillera(HC),and Sichuan Basin(SB).The westerly trough was characterized by southeastward deepening together with an in-phase propagating rainfall episode.By utilizing the results of numerical experiments,how the multi-scale topography impacted this westerly trough rainfall episode is explored.It is found that HC was the pivotal topographic factor affecting the southeastward extension of the trough and related rainfall,while SB accerelated the eastward movement of the westerly trough and changed the tilting direction of the trough line,thus further changing the location and orientation of precipitation.For extreme rainfall with intensity exceeding 10 mm h^(−1),a roughly threefold rise in the cover ratio(from 1.8% to 7.2%)and fourfold increase in the areal rainfall amount per hour occurred by removing the HC barrier,due to the strongest vorticity and long-distance transport capacity to potential vorticy mass accompanying the southeast-stretching trough.Our results quantitatively reveal a strong response of westerly trough rainfall to multi-scale topographic control in southwestern China,therefore serving as an important reference for future decision making and effective model improvement.

三维地形条件下雨水入渗与地表径流耦合分析

为定量表述降雨发生后不同时刻下三维边坡土壤水分的分布和变化规律,基于有限体积法建立了雨水入渗与地表径流耦合模型.耦合模型分别采用二维不可压缩Navier-Stokes方程和三维非线性Richards方程作为地表径流和地下水渗流的控制方程,在复杂三维地形条件下具有较强的适用性.对一处实际工程的分析结果表明:在三维地形因素的控制下,降雨引发的地表径流主要汇集于总体上自高向低流动的优势径流途径,并对降雨强度的变化产生延迟响应;在地表径流作用下,地表积水深度在局部空间上呈现出地势低洼处远大于地势较高处的显著不均匀分布,并且这种不均匀性随时间不断加剧;地表积水汇集产生的高水力梯度导致低洼处的雨水入渗更为强烈且持久.研究表明,考虑三维地形因素的雨水入渗与地表径流耦合模型能够为实际工程中边坡稳定性分析提供准确合理的数据支撑.

泰山地形对一次局地强降水过程动力作用的数值模拟分析

文章针对2005年9月2日发生在济宁郭楼镇的一次泰山背风下游区局地特大暴雨过程(438 mm/7 h),利用济南SA雷达资料和WRF中尺度数值模式资料,分析了泰山山区地形造成的对流层中低层大气动力过程及其对暴雨中尺度系统的影响,开展了地形敏感性数值试验。结果表明:对流层低层回流南下的东北气流受鲁中山区地形影响,水平方向发生绕流,垂直方向被迫抬升,从而在泰山背风向的暴雨区附近形成准定常的绕流汇合区和重力波扰动区,两项作用强迫的垂直运动。与天气系统辐合区共同作用触发该地区的对流活动,并使移入该地的对流系统增强和维持。改变地形后引起低层风场和散度场变化,进而影响降雨带中的强降水落区和强度,但对主雨带的分布无明显影响。

北京一次短时局地大暴雨过程的特征及对云物理方案的敏感性数值模拟试验

云物理过程是云和降水形成的重要环节。本文针对2011年6月23日发生在北京地区的一次大暴雨过程进行了云降水与天气特征分析,并开展了WRF模式中10种不同云微物理方案对此次暴雨强度、落区和发生时间的敏感性数值模拟试验。研究结果表明,此次大暴雨是由多单体组织、合并形成深厚的中尺度对流系统,并具有明显的短时局地特征和有利的高低空、高低纬度大中尺度天气环流形势及强烈的水汽输送条件。暴雨强度、落区和发生时间的数值模拟结果对云物理方案非常敏感。不同云物理方案对累积降水量≥50 mm和≥100 mm的暴雨模拟的ETS评分显示,只有Thompson方案对此暴雨量级的评分均为正,其他方案的ETS评分均不理想,特别是对累积降水量≥100 mm的大暴雨模拟。在小时暴雨强度和发生时间方面,Thompson方案模拟效果也较好,其次是Lin方案和WSM6方案;对区域累积最大降水量和落区的模拟方面,Thompson方案和Morrison方案模拟的最大累积降水量更接近观测值,但在落区方面,一些具有完整云物理过程的单参数方案(Lin方案、WSM6方案)模拟效果较好,但模拟的最大降水量偏小。针对暖雨的双参数方案WDM6对区域平均降水模拟较好,但对暴雨极端降水模拟较差。对造成差异的原因分析表明,不同云物理方案的差异主要体现在雪和霰的参数化方面,由于采用的粒子谱分布、密度和末速度不同,导致云中粒子间的碰并和形成过程不同,大部分云物理方案模拟的霰含量高,雪含量低。这种云微物理过程的差异会导致云动力过程的反馈作用出现明显不同,但这种反馈作用的差异主要体现在降水粒子对上升气流的拖曳作用不同。尽管云中相变潜热过程对云动力过程具有很重要的影响,但不同云物理方案在相变潜热过程和温度廓线分布方面造成的差异并不明显。因此,云物理方案中考虑合理的粒子谱分布、形态和密度变化,有利于提高暴雨的模拟效果。

复杂岛屿海域的台风浪局地特征模拟与分析——以舟山海域为例

为了研究舟山海域复杂地形条件下的台风浪特征,在高分辨数值模拟中采用了利用海图资料处理复杂岛屿地形分布的方法,利用WAVEWATCHⅢ和SWAN模式相嵌套模拟了影响该海域的西北行路径的典型台风浪过程。分析表明,舟山海域的东南部、东北部、西北部、内部海域受台风的影响各不相同,台风浪特征分布与海域的岛屿分布、水深分布等因素密切相关,各个海区的台风浪局地特征明显。

2013年“苏力”台风西行登陆引发闽南大暴雨成因的模拟研究

利用中尺度数值模式对2013年7月13~14日"苏力"台风引发福建南部大暴雨的天气过程进行了数值模拟、诊断分析和敏感性试验。结果发现:台风环流内强的正差动涡度平流和强的低层暖平流叠置是台风对流暴雨形成的有利大尺度强迫环境。台风登陆后移动旋转过程中,其风场、假相当位温场(θse)、水汽场、对流有效位能(CAPE)、对流不稳定度的空间结构及其正相对涡度、辐合区随着台风旋转在不断发生变化,台风环流内高θse和高比湿气团的影响、带有CAPE气流的输入、低层气流汇合或风速辐合、对流不稳定以及局地地形强迫等共同作用是闽南大暴雨发生的主要原因,强降水区主要位于环境风垂直切变的下游和左侧。此西移经台湾北侧的台风个例中,台湾地形可能主要通过改变台风环流内降水及其非绝热加热分布,进而影响台风的结构和移动路径,最终影响台风暴雨的强度和落区。闽南局地地形在台风大暴雨的形成中起到了一定的增幅作用,海陆摩擦差异造成的风速辐合在台风移近到登陆阶段对台风北侧偏东气流内降水具有不可忽视的增幅作用。

降雨作用下第四系堆积体路堤稳定性

满足一般路基要求在稳定的第四系堆积体上的低路堤在运营中出现了变形破坏,以饱和与非饱和渗流理论、FREDLUND非饱和土双应力变量强度理论为基础,建立路堤填筑前后计算模型,分析了四川阆中沟溪村某道路工程一段第四系堆积体路堤填筑前后的稳定性。研究结果显示,路线通过处第四系堆积体地质条件简单,原始斜坡在最不利的降雨工况下也保持了稳定,路堤填筑高度仅4 m,符合一般路基的要求;堆积体路堤在最不利降雨工况下随着降雨过程稳定性系数不断降低,当降雨达到11 h,稳定性系数小于1.0,此时路堤发生破坏,与路基失稳破坏的现象一致。在山区公路建设过程中,稳定的第四系堆积体上填筑低路堤虽然满足路基设计规范对一般路基的要求,不需要进行单独验算,但在长期降雨作用下其稳定性会持续降低,极可能出现失稳破坏。因此,在工程设计与施工中应当验算其长期降雨作用下的稳定性,以保证工程的安全。

豫西地形对一次强降水过程的影响分析

利用中尺度模式WRF V3.3.1模拟2007年7月29日豫西山区强对流天气过程,并进行了地形高度敏感性试验。结果表明:WRF模式能较好地再现此次强对流降水过程,模拟降水范围与强降雨中心均与实况较一致。分析对比控制试验和地形敏感性试验结果可知,地形的改变能在水平和垂直方向上影响环流形势,进而影响降水的落区和中心量级。地形升高和迎风坡梯度增大使近地面层水平风场辐合增强,中层上升运动明显增大,且低层的水汽通量增大,导致雨带横向范围和降水中心量级明显增大;而地形降低和迎风坡梯度减小使山脉对近地面层气流的阻挡作用明显减弱,低层水汽通量显著降低,中层辐合抬升运动明显减弱,迎风坡前强降水中心减弱甚至消失,而山脉下游降水则有所增强。分析地形高度与山前降水的定量关系可知,降水中心量级随着地形升高或降低相应地增大或减小,但二者并非完全线性正相关。

秦巴山地盛夏连阴雨中的局地强降水数值模拟及诊断分析

秦巴山地局地强降水是青藏高原东部典型的气象灾害之一,对当地工农业生产影响极大。采用常规气象观测资料分析了秦巴山地2005年7月1~10日连续10天降水过程,侧重分析了7月8日夜间的一次局地强降水,并利用WRF-V2.1中尺度非静力模式对7月8日的局地强降水过程进行了数值模拟和诊断分析。结果表明:此次连阴雨天气是在西太平洋副热带高压稳定少动的大尺度环流背景下产生的,中尺度低空急流对中尺度低涡系统的发生发展有加强和促进作用,低层辐合和高层辐散是降水系统发展的动力条件。

鲁南一次锋面附近局地特大暴雨成因分析

利用美国新一代中尺度数值模式WRF对2005年9月2日发生在鲁南的一次局地特大暴雨过程进行了数值模拟,着重对此次暴雨的产生机制进行了分析。研究表明,台风倒槽顶部的高湿区是暴雨主要水汽来源;对流层低层辐合线在暴雨发生发展过程中起重要作用;锋面附近的小尺度扰动是造成暴雨的直接系统;对流层低层地形造成的绕流是暴雨重要的触发机制;南北两系统的相互对峙是造成特大暴雨的重要原因。

板材分段多点成形中局部剧烈塑性变形的研究

局部剧烈塑性变形是分段多点成形中特有的一种缺陷,对其进行深入的研究有利于分段多点成形技术的进一步实用化。本文以圆柱形工件为例,对分段多点成形过程进行数值模拟,详细分析了局部剧烈塑性变形的产生机理,并采用非均匀有理B样条曲面(NURBS)方法,进行过渡区的协调设计来抑制局部剧烈塑性变形的产生,实验证明这种方法能够显著提高工件的成形质量。

地形地貌对地震波放大效应数值模拟研究

采用FLAC3D软件进行大量数值模拟,研究了地形地貌对地震波放大效应规律。结果表明:对于单面坡模型,斜坡较低时,坡体对天然地震波和简谐波的峰值加速度在竖直向和顺坡面向产生线性放大效应。斜坡较高时,若坡角低,两种波形的加速度等值线近似平行于坡面,天然地震波坡顶正下方极值性不明显,但随坡角增大而明显,坡面正下方可见若干条与坡面相平行具节律性的极小值条带,随坡角增大向一条极值带转化,简谐波在高低坡脚时坡顶面正下方区域内都出现等间距相间分布具节律性的极值条带,坡面正下方的极值带状性不如天然地震波明显,随坡角增大而消失;若坡角高,两波形加速度放大系数顺坡面呈相间的极值圈分布。双面坡坡顶宽度越小,山脊越单薄,加速度放大效应越强烈,随坡顶宽度增大,坡肩加速度放大系数趋于稳定,双面坡对加速度放大效应强于单面坡。对加速度放大效应,多峰形>双峰形>单峰形,坡顶越不规则,加速度放大效应越强烈。V形河谷坡面上半部分加速度放大效应要强于U形河谷,U形河谷的谷底中部对地震波动力响应要强于V形谷。坡面局部不规则性只影响到坡面局部范围内的峰值加速度分布,坡高、坡角、坡顶几何特征为整个峰值加速度分布的控制因素。

低纬高原地形对强降水过程影响的数值试验研究

在对云南2001年5月31日～6月2日的强降水过程较为真实模拟的基础上，对云南特有的地形对此次强降水过程的影响进行了对比试验。结果表明：红河河谷的喇叭口地形结构对此次云南强降水的落区和降水强度都有着不可忽视的作用，它不但能改变近地层气流的走向，而且对低层水汽通量散度分布也有一定的影响；同时，改变云南南部地形对此次强降水过程的气流走向和水汽分布也都有影响，但相对而言不如红河河谷的作用显著；而降低云南东北部地形，则使云南北部的近地层气流辐合线发生变化，它主要对此次云南北部地区的降水产生影响，但对该地区水汽输送影响不大。

局部空间内氢气爆炸程序开发及应用

针对反应堆安全壳或厂房局部空间内氢气爆炸过程,利用Fortran 90语言开发了氢气爆炸数值分析程序。采用单步反应模拟氢气与空气的化学反应,采用5阶精度的WENO求解对流项,时间步进采用3阶精度的龙格-库塔方法,对局部二维空间内氢气/空气/水蒸气预混气的爆炸过程进行了数值模拟。采用开发的程序计算了两种典型的激波管问题以验证程序的准确性,并用该程序分析了带隔间的沸水反应堆厂房局部空间内的氢气爆炸过程。计算结果表明:爆炸过程中最大的压力峰值来源于冲击波与反射波之间的碰撞,最大的冲击波压力和温度高达7.5 MPa和3 245K。由此可得,安全壳内的氢气爆炸过程可能会威胁到安全壳的完整性,导致放射性物质释放。

两种地形条件下小尺度流域降雨-径流数值模拟

分别以位于黄土高原北部沟壑区的六道沟流域和日本鸟取县境内的山区流域-Bukuro流域为研究区,对两个研究区域土壤垂直剖面模型化,以运动波基础方程式结合GIS-Arc Map构建分布式流域降雨-径流数值模型;以对观测径流过程的数值模拟检验模型实用性。结果表明,模型计算精度较高,数值模拟结果误差<3%,观测流量过程和数值计算结果之间的皮尔森相关系数在0.90以上,为地表径流准确推算提供科学计算方法。

太行山地形在“7·19”华北持续性低涡暴雨中的作用

本文对2016年“7·19”华北特大暴雨进行观测分析和数值模拟,并设置了改变地形高度的敏感性试验,以探究该过程降水系统的发生发展机制以及太行山地形的作用。结果表明:(1)本次强降水过程发生在“东高西低”的有利环流形势下,受太行山地形和平原环流系统影响,低层东风急流造成强的对流性降水和低涡作用的叠置造成“7·19”华北地区持续性暴雨的维持和加强;(2)第一阶段为对流性降水,太行山东麓大气对流不稳定能量释放,大气逐渐转为稳定层结;第二阶段为低涡降水,涡度收支分析表明水平散度项和扭转项对低涡维持和发展起到了主要的正贡献,同时伴随有较强的上升运动和垂直风切变,垂直风切变的增强促使水平涡度向垂直涡度转变;(3)太行山地形在持续性暴雨中对两阶段降水、低涡和水汽的作用存在差异。地形高度敏感性试验中,地形高度增高对低层气流的阻挡和强迫抬升作用增强,使得地形降水增强,低涡路径东移,且强度增大。水平散度项使得对流层低层辐合上升运动增强,造成涡度的垂直输送,这是低涡发展和维持的重要原因之一。太行山地形阻挡截留东部平原水汽,且水汽回流加强,有利于太行山东麓水汽的输送与辐合。

边界层方案对一次西南涡背景下局地暴雨过程影响分析

利用WRF模式对2017年6月9日重庆合川区一次局地暴雨过程开展对流可分辨尺度的模拟试验,比较三种边界层参数化方案对降水模拟的影响。结果表明,不同试验均能模拟出此次降水的主要分布特征,而不同边界层参数化方案能够显著影响降水落区和强度的模拟。MYJ方案对强降水的模拟最好,能较好地模拟出降水触发的时间和位置;其次为BouLac方案,触发时间偏晚约2 h,降水落区与MYJ方案相近;YSU方案模拟的降水分布偏差较大,降水触发的位置和落区偏北。湍流混合强度是造成落区模拟差异的主要原因,通过影响1.5 km高度以下风场分布改变造成此次局地强降水过程的西南涡位置,进而影响到降水的落区。基于YSU方案的湍流混合减弱试验证明了湍流混合强度与降水落区的关系。

2004年7月10日北京局地暴雨数值模拟分析

利用中尺度数值模拟结果,对2004年7月10日北京局地暴雨的中尺度系统的结构特征及其发生发展的原因进行了初步分析,结果表明:MCS在对流层中低层表现为中尺度辐合线和低压,在其发展强盛阶段,具有低层辐合、高层辐散的高、低空最佳配置以及暴雨区上空垂直上升运动强烈发展的结构特征;暴雨发生前,地表感热、潜热通量等边界层非绝热过程造成气温升高、气压下降、湿度增大,影响对流层中低层风场的分布,对暴雨的发生发展起了重要的作用。

强西南急流背景下南岭山脉一次暖区大暴雨数值模拟分析

利用常规观测资料、卫星FY-2G逐时TBB资料,采用WRF中尺度数值模式,对2016年5月5日湘桂粤边界南岭山脉的一次强西南急流背景下预报失败的暖区大暴雨过程(简称16·5过程,下同)进行数值模拟和诊断分析,研究了南岭山脉特殊地形对此次暖区降水过程的动力结构、水汽输送和云降水微物理机制的影响。结果表明,中低层西南气流由于受到南岭多处山脉地形的阻挡、侧摩擦和峡谷等效应的影响反复出现强烈辐合区,导致连续出现超强的水汽辐合中心,造成了湘桂粤边界暖区大暴雨的发生;在南岭特殊地形导致的动力、水汽条件下和有利于云内微物理过程发展的环境下,局地对流云系强烈发展与大尺度西南气流引导的深厚高层冰相云系结合后,云内的过冷云水在强盛的上升气流作用下抬升,丰富的过冷云水有利于贝吉隆过程和结凇进程,促进云内固态粒子增长,这是导致此次暖区大暴雨发生的重要云微物理内因。

基于数值模拟对重庆西部地区一次强对流天气过程的成因分析

利用NECP/NCAR 1°×1°资料和地面加密站、卫星云图、多普勒雷达资料,分析了2011年夏季重庆西部一次强对流天气过程产生的天气背景、中尺度特征、不稳定能量、水汽条件和触发机制,并利用WRF数值模式输出的高分辨率资料,探讨了此次强对流天气的触发机制和演变规律。结果表明:此次对流天气以灾害性大风和短时强降水为主,并伴有局地冰雹。强对流发生前夕,渝西处于两高之间的低压区中,中高层有冷空气叠加低层低压,使强对流发生区域不稳定能量聚集;地面中尺度辐合线是触发强对流的关键因子,而其与冷池相互作用,加强了对流,使飑线系统发展。对飑线在成熟阶段的内部结构和温压场变化分析结果表明,飑线前方高湿的西南风低层入流,加强了对流云区的抬升,来自西北干冷的中层流入,在对流云区下沉,到近地面辐散流出,是造成地面灾害性大风天气的原因。