Numerical Experiments of Three Boundary Layer Parameterization Schemes on Simulation Results of Low-vortex Rainstorm Weather in Langfang Region

Using mesoscale numerical model WRFV3.7,simulation tests of a low-vortex rainstorm were carried out in Langfang area,and simulation results of three boundary layer parameterization schemes(MYJ,YSU,ACM2)were contrasted.The results showed that the rainstorm in Langfang area had better dynamic condition.By the influence of northeast cold vortex,cold vortex at high altitude cooperated with the surface wind speed convergence,which provided better dynamic condition for strong convective rainfall.Three boundary layer parameterization schemes all simulated surface wind speed convergence of rainstorm center.Simulation results of 24-h rainfall distribution showed that the simulation of YSU scheme was better than ACM2 and MYJ.The simulation results of flow field and temperature field also verified that YSU scheme was better than other schemes.

不同天气尺度强迫下陕西暴雨的成因对比

选取常规高空观测资料、地面加密观测资料和ERA5(0.25°×0.25°)再分析资料,对2020年8月4—7日陕西持续性暴雨过程进行诊断分析,并探讨了暴雨发生发展的物理机制。结果表明:暴雨过程分为两个阶段,分别是5日陕北区域暴雨和7日陕西中南部暴雨,二者的环流背景差异显著;5日暴雨的主要影响天气系统是高空槽、低空急流和低涡,中低层急流强且维持时间长,系统涡度大、辐合强,天气尺度强迫强;7日暴雨的主要影响天气系统是短波槽和低层切变,中低层大气风速小,系统涡度小,辐合相对弱,天气尺度强迫较弱。4—5日中低层大气水汽输送强,水汽输送较气候态偏大3~4σ;700 hPa西南急流和850 hPa东南急流给陕北带来充沛的水汽,中低层大气存在明显低涡,大气湿斜压性强,同时低涡南侧有明显锋生,次级环流增强上升运动,水汽在低涡中心及右侧强烈辐合抬升,强降水得以维持;800~700 hPa存在条件对称不稳定,进一步增强上升运动,异常充沛的水汽供应和偏强的低涡造成持续的上升运动是本阶段产生极端大暴雨的主要原因。6—7日陕西中南部水汽输送较弱,水汽辐合强度较小,但本地可降水量大;暴雨区为暖湿大气控制,对流不稳定较强,对流有效位能大,切变线辐合抬升触发对流,降水对流性更强;本阶段强降水较为分散,但雨强大且持续时间短,与地形关系密切。

2001—2015年4—9月九龙涡时空分布与动力热力特征

本文利用ERA5再分析资料,通过人工识别统计了2001—2015年4—9月四类不同生命史九龙低涡的时空分布,并对其生成前6 h动力热力特征进行了合成分析。结果表明:(1)2001—2015年4—9月四类九龙涡共有221个;维持时间小于4个时次的九龙涡(T_(1~2)JLV、T_(3~4)JLV)生成源地集中在27°~28.5°N、100°~101.5°E;维持时间为5~6个时次的九龙涡(T_(5~6)JLV)生成源地集中在29°~30.3°N、102°~103.5°E;维持时间不低于7个时次的九龙涡(T_(≥7)JLV)生成源地集中于28°~29.5°N、101.5°~103.5°E。(2)生成前6 h,九龙涡生命史越长,其生成源地高频中心周围的低层气旋性环流场更明显,500 hPa副热带高压位置更偏西偏北,200 hPa南亚高压范围更广。(3)生成前6 h,四类九龙涡高频中心周围中低层均为正涡度,低层呈东北-西南向分布,九龙涡生命史越长,其正涡度带越狭长且范围越广。(4)生成前6 h,四类九龙涡高频中心附近低层辐合而中高层辐散,九龙涡生命史越长,其水汽通量散度越强,且越往高层辐散强度越大,但最大辐散强度仍小于低层辐合强度。(5)生成前6 h,九龙涡生命史越长,其生成源地高频中心附近层结越不稳定,更有利于低涡的进一步发展和维持。

一次华北极端降雪天气过程的中尺度涡旋特征

利用ERA5逐小时再分析数据和实况观测资料,对2020年2月13—14日华北极端雨雪天气过程中的中尺度涡旋进行特征分析,并采用相对涡度的环流积分变化方程对中尺度涡旋的发展机制进行诊断。结果表明:中尺度涡旋活动区域(简称涡旋区)的平均涡度垂直廓线呈“S”型分布,正负涡度极值分别位于800 hPa及400 hPa。涡旋区内800 hPa正涡度强度与上升运动大值区一致。900~700 hPa平均涡度强度与平原地区降水强度同相位变化,涡旋强度的峰值较降水强度峰值早约2 h,二者相关系数为0.76,说明低层涡度强度对降雪预报具有指示性。从涡旋发展的动力机制来看,涡旋区800 hPa以下正涡度主要源自水平风辐合;800~700 hPa上升运动与风随高度顺转对涡度的贡献更大。对比无中尺度涡旋的降雪过程(2019年2月14日),涡旋区内垂直方向涡度无“S”型结构,且中低层涡度较弱,北京降雪量明显偏小。涡旋区是否存在中尺度涡旋发展,对北京冬季降雪量级和极端性的预报有指示意义。

陕北两次不同强度的区域性暴雨过程特征对比

利用ERA-5逐小时再分析资料、雷达资料、地面加密站和常规探空资料,对2019年7月21日和2020年8月4日陕北地区两次不同强度的暴雨过程进行对比分析。结果表明:(1)强降水的持续性是造成“0804”过程累计降水量大于“0721”过程的直接原因。(2)“0804”过程中,陕北上空层-积混合云回波在夜间的走向和移动方向一致,“列车效应”使低质心暖云降水长时间维持。(3)两次过程降水强度的区别与高低空急流、低涡路径和水汽有密切联系。与“0721”过程相比,“0804”过程中200 hPa高空急流更为稳定,700 hPa西南急流强度更大,强雨带更靠近低涡中心,动力抬升和水汽辐合均偏强。(4)两次过程对流触发机制存在差异,“0804”过程前期地面较强的偏东风更有利于地形抬升。

超低负荷工况下汽轮机末级运行特性及其优化机制探索

构建以新能源为主体的新型电力系统,对燃煤发电机组深度调峰和超低负荷运行提出了越来越严苛的要求,进而对汽轮机组低负荷安全运行提出了越来越严峻的挑战。采用数值模拟方法,基于低负荷工况下汽轮机末级运行性能的深入分析,着重研究探索了不同解决方案在超低负荷工况下的工作机理与优化效果。研究发现,当机组从中低负荷下降到超低负荷时,末级叶片附近出现间隙涡、回流涡和分离涡等涡群,其范围随着负荷的减小逐渐扩大。低负荷工况降低机组背压和低压缸切缸运行是弱化汽轮机涡流、提高末级性能的有效途径,二者结合使用效果更佳。例如,在20%热耗率验收(THA)工况条件下,将背压从4.9 k Pa降低到2.5 k Pa,使得末级涡群影响范围明显减小,转子叶片转矩从–38 N·m增加到73N·m,末级运行性能明显改善。在10%THA工况下,采用降低背压和低压缸切缸相结合可使叶顶间隙涡完全消失,回流涡和分离涡的径向长度都减小50%以上;优化后的动叶转矩增加了约130 N·m,末级运行性能改善效果显著。

一次有台风影响的广元市中东部暴雨过程分析

利用地面自动站降水资料、MICAPS高空实况资料、雷达资料和数值预报资料,对2019年7月19日广元市中东部出现的一次暴雨天气过程进行分析。结果表明,暴雨过程期间,受高空低值系统和低层暖湿气流的共同影响,同时伴随有台风活动,低层水汽条件和能量条件充沛。台风在此次过程中的作用,一是阻挡高空低值系统的东移,使影响系统较长时间维持在暴雨区;二是台风北侧偏东风气流将大量水汽源源不断向暴雨区输送。低涡切变线有利于水汽的辐合上升,在不稳定的暖湿大气层结中,地面弱冷空气入侵触发不稳定能量的释放。雷达特征显示广元市中东部为明显的片状混合云回波,中心回波强度超过45 dBZ,与强降雨中心落区一致。此次过程数值预报对形势的预报较为准确,对量级预报也有较好把握,但对落区预报较实况存在一定偏差,仅具有一定的参考价值。

动力电池测试用高低温试验箱温度场分析与流场模拟优化

以试验区置有两个动力电池的294 L高低温试验箱作为研究对象,通过CFD模拟了高低温试验箱恒温45℃时箱内电池的温升和散热情况,并对高低温试验箱的流场进行优化。结果表明:对于同侧上送风下回风的气流组织形式,在试验区上部放置多孔板进行孔板送风有助于提高流场均匀性;两个动力电池之间会出现涡旋现象,通过增加置物架与内箱底部的间距、适当增大回风口截面积均能减轻甚至消除涡旋现象,提高流场均匀性,当置物架与内箱底部的间距增至0.2 m,回风截面的高度增至0.15 m后,试验箱流场的整体不均匀度由1.73降至0.4,电池间的涡旋现象消失。

贵州一次短历时极端暴雨的形成过程及机理分析

利用地面常规观测及加密自动站观测资料、FY-4A卫星云图、多普勒天气雷达和风廓线雷达产品、ERA5再分析资料,对2022年5月29日贵州中南部的一次打破历史记录的短历时极端暴雨过程,从其形成过程和形成机理等方面进行了分析。结果表明:(1)此次短历时极端暴雨是在典型的低槽冷锋形势下,由中-β尺度低涡和地形的共同作用造成;对流发生前,异常高的整层可降水量、低层强烈的水汽辐合、显著的水汽垂直递减率为短历时强降水提供了有利的水汽条件。(2)最强降水发生在MCC的形成和维持阶段,TBB的强度变化与降水强度变化一致,TBB最低值和10 min最强降水在同一时段发生;暴雨中心区受“人”字形回波和多个低质心的强回波单体重复影响,形成短历时极端强降水。(3)对流单体沿锋面及锋生区生成发展,锋前静力不稳定层结、低层辐合、高层辐散的有利配置使得对流移经时得到维持和增强,中-β尺度低涡、冷池和地形的共同影响也提供了维持条件,而对低涡、冷池和地形作用的把握不足是造成预报偏差的主要原因。

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。

Analysis of Heavy Precipitation Process in Eastern China from July 26 to 29, 2022

Based on the data of the National Climate Center of China and the NCEP of the United States, a heavy precipitation process in eastern China during July 26-29, 2022 was analyzed. The results show that: The precipitation process was formed under the influence of the low level southwest jet stream at the edge of the subtropical high. The eastward development of the low vortex and trough and the continuous strengthening of the upper level jet stream, combined with the influence of topographic convergence, provided extremely favorable conditions for the occurrence of the rainstorm.

西南低涡统计特征及对重庆暴雨的影响

通过对2012至2018年数据分析认为,西南低涡在上半年比在下半年生成数明显偏多。偏多年在孟加拉湾北部至高原南部有明显的气旋性偏转,盆地附近表现出北低南高的位势高度分布,利于西南低涡的生成。

一种下单翼飞机近距耦合导流片的设计与研究

某下单翼通用飞机在大迎角时出现上翼面翼根气流分离,导致飞机最大升力系数降低。在机翼翼根前方的机身上加装小展弦比导流片,通过尾涡为分离区注入的高能气流改善了后方机翼的流场,后方机翼则通过绕流流场诱导导流片尾涡贴近机翼翼面,二者形成了有利耦合。导流片参数影响研究表明导流片与机翼根部翼型相对重叠量约0.023时取得了较好的增升效果,最大升力系数增加量可达0.32。若导流片位置进一步远离机翼则不能与机翼流场耦合,重叠量加大则导流片受机翼干扰自身涡强不足。导流片较优的安装角应保证在机翼大迎角时导流片法向力系数足够大,且失速迎角大于机翼失速迎角。

龙卷风作用下拱形屋面风荷载特性数值模拟

为提升建筑抗风设计的安全性,文章构建了Ward型龙卷风发生装置,运用Realizable k-ε湍流模型对龙卷风场进行模拟,并针对位于风场中央的拱形屋面低矮建筑进行了风荷载模拟研究。研究过程中,分析了不同矢跨比拱形屋面建筑物的风压分布,并考察了涡流比为0.2、0.5、1.5时,矢跨比为1/10的拱形屋面风压分布规律。结果表明:在静止龙卷风中心,拱形屋面承受负压,风压分布呈中心对称;矢跨比增加对风压增大的影响不显著;顶部中央漩涡分离并向两侧屋檐转移,屋面漩涡数量减少;随着涡流比增加,屋面风压呈现先增大后减小的趋势,为低矮建筑的抗风设计提供了参考。

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。

超低压蒸汽透平内部流动特性分析

超低压蒸汽余热回收透平成套装备是一种新型蒸汽回收装置,能够实现对超低压蒸汽余热的高效回收。该装备内部流场在变工况运行过程时较为复杂,复杂流动诱发的振动会严重危害机组的安全运行。文章针对不同进汽流量下的蒸汽透平机组稳态流场特性和压力脉动特性进行了分析。研究结论显示,进汽流量降低时,流场出口处从末级动叶叶根开始出现回流,并且进一步从此叶根向叶顶以及次末级扩张;低流量工况下,末级叶片叶顶的动静叶间隙出现诱发振动的涡流,导致叶顶处压力脉动出现宽频带。

多能互补条件下转轮优化对水轮机低负荷区稳定性能的影响

多能互补系统中新能源发电的不稳定性使得作为调能机组的水电机组频繁在水力效率低、振动剧烈的低负荷区运行,严重影响机组的寿命。该研究以多能互补系统中的混流式水轮机为研究对象,在前期考虑工况权重系数的转轮多工况优化设计结果基础上,对比分析了优化前后转轮叶片的几何参数变化,不同负荷区的水轮机内部流动状态及压力脉动特征差异。研究结果表明:优化后叶片包角、安放角以及叶片长度均有所增加,叶片表面压力分布及转轮进出水边速度矩分布更加均匀,有助于改善水轮机低负荷区的空化性能、提高能量转换能力。转轮进出口安放角的增加很好地抑制了转轮进口背面脱流涡及出水边的脱流涡区,改善了尾水管的入流条件,使得尾水管涡带的强度和影响范围明显减小。叶片优化后,转轮内各频率的压力脉动幅值均有不同程度的降低,尾水管内压力脉动改善明显。尾水管内0.2f_(n)(f_(n)为转频)和14f_(n)压力脉动在低负荷工况(OP1)幅值降幅分别为45%和40%,额定工况(OP4)尾水管内0.2f_(n)压力脉动基本消除,14f_(n)压力脉动幅值降幅为31%。本文所得研究结果对多能互补系统中水轮机转轮的设计优化及运行具有参考意义。

小流量工况下混流泵涡识别及其演变规律

为了研究小流量工况下混流泵内部流动状态及涡结构的演化规律,采用大涡模拟的计算方法并结合先进的Omega涡识别方法,对某混流泵小流量工况下的涡结构进行识别,获得了叶轮内部典型涡结构的特征和演化规律,并与叶片表面的涡量生成和流动分离情况进行对比分析.研究结果表明:Omega方法克服了第二代涡识别方法需要人为调节阈值的缺陷,可以较好地识别小流量工况下混流泵内部的精细涡结构;在小流量工况下,混流泵内的叶片斜向涡带、叶尖涡和叶尖分离涡、通道涡以及尾缘脱离涡是叶轮流道内生成的典型涡结构,它们有各自独立的生成和发展过程,又相互作用,使叶轮内流场更加紊乱.本研究揭示了小流量工况下混流泵内部特有的涡结构特征与演变规律,可为包括混流泵在内的叶轮机械流场分析和性能优化提供一定的理论指导和技术支撑.

桂林“5·22”大暴雨的MCS特征及对短时强降雨的影响

利用常规观测资料、风云气象卫星四号A星(FY4A)资料、欧洲中期天气预报中心全球第五代大气再分析数据集(EAR5)以及桂林和柳州多普勒雷达资料,分析2023年5月22日桂林极端大暴雨过程的中尺度对流系统(MCS)特征及其对短时强降雨的影响。结果表明,此次过程降水时段集中、局地性强、极端性大,强降水时段与对流云团的强烈组织发展阶段基本一致。在“北槽南涡”的环流背景下,高原低涡东移及其切变线诱发MCS生成,地面冷空气和辐合线使其强烈发展。降水回波强度强,质心低,降水效率高,强回波柱在桂林市区维持。MCS具有低层正涡度、负散度,高层负涡度、正散度的垂直结构,上升速度大,利于发展维持。MCS发展前期对流有效位能(CAPE)值迅速增大,桂林处于有利的抬升环境中,大气可降水量峰值出现时间与强降水发生时间对应。

“8·24”百色特大暴雨过程成因和预报难点分析

利用常规高空和地面气象观测数据、自动站气象观测数据及欧洲中期天气预报中心全球第五代大气再分析数据集(ERA5)等资料,对2023年8月22—25日百色市特大暴雨过程进行分析。结果表明:(1)此次过程具有一定的极端性。最大累计降雨量和日降雨量250 mm以上的特大暴雨出现在岑王老山东南侧。(2)强降雨发生在中、低层低涡受副热带高压阻挡在桂西停滞的形势下,湿层深厚、对流不稳定较强、抬升凝结高度和自由对流高度较低,适当的0℃层高度使暖云层较厚,在弱的垂直风切变下提高了降水效率。(3)在无低空急流的情况下,低层偏南风风速夜间加大,增强水汽输送和低层的辐合及垂直运动,导致强降水具有明显的夜雨特征。(4)低层东南风与岑王老山迎风坡耦合产生强烈上升运动,并在迎风坡以南形成垂直环流,利于产生对流;山脉的阻挡作用使雨带停滞,导致特大暴雨的发生。(5)数值模式降水产品的预报差异,无低空急流情况下水汽条件能否满足特大暴雨发生,地形的复杂机制等因素给此次过程的预报造成很大难度。