“0866”华南特大暴雨灾害的综合诊断

借助加密观测资料、雷达组网拼图资料、雷达风场反演资料以及模式模拟资料等,采用综合诊断方法集中研究2008年6月5~7日发生在广东和广西的特大暴雨.目的是探寻暴雨中尺度特征与发生机理,并将较高时空密度的非常规观测资料用于综合诊断研究中,以有效构建暴雨发生物理模型的可行性探索.(1)此次暴雨是在独特的南支高空急流与低空急流耦合背景下,由涡旋及其东南象限频繁出现的中尺度对流系统(meso-scale convective system,MCS)共同导致;(2)不同于常见的影响华南的中纬度涡旋,此次涡旋来自低纬季风槽中,季风涌携带涡度、水汽、能量不断侵入涡旋东南侧并增强这里的西南风,致使此处汇集有利的物理要素并成为MCS频发的关键区,以水平散度项为主的动力因子对涡旋的形成及初期发展具有重要作用,而以潜热为主的热力因子则促使了涡旋向强盛期发展,涡旋发生发展过程中存在正反馈;(3)MCS体内存在西南气流与偏东气流,两支气流辐合并构成西南-东北向的带状对流云团,云团内部具有更细致的非对称流场结构,流场决定MCS呈现非对称的动热力结构特征、并导致强降雨发生于要素极值区;(4)MCS内强劲的?中尺度西南风速核促使不断积聚的对流有效位能(convective available potential energy,CAPE)最终得到释放,对流降雨由此爆发,频繁生成于带状云团东北侧的更小尺度对流单体直接造成了暴雨中心的雨量峰值;(5)综合诊断方法可以在探索暴雨精细结构特征中发挥关键作用.     

太行山东侧中低压形成的若干事实

根据1966—1980年华北地区加密的地面观测(每小时一次,范围为110°—119°E、35°—42°N;测站距离为,山区:70—90公里,平原:30—60公里)资料,对华北地区有重要天气意义的中尺度天气系统做了分析。我们发现,在太行山东侧华北平原行星边界层内形成的中尺度低气压(简称华北中低压)比飑线、雷暴高压等中尺度系统更为常见,它的水平尺度在     

2021年7月河南极端暴雨过程概况及多尺度特征初探

2021年7月17～22日,河南省发生了致灾严重的极端暴雨过程,气象观测站最大6日累积降水量为1122.6 mm(鹤壁市),最大小时雨强高达201.9 mm(郑州市),突破了中国内陆小时雨强历史纪录.利用气象雨量站、探空和多普勒天气雷达等观测资料以及ERA5再分析资料对极端暴雨概况和多尺度特征进行了初探.结果表明,此次极端暴雨过程是在对流层高、中、低层以及中、低纬度多尺度大气系统共同作用,并叠加地形影响下产生的:(1)西南季风将南海的水汽向西北太平洋输送并经由热带气旋“烟花”向北抽吸,西北太平洋上的水汽经“烟花”北部的偏东低空急流和异常偏北偏强的副热带高压西南缘的东南气流向河南输送;这条异常的东进河南的热带气旋远距离接力水汽输送通道导致河南可降水量正异常.(2)对流层高层,河南位于短波槽前辐散区;对流层低层,河南及附近为低涡或倒槽影响,这些均有利于低层大气的辐合和上升.此外,伏牛和太行等山脉对水汽的汇聚和对低层偏东或东南气流的抬升有作用.(3)副热带高压和异常偏强的大陆高压连成“高压坝”,阻碍了中高纬度冷空气南下,郑州极端暴雨发生在暖湿层深厚的环境场中,降水系统呈现低质心热带型雷达回波...     

1998年春夏南海低空急流形成机制研究

利用“南海季风试验”提供的同化资料, 分析了1998年春、夏季发生在南海上空低空急流形成机制, 其中重点分析了1998年6月8~10日珠江三角洲暴雨过程中的低空急流过程, 并用MM5中尺度模式进行了数值模拟. 结果表明, 在低空急流形成过程中, 动能向上输送, 造成南海低空急流从对流层低层向高层发展. 其形成过程可以概括为: 在华南西部的天气尺度低压向东移动和西太平洋的一个高压扰动向西移动过程中, 二者的共同作用使南海地区上空对流层低层的气压梯度力加强, 由于气压梯度力作功提供了低空急流形成所需要的动能, 导致南海上空低空急流在这两个系统之间形成. 由于南海季风加强往往以低空急流的形式表现出来, 因此南海低空急流的形成机制也可以解释南海季风加强.     

同El Nino发生相联系的热带大气系统动能的变化

作者之一首先在1988年指出E1 Nino事件的前期征兆在赤道西太平洋,其后的进一步研究更明确指出,东亚冬季风异常与El Nino有相互作用.通过资料分析和GCM的数值模拟,我们最近又指出热带大气季节内振荡与El Nino也存在明显的相互作用.1 观测资料分析结果就时间尺度而论,我们可以将热带大气运动大致分为三类系统,即天气尺度(3～10d)系统,主要是大范围积云对流的活动;低频系统,主要是季节内(30～60d)振荡;准定常(>90d)系统,包括ENSO循环.1982～1983年及1986～1987年分别发生了El Nino事件,用ECMWF     

暴雨雨团中β尺度流场结构的数值模拟

用高分辨率的中尺度模式对1998华南暴雨试验期间的一次大暴雨个例进行了数值模拟, 用模式输出的高分辨率资料对雨团的中β尺度流场结构进行了分析. 结果表明, 在雨团中, 高、中、低空都存在明显的中β尺度环流系统, 而且高空的高度场和风场之间具有非常强烈的非地转性. 54 km粗网格和18 km细网格剖面图都显示出中尺度垂直环流, 并存在上升的低空前方入流和下沉的中空后方入流. 在细网格的模拟结果中还进一步发现, 由于降雨伴随的拖曳下沉气流产生了位于900 hPa以下行星边界层中的浅薄的垂直环流.     

华南梅雨锋上中尺度对流系统的数值模拟

应用高分辨率中尺度数值模式成功地模拟了１９９８年６月７，８日发生在华南地区梅雨锋面上的中尺度对流系统（ＭＣＳ），并根据模式的输出结果对ＭＣＳ的中尺度结构、水汽的集中过程和动量收支等进行诊断分析，最后给出这个华南梅雨锋面上ＭＣＳ的概念模型：ＭＣＳ发生时，由于潜热的释放，在对流层下层诱导出一个中尺度低压。气压梯度力有助于其后部（西南部）原有的天气尺度低空急流局地加强，从而产生中尺度低空争流（ｍＬＬＪ）     

暴雨雨团中β尺度流场结构的数值模拟

用高分辨率的中尺度模式对1998华南暴雨试验期间的一次大暴雨个例进行了数值模拟，用模式输出的高分辨率资料对雨团的中β尺度流场结构进行了分析。结果表明，在雨团中，高，中，低空都存在明显的中β尺度环流系统，而且高空的高度场和风场之间具有非常强烈的非地转性，54km粗网格和18km细网格剖面图都显示出中尺度垂直环流，并存在上升的低空前方入流和下沉的中空后方入流，在细网格的模拟结果中还进一步发现，由于降雨伴随的拖曳下沉气流产生了位于900hPa以下行星边界层中的浅薄的垂直环流。     

基于海气耦合模式的南中国海北部风暴潮模拟

伴随台风产生的大风、暴雨、巨浪、风暴潮形成的台风灾害链对沿岸地区产生巨大影响,研究台风的形成和运动机理,减小风暴潮灾害,具有重要的科学价值和社会意义.台风影响期间,大气与海洋之间存在强烈的质量、能量交换,风场、流场、波浪场等物理场相互作用、相互影响.基于中尺度大气模式WRF和区域海洋模式ROMS,构建南中国海地区海气耦合模式,针对2012年台风"启德"进行数值模拟.通过观测数据对台风路径和强度进行验证,结果表明,建立的WRF-ROMS耦合模式在对台风"启德"影响下的南中国海风暴潮模拟中展现出较高的模拟精度.通过数值模式计算结果揭示了台风、风暴增水和风生流场的时空分布特征.台风运动过程中台风动力场、风暴增水及流场在空间上均具有"右偏性"的不对称分布特征,近岸风暴增水对台风的响应在时间上存在滞后性,风生流场具有较明显的滞后性特征.     

中国及周边地区夏季中尺度对流系统分布及其日变化特征

利用1996~2006年(无2004年)10年6~8月地球静止卫星高分辨率逐时红外亮温(简称TBB)资料对夏季中国及周边地区的中尺度对流系统(简称MCS)活动情况进行了统计分析, 并同已有文献中使用常规地面观测资料统计的雷暴日数分布以及低轨卫星观测的闪电资料分析结果进行了对比, 结果表明低于-52℃红外亮温的统计特征可以较好地展现该地区夏季MCS时空分布的基本气候特征. 该地区夏季MCS的总体分布特点是具有3条东西分布的带状MCS活跃区; 30°N附近的活跃中心表现为明显的东西波动状; 从大气环流来看东亚夏季风把3条MCS活跃带联系在一起. 重点对不同下垫面区域的MCS日变化特征进行分析表明中国及其周边地区具有单峰与多峰型两种MCS日变化特点, 单峰型MCS多发生在高原与山区, 多峰型MCS多发生于平原与盆地. 由于不同地区单峰型MCS持续时间与活跃时段的并不相同, 因此又可以区分为青藏高原MCS、一般山地热对流、琉球附近海域MCS等. 多峰型MCS具有类似于MCC (中尺度对流复合体)日变化的特点, 反映此类MCS生命史较长、水平尺度较大、日落后一度减弱、午夜后又再度发展. 青藏高原MCS与一般山地热对流一般都在午后发展, 但青藏高原MCS持续时间长, MaCS(a中尺度对流系统)活跃. 琉球附近海域MCS具有午夜后发展、持续时间长的特点, MaCS也较活跃. 印度季风涌地区由于充沛的水汽与有利的大尺度环境使得全天几乎任一时次MCS都很活跃, 而且MaCS非常活跃. 四川盆地地区由于山谷风环流的影响MCS夜发性特征特别显著, 该区域也是MaCS的活跃区之一. 两广地区海陆交界处是海陆风环流显著的区域, 因此MCS具有午后向陆地传播、午夜后向海洋传播的特征. 低于-52℃红外亮温的气候统计特征清楚地展现了海、陆、山地的热力性质差异所导致的MCS不同气候分布特点. 不仅大尺度大气环流而且海、陆、山地热力差异引起的局地环流在很大程度上决定了中国及周边地区夏季中尺度对流系统活动的气候特征.     

2阶湍流闭合边界层模式及其在暴雨模拟中的应用

基于Mellor/Yamada的湍流2阶闭合方案, 编写了2阶湍流闭合方法的边界层模式(文中称之为MY-4) , 并与中尺度模式MM5耦合, 对1998年6月8~9日发生在华南地区的一次暴雨过程进行了数值模拟研究. 结果表明, 模式成功地模拟出了这次暴雨过程的降水大小和分布, 更加重要的是: (1) 与MM5中原有的边界层方案相比, MY-4模式准确地模拟了主要的天气系统如低涡和低空急流, 从而改善了模拟的降水分布, 并抑制了一个中心超过160 mm的虚假降水区的出现; (2) 通过与香港风廓线仪观测得到的垂直风廓线进行比较可见, MY-4能够再现大气边界层中较短时间尺度内的风速脉动, 这是MM5中的其他边界层模式所不能做到的. 并对MY-4和1.5阶闭合方法的边界层模式的模拟结果进行了详细的比较, 在模式开始积分的1~2 h之内, 不同边界层方案模拟得到的湍流对大气边界层内风场的贡献不同, 在非线性模式系统的作用下, 是影响模式模拟结果的重要原因.     

梅雨锋中尺度暴雨云团的运动学结构

东亚梅雨和印度季风是世界上最显著的季风现象。在梅雨期,有一条地面静止锋及其锋面云带停留在我国长江中下游到日本南部一带,锋面云带上时而有暴雨发展。 暴雨是由中尺度对流性系统产生的。梅雨锋暴雨区有两种中尺度组织形成:中尺度雨带和中尺度雨团。一些研究指出,从卫星云图上所见的梅雨锋暴雨云团非常类似于美国的MCC(中尺度对流复合体)系统。但至今对于成熟梅雨锋暴雨云团的结构尚没有很多研究。     

风暴临近数值预报的可能性

大尺度大气环流系统的数值预报投入业务使用已经有近30年历史,而降水预报和中尺度剧烈灾害性天气的临近预报(Nowcasting,0-12h的预报)还停留在经验预报,数值预报进展较缓慢,但数值预报能更好地给出客观定量的预报。理伦研究可知,对流风暴尺度系统具有好几个小时的可预报性。一些数值模拟研究表明,风暴一旦产生,长时间以近于稳定的     

GRAPES物理过程的优化试验及程序结构设计

新一代全球/区域多尺度通用数值分析同化与预报系统(GRAPES)按照模块化、标准化的程序结构, 开发建立了插拔式可移植的区域中尺度和全球中期物理过程软件包, 物理过程的完整性与国外先进的模式相当. GRAPES设计了物理过程与模式框架连接的3层结构程序界面, 为物理过程的插拔使用提供了一个友好界面. 通过个例数值试验, 对格点暴雨现象进行了分析, 改进了垂直速度计算方案, 通过调整GRAPES物理过程方案的相关参数, 对降水方案进行了优化; 结果表明, 物理过程降水方案经过改进后, 基本消除了虚假的格点暴雨现象, 提高了降水预报的准确率.     

复杂构型非孤立圆涡的能量频散

能量频散是一个基础性的科学问题, 与台风、暴雨、地震等灾害密切相关, 一直受到多学科研究人员和广大预报员的关注. 孤立圆涡能量频散的动力学己经清楚. 但是, 造成天气灾害的往往是非孤立圆涡. 非孤立圆涡能量频散的动力学尚待探索. 本文用线性化的正压无幅散涡度方程, 研究了非孤立圆涡能量频散的特征. 这里, 非孤立圆涡指的是: 一个热带气旋(TC)涡旋和一个中尺度涡构成的复杂构型. 基于傅里叶变换的解析解和基于空间差分格式的数值解一致地显示: (1) 在只有TC 涡旋的条件下, 涡旋能量频散形成一个TC-G-D 的波列, 3 个波列成员中心的连线是一条与x 轴平行的直线. 这里, “G”和“D”分别代表高值和低值系统. (2) 在非孤立圆涡的条件下, 涡旋能量频散也形成了一个TC-G-D 的波列, 但是, 3 个波列成员中心的连线不再是一条与x轴平行的直线, 而是一个三角形. (3) 三角形底角的角度与初始中尺度涡的强度之间存在非线性联系. 这些结果在台风预测中具有应用前景.     

大数据融合的城市暴雨内涝灾害应急管理述评

日益频发的城市暴雨内涝灾害已成为快速城镇化建设中急需应对的严峻挑战;但当前与暴雨内涝相关的气象数据、灾情数据和社会经济数据等尚未能有效融合,不能快速有效地生成内涝灾害应急决策方案,这成为灾害应急管理的障碍.本文从城市暴雨内涝灾害大数据融合的几个方面入手,分别评述了大数据的本体技术、数据融合方法、数据降维与灾害识别、灾害的社会经济损失评估,以及应急决策的生成与评估方法等相关理论与实践进展,并对未来研究进行了展望.最后指出,在大数据融合背景下开展城市暴雨内涝灾害的应急管理研究,具有丰富的理论和实践价值.     

一种新型城市地震灾害模拟方法:城市抗震弹塑性分析方法

城市地震灾害模拟可服务震前防灾规划和震后快速救援,对降低城市震害风险具有重要价值.本研究提出了一种新型城市地震灾害模拟方法——城市抗震弹塑性分析方法,给出了海量建筑建模、高性能计算、"场地-城市效应"、高真实感可视化与次生灾害预测等系列关键科学问题的解决方法,并应用于震后灾损近实时评估(九寨沟)、震前防震减灾规划(唐山)、城市中心区高层建筑群多尺度震害模拟(北京CBD)、城市建筑震害及次生灾害全过程模拟(旧金山湾区)等,可为城市防震减灾提供重要决策参考.     

春季东亚海-陆热力差异对我国东部西南风降水影响数值试验

用NCEP-NCAR再分析资料、NOAA的CMAP降水资料以及MM5v3中尺度区域模式, 研究了东亚及周边海域表面温度差异对春季我国东部西南风降水的影响, 数值模拟结果表明: 春季东亚表面温度差异对江南西南风降水发生以及向北推进有重要影响; 当东亚大陆温度增加和其周边海洋表面温度减小时, 冬季型温度梯度更早地向夏季型转换, 青藏高原东侧低压以及西太平洋副热带高压都加强, 伴随着东部的低层西南风加强; 于是, 江淮地区的上升运动增强, 而江南地区的上升运动减弱, 导致春季江淮降水增加, 而江南降水减少, 使东部雨带出现在江淮, 而不是在江南; 当热力差异减弱时, 我国东部大陆没有雨带出现; 在春季热力差异显著增强的情况下, 即使没有南海热带季风爆发, 春季位于江南的雨带也可以向北推进到江淮地区, 形成类似于夏季江淮梅雨期的雨带.     

“典型山地水土要素时空耦合特征、效应及其调控”项目简介

正本项目拟破解的关键科学问题:山地不同时空尺度水土要素耦合过程与资源效应;变化环境下山地水土作用失衡的发生机理与灾害风险;山区水土资源承载力与国土空间功能优化关联机制。其主要研究内容:气候、地形、地质条件约束下的山地水文过程;土地空间变异特征、功能及控制机制;山地水土要素时空耦合格局及其对生态稳定性和脆弱性的影响;新构造运动活跃区水土作用失衡机制与灾害风险评价;山区国土空间功能优化与人地关系协调机制。其总体目标是:通过对我国易受水分快速胁迫的太行山区、横断山     

非均匀断层上的破裂传播及对震级预测的挑战

针对发震断层上的潜在地震开展震级和地表震动预测,对开展地震灾害区划、防震减灾等工作十分关键.由于断裂带本身的多种非均匀性,如断层几何、介质结构、应力的非均匀分布,准确预测震级面临着众多挑战.本文简要回顾了影响地震破裂传播及震级的因素,指出了应力分布状态、断层孕震带尺度、断裂带介质结构对破裂传播过程的影响.在非均匀应力分布下,震级对破裂起始位置(震中)具有强烈的依赖性,即震中-震级存在“测不准”关系,震中对破裂是否延伸到地表也有控制作用.走滑断裂带孕震带尺度(在倾向上的深度)对破裂是否发展为“逃逸型”大地震有控制作用.近断裂带的介质结构对破裂方向性、延展尺度都有显著影响.未来可通过密集地震台阵观测获取高分辨率断裂带结构,并结合实验室流变性质测量,推断发震断层的流变结构,为刻画可能发震的凹凸体提供支撑.针对震中对震级的影响,可以通过破裂动力学模拟,结合大地测量观测、地震学观测、实验室摩擦实验结果,进行数值实验,探索可能发生强震的震中区域,为野外观测提供参照.此外,动力学数值模拟结果也可以弥补大地震近场地表震动观测数据缺乏的不足,为开展基于地震物理过程的灾害区划提供参考.