北京一次暴雨过程数值模拟和诊断分析

2012年7月21日10:00-22日02:00,北京地区出现了一次历史上罕见的特大暴雨天气过程,对当地人民的生命财产造成了严重损失.采用新一代中尺度数值预报模式WRF V3.3.1对这次极端降水天气过程进行数值模拟研究,并运用模式输出结果对其发生、发展机制进行了研究.主要结论有:WRF模式能够较好地模拟出这次暴雨的落区、暴雨中心、24 h累积降水量等;此次强暴雨过程主要是由低空中β尺度涡旋造成的,即中β尺度涡旋随时间的演变决定降水落区及降水强度;最后利用相对螺旋度诊断了整个降水过程,结果显示相对螺旋度的变化对降水增强的临近预报具有明显指示意义.     

天津南部地区平流雾过程塔层气象要素特征分析

利用天津255m大气边界层气象铁塔观测资料,分析了2006年2月平流雾天气过程塔层气象要素演变特征。结果表明：西南暖湿气流为平流雾的形成和长时间维持提供了逆温和湿度条件,平流雾形成前4个小时,西南暖湿气流突然增强。深厚平流雾形成时,低层大气呈弱不稳定层结;雾形成和发展期间,低层大气维持增湿和双层逆温层结,风场减弱,风向切变增强;冷空气产生的下沉逆温使低层雾得以维持较长时间,西北干冷空气的逐层入侵导致平流雾从高到低逐步消散;雾消散期间,雾体低层呈现出超绝热递减层结特征。分析还显示：平流雾过程中,温度廓线特征与雾体厚度关系密切。     

天津南部地区平流雾过程塔层气象要素特征分析

利用天津255m大气边界层气象铁塔观测资料,分析了2006年2月平流雾天气过程塔层气象要素演变特征。结果表明:西南暖湿气流为平流雾的形成和长时间维持提供了逆温和湿度条件,平流雾形成前4个小时,西南暖湿气流突然增强。深厚平流雾形成时,低层大气层弱不稳定层结;雾形成和发展期间,低层大气维持增湿和双层逆温层结,风场减弱,风向切变增强;冷空气产生的下沉逆温使低层雾得以维持较长时间,西北干冷空气的逐层入侵导致平流雾从高到低逐步消散;雾消散期间,雾体低层呈现出超绝热递减层结特征。分析还显示:平流雾过程中,温度廓线特征与雾体厚度关系密切。     

中尺度WRF模式在资源环境评估领域的应用进展研究

中尺度WRF模式是由美国国家自然科学基金和NOAA共同支持的新一代中尺度预报模式和同化系统.它采用高度模块化、并行化和分层设计技术,具有更为合理的模式动力框架、先进的三维变分资料同化系统、更丰富的内部参数化方案.介绍了WRF模式的动力学框架、WRF模式的各种参数化方案、近15年来WRF模式在气候资源预报领域的应用.最后,对WRF数值模拟存在的问题进行了阐述,并展望了WRF数值模拟今后的发展趋势.     

地面和探空资料的EnKF同化对北京7·21极端暴雨模拟的影响

针对2012年7月21日北京极端暴雨的业务预报误差, 详细地考察地面和探空资料的EnKF同化对7·21极端暴雨总体时空分布和暴雨触发地面特征模拟的影响, 进而揭示预报误差的可能原因。结果表明, 资料同化显著地改善了北京地区降水时空分布的模拟结果, 证实了前人基于观测和敏感性分析提出的“低涡是北京7·21暴雨的关键影响系统”的判断, 揭示出低涡对应的地面低压东侧倒槽对北京7·21暴雨的直接贡献。研究结果显示, 业务数值模式对此次极端暴雨预报失败的主要原因可能是对低涡和低涡对应的地面低压东侧倒槽强度和位置有较大的预报误差。     

大涡模拟在华北地区一次冬季辐射雾过程中的应用

利用WRF V3.5.1,对2013年1月21日18:00华北地区突发的大范围辐射雾过程进行模拟,对不同水平分辨率的WRF边界层方案以及大涡模拟(LES)进行对比,讨论中尺度模式对此次事件预报的可能性。结果表明:WRF边界层方案对这次辐射雾有一定的模拟能力,但模拟的发生时间有3小时的延迟,而LES方案能很好地模拟出此次大雾过程的出现时间和雾区位置;提高水平分辨率可以改善LES模拟的结果,使得雾的形成时间和雾区范围更接近实况。进一步的分析表明,LES实验模拟相比边界层方案,地面的气温更低,水汽更多,相对湿度更大,逆温层出现更早。因此对于这个个例而言,LES可以明显提高中尺度模式对华北地区辐射雾的预报技巧。     

WRF模式在云南一次强降水过程中的应用

利用WRF数值模式,针对云南省一次强降水过程进行的数值试验,得到几个有意义的结论:①WRF模式的三维变分同化系统能反映地转平衡等多变量之间的相互关系.②在此次强降水过程试验中,同化系统能把雷达反演风场中低空急流信息有效地引入模式初始场,并按照同化模型进行增量空间分配,有助于增强降水区的水汽输送,改善模式较强量级降水的预报漏报率.③多个时次雷达资料的同化对降水预报的改善更加突出,具有高时空分辨率特性的雷达资料同化在提高客观预报质量方面有着较好的应用前景.     

WRF3.0参数化敏感性及集合预报试验

为了研究WRF模式中的参数化方案对暴雨数值模拟的影响及物理过程集合预报在WRF降水集合预报中的适用性,利用中尺度WRF3.0数值模式,将模式中的物理过程参数化方案进行组合,构造了20个集合预报成员,对2003年7月8、9日发生在江淮地区的一次降水过程进行了集合预报试验。得到:集合成员之间存在一定的不确定性,不确定性随降水量级增大而增大,最终维持在一个较高的水平;通过定量比较发现,对于0.1 mm量级降水和25 mm以上量级降水,积云对流参数化方案对降水的影响要大于行星边界层方案对降水的影响;而对于10 mm量级降水,行星边界层方案对降水的影响要大于积云参数化方案对降水的影响。对20个预报成员进行了集合平均及降水概率预报试验,结果表明,集合平均的结果要比各个成员的稳定、可靠;概率预报能够提供一些有利于降水预报的信息。     

重庆地区“5.30”暴雨过程的数值模拟及诊断分析

利用WRF(Weather Research Forecast)中尺度数值模式模拟了2004年5月29日20时至30日20时发生在重庆及周边地区的暴雨过程,使用模式输出的高分辨率资料从动力角度对这次暴雨过程进行了诊断分析.结果表明:WRF模式较成功地模拟出了本次大气降水的演变过程,可为暴雨预报和物理诊断提供参考;模拟诊断表明在预报业务中使用螺旋度、非地转湿Q矢量和等位温面图的流线分析等可能会提高预报效果.     

雅砻江流域WRF模式构建及应用

针对雅砻江流域构建了数值天气预报(WRF)模式,使用7种云微物理参数化方案和3种积云对流参数化方案对3场典型暴雨进行了模拟和ETS综合评价,得出了WSM3和GD的参数化方案组合较优的结论,为WRF模式在雅砻江流域的深入应用提供了重要参考.此外,为了验证构建的WRF模式在水文应用方面的有效性,将其与HEC-HMS分布式水文模型进行了单向耦合,结果显示耦合模型对径流的模拟效果较好,说明WRF模式能够反映产生洪峰和维持径流的降水信号,其在流域径流模拟和预报中有较大的应用潜力.     

地面突风对通航飞行器的影响及数值模拟研究

突风一直以来都是危及飞行安全的重要气象要素之一,造成国民经济和人民生命财产的损失。利用常规观测资料、ADWR-X多普勒气象雷达资料和ERA5逐小时再分析资料,对四川盆地西部一次爆发性大风过程中风场的精细化特征、成因及对飞行的影响进行诊断和模拟研究,结果表明：此次大风过程风速增长快,爆发性强。地面风速自午后开始出现4次波动,且每一次波动期间风速峰值呈增加趋势,时间呈缩短趋势。由于第4次波动风速呈爆发性增加,最大瞬时风达到了16.1 m/s,地面风速脉动值超过5 m/s,致使跑道区域内流场的不稳定性增加,起降跑道侧风值超过了中小型飞行器的起降标准。高空动量下传对本次大风过程中风速的爆发性增加起主导作用。中层强偏南气流与低层偏北急流配和,中层辐合以及低层辐散下沉的垂直结构使得低层下沉气流异常强劲,将900～850 hPa的大风核快速向地面传导。通过天气研究与预报(weather research and forecasting, WRF)模式四重嵌套对本次过程进行模拟,表明WRF对盆地西部冷空气补充南下引起的在风速演变趋势、风速最大值和大风影响时段的风向有较好的模拟能力,对飞行起飞和着陆有一...     

北京地区大气污染物源区特征及与重污染过程的关系

探讨影响北京市区的大气污染潜在源区(印痕)。采用WRF气象模式, 对北京地区的气象场进行15年(2000-2014年)长期模拟分析。利用印痕模式, 计算15年的逐时印痕分布, 统计分析污染物源区的多年平均特性和季节变化。根据空气污染指数API, 筛选13年(2000-2012年)秋冬季的实际重污染事例, 统计分析其与污染物源区的关系。结果表明: 1) 逐日平均印痕的形态和分布变化极大, 说明影响北京的污染物源区是随时间而动态变化的; 2) 多年平均的污染物源区大致呈三角形分布, 偏西南的一角最强, 另外一角偏东, 一角大致偏北, 北京处于三角形中心以北的位置; 3) 源区多年的平均形态和分布随季节变化, 夏秋季(7月和10月)偏南和西南方向的源区范围扩大; 4) 根据局地风向频率来判断污染物来源方向是不可靠的, 印痕模式包含污染物累积等过程和机制, 可以获得合理的污染物源区; 5) 实际重污染过程与其平均印痕的关系显示, 西南方向从石家庄到北京, 再往东到唐山这一宽阔山前弧形地带是影响北京大气的最重要污染物源区。     

河南省2012年3月23日致灾大风形成及维持原因

2012年3月23日河南省发生了一次致灾大风天气过程。此次天气过程强度大、时间短,影响范围广,灾害比较大。为了找出此次大风发生的成因,利用常规观测资料以及NCEP分析资料对这次过程进行诊断分析。结果表明：①此次致灾大风过程是在中高层低槽强烈斜压发展,槽后强的冷平流不断南下,较强的高空风动量下传,高低空存在强的下沉运动,地面大的气压梯度和变压梯度等共同作用下产生的;②此次大风天气过程中,温度槽始终落后于高度槽,强烈的斜压作用使高空槽发展。在槽后强冷平流作用下,高空槽加深发展并东移南下,引导冷空气东移南下,冷空气向南移动的过程中,冷平流不断加强,河南上空冷暖平流共同作用,使得锋区进一步加强,风力加大;③中高层的强冷平流是此次大风过程的主要热力因子,低层冷平流较弱;④此次大风天气中高空风动量下传起到了重要作用,强风速从河南西北部自上而下,自西向东传播;⑤强的气压梯度力是此次大风天气形成的主要原因之一。预报河南大风时要关注西安、北京和郑州之间的气压差,在西北路冷空气影响时,如果西安加压,北京减压,风速就有增大的趋势,反之,如果西安和北京都加压,虽然西安和郑州的气压梯度较大,风力也不会很大。     

贵州省雾的气候特征研究

利用1961-2004年贵州省84个观测站的天气现象和能见度资料以及9个代表站的地温、气温和相对湿度资料较全面地分析了贵州省雾的空间、时间分布特征。分析表明贵州省雾的空间分布并不具有很强的规律性,全省年平均雾日数为299天,在60天以上的地区比较分散,主要分布在东部、西部边缘及中部地势较高处,年平均雾日数大于100天的有3个站,以毕节地区的大方县为全省之最,有170天。贵州省雾的时间分布具有明显的季节和日变化。尽管每月都有雾出现,但主要集中在冬半年（10月至次年2月）,雾最少时段在5-7月,一天当中早08时发生雾的频率最高;雾的年际变化分析表明贵州省84站平均雾日数呈明显减少趋势,平均每年减少006日。进一步对贵州省9个代表站的气象条件进行初步的统计分析,显示冬季最低气温的逐年升高,年平均每日地温与气温之差、日最高气温与最低气温之差的降低以及年平均相对湿度的减少是造成年平均雾日数呈减少趋势的原因。     

基于非线性密度流试验的平流差分方案

为考察平流差分方案对高分辨率非静力数值模式的影响,利用非线性密度流试验,对比分析了在不同分辨率情况下气候研究与预报模式中不同平流项差分方案对大气非静力运动的描述能力。结果表明:模式分辨率是影响试验结果的重要参数,提高模式的分辨率有利于提高模拟的结果;无论是水平平流项差分方案还是垂直平流项差分方案,当选取偶数(2,4,6)阶时,模拟结果在下边界都存在不同程度的小尺度扰动,与参考解偏差较大;选取奇数(3,5)阶时的效果明显优于偶数(2,4,6)阶;水平平流项差分方案取5阶,垂直平流项差分方案取3阶时都能得到最好的模拟效果。     

应用WRF模型模拟分析风力发电场风速

风能的规划和设计中需要比较准确地确定所选厂址区域的风力资源分布,要有先进而准确的分析手段.论文选用美国WRF中尺度模式,分别选用4种不同的陆面过程方案（SLAB、Noah、RUC和Pleim-Xiu）,对2008年6月16日08：00至6月23日08：00（北京时间）贵州乌江源地区某风电场区域进行水平分辨率1,km的数值模拟,对比分析了近地面风场以及4种陆面过程对模拟结果的影响.结果发现：WRF模式较好地模拟出了该区域近地面风场的变化特征.Noah方案模拟的风速最大值与实际测站的风速最大值较接近;SLAB方案与Noah方案模拟的7,d的风功率密度更接近实际测站的风功率密度.可见,WRF模式能够较好地反映该区域的近地面风场情况,且模拟结果受到地形及地表粗糙度的影响较大.     

天津地区雾天不同高度湍流输送特征的实验研究

利用天津 255 米气象塔层大气边界层观测资料, 分析雾日各气象要素的特征, 研究湍流输送规律。结果表明: 雾前, 大气湿度较大, 逆温层高度约为 100 m, 辐射雾发生前的逆温强于平流雾; 雾中, 逆温层持续变强、增厚; 雾后, 逆温层出现抬升, 大气呈近中性偏不稳定的层结特征。辐射雾过程的逆温现象比平流雾明显; 辐射雾雾顶较低, 平流雾较高; 辐射雾的消散主要受温度影响, 平流雾主要受风速影响。雾天气过程改变了大气层结结构, 夜间可能呈现不稳定层结状态; 雾前和雾中不同高度的湍流垂直输送微弱, 雾过程后期的水平输送突然增强。辐射雾雾前不同高度的平均动能数值较小, 雾中呈增大趋势, 雾消散阶段逐渐增大, 湍流动能的增大是影响辐射雾消散的重要因素。雾前不同高度平均动能与湍流动能比值的突然增大可能是雾发生的湍流信号之一, 比值剧增之后降至雾前水平则为雾消散的信号。     

华南地区逆温个例的数值模拟研究

 利用MM5中尺度数值模式对发生在华南地区的一次辐射逆温和一次平流逆温个例进行数值模拟研究,并将模式模拟的结果与实况进行了对比,揭示出2种不同类型逆温的发生发展过程,同时指出2种逆温各自的特点。结果表明：晴天逆温的生成原因主要是夜晚地面长波辐射的影响,白天太阳短波辐射的增强又促使其消散;雾日的平流逆温主要是由于南进的弱冷空气从下向上逐渐锲入的过程致使原本的暖空气向上抬升造成的,其消散主要受到白天太阳短波辐射加强和冷空气减弱等方面的影响。