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一次变形场背景下的暴雨诊断及数值模拟

一次变形场背景下的暴雨诊断及数值模拟

作者：裴坤宁成都信息工程大学

学位级别：硕士

2016年7月8日夜至次日上午,豫北在变形场的环流背景下产生暴雨。本文以位涡的视角对本次过程进行了诊断研究,并利用WRF 3.8对2016年7月9日豫北暴雨的风场、温度场和降水量等方面进行精细化数值模拟,进而对太行山地形之于暴雨的形成作用... 详细信息

2016年7月8日夜至次日上午,豫北在变形场的环流背景下产生暴雨。本文以位涡的视角对本次过程进行了诊断研究,并利用WRF 3.8对2016年7月9日豫北暴雨的风场、温度场和降水量等方面进行精细化数值模拟,进而对太行山地形之于暴雨的形成作用,做了地形的敏感性试验,而后利用WRFDA 3.8做了地面资料的三维变分同化,以期提高模拟水平。最后,总结研究了变形场和地形在本次暴雨过程中的作用。概括起来本文研究的主要内容如下:(1)18日20:00至次日08:00,随着变形场的形成,山西中部高位涡和冷空气向东南移动,豫北地区位涡值逐渐增大,高位涡带来的冷空气与台风和副高带来的暖空气的交汇使对流不稳定性发展,致使强降水产生。9日14:00豫北位涡减小、冷空气减弱、台风减弱以及暖湿空气减弱,随之降水减弱。9日02:00至08:00,豫北在400-600 h Pa呈现1 PVU的高位涡,850 h Pa至地面有水汽的强烈辐合上升运动,最大值位于太行山迎风坡处,且出现在900 h Pa。地形的动力强迫加强了水汽的辐合抬升。豫北暴雨区113.5-116°E在400 h Pa到地面形成次级环流,其上升支触发不稳定能量释放,位置正对应豫北暴雨区。位涡诊断表明,水平位涡平流的动力作用致使9日08:00暴雨区局地位涡增加,而垂直输送项和潜热加热项为负贡献。(2)模拟风场大致模拟出了NCEP风场中的变形场,同时在豫北模拟出了NCEP风场中没有但实际存在的切变线;模拟雨带位置与实况基本相同但暴雨范围偏小。在地形敏感性试验中,降低太行山地形高度后,风场上的切变线位置发生显著改变,豫北温度升高,湿度减小,且高度越低变化越明显,降水也明显减小,太行山背风坡降水增大。地面资料同化后,风场、温度湿度以及降水的模拟水平明显提高。(3)变形场致使700 h Pa出现低涡,地面出现切变线,风场和水汽在暴雨区上空辐合,加之地形动力强迫抬升作用是本次降水形成的重要原因。

关键词：变形场等熵位涡暴雨豫北数值模拟

晋东南地区冬季PM_(2.5)污染输送路径分析

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中国环境科学 2022年第2期42卷 557-567页

作者：裴坤宁高兴艾王淑敏闫世明王雁山西省气象科学研究所山西太原030002

利用2017~2019年晋城市和长治市冬季PM_(2.5)逐时浓度资料、地面风场数据等,结合HYSPLIT轨迹模型和中尺度数值模式WRFV4.2分析了晋东南地区冬季PM_(2.5)污染的特征和传输特点.结果表明,晋城市冬季PM_(2.5)污染程度高于长治市.受地形影响... 详细信息

利用2017~2019年晋城市和长治市冬季PM_(2.5)逐时浓度资料、地面风场数据等,结合HYSPLIT轨迹模型和中尺度数值模式WRFV4.2分析了晋东南地区冬季PM_(2.5)污染的特征和传输特点.结果表明,晋城市冬季PM_(2.5)污染程度高于长治市.受地形影响,晋城市地面盛行偏南风、偏北风和西北风,污染方向主要为偏南风和偏北风;长治市近地面盛行偏南风,该风向污染频率最高.影响晋城市和长治市污染的潜在源区主要分布在偏西、东北和东南方向,偏西气流来自陕西省中部,东北气流来自河北省西南部,东南气流来自河南省中东部.污染经过晋东南地区主要影响山西省中南部和北京南部.通过数值模拟流场,结合潜在源区和影响区域的分析结果,在均压场或高压后部的天气形势下,晋东南地区污染输送路径包括来自东北方向(河北省西南部一带)的气流,沿长治市东北部的滏口陉向晋东南地区输送污染物及沿太行山东麓向南在晋豫交界处的太行陉发生转折向晋东南地区输送污染物;来自东南方向(河南北部及东部)的气流输送和来自偏西方向(陕西中南部)的气流输送.污染物经过晋东南地区向北输送至山西省中南部,部分经过山西省中东部的井陉输送至北京南部.

关键词：晋东南 PM_(2.5) 输送路径

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一次变形场背景下的暴雨位涡诊断研究

高原气象 2019年第6期38卷 1221-1228页

作者：裴坤宁王磊李谢辉陈得圆成都信息工程大学大气科学学院高原大气与环境四川省重点实验室

利用中国自动气象站与CMORPH融合的逐时降水资料和NCEP逐6 h再分析资料,从等熵位涡的角度对豫北地区2016年7月8日夜到9日上午在一次变形场背景下的暴雨天气过程做分析和研究。结果发现:(1) 7月8日20:00(北京时,下同)至9日08:00,随着高... 详细信息

利用中国自动气象站与CMORPH融合的逐时降水资料和NCEP逐6 h再分析资料,从等熵位涡的角度对豫北地区2016年7月8日夜到9日上午在一次变形场背景下的暴雨天气过程做分析和研究。结果发现:(1) 7月8日20:00(北京时,下同)至9日08:00,随着高位涡和冷空气的逐渐东移,豫北位涡值变大,干冷空气与暖湿空气相遇使豫北地区有降水生成。而后9日14:00由于高位涡的继续东移以及台风的登录,致使豫北地区位涡变小,台风强度变弱,进而降水减弱。(2) 7月9日02:00-08:00,111°E附近上空的高位涡向东向下传输,使豫北暴雨区上空位涡增大,同时地面存在强水汽辐合,其辐合最大值位于900 h Pa高度上的太行山迎风坡处。另外,9日08:00豫北暴雨区从对流层高层400 h Pa至地面有次级环流生成,其上升支对应豫北暴雨区。(3)位涡收支方程诊断分析表明,9日08:00在500 h Pa高度上豫北暴雨区的局地位涡增加,主要来自水平平流的贡献。

关键词：变形场等熵位涡暴雨豫北

太行山两侧污染物传输对横谷城市气溶胶的影响分析

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环境科学 2021年第9期42卷 4104-4115页

作者：王雁郭伟闫世明裴坤宁李明明陈二萍山西省气象科学研究所太原030002

利用2017~2019年太行山横谷城市阳泉PM10和PM_(2.5)逐时浓度资料和对应时刻风速风向数据,结合HYSPLIT后向轨迹模型通过聚类分析、潜在源贡献因子和浓度权重轨迹方法分析了横谷城市气流输送特征及对阳泉市气溶胶的影响,并进一步探讨了太... 详细信息

利用2017~2019年太行山横谷城市阳泉PM10和PM_(2.5)逐时浓度资料和对应时刻风速风向数据,结合HYSPLIT后向轨迹模型通过聚类分析、潜在源贡献因子和浓度权重轨迹方法分析了横谷城市气流输送特征及对阳泉市气溶胶的影响,并进一步探讨了太行山两侧大气污染物的交换特征.阳泉市气溶胶日变化为单峰单谷型,冬季最高值出现在10:00~11:00,其他季节多在09:00,最小值均在15:00~16:00;月际变化呈1月最高、8月最低.受横谷地形影响,地面风向以偏东风和偏西风频率最高;除小风天气外,春秋季偏西风引起的沙尘天气和冬季偏东风输送也会引起阳泉气溶胶浓度升高;后向轨迹结合污染特征显示,各季节污染轨迹占比为春季26.2%、秋季36.4%和冬季33.7%,主要分布在阳泉的西南和东南区域,冬季在东北区域也有分布;山脉两侧均存在显著的细颗粒物传输,而起源或途经太行山西侧的轨迹粗颗粒物输送亦相对较多;污染轨迹中偏西气流输送对PM10超标率影响更大,偏东气流则主要影响PM_(2.5)的超标率.不同季节阳泉市气溶胶主要污染潜在源区存在差异,春季为西南和东南两区域;秋季为西南及偏南区域,冬季主要位于偏南和偏东方向区域,山西东南部及与河南北部交界区域是主要的污染贡献源区,太行山两侧通过井陉通道进行大气污染物的相互传输过程显著,其中东向西的PM_(2.5)传输影响更显著.

关键词：太行山横谷城市气溶胶输送通道后向轨迹

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汾渭平原吕梁市颗粒物潜在源及输送通道分析

中国环境科学 2022年第7期42卷 2988-2999页

作者：高兴艾裴坤宁王淑敏闫世明王雁蒋云盛山西省气象科学研究所山西太原030002

基于汾渭平原吕梁市2017~2019年颗粒物浓度监测数据和地面气象观测数据,利用后向轨迹聚类分析法以及潜在源贡献函数(PSCF)等方法研究了吕梁市冬季PM_(10)和PM_(2.5)大气污染特征及其潜在源区,最后结合轨迹密度分析法(TDA)、轨迹停留时... 详细信息

基于汾渭平原吕梁市2017~2019年颗粒物浓度监测数据和地面气象观测数据,利用后向轨迹聚类分析法以及潜在源贡献函数(PSCF)等方法研究了吕梁市冬季PM_(10)和PM_(2.5)大气污染特征及其潜在源区,最后结合轨迹密度分析法(TDA)、轨迹停留时间分析法(RTA)对轨迹聚类分析得到污染输送通道进行补充分类,并分析了不同输送通道的输送特征.研究发现,吕梁市2017~2019年颗粒物年均浓度逐年下降,其中PM_(10)下降了28μg/m^(3),PM_(2.5)下降了17μg/m^(3),冬季下降幅度最大.3a冬季风向风速和浓度的统计分析表明吕梁市颗粒物浓度受东北和西南风影响最为显著,其原因是受当地三川河河谷地形的影响.影响吕梁市PM_(10)污染的潜在源区主要位于西南方向,PM_(2.5)污染的潜在源区主要分布在西南、东和东南方向,颗粒物污染输送通道可概括为:西北、西南和偏东(东+东南)通道.西北通道气流移动速度快,途经新疆、内蒙、甘肃和陕西北部等区域;西南通道气流移动速度慢,主要途经陕西中南部渭河平原等污染严重的区域;偏东通道的气流移动速度慢,气流先沿太行山东麓南下,在经过太行山的横断山谷(太行陉、井陉等)时转向进入山西.PM_(10)污染时西北通道贡献最大,偏东通道贡献最小,且两个通道下绝大多数发生的均是轻度污染,占比都在90%左右;PM_(2.5)污染时三类通道下发生轻度污染的比重较PM_(10)均下降,西南和偏东通道下发生中度污染以上的比重在50%左右,且西南和偏东通道途经的区域恰好是PSCF计算得到的潜在源区位置,说明了西南和偏东气流容易将细颗粒物输送至吕梁.WRF(天气预报模式)的风场模拟较为直观的解释了三类污染输送通道,且复杂地形是形成污染输送通道的一个重要因素.西北和西南污染输送通道主要受吕梁山脉的影响,偏东污染输送通道主要受太行山及其横谷的影响.

关键词：轨迹聚类输送通道颗粒物轨迹停留时间分析法(RTA) 轨迹密度分析法(TDA)

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四川盆地西部一次典型连续夜雨的数值模拟

高原气象 2022年第1期41卷 216-225页

作者：陈得圆王磊李谢辉裴坤宁成都信息工程大学大气科学学院四川成都610225

利用中尺度模式WRF研究了2017年7月15-17日发生在四川盆地西部的一次典型连续性夜雨过程的形成机制,重点讨论了"山谷风"局地环流对此次夜雨过程的作用。研究表明:(1)此次降水天气过程主要发生在500 hPa"北高南低"的环流形势背景下,这种... 详细信息

利用中尺度模式WRF研究了2017年7月15-17日发生在四川盆地西部的一次典型连续性夜雨过程的形成机制,重点讨论了"山谷风"局地环流对此次夜雨过程的作用。研究表明:(1)此次降水天气过程主要发生在500 hPa"北高南低"的环流形势背景下,这种背景有利于北方冷空气向南输送;850 hPa上台风东侧的偏南气流和副热带高压西侧偏南气流叠加形成输送带,有利于低纬大量水汽和热量向四川盆地输送。(2)WRF模式模拟出的"山谷风"是此次夜雨过程的重要动力机制:白天青藏高原东坡受"谷风"控制,夜晚青藏高原东坡受"山风"控制,从而产生了此次夜雨现象。(3)三种螺旋度都能够较好地解释夜间降水形成和"山谷风"之间的关系。

关键词：夜雨 “山谷风” 数值模拟四川盆地西部

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一次变形场背景下豫北暴雨的数值模拟

一次变形场背景下豫北暴雨的数值模拟

第35届中国气象学会年会

作者：裴坤宁王磊成都信息工程大学

低空变形场对暴雨系统的形成和发展具有特殊的动力作用, 2016年7月9日豫北的暴雨正是在此背景下形成的。本文从天气背景,动力机制分析入手,利用WRFV3.8对本次暴雨在风场、温度场、湿度场以及降水量等多方面进行数值模拟,以更细致地研究... 详细信息

低空变形场对暴雨系统的形成和发展具有特殊的动力作用, 2016年7月9日豫北的暴雨正是在此背景下形成的。本文从天气背景,动力机制分析入手,利用WRFV3.8对本次暴雨在风场、温度场、湿度场以及降水量等多方面进行数值模拟,以更细致地研究变形场背景下的暴雨成因。此外,关于太行山地形对暴雨的形成作用,也做了地形的敏感性试验。最后,利用WRFDA3.8对地面资料做了三维变分同化,以提高模拟水平。本文形成以下具体结论:1、初步模拟效果温度模拟与实况偏差在1.2K之内,其中河南北部温差在-0.6K至0.2K之间;混合比误差在1.6g/kg以内,其中河南北部混合比偏差在0.4g/kg之内。30km分辨率的风场模拟给出了700h Pa变形场更多细节:低空变形场对暴雨系统的发展具有很好的动力作用。而3.3km分辨率的风场中,NCEP1°×1°实况由于分辨率较低,没有出现站点风场中出现的低涡以及切变线,但在模拟风场中出现了相应的低涡以及切变线（见图1）。且风速模拟与实况对比的散点图,斜率为0.6045,R=0.5032,通过了73%的F显著性检验。风向模拟与实况对比的散点图,斜率为0.9577,R=0.7668,通过了83%的F显著性检验。风场模拟与实况的偏差在-5m/s至3m/s之间。24h降水虽然模拟出了暴雨以及大暴雨的位置,但模拟的暴雨以及大暴雨范围比实况范围要小大概0.3纬度。由于模拟出的暴雨范围较小,因此要利用WRFDA3.8对此次暴雨做变分同化。2、变分资料同化及模拟效果为了提高模拟水平,本文利用WRFDA3.8三维变分同化对2016年7月8日20h和7月9日02h的地面站点资料做6h一次的循环同化,地面同化用郭永润方案,然后积分12h,得到同化后的模拟结果。经过同化,模拟与实况温度偏差减小,从初步模拟的偏差值在-1.2k至1.2k之间,减小为-0.4K至1.6k之间;模拟与实况湿度即混合比偏差在豫北区域减小,从初步模拟的偏差值在-0.4g/kg之内,减小为0.2g/kg之内;模拟风向与站点风向的相关系数由同化前的0.2增加为0.4,降水量最大6h（7月9日02h至7月9日08h）的大值范围扩大,2016年7月8日20h至7月9日20h的24h总降水量大值区范围也变大,说明变分同化使模拟效果提高。3、变形场的作用2016年7月9日08h700h Pa风场存在变形场（见图2）,经过计算,变形场北侧膨胀轴（图中红色轴）和东南部台风以及西北低压的总形变较大,大部分大于7×10,豫北位于膨胀轴上,形变也很大,总形变大于4×10。随后,随着西南部高压的南撤东退,变形场减弱至消失,7月9日14h低涡减弱,7月9日20h低涡消失,过程结束。变形场膨胀轴的形变量大,由于扰动易产生低涡,低涡直接导致降水的产生,由于凝结潜热的释放,低涡加强,低涡,降水之间存在正反馈的过程。变形场的特殊流场,提供了弱的背景场,使低涡易产生,同时,变形场的流场结构使水汽辐合,气流汇合区丰富的水汽为水汽平流提供了很好的条件,有利于暴雨的发生发展。变形场可用于暴雨的预报,对大暴雨落区具有一定的指示意义。4、地形试验降低至三分之一的地形高度即400m左右后,豫北降水大值区明显缩小,太行山背风坡降水强度显著增大,且大值区也有所扩大,而风场上的切变线和低涡也发生显著改变,冷暖空气范围明显扩大,太行山从700hPa到地面切变逐渐增强,虽然豫北切变也逐渐增强,但与地形高度降低前相比,豫北切变强度减弱了很多。以上结果表明,太行山迎风坡的动力抬升使台风带来的水汽聚集在豫北暴雨产生主要作用。本文对此次豫北暴雨的研究有一定的意义,模拟通过提高分辨率能够更好的展现小尺度天气系统,且通过同化可以提高模拟效果。再者,低涡直接导致了此次暴雨的产生,而变形场通过输送水汽以及产生低涡间接导致了暴雨的产生,同时,地形对此次暴雨也有一定的影响。

关键词：变形场 WRF,同化地形,暴雨豫北

来源： cnki会议评论

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cnki会议

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一次豫北暴雨的卫星云图特征分析

气候变化研究快报 2022年第2期11卷 125-135页

作者：张鑫磊裴坤宁山西省气候中心山西太原山西省气象科学研究所山西太原

本文利用葵花8号卫星资料结合数值模拟结果对2016年7月8日至9日在豫北发生的暴雨过程做了分析,结果表明:8日20:00山西省中部生成中尺度对流云团,500 hPa高度上对应有冷涡及风切变,切变线北侧冷平流加强,南侧暖平流加强,为云团东移提供... 详细信息

本文利用葵花8号卫星资料结合数值模拟结果对2016年7月8日至9日在豫北发生的暴雨过程做了分析,结果表明:8日20:00山西省中部生成中尺度对流云团,500 hPa高度上对应有冷涡及风切变,切变线北侧冷平流加强,南侧暖平流加强,为云团东移提供动力条件;后云团分裂成多个对流单体向东移动,9日02:00移动至豫北西部,对流云团逐渐膨胀增大,暖平流变强,地面至450 hPa有上升运动,湿度较大,中尺度系统开始发展;9日05:00深对流云团完全覆盖豫北,暖平流再次加强,暴雨区上空850 hPa高度上出现强对流,雨强达到最大;9日08:00云团东移至豫北中东部,变形场形成,维持暖平流和对流运动,而后分裂出新的对流单体东移至豫北,维持至09:00;10:00~14:00云团逐渐东移减弱,变形场消失,直至9日20:00中尺度系统消亡,暴雨过程结束。

关键词：暴雨对流云团豫北中尺度

基于多站混合受体模型的临汾市PM_(2.5)潜在源分析

维普期刊数据库评论

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中国环境科学 2022年第3期42卷 1032-1039页

作者：王雁高兴艾裴坤宁孙鸿娉闫世明郭伟王小兰蒋云盛山西省气象科学研究所山西太原030002 山西省人工增雨防雷技术中心山西太原030002

利用重污染城市临汾多个站点2018~2019年的PM_(2.5)浓度监测数据,分析了不同季节临汾市PM_(2.5)污染特征及其空间自相关度和集聚模式,最后引入多站受体模型分析临汾市PM_(2.5)潜在源区.研究发现,临汾市的PM_(2.5)污染主要集中在临汾盆... 详细信息

利用重污染城市临汾多个站点2018~2019年的PM_(2.5)浓度监测数据,分析了不同季节临汾市PM_(2.5)污染特征及其空间自相关度和集聚模式,最后引入多站受体模型分析临汾市PM_(2.5)潜在源区.研究发现,临汾市的PM_(2.5)污染主要集中在临汾盆地内的8个区县,包括尧都、襄汾、洪洞、霍州、侯马、古县、曲沃和翼城,这8个区县的PM_(2.5)年平均浓度均超过50μg/m^(3),冬季平均浓度均超过100μg/m^(3).PM_(2.5)空间分布特征与地形关系密切,临汾盆地内的8个站点空间自相关度很高,PM_(2.5)高浓度区(高-高聚类)主要集中在盆地内部,说明邻近区县污染是临汾市主城区PM_(2.5)浓度居高不下的重要原因.结合多站混合受体模型(MS-PSCF和MS-CWT)分析临汾PM_(2.5)潜在源区,发现临汾市春季的潜在源主要集中在东北、西南和东南部,大部分为中远距离传播;在夏季,潜在源影响明显低于其他3个季节,主要在东部;秋季的潜在源主要集中在西南方向的一些地区;冬季的潜在源主要集中在东南和西南方向以及临汾市北部近距离区域.除夏季外,其他3季共同的潜在源区是陕西中南部地区(位于西南方向),且PSCF值均超过了0.7,说明在西南风时,临汾市发生污染的概率超过70%.

关键词： PM_(2.5)MS-PSCF MS-CWT 空间自相关分析