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不同微物理方案对台风“彩虹”(2015)降水影响的比较研究

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大气科学 2019年第1期43卷 202-220页

作者：庞琦烨平凡沈新勇刘靓珂南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心南京210044 中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴重点实验室(LACS) 北京100029

本文以GFS资料为初始场,利用WRF(v3.6.1)模式对2015年第22号台风"彩虹"进行了数值研究。采用CMA(中国气象局)台风最佳路径、MTSAT卫星、自动站降水为观测资料,对比了4个微物理方案(Lin、WSM6、GCE和Morrison)对"彩虹"台风路径、强度、... 详细信息

本文以GFS资料为初始场,利用WRF(v3.6.1)模式对2015年第22号台风"彩虹"进行了数值研究。采用CMA(中国气象局)台风最佳路径、MTSAT卫星、自动站降水为观测资料,对比了4个微物理方案(Lin、WSM6、GCE和Morrison)对"彩虹"台风路径、强度、结构、降水的模拟性能。模拟发现上述4个云微物理方案都能较好地模拟出"彩虹"台风西行登陆过程,但是其模拟的台风强度、结构及降水存在较大差异;就水成物而言,除GCE方案对雨水的模拟偏高以外,其他方案对云水、雨水过程的模拟较为接近,其差异主要存在于云冰、雪、霰粒子的模拟上。本文对比分析了WSM6和Morrison两个方案模拟的云微物理过程,发现WSM6方案模拟的雪和霰粒子融化过程显著强于Morrison方案,但是冰相粒子间转化过程的强度明显弱于Morrison方案。云微物理过程的热量收支分析表明:WSM6方案模拟的眼区潜热更强,暖心结构更为显著,台风中心气压更低。细致的云微物理转化分析表明,此次台风降水的主要云微物理过程是水汽凝结成云水和凝华为云冰;生成的云水一方面被雨水收集碰并直接转化为雨水,另一方面先被雪粒子碰并收集转化为霰,然后霰粒子融化成雨水;而生成的云冰则通过碰并增长转化为雪。小部分雪粒子通过碰并收集过冷水滴并淞附增长为霰粒子,随后融化为雨水,大部分雪粒子则直接融化形成地面降水。

关键词：台风降水云微物理过程数值模拟 “彩虹”台风

东北冷涡背景下飑线发展机制的理论分析和数值研究

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大气科学 2019年第2期43卷 361-371页

作者：张弛王咏青沈新勇李小凡南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心南京210044 中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴重点实验室北京100029 浙江大学地球科学学院杭州310027

在CM1模式动力框架基础上,推导出结合尺度分析得到的强对流天气发生发展的必要条件,并选择典型东北冷涡背景下的飑线过程,以200 m的高精度水平网格距进行数值模拟和对比试验,验证理论结果的同时得到东北冷涡飑线形成的条件。通过模式数... 详细信息

在CM1模式动力框架基础上,推导出结合尺度分析得到的强对流天气发生发展的必要条件,并选择典型东北冷涡背景下的飑线过程,以200 m的高精度水平网格距进行数值模拟和对比试验,验证理论结果的同时得到东北冷涡飑线形成的条件。通过模式数据做尺度分析,得到飑线系统中平流、对流以及沉降作用对水汽变量的影响最大,飑线的出现需要水汽分布和上升气流的配合,水汽相变影响次之,湍流作用相对较小。东北冷涡不同区域的模拟验证了理论分析的结果,冷涡西南侧受冷涡引导南下的冷空气影响,配合低层暖平流出现不稳定层结,结合有横向梯度的湿度场,可以形成飑线。在上升气流强的区域受水汽浓度和温度的影响在中高层容易形成强的雷达回波,两侧和积分一段时间后的低层受沉降作用的影响也会出现强的雷达回波。

关键词： CM1云模式东北冷涡飑线发展机制

利用WRF-Chem模式模拟分析人为气溶胶对台风Fitow(1323)强度及降水的影响

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大气科学 2017年第5期41卷 960-974页

作者：沈新勇姜晓岑柳笛祖繁樊曙先南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心南京210044 中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴重点实验室北京100029 耶鲁大学-南京信息工程大学大气环境中心南京210044 江苏省气象科学研究所南京210009 南京信息工程大学中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室南京210044

利用气象与化学模块在线耦合的模式WRF-Chem V3.5(Weather Research and Forecasting Model coupled to Chemistry Version 3.5)对1323号台风Fitow进行了模拟,设计无人为排放源、含人为排放源和人为排放源增加的三组模拟试验,对比分析... 详细信息

利用气象与化学模块在线耦合的模式WRF-Chem V3.5(Weather Research and Forecasting Model coupled to Chemistry Version 3.5)对1323号台风Fitow进行了模拟,设计无人为排放源、含人为排放源和人为排放源增加的三组模拟试验,对比分析了人为气溶胶对台风的影响。结果表明:人为气溶胶对台风移动路径影响较小。人为气溶胶增加,台风强度减弱,台风主体总累积降水量减少,靠近陆地阶段台风主体降水率减少。气溶胶的增多可提供更多的凝结核,台风外围云水增加,更多的云水可上升至冻结层以上形成过冷水,促进冰相粒子的形成,释放的潜热增加,使外围对流增强,降水增加。台风外围对流的发展,使低层入流的暖湿空气更多的在外围上升,向台风中心的入流减弱,眼墙的发展减弱,降水减少,台风强度减弱。台风外围的对流发展弱于眼墙的对流,降水仍以眼墙区为主,使累积降水量和降水率整体上表现为减少。

关键词：台风强度降水人为气溶胶 WRF-Chem模式

一次北京冰雹形成的数值模拟及微物理机制研究

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大气科学 2024年第5期48卷 1796-1816页

作者：朱好奇平凡谭桂容沈新勇殷蕾南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心南京210044 中国科学院大气物理研究所北京100029 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海) 珠海519082

本文利用WRF模式对2021年6月25日一次发生在北京地区的冰雹天气进行高分辨率数值模拟研究。从雷达反射率和降水来看,数值模拟基本再现了冰雹风暴的宏观特征。在此基础上分析了冰雹风暴不同发展阶段的中尺度热力、动力和微物理特征。最... 详细信息

本文利用WRF模式对2021年6月25日一次发生在北京地区的冰雹天气进行高分辨率数值模拟研究。从雷达反射率和降水来看,数值模拟基本再现了冰雹风暴的宏观特征。在此基础上分析了冰雹风暴不同发展阶段的中尺度热力、动力和微物理特征。最后通过输出微物理过程的中间转化项,着重分析雹粒子和雨滴的质量收支和潜热收支情况,给出冰雹形成的云微物理概念模型图。研究结果表明:本次冰雹过程可分为多单体回波、线状对流和飑线三个阶段。此次冰雹天气主要以雪粒子为雹胚在对流层中高层与雨水和云水发生撞冻作用形成雹粒子,雹粒子生成后不断地撞冻雨水和云水增长,冰晶直接撞冻雨水形成雹的转化率很低。气流在风暴的前部低层流入,多单体阶段的两股弱上升气流不断地合并,而线状对流和飑线阶段低层入流减弱,中高层较干冷气流的流入明显。气流在飑线阶段强烈上升,在高层向前流出。被上升气流抬升的暖湿空气与中高层流入的干冷空气相遇凝结为云水或凝华为冰相粒子,释放大量潜热,导致云内浮力增强,促进云内气流强烈上升,将有更多的云水和冰相粒子生成,同时促进了雹粒子的生成和累积。雪和雹粒子的融化吸收大量潜热,导致融化层升高,因此在飑线阶段有大量过冷雨水生成并与雪粒子发生撞冻作用形成更多的雹粒子。大雹粒子降落产生的更强的水物质拖曳力将促进低层下沉气流增强。下沉运动导致低层雨水蒸发冷却,在近地面形成冷池,与高层的潜热加热配合增强对流,从而正反馈于经向环流。环流导致的垂直上升气流促进低层的水汽抬升至融化层以上凝结形成过冷水和凝华为雪粒子,而垂直下沉气流促进雪和雹降落至融化层以下形成雨水以及雨水在融化层以下蒸发,进而正反馈于云内热力环境。如此反复,产生降雹和强降水。

关键词：冰雹 WRF模式云微物理过程云内热动力场垂直速度诊断

一次天山南脉暴雨过程的位势稳定度变化特征及地形敏感性研究

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大气科学 2024年第5期48卷 1817-1836页

作者：谢越冉令坤沈新勇黄伟周括南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心南京210044 中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴实验室北京100029 岱山县气象局岱山316200

基于ERA5再分析资料和CMORPH卫星降水数据,对2019年9月9~10日发生在天山南脉的暴雨过程进行高分辨率数值模拟,分析位势不稳定变化特征;进一步开展地形敏感性试验,利用地形追随坐标系位势稳定度倾向方程研究不同尺度地形扰动对位势不稳... 详细信息

基于ERA5再分析资料和CMORPH卫星降水数据,对2019年9月9~10日发生在天山南脉的暴雨过程进行高分辨率数值模拟,分析位势不稳定变化特征;进一步开展地形敏感性试验,利用地形追随坐标系位势稳定度倾向方程研究不同尺度地形扰动对位势不稳定变化的影响。分析结果表明:(1)暴雨发生前低层大气位势不稳定显著,而随着暴雨发生发展,不稳定能量被释放,低层大气趋于位势稳定。(2)位势散度项是位势稳定度倾向方程的重要强迫项,主要由爬流引起。经向爬流垂直切变与广义位温经向梯度的耦合项是爬流位势散度的主导项。本次暴雨发生过程中,地形扰动通过改变经向爬流的垂直切变和广义位温的经向梯度,造成位势不稳定的发展。这些结果有助于提高新疆地区的暴雨预报水平。

关键词：暴雨位势不稳定地形敏感性试验位势稳定度倾向方程

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台风麦莎登陆后粘性摩擦对正压特征波动的影响

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大气科学 2013年第6期37卷 1219-1234页

作者：沈新勇刘佳秦南南冯琎南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室南京210044 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心南京210044

本文推导出柱坐标系下含有粘性摩擦项的正压方程组。选取2005年台风麦莎登陆浙江过程中的8月6日15时的WRF(Weather Research and Forecasting)模式输出资料,利用数值差分方法对该正压方程组求特征波解,分析粘性摩擦对台风麦莎内部正压... 详细信息

本文推导出柱坐标系下含有粘性摩擦项的正压方程组。选取2005年台风麦莎登陆浙江过程中的8月6日15时的WRF(Weather Research and Forecasting)模式输出资料,利用数值差分方法对该正压方程组求特征波解,分析粘性摩擦对台风麦莎内部正压特征波动的影响。结果表明,重力惯性外波在粘性摩擦的影响下,最不稳定波的波数为45左右,波动在摩擦的影响下衰减,波动沿逆时针传播,在半径1000 km处,1波波速为47.43 m/s,在半径r>800 km的范围内,径向风分量扰动加大,辐合辐散运动增强;而摩擦影响下的涡旋Rossby波,2波最不稳定,波动增长率减小,在半径r=200 km处波动相速度为4.282~29.172 m/s,扰动涡度大值区范围减小,涡旋Rossby波的波动区域沿着径向向台风中心收缩。分析包含所有波动时,考虑摩擦后,最不稳定波数在45左右且波动衰减,1波波速在r=1000 km处(外螺旋雨带)为26.374 m/s;在半径r=200 km(内螺旋雨带)为5.275 m/s,考虑径向基本气流后,最不稳定波的波数保持不变,半径r=1000 km处的波速增加为30.324 m/s,r=200 km(内螺旋雨带)处波速为6.065 m/s,摩擦使得径向风分量扰动明显增大,辐合辐散运动加强。

关键词：台风麦莎粘性摩擦正压波动特征值问题稳定性

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强风条件下海面拖曳系数和粗糙长度研究

海洋学报 2013年第1期35卷 76-84页

作者：张荣智高志球沈新勇南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室江苏南京210044 中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室北京100029 中国民航华东地区空中交通管理局气象中心上海201105

进一步研究强风条件下海-气湍流动量交换以及海浪特征,有助于提高数值天气模式对台风强度演变、移动路径以及恶劣海况的预报能力。依照前人的方法将台风分为风向与浪向(1)相同,(2)相反,和(3)交叉3个扇形区,并结合台风路径数据,得到了浮... 详细信息

进一步研究强风条件下海-气湍流动量交换以及海浪特征,有助于提高数值天气模式对台风强度演变、移动路径以及恶劣海况的预报能力。依照前人的方法将台风分为风向与浪向(1)相同,(2)相反,和(3)交叉3个扇形区,并结合台风路径数据,得到了浮标数据相对于台风的方位。分别对3种类型的浮标数据进行分析,进而发现了波浪高度和相速度随风速增加而变化的规律。并利用GWW参数化方案计算出摩擦速度(u*)、拖曳系数(CDN)和粗糙长度(z0)。将这些结果与前人代表性的研究论文中所用观测数据和所得研究结论进行比较,结果表明二者有较强的一致性。该研究证明GWW参数化方案在强风条件下依然有很好的适用性。

关键词：台风 GWW方案浪高相速度拖曳系数粗糙长度

中尺度对流系统对台风“风神”移动路径影响的研究

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气象学报 2012年第6期70卷 1173-1187页

作者：沈新勇毕明玉张玲刘佳南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室南京210044 国家气象中心北京100081

通过卫星资料分析台风"风神"路径预报之所以出现较大的偏差,可能是由于"风神"西侧中尺度对流系统引起的。为了更好地研究中尺度对流系统对台风的影响,利用中尺度非静力数值模式WRF对"风神"的移动过程开展了高分辨率数值模拟,模拟采用双... 详细信息

通过卫星资料分析台风"风神"路径预报之所以出现较大的偏差,可能是由于"风神"西侧中尺度对流系统引起的。为了更好地研究中尺度对流系统对台风的影响,利用中尺度非静力数值模式WRF对"风神"的移动过程开展了高分辨率数值模拟,模拟采用双重嵌套,最高分辨率6km,共积分78h。利用模拟资料,采用PV-ω分部位涡反演方法定量分析了台风外围中尺度对流系统对台风运动的影响,认为PV-ω分部位涡反演方法能够很好地分离出台风外围中尺度对流系统,其对台风引导气流的贡献可达到20%左右。为验证中尺度对流系统的影响,用模式积分的方法,通过3组模拟实验,发现中尺度对流系统使台风路径偏左或偏右可能随着环境引导气流方向而改变,而在此个例中的中尺度对流系统会使得台风向西和向极移动得更远。对比研究了不同中尺度对流系统对台风的影响,发现在"风神"移动过程中,中尺度对流系统之所以引起较大影响是因为中尺度对流系统与台风相对位置变化不大所致。

关键词：中尺度对流系统位涡反演台风路径引导气流数值模拟

两种尺度低涡背景下β中尺度强对流带的演变及成因分析

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自然灾害学报 2019年第1期28卷 84-95页

作者：乔娜丁治英刘靓珂沈新勇李小凡南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心江苏南京210044 中国气象科学院灾害天气国家重点实验室北京100081 浙江大学地球科学学院浙江杭州310027

利用WRF中尺度数值模式,NCEP/NCAR再分析资料、多普勒雷达观测资料等,对2015年8月3日发生在山东地区的一次MCS过程进行数值模拟、潜热敏感性试验和对比分析,研究了在两种尺度低涡背景下MCS中β尺度强对流带的发生发展及其成因。结果表明... 详细信息

利用WRF中尺度数值模式,NCEP/NCAR再分析资料、多普勒雷达观测资料等,对2015年8月3日发生在山东地区的一次MCS过程进行数值模拟、潜热敏感性试验和对比分析,研究了在两种尺度低涡背景下MCS中β尺度强对流带的发生发展及其成因。结果表明:(1)在天气尺度的东北冷涡槽前,高层有强的高空急流存在,低层有不稳定能量释放为中尺度低涡以及对流发生提供有利背景场,低层低涡发展演变引起MCS的形成,其中伴随着β中尺度强对流带转向、合并以及弓状弯曲和暴雨的加强;(2)低层低涡切变导致多条β中尺度对流带以及小槽出现,当小槽中流场由西风-西南风变为西北风-西南风切变时,β中尺度强对流带发展并伴随小槽转竖,强对流带上南北风的加强是对流带转竖的关键;(3)由涡度方程分析,低层倾侧项对正的垂直涡度贡献最大,倾侧项中,水平涡度在垂直速度的作用下,在强对流区的前部有向正涡度的转换,在对流带合并前这种正涡度可延伸至另一个小槽中,使两个小槽的正涡度区加强合并,小槽和强对流带合并,小槽加深,槽前后南北风分别加大。在强对流带的后部为负涡度区,散度项对负涡度的贡献较大,在对流带合并期间后部散度项引起的负涡度区加大,反气旋扰动加强,导致强对流带出现弓状弯曲;(4)对流强盛前关闭潜热,导致三维风场改变,小槽减弱,扰动场分布散乱,强对流带迅速减弱消失。显见,本次过程中,潜热可引起β中尺度强对流带上小槽迅速加强有利于强对流带转竖。

关键词： β中尺度强对流带东北冷涡中尺度低涡涡度方程潜热