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2016年北京“7·20”特大暴雨降水物理过程模拟诊断研究

大气科学 2022年第2期46卷 359-379页

作者：陆婷婷崔晓鹏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 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 中国气象局沈阳大气环境研究所沈阳110166 中国科学院大学北京100049 宁波市气象台宁波315012

利用WRF模式,结合三维降水诊断方程,对2016年北京“7·20”特大暴雨过程主降水时段的强降水物理过程开展了高分辨率模拟诊断分析。结果显示:降水峰值时刻前,强盛水汽辐合支撑强降水,同时加湿大气,后期,水汽辐合显著减弱,降水造成局地大... 详细信息

利用WRF模式,结合三维降水诊断方程,对2016年北京“7·20”特大暴雨过程主降水时段的强降水物理过程开展了高分辨率模拟诊断分析。结果显示:降水峰值时刻前,强盛水汽辐合支撑强降水,同时加湿大气,后期,水汽辐合显著减弱,降水造成局地大气中水汽含量明显减少;降水峰值时刻前,水汽辐合、凝结和液相水凝物辐合共同助力强降水云系快速发展,后期,动力辐合作用减弱以及水凝物持续消耗和辐散,导致水凝物含量显著减少,降水系统逐步瓦解;主降水时段,垂直上升运动强度和垂直扩展范围逐步增大,并在降水峰值时刻达最大,之后减弱收缩;上升运动峰值高度从初期位于零度层上逐步降到零度层附近,进而回落到零度层之下,伴随“弱—强—弱”的降水强度变化;上升运动控制下,水凝物含量变化明显,但不同水凝物变化幅度不一,霰粒子和雨滴增幅最显著,并于降水峰值时刻含量达最大,随后减小,其他水凝物由于微物理转化和动力辐散等过程,导致其含量的变化幅度弱于上述两者。本文研究同时指出,不同微物理参数化方案对“7·20”特大暴雨强降水物理过程的可能影响以及不同强度降水物理过程的差异,值得深入研究。

关键词： “7·20”特大暴雨降水物理过程三维降水诊断方程

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中国东部降水云中的水凝物气候态特征及其与降水关系的研究

中国东部降水云中的水凝物气候态特征及其与降水关系的研究

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作者：唐蓝芝中国气象科学研究院

学位级别：硕士

本文利用最新的ERA5再分析资料分析了1979-2020年5-8月中国东部地区(华南、江淮和华北)降水云中四种水凝物(云水、雨水、云冰和雪)的长期气候态特征及其与地面降水的定量关系,并通过WRF中尺度模式探究了2021年7月20日河南郑州特大暴雨... 详细信息

本文利用最新的ERA5再分析资料分析了1979-2020年5-8月中国东部地区(华南、江淮和华北)降水云中四种水凝物(云水、雨水、云冰和雪)的长期气候态特征及其与地面降水的定量关系,并通过WRF中尺度模式探究了2021年7月20日河南郑州特大暴雨中水凝物及相变潜热过程对降水强度的作用,从浮力角度分析了云微物理过程对降水发生机制的影响。关于水凝物的长期分布特征,受到大尺度环流和水汽分布的影响,云水路径由南向北依次减少,华南地区最大值为180 g m,约为华北地区的2倍。雨水路径大值区(>50 g m)分别位于华南地区西南部、江淮地区东南部及台湾岛,其分布形态与地面降水基本一致。研究表明,云水路径与地面降水存在正相关关系,但是当降水强度增大到15 mm h后,云水路径达到饱和,即不再随雨强而增加。雨水路径与地面降水之间呈明显的线性关系,华南地区斜率值最大(5.68 h),说明该地区雨水向降水的转化率最高。当降水率超过15mm h时,华南地区的冰相水凝物含量变为三个地区中最大的,反映冷雨过程在华南强降水中的重要作用。在区域平均的日变化演变中,三地区云水路径的峰值均提前于降水峰值2-3小时。华南及江淮地区冰相粒子的峰值滞后午后降水峰值2小时和1小时,而在华北地区两者基本同相位,这是由对流层中高层的上升速度和水汽辐合不同所致。此外,三维降水诊断方程可更准确地计算降水与水汽、水凝物之间的关系。水汽相关过程(水汽局地变化、水汽通量散度、地表蒸发)主导着降水强度的演变,而水凝物相关过程(水凝物局地变化、水凝物通量散度)虽然对月平均降水的贡献一般仅为-5%-5%,但其与水汽过程可联合调制强降水中心的位置。针对一次强降水个例(郑州暴雨)的模拟表明,水汽通量辐合是产生极端降水的关键,但在降水早期水凝物相关过程对降水的贡献亦不可忽视(可达30%-50%)。液态水凝物在降水过程中一直促进降水的增加,而4-8km高度固态水凝物的辐散导致其在降水中后期的贡献转为负。大气低层表现为热源,相变潜热释放的热量大部分被上升气流输送到高层,促进大气中上层位温增加,再通过高层水平风向外辐散,减弱高层大气加热效应。此外,水凝物相变潜热过程显著影响着大气的浮力分布及垂直速度,云水凝结潜热加热率最大,覆盖范围也最广,凝华潜热释放中心位置最高(可超过10km)。相变潜热中心和垂直速度、浮力中心三者位置接近,但低层关系复杂。本文首次给出了我国东部地区42年夏季降水云中的水凝物长期空间分布特征及其对降水演变的可能影响,得到了强降水下水凝物相关过程及微物理相变潜热对降水强度的作用,并精细化了云中热动力结构,研究结果有助于从云尺度视角深化水凝物对降水机制影响的理解。

关键词：水凝物气候态特征三维降水诊断方程 ERA5 云微物理过程

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“威马逊”(1409)强降水物理过程模拟诊断研究

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大气科学 2020年第6期44卷 1320-1336页

作者：薛一迪崔晓鹏中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴科学院重点实验室北京100029 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 中国科学院大学北京100049

利用WRF模式,结合三维降水诊断方程和降水效率定义,针对1409号超强台风"威马逊"临岸迅速加强为超强台风并登陆我国华南沿海这一时段的强降水物理过程开展了高分辨率数值模拟诊断研究。结果表明,"威马逊"主体环流区域内一直维持很强的平... 详细信息

利用WRF模式,结合三维降水诊断方程和降水效率定义,针对1409号超强台风"威马逊"临岸迅速加强为超强台风并登陆我国华南沿海这一时段的强降水物理过程开展了高分辨率数值模拟诊断研究。结果表明,"威马逊"主体环流区域内一直维持很强的平均降水强度(PS),陆地和海洋PS的相对贡献基本呈反向变化,登陆期间陆面摩擦辐合增强,有利于水汽更多地向陆地区域辐合(QWVA代表垂直积分的三维水汽通量辐合/辐散率,此时段QWVA为正值),造成登陆前短时段内陆地上空局地大气增湿(QWVL代表垂直积分的水汽局地变化率的负值,此时段QWVL为负值),借助云微物理过程快速转化为液相和固相云水凝物(QCLL和QCIL分别代表垂直积分的液相和固相云水凝物局地变化率的负值,此时段QCLL和QCIL为负值),促使陆地上空降水云系快速发展和降水强度增强,而当环流中心位于北部湾洋面时,海洋QWVA的相对贡献显著增强,登陆期间下垫面的变化导致水汽相关物理过程明显变化,进而造成降水云系和强降水中心的显著变化;与陆地相比,海洋表面蒸发的作用更强,变化更明显;"威马逊"影响华南沿海期间,主体环流圈内平均的QCLL和QCIL均基本呈现"正—负—正"的变化特征,当环流中心位于北部湾洋面(三次登陆时期)时水凝物含量以增加(减少)为主;"威马逊"主体环流区域内一直维持高降水效率,从主体环流圈接触陆地开始,陆地降水效率迅速升高,而海洋降水效率在绝大多数积分时段内维持较高数值,只在第二和第三次登陆后有所降低。

关键词：登陆热带气旋主体环流圈强降水物理过程降水效率三维降水诊断方程

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热带气旋“苏迪罗”(2015)海上活动时段降水物理过程模拟诊断研究——海表温度敏感性试验

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大气科学 2019年第5期43卷 1125-1142页

作者：王晓慧崔晓鹏郝世峰姜嘉俊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 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 中国科学院大学北京100049 浙江省气象台杭州310017 宁波市海曙区气象局浙江宁波315012 宁波市气象局浙江宁波315012

利用WRF模式,在前期工作(王晓慧等,2018)模拟试验基础上,设计敏感性试验,借助三维降水诊断方程,分析揭示了海表温度(SST)变化对热带气旋(TC)'苏迪罗'(2015)海上活动时段降水物理过程的可能影响。对照试验(CTL试验:SST随时间变化)和敏感... 详细信息

利用WRF模式,在前期工作(王晓慧等,2018)模拟试验基础上,设计敏感性试验,借助三维降水诊断方程,分析揭示了海表温度(SST)变化对热带气旋(TC)'苏迪罗'(2015)海上活动时段降水物理过程的可能影响。对照试验(CTL试验:SST随时间变化)和敏感性试验(SNC试验:SST固定为初始值)的SST存在明显差异(CTL试验平均SST低于SNC试验)。对比分析表明:两试验模拟的海上时段TC路径差异不大,但SNC试验模拟的TC强度较CTL试验偏强;TC环流区域内,两试验垂直速度差值在对流层基本为正(SNC试验上升运动更强),随着SST差值不断增大,垂直运动差值也不断加大;SNC试验的降水强度(PS)大于CTL试验,但PS差值随SST差值增大并非线性变化,体现了PS变化的复杂性;SNC试验的QWVA(垂直积分的三维水汽通量辐合/辐散率)均基本大于CTL试验(后期差别更大),SST的不同可通过影响垂直运动,造成QWVA的差异,进而影响PS;分析时段内,两试验TC环流区域大气均持续变干(正值QWVL),且存在较明显海面蒸发(正值QWVE),其中,两试验之间的QWVL差异不明显,但SNC试验的QWVE总体上强于CTL试验(尤其是分析时段中后期);两试验间云相关过程变率差异的时间变化复杂,最大差异量级与QWVE相当;SST对水凝物发展和深对流活动有一定影响,伴随SST差异的逐渐增大,水凝物含量差异也逐渐增大,液相水凝物中,雨滴差异较大,而与液相水凝物相比,冰相水凝物差异更为突出,尤其是较大的冰相粒子(雪和霰);SNC试验中,零度层下更多的霰粒子和雨滴,在更强上升运动配合下,有助于云滴和雨滴碰并(Pracw)及霰粒子融化(Pgmlt)微物理过程的加强,进而造成更强降水。TC环流区域时间和空间平均的物理量对比分析揭示,两试验降水物理过程定性上基本相似,但定量上存在明显不同,SNC试验的PS与CTL试验相比,增幅达8.8%,这种差异主要源于降水宏、微观物理过程的差异,其中,不同SST环境下QWVE的差异最为显著。

关键词：降水物理过程热带气旋海表温度三维降水诊断方程

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