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低空急流与贺兰山东麓暴雨过程的相关性研究

气象 2023年第10期49卷 1171-1186页

作者：苏洋陈豫英杨侃张一星杨银中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室银川750002 宁夏气象防灾减灾重点实验室银川750002 宁夏气象台银川750002 宁夏石嘴山市气象局石嘴山753000

利用2006—2021年逐时降水、常规气象探测、银川CA雷达和ERA5高分辨率再分析资料,研究了低空急流与贺兰山东麓暴雨过程的时间和空间的相关性,并初步探讨了低空急流影响暴雨过程发生发展的可能机制。结果表明:影响贺兰山东麓暴雨过程的... 详细信息

利用2006—2021年逐时降水、常规气象探测、银川CA雷达和ERA5高分辨率再分析资料,研究了低空急流与贺兰山东麓暴雨过程的时间和空间的相关性,并初步探讨了低空急流影响暴雨过程发生发展的可能机制。结果表明:影响贺兰山东麓暴雨过程的低空急流有三个关键区,分别为河套南部、宁夏东南部和山西西南部,对应700 hPa南风急流、775 hPa偏南急流和850 hPa东南急流;宁夏东南部作为三支低空急流汇合后继续北上西进的关键区域,对贺兰山东麓暴雨过程的发生发展有着更为重要的影响。依据低空急流核所在高度,将影响贺兰山东麓暴雨过程的低空急流分为七类,其中三层急流型出现频率最高,占总过程的54.5%,其次是700和775 hPa急流同时出现的过程,占36.5%。暴雨过程与低空急流在时间上存在一致性:700、775、850 hPa急流建立较暴雨开始平均提前了18、10、7 h,700、775 hPa急流最大风速较暴雨过程最大雨强平均提前了54、18 min,而850 hPa急流最大风速较暴雨最大雨强平均滞后了12 min;850 hPa的1级急流与775 hPa的2级急流频率分别对20~40、40~60 mm·h~(-1)的短时暴雨频率指示性更强,而河套南部关键区的700 hPa平均风速对暴雨过程的最大雨强量级指示性更强。暴雨过程与低空急流在空间上也存在一致性:随着低空急流建立、加强北抬或西进、减弱东退或南压,贺兰山东麓暴雨开始、增强、减弱;暴雨落区位于急流轴的左前方。低空急流北上西进与贺兰山地形结合,在东坡山前触发多个对流单体、合并加强形成移动缓慢、发展强盛、组织化程度高、列车效应明显的带状线性回波,易在贺兰山区形成局地性强对流暴雨。

关键词：低空急流贺兰山东麓暴雨过程时空相关性影响机制

低空急流对贺兰山东麓两次暴雨影响的数值模拟研究

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干旱区研究 2022年第6期39卷 1739-1752页

作者：曹怡清隆霄李超王思懿赵建华兰州大学大气科学学院甘肃兰州730000 中国气象局兰州干旱气象研究所甘肃兰州730020

利用NCEP 1°×1°再分析资料、宁夏区域自动站观测资料、FY-2E卫星资料,通过天气学诊断和数值模拟的方法对发生在贺兰山东麓的2018年7月18—19日和2017年6月4—5日两次伴随低空急流的暴雨过程进行对比分析。结果表明:(1)“7·18”过程... 详细信息

利用NCEP 1°×1°再分析资料、宁夏区域自动站观测资料、FY-2E卫星资料,通过天气学诊断和数值模拟的方法对发生在贺兰山东麓的2018年7月18—19日和2017年6月4—5日两次伴随低空急流的暴雨过程进行对比分析。结果表明:(1)“7·18”过程是在500 hPa“东高西低”的环流背景下高空槽和偏南急流共同作用产生的局地短时暴雨,而“6·04”过程则是稳定大槽和东南急流影响下形成的大范围持续性降水过程。(2)低空急流对两次暴雨过程的影响存在差异可能是急流分布形态不同所致,“7·18”过程暴雨发生前的低空偏南急流主要起到输送水汽的作用,当急流加强与贺兰山山体相互作用后诱发暴雨,且偏南急流偏转为西南急流,低空急流转向后与暴雨相互促进使降水加强;而“6·04”暴雨过程中宁夏北部地区一直处在中尺度低涡东南侧和东南急流左侧的有利动力条件下。(3)数值敏感性试验的结果表明,减弱低空急流后,两次暴雨过程的降水强度均减弱,减小的区域分别位于贺兰山山区和宁夏平原中部地区,其中低空急流中的南风分量对降水的强度有重要影响。(4)诊断分析结果显示,低空急流对“7·18”过程的影响主要体现在加强迎风坡垂直运动的动力作用,对“6·04”过程的影响则主要体现在急流左侧的动力辐合抬升作用,急流强度减弱对“7·18”过程水汽输送的影响较“6·04”过程更大。

关键词：贺兰山低空急流数值模拟诊断分析暴雨

低空急流高度变化对水平轴风力机气动载荷的影响

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中国电机工程学报 2019年第10期39卷 2980-2986页

作者：张旭耀杨从新何攀张亚光金锐兰州理工大学能源与动力工程学院甘肃省兰州市730050

对比分别由Great Plains Low-Level Jet谱模型和基于平面壁面射流原理建立的低空急流工程化模型得到的平均风速廓线,确定低空急流工程化模型中的参数。在此基础上,基于Von Karman谱和低空急流工程化模型建立不同高度的低空急流脉动风场... 详细信息

对比分别由Great Plains Low-Level Jet谱模型和基于平面壁面射流原理建立的低空急流工程化模型得到的平均风速廓线,确定低空急流工程化模型中的参数。在此基础上,基于Von Karman谱和低空急流工程化模型建立不同高度的低空急流脉动风场,并将其作为FAST开源代码的输入条件计算和分析水平轴风力机的气动载荷。研究表明:当急流强度一定,急流高度由风轮扫掠面的底部位置增加到顶部位置时,风轮气动载荷发生了明显的变化,与最小值相比,风轮推力、横向力、纵向力、转矩、偏航力矩和倾覆力矩系数均方根的最大值分别增加了12.9%、75.6%、73.4%、27.7%、99.9%和98.5%。在低空急流条件下,风轮转矩和推力功率谱曲线峰值的频率与叶片通过频率的整数倍相关。研究结果可为低空急流条件下水平轴风力机气动载荷的分析提供参考。

关键词：低空急流水平轴风力机气动载荷

低空急流结构变化对水平轴风力机气动性能的影响

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太阳能学报 2020年第5期41卷 107-113页

作者：杨从新罗颂李寿图张旭耀兰州理工大学能源与动力工程学院兰州730050

为了解低空急流结构变化对水平轴风力机气动性能的影响,以一台1.5 MW的三叶片变速变桨型风力机作为研究对象,通过数值计算的方法进行模拟,选取3组急流宽度和5组急流强度作为变化的低空急流结构特征进行研究,得到以下结论:急流宽度增加,... 详细信息

为了解低空急流结构变化对水平轴风力机气动性能的影响,以一台1.5 MW的三叶片变速变桨型风力机作为研究对象,通过数值计算的方法进行模拟,选取3组急流宽度和5组急流强度作为变化的低空急流结构特征进行研究,得到以下结论:急流宽度增加,风轮功率和推力增加,但增长率下降;急流强度增加,风轮功率和推力增加。急流宽度或急流强度增加都会使得叶片吸力面失速区扩大,流动分离线前移,但两者的影响方式不同。急流宽度或急流强度增加时,叶片各截面的压力系数增加;各截面单位展长上的法向力和切向力总趋势是随急流宽度或急流强度的增加而增加,但由于叶片的失速状况不一样,在部分截面法向力和切向力会出现与总体趋势不同的现象。急流高度作为低空急流的另一重要特征,将在未来的工作中探索其对水平轴风力机气动性能的影响。

关键词：风力机空气动力学计算流体力学低空急流水平轴

低空急流条件下水平轴风力机风轮气动特性的研究

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太阳能学报 2021年第3期42卷 1-8页

作者：张旭耀杨从新金锐张亚光何攀兰州理工大学能源与动力工程学院兰州730050

为阐明低空急流条件下风力机风轮的气动特性,基于工程化的边界层风速模型和Von Karman谱模型建立不同来流的脉动风场,对比研究低空急流条件下NREL 5 MW风力机风轮的输出功率和气动载荷的变化规律。结果表明:如果仅以轮毂高度处的风速作... 详细信息

为阐明低空急流条件下风力机风轮的气动特性,基于工程化的边界层风速模型和Von Karman谱模型建立不同来流的脉动风场,对比研究低空急流条件下NREL 5 MW风力机风轮的输出功率和气动载荷的变化规律。结果表明:如果仅以轮毂高度处的风速作为风力机变桨控制的依据,与均匀来流和剪切来流相比较,低空急流条件下,虽然来流风功率明显增大,但风轮的输出功率在较高风速时反而减小;风轮所受的不平衡气动载荷,包括横向力、纵向力、偏航力矩和倾覆力矩在较高风速时小于剪切来流的结果;且仅以轮毂高度处的风速预测得到的风轮输出功率高于实际结果,其最大相对误差为89.4%。因此,低空急流条件下,为提高风能利用率和风轮输出功率的预测精度,应考虑不同高度位置处的风速大小对风力机进行变桨控制和功率预测。

关键词：低空急流风剪切风力机风轮输出功率气动载荷

低空急流与北京城市边界层特征的观测与模拟研究

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低空急流与北京城市边界层特征的观测与模拟研究

作者：林逸南京信息工程大学

学位级别：硕士

本文利用2016年8月28日-9月2日北京小球加密探空资料、自动气象站点数据及WRF模式模拟结果,概括低空急流与城市热岛的基本特征,讨论了低空急流对城市边界层中温、湿环境的影响。此外,运用GRAPES三维变分同化技术加入小球探空资料进行模... 详细信息

本文利用2016年8月28日-9月2日北京小球加密探空资料、自动气象站点数据及WRF模式模拟结果,概括低空急流与城市热岛的基本特征,讨论了低空急流对城市边界层中温、湿环境的影响。此外,运用GRAPES三维变分同化技术加入小球探空资料进行模拟,分析低空急流背景下的边界层结构特征,总结了不同时刻单次同化、循环同化对边界层中各气象要素的影响。主要结论如下:低空急流频发时段为夜间至清晨过渡期。城区急流高度更高、强度更弱、持续时间更短。热岛在日出后消散、日落形成,夜间持续且强度维持在较大值;垂直发展表现为从地面向上发展,近地面热岛强度最强,向上逐渐减弱。低空急流对城市边界层中热岛、干岛的影响表现为:(1)4)在城郊站点均小于0.25,高空动量向下传递,增大的近地面风速将热量从城区向下游输送到郊区,使冠层热岛向下风漂移,面积扩大约1.00×10 km。(2)风切是城市边界层湍流动能增强的主要机制。急流增强了城区上空的垂直混合,近地面湍流动能达0.52 m/s,在较高的高度仍存在热量混合,导致城区近地面的垂直温度递减率仅为0.3℃/100m,不及无急流时(0.7℃/100m)的一半,使热岛垂直发展高度上升至200 m。(3)在200 m以下暖平流可使城区下游温度升高8.5℃/h,高空温度平流输送使边界层热岛的三维结构向下风方向倾斜,最终表现为烟羽尾流状。(4)冠层城市热岛在形状和范围大小上均与干岛有较好的对应关系,急流对热岛的影响同样也作用于干岛。资料同化对边界层模拟的影响表现为:(1)单次同化中在急流发生时刻加入加密探空资料对于急流模拟效果的改善显著,风速的均方根误差相较于控制实验减小1.1 m/s,相关系数提高0.19,偏差减小43%;急流强度误差减小2.0 m/s,高度与观测一致,位置及范围均符合观测分布结果。(2)循环同化结果优于单次同化,每3h循环同化效果略好于每6h同化。每3h循环同化的风场有明显的位置订正和急流强度模拟的改善,模拟出了城郊逆温的存在,北边郊区近地面温度高,体现了急流将热量由城区向下游郊区输送的作用。(3)循环同化的预报效果优于单次同化,预报准确度在前3h最佳,随后误差增大。每3h循环同化在预报3h后风速的相关系数仍大于0.9,均方根误差在1.0-1.1m/s之间,偏差小于10%,优于其他方案同化效果。

关键词：低空急流城市边界层三维结构城市热岛资料同化

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南疆西部春季一次极端暴雪天气综合分析

干旱区地理 2022年第1期45卷 131-140页

作者：施俊杰孙鸣婧吕新生张俊兰李火青新疆维吾尔自治区气象台新疆乌鲁木齐830002 中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所新疆乌鲁木齐830002

利用FY2E卫星资料,多普勒天气雷达产品,常规高空及地面观测数据和美国气象环境预报中心(NCEP,0.25°×0.25°)再分析资料,对2017年3月3—6日南疆西部一场极端暴雪过程进行综合分析。结果表明:500 hPa中亚低涡是此次极端暴雪天气的影响... 详细信息

利用FY2E卫星资料,多普勒天气雷达产品,常规高空及地面观测数据和美国气象环境预报中心(NCEP,0.25°×0.25°)再分析资料,对2017年3月3—6日南疆西部一场极端暴雪过程进行综合分析。结果表明:500 hPa中亚低涡是此次极端暴雪天气的影响系统。暴雪的水汽主要有3支输送路径,分别是中高层的偏西、偏南和中低层的偏东路径。本次降雪具有冷季高架对流的部分特征:南疆盆地850~700 hPa冷空气东灌形成的偏东急流将南疆西部相对暖湿的空气抬升到一定高度,起到"冷垫"的作用;在卫星云图上,降雪云带内有黑体亮温(TBB)40 dBZ,回波顶高>6 km;进一步分析地转绝对动量(Mg)和假相当位温(θse)发现,条件性对称不稳定导致的倾斜对流导致强降雪发生。

关键词：暴雪低空急流不稳定机制倾斜对流南疆西部

夏季两次不同强度暴雨过程的低空急流特征及其作用对比分析

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气象 2022年第11期48卷 1384-1401页

作者：李青春程丛兰全继萍陈敏窦有俊仲跻芹北京城市气象研究院北京100089

为了揭示北京地区夏季暴雨形成过程中的低空急流成因、结构特征及其作用,利用风廓线雷达测风数据、NCEP/GFS再分析资料(0.5°×0.5°)、国家级地面气象观测站和区域自动气象站小时降水量观测数据,对两次不同天气系统类型和强度等级的暴... 详细信息

为了揭示北京地区夏季暴雨形成过程中的低空急流成因、结构特征及其作用,利用风廓线雷达测风数据、NCEP/GFS再分析资料(0.5°×0.5°)、国家级地面气象观测站和区域自动气象站小时降水量观测数据,对两次不同天气系统类型和强度等级的暴雨过程开展对比分析,得到结论如下:2018年7月16日(简称“7·16”)北京特大暴雨是在副热带高压边缘低空西南急流的影响下形成的,低涡低槽东移发展、低空急流不断加强,加之地形辐合线的影响,为大暴雨的发生提供了极为有利的低空水汽输送、辐合和抬升条件。2019年7月22日(简称“7·22”)北京暴雨是在高空槽前低空急流的影响下形成的,低空急流是由高空急流东移、下传所产生,低空水汽输送和辐合作用相对较小。在两次暴雨过程中的强降水发生前3 h,均出现低空急流强度增大、低空急流最低高度下降、低空急流指数激增、1500 m以下出现明显的垂直风切变并且逐渐增大等特征。在“7·16”暴雨过程中,边界层急流遇到山脉地形触发了对流新生,低空急流、地形辐合线共同作用使对流系统不断发展和组织化,是沿山地区极端强降水形成的关键原因。低空急流特征量(低空最大风速、急流最低高度和低空急流指数)和1500 m以下的垂直风切变大小对强降水的发生具有重要的指示意义。

关键词：北京暴雨低空急流边界层急流垂直风切变地形辐合线风廓线雷达

豫北“21·7”极端暴雨过程特征及成因分析

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气象 2022年第5期48卷 556-570页

作者：苏爱芳席乐吕晓娜崔丽曼张宁中国气象局(河南)农业气象保障与应用技术重点实验室郑州450003 河南省气象台郑州450003

利用探空、地面自动站、多普勒雷达等观测资料及ERA5再分析产品,对2021年7月17—22日豫北地区的极端暴雨过程进行分析。结果表明,极端暴雨过程具有强降水持续时间长、降水强度极端及地形影响明显等特征。极端暴雨过程发生于稳定的大尺... 详细信息

利用探空、地面自动站、多普勒雷达等观测资料及ERA5再分析产品,对2021年7月17—22日豫北地区的极端暴雨过程进行分析。结果表明,极端暴雨过程具有强降水持续时间长、降水强度极端及地形影响明显等特征。极端暴雨过程发生于稳定的大尺度天气形势下,在日本海高压西伸及台风烟花(2106号)、查帕卡(2107号)西北行背景下,黄淮低涡外围加强北上的东南急流/偏南急流为强降水的发生提供了异常充足的水汽、能量条件,对流层中低层暖湿平流强迫、叠加地形影响的强动力辐合抬升作用及低空弱冷空气扩散南下是形成强降水的重要条件,而大气“强-弱-强-弱”的对流不稳定层结特征转化说明强降水过程中存在着两种互补的物理机制。不同阶段极端短时强降水(小时降水量≥50 mm)对流系统的形态结构和发展演变特征不同,但从雷达回波的垂直分布来看,系统均具有“低质心”特征,质心强度≥55 dBz且≥50 dBz强回波垂直伸展至5~8 km、持续时间1 h以上。强降水对流系统在太行山前30 km左右范围内的后向发展特征明显,一方面与地面西行偏东风/东北风在太行山绕流作用下形成的地形辐合线不断南伸有关,另一方面也与强降水冷池效应促使山前偏北风进一步发展南下有关。

关键词：极端暴雨极端短时强降水对流系统低空急流地形冷池豫北