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2020年“6·26”四川冕宁暴雨降水物理过程模拟诊断研究

大气科学 2025年第1期49卷 211-228页

作者：齐铎崔晓鹏邹强利姜柔伊高华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 黑龙江省气象台哈尔滨150030 北京城市气象研究院北京100089

利用WRF模式,借助三维降水诊断方程和降水效率定义,针对2020年6月26日四川冕宁一次突发性暴雨过程开展高分辨率数值模拟诊断研究,从不同强度降水的垂直动力结构、水凝物分布及各种宏微观过程对降水的贡献等角度进行对比分析,进一步揭示... 详细信息

利用WRF模式,借助三维降水诊断方程和降水效率定义,针对2020年6月26日四川冕宁一次突发性暴雨过程开展高分辨率数值模拟诊断研究,从不同强度降水的垂直动力结构、水凝物分布及各种宏微观过程对降水的贡献等角度进行对比分析,进一步揭示复杂地形区强降水过程中与水物质(水汽和各种水凝物)相关的宏微观特征。结果表明,此次冕宁暴雨过程可分为两个阶段:第一阶段(6月26日18:00~22:00;北京时,下同),强降水区上升运动强度最大,在水汽辐合达最强的同时,促使较弱降水区的液相水凝物向强降水区辐合,强降水区收集的丰富液相水凝物一部分转化为冰相水凝物供应云系增长(此时>35 dBZ的对流性回波伸展高度最高),另一部分转化为强降水降至地面,造成第一阶段的强降水发生;第二阶段(26日23:00至27日01:00),强降水区的局地上升运动有所减弱,导致强降水区液相水凝物辐合减弱,但仍保持强烈的水汽辐合,上升运动极值中心有所降低,有助于云、雨滴碰并和水汽凝结等过程发生,上升运动呈现双极值分布,回波强度在垂直方向表现为强—弱—强的结构,高层云中的冰相粒子对低层云系具有一定播撒效应,有助于液相水凝物高效转化为强降水。不同降水强度间的降水效率差异显著,变化范围为5%~70%,越大的降水效率对应越强的地面降水。

关键词：四川暴雨高分辨率数值模拟三维降水诊断方程降水效率

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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

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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... 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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北京暴雨水汽来源统计及降水物理过程模拟研究

北京暴雨水汽来源统计及降水物理过程模拟研究

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作者：陆婷婷中国科学院大学

学位级别：博士

北京受暴雨影响严重，在全球变化和持续城镇化的背景下，遭受暴雨灾害袭击可能性不断加大，致灾风险严峻，相关暴雨形成机理研究具有极其重要的理论与现实意义。本论文聚焦北京地区的暴雨，以“特大暴雨过程观测对比→暴雨日水汽来源定... 详细信息

北京受暴雨影响严重，在全球变化和持续城镇化的背景下，遭受暴雨灾害袭击可能性不断加大，致灾风险严峻，相关暴雨形成机理研究具有极其重要的理论与现实意义。本论文聚焦北京地区的暴雨，以“特大暴雨过程观测对比→暴雨日水汽来源定量统计→高分辨率数值模拟和降水物理过程诊断→不同强度降水物理过程分析→降水物理过程对云微物理方案敏感性分析”为研究思路和主线，以精细化观测对比、水汽来源轨迹追踪和源区定量贡献分析、高分辨率数值模拟、三维降水诊断方程等为主要研究手段，开展北京暴雨水汽来源统计及降水物理过程模拟研究，主要结论如下:　　从短历时降水事件和水汽来源定量分析等多个角度，对北京地区两次特大暴雨过程（2012年“7·21”和2016年“7·20”）开展对比。发现两次特大暴雨过程存在显著不同。尽管两次过程均在中高纬“两脊一槽”环流形势和副高控制下发生，但“7·20”过程中纬度高空槽更强、更深，南压明显，与副高相互作用显著，低空急流更强，而“7·21”过程副高相对偏北、偏西，且南侧有热带气旋活动;“7·21”过程历时更短、雨势更强，其主降水时段对流有效位能显著，暖区对流性强降水主导，而“7·20”过程对流有效位能小，以低涡系统性降水为主;两次过程主降水时段中，不同强度等级的小时雨量站点数占比差异较大，短历时降水事件累积雨量、持续时间、5分钟和小时最大雨量差异明显，其中，“7·20”过程上述统计量明显低于“7·21”过程;“7·21”过程短历时强降水事件站点分布广、占比大，而“7·20”过程短历时弱和中等强度降水事件站点分布更广;两次过程目标气块轨迹有所不同，但在向北京区域行进过程中，均发生不同程度水汽摄取和释放，而不同区域摄取和释放程度不同，中国中东部及沿海地区水汽摄取总量和对北京降水贡献率在两次过程中均相对最大，但“7·21”过程上述区域摄取量和贡献率极为突出，而“7·20”过程中，印度半岛-孟加拉湾-中南半岛、中国南海和西北太平洋及日本海地区亦贡献明显。　　借助水汽来源定量分析方法，分析揭示了2009-2013年暖季(5-9月)北京暴雨日的水汽源区、输送路径和源区定量贡献。发现，目标气块初始源地和运动轨迹分布广泛，尽管大量气块来自亚洲西部、我国西北部和青藏高原等地，但多数所处高度相对较高，距离北京相对较远，对北京暴雨贡献有限，而源自其他区域的气块多数所处高度较低，且不少气块源自或途经水面，水汽摄取能力更强;目标气块到达北京前，经历了多次不同程度的水汽摄取和释放，其中，华北和华中及其沿海区域摄取和释放最显著;暴雨日水汽主要来自我国中东部大陆及沿海，其中，华北和华中大陆及沿海地区贡献显著大(65.8％)，而亚洲西部-中国西北部-青藏高原地区(7.34％)和华南大陆及沿海(8.16％)贡献相当;目标气块从华北和华中大陆及沿海地区摄取的水汽总量最大，而在暴雨区释放部分仅占6.9％，但由于摄取总量巨大，对暴雨日贡献远高于其他区域;亚洲西部-中国西北部-青藏高原地区水汽摄取总量排在第二位，但沿途损失占比显著，然而由于摄取总量明显高于华南大陆及沿海，造成其与后者贡献相当;华南大陆及沿海地区水汽摄取总量与俄罗斯南部-贝加尔湖附近地区相当，但由于相对较低的沿途损失率，造成前者水汽贡献明显高于后者。　　为了深入认识和揭示北京暴雨过程中的宏微观物理过程以及作用，利用数值模式和三维降水诊断方程对“7·20”过程开展模拟研究，结果表明，“7·20”过程降水强度达峰值前，强盛水汽通量辐合(QWVA)支撑强降水，同时加湿大气，强降水后期，QWVA显著减弱，局地大气中水汽含量明显减少;云水凝物收支由水凝物局地变化和通量辐合/辐散过程主导，降水强度达峰值前，强烈水汽辐合和凝结导致液相水凝物显著增加，伴随区域内已有的液相水凝物的显著辐合，降水云系快速发展，后期，北京区域内强对流性回波消散，动力辐合作用减弱，同时，由于液相水凝物向冰相水凝物持续转化和降水消耗，液相水凝物含量显著减少，降水系统逐步瓦解;伴随主降水时段对流系统发展，上升运动量值和垂直扩展范围增大，于降水峰值时刻达最大，之后逐渐减弱和收缩;且峰值高度由零度层之上逐渐掉落至零度层之下，受其影响，水凝物含量显著变化，但不同水凝物变幅不一，霰和雨滴增幅最显著，其中，雨滴变化与降水强度变化直接相关，而霰粒子可通过降落到零度层下的融化过程与降水联系起来，其他水凝物由于微物理转化和动力辐散等影响，含量变幅弱于上述两者。　　借助不同降水强度分档对比分析，发现，“7·20”过程中，5-20和20-50mm两档降水总量占比相当，均大于其他档，20-50和50-mm两档时间变化较明显，对降水总量变化起明显调节作用;最强降水时期，上升速度峰值整体上位于对流层中层，后期，上升运动垂直分布范围收缩，降水强度迅速衰减;降水强度越强，上升运动越强，但不

关键词：暴雨水汽来源源区定量贡献降水物理过程三维降水诊断方程数值模拟敏感性试验

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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... 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... 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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