干旱区研究 ›› 2024, Vol. 41 ›› Issue (8): 1272-1287.doi: 10.13866/j.azr.2024.08.02 cstr: 32277.14.AZR.20240802
李超1,2(), 隆霄1(), 曹怡清1, 韩子霏3, 王号1, 郑景元1
收稿日期:
2024-01-19
修回日期:
2024-04-16
出版日期:
2024-08-15
发布日期:
2024-08-22
通讯作者:
隆霄. E-mail: longxiao@lzu.edu.cn作者简介:
李超(1998-),男,助理工程师,主要从事中尺度大气动力学和中尺度数值天气预报研究. E-mail: lichao_meso@qq.com
基金资助:
LI Chao1,2(), LONG Xiao1(), CAO Yiqing1, HAN Zifei3, WANG Hao1, ZHENG Jingyuan1
Received:
2024-01-19
Revised:
2024-04-16
Published:
2024-08-15
Online:
2024-08-22
摘要:
地形降水是我国西北地区最主要的降水类型之一,加深其形成机理的认识对提高预报能力有重要意义。本文以贺兰山东麓地区20次暴雨过程中的高空环境参数为基础构建不同类型风场垂直分布结构,利用WRF模式中的em_hill2d_x模块开展不同类型风场对降水模态影响的理想数值试验。结果表明:(1) 有/无风垂直切变的两种不同类型干气流过山后其迎风坡均表现为地形对迎风坡气流的抬升作用,而背风坡波动表现出明显不同的变化特征,单层均一气流条件下背风坡主要表现为沿垂直方向传播的过山波,低空存在风切变的风场条件下背风侧主要体现背风波的特征,重力波呈水平与垂直传播共存的特征,且随着低空风切变增强水平传播的背风波特征越来越明显。(2) 单层均一湿气流条件下模拟的降水主要位于迎风侧,背风侧在较强的下坡风影响下,降水强度相对较弱。当风速增大至10 m·s-1以上时,迎风侧云水含量大值区向山顶汇集,降水强度显著增强。低空存在风切变湿气流过山试验结果显示在迎风侧与背风侧均存在较强的降水中心,背风坡存在一深对流系统,随着风速增大,两侧降水均增强。(3) 在低空东风高空西风的条件下,背风侧降水显著减弱,降水更加集中于上游山顶附近,强度也有一定的增强,这与高空西风的出现使迎风坡上升气流加强,且不利于水汽向下游的输送有关,这是贺兰山脉两侧降水特征存在显著差异的主要原因之一。
李超, 隆霄, 曹怡清, 韩子霏, 王号, 郑景元. 不同风场结构下贺兰山地形降水的理想数值试验[J]. 干旱区研究, 2024, 41(8): 1272-1287.
LI Chao, LONG Xiao, CAO Yiqing, HAN Zifei, WANG Hao, ZHENG Jingyuan. Ideal numerical tests of topographic precipitation around the Helan Mountain under different wind field structures[J]. Arid Zone Research, 2024, 41(8): 1272-1287.
表1
暴雨过程"
暴雨时段(北京时) | 持续时间/h | 最大雨量/mm |
---|---|---|
2009年7月7日8:00—8日7:00 | 24 | 汝箕沟107.6 |
2012年7月29日20:00—30日11:00 | 16 | 滚钟口174.3 |
2015年9月3日4:00—4日1:00 | 21 | 小口子65.9 |
2015年9月8日1:00—8日20:00 | 20 | 八顷村69.6 |
2016年7月24日5:00—12:00 | 8 | 灵武煤矿89.5 |
2016年8月13日15:00—14日14:00 | 24 | 王老滩110.2 |
2016年8月21日19:00—22日8:00 | 14 | 滑雪场241.7 |
2016年8月22日22:00—23日6:00 | 9 | 路家营子村57 |
2017年6月4日15:00—5日10:00 | 20 | 黄旗口沟116.5 |
2017年7月25日20:00—26日2:00 | 6 | 窑子圈64.4 |
2017年7月5日3:00—18:00 | 16 | 滑雪场114.4 |
2018年7月19日3:00—10:00 | 8 | 明长城136.2 |
2018年7月1日9:00—2日1:00 | 17 | 牛首山84.3 |
2018年7月22日19:00—23日7:00 | 13 | 滑雪场277.6 |
2018年7月23日12:00—20:00 | 9 | 红翔新村89.3 |
2018年8月31日19:00—9月1日17:00 | 23 | 苦水沟136.9 |
2018年8月6日12:00—7日16:00 | 29 | 马莲口119.1 |
2018年8月9日12:00—10日13:00 | 26 | 临河镇71.4 |
2019年8月2日18:00—3日0:00 | 7 | 暖泉农场71 |
2020年8月11日7:00—12日8:00 | 26 | 五渠村142.5 |
表2
试验设计"
试验名称 | N/s-1 | 比湿/(g·g-1) | 风场结构 | 东风/(m·s-1) | 西风/(m·s-1) | 试验目的 | |
---|---|---|---|---|---|---|---|
干过程 (WRF-dry) | D1 | N = 0.007 | 0 | (Ⅰ) | u0:-4、-6、-8、-10、-13、-15 | - | 重力波特征 |
D2 | (Ⅱ) | ushear:-8、-10、-12、-15 | - | ||||
湿过程 (WRF-moist) | M1 | 以20次降水过程的平均位温阔线 作为初始场 | 以20次降水过程 的平均比湿阔线 作为初始场 | (Ⅰ) | u0:-4、-5、-6、-7、-8、-9、-10、-11、 -12、-13、-14 | - | 重力波特征、 降水分布 特征 |
M2 | (Ⅱ) | ushear:-8、-9、-10、-11、-12、-13、-14、 -15、-16、-17、-18、-19、-20、-22 | - | ||||
M3 | (Ⅲ) | u1:-14 | u2:5、10、20、 30、40 |
[1] | Medina S, Houze R A. Air motions and precipitation growth in Alpine storms[J]. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 2003, 129: 345-371. |
[2] | Rotunno R, Ferretti R. Orographic effects on rainfall in MAP cases IOP 2b and IOP 8[J]. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 2003, 129: 373-390. |
[3] | Houze, Medina S. Turbulence as a mechanism for orographic precipitation enhancement[J]. Journal of the Atmospheric Sciences, 2005, 62: 3599-3623. |
[4] | Picard L, Mass C. The sensitivity of orographic precipitation to flow direction: An idealized modeling approach[J]. Journal of Hydro meteorology, 2017, 18(6): 1673-1688. |
[5] | Morales A, Posselt D J, Morrison H. Which combinations of environmental conditions and microphysical parameter values produce a given orographic precipitation distribution?[J]. Journal of the Atmospheric Sciences, 2021, 78(2): 619-638. |
[6] | 黄玉霞, 王宝鉴, 黄武斌, 等. 我国西北暴雨的研究进展[J]. 暴雨灾害, 2019, 38(5): 515-525. |
[ Huang Yuxia, Wang Baojian, Huang Wubin, et al. A review on rainstorm research in northwest China[J]. Torrential Rain and Disasters, 2019, 38(5): 515-525. ] | |
[7] |
钟水新. 地形对降水的影响机理及预报方法研究进展[J]. 高原气象, 2020, 39(5): 1122-1132.
doi: 10.7522/j.issn.1000-0534.2019.00083 |
[ Zhong Shuixin. Advances in the study of the influence mechanism and forecast methods for orographic precipitation[J]. Plateau Meteorology, 2020, 39(5): 1122-1132. ]
doi: 10.7522/j.issn.1000-0534.2019.00083 |
|
[8] | 李子良. 地形降水试验和背风回流降水机制[J]. 气象, 2006, 32(5): 10-15. |
[ Li Ziliang. Simulations of precipitation induced by reversal flow in lee of mountain[J]. Meteorological Monthly, 2006, 32(5): 10-15. ] | |
[9] | Scorer R S. Theory of waves in lee of mountains[J]. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 1949, 75: 41-56. |
[10] | Lin Yuh-Lang, Wang T A. Flow regimes and transient dynamics of two-dimensional stratified flow over an isolated mountain ridge[J]. Journal of the Atmospheric Sciences, 1996, 53(1): 139-158. |
[11] | 李子良. 三维多层流动过孤立山脉产生的山脉重力波的数值试验[J]. 北京大学学报: 自然科学版, 2006, 42(3): 351-356. |
[ Li Ziliang. Numerical simulations of mountain gravity waves generated by multi-layer flow over an isolated mountain[J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, 2006, 42(3): 351-356. ] | |
[12] | Xue H, Giorgetta M A. A large-eddy simulation study on the diurnally evolving nonlinear trapped lee waves over a two-dimensional steep mountain[J]. Journal of the Atmospheric Sciences, 2021, 78(2): 399-415. |
[13] | Colle, Brian A. Sensitivity of orographic precipitation to changing ambient conditions and terrain geometries: An idealized modeling perspective[J]. Journal of the Atmospheric Sciences, 2004, 61(5): 588-606. |
[14] | 杨婷, 闵锦忠, 张申龑. 分层气流条件下地形降水的二维理想数值试验[J]. 气象科学, 2017, 37(2): 222-230. |
[ Yang Ting, Min Jinzhong, Zhang Shenyan. Two-dimensional idealized numerical experiments on the orographic rainfall with a stratified flow over mountain[J]. Journal of the Meteorological Sciences, 2017, 37(2): 222-230. ] | |
[15] | 郭欣, 郭学良, 付丹红, 等. 钟形地形动力抬升和重力波传播与地形云和降水形成关系研究[J]. 大气科学, 2013, 37(4): 786-800. |
[ Guo Xin, Guo Xueliang, Fu Danhong, et al. Relationship between bell-shaped terrain dynamic forcing, mountain wave propagation, and orographic clouds and precipitation[J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 2013, 37(4): 786-800. ] | |
[16] | Galewsky J, Sobel A. Moist dynamics and orographic precipitation in northern and Central California during the new year’s flood of 1997[J]. Monthly Weather Review, 2005, 133(6): 1594-1612. |
[17] | Lorente-Plazas R, Mitchell T P, Mauger G, et al. Local enhancement of extreme precipitation during atmospheric rivers as simulated in a regional climate model[J]. Journal of Hydrometeorology, 2018, 19(9): 1429-1446. |
[18] | Kirshbaum D J, Smith R B. Temperature and moist-stability effects on midlatitude orographic precipitation[J]. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 2008, 634: 134. |
[19] | Rotunno R, Houze R A. Lessons on orographic precipitation from the mesoscale alpine programme[J]. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 2007, 133: 811-830. |
[20] | Mott R, Scipión D, Schneebeli M, et al. Orographic effects on snow deposition patterns in mountainous terrain[J]. Journal of Geophysical Research-Atmospheres, 2014, 119: 1419-1439. |
[21] | 陶林科, 杨侃, 胡文东, 等. “7·30”大暴雨的数值模拟及贺兰山地形影响分析[J]. 沙漠与绿洲气象, 2014, 8(4): 32-39. |
[ Tao Linke, Yang Kan, Hu Wendong, et al. The contribution of Helan mountain to the formation of a heavy rainstorm occurred over Yinchuan Plain by numerical simulation[J]. Desert and Oasis Meteorology, 2014, 8(4): 32-39. ] | |
[22] |
王晖, 隆霄, 温晓培, 等. 2012年宁夏“7·29”大暴雨过程的数值模拟研究[J]. 高原气象, 2017, 36(1): 268-281.
doi: 10.7522/j.issn.1000-0534.2016.00017 |
[ Wang Hui, Long Xiao, Wen Xiaopei, et al. Numerical simulation studies on “2012∙7∙29” rainstorm process in Ningxia[J]. Plateau Meteorology, 2017, 36(1): 268-281.] | |
[23] | 陈晓娟, 王咏青, 毛璐, 等. 贺兰山区两次极端暴雨动力作用数值模拟分析[J]. 干旱区研究, 2020, 37(3): 680-688. |
[ Chen Xiaojuan, Wang Yongqing, Mao Lu, et al. Numerical simulation analysis of the dynamic effects of terrain on two extreme rainstorms on Helan Mountain[J]. Arid Zone Research, 2020, 37(3): 680-688. ] | |
[24] |
陈豫英, 苏洋, 杨银, 等. 贺兰山东麓极端暴雨的中尺度特征[J]. 高原气象, 2021, 40(1): 47-60.
doi: 10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00012 |
[ Chen Yuying, Su Yang, Yang Yin, et al. The mesoscale characteristics of extreme rainstorm in the eastern region of Helan Mountain[J]. Plateau Meteorology, 2021, 40(1): 47-60. ]
doi: 10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00012 |
|
[25] | Sever G, Lin Y L. Dynamical and physical processes associated with orographic precipitation in a conditionally unstable uniform flow: Variation in basic wind speed[J]. Journal of the Atmospheric sciences, 2016, 74(2): 449-466. |
[26] |
刘晶, 李娜, 陈春艳. 新疆北部一次暖区暴雪过程锋面结构及中尺度云团分析[J]. 高原气象, 2018, 37(1): 158-166.
doi: 10.7522/j.issn.1000-0534.2017.00008 |
[ Liu Jing, Li Na, Chen Chunyan. The frontal structure and analysis on mesoscale cloud characteristic during a warm zone blizzard process in north Xinjiang[J]. Plateau Meteorology, 2018, 37(1): 158-166. ]
doi: 10.7522/j.issn.1000-0534.2017.00008 |
|
[27] |
赵庆云, 张武, 陈晓燕, 等. 一次六盘山两侧强对流暴雨中尺度对流系统的传播特征[J]. 高原气象, 2018, 37(3): 767-776.
doi: 10.7522/j.issn.1000-0534.2017.00068 |
[ Zhao Qingyun, Zhang Wu, Chen Xiaoyan, et al. Propagation characteristics of mesoscale convection system in a event of severe convection rainstorm over both sides of Liupanshan Mountains[J]. Plateau Meteorology, 2018, 37(3): 767-776. ]
doi: 10.7522/j.issn.1000-0534.2017.00068 |
|
[28] | 姜志斌. 贺兰山地区气候变化和极端天气特征分析[D]. 兰州: 兰州大学, 2016. |
[ Jiang Zhibin. Analysis of Regional Climate Change and Extreme Weather Characteristics in Helan Mountains Region[D]. Lanzhou: Lanzhou University, 2016. ] | |
[29] | Chen Yuying, Li Jianping, Li Xin, et al. Spatio-temporal distribution of the rainstorm in the east side of the Helan Mountain and the possible causes of its variability[J]. Atmospheric Research, doi: https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2021.105469. |
[30] | Skamarock W C, Klemp J B, Dudhia J, et al. A description of the advanced research WRF version 3[J]. NCAR Technical Note NCAR/TN-475+STR. June 2008. Mesoscale and Microscale Meteorology Division. National Center for Atmospheric Research, 2008, 475. |
[31] | 李驰钦, 左群杰, 高守亭, 等. 青藏高原上空一次重力波过程的识别与天气影响分析[J]. 气象学报, 2018, 76(6): 904-919. |
[ Li Chiqin, Zuo Qunjie, Gao Shouting, et al. Identification of a gravity wave process over the Tibetan Plateau and its impact on the weather[J]. Acta Meteorologica Sinica, 2018, 76(6): 904-919. ] | |
[32] | Smolarkiewicz P K, Rotunno R. Low Froude number flow past three-dimensional obstacles. Part I: Baroclinically generated lee vortices[J]. Journal of the Atmospheric Sciences, 1989, 46: 1154-1164. |
[33] | Smolarkiewicz P K, Rotunno R. Low Froude number flow past three dimensional obstacles. Part II: Upwind flow reversal zone[J]. Journal of the Atmospheric Sciences, 1990, 47: 1498-1511. |
[34] | 《西北暴雨》编写组. 西北暴雨[M]. 北京: 气象出版社, 1992. |
[ Editorial Group of “Northwest Rainstorm”. Northwest Rainstorm[M]. Beijing: China Meteorological Press, 1992. ] | |
[35] | 朱乾根, 林锦瑞, 寿邵文, 等. 天气学原理和方法[M]. 北京: 科学出版社, 2007: 320-400. |
[ Zhu Qiangen, Lin Jinrui, Shou Shaowen, et al. Synoptic Principles and Methods[M]. Beijing: Science Press, 2007: 320-400.] | |
[36] | 李超, 隆霄, 曹怡清, 等. 贺兰山东麓20次暴雨过程环流形势及低空急流特征[J]. 干旱区研究, 2022, 39(6): 1753-1767. |
[ Li Chao, Long Xiao, Cao Yiqing, et al. Circulation pattern and LLJ characteristics of 20 rainstorm events in the eastern region of the Helan Mountain[J]. Arid Zone Research, 2022, 39(6): 1753-1767. ] | |
[37] | 苏洋, 陈豫英, 杨侃, 等. 低空急流与贺兰山东麓暴雨过程的相关性研究[J]. 气象, 2023, 49(10): 1171-1186. |
[ Su Yang, Chen Yuying, Yang Kan, et al. Correlations between low-level jet and rainstorm process in the eastern foot of Helan Mountains[J]. Meteorological Monthly, 2023, 49(10): 1171-1186. ] | |
[38] | 曹怡清, 隆霄, 李超, 等. 低空急流对贺兰山东麓两次暴雨影响的数值模拟研究[J]. 干旱区研究, 2022, 39(6): 1739-1752. |
[ Cao Yiqing, Long Xiao, Li Chao, et al. Numerical study on the effect of low-level jet on two rainstorms on the east side of the Helan Mountain[J]. Arid Zone Research, 2022, 39(6): 1739-1752. ] |
[1] | 李超,隆霄,曹怡清,王思懿,韩子霏,王晖. 贺兰山东麓20次暴雨过程环流形势及低空急流特征[J]. 干旱区研究, 2022, 39(6): 1753-1767. |
[2] | 曹怡清,隆霄,李超,王思懿,赵建华. 低空急流对贺兰山东麓两次暴雨影响的数值模拟研究[J]. 干旱区研究, 2022, 39(6): 1739-1752. |
[3] | 黄晓璐,李瑞青,李林惠,林弘杰,姚乐宝. 内蒙古河套地区一次对流暴雨的中尺度对流系统演变特征[J]. 干旱区研究, 2022, 39(6): 1728-1738. |
[4] | 江世高,尚振艳,牛得草,张宝林,张斯莲,傅华. 贺兰山西坡草地植物多样性与其叶片C∶N∶P计量比的关系[J]. 干旱区研究, 2014, 31(3): 523-529. |
[5] | 秦燕, 牛得草, 康健, 曹格图, 张斯莲, 傅华. 贺兰山西坡不同类型草地土壤酶活性特征[J]. 干旱区研究, 2012, 29(5): 870-877. |
|