开封市暴雨天气过程预报着眼点分析

为进一步提高暴雨大暴雨预报预测能力,从天气预报实践工作角度出发,利用常规气象资料和数值预报产品分析2016年7月19~20日开封市暴雨天气过程。结果表明,南亚高压发展北上,西太平洋西岸的副热带高压西伸,对流层低槽东移发展成高空低涡,配合地面气旋,东移北上的过程中产生了暴雨天气过程;强降水前湿层很厚,达到400hPa,西南低空急流和东南低空急流提供了良好的水汽通道和能量输送;水汽辐合来自对流层中低层,尤其是850、925hPa贡献最大,位于低涡中心及其切变线附近和低空急流的出口区;强水汽辐合略早于强降水,对强降水有预示作用;强降水前及过程中,暴雨区位于假相当位温和对流有效位能(CAPE)高值区,强降水时段500hPa与850hPa假相当位温差为负值;地面辐合线及强辐合中心为暴雨的产生提供了触发条件。研究成果可为暴雨及大暴雨预报提供参考。     

一种基于WRF模式的可能最大暴雨估算新方法

数值天气模式能通过大气物理方程概化气象因子与暴雨关系,基于此模式的暴雨因子放大法已成为估算可能最大暴雨(PMP)的重要途径。考虑到风速在地形作用下能够影响水汽垂直运动,进而与水汽辐合共同影响降雨,增加风速作为放大因子,提出了基于WRF模式的水汽风速放大法估算PMP,即通过大量敏感性试验,研究水汽、风速放大的垂直层数、水平范围、倍比,诊断水汽、风速因子与PMP的正相关性,同时通过因子组合放大确定能产生最大降雨的最恶劣暴雨情景。将其应用于湖北咸宁核电厂暴雨预测中,与基于线性假定的传统水汽风速放大法相比,该法从因子放大后暴雨特征的同向增强效应角度确定最不利暴雨,更为科学合理。     

PMP估算中地形对山地暴雨增幅作用的影响

在山区可能最大降水(PMP)估算中,当确定移置附近气候相似区某场灾害性特大暴雨后,就必须定量估算山地地形对暴雨的增幅作用,以便在移置之前定量消除地形对被移置暴雨的影响。为了定量估算辐合雨分量及其时空分布形态,以福建莆田地区和香港地区两场不同类型的暴雨为例,基于福建东南沿海地区84个站点和香港地区77个站点1、3、6、12、24h的5个时段的历史年最大雨量资料和实测降雨资料,应用"分时段地形增强因子(SDOIF)"暴雨分割技术分割香港20080607和莆田19991009两场暴雨,探讨山区暴雨期间地形对暴雨的定量影响及其空间分布模式。研究发现山区地形对暴雨有着增幅作用,且随历时增加而逐渐增强,越靠近暴雨中心增强幅度也越显著。同时地形增强因子也受高程的影响,低海拔处地形增强因子的增速高于高海拔处。经暴雨分割后的辐合雨空间分布形态与实测降雨的形态也基本一致。可见基于极值暴雨历史系列统计特性分析及暴雨天气背景和地形地貌特征分析相结合的SDOIF暴雨分割技术,能够有效地反映特定地形对暴雨的增幅作用及其空间分布形态,为山区暴雨移置提供了可靠依据。     

新疆地区的大气水特征分析

应用NCEP/NCAR再分析资料,对新疆天山南北的水汽含量和水汽输送通量进行了分析.结果表明,受地形影响,天山南北各有一个水汽含量的高值中心,其分布与环状地形的分布一致;新疆北部、内蒙古和蒙古国地区形成了相对的水汽输送高值中心,而新疆南部、青藏高原北部地区形成相对的水汽输送低值中心.     

基于改进的统计估算法与暴雨移置法的香港地区4h可能最大降水估算

基于香港地区74站、台湾地区66站和深圳站的雨量资料及4个典型台风暴雨发生期间逐时雨量资料,首先利用改进的统计估算法估算其4h可能最大降水,然后采用分时段地形增强因子法对4个台风暴雨进行分割,去除地形雨分量,最后将概化的辐合雨分量移置到香港地区,与其4h地形增强因子相结合,估算出香港地区4h可能最大降水。结果表明,改进的统计估算法和暴雨移置法估算得到香港地区4h可能最大降水分别为558.5、516.7mm,均高于香港地区4h暴雨纪录。经分析比较,估算结果均比较合理、可靠。     

多尺度地形对武江流域“06.7”台风暴雨的影响

2006年7月第4号台风“碧丽斯”(Bilis)登陆期间，北江流域一级支流武江遭遇了历史罕见的特大暴雨，并形成有记录以来流域最大洪水。为此，基于地面降水数据和多普勒天气雷达数据，研究发现源自湖南南部的对流风暴越过分水岭后所形成的“列车效应”,是造成武江流域短时间内极端降水的主要原因。利用地理信息系统技术对该对流风暴活动规律的研究表明，武江流域的复杂地形造成对流风暴多次转向，极大延长了风暴在乐昌市境内的停留时间，加剧了局地的暴雨山洪。研究同时发现，位于骑田岭山区的黄岑水库与台风相互作用，可能增强了局地对流活动。研究结果揭示了中小尺度复杂地形对台风暴雨的影响，对于指导防范台风引发的次生灾害具有一定参考意义。     

岛屿型复杂地形地貌条件下有效风能分布的甚高分辨率数值模拟

利用MM5作为风能模拟模式,以地形复杂、气候背景特殊的海陵岛地区为研究区域,采用甚高分辨率(水平分辨率200m,最高垂直分辨率是10m)的模式设计,模拟了秋季海陵岛地区的风资源分布。研究表明,中尺度数值模式MM5的甚高分辨率的模式设计可以作为复杂海岛地形风资源评估的有效手段;海陵岛地区有效风能密度的大值区多数位于150～200W·m~(-2)之间,这说明我国沿海地区复杂地形地貌条件下潜在的风能资源完全可以开发利用,并需要更加深入而客观的评估。     

西北地区近地面水汽特征及其与区域蒸发关系

针对现有水文循环要素研究中较少关注近地面水汽的问题,以西北地区为例,应用NCEP/NCAR再分析资料分析了水汽垂直分布特征,采用趋势分析法研究了近地面水汽分布特征及其与区域蒸发的响应关系。分析结果界定了西北地区的近地面水汽层,水汽空间分布受地形地势影响十分显著,近50年来近地面水汽含量呈减少的趋势,并与区域蒸发量的变化呈正相关关系,蒸发量减少是造成近地面水汽含量减少的主要因素。     

复杂山区气象站潜在太阳能资源参量估算方法及应用

微观尺度光伏电站选址时,需评价太阳能资源,通常采用经验公式和日照时数来推算太阳总辐射情况,而山区地形复杂,地形遮蔽是影响气象站日照时数的重要因素。基于空间分辨率较高的DEM数据,提出一种借助GIS软件3D分析工具集的快速计算遮蔽角方法,并以鄂西山区巴东、鹤峰、神农架三地为例,在得到各气象站的地形遮蔽角后,通过模型计算了地形遮挡导致的理论日照遮蔽率和考虑天气条件的实际日照遮蔽率,从而订正了复杂地形下气象站的日照时数和太阳总辐射。结果表明,实际天气条件下,地形遮蔽订正后巴东、鹤峰、神农架年总辐射分别增加了145.2、92.2、415.0 MJ/m²,可见所提方法提高了山区太阳能资源评价的准确率,可为光伏扶贫决策服务提供参考依据。     

"基于城市雨洪模型的内涝交通影响研究

随着城市化进程的加快以及极端天气的频繁出现,城市内涝问题日益突出。交通损失为超标暴雨积水造成的主要损失之一。从暴雨内涝积水原理及交通通行规律的研究入手,综合运用气象水文、交通、气象、遥感、地理、灾害等学科的理论,以北京典型桥区为研究对象,基于高分辨率的DEM地形资料和降水、土地利用数据,构建典型桥区的一维雨洪模型,采用函数拟合的溢流量—积水深度曲线法模拟道路实际积水过程;耦合桥区一维雨洪模型与交通仿真模型,定量研究了内涝积水对交通系统运行状态的影响度。结果表明,暴雨积水导致的车辆减速、绕行会大大降低交通系统的运行效率。研究成果可为暴雨条件下的交通影响分析提供参考。     

基于水汽通量放大法的可能最大暴雨估算改进方法

我国可能最大暴雨(PMP)估算方法以暴雨成因分析法使用最为普遍,传统的水汽通量放大法受风速日变化差异大影响,估算得到的PMP明显偏大。对此,采用"风向玫瑰图"改进传统水汽通量放大法,根据研究区域稳定风场情况对实测资料进行分组,确定暴雨水汽的主要入流方向和相应水汽通量值,并应用水汽通量放大倍比对实测典型暴雨进行放大推求可能最大暴雨(PMP)。以东南沿海某核电厂为例进行应用研究,并与其他方法计算结果对比,验证了所提方法的合理性。     

煤矿采空区特殊下垫面水文模型研究

煤矿采空区的形成改变了传统的水文过程,对洪峰和洪量具有明显的削减作用。以汾河水库控制流域为例,引入裂隙渗漏系数G和渗漏系数k分别表示采空区裂隙位于坡面与河道对产汇流过程的影响,构建了采空区特殊下垫面条件下的水文模型,选取1970～2015年间汾河水库控制流域内采空区先后出现的16场次洪水,对比分析了两种方案的水文模拟精度。结果表明,传统的水文模型在采空区出现前模拟效果较好,7场次洪水模拟合格率为71.43%,而在采空区出现后9场次洪水合格率仅为22.22%,流域中部煤矿采空区对暴雨中心位于中心区域的降雨引起的洪水过程产生较大的影响;对采空区出现后的暴雨中心在采空区附近的7场次洪水采用采空区特殊下垫面条件下的水文模型进行模拟,7场次洪水合格率为71.43%,精度得到了显著提升。     

典型风电场地形大气稳定度对风机出力的影响

[目的]分析了大气稳定度对风机出力的影响,为提高计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）风能资源模拟精度提供技术参考。[方法]选取立于平坦和复杂山地两类典型地形上的两座测风塔不同高度的风速、气温、气压等观测数据,使用莫宁-奥布霍夫长度法分别计算两座测风塔所在区域的大气稳定度,参照Irwin大气稳定分类标准对稳定度计算结果分类,再根据分类结果进行两座测风塔轮毂高度处出力分析。[结果]结果表明：在近地面层,复杂山地大气热效应造成的表层垂直混合作用更为明显,造成的大气不稳定性较为强烈,但垂直混合作用不充分;复杂山地大气稳定度对风机出力的影响大于平坦地形,其不确定性更强。[结论]在进行CFD风电场流体建模时需要考虑大气稳定度的影响,特别是超低风速复杂山地场址条件下,大气稳定度的评估对风机选型及发电量仿真精度尤为重要。     

风对南水北调东线工程东平湖输水流场影响的模拟

在东平湖正常设计调水条件下,借助于SMS地表水软件,根据东平湖地形、植被覆盖和调水流向等特征对东平湖进行网格划分,建立了二维水流模型,研究了不同风速、风向对东平湖输水流场的影响。结果表明,当湖区风速为3m/s(一般天气)时,风速、风向基本不会对东平湖输水流场产生影响;当湖区风速达10 m/s(极端天气)时,风速、风向对东平湖输水流场的影响很小,引起的湖水位变幅在5%以下。可见在正常设计调水条件下,风生流对东平湖湖区流场的影响可以忽略,在模拟研究湖区水质(溶质类污染物)时可以不考虑风的影响。     

虎跳峡水电站区间可能最大暴雨的研究

对虎跳峡水电站奔子栏至虎跳峡坝址区间流域可能最大暴雨计算，采用了当地暴雨放大和组合暴雨放大两种方法。其中，当地暴雨放大方法采用了水汽效率放大和水汽风速放大推求可能最大暴雨。为分析组合暴雨放大的合理性，还采用了随机模拟方法推求设计暴雨过程，并与组合暴雨放大的结果进行了对比分析。由计算结果可看出，组合暴雨放大结果比随机模拟方法结果偏大较多，采用此方法对工程设计更安全。但对组合序列的合理性和可能性，欲从理论上得到充分的论证还比较困难。     

风电场复杂地形的微观选址

以红牧风电场为例,分析了复杂地形的风电场微观选址,根据主风向上和垂直主风向上的不同间距布置风机,以对比单机平均发电量和尾流影响.结果表明,主风向上单机的平均发电量随风机间距的增加先增后疵,尾流损失不断减小;垂直主风向上随风机间距的增大单机平均发电量不断增大,尾流损失也不断减小.建议在复杂地形的主风向上风机间距的选择比简单地形小,均为风机直径6～7倍;简单地形的风机间距约为风机直径7～8倍.     

局地暴雨对南水北调中线水位流量的影响

为准确分析短历时强暴雨对渠道水位流量的影响,以南水北调中线北拒马河节制闸区域为例,建立考虑降雨过程的一维非恒定流仿真模型,设定不同的雨区覆盖范围,模拟了降雨频率P=1%、降雨历时120min典型设计暴雨下渠道的响应过程。仿真表明,暴雨使雨区上游流量减小,距离雨区越近,减幅越大;使雨区内渠道的流量增大,且距离雨区中心越近,增幅越大。暴雨过程中,无论雨区范围大小,最大水位升幅均出现在北拒马河节制闸闸前,幅度与暴雨强度相关,降雨频率P=1%、降雨历时120min暴雨条件下为0.09m。暴雨结束后,随雨区覆盖范围的差异,北拒马河节制闸的闸前水位分别呈现下降、不变或上升趋势。当雨区范围达76km时,水位开始上升;当雨区范围达180km时,水位历时48h升至预警水位。     

中国典型复杂地形风能资源特性及其形成机制

为提高对复杂地形风资源特性及其形成机制的认识,改进复杂地形风场数值模拟方法,分别选取代表极大起伏山地与宽谷地形的藏南谷地、代表极大起伏山地与深谷地形的横断山区以及代表中、小起伏丘陵山地的山西高原开展风资源特性观测实验,分析不同典型复杂地形条件下天气背景风场、局地大气环流、地形动力强迫、地表摩擦与热力作用对风资源特性形成的贡献,结果表明：山西高原局地大气环流的作用较小;藏南谷地和横断山区的山谷风环流对其风能资源特性的形成起主要作用,尤其是横断山区还存在多尺度的局地大气环流,传统的风电场风资源CFD数值模拟不足以描述如此复杂的风场。因此,在局地大气环流作用明显的复杂地形地区,需要采用中尺度与CFD结合的风电场选址风资源数值模拟方法。     

淮河流域旱涝年水汽输送特征分析

基于1951~2007年6~8月逐日NCEP/NCAR再分析资料,计算了淮河流域夏季旱涝年的整层水汽输送通量及散度,以揭示旱涝年相对于正常年的异常水汽输送特征。结果表明,淮河流域洪涝年与干旱年的异常水汽输送通量及散度场均呈反相位变化,洪涝年降水的偏多得益于西南水汽输送的增强和向北输出水汽的减弱及整层水汽输送通量散度辐合,而干旱年降水的偏少是西南水汽输送减弱、大量异常水汽向北输出及整层水汽输送通量辐散共同作用的结果。     

地貌瞬时单位线参数敏感性分析

针对流域汇流速度和降雨时空变异性等不确定性因素为地貌瞬时单位线研究的难点问题,采用人工扰动法分析了汇流速度的敏感性,统计分析得出流域暴雨中心为汇流速度的主要影响因子,并建立了两者间的关系,进而由暴雨中心来推求汇流速度;同时比较分析了不同流域河网级别对地貌瞬时单位线的影响程度,得出流域河网级别为影响其他地貌参数的综合性参数,并选出适于研究流域水文模拟的最佳流域河网级别.