华南暖区暴雨预报的模式初始场质量敏感性分析北大核心

本文利用高分辨率中尺度数值预报模式WRF和两组再分析资料,在研究不同模式初值对华南暖区暴雨预报质量差异明显的基础上,利用合成初值方法进行了模式初值对暖区暴雨预报的敏感性数值试验研究,讨论了模式初始场关键物理量对暖区暴雨预报质量的影响,重点开展了模式初值湿度场质量对华南暖区暴雨降水预报的敏感性分析。结果表明:模式初始场质量的较小差异,可显著影响本次华南暖区暴雨预报的降水强度、降水落区以及降水发生时间等的质量。初始水汽场对暖区暴雨预报影响最大,也最为敏感,是准确预报对流单体的发生发展以及地面强降水的基础。风场和温度场对暖区暴雨预报的影响相对较小。对流层低层较强的风速辐合是本次暖区暴雨强对流单体触发、生成和加强发展以至产生暖区强降水的物理基础。     

华南暖区一次暴雨中尺度系统的数值模拟

为深入了解华南暖区暴雨产生的机制, 首先利用观测资料和卫星云图对2005年5月9日华南暖区一次暴雨过程进行天气分析, 然后利用MM5V3.6数值模式对该次暴雨过程进行了模拟, 利用模拟的输出结果分析了中尺度系统的结构特征和成因。结果表明, 这次华南南部暖区的暴雨区出现在低空急流出口区左侧的辐合区与高空急流入口区右侧的辐散区相迭置的区域; 中尺度对流云团是暴雨的直接影响系统, 系统中心上空偏南气流强烈垂直上升与在系统以南对流层高层下沉的气流构成垂直闭合反环流, 低层气流风速辐合对暖区暴雨系统的形成和发展起决定性的作用。较大的螺旋度可能是暖区暴雨及其中尺度系统发生、 发展的一种重要机制, 可用来判断降水系统的形成和移动。     

华南暖区暴雨研究进展

华南前汛期暴雨预报一直是我国大气科学界的一个研究热点,特别是发生在锋前的暖区暴雨,由于其天气尺度斜压性强迫不明显,环境大气水汽含量丰富,热动力不稳定性强,边界层触发机制复杂,以及特殊的地形和海陆热力差异的外强迫作用,导致暴雨突发性强,地域性特征显著,也是困扰预报业务人员的难点问题。目前我国预报业务中使用的全球数值预报模式对暖区暴雨的预报能力十分有限,高分辨率中尺度数值模式的预报效果也不尽人意。该文回顾了近40年华南前汛期暴雨大部分研究成果,针对华南暖区暴雨的提出及典型背景场、暖区暴雨与低空急流的关系、暖区中尺度对流系统的形成及传播、暖区暴雨触发机制等独特的天气动力学特征进行了系统梳理与分析,并依据前人研究成果及中央气象台预报实践经验,总结提炼了3类华南暖区暴雨类型——边界层辐合线型、偏南风风速辐合型,以及强西南急流型的天气系统配置及触发因子。最后提出针对华南暖区暴雨需要进一步研究的科学问题。     

中国暖区暴雨的研究进展

暖区暴雨是中国大气科学界的一个研究热点,由于其天气尺度斜压性强迫弱、环境大气热动力不稳定性强,以及特殊的地形和海陆热力差异的外强迫作用,暴雨对流系统触发机制复杂,暴雨突发性、局地性特征明显。目前全球业务数值预报模式、中尺度数值模式对暖区暴雨的预报能力十分有限。20世纪80年代以来对华南暖区暴雨的天气学特征进行了深入分析,并对多地区暖区对流系统的发展特征进行了总结,指出暖区极端暴雨与稳定的线状对流系统的发展有密切关系。近年来通过若干大型科学试验,对造成华南暖区暴雨的对流系统特征、边界层物理特征、降雨云物理过程有了更为深入的认识,其中关于边界层急流、华南沿海地面冷池边界等中尺度特征分析进一步深化了暖区暴雨对流触发机制研究。本文回顾了近40年暖区暴雨部分研究成果,针对多地区暖区暴雨的天气学特征、暖区暴雨与低空急流的关系、暖区暴雨中尺度对流系统的发展特征等问题进行了总结,并提出需要进一步深入研究的科学问题。     

华南暖区暴雨过程集合动力因子的诊断分析

选取2015—2017年4—6月发生在广东地区的20个暖区暴雨个例,利用GFS0.5°×0.5°预报场资料,分析了集合动力因子在华南暖区暴雨中的分布特征。研究结果表明:(1)在广东省的四类主要暖区暴雨中,锋前低槽暴雨中各集合动力因子和累积降水的相关性最高,其次是西南急流暴雨,而回流暴雨中的相关性最差。锋前低槽暴雨与回流暴雨有共同的相关性较好的集合动力因子,高空槽和副热带急流暴雨与西南急流暴雨也有共同的相关性较好的集合动力因子。(2)选取各类暖区暴雨中对降水表征最好的集合动力因子分别构建了3个量级的权重指数(量级分别为10~(-3)、10~(-1)和10~2),发现各量级的权重指数随着降水量级的增大而增大,说明权重指数对分析判断不同量级的降水具有很好的指示作用。(3)采用各量级权重指数的中位数作为判断降水等级的阈值,并利用3个量级的权重指数可以综合判断降水的强度等级,这为降水的量级预报提供了一个客观化指标。这些结果进一步提高了集合动力因子在华南暖区暴雨预报中的实际应用能力。     

2000—2009年5、6月华南暖区暴雨形成系统统计分析

利用2000—2009年5月和6月的NCEP 1 °×1 °再分析资料和气象台站常规资料,对产生华南暖区暴雨的500 hPa及以下的环流特征进行统计分析,并将影响暖区暴雨的环流系统划分为三大类型,即切变线型、低涡型和偏南风风速切变辐合型（简称偏南风型）。切变线型在南海夏季风爆发前以冷式切变为主,季风爆发后以暖式切变为主;低涡型在季风爆发前的发生次数远少于季风爆发后,在低涡中心的东北-东南方向最易产生暖区暴雨;偏南风型总体以西风风速切变辐合为主,而南风风速切变辐合在季风爆发后的比例有所增加。对影响暖区暴雨的高空槽分析发现,高原槽对暖区暴雨影响明显,其次为南支槽。低涡型最易受高空槽影响。对各种类型暖区暴雨的合成分析发现,各类型暖区暴雨500 hPa高空槽的位置特点均不相同,暴雨辐合中心均在850 hPa以下的低层,副高脊线距雨区约6～8纬距是产生华南暖区暴雨的重要天气形势。      

2005—2008年5、6月华南暖区暴雨与高、低空急流和南亚高压关系的统计分析

利用2005—2008年5月和6月的NCEP 1 °×1 °分析资料和气象台站常规气象资料，对我国华南地区的暖区暴雨进行了统计分析，并且以θse场与暖区暴雨的不同配置进行了分类，将华南暖区暴雨划分为三种类型，在分类的基础上进行了合成分析。统计及合成分析得出5月和6月的暖区暴雨有明显的差异：5月1型暖区暴雨出现最多，6月2型暖区暴雨出现最多，3型暖区暴雨仅发生于6月；5月暖区暴雨受高空急流的影响比较大，多发生于高空急流的右后方，离南亚高压脊线较远；6月形成暖区暴雨的高空急流较弱，暖区暴雨多发生在南亚高压脊线附近；5月形成暖区暴雨的南部系统相对稳定，而6月南部系统尺度变化较大。其相同点为：5、6月各类暖区暴雨多发生于850 hPa低空急流的后部(包括左后、右后)，且均发生于850 hPa左右的南风辐合区中，因此低层南风辐合是产生暖区暴雨的重要机制之一，除6月1型暖区暴雨外，其他类暖区暴雨区的南侧中层均有干区配合。5、6月2型暖区暴雨相似度最大，1型暖区暴雨的相似度最小。     

华南暖区暴雨事件的筛选与分类研究

利用逐小时降水资料,采用客观方法对1982~2015年华南地区暖区暴雨进行了筛选和分类研究。主要结果如下:华南区域暖区暴雨事件共计177例,暖区暴雨占筛选的暴雨事件的16.86%,表明暖区暴雨是华南非常重要的降水过程。暖区暴雨主要出现在4~7月,6月份最多,平均持续11.58 h。暖区暴雨事件发生位置主要集中在广东、广西的沿海地区和粤北山区,有四个降雨中心。产生华南暖区暴雨的天气形势主要有四类,切变线型、低涡型、南风型和回流型,不同类型的暖区暴雨对华南地区的内陆和沿海的作用不同,且南风影响下的暖区暴雨发生频率较高,影响较大,是一类较为重要的暖区暴雨。     

高层动力强迫对回流型华南暖区暴雨影响的个例研究

应用NCEP再分析资料,分析了2014年5月8—9日发生在华南的一次暖区暴雨过程,研究高层动力强迫对此次华南暖区暴雨的影响。此次暴雨过程发生在暖湿的西南气流中,无明显天气尺度锋面系统影响,属于华南暖区暴雨过程。根据中尺度对流系统(MCS)的生消发展特征,可以将其分为5月8日与9日两个阶段,第一阶段具有显著的回流型暖区暴雨的特征,主要研究该阶段。研究发现,高PV扰动沿对流层高层南亚高压东北侧的西北气流下滑东移,导致IPV正异常,其东侧的辐散气流显著发展,在高层辐散气流的抽吸作用下,上升运动首先从中上层发展起来。在过程发展前期,IPV正异常主要是由平流作用引起,且在其东侧诱发出南风异常,进而导致辐散气流发展。当降水发生后,潜热加热反馈作用使高层辐散气流进一步加强,此时,辐散增强是对流发展的结果。此外,低层浅薄偏东风是本次暖区暴雨发生的低层背景场,其与西南风气流汇合,提供有利的低层辐合条件。      

华南锋前暖区暴雨研究概述

锋前暖区暴雨是华南前汛期暴雨的主要特点,但暖区暴雨常常难以模拟和预报,给气象工作者带来挑战,因此对影响其发生发展的环流背景、天气系统、中尺度系统以及地形等进行深入研究,对提高暖区暴雨的预报能力有重大意义。近年来我国气象学者对华南暖区暴雨进行许多研究,本文主要对华南锋前暖区暴雨研究的天气系统及地形等进行简要概述,介绍了暖区暴雨发生时中高纬大气环流、副高、南亚高压和高空急流等大尺度环流背景,南海季风与华南暖区暴雨的密切联系,天气尺度系统以及中尺度系统在暖区暴雨中的重要作用,地形条件对暖区暴雨的影响。     

一次突发性中尺度暴雪天气过程分析

对2004年12月丹东地区一次突发性中尺度暴雪天气过程的成因进行了分析。结果表明:造成此次暴雪天气过程的影响系统除天气尺度的冷锋外,其直接影响系统是中尺度海岸锋,它在有利的天气尺度环境下发展加强并向内陆移动,其上的中尺度环流形成的低云与冷锋云系的叠加是产生暴雪的主要原因。     

贵州大暴雨个例形成机制数值模拟

利用3层嵌套的中尺度数值模式MM5 V3.5,模拟了2007年6月24～25日发生在贵州中南部的一次大暴雨过程.利用模式输出的高分辨率资料,对这次暴雨天气及中尺度低涡的形成机制进行了诊断分析.模式较成功地模拟出了中尺度系统的演变和降水的分布特征.中尺度低涡的发展、稳定维持是造成贵州这次大暴雨天气的直接原因.暴雨、大暴雨出现在低涡的西南侧.在低层正涡度、辐合、强烈的上升运动和高层负涡度、辐散的有利配置下,形成深厚的上升运动柱,这种中尺度动力配置结构,不仅与暴雨区和暴雨发生时段相对应,而且是引起此次暴雨的中尺度低涡发展和持续的动力机制之一.暴雨区与强烈上升运动区,正涡度区相对应.     

华南前汛期暖区暴雨流场结构的特征

采用国家气象中心整编的１９５１－１９９０年中国１６０测站的月平均温度和月总降水量资料以及北半球５００ｈＰａ月平均高度场和海平面气压场资料，讨论近４０年来中国气候型转变与北半球大气环流特征的变化关系。     

一次局地大暴雨过程的综合分析

利用常规气象监测资料,以及卫星、雷达、闪电定位、GPS／MET等精细化监测资料,对2010年8月18日-19日的暴雨天气过程进行了综合分析发现：边界层两条仅中尺度辐合线与两条暴雨带有很好的对应关系。暴雨期间,共有6个α中尺度对流云团在边界层中尺度辐合线上生成、发展与合并,特大暴雨由β中尺度对流云团合并形成的MCS所造成。分析结果表明,暴雨发生在副高西进北抬和冷空气东移南下的背景下;700hPa、850hPa和边界层中尺度辐合线是此次暴雨过程的主要影响系统;局地闪电频次峰值出现时间早于强降水峰值出现时间1h左右;GPS探测网对水汽探测的反应早于区域加密站的观测,PWV锋区出现时间较强降水出现时间有大于12h的提前量,且PWV锋区的出现时间和位置对暴雨落区预报有一定的参考价值,可以作为判断强降水出现的一个重要参考依据。     

Q矢量理论在青藏高原东侧大暴雨过程中的诊断应用

利用常规探空和地面观测资料．对2002年6月8～9日发生在青藏高原东侧川陕地区的一次罕见大暴雨过程的环流特征及成因作了诊断分析。再利用MM4模式所提供的高时空分辨率资料．应用湿Q矢晕理论对暴雨过程进一步进行了中尺度诊断研究。结果表明，湿Q矢量散度场的分布反映了次级环流的方向和强弱，暴雨出现在中尺度环流明显增强时。湿Q矢量分解揭示了该次暴雨过程的中尺度特性。     

一次低涡切变影响云南大雨过程分析

利用昆明 3830 /CC多普勒天气雷达观测资料 ,结合MICAPS客观分析资料 ,对 2 0 0 3年 9月 2日的一次大雨天气过程进行分析。结果表明 :在有利的低涡切变和地面冷锋环流背景和有利的热力、动力条件下 ,不断触发中尺度切变线和中尺度涡旋的生成和发展。中尺度切变线和中尺度涡旋是强对流生成和发展的动力 ,先后生成“人”字型回波、飑线和两个中尺度絮状回波团直接导致大雨天气过程 ,表现出了许多中尺度特征 ,零速度线的位置、变化和正、负速度相对位置的演变与中尺度天气系统的生成和发展密切相关。     

一次东北冷涡暴雨数值模拟及动力诊断分析

利用常规观测资料、NCEP再分析资料和卫星云图产品,对2009年6月18-19日黑龙江省西南部地区的一次东北冷涡暴雨过程进行诊断分析,并利用WRF中尺度模式对暴雨过程进行数值模拟,分析产生暴雨的天气尺度和中尺度特征。结果表明：此次暴雨是由东北冷涡前部的暖湿切变造成的,鄂霍次克海阻塞高压阻挡使冷涡移动缓慢,使冷涡系统影响时间长,降水量增大。暖湿空气在切变处强烈辐合上升,为暴雨产生提供了动力条件;低空偏南急流为暴雨提供充沛的水汽条件,同时低层增温增湿使大气层结不稳定。低层强辐合区与高层强辐散区重叠,易产生强烈的上升运动,有利于深对流的发展和中尺度系统的生成及维持。暴雨是由暖锋云带中多个对流云团的发展移动造成的,地面中尺度切变线为暴雨云团的发展和维持提供了有利条件。数值模拟结果显示此次暴雨是由两次中尺度切变线先后在同一区域的发展和移动造成的;切变线上存在与暴雨关系密切的中尺度垂直环流。     

一次江淮暴雨中中尺度低涡的数值模拟及分析

利用MM5模式对2003年7月4—5日一次江淮梅雨暴雨过程进行了数值模拟。分析表明：暴雨与江淮地区对流层中低层中尺度低涡的发生发展有密切关系。中尺度低涡与中尺度雨团相伴移动，低涡强度与雨强的演变近于一致；低涡中心的强上升运动及低层辐合、高层辐散的配置有利于中尺度对流系统的发生发展；低涡低层有不稳定能量的积聚。应用螺旋度理论分析指出，较大的螺旋度是对流层中低层低涡发生和发展的一种有利机制。     

一次连续暴雨的非地转湿Q矢量分解分析

利用实测暴雨资料,运用改进的非地转湿Q矢量对青藏高原东侧2005年7月18日至19日的一次连续暴雨天气进行了诊断分析。分析结果表明：700 hPa Q矢量散度场不仅将暴雨区反映出来了,而且散度辐合中心与降水中心对应。进一步把改进的非地转湿Q矢量分解为平行于等位温线和垂直于等位温线两部分,分析表明：准地转的大尺度系统与非地转非绝热的中小尺度系统在不同高度起着不同程度的作用,二者相叠加,形成暴雨。在第一阶段的暴雨中,大尺度的上升运动强迫作用在700 hPa占主要作用,而中小尺度系统在较低层次和中层起主要作用,促使强对流的发展和深对流的形成,对暴雨落区的反映也更准确。在第二阶段的暴雨中,垂直上升运动以中尺度非绝热强迫为主,随着对流不稳定能量的大量释放,中小尺度系统作用快速减弱,降水趋于减弱。     

引发华北特大暴雨过程的中尺度对流系统结构特征研究

利用常规观测资料、FY2C卫星TBB资料以及NCEP再分析资料对2005年7月22～24日发生在华北地区的大到暴雨天气过程进行了观测分析和模拟研究.结果表明,“海棠”台风减弱的低压倒槽内发生发展的两个中尺度对流系统是暴雨的直接影响系统,中尺度对流系统发展到成熟阶段首先在对流层中层形成中尺度低涡,然后向低层发展.水汽辐合...