基于GRAPES-MESO模式的极端短时强降水预报

利用2017—2018年5—9月四川盆地109个自动站逐小时降水资料,以及GRAPES-MESO模式0.1°×0.1°的逐3 h预报场资料,从热力不稳定、水汽、动力条件等方面分析极端短时强降水(1 h降水量大于等于50 mm)发生发展所需的关键物理量指标,结合随机事件概率思想和主成分分析方法构建预报模型,研发极端短时强降水概率预报产品。经预报效果评估,当概率值达0.7以上时,TS评分为24.0%,可将其作为极端短时强降水预报的参考阈值。2019年7月22日四川盆地暴雨过程应用表明,该产品对极端短时强降水落区有较好的参考意义。     

华中区域极端降水天气形势及物理量异常度特征

选取1960—2012年间共139例极端降水个例,对其降水特征、天气形势及物理量异常度进行了分类对比研究。结果发现:华中区域极端降水主要发生在四种不同的天气形势下,即纬向型、经向型、台风西风带冷槽结合型和短波槽前低涡暖切型,其个例占比分别为42.4%,30.2%,17.3%,10.1%;台风西风带冷槽结合型在暴雨站数、极端降水站数、极端降水量平均值均居四类最大,纬向型和经向型次之,短波槽前低涡暖切型最小;低层水汽辐合、中低层上升速度、低层风场辐合及气旋性涡度,高层风场辐散和大气可降水量的异常比例超过50%,是极端降水物理量异常的共性特征。个性特征为:纬向型500 hPa比湿异常比例较高,经向型中低层暖平流异常比例较高,台风西风带冷槽结合型500 hPa正涡度平流和中低层比湿异常比例较高,短波槽前低涡暖切型与其他类比异常量更集中于边界层且大气可降水量异常比例低。此外,极端降水预报除了要关注物理量异常程度,降水的持续时间也是重要因素之一。     

“0702”山西大暴雨过程的多尺度特征

利用T639L19 1°×1°分析场、FY 2红外云图及红外辐射亮温TBB、多普勒雷达和气柱水汽总量等资料,对2011年7月2 3日发生在山西境内的区域性暴雨进行了多尺度特征分析。结果表明:(1)副热带高压北上,西南暖湿气流加强,东北冷涡后部冷空气南下,山西北中部锋生是这次区域性暴雨发生的大尺度环流特征。(2)山西中部暴雨由2个β中尺度对流云团生成,且在边界层2条中尺度切变线附近触发对流发展,形成2个暴雨中心;山西南部暴雨则由8个中尺度对流云团生成、发展合并,在边界层α中尺度人字形切变线附近触发对流发展,α中尺度人字形切变线云系上4个γ中尺度气旋是导致局地大暴雨和特大暴雨形成的直接原因;≤-53℃的黑体亮温区超前多普勒雷达人字形切变线云系反射率因子≥35 dBz的区域。(3)降水中前期,对流云团合并,导致地闪频次峰值和降水量峰值出现,且地闪频次峰值出现时间较降水量峰值出现时间提前12~18 min。(4)中部暴雨发生在气柱水汽总量水平梯度大值区与边界层切变线相重叠的区域,南部暴雨则发生在气柱水汽总量水平梯度大值区的南部0.5~1.0个经/纬距的高湿区与边界层人字形切变线相重叠的区域;气柱水汽总量水平梯度大值区形成时间和边界层切变线形成时间均比暴雨发生提起12 h以上。     

成都地区一次持续性暴雨过程的水汽特征分析

利用地基GPS技术反演得到的大气可降水量资料、FY-2C卫星水汽图以及NCEP 1°×1°再分析资料,分析了2008年9月23—26日成都地区一次持续性暴雨的水汽特征。结果表明,降雨期间的水汽主要由来自孟加拉湾的暖湿气流和来自"黑格比"台风的高低空急流组成;暴雨发生前对流层中低层水汽充足,大气层结极不稳定,水平风的垂直切变较明显;高时间分辨率的地基GPS资料不仅可获得水汽实时变化的信息,而且对于暴雨发生时间和暴雨强度都有一定的指示性;结合中尺度数值模拟的结果,发现此次暴雨过程中可降水量的变化能反映区域水汽辐合辐散的变化,降水与否或降水大小不仅取决于大气中水汽含量的多少,更受到大气动力和热力条件的影响,水汽辐合的强弱具有关键作用。     

广西一次冬季暴雨成因诊断分析

使用自动站、micaps资料、NCEP\NCAR1°×1°逐6h再分析资料对2012年1月13～15日广西大范围暴雨过程进行分析得出:南支槽东移和低层切变线南下激发广西上空冬季异常高湿区的能量和水汽释放;水汽来源是南海和孟加拉湾水汽,强降雨落区与切变线位置对应良好.分析物理量发现:水汽通量中心位于比湿大值区,指示水汽来源;西南风急流建立后大气湿层增厚;高低空涡度和散度场配置显示暴雨区上空存在强烈上升运动.     

一次典型川滇切变线暴雨过程的诊断分析

利用NCEP FNL 1°×1°逐6 h再分析资料、云南省124个台站逐6 h降水资料,对一次典型川滇切变线暴雨过程的环流特征和不稳定条件进行了诊断分析,研究表明:此次暴雨是在多尺度系统及地形共同影响下产生的,其中切变线停滞在云岭—哀牢山一线是关键。此次暴雨过程的降水量以云岭—哀牢山为界,呈现西南多、东北少的分布。湿位涡MPV分析表明,不稳定条件(对流性不稳定与条件性对称不稳定)的分布、变化与暴雨降水量的分布、变化对应较好。在主要降水时段,强降水区的对流层中低层为对流性不稳定,弱降水区为条件性对称不稳定。不稳定条件的形成、分布、维持均与高空急流引起的次级环流有关。     

北京一次大暴雨的水汽收支和微物理过程数值分析

利用NCEP1°×1°再分析资料和常规气象观测资料,使用WRF模式对2012年7月21日发生在北京地区的一次特大暴雨天气过程进行数值模拟。在模拟结果的基础上,分析了此次暴雨过程的形势演变和水汽条件,并分别计算了暴雨发生过程中北京全市范围内的水汽输送、水汽收支、大气可降水量和空中各相态水物质的量值大小、空间分布情况及其相互转化关系。结果发现:这次降水主要受高空槽、低涡和地面切变线的影响。有东南、西南两条水汽输送通道,计算区域上空水汽收支变化与地面雨强的演变对应很好。中低层持续而强烈的水汽净输入,为暴雨的发生发展提供了很好的水汽条件。北京各站点大气可降水量普遍超过历史极值,反映了降水的极端性。降水发展不同阶段,云内微物理过程存在差异,降水量初期以暖雨为主,降雨量不大,之后冷雨过程增强,降水量迅速增大。     

2009年8月17日河南北部区域性暴雨诊断分析

利用常规气象观测资料和降水量资料,通过大气热力学和动力学物理量场的计算,对2009年8月17日发生在河南省北部地区的一次区域性暴雨天气过程进行了分析.结果表明,副热带高压加强并西伸,中低层切变线稳定维持,冷暖空气在河南北部交汇,造成这次区域性暴雨.物理量诊断结果显示,深厚的湿层和持续的水汽辐合为暴雨的产生提供了充沛的水汽;中低层大气处于对流不稳定状态;垂直上升运动强盛;中低层辐合、高层辐散的抽吸作用有利于低层垂直上升运动的加强;中低层正涡度、中高层负涡度结构的维持,促使低层气旋性涡度环流增强,为暴雨的产生提供了动力条件,从而触发不稳定能量释放.     

2010年春季河南一次区域性暴雨天气分析

2010年4月20日08时11日08时河南出现了一次区域性暴雨天气。对本次过程的高低空天气形势、卫星资料、雷达产品、NCEP再分析物理量等资料的分析结果表明：这次区域性暴雨是在高空低槽和切变线的作用下,由中低层强盛的西南暖湿气流和低空东风急流,以及地面倒槽的共同影响下产生的。由于影响系统比较稳定,移动速度较慢,且无明显不稳定能量存在,因此为一次稳定性的降水天气过程,与夏季的对流性短时强降水有明显的不同。卫星云图和雷达产品资料显示,云系的发展和移动与低槽和切变线配合较好,主要以层状云系为主,小时雨强并不大,对此次过程预报分析有很好的补充作用。对水汽、热力和动力因子等物理量的分析发现：在降水发生前,水汽条件已较好,丰富的水汽输送和持续的水汽积聚有利于降水的持续;深厚而强烈的垂直上升运动以及上层辐散、下层辐合的抽吸耦合作用,为暴雨的形成和维持提供了充足的动力条件;较长的降水持续时间,为暴雨的形成提供了充足的条件。     

重庆市酉阳县2009年9月20日暴雨天气过程分析

利用常规气象资料,采用天气学诊断方法,从气候背景,环流形势,物理量场和模式产品等方面综合分析了2009年9月20~21日出现在重庆市酉阳县的暴雨天气过程的成因。结果表明:此次暴雨是在高层有低槽,中低层有切变线,地面有北方冷空气入侵的情况下产生的;中低层切变线是此次暴雨的主要影响系统,暴雨区位于700hPa切变线右侧;中低层辐合与高层辐散形成抽吸作用,为暴雨过程发生发展提供了动力条件;存在于孟加拉湾至中国西南地区的水汽通道为暴雨过程提供了必需的水汽条件。     

2013年5月14—16日江西暴雨过程成因及非常规资料特征分析

利用常规观测资料、NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料、风廓线雷达、GPS/MET可降水量等非常规资料,对2013年5月14—16日江西区域性暴雨的成因进行了分析。结果表明:1)此次暴雨过程较强的动力条件和水汽条件是在高空低槽、中低层切变线、西南急流、低涡的共同作用下形成的。2)低层暖湿气流与高层干冷空气的配置有利于热力不稳定能量积聚;稳定度(θse500-850)密集区有利于激发中尺度对流云团发生发展;较强的垂直风切变对不稳定能量的释放和对流性暴雨的产生起到了触发的作用。3)风廓线雷达监测的超低空西南急流脉动与下风方地区的强降水相对应;该雷达监测的中低层风场特征对辅助分析天气尺度系统演变有一定的参考;风廓线雷达特征表现的强信噪比、较大的垂直向下运动与本站的强降水对应。4)强降水落区基本与可降水量(PWV)等值线密集带相对应;最大雨强常在可降水量值达到最高点之后1—3 h出现;在降水出现前站点的PWV值增幅越大,上升至高位值后维持时间越长,同时又有动力触发,对应该站点降水量也越大。     

台风“利奇马”造成浙江极端降水的成因分析

利用NCEP/NCAR再分析资料(0.25°×0.25°)、FY-2G卫星的黑体亮度温度(TBB)、双偏振雷达、加密自动站资料,对2019年台风“利奇马”引发浙江极端暴雨过程的成因进行分析,结果表明:(1)“利奇马”引发的浙江特大暴雨过程是一次深厚台风本体降水,具有范围广、总量大、局地雨强极端的特点,山脉地形对降水的增幅作用显著。(2)台风登陆前后850 hPa水汽通量、850 hPa辐合和200 hPa辐散都超过气候平均值3~4个标准差,异常强的动力抬升和水汽输送为此次极端降水提供了有利的背景条件,物理量的异常度可作为判断极端降水的重要因子。(3)活跃的西南季风和副高南部的偏东急流为“利奇马”提供了充足的水汽和能量。925 hPa水汽通量辐合大值区域与暴雨落区的形态和位置对应较好,且辐合强度的变化对降水量具有一定的指示意义。(4)登陆前后台风中心密闭云区范围大、结构紧实,其中有多个中尺度对流系统强烈发展且移动缓慢,是浙江东部沿海地区产生极端降水的主要原因。基于双偏振雷达的降水估测产品在短临预报中参考价值高。(5)中层的弱干冷空气和低层的强暖湿气流促进了对流不稳定层结的发展和维持,在地面中尺度辐合线和地形的强迫抬升下不断触发中尺度对流系统并产生“列车效应”,是此次过程中西北部山区特大暴雨产生的重要原因。     

秦巴山脉“4·23”区域性暴雨的若干异常特征

利用逐小时降水、雷达、FY-4A卫星等观测资料及ERA5逐时再分析资料,分析了2021年4月23日秦巴山脉大范围区域性暴雨过程的中尺度特征、水汽和环流异常特征,结果表明,该次暴雨过程范围大,多站降水量突破历史同期极值,且大巴山区出现了山地突发性暴雨事件。500 hPa秦巴山脉异常的“东高西低”环流形势维持使得青藏高原至陕西间的气压梯度力增大,中层西风气流增强。中低层多尺度天气系统的叠加作用是造成该次暴雨的背景动力条件,西南低涡前方的东南气流一方面与北侧偏东风形成的切变线为暴雨发生提供了环境场的辐合上升运动,另一方面将西南气流和偏南气流带来的水汽输送到秦巴山脉汇聚。同期近海台风和东北冷涡活动相关联的环流导致东北路径的水汽输送异常强(贡献达到30%),成为本次暴雨过程水汽来源的独特之处。与历史同期比,偏南通道和东北通道的水汽路径上比湿都是异常的正距平,说明暴雨期水汽来源丰沛。暴雨过程主要由西南低涡前方的一个中尺度对流系统活动造成,大巴山区迎风坡对气流的地形抬升与环境场偏南气流的辐合上升叠加,对流活动强,降水强度大且突发性强;而秦岭山区近地面是偏东风在山前辐合抬升,中层为西南引导气流的环境场...     

2008—2017年鄂西南区域极端降水特征及成因

利用地面区域自动站逐时降水观测资料,采用百分位方法,对2008—2017年5—9月鄂西南极端降水特征进行分析,利用卫星云图TBB和NCEP 0.5°×0.5°再分析场资料,对典型个例进行成因分析。结果表明:(1)鄂西南小时强降水和日降水量极端阈值范围差别较大,各站降水极端性程度没有可比性。小时强降水和大暴雨出现频率高的站点主要分布于有地形辐合和地形抬升的山脉四周,小时强降水多发生在00:00—03:00和16:00—19:00时段;(2)鄂西南极端降水发生最多的是东南部海拔高度相差大的鹤峰附近,低空急流和地形作用,使中尺度对流系统在东移过程中存在后向传播,导致降水持续时间长,累计雨量大;(3)对于不同时期的极端降水过程,其形成的热力、动力作用和垂直结构均不相同,6月的暖区极端降水,热力作用占主导,高层系统先于低层发展,而9月极端降水锋区明显,以动力作用为主,系统整层发展加强。     

近49a中国30°N带不同地形下大城市与其郊区的降水特征

基于1969—2017年全国站点逐日降水资料、地形高度资料以及2017年全国常住人口数据,采用概率密度函数PDF法、最小二乘法、Mann-Kendall法和累积距平法等多种统计分析方法,结合中国地形多样性,从降水量的PDF特征、变化趋势和极端降水特征三个方面,分析了近49 a中国30°N带不同地形下大城市与其郊区的降水特征,结果表明:(1)中国30°N带降水的区域性和极端性明显,其中长江入海口代表站的年降水量PDF曲线最接近正态分布;极端降水阈值和极端降水强度基本为自西向东增加,且与地形高度呈反比关系;对于暴雨及以上等级的降水,代表站降水概率小但降水占比大。(2)降水的城市化效应明显,表现为代表站的日、月、季、年降水量PDF曲线普遍存在城郊差异,且日和年尺度的差异较月和季的尺度差异更明显;大城市代表站相对于其郊区代表站,前者年降水量普遍增加得快,且最小值大于后者;前者极端降水阈值、极端降水强度和年最大日降水量最大值普遍大于后者,且发生中雨及以上等级强降水的概率和占比较后者大。(3)代表站降水存在明显的年际变化和季节变化,存在一定的周变化;年降水量的突变时间集中发生在1980s中、后期以及1990s至2000s初;降水量的季节变化特征为夏季最多、冬季最少,其中江汉平原、长江中下游、长江入海口地形下夏季降水的城市化效应明显;大部分地形下工作日降水的城市化效应较休息日明显。     

山西一次区域性暴雨过程的ATOVS资料同化模拟分析

为探索卫星资料同化在山西暴雨数值预报中的应用效果,应用WRF-3DVar同化系统同化ATOVS资料,并利用同化后的分析场作为中尺度数值模式的初始场,对2013年7月3—4日发生在山西南部的一次暴雨天气过程进行数值模拟和对比分析。结果表明:(1)直接同化ATOVS资料能够很好地改善模式初始场的温度场、湿度场及风场,主要表现为山西中南部湿度增大、南北温差减小以及对流层中低层西风分量增大,这样更有利于低层水汽向山西中南部输送、集聚;(2)直接同化ATOVS资料后,模式能够很好地模拟降水发生、发展过程中各个相关物理量的演变,特别是更好地刻画了大暴雨站点上空湿度和垂直速度的演变过程,在湿度增大、垂直上升运动加强时刻,出现短时强降水,且对于触发短时强降水的切变线的移动发展以及反映短时强降水的对流有效位能和反射率因子也有较好体现;(3)直接同化ATOVS资料后模式对强降水落区和量级的预报都有较大改进,对中雨以上降水量级的预报站点TS评分都有明显提高,空报率和漏报率明显降低。     

伊犁河谷夏季两次极端暴雨过程的动力机制与水汽输送特征

新疆伊犁河谷2016年6月16—17日和7月31日—8月1日先后发生两次极端暴雨过程(分别简称"0617"过程和"0801"过程),其日降水量均连续刷新历史记录,前者雨强大、时段分散,后者面雨量大、强降水持续时间长。本文利用常规观测资料、自动站逐时雨量资料与ECMWF 0.25°×0.25°再分析资料,对这两次过程进行了对比分析,重点探讨了两次过程动力机制与水汽输送特征的异同点,其主要结果如下。相同点:两次过程均发生在500 hPa两脊一槽环流背景下,中亚低槽南伸至40°N附近、伊犁河谷低空偏西急流建立与维持以及地形影响下的风切变、风速辐合与强迫抬升等相互配合是极端暴雨形成的有利环境条件;伊犁河谷低空偏西急流与中高层西南气流叠加使迎风坡维持强的垂直上升运动是暴雨产生的动力机制;暴雨的水汽源地主要在咸海至巴尔喀什湖南部40°N附近中亚地区偏西路径携带的水汽,其次是中高层偏南气流的水汽输送。不同点:"0617"过程,热力条件较好,局地对流强,强降水时间短,小时雨量大,暴雨区分散,灾害重,而"0801"过程,500 hPa中亚低槽前偏南气流、600 hPa风切变明显偏强,尤其是中低层青藏高原东侧-河西走廊-南疆盆地偏东急流的维持,使得动力及水汽辐合机制异常偏强,异常水汽接力输送及强的动力辐合是该过程面雨量突破极值的主要原因;暴雨区水汽收支分析表明,"0617"过程水汽输入主要来自西边界,其次是北边界,而"0801"过程水汽输入主要来自南边界,其次是西、东边界,且降水随西、东边界中层水汽输入增强而明显增大。     

山西省北中部“09．07．08”区域性暴雨天气过程分析

本文利用常规天气图、物理量场等资料,从大尺度环流形势及影响系统、动力、热力条件等方面,对2009年7月8日山西省北中部区域性暴雨进行了诊断分析。结果表明：500hPa西风槽前部西南暖湿气流与东北冷涡后部下滑的冷空气相互作用,700hPa低涡切变线是造成本次大暴雨的主要影响系统;深厚的湿层和强烈的水汽辐合为暴雨的产生提供了充足的水汽条件;低涡东移和切变线的生成,地面低压向山西发展,为暴雨的形成提供了动力条件;低层850hPa的高能舌轴前的能量锋区为暴雨的形成提供了热力条件。     

“21·7”河南特大暴雨水汽和急流特征诊断分析

2021年7月中下旬在河南省发生了一场极端强降水过程,暴雨持续时间长,累计降水量大,落区集中,造成了严重的人员伤亡。基于自动站雨量数据和ERA5再分析数据探讨了多尺度系统、急流和地形对水汽的输送和辐合及降水形成的重要作用和影响机制。结果发现:暴雨发生在远距离台风影响的有利环流背景之下,大量来自西太平洋的水汽从边界层和对流层低层进入河南东侧,来自南海的水汽从南侧对流层中低层进入降水区,在低涡、切变线和辐合线的共同作用下,引发强降水。低空急流与边界层急流的耦合形成低层水汽辐合上升中心,地形起到了动力阻挡抬升和热力抬升作用,并与急流综合作用,使强降水呈带状出现在山前,且20日位于豫中,21日在豫北。     

内蒙古中西部地区一次极端大暴雨特征分析

利用常规观测资料、自动加密站观测资料、NCEP(1°×1°)再分析资料、FY-2E卫星云图以及多普勒雷达资料,对2016年8月16—18日内蒙古中西部区域性极端大暴雨天气的成因进行分析。结果表明:暴雨落区位于副热带高压边缘、700~850 h Pa"人"字型切变线、河套气旋前部等压线密集处的叠置区;深厚的湿层以及极端暴雨发生前6 h中低层显著增湿为暴雨的发生输送了充沛的水汽;散度辐合中心和上升运动中心叠置且加强,更有利于强烈上升运动形成,是暴雨发生发展和维持的动力机制;暴雨爆发前对流有效位能(CAPE)有明显跃升,暖云层厚度加大,有利于降水效率的提高;暴雨时段内有两个中尺度对流系统(MCS)以相同路线沿着副热带高压584 dagpm线边缘、阴山山脉东西方向自西向东移动;短时强降水(30 mm·h~(-1))和云顶亮温(TBB)低值中心区(≤-52℃)以及TBB等值线密集区有良好的对应关系。