一次低涡气旋云系宏微观结构和降水预报的检验

利用GRAPES_CAMS模式对2014年5月9—12日一次大范围低涡气旋降水过程的云宏微观结构和降水进行预报,结合观测资料,从天气结构、降水、云宏微观结构等方面对模式预报结果进行检验分析,对低涡气旋降水的增雨可播区进行模式识别。结果表明:无论48 h还是24 h模式均可预报出雨带的位置和移动趋势,且24 h预报雨量的量值、落区和降水时段与实测更接近;模式预报的大范围云系分布和演变与卫星反演结果较吻合;模式预报出了与实测接近的云层冷暖结构、降水性质、云带位置等特征,但云顶高度预报比实测偏高;模式预报的过冷水含量、降水粒子浓度与飞机观测结果接近。低涡降水云系基本为冷暖混合云结构,雨区主要分布于低涡北部、东部及东南部;低涡中心云顶温度为-25~-15℃,而其东侧和北侧云顶温度在-40℃以下,云系含水量大值区主要位于低涡东部和东南部,冷云催化增雨可播区主要位于700 h Pa低涡东侧和东南侧的西南气流中。     

NOAA/AVHRR数字云图在大降水落区预报中的应用

使用NOAA／AVHRR数字化的云顶温度和未来12小时降水量资料，对新疆地区大降水落区进行了探讨，得出新疆地区大降水落区与云团的云顶温度之间的关系，并得到了新疆地区降水的云团天气模式。     

一次典型降水层状云的结构特征和增雨潜势分析

利用FY-2C卫星资料、雷达资料和逐时降水资料及NCAR/NCEP(1°×1°)再分析资料,对2005年9月24-25日河南省出现的层状云降水过程进行了分析。结果表明:影响降水过程的是低槽—切变云系,切变线云系为暖云云系,结构较均匀,低槽云系主体为冷云,云顶亮温不均匀,有低亮温带结构,当东移的低槽云系与北抬的切变线云系叠加后,叠加区上有中小尺度云团活动,促使降水加强。强降水出现在700 hPa、850 hPa切变线之间及500 hPa低槽前部,并与云顶亮温的发展变化趋势表现出相似性;500 hPa槽前、700 hPa切变线北侧的降水,雨强与亮温值的对应关系不确定。这主要是由于低槽云系和切变线云系的叠加部位不仅具有深厚的湿层,而且具有较强的动力抬升和水汽辐合条件;切变线北侧处于低空辐散区且水汽条件较差,自然降水产生的条件不是很好。最后借助于FY-2C卫星资料反演的云物理参数,对低槽—切变云系的增雨潜势进行了简要分析,认为低槽—切变云系上云顶温度较高的部位符合“播云窗”概念,具有很好的增雨潜势,切变线北侧的低槽云系由于云顶温度低、低空水汽不充分,“播撒—供应”机制不能很好地建立,其增雨潜势条件也弱。     

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。     

2011年5月11-12日广西区域性暴雨诊断分析

利用NCEP1°×1°再分析资料、常规观测资料、自动站雨量资料、卫星TBB资料和雷达资料.对2011年5月11-12日广西出现的区域性暴雨进行诊断分析.结果表明:暴雨是在欧亚中高纬地区为两脊一槽的环流背景下产生的.500hPa南支槽、850hPa低涡和地面辐合线是其主要影响系统.水汽从南海输送到广西上空.并在桂西北产生强烈辐合.暴雨发生前广西处于θse高能舌区内,低层暖平流、中高层冷平流加剧大气层结的不稳定.在500hPa南支槽前正涡度平流输送下,桂西北850hPa低涡得到加强,低层辐合、高层辐散的垂直结构,有利于产生强烈的垂直上升运动.强降水与桂西北两个MBCS云团的强烈发展有关,冷云顶在-52℃以下的TBB低值区与暴雨落区有较好的对应关系.涡旋状降水回波的不断新生东北移是导致区域性暴雨发生的原因之一.     

湖北省卫星云图短时暴雨概念模型研究

利用FY-2C卫星云图,结合GMS、GOES卫星云图资料和高空、地面常规观测资料,针对2003—2008年湖北省内出现的主要区域性暴雨过程,分析引发暴雨的中尺度对流云团发生、发展、成熟与消亡的典型特征。在此基础上,总结提炼出在暴雨短时预报时效(0～12h)上,根据暴雨发生的不同大尺度环流背景和暴雨云团的演变特征,可建立5种卫星云图模型,即低涡冷槽东移型、冷切变南压型、春季暖倒槽型、梅雨锋切变型和台风西移型;湖北省短时暴雨云团主要发生在切变云带内,春季暖倒槽型和低涡冷槽东移型中,切变云带呈东北—西南向,暴雨云团沿东北—西南向发展,冷切变南压型和梅雨锋切变型中,切变云带呈准东西向,暴雨云团沿准东西向发展。     

基于L波段探空观测的FY-4A云顶温度产品评估及其在冬季降水相态判识中的应用

利用2019—2021年冬季上海宝山站L波段探空资料对FY-4A云顶温度(CTT)产品进行评估,分析发现,FY-4A的云顶温度产品能够较好地反映单层云的云顶温度,对双层云或多层云的云顶温度则普遍高估(平均高估幅度超过14℃);当探空观测到的云顶高度不超过6 km或云顶温度不低于-20℃时,FY-4A云顶温度产品误差较小,平均偏差约为3℃。根据2021—2022年冬季长三角地区地面站观测的降水现象统计云顶温度与降水相态的关系,并对典型个例进行分析,结果表明,云顶温度低是出现降雪的必要条件之一,绝大部分降雪出现在云顶温度低于-12℃的情况下。FY-4A的云顶温度产品时空分辨率高、精度尚可,可以辅助预报员判识雨雪落区,在雨雪转换过程的预报服务中有较大的应用潜力。     

西南低涡对流云团及其降水的一些特征

基于FY-2C静止卫星红外和水汽通道资料,简单分析了发生在四川盆地的西南低涡暴雨云团生消过程,给出了一些有意义的云团生命特征。同时,结合相应的地面自动站降水资料,详细分析了卫星红外和水汽通道云顶亮温与对流云团降水之间的关系特征,结果表明:对于一完整对流降水过程,1小时内最低水汽亮温和水汽亮温增量能很好地描述地面1小时累计降水特征。然而,用静止卫星红外或水汽通道亮温来表征的云团降水特征是非常复杂的。尽管具有相同的最低云顶红外或水汽亮温,但对不同的对流过程其总体降水量级趋势不一样。而且,对于同一对流过程的不同发展阶段,即使出现云顶红外或水汽亮温一样,但其地面降水特征也是不一致的。甚至是对于同一时刻具有相同最低红外或最低水汽亮温特征的云,其降水落区与量级都不尽相同。正是这些复杂的降水特征,使得西南低涡对流云团的降水估算具有很大的难度。      

用云团强中心附近最大亮温梯度区判别强降水

用1996～2001年5～7月GMS红外云图资料,分析了GMS红外云图云顶温度与对应的地面雨量站的1 h雨量的关系,结果表明云团降水最强的区域既不是出现在云顶温度最低的区域,也不是出现在云顶温度梯度最大的区域,而是出现在云团强中心附近的云顶最大温度梯度区移动方向大约4个像素的地方.同时采用回归分析方法统计了云团最强降水与最低云顶亮温和发展率等因子的关系,然后根据云团强中心附近的最大亮温梯度区的移动来估计云团未来1 h强降水可能的强度与落区.     

西太平洋副热带高压下热对流降水结构特征的个例分析

利用热带测雨卫星的测雨雷达和红外辐射计的探测结果,对2003年8月2日15时(北京时)中国东南部副热带高压下发生的热对流降水结构特征、云和降水云之间的关系进行了分析研究。大气背景分析表明,500 hPa副热带高压中心附近的较强上升运动和850 hPa的水汽通量辐合为此次午后热对流降水云团的发生提供了动力和水汽条件。热带测雨卫星的测雨雷达探测结果表明,热对流降水云团的水平尺度多为30~40 km,平均垂直尺度均超过10 km,最高达17.5 km;云团的最大近地面雨强超过50 mm/h。热对流降水云团的平均降水廓线表明,其最大降水率出现在5 km的高度,这一高度比估计的环境大气0℃层高度低1 km。与“98.7.20”中尺度强降水的对流降水廓线比较表明,两者的最大降水率高度相同,但热对流降水云团更深厚;在4 km高度至近地面,热对流的降水率减少速度比“98.7.20”强对流降水的快,表明前者雨滴在下降过程中因气温高而发生强烈蒸发。对降水云团顶部特征与近地面雨强关系的分析结果表明,雨顶高较低时,云顶高度变化范围大;当雨顶越高时,云顶高度与雨顶高度越相近;平均而言,给定地面降水率,云顶高度比雨顶高度高出1~4 km;当近地面雨强越大,则云顶高度和雨顶高度越高、且越相近。结果还表明,非降水云面积约占86%,晴空面积仅占2%,而降雨云面积约为云面积的1/8。     

一次江淮大暴雨过程中尺度系统结构分析

本文应用观测资料和中尺度数值模拟结果对1999年6月23日发生在江淮地区一次梅雨锋暴雨过程进行研究，揭示了影响这次暴雨过程的物理条件、云团的演变特征及与中尺度系统的关系，分析表明，在暴雨生成和发展过程中，多个中尺度云团在相继生成和移动发展，暴雨中心是几个发展较强的中尺度对流云团造成的，西南风低空急流为暴雨提供了水汽输送，并且通过强垂直运动向对流层中上层输送水汽，这次暴雨与中尺度系统发生发展有直接关系，西南涡分裂出一系列的小涡旋，这些小涡旋边向东移边减弱，并且同时在地面上引发小低压，这些中尺度低压增强低空水平辐合，成为触发不稳定能量的机制，低空急流中心与雨区相互对应，且急流风速增强，风速水平切变梯度增大的过程对应着强降水过程。     

1991 年6月江淮持续暴雨的云系特征分析

通过对GMS静止卫星的红外数据处理，获得了1991年夏季江淮梅雨期暴雨大范围的平均云分布。对1991年6月6次江淮暴雨过程逐时和3小时的GMS红外云图动画和照片的分析，得到了该地区梅雨期暴雨的三种中低纬云系相互作用的云型演变模型图，并利用由卫星气象中心处理的NOAA卫星的TOVS水汽反演资料，结合低层的θse和急流分析，给出了1991年6月江淮暴雨的水汽输送的一些特征。     

2005年8月16日天津大暴雨成因分析

运用FY-2C卫星资料和由NCEP/NCAR再分析资料计算的多种物理量场,初步分析了2005年8月16日天津大暴雨的成因：此次大暴雨发生在低槽冷锋前部,对流层中层低槽和副热带高压的维持、对流层低层切变线的出现、近地面层冷空气的扩散侵入、对流层中低层强盛的不稳定能量以及充沛而又深厚的水汽等天气条件的有效合理配置,造就了这次历史罕见的大暴雨。降水显著的中尺度特性与中尺度云团相对应。同时,对比分析了15日发生在河北东北部、京津地区的另一个降水较弱、对流天气强的对流云团,结果显示它们形成发展中存在差异,为今后两类天气的预报提供了一些线索。     

一次极端降水的中尺度雨团分析

利用常规观测资料、ECMWF ERA-Interim 0.125°×0.125°分析资料、FY-2G卫星云图和多普勒天气雷达资料等,对2017年8月18-19日漯河极端降水的中尺度特征及降水成因进行分析。结果表明:(1)本次过程在200 hPa高空分流区、500 hPa高空槽以及副热带高压、低层急流切变、地面低压倒槽等天气尺度系统合理配置及其相互作用下发生。(2)探空显示漯河上空具有较高的对流潜势,有利于中尺度雨团初生和发展。低层饱和、厚暖云层、弱风切变有利于暴雨云团产生,高CAPE值、高比湿和高降水效率是极端雨团的重要原因。(3)中尺度对流云团一个随槽前西南气流东移北上,一个随低层切变线南压,相向合并发展为M_βCS,有利于暴雨云团增强。不同于以往本地区的云团"同向合并",持续的列车效应以及低质心高效率的中尺度对流单体后向传播导致强回波长时间维持,极端降水发展。(4)地面中尺度辐合线和强辐合中心对强降水起到动力触发作用,有利于对流发展。冷池出流与交汇北上的东南风和偏东风相互作用,导致水平温度梯度增大形成和冷池前侧锋生加强,一方面致使雨团组织化发展和单体后向传播,另一方面也在降水区下游触发新生雨团,冷池持续增强。(5)本次过程整层风场较弱,且低层气流传播速度大于引导气流速度,平移与传播方向的反向夹角大,导致两者矢量和大幅度偏离了引导气流方向,同时产生的减速效应导致暴雨中尺度系统移动缓慢,导致极端降水形成。     

基于葵花8号卫星资料的沈阳两次暴雨过程中对流云特征对比分析

应用葵花8号卫星资料,结合NCEP FNL再分析、GNSS遥感水汽、风廓线雷达、全国智能网格实况融合分析资料,对2017年7月14日和2018年8月7日沈阳两次暴雨过程(分别简称过程Ⅰ和过程Ⅱ)中对流云特征进行了比较分析,重点探讨了对流云的触发维持机制与影响降水特征差异的因素。结果表明:(1)两次过程分别为局地突发暴雨和区域性极端暴雨,沈阳市区暴雨均由两个对流云团引发,对流云团合并使得降水持续。过程Ⅱ云团合并发生在其移动方向的后侧,具有后向传播特征,合并云团沿其长轴方向移动影响沈阳市,使降水时间延长。(2)在降水前至降水初期,过程Ⅰ对流云顶和水汽层顶快速上升且云顶迅速超过水汽层顶,而过程Ⅱ亮温下降缓慢。短时强降水发生前红外和水汽亮温同步快速降至-60℃,可作为提前预判对流云团产生短时强降水的参考指标。10 min雨量大于10 mm的对流云云顶集中分布在红外亮温低于-55℃、亮温差为-5~0℃的范围。(3)两次过程中,沈阳市分别位于东北冷涡后部和副热带高压北缘。过程Ⅰ,探空曲线呈“X”型,CAPE高达2584 J·kg^-1,造成对流云深厚,云底以下干层导致雨滴蒸发,使降水强度减弱,该过程高强度降水仅发生在对流云团合并加强阶段。过程Ⅱ,云底到地面湿层明显,保证了雨滴降至地面,产生相同量级降水的云团的TBB比过程Ⅰ高。(4)强降水发生前,地面风场存在明显辐合,当大气可降水量2 h内跃增8 mm时,站点出现强降水;局地水汽跃增可能是低空西南气流偏南分量增大或偏北冷空气侵入到暖湿空气中所致。     

青藏高原和四川盆地夏季对流性降水特征的对比分析

本文利用TRMM(Tropical Rainfall Measure Mission)多种探测结果,针对青藏高原和四川盆地各两次对流性降水天气进行了对比分析,结果表明:(1)高原降水系统以对流云降水为主,弱降水样本数量高,由孤立零散的块状降水云团组成,对流中心离散,降水范围小,雨区极不均匀,垂直发展厚度浅薄,降水粒子数量少,雨滴小,潜热释放以地面以上2~5 km高度层为主,夏季近地面层冰晶粒子含量高,降水过程中云顶亮温与地表雨强之间的相关性差,云顶亮温越高的对流云团其闪电频数越高。(2)盆地降水系统强降水样本数量高,由一个主降水系统和周边零散的降水云团组成,降水范围大,对流中心相对集中,雨区较均匀,垂直发展厚度高,对流系统深厚,雨滴大并集中,潜热释放呈一致的双峰型结构,峰值分别出现在7和16km高度上,冰雹粒子在对流层较高层含量高,云顶亮温与地表雨强之间呈显著的负相关,盆地的闪电频数显著高于高原地区,且闪电活动主要集中在亮温偏低的降水云体中。     

2002年6月8日佛坪突发性特大暴雨天气过程分析

对2002年6月8日发生在陕西佛坪的一次特大暴雨过程进行了综合分析, 结果表明:500 hPa槽前的中尺度切变线是直接影响暴雨产生的中-α尺度系统; 位于台湾岛以东洋面台风“浣熊”外围的低空偏东急流从海上一直延伸到陕西, 成为特大暴雨的主要水汽来源; 华北高脊稳定, 使得高原低值系统移速减慢、停滞, 有利于特大暴雨的形成; 急流次级环流为特大暴雨提供了持续强劲的上升运动; 在地面中尺度风场中, 两个中-β尺度气旋稳定少动, 与地面降水强中心相对应; 在红外云图上, 中-β尺度对流云团呈椭圆状, 云顶亮温T_BB在-60 ℃~-70 ℃之间。中-β尺度对流云团的强弱变化与次级环流的强弱有直接的关系。     

西南季风潮与2004年5月我国南方暴雨

以2004年5月初及5月中旬我国华南等地两次较大暴雨过程为例, 分析了西南季风潮与我国前汛期降水的关系。初步结论指出:西南季风潮的爆发与我国华南降水, 特别是大暴雨的形成关系极为密切, 而这次西南季风潮的爆发又与来自南半球的越赤道气流直接有关。同时指出, 这次西南季风潮的爆发主要与来自85°~95°E孟加拉湾地区所在经度的越赤道气流有关, 它们是印度洋“半球间宏观系统”的一个部分。而南海季风潮仅仅是西南季风潮的一种特例, 在这两次重大降水过程中没有南海季风潮的爆发和影响。     

西安致灾短时暴雨中尺度与动力指数特征

基于同化多普勒雷达资料的WRF模式、地面加密观测、卫星云图和NCEP再分析资料等,分析总结2015年8月3日、2016年7月24日西安两次致灾短时暴雨过程环境条件、中尺度系统及动力因子指数特征。结果表明:关中处于稳定少动的西太平洋副热带高压西北边缘,上干下湿、午后低层大气超绝热状态,为短时暴雨提供了热力条件。西风槽与近地层切变线是暴雨直接影响系统。伴随冷锋过境,午后西北方向咸阳、铜川一带地面偏北风跃增是短时暴雨有利触发因子,强降水位于地面3 h正变压中心至东侧大梯度区附近。短时暴雨对流云团距离北部高空急流相对较远,无斜压叶状云系特征,降水对上升气流拖曳作用明显,云团TBB中心降至-65 ℃以下后,周边出现最大雨强。暴雨云团内部,霰粒子含量最大,冰粒子比其他粒子偏少一个量级以上,最强上升运动在霰粒子中心上方-30 ℃层附近、接近雪粒子中心;伴随整层雨水、霰和雪粒子含量5倍以上突增出现短时暴雨,雪粒子比雨水、霰粒子开始增多时段偏晚约1 h,其含量峰值与最大雨强同步。两次短时暴雨环境条件和中尺度特征差异明显。“0803”过程为切变线冷区暴雨,高空西风急流范围大、位置偏南,西太平洋副热带高压较弱,西风槽后偏北冷空气活跃,偏南水汽输送弱,关中地区中下层存在明显能量锋区和对称不稳定;云团内部冰相粒子明显偏多,雪粒子相对霰粒子占比偏高,冷空气入侵有利于冰相粒子快速生长;暴雨位于能量锋区和对流云团边缘、TBB最大梯度区附近。“0724”过程为切变线暖区暴雨,高空急流范围小、位置偏北,西太平洋副热带高压强盛,偏北冷空气弱,偏南水汽输送明显,关中地区中下层为位势不稳定;云团内部冰粒子偏少,雪粒子相对霰粒子占比低;暴雨位于对流云团内部、TBB中心附近。定义的垂直螺旋度指数VHI和散度垂直通量指数DVFI对暴雨落区预报具有较好的参考价值:大暴雨位于动力指数异常大值中心趋于集中且稳定少动的区域附近,动力指数小于200、中心分散且大值持续时间短的区域,降水不明显。