一次温带气旋特殊移动路径及其结构和成因分析

为了更全面地了解温带气旋的结构和形成原因,利用常规高空、地面观测、NCEP的1°×1°再分析资料和FY-2E水汽图像等资料,分析了2014年6月6 10日发生在华北及东北温带气旋的强度和移动路径、环流背景及结构和成因等。结果表明:(1)在发展阶段,地面气旋中心气压变化不大,但以逆时针旋转的路径移动;当地面气旋中心与高层低涡中心在同一垂直轴线上时,气旋停止发展。(2)以异常路径移动的气旋发生在500 h Pa大尺度环流多次调整的背景下。当气旋上游贝加尔湖至我国新疆南部的高压脊发展时,气旋初生;当气旋下游日本岛东部至鄂霍次克海高压脊发展时,气旋发展。(3)当正相对涡度随高度向西倾斜、气旋中心上空对流层低层正相对涡度首先加大、且其西侧的冷锋锋区增强、随后气旋中心上空整层正相对涡度增大时,地面气旋处于发展过程中;当高低层正相对涡度垂直重合、且对流层低层冷锋锋区减弱,则气旋停止发展。(4)对流层上层具有高值位涡的干空气逐渐进入地面气旋中心上空的湿区时,高位涡所携带的高空正涡度平流辐散作用使得低层辐合加强、绝对涡度增大,引起地面气压下降。(5)气旋中心上空的对流层中层暖平流和高层较大的正涡度平流使得垂直上升速度增强,气旋逐步发展;地面气旋中心总是沿中低层暖平流和其下游高低层微差涡度平流较大的区域移动。

雷达资料在高原东北侧雷电预警中的应用

利用LD-Ⅱ闪电定位仪资料和兰州CINRAD/CC雷达资料,对甘肃中部2011和2012年夏季对流性降水过程中雷达回波单体与雷电活动之间的对应关系进行分析,提取反映较好的雷达产品特征量,建立雷电预警方案。结果表明,35 dBz回波顶高(ET)突破-10℃层高度和40 dBz回波顶突破过-10℃层高度等2个指标的雷电预警效果较好,预警时间可分别平均提前23和16 min;垂直累积液态含水量(VIL)可作为判断雷电发生的充分条件,但其值应小于30 kg·m^(-3);ET大于10 km预警雷电发生,预警时间可提前平均为7 min。利用建立的雷电预警方案对2013年的个例进行效果检验分析,结果表明该方案在雷暴天气具有较好的预警效果。

基于地理地形因子动态调整的复杂地形区雷达定量估测降水技术

雷达定量降水估测可以提供时间连续、水平分辨率高和覆盖范围广阔的降水产品,目前已成为气象监测的重要手段之一。尽管当前针对不同地区雷达估测降水的方法有了长足的发展,但是复杂地形区的雷达降水估测效果仍需改进。本文针对青藏高原东北边坡复杂地形区雷达降水估测,在固定经验Z-I关系、云分类经验Z-I关系、回波分级统计Z-I关系3种已有算法的基础上,建立了基于准稳定移动窗口的地理地形因子实时动态调整降水估测订正算法,并利用2017-2018年汛期临夏地区降水天气个例开展估测效果评估。结果表明:未经订正算法估测降水值往往较实况观测值偏小,而经过订正后的估测降水平均值与观测实况较为一致;不同算法对于小量级降水估测的累计概率分布(CDF)与观测实况偏差较大,而随着降水量级逐渐增加,估测降水的CDF与实况观测逐渐接近,基于回波分级统计Z-I关系的订正算法估测性能更为稳定;不同算法估测降水量的误差差异较大,未订正算法对所有降水以低估为主,基于回波分级统计Z-I关系订正算法和基于固定经验Z-I关系订正算法的整体估测偏差较小;未经订正算法对对流性降水天气主要降水落区估测较好,但对降水强度估测较差,而订正后估测效果明显提升,基于云分类经验Z-I关系的订正算法对于对流性降水天气估测能力更佳,特别是对短时强降水的估测能力效果较其他算法明显更优;未订正算法对于稳定性降水量级估测较弱,而经过订正后估测结果与观测实况更为接近。

1960年～2012年长江下游流域气候变化特征分析

利用1960年~2012年长江下游地区34个气象站逐日资料,采用线性回归、bootstrap、Mann-Kendall检验、样条插值等方法,分析长江下游地区的极端气温和极端降水的变化特征。结果表明,1987年后极端低温日数开始减少,极端高温日数开始增加,且极端高温和极端低温都呈现显著上升趋势,极端低温的上升趋势更为明显;长江下游极端降水频次和强度存在明显的年代际差异,2000年以后极端降水频次有所减少但强度并未减弱。城市化对于城市降雨量的影响呈现出逐年变大的趋势,也使得城市周边地区的降水也出现一定的增大趋势。

甘肃东南部暖季对流活动的雷达气候学特征

基于天水多普勒天气雷达资料,通过“最大值法”筛选出对流回波样本,利用TITAN(雷暴识别跟踪分析和临近预报)算法对对流风暴属性特征追踪统计,分析了甘肃东南部暖季(6-8月)对流活动的雷达气候学特征。结果表明:(1)对流活动频次多集中在高海拔山区附近,大值中心位于六盘山西侧山脉的迎风坡或西秦岭山脉起伏较大的区域,其中8月为对流活动高峰期。(2)对流风暴以西北向东南方向传播为主,不同月份传播特征存在一定差异;6月传播速度最快、8月最慢。(3)对流活动发生频率日变化特征呈单峰分布,主峰区位于16:00-17:00(北京时);不同地形对流发生、发展具有不同的日变化特征,午后高海拔区域是热力对流发生的高频区,夜间对流活动在山区、河谷、盆地、平原等地形均有发生。(4)不同月份对流风暴的日变化存在明显差异,6月午后太阳加热、地形强迫对对流风暴的影响最为显著,而7、8月夜发对流对高原边坡复杂地形响应更高。午后组织性较好的风暴传播方向与山脉走向及坡向关系密切,夜间时段与500 hPa盛行风关系密切。(5)超过90%的对流风暴持续时间在36 min以内,仅有1%的风暴持续时间大于1 h。

短时强降水监测和预警技术及其在山区的应用

为提高短时强降水的监测和预警技术在山区等复杂地形中的应用,本文选取相关的探空资料分析天气背景,划分降水类型,与自动站订正技术相结合,采用Z-I分型最优化技术估测降水,利用交叉相关法对雷达反射率因子进行外推,并预测30min后的累积降水量。根据近3年的观测资料,制定出适合岳阳地区雷达反射率因子以及雷达估测降水对应的降水量级。通过与自动站雨量对比,Z-I分型最优化技术估测降水的相对误差较小;与Z-I经验公式估测降水对比分析,雷达估测降水的准确率有一定提高。经过岳阳示范区一年的实际应用表明:该方法对短时强降水的估测和预警均取得良好的效果,对强降水引起的山体滑坡等灾害具有一定的防范作用。

2013年7月21日甘肃河东大暴雨过程分析

利用地面加密自动站资料、FY2E红外云图资料、NCEP 1°×1°再分析资料、多普勒雷达资料等,对2013年7月21日发生在甘肃河东的区域性大暴雨天气过程进行诊断,分析其主要影响系统、物理量、卫星云图、雷达等特征。结果表明:西风槽东移、锋区南压使得高原槽生成并且加深,且西风槽与高原槽两者在东移过程中同位相叠加,西太平洋副热带高压东退,是此次暴雨发生的主要影响系统;高低空急流的耦合为暴雨的产生提供了有利条件;低层正涡度区、整层强烈的上升运动、充沛的水汽以及θse≥80℃的高能区,是产生此次大暴雨的动力、水汽、能量、层结不稳定条件;低质心暖云降水、对流单体的列车效应是造成局地持续性短时强水的主要原因。

两种类型短时强降水形成机理对比分析——以甘肃两次短时强降水过程为例

利用"2014·06·18"和"2013·06·19"两次短时强降水过程的实况资料及NCEP 1°×1°再分析资料,对比分析了发生在甘肃省中南部地区相同季节、相似气候背景下的不同类型短时强降水过程实况特征、天气形势配置、动力热力特征、云图及雷达特征。结果表明:两次过程雨强均较大,但"2014·06·18"降水过程分散性强、持续时间短,且伴随冰雹、雷暴大风等多种强对流天气,而"2013·06·19"降水过程区域性强、持续时间长。前者是发生在中低层冷暖空气强烈交汇,并伴有明显温度锋区和锋生,地面有冷锋活动形势下,是斜压锋生类短时强降水。后者是发生在低层强烈发展的暖湿平流中,暖湿平流对建立热力不稳定起了主导作用,是暖平流强迫类短时强降水。不稳定指数显示前者不稳定能量大于后者,且存在一定的对流抑制能量,有利于强对流的发展。暖平流强迫类短时强降水湿层厚度高于斜压锋生类,而斜压锋生类短时强降水高层垂直风切变表现得更强。"2013·06·19"暖平流强迫类短时强降水云图特征为沿暖湿气流迅速发展北上的带状云系。"2014·06·18"斜压锋生类短时强降水则表现为与低空"人"字形切变相对应的逗点云系,云系的发展变化与形势场变化密切相关,是降水落区及其发展变化的重要原因。雷达反射率因子显示"2013·06·19"是积状云为主的混合性降水回波,回波梯度小,质心低。"2014·06·18"是层积云中分散着块状对流单体回波,回波梯度大,回波质心发展较高,回波强度可发展到很强。当50 d Bz强反射率因子核心区接近8 km高度,达到-20℃层高度,回波顶高也达到12 km时,有冰雹产生。

一次六盘山两侧强对流暴雨中尺度对流系统的传播特征

2016年8月24日19:00至25日08:00(北京时)在500 h Pa副热带高压控制下,甘肃中东部、陕西关中出现强对流暴雨,19个乡镇出现大暴雨,最大降水量达158.7 mm,小时最大降水量达79.1 mm,且伴随雷电天气,呈现典型的强对流天气特征。利用卫星、雷达、地面加密资料、ECMWF细网格资料、NCEP再分析资料和常规观测资料,重点分析造成短时强降水的中尺度系统的发生、发展以及中尺度对流系统传播特征。结果表明,大暴雨主要由2个中尺度对流系统产生;中尺度对流系统的发生、发展与中尺度地面辐合线有密切关系;低层动力场的切变扰动在六盘山两侧形成东西向的辐合线,雷暴单体在辐合线附近强烈发展,整体随辐合线向偏南方向移动;六盘山以西的辐合线影响甘肃中部,六盘山东侧的辐合线在移动中分裂为两段:东段继续向偏南方向移动,影响甘肃陇东;西段移到关中西部时,沿峡谷进入关中西部的偏北风,受地形影响转为西北风,使辐合线由东西向转为南北向,雷暴单体随辐合线沿地形走向自西向东移动,影响关中;有利的动力、热力因素,对六盘山东侧中尺度对流系统的加强和传播方向的改变起到重要作用。

半干旱区一次罕见“雷打雪”天气形成机制分析

利用气象观测资料、NCEP再分析资料和Himawari-8卫星资料,分析了2017年10月8—9日发生在西北半干旱区一次罕见的雷暴伴雪过程,并对其成因和机制进行了探讨。结果表明:此次冷季罕见的对流天气形成于青藏高原东部,是在槽前地面暖中心的背景下发展的,具有地基雷暴的特征;而出现在兰州的雷暴,距离地面冷锋约150 km,有深厚稳定的冷垫,中低层有明显的逆温层,逆温层之上存在条件性不稳定的暖湿空气,具有高架雷暴的结构特征。与东部湿润区高架雷暴不同:此次高架雷暴是青藏高原地区的地基雷暴移动到较低海拔冷垫之上的延续和发展;就结构特征而言:此次过程各特征层次(冷垫、逆温层、水汽辐合等)对应的高度与东部低海拔地区相比明显偏高,但各层次对应的厚度则没有显著差异;就冷垫形成机制而言:西北半干旱区陆气能量交换以感热为主,独特的下垫面在较强冷空气的配合之下,地形复杂的黄土高原地区同样也能形成较为稳定的冷垫层次;从不稳定机制来看:青藏高原地基雷暴和兰州高架雷暴均是由条件性不稳定引发的。青藏高原东部100°E附近“上冷下暖、上干下湿”,在高空急流和500 hPa高空槽共同作用下产生上升运动,触发垂直对流;兰州地区中层较强的暖湿平流,不仅向对流层中层提供了充沛的水汽,还加强了逆温层上的条件性不稳定层结;700 hPa切变线辐合作用配合500 hPa高空槽的天气尺度强迫,触发上升运动并释放不稳定能量,为由高原东移至冷垫之上的垂直对流的维持和发展提供了有利的条件。

甘肃省短时强降水的时空特征

基于甘肃省81个自动气象站2002—2012年逐小时降水数据,分析了甘肃省近11 a来短时强降水的时空变化特征。结果表明:短时强降水频次自甘肃省西北向东南逐步递增,陇东南地区是甘肃省短时强降水发生频次最多、强度最强的地区。短时强降水存在2个高发中心,一个在以合水为中心的陇东地区,另一个在以徽县为中心的徽成盆地。短时强降水主要发生在午后至前半夜,出现时段集中在16:00—00:00,17时前后是短时强降水天气高发时段。短时强降水主要出现在5—9月,其中7—8月是一年中出现最多的月份,其次是6月。近11 a来,短时强降水频次呈上升趋势,2006年和2010年出现了2个峰值,其中2010年最多,发生52次,2004年最少只有17次。

遮阴对南方稻-麦土壤CH4和N2O碳排放强度的影响

通过田间模拟试验,采用双因素试验设计,研究太阳辐射减弱下不同农田管理对稻-麦土壤温室气体排放特征及其碳排放强度的影响。遮阴强度设3个水平,即对照(CK,不遮阴)、轻度遮阴(S1,单层遮阴)和重度遮阴(S2,双层遮阴);农田管理(水分管理/播期)设2个水平,即常规淹水/常规播期(F/P)和湿润灌溉/晚播(M/L),在稻-麦主要生育期对土壤CH_4和N_2O排放通量进行测定。结果表明:遮阴(S1、S2)使稻-麦土壤常规淹水/常规播期处理的CH_4累积排放量显著降低68.08%、42.22%,并提高了湿润灌溉/晚播处理稻-麦土壤的CH_4排放;湿润灌溉/晚播处理显著降低CH_4累积排放量15.6%~86.61%。遮阴显著提高稻-麦土壤各处理的N_2O累积排放量63.59%~111.40%(P<0.05);常规淹水/常规播期处理稻-麦土壤N_2O累积排放量较湿润灌溉/晚播处理略有降低。就全球增温潜势而言,与不遮阴相比,遮阴使常规淹水/常规播期处理下的稻-麦土壤CH_4和N_2O对全球增温潜势的贡献显著降低36.32%~62.51%,使湿润灌溉/晚播处理的略有提高;湿润灌溉/晚播处理下CH_4和N_2O的全球增温潜势较常规淹水/常规播期处理降低12.1%~83.22%。研究认为,遮阴使稻-麦土壤CH_4和N_2O的碳排放强度显著升高,而不遮阴下湿润灌溉/晚播处理可显著降低CH_4和N_2O的碳排放强度,即保证了产量又提高了生态效益。

冬季北大西洋风暴轴的东西变化及其能量诊断

利用NCEP/NCAR再分析资料,定义一个风暴轴经度指数,基于这个指数做合成分析,对冬季北大西洋风暴轴63 a(1948—2010年)的东西变化特征及其能量平衡差异进行了诊断。主要结论如下:(1)北大西洋风暴轴存在明显地东扩和西退。当风暴轴向东扩展时,天气尺度瞬变波可以向下游发展至乌拉尔山以东的亚洲上空;风暴轴西退时,天气尺度瞬变波活动范围向西收缩到15°W以西的大洋上空。(2)能量诊断表明,当风暴轴向东扩展时,涡动动能在高纬度的大西洋东部及西欧上空明显增强。在0°以西的区域,涡动动能的增强主要归因于能量斜压转换过程的增强;而在0°以东区域,涡动动能的增强可能与涡动非地转位势通量引起的"下游发展效应"增强有关。风暴轴向西收缩时,变化相反。

ERA5再分析资料对甘肃省近地面风速气候特征及变化趋势再现能力的评估

为了探究ERA5再分析资料对甘肃省近地层风速的再现能力,利用甘肃省1981-2020年80个国家级气象台站的地面风速资料,分析了近40年间甘肃省风速变化情况,并比较了第五套欧洲中期天气预报中心再分析资料(ERA5)与观测资料变化趋势的异同,讨论了其对甘肃省地面风速的再现能力。结果表明,甘肃省四季平均地面风速自西向东逐渐减小,地面风速最大季节均为春季,不同地区风速偏小季节有所差异;近40年地面风速的变化整体上趋于平稳,但各站点春季风速以显著下降趋势为主,其余三个季节以上升趋势居多;在20世纪90年代初以前四季平均风速均呈现减小趋势,春季变化趋势最强,秋季变化趋势最弱,之后转为平稳变化或上升趋势,冬、夏两季风速上升趋势较强。ERA5再分析资料对甘肃省风速月际变化和主要季节特征的再现能力较好,但对各季节平均风速值和风速长期变化趋势的再现能力较差,仅在风速下降时期有较好的再现能力,并且ERA5风速资料也不具备再现甘肃省各季节风速长期趋势的能力;ERA5再分析资料不能直接用于估算甘肃省的风能密度,但对其进行线性偏差订正后,在风能密度的多年平均值方面有较好的再现能力。

甘肃东部两类强降水过程雷达特征对比分析

利用CINDAR/CD多普勒雷达、探空和加密自动站观测资料,对甘肃东部2013年6月19日发生的长历时强降水和2014年6月18日的短历时强降水过程进行对比分析。结果表明,长历时强降水表现为强反射率因子以带状或片状形式出现;对流单体分布较多,组织性强;强反射率因子水平尺度大、质心低;对流发展高度较低,以含大水滴的暖云为主。而短历时强降水表现为强反射率因子以块状形式分散出现,对流单体分布较少,组织性不强;短历时强降水反射率因子水平尺度小,但质心往往可以发展得很高,超过-20℃层。两类强降水都需要抬升凝结高度层至0℃层之间大于35 dBz回波持续至少有4个体扫。相比长历时强降水,短历时强降水可能伴有冰雹等其他强对流天气。

CAM3.0模式中北大西洋风暴轴对“三核型”海温异常的响应

为了探究冬季（12～2月）北大西洋地区风暴轴与海温异常的关系，利用伴随AO（Arctic Os-cillation）出现的“三核型”海温异常对大气环流模式CAM3．0进行强迫，将模拟结果与NCEP／NCAR再分析资料做对比，发现CAM3．0在该SSTA强迫下可以再现伴随AO异常出现的风暴轴与急流异常，结论可概括为：海温正（负）异常时，北大西洋风暴轴增强（减弱），北美急流出口区向北（向南）摆动；“三核型”海温异常作为外强迫源，可能通过2种途径影响风暴轴的强度：首先通过热力作用改变中纬度低层大气斜压性来直接影响风暴轴，其次通过影响北美急流出口区的南北摆动来间接影响风暴轴；另外，海温正（负）异常可以增强（减弱）瞬变波与基本气流之间的正反馈效应。

甘肃中部一次冷锋后高架雷暴天气过程综合诊断

利用常规气象观测资料、ECMWF再分析资料和多普勒天气雷达资料等,从环流特征、天气系统配置以及动力、热力条件等方面,对2017年10月8-9日甘肃中部地区的一次冷锋后高架雷暴天气过程进行综合诊断分析。结果表明:冷锋、700 hPa切变线、西南急流以及500 hPa高空槽是本次高架雷暴天气发生发展的主要天气系统。北方南下的冷空气在近地面形成冷垫,暖湿气流沿锋区倾斜爬升,在逆温层顶触发了高架雷暴天气。本次过程逆温层深厚,逆温层及其附近垂直方向上存在3个0℃层。受过程前降水和西南暖湿气流影响,大气层结呈"上干、下湿"结构,且具有"上下冷、中间暖"的特征。对流层中低层垂直风切变、低层辐合与高层辐散,是促使暖湿空气抬升的重要动力,而中低层高能舌和最大对流有效位能值能够较好地反映过程中的不稳定能量。高架雷暴过程中,兰州及附近地区出现降雨(雪)及冰雹天气,并伴有大范围东北-西南向雷电;雷达强回波高度达8 km以上,具有典型的冰雹回波特征。