甘肃陇南两次暴雨天气过程对比分析

2017年8月甘肃陇南出现暴雨天气,礼县、武都气象站24 h降水量突破历史极值,极端性和局地性突出。应用欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)第5代全球大气再分析产品ERA5、雷达资料及地面加密观测资料,对2017年8月6—7日、19—20日发生在甘肃省陇南地区的2次暴雨过程进行对比分析,重点讨论2次过程的环流背景以及强降水时段雷达反射率因子、径向速度、物理量特征。结果表明,2次暴雨过程均发生在西风槽偏北气流与中低层偏南暖湿气流交汇处,但是2次过程的主要影响系统及触发条件不同;雷达回波显示8月6—7日由冷式切变线引起的暴雨系统对流性较强,反射率因子值较高、中心高度较低,降水率较大,持续时间短;19—20日暖区降水的反射率因子值较低、中心高度较高,降水率较小,持续时间较长。

2021年11月7—9日辽宁省极端雨雪天气分析

选用常规气象观测资料、人工加密观测资料和NCEP/NCAR格点资料,对2021年11月7—9日辽宁省极端雨雪天气进行诊断分析。结果表明:东北冷涡和地面气旋为此次极端雨雪天气的主要影响系统,对流层中低层辐合、高层辐散以及强的冷暖气流交汇,是产生极端雨雪天气的主要原因;高低空急流耦合和高空辐散抽吸作用,配合东北冷涡动力抬升作用,暖湿低空急流沿冷垫爬升,进一步加强了上升运动。暖湿急流为此次极端雨雪天气提供了充沛的水汽条件,暖湿急流的增强对应水汽辐合作用增强,配合低层冷垫和东北冷涡的动力抬升作用,对降雪有明显增幅作用;地面辐合线沿地形分布,触发了此次极端强降雪天气。地形阻挡导致地面冷空气堆积形成冷垫,是极端降雪天气发生的重要原因。温度层结差异是鞍山、岫岩雨雪相态差异的主要原因。具有冻结层特征的低层冷垫,为鞍山极端暴雪提供了有利的温度层结条件;融化层厚度和地面温度是岫岩出现冻雨的关键因素。

多源融合降水和智能网格预报在渭河一次洪水预报中的应用

选取2018年6月28日至7月15日渭河干流魏家堡水文站洪水过程为研究对象,开展多源融合降水和智能网格预报在洪水模拟中的应用试验。结果表明,以多源融合和站点实况降水为输入均能较好地模拟洪水过程,因此在无降水观测资料的流域,采用多源融合降水产品代替站点实况降水进行洪水模拟分析和计算是可行的,但多源融合降水模拟的径流深和洪峰流量较小。在魏家堡水文站两次洪水过程洪峰出现前48 h的面雨量相差不大的情况下,产流量相差显著,说明前期土壤湿度对渭河流域的产流影响很大,防汛时特别要关注持续性降水的影响。以落地雨进行洪水预报的预见期为12 h,以智能网格预报产品作为降水输入,能够提前84 h预报出超保证流量的洪峰流量,将洪水预见期由12 h延长至84 h。但以智能网格降水预报计算的面雨量与实况面雨量相比有一定的高估,造成了模拟的洪峰流量和径流深相对误差较大。建议针对不同的天气背景开展面雨量订正方法研究,以提高面雨量预报准确率,在延长洪水预见期的同时,进一步提高洪水预报精度。

2022年“2.13”冀中大雪过程多源气象资料分析

利用常规观测资料、era5再分析资料、风廓线雷达产品、地基GPS/MET大气可降水量(precipitable water vapor,PWV)等,对2022年2月13日冀中大雪过程进行了详细分析。①降雪发生之前的36 h内PWV呈增长态势,0~12 h上升最快,12~36 h呈缓慢上升趋势。②降水量和PWV呈一定正相关关系,降雪期间PWV变化平稳,随着PWV出现连续下降,降水结束。③风廓线雷达的水平风向风速演变对降雪的预报有一定指示意义:3000 m突然出现20 m/s的西南低空急流,随着20 m/s的西南低空急流向下延伸至2500 m高度,降雪增强。④降雪之前,0.5 m/s及以上的正速度首先出现在1500 m以上,当2000 m以下突然出现1.0 m/s以上的正速度后,0~3 h内降雪发生。⑤1000 m以下垂直速度增加到1.5 m/s及以上时,降雪增强。⑥降雪期间C_(n)^(2)(大气折射率结构常数)一直稳定在-180~-165 dB,C_(n)^(2)值小于-180 dB时,最大探测高度降至3500 m以下,整层垂直速度小于0.5 m/s,预示降雪结束。

“23·8”黑龙江极端强降水过程特征与成因

利用多源观测资料及ERA5(ECMWF reanalysis version 5)再分析资料,从气候统计、天气分析及物理量诊断等角度,分析2023年8月2—4日黑龙江省东南部一次极端强降水过程。高空持续辐散、副热带高压和东北北部冷涡稳定少动、西南低空急流持续水汽输送等有利条件是此次强降水过程持续时间较长的主要原因。该过程可分为两个阶段:第1阶段,经向水汽净收入层和大气饱和层深厚,大气层结为弱对流不稳定;中层受西北气流控制,低层西南急流发展、伴随弱低涡东移,形成水平风速辐合及系统性上升运动,产生大范围持续性降水;该阶段以层积混合云为主,降水效率高,个别时段伴有列车效应,造成极端小时降水量及较大累积降水量。第2阶段,经向水汽净收入集中在对流层低层,且中心强度较大,对流层低层暖湿、饱和,中高层干冷,大气具有较强对流不稳定;在中层槽和低层暖式切变的系统性抬升以及地形辐合抬升的共同作用下,局地有积云发展,引发短时强降水,降水强度分布不均。

江淮梅雨期持续性暴雨和极端强降水事件的位涡比较分析

基于我国气象台站观测降水数据和欧洲中期天气预报中心(ECMWF)第五代大气再分析资料(ERA5),从位势涡度(位涡)强迫垂直运动的角度,揭示了江淮梅雨期持续性暴雨和极端强降水事件的动力学机制及差异。基于改进的两种事件定义方法,识别出1979—2020年梅雨区共发生了24次持续性暴雨事件及24次极端强降水事件。事件合成分析表明,持续性暴雨事件最强雨带主要位于长江及其以南地区,而极端强降水事件最强雨带则位于长江及其以北地区。持续性暴雨事件与热带大气低频振荡密切相关,其中南亚高压偏东、西北太平洋副热带高压偏西,因而高空偏南的西风急流附近具有高值位涡的干冷空气向南和向低空入侵,在中低层与西南暖湿气流辐合并形成梅雨锋区。极端强降水事件更大程度地取决于偏北的西风急流南侧的高空辐散及位涡强迫的强冷空气。对于极端强降水事件位涡收支的定量诊断表明,在强降水达到峰值及之前,高层负的位涡倾向主要由负的垂直位涡平流所导致,而中低层正的位涡倾向则主要取决于垂直非绝热加热的位涡制造和垂直位涡平流。结合典型个例的垂直速度分解,进一步证实梅雨区上空水平位涡平流随高度增加的垂直分布激发的上升运动分量在极端强降水事件起着重要作用。

CRA40再分析资料在“21·7”极端强降水研究中适用性评估

本文基于实际观测数据对比分析ERA5、CRA40、CFSR和NCEP/NCAR四套再分析资料在“21·7”极端暴雨研究中的表现,同时采用ERA5作为资料对比的基准,对CRA40在极端暴雨研究中的适用性进行评估。结果表明:(1)四套资料对台风“烟花”、副高等关键环流系统的强度估计均偏低,CRA40与ERA5所分析的高度场流型总体一致,且环流更接近实况。ERA5对200 hPa高空急流的强度估计最高,CRA40与ERA5的差异最小。对流层低层风速的再现能力CRA40与ERA5相当。对于台风“烟花”的加强转折,四套资料均无法再现。(2)925 hPa温度场上,相较其他资料,在青藏高原地区ERA5温度较低,CRA40温度最高,对于弱冷空气侵入河南北部的过程以CRA40与ERA5的结果最为接近。CRA40对水汽通量及其散度的描述与ERA5在分布形势以及数值上较为接近。(3)CRA40与ERA5资料均能刻画出“21·7”暴雨期间郑州站上空良好的动力条件,强度上CRA40基本略弱于ERA5,两套资料所表现出的经向/纬向环流和位涡总体特征一致。

一次强降水过程的中尺度对流系统模拟研究

1998年5月23～24日在珠江三角洲地区发生的特大暴雨过程是华南暴雨试验(HUAMEX)加密观测期间的一个典型个例,卫星云图与降水分布表明这是锋面附近与锋前暖区发生的两个中尺度对流系统(简称MCS)造成的强降水。使用非静力原始方程模式MM5较为成功地模拟了这次暴雨过程。根据数值模拟的结果,本文着重分析了发生在锋面上和锋前暖区的两类MCS的中尺度特征,并探讨了这两类MCS的差别。结果表明,两类MCS具有某些共同的中尺度特征,即对流系统的底层和顶部分别存在β尺度的低压和高压中心;低层流场辐合而在对流雨团的顶部辐散出流;对流系统内部具有暖心结构等,但锋面上的MCS较暖区中的对流系统具有更强的斜压性;二者内部的流场与三维运动结构也具有不同的特征,来自西南和偏南方向的空气从底部流入锋前暖区MCS时受到中低压的气压梯度力作用而加速;而锋面上MCS中不仅有来自锋前的暖湿空气,而且还有来自锋后的冷空气参加对流。MCS高空反气旋式发散气流和空气的加速运动反映出MCS顶部存在中尺度高压及向外的气压梯度力,轨迹分析也证明了MCS上空气流的这种非地转特征。

广东2008年罕见“龙舟水”特点及成因诊断分析

2008年5月下旬末至6月中旬,广东出现了历史罕见的持续时间长、范围大、强度强、灾害重的暴雨到大暴雨降水过程,并有4个明显降水期。诊断分析发现:过程是在亚洲中纬度两槽一弱脊,东槽明显的平均背景场产生的,副高较弱位置较东,南支槽活跃,每一强降水期与一次西风槽的影响相联系,高空急流和低层切变线的南压过程配合一次强降水的发生;低空急流的最大风速变化与暴雨的发生同步,降水的减弱期伴随低空急流的向上抬升;过程的水汽源于孟加拉湾和南海,而以前者为主,水汽的辐合主要发生在华南沿海;龙舟水期间存在两个明显的局地经向环流,低层的两股气流在20～25°N区辐合抬升为持续性强龙舟水的产生提供了稳定的上升运动背景;4个主降水期有3个是在层结不稳定的条件下出现暴雨。

川西高原和攀西地区不同级别短时强降水环境参量特征对比分析

利用2010—2021年5—9月川西高原和攀西地区62个国家级自动站逐小时观测资料及时间分辨率为1 h的ERA5再分析资料,对比分析了两区域不同级别短时强降水发生发展过程中水汽、热力和垂直风切变等环境参量特征。结果表明:川西高原和攀西地区短时强降水主要集中在6—8月,午后至前半夜是川西高原短时强降水的高发时段,攀西地区则表现出明显的夜雨特征。就川西高原而言,较好的水汽、热力条件和较强的垂直风切变、上升运动均有利于高级别短时强降水的产生;不同级别短时强降水的CAPE值差异显著,1100 J·kg^(−1)可作为判断是否出现20 mm·h^(−1)以上短时强降水的参考阈值。就攀西地区而言,不同级别短时强降水在暖云层厚度、700 hPa比湿、700 hPa假相当位温、CAPE、0~3 km垂直风切变等环境参量的值域分布上均存在明显差异;当700 hPa比湿大于13 g·kg^(−1)、CPAE值超过1100 J·kg^(−1)、0~3 km垂直风切变达到10 m·s^(−1)时,极易出现50 mm·h^(−1)以上的短时强降水。

山西极端暴雨环流特征及水汽异常研究

研究山西极端暴雨发生规律对开展预报预警、灾害防御具有重要意义。本文利用常规观测资料和欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)第五代大气再分析资料(ERA5),采用标准化距平作为异常度,运用环流分析和物理量诊断等方法,研究1981—2018年6—9月山西17次极端暴雨的气候特征、环流影响系统和水汽异常特征。结果表明:山西极端暴雨主要出现在7—8月,暴雨区主要位于中南部,2010年以来极端暴雨明显多发;影响系统主要是700 h Pa低涡和台风系统,有偏南和偏东两支水汽通道。极端暴雨过程中,低层水汽含量明显偏高,从暴雨区平均比湿的过程最大值看,大部分过程850 h Pa超过14.2 g·kg^(-1),700 h Pa则可超过9.8 g·kg^(-1)、对应暴雨区平均异常度达1.6以上;水汽的极端性在低层水汽通量辐合中心表现突出,17次极端暴雨700、850 h Pa暴雨区水汽通量辐合中心过程最大值的异常度均值分别达-8、-6,其中台风减弱低压影响下的极端暴雨850 h Pa水汽通量辐合中心最大异常度达-12。根据以上环流和水汽特征建立极端暴雨概念模型,并给出极端暴雨低层水汽含量和水汽通量辐合强度预报参考指标。

青藏高原东南缘攀西一次突发性山地暴雨成因分析

利用地面气象站、LMF1.0三维雷电监测系统、CMPAS多源融合降水、FY-4A卫星云顶亮温等综合观测数据和ERA5再分析资料,对2023年8月20—21日发生在青藏高原东南缘攀西地区的一次突发性山地暴雨的动热力及水汽特征进行诊断分析。结果表明:(1)本次暴雨过程发生在弱天气尺度背景下,500 hPa和700 hPa切变线是主要影响系统,为中尺度对流系统(MCS)发生提供了有利的动力条件,且MCS后向发展较为明显;(2)在中低层高能高湿和强对流不稳定层结条件下,持续的辐合上升运动有利于对流性强降水的发展和维持,局地经向环流的上升支加剧了大暴雨区水汽凝结潜热释放,致使极端短时强降水出现;(3)青藏高原东南缘大地形对云贵高原偏东、偏南气流的阻挡作用造成中低层水汽大量堆积,边界层水汽强辐合,以及中高层较强的垂直水汽通量对局地持续性强降水的发生和维持起到非常关键的作用,强降水区大部分水汽输送集中在边界层至低层,并以云贵高原偏东转偏南路径为主,水汽净收支的演变对降水发展具有一定的指示作用。

一次冰雹云发展的雷达回波特征分析及其防雹作业效果物理检验

利用云南昭通CC雷达和威宁探空等资料,对贵州省威宁县2017年7月23日的一次冰雹云发展过程的雷达基本反射率因子和径向速度的变化特征进行分析,同时通过插值得到剖面变化特征,研究雹云垂直结构演变,并根据雷达回波顶高、强回波中心(45 dBZ)高度、组合反射率和垂直累积液态水含量(VIL)这4个雷达探测特征物理量,进行时间序列分析,得到防雹作业效果。结果表明:(1)降雹前对流单体的合并使回波强度和VIL分别跃增至60 dBZ和50 kg·m^(-2)以上,冰雹云的雷达回波出现旁瓣回波和“V”形缺口。(2)中低层气流的径向辐合及高层强辐散带来的强烈抽吸作用所产生的上升气流,使雹云能够稳定维持和发展。(3)防雹作业后,雹云开始由上至下分裂直至完全分裂成两个孤立弱单体,回波顶高明显降低,组合反射率较峰值下降近30 dBZ。(4)在作业单元和对比单元的生命史时间内,作业单元的4个雷达探测特征物理量下降速率均大于对比单元的,表明防雹作业有效抑制了雹云的发展。通过对比分析发现,防雹作业24 min后,4个雷达探测特征物理量的双比值均小于1,进一步证明防雹作业取得了明显的正效果,加速了对流单体的消亡。

2021年4—10月我国主要暴雨天气过程简述

利用2021年中国大陆2424个站日降水资料和常规天气图资料,对当年4—10月我国主要暴雨天气过程进行了统计分析,概述了其主要影响系统及降水情况,并对2008—2021年4—10月暴雨日数、主要暴雨过程次数进行了比较分析。结果表明:2021年4—10月我国共出现199个暴雨日、32次主要暴雨过程,暴雨日数比前13a(2008—2020年)同期平均偏多10.6d,主要暴雨过程次数比前13a同期平均偏少3.7次。2021年4—10月主要暴雨过程平均每月5.3次,7月最多(7次),5月和8月次多(均为6次),4月最少(1次),10月次少(3次),另外6月和9月分别出现了5次和4次,其中5次由热带气旋登陆或影响所致。当年全国最大日降水量为552.5 mm,7月20日出现在河南郑州。本年度暴雨过程累积雨量最大为820 mm,也出现在河南郑州(7月18—22日)。当年影响最为广泛、造成直接经济损失最为严重的一次重大暴雨事件是7月18—22日的北方暴雨,即郑州“7.20”特大暴雨。

2021年山东夏季降水异常特征及成因分析

基于NCEP再分析资料和山东省122个国家地面观测站数据,对2021年山东夏季降水异常特征及成因进行研究。2021年夏季山东平均降水量较常年偏多25.3%,降雨过程较多,其中,6月降水偏多主要是由于西太平洋副热带高压(简称“副高”)北抬造成;7月中旬降水偏多主要是由于副高强度偏强,副高边缘暖湿气流为山东降水提供了充足水汽,下旬降水偏多是由于台风“烟花”带来强降水;8月降水偏多主要是下旬副高强度偏强,水汽输送充沛造成。此外,2021年夏季山东降水空间分布不均匀,呈西多东少的空间分布。进一步分析近3次拉尼娜事件发现,夏季副高强度偏强是造成近3个拉尼娜衰减年夏季山东降水空间分布异常的主要原因。夏季副高强度是拉尼娜次年山东夏季降水的重要预测因子。

2023年3月河南省一次极端暴雪和雷电天气成因分析

选用自动气象站、双偏振雷达、风廓线雷达和ERA5再分析等资料,分析2023年3月16日河南省一次极端暴雪和雷电天气成因。结果表明:此次极端暴雪过程主要天气系统为低槽、切变线、急流以及东北冷涡。冷涡配合-39℃冷中心稳定维持,其后部冷空气持续南下,850 hPa以下形成深厚冷垫,中高层西南暖湿气流沿冷垫爬升,形成河南省典型的降雪天气类型“天南地北型”。此次强降雪区位于整层大气可降水量大于20 mm区域的北部与700 hPa强辐合中心重叠的区域,河南中西部地形的抬升作用利于此极端降雪天气发生。冷平流与其次级环流共同作用,使局地气温骤降,导致降水相态转换较预期提前,以致多站降雪量或积雪深度超历史极值。双偏振雷达零滞后相关系数产品(CC)为相态转换监测提供了重要参考。850 hPa以下大气温度均低于0℃,且2 m气温降至1℃左右,可作为降雪预报指标。辐合切变及锋面次级环流有利于高架雷暴天气出现,20 dBz回波高度超过-20℃层高度可作为产生雷暴的关键指标。

广东前汛期连续暴雨的天气概念模型

利用1961—2019年广东省86站逐日降水资料及NCEP/NCAR再分析资料,对广东前汛期连续暴雨统计特征进行分析,并从500 hPa中低纬度环流条件、850 hPa u、v风场条件和高低层散度条件3个方面进行综合分析,建立了广东前汛期连续暴雨的天气概念模型。结果表明:(1)广东前汛期连续暴雨过程4、5、6月占比分别为12.0%、38.9%和49.1%,过程主要发生在5—6月。(2)对108次历史连续暴雨过程进行检验统计,其中102次符合概念模型,回报准确率达94.4%;应用概念模型准确预报了2020年6月5—9日的连续暴雨过程,说明其具有较好的预报能力。

河北“23·7”特大暴雨过程的多尺度特征分析

利用常规观测资料、ERA5再分析资料、FY-4G卫星的云顶亮温(Black Body Temperature,TBB)数据对河北地区2023年7月29日至8月2日出现的特大暴雨过程的大尺度环流背景及动、热力和水汽条件进行了分析。结果表明:暴雨期间副高与大陆高压打通,在河北北部形成了准东西向的“高压坝”,台风“杜苏芮”登陆后减弱为低空气旋,该气旋在副高西侧气流的引导下北上,受“高压坝”阻挡停滞于山西一带,在暴雨区上空形成东高西低的有利环流形势;中尺度对流系统在暴雨期间呈阶段性特征反复出现,先后以大范围的螺旋雨带、集中的旺盛对流、零散的对流云团对暴雨的维持产生了重要影响,降水的落区与TBB低值区对应较好;暴雨期间水汽条件充足,低空存在大范围的水汽辐合中心,低涡倒槽、暖式切变线和偏东南急流影响为暴雨提供了强盛的上升气流,太行山对水汽及气流的阻挡作用使得降水强度增强。

东北冷涡背景下辽宁省一次罕见暴雪过程不同阶段降雪成因分析

选用常规观测、降雪加密观测、风廓线雷达、微波辐射计等多源监测资料及CMA-RA再分析资料,对2021年11月辽宁省一次罕见降雪天气过程分阶段进行水汽、热动力特征和成因分析。结果表明:东北冷涡、地面气旋强烈发展,南、北两支锋区相互作用,导致吉林西部强冷平流向南输送形成冷垫,入海气旋前部强暖平流沿冷垫爬升,为此次降雪的大尺度环流背景;黄海、东海为主要水汽源地。此次过程的强降雪阶段,中层暖湿空气与低层回流冷湿空气在垂直方向上叠加形成深厚的湿层;辽宁中部850 hPa以下对流层低层和700 hPa附近存在对流不稳定层结;暖湿空气在925~700 hPa沿冷垫倾斜方向的锋生作用增强,同时925 hPa以下水平风场辐合在水平方向产生锋生,锋生动力抬升作用与东北冷涡前部上升运动叠加,导致近地面至5 km高度出现强上升运动。弱降雪持续阶段,干冷空气侵入、水汽条件减弱,中层减弱的暖湿空气与低层干冷空气在垂直方向上叠加,对称不稳定层结维持,受东北冷涡底部多个短波槽影响,降雪持续减弱。

一次极端暴雪事件中罕见冻雨成因分析

使用常规观测、自动气象站、雷达回波及ERA5 0.25°×0.25°再分析等资料,对2021年11月8-9日发生在黑龙江省一次极端暴雪事件中罕见冻雨过程进行分析。结果表明:冻雨发生在降水强度较大时段,地面气温普遍低于0℃。垂直温度分布呈典型的“冷-暖-冷”层结特征,近地层存在强逆温层,探空温度>0℃的面积比<0℃的大。近地层冷垫是冷高压南侵时,受江淮气旋和地形阻挡,在海拔较低的松花江干流地区堆积形成。融化层在850 hPa低涡前部,西南或偏南低空急流携带暖湿空气像楔子一样插在冷空气中,持续的暖平流特征明显,地面冷垫与中层暖层之间有明显的锋区特征。电线积冰直径与融化层持续长短有很大的相关性。冻雨的形成符合“冰相融化”机制,在冻雨区具有回波强度增大的特征。