金沙江下游峡谷一次飑线和下击暴流的机理分析

产生极端灾害性大风的飑线对水电站安全至关重要。本文以2016年6月4日金沙江下游白鹤滩水电站峡谷产生13级大风的飑线为例,从天气系统和中小尺度上讨论其形成机制。获得以下结论:(1)飑线到达前,受飑前低压影响水电站气压稳降了9 hPa,气温上升超过14℃。飑线到达时受雷暴高压作用1 h内气压陡升10 hPa,气温骤降超过10℃,相对湿度陡增到70%,伴随短时降水发生。飑线过境后以上要素恢复到原值。(2)天气尺度环流的分析发现,飑线当天水电站在高空急流入口右侧辐散和低空西南涡南侧切变辐合的耦合作用下,次级环流的上升运动为飑线深对流提供了环境背景。飑线前中高层干冷平流叠加在中低层暖湿平流上,加上低空强烈升温增加了气温直减率,积累了对流发展的静力和对流不稳定,为飑线长生命提供了有利环境条件。垂直风速显示峡谷的上空下沉运动增强了动量下传,促进飑线前侧的抬升,正反馈作用下促进风暴稳定发展。(3)昭通雷达探测表明,飑线中30 dBZ以上多单体紧密聚合成带状回波,镶嵌着超过10 km高度柱状发展的50 dBZ以上强回波核。径向速度场上,垂直于峡谷的中尺度辐合线与带状强回波吻合,是飑线的触发机制,对应深厚的中层径向辐合MARC(Mid-Altitude Radial Convergence)特征。在云体剖面结构上,飑线前强上升运动形成穹窿,飑线到达时高悬的回波核快速下降,形成下击暴流,并诱发顺着河谷的新单体生成,改变了飑线走向,形成顺着的峡谷的极端大风。

白鹤滩水电站峡谷地形区的风特征研究

位居世界第二大的白鹤滩水电站地处金沙江下游峡谷区,频繁的大风给水电站建设和运行带来了严重影响。掌握水电站坝区大风变化规律,评估峡谷地形对风速的作用,有利于基于周围风场监测和预警峡谷区大风。根据水电站及周边观测资料,对坝区风的变化特征和峡谷地形作用进行了分析。(1)峡谷区最高频率的风向和最大平均风速的风向均为顺着峡谷的偏南风或偏北风,且偏北风频率达55%以上,峡谷锁定了流经气流。(2)坝区大风多发生在干季11月—次年5月,且夜间至清晨大风频率比日间高。干季峡谷风效应强,尤其在19时—次日08时。雨季峡谷风效应降低,局地山谷风增强,表现为山风比谷风持续时间长,08时和18时是山风和谷风交替时间。对应干季和夜晚大风频繁,说明峡谷风效应是影响大风的关键因子。(3)通过狭管效应分析马脖子和葫芦口大桥两个站之间的风速关系,表明峡谷地形使马脖子站风速加强为葫芦口大桥站的1.27倍。利用多种拟合方法建立的两站风速关系表明,当葫芦口大桥站为5 m·s^(-1)以下低风速,各方法都难以拟合峡谷区的风速,当风速在5.0~11.5 m·s^(-1)时,狭管效应对风速拟合最优,准确率超过70%,对11.5 m·s^(-1)以上强风速,多项式拟合效果较优,准确率接近65%。

白鹤滩水电站干季偏北大风环流形势分析和客观判识

基于2018—2020年11月至次年4月金沙江下游峡谷区139次干季偏北大风天气个例开展大风天气环流形势的分析,并参考Lamb-Jenkinson方法建立客观判识条件,并对判识条件进行检验和修正。获得以下结论:选择水电站15次典型偏北大风天气,通过对环流形势特征分析,将影响大风的高空环流概括为:南支槽型、高原槽型和横槽型。15次个例中南支槽型和高原槽型均出现了6次,横槽型出现了3次。基于Lamb-Jenkinson方法的环流特征参数分析,确定了干季大风环流客观判识的关键区和初步判识条件。南支槽型和高原槽型判识条件为关键区地转风纬向分量u>10 dagpm/10°(经度),且与经向分量v的差(u-v)>10 dagpm/10°(经度),同时地转涡度ξ>0 dagpm/10°;横槽型判识条件为关键区u<20 dagpm/10°(经度),且要求ξ>u。另选取2021年干季14次大风个例检验以上环流判识条件,发现有11次准确识别出环流类型。根据未识别出环流类型的原因,对u和u-v的阈值进行修正,结果表明修正后的判识条件准确可行。最终建立的环流形势客观判识方法可为白鹤滩水电站大风预警提供参考。

ERA5资料在蓟州复杂地形下的检验与应用

以复杂地形的天津蓟州为例,通过对比距离蓟州最近的大兴探空站资料与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(ECMWF Reanalysis v5,ERA5)资料的差异,对基于ERA5资料生成的强对流指数在蓟州的适用性进行检验和评估。结果表明:(1)ERA5资料与大兴探空站探测的位势高度、气温和风速在对流层高度吻合,说明ERA5资料能够描述蓟州高空气象条件,且对低空的表现能力比高空准确,各要素中大气湿度的表现相对较差;(2)基于ERA5生成的对流指数中,与强对流天气密切相关的对流有效位能(convective available potential energy, CAPE)、K指数、沙瓦特指数(Showalter index, SI)和大气可降水量(precipitable water, PW)与大兴探空站对应参数的相关系数分别达到0.66、0.90、0.93和0.99,表明利用ERA5构建的对流指数能够揭示大气不稳定层结条件;(3)ERA5对流指数变化与蓟州降水过程相对应,ERA5能够反映天气的变化和发展,为强对流潜势分析提供参考。

青海省洪涝灾害时空分布和致灾雨量特征

基于2008—2020年青海省的灾情记录,利用灾损指数分析了青海省洪涝灾害的时空分布特征,确定了青海省的洪涝灾害高风险区,同时采用2017—2020年多源融合的CLDAS降水数据,利用机器学习算法建立了洪涝灾害预报模型,确定了致灾雨量阈值,结果表明:(1)青海省洪涝灾害2018年最多,达98次,2014年最少,仅16次,7—8月是洪涝灾害的高风险时段;空间上,基于年平均灾害次数的高风险区为海南州—海西州东部,基于年平均灾损指数的高风险区为海东市—西宁市;(2)利用多种机器学习算法,得到基于CLDAS数据的1、2和24 h雨强是预警灾害的降水因子,海南州—海西州东部1 h或2 h最大雨强达到6.8 mm,或者24 h最大雨强达到11.1 mm,是预警洪涝灾害的降水阈值。海东市—西宁市及邻近地区1 h或2 h最大雨强达到13 mm,或者24 h最大雨强达到18.2 mm,是预警洪涝灾害的降水阈值。

FY-4A产品在秦巴山区对流天气中的应用分析

以秦巴山区一次强对流天气过程为例,分析中国新一代静止气象卫星FY-4A多种产品的特征,揭示FY-4A产品在山区复杂地形下,应用于当地对流检测的效果。结果表明:FY-4A的云顶高度、云顶温度产品可以反映出对流初生、平移和成熟的特征,而云高、云温变率效果更加明显,还能有效区分对流成熟和减弱;FY-4A的对流初生产品和闪电产品没有检测到这次强对流天气,只有在对流云水平尺度较大、与环境背景对比明显时才有显示;FY-4A的云顶高度、云顶温度产品及其变率可以作为秦巴山区本地化对流检测和短时强降水预警的支持数据。

干热河谷区降水量的变化特征研究--白鹤滩水电站为例

位于干热河谷区的白鹤滩水电站是全球第二大水电站,掌握水电站及周边降水量的时空变化,有利于提高水电生产的效率,同时降低自然灾害的风险。采用水电站自建气象站的降水观测数据,分析坝区降水量的季节、年际和日变化特征,并与周边地区进行了对比分析,研究了干热河谷区降水变化的特殊性。研究表明:水电站河谷具有显著的干湿季分明和雨季集中,以及雨日少和降水量少的“干”热特点;河谷区主雨季偏早,干湿季转换明显,且具有伏旱季和秋绵雨,以及降水集中度明显偏高的特征;白鹤滩河谷降水日变化表现为夜雨频繁的单峰单谷型,降水倾向于集中发生在04∶00~05∶00;河谷降水年际差异大,旱涝不均和旱涝急转现象时发;河谷区强降水事件发生频率低,且具有夜发性和局地性强,以及强降水在雨季随机分布的特征。

陕西省降水量变化的区域特征分析

根据陕西省1951—2000年的降水量资料,采用旋转主因子分析方法,对冬季、夏季和年降水量场进行客观分区。陕西省可划分为3个子区域:陕北区、关中陕南西部区和陕南区。在此基础上,研究了陕西省降水量变化的区域特征和年代际变化以及长期趋势特征。结果表明,陕西省过去50年降水量有显著的北少南多特征,而且陕北区降水量的减少趋势远大于关中陕南西部区,陕南区在夏季和冬季降水量还略有增加。

TRMM多卫星降水分析资料揭示的青藏高原及其周边地区夏季降水日变化

本文在对比了TRMM多卫星降水分析TMPA（TRMM Multi-satellite Precipitation Analysis）资料和中国643个气象站观测降水量时空分布的基础上，采用2002-2006年夏季TMPA每小时降水量资料，用合成分析和谐波分析的方法研究了青藏高原及其周边地区夏季降水量和降水频率的日变化特征．分析结果表明，平均降水量和降水频率日变化谐波分析的标准振幅显示出青藏高原地区夏季降水具有显著的日变化特征，高原中部地区对流活动日变化最强，其次是高原西南方向的印度半岛地区．谐波分析的位相表明降水量和降水频率最大值出现的时间具有选择性，高原中部降水量最大值多集中在傍晚前后，高原以东的四川盆地通常在夜晚，尤其是在后半夜达到最大值，而长江上游和中下游地区对流活动则分别在上午和下午最为活跃．青藏高原以东地区降水量日变化的位相明显不同于其他陆地地区，也不同于高原中部，具有自西向东传播的信号，四川盆地的夜雨现象可能是高原地区对流活动日变化自西向东传播的结果．

青藏高原与四川盆地夏季降水日变化的对比分析

采用2006-2008年自动气象站和2002-2008年TRMM(Tropical Rainfall Measurement Mis-sion)多卫星降水分析(Munti-satellite Precipitation Analysis,TMPA)的夏季(6～8月)逐时降水量资料,分析了青藏高原(下称高原)及周边地区夏季降水的日变化特征,以及高原中部与四川盆地两个特殊地形区降水日变化上的差异。结果表明,高原中部与其以东的四川盆地在降水日变化上有明显不同,即两者的降水日变化具有不同的峰值时间,表现出从高原中部向外传播的特征,最显著的信号出现在高原东缘。同时涡度和垂直速度等物理量也发生变化,因此降水量日变化是各种物理量共同作用的结果。高原地形对周边地区降水日变化有重要的影响,这种影响类似于热带地区海陆边界的影响,表现为高原中部的对流系统多在傍晚前后增强,随后向东传播,在后半夜到达高原以东的四川盆地,形成四川盆地显著的"夜雨",并可能影响到四川盆地以东长江流域的降水活动,这种作用类似于热带地区海陆边界附近的对流传播过程。

中国近百年气候变化的自然原因讨论

本文分析了近百年来中国气候变化的概况,讨论了影响中国气候变化的自然因素大气环流和海温,此外还叙述了有关大气气溶胶、大气污染等人为因素对中国气候变化影响的研究进展。结果指出:北极涛动、东亚季风这两个大气环流因素对中国气候异常变化有至关重要的作用,同时El Nino和La Nina事件和太平洋年代际振荡的海表温度异常变化也对中国气候产生了一定的影响。但是有关大气气溶胶和大气污染物对中国气候的影响作用还有待于进一步研究,自然原因仍然是影响中国气候变化的主要原因。

TRMM卫星资料对陕西及周边地区夏季降水的探测

采用2002～2006年夏季6～8月热带降水测量（TRMM）卫星3841RT类数据资料，以发生在陕西及周边地区的连阴雨、暴雨和日降水量序列事件为例，通过比较TRMM卫星降水资料与地面气象站观测资料的差异，分析了TRMM卫星对陕西及其周边地区夏季降水过程的探测能力。结果说明TRMM卫星反映的陕西及周边地区夏季降水量值偏小，但探测结果能够大致表现陕西关中和陕南及同纬度周边地区夏季降水量的基本特征，对陕西北部地区夏季降水量的探测能力较差。

基于潜在蒸散量对青海湖流域干旱气候以及影响因素的分析

通过分析青海湖流域及周边地区的潜在蒸散量及其水平分布与年内和年代际变化特征,并与中国其它流域的蒸发皿观测和估算的蒸发量变化特征进行对比,得出了青海湖流域干旱气候特征与潜在蒸散量的关系。结果表明:青海湖流域以西干旱沙漠地区是潜在蒸散量的高值区,流域以东是潜在蒸散量的低值区,青海湖是从干旱的高蒸发量区向半干旱的低蒸发量区的过渡地带,体现了其作为"我国西北生态保护的天然屏障"作用。总体而言,近37 a来青海湖流域潜在蒸散量有减弱的趋势,但在1985年以后呈上升趋势,这与黄河上游地区蒸发皿蒸发量和其它方法估算的蒸发量变化结果相似,与我国其它流域蒸发量变化特征也相似,与预期的随着西北地区气温显著升高,蒸发量相应增加的结论相反,与青海省西北部和东南部蒸发量的增加趋势也相反。虽然青海湖流域的潜在蒸发量与气温有显著的正相关关系,与降水量有负相关的关系,但青海湖流域蒸发量的变化是多个要素综合的结果,简单地从气温的升高得到蒸发量增强会引起谬误。青海湖流域潜在蒸散量减弱的趋势,以及降水量的增加,使青海湖流域的干旱气候有所缓解。

成都市大气能见度变化特征及影响因子研究

利用MICAPS 2008—2011年地面观测资料,分析了成都市区大气能见度的变化特征。以2009年成都地区一次低能见度天气过程为例,分析大气能见度与各气象要素的变化关系,讨论影响成都市大气能见度变化的主要因素。结果表明:近年来伴随着霾天数的逐年下降,成都市区年平均大气能见度呈上升趋势,夏季平均值最高,春季次之,冬季最低。高湿和低风速是造成成都市低能见度现象的主要气象条件。PM2.5的浓度与成都市大气能见度呈显著负相关,PM2.5浓度的快速增长是造成大气能见度急剧降低的重要原因。有效降低PM2.5浓度,减少大气污染物排放,是改善成都市区大气能见度的有效途径。

华东地区近50年降水量的变化特征及其与旱涝灾害的关系分析

利用华东及周边地区113个气象站近50年的降水量资料计算了该地区降水量集中度和集中期,分析了华东地区降水量、降水量集中度和集中期的气候特征和变化趋势特征。结果表明,华东地区北部的降水量集中度明显高于南部地区,而南部地区降水量集中期超前于北部地区1个半月左右,体现了华东地区降水量时空分布上显著的地区差异。随着全球气候变暖,华东地区降水量有增加的趋势,降水量集中度无明显的变化趋势,降水量集中期有普遍推后的变化特征,主要表现在江西和河南南部。华东地区的降水量与降水量集中度和集中期有密切的关系,表现在降水量偏多的年份里,通常降水量集中度越强其降水量集中期偏迟。从年际变化看华东地区降水量时空的不均匀分布,导致降水极端事件频繁发生,是近年来旱涝灾害增多的一个原因。

近50a陕西省冬季气候变化特征及其与北半球大气环流的关系

通过对陕西省近 5 0a来冬季气温和降水资料的分析 ,研究了陕西省冬季气候变化特征 ,同时分析了气象要素变化与北半球大气环流异常的关系 ,指出 :陕西省冬季降水量在 70年代末 80年代初开始持续偏少 ,尤其是在 90年代 ,但是减少的趋势不显著 ;冬季气温从 1975年开始具有显著的上升趋势 ,90年代气温持续偏高。降水减少和气温升高是陕西省近半个世纪以来气候变化的主要特征 。

东亚冬、夏季风强度指数及其与陕西降水变化的关系

使用最新的海平面气压资料计算了东亚冬、夏季风强度指数,分析了近50a东亚季风的变化特征,以及东亚季风强度与陕西省降水的同期和非同期相关关系,结果表明:强的东亚冬季风,易造成陕西省冬季降水偏少,强的东亚夏季风,易造成陕西省夏季北部多雨、南部少雨的气候特征,反之亦然。此外,比较了强弱东亚冬季风年北半球500hPa高度场距平特征差异,从大气环流方面分析了东亚季风影响陕西省气候变化的原因。

华山景区大风变化特征及偏南大风的天气学研究

利用2012-2017年逐小时风速资料,分析了华山景区大风天气不同时间尺度的变化特征,并以春秋季对景区索道运行产生严重影响的两次偏南大风为例,分析了大风形成机制。结果表明:以17 m·s-1作为大风阈值,景区大风多发生在21:00(北京时)至次日凌晨,相反午后到黄昏大风较少发生。华山南峰站位置偏南,海拔高,偏南气流与秦岭北坡夜间下山风作用,导致偏南大风多。华山站靠北,海拔低,除偏南大风外,冷锋后偏北气流影响,西北大风频次也较高。两次偏南大风前环流一致呈“东高西低”形势,华山位于华北高压向西北低压过渡的南北向等高线密集带中,梯度风原理是风速加大的动力机制。大风发生前,陕西关中为-4 hPa的强3 h变压区,变压风引起辐合上升,与高压后部偏南风越过秦岭后的干绝热下沉运动,加上关中不稳定上升运动,诱导夜间下山风增强,是偏南大风形成的热力因子。分析气象要素的变化,大风前3 h华山站降温5℃以上,前7 h降压4 hPa以上;且大风前温度露点差大于10℃,气压和气温的超前降低可作为大风预警的有效因子。大风时景区附近的雷达图像有片状弱回波,但没有大风速区,表明受地形遮蔽,距离景区最近的泾河雷达不足以反映大风特征。

青海高原气象地质灾害特征及致灾雨量研究

基于2008~2019年青海地质灾害的灾情记录和CLDAS融合数据,分析青海高原滑坡、泥石流和崩塌等气象地质灾害的时空分布,研究诱发气象地质灾害的降水量和土壤湿度变化特征,确定了灾害预警条件。结果表明:近12a青海高原气象地质灾害共发生了23次,灾害易发区在西宁市、海南州、黄南州和玉树州,7月是气象地质灾害发生次数最多的月份。有效降水量和土壤湿度是气象地质灾害的重要影响因子,灾害预警条件为:当天及前一天有效降水量之和达到10mm或持续有效降水量达到18mm,并同时满足0~10cm和10~40cm的土壤体积含水量差值≤0.03mm^(3)/mm^(3)或其中一个深度的土壤体积含水量≥0.27mm ^(3)/mm^(3)。

川西雅康高速道路冬季路面结冰预警阈值分析

针对雅康高速冬季由道路结冰导致的交通事件频发问题,利用2020年11月-2021年1月雅康高速两个隧道口的气象和路况观测数据,分析高速公路路面结冰的气象环境条件,建立大气温度与路面温度的关系模型,进行道路结冰风险等级的精细化判识。研究表明:在有路况观测的高速路段,路面湿滑系数能够较迅速地反映道路结冰状态,湿滑系数小于0.58是雅康高速路面结冰湿滑的阈值条件。将大气温度低于2.5℃,路面温度低于-2.5℃且有降水出现作为路面结冰的基本环境条件。雅康高速大气温度和路面温度的线性回归模型系数为0.97,优于抛物线模型,可以较好地拟合道路温度,并用于判识道路结冰的风险判识。