城市地区场次降雨时空展布方法研究

受气候变化和城市规模不断扩张等因素影响,城市地区降雨过程的时空动态性愈发明显,通常采用的点、面雨量等表达方式难以体现这种时空动态性。随着降雨观测技术的进步,大多城市积累了长序列降雨观测数据,其中蕴含了丰富的降雨时空过程信息,为预报降雨或设计降雨的时空展布提供了可能。设计了一套降雨时空展布方法,包括数据收集、标准化处理、降雨场次划分、时空模式提取、标准网格插值、时空展布等环节,并提出每个环节的处理步骤和关键问题。以北京市为例,对该技术方法进行了验证,选择了12 h、24 h、72 h 3个历时的场次降雨,提取的时空模式和展布结果表达出了场次降雨的时空动态性,并与历史的降雨过程表现出很好的匹配性。表明该方法可用于城市地区降雨典型模式提取,以及降雨过程的时空展布。该方法利用历史降雨数据提取降雨展布模板,输入场次降雨(或预报降雨)的总雨量,得到该场次降雨的时空分布过程,展布结果可为洪水预报提供更为准确的降雨输入条件。

1960-2020年河南省极端降水时空演变特征

全球变暖加快了水文循环速度,导致极端降水事件频发,增强了城市排水负荷和洪涝风险,并影响了区域气候的时空特征。在河南省均匀选取26个雨量站对1960—2020年61年间的降水资料进行研究,采用趋势分析、Kriging插值、M-K突变分析、Morlet小波变换和Spearman相关系数等方法对河南省9个极端降水指数的时空演变特征进行分析。结果显示:河南省年降水量呈上升趋势,极端降水事件呈下降趋势,河南省整体气候逐渐变得湿润。河南省极端降水指数具有显著空间差异,东南部极端降水风险显著大于西北部。除降水强度、最大连续降水日数和1 d最大降水量外,其余指数与年降水量、汛期和6—9月的各月降水量具有良好的相关性,这对于评估年降水量及其年内分布特征、极端降水事件频率有较好的参考作用。结果表明:降水从短历时高强度向长历时低强度演变,要应对此类长历时极端降水的风险,防涝思路应从提高短时间大量排水能力转变到提高长时间低强度吸收降水能力。

沿江城市降雨特性及雨洪关系分析——以四川泸州市为例

沿江城市气候多变,外洪和内涝之间关系复杂,相互影响、相互制约,洪涝统筹是沿江城市面临的最主要问题。分析掌握沿江城市的暴雨、洪水特征,可提前预测不同降雨条件下河道洪水的特性及其对城区排涝的影响,对于城市防洪系统和排涝系统统筹兼顾、合理规划、洪涝预报预警,都具有重要意义。以四川泸州市为例,对暴雨时空分布特征、洪水特征规律等进行了分析探讨,以期为新形势下沿江城市防洪减灾体系建设提供参考。

四川省汛期小时极端降水精细化特征

使用2012-2021年四川省2985个气象站5-9月逐小时降水资料,分析了小时极端降水的精细化特征.研究结果表明:四川省汛期小时降水在第99百分位出现转折性变化,小时极端降水阈值随海拔升高而减小.总体上小时极端降水贡献率四川盆地最高,攀西地区次之,川西高原最低,其与汛期降水量的多少基本匹配.研究期内各个区域的汛期小时极端降水贡献率均以增加趋势为主,川西高原和攀西地区尤其显著,但空间差异非常大.在一天中,各区域小时极端降水都呈“单峰型”,夜间出现小时极端降水的概率相对更大,不同地区的峰值出现时间有所不同,中午时段均不易出现小时极端降水.研究期内小时极端降水出现峰值更高、谷值更低的变化趋势.小时极端降水过程达峰快、减弱慢,开始时间越晚持续时间越长.四川盆地和攀西地区下午至前半夜多为1~3 h短过程,后半夜多为3~11 h持续过程,而且川西高原的开始时间略晚,持续时间更长.

山西北部极端降水时空演变规律及与大气环流因子的响应

基于山西北部28个国家气象站点,1972—2020年逐日降水资料,选用8个极端降水指数,采用线性回归、Pearson相关分析、连续小波和交叉小波变换分析等方法,研究了山西北部极端降水的时空变化及其与大气环流因子的相关性和周期特征。结果表明:(1)在时间上,山西北部8个极端降水指数都是在20世纪70年代后期和21世纪00年代后期到10年代,年总降水量(PRCPTOT)、中雨以上日数(R10mm)、强降水量(R95P)、极强降水量(R99P)、1 d最大降水量(Rx1day)、5 d最大降水量(Rx5day)均增多,日降水强度(SDII)显著增强,持续湿期日数(CWD)也略有增多。整个20世纪80年代降水异常偏少。(2)在空间上,极端降水指数呈从东北向西南地区逐步增加的态势。从站点趋势变化来分析,大多数站点的极端降水指数呈上升趋势,其中,上升趋势最显著的站点均位于忻州市境内西南部。朔州市境内和忻州市东南部站点PRCPTOT和SDII都呈增加趋势,但CWD则呈减少趋势,由此说明朔州市境内和忻州市东南部地区发生极端降水事件的概率较大。(3)通过小波变换分析发现,1990—2020年山西北部极端降水指数表现出约4 a左右的周期特征。在选取的大气环流指数中,北大西洋涛动指数(NAO)对山西北部极端降水影响最明显,NAO越大,PRCPTOT、R10mm、R95p、R99p、Rx1day、Rx5day、SDII则越小,同时CWD也越少,山西北部产生少雨干旱的几率较大,反之,易发生多雨、洪涝现象。研究结果可为山西北部气象灾害的防御提供科学理论依据。

太行山中南段暖季极端降水的水汽输送特征

利用自动气象站观测降水、ERA5(ECMWF reanalysis version 5)再分析资料和GDAS(Global Data Assimilation System)资料,基于SOMs(self-organizing maps)算法和天气学检验方法,归纳总结2012—2021年太行山中南段75次暖季极端降水事件的环流形势,探讨不同形势下的水汽输送特征及降水差异。结果表明:影响太行山中南段暖季极端降水的环流形势可分为高空槽型、低涡型、副高纬向型、副高经向型和西北气流型5种,其中以高空槽型最为常见,西北气流型最少。低涡型存在孟加拉湾、南海和西北太平洋水汽输送通道,其日降水极值、最大小时降水强度和影响范围在所有类型中均最大,与低涡型相比,高空槽型缺少西北太平洋水汽输送通道,而副高纬向型和副高经向型缺少孟加拉湾水汽输送通道。利用HYSPLIT(hybrid single-particle Lagrangian integrated trajectory)模型追踪气团发现:低涡型和副高纬向型均以来自西北太平洋的水汽输送贡献最大,高空槽型和副高经向型分别以来自黄海沿岸和南海的水汽输送贡献最大。整层水汽收支分析表明:太行山中南段暖季极端降水最主要的水汽流入来自南边界,其他流入边界及各边界水汽流入贡献的相对大小与环流形势有关。

塔里木盆地及其周边地区大气可降水量分布及其与降水关系的研究

利用2018年7月至2022年6月塔里木盆地及其周边地区17部地基GPS水汽探测仪遥感的大气可降水量(PWV)资料、 14个地面气象站逐时和逐日降水资料,分析了塔里木盆地西部(区域A)和东部(区域B)PWV分布特征及其与降水关系。结果表明:(1)研究区年平均PWV高值区主要集中于盆地北部和盆地西南部平原地区,海拔超过1300 m站点的PWV年平均值与海拔成反比,低于1300 m的低海拔地区PWV年平均值在10~12 mm。夏季测站PWV平均值是春、秋季节的2倍。(2)区域A和区域B PWV月变化呈单峰型分布,分别在8月和7月达到峰值。区域A有、无降水日PWV均在23:00(北京时,下同)达到日峰值。区域B有、无降水日PWV日峰值出现时间相差5 h,分别出现在11:00和17:00。(3)区域A和区域B多数测站ΔPWV(PWV与PWV月平均值差值)峰值分别在降水开始前0~1 h和降水开始时刻前后1 h出现。春季区域B降水前PWV跃变程度较区域A更剧烈,夏季各区域σPWV(PWV与PWV月平均值倍数)提前降水开始时刻1 h、 5~6 h达到1~1.8倍的天气过程较其余时次偏多。秋季和冬季区域BσPWV分别集中在1.4~2.0倍和1.6~2.4倍。(4)海拔高于1400 m测站的5-6月、 7-8月PWV值达到10~20 mm和15~25 mm,对应降水结束时刻。海拔低于1400 m测站5-8月降水结束时刻PWV值逐渐由15~25 mm增至25~35 mm。

西南地区东部夏季降水转化率特征及成因分析

利用格点化降水观测数据集(CN05.1)以及ECMWF再分析资料(ERA5),分析1961—2020年夏季西南地区东部(Eastern Southwest China,ESWC)的降水、水汽含量及降水转化率特征,并利用天气学分析方法初步探究地形分布对降水转化率空间分布差异的影响,最后利用中尺度数值模式WRF4.0(Weather Research and Forecasting Model)设计地形敏感性试验验证地形对西南地区东部夏季降水的作用。结果表明:(1)1961—2020年夏季西南地区东部的降水呈现东多西少的分布特征,但水汽含量却在其东南部和西北部存在两个大值区,水汽大值区降水转化率偏低,强降水区与水汽含量大值区分布存在明显差异,通过分析强降水区与水平风场及垂直速度场的形势配合发现地形是导致此差异的重要因素。(2)WRF模式能较好地模拟出西南地区东部夏季降水的空间分布特征,通过地形敏感性试验发现,区域内大娄山、方斗山及大巴山组成的西南-东北向山地地形分布对降水强度有显著影响,地形高度的降低将导致区域东南部降水量显著减少。(3)敏感性试验中将区域地形高度分别降低一半和去除地形后,区域东南部的降水在月时间尺度中将分别减少9.89%和19.90%。地形高度的改变也会引起区域垂直速度、水平风场、水汽输送及水汽辐合量发生改变,当地形高度降低后,上升运动及西南风明显减弱,水汽输送强度降低,水汽辐合量减少,不利于降水形成。

新疆南部暴雨研究:科学认知与主要进展

新疆南部(简称“南疆”)是典型的干旱区,地形和下垫面复杂,生态环境脆弱,对气候变化异常敏感。在全球变暖背景下,近年来南疆暴雨发生频率和强度明显增加,引起社会广泛关注。通过综述南疆干旱区暴雨的科学认知、研究进程和最新研究进展,得出南疆暴雨具有降水集中度高、相对强度大、极端性强、空间分布不均匀等特点。南疆暴雨研究经过了从大降水个例到多尺度相互作用机理和数值模拟发展应用的阶段,目前在南疆暴雨的重要影响天气系统和水汽输送等方面取得新的科学认识。

渤海湾西岸一次局地极端短时强降水事件的成因分析

2021年9月4日早晨,渤海湾西岸的天津滨海新区出现短时强降水,过程累计降雨量达224.2 mm,最大小时雨强为110.9 mm·h^(-1),均打破当地建站以来的历史纪录。利用加密自动气象观测站、风廓线雷达、多普勒雷达等观测资料,结合欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料,分析该事件成因及其与海陆环境的关系,探讨对流系统新生、组织化机制以及水汽输送特征等。结果表明:(1)对流单体在海岸线海水一侧新生后西移登陆,经多次与后向新生对流单体合并加强,最终发展为具有中γ尺度涡旋且位于线状中尺度对流系统前端的强降水系统。(2)对流单体新生地点与两条地面辐合线的相交点对应。一条南北向的风速辐合线位于海上,与水陆表面摩擦系数差异有关;另一条东西向的风向辐合线位于陆地,由东北残余冷空气与原有偏南风相遇而成。(3)由于清晨海面湿度比陆地大,湿空气被向岸偏东气流从渤海湾带到西岸,为对流系统的发生发展提供热力条件;而850 hPa持续存在暖性切变线,为多个对流系统线状组织排列提供了动力支持;值得关注的是,浅层残余弱冷空气在925 hPa造成明显的中尺度锋生。(4)次级垂直环流促进周围水汽汇集和垂直向上输送加强,而水汽垂直递减率的大小(水汽垂直辐合)对小时雨强有指示意义。分钟雨强很可能与中γ尺度涡旋有内在联系。

综合天气相似分析方法及其气象预报服务应用

为改进传统“切片”式天气形势相似分析方法存在的不同切片相似结果不一致、预报稳定性欠佳问题,借鉴大数据思维,将天气系统视为一个由高中低层大气相互配合、静力热力动力条件相互影响的综合体,以多种气象要素再分析格点资料为基础,采用机器学习PCA方法对原始数据进行降维、浓缩,经归一化处理后构建出适于综合天气相似分析的样本衍生特征因子矩阵;然后使用KNN算法计算样本间各特征维度的相似距离、并结合方差贡献率赋予其相应的权重,最终按综合相似距离大小排序给出目标样本在历史天气形势库中的综合最相似序列,从而实现对传统相似天气预报方法的升级改进。对比分析和测试应用表明,该方法可提供多要素、多层次“立体”综合相似下的一致性结论,有助于预报员更好地理解天气系统结构和演变过程、进而更准确地研判可能发生的相关天气现象,在精细化气象预报服务方面有良好的应用前景。在2023年以来的几次广西区域性极端降水气象预报服务中,该方法取得了较为显著的应用效果。

1961-2021年陕西省区域性暴雨过程特征及其变化

利用1961—2021年陕西省99个国家级气象观测站逐日降水数据,给出了陕西省区域性暴雨过程识别方法;以暴雨过程平均强度、平均影响范围和持续时间为指标,建立了区域性暴雨过程综合强度评估模型,在此基础上分析了陕西省区域性暴雨过程特征及其变化。结果表明:(1)陕西区域性暴雨在4—11月均有出现,主要在6—9月;区域性暴雨一般持续1~2 d,平均1.2 d。(2)陕西区域性暴雨过程年均7.8次,年际变化较大;从长期变化来看,一般等级的暴雨过程趋于减少,而偏强等级的暴雨过程在明显增多。(3)首次区域性暴雨出现日期平均为5月31日,末次出现日期平均为9月20日;首次和末次出现日期的年际变化较大,且首次过程出现日期呈提前趋势,特别是近20 a明显提前,而末次过程出现日期没有明显的趋势变化。(4)陕西区域性暴雨可分为东南部型、中南部型、偏西型和偏北型4种空间型,其中中南部型的降水强度较其他分布型更强,强降水范围也更大。

一次大暴雨中尺度短时强降水回波特征分析

为了做好江西宜丰大暴雨天气的预警预报服务,使用常规天气图、宜丰自动站雨量、江西雷达拼图等资料,采用天气学、雷达气象学等原理,对2022年6月3日江西宜丰地区大暴雨过程进行分析。结果表明,通过对6月3日宜丰大暴雨年月日统计特征进行分析,1981—2022年宜丰每年大暴雨出现频次在0~2次,主要集中出现在6月份。宜丰此次大暴雨过程前期雨势不大,但由于云系发展和地形、环境等条件的影响,在6月3日08时小时雨强达到了65 mm,到了09时小时雨强达到最大的70 mm,造成了局地的超短时强降水。受低槽及低层切变东移影响,边界层及地面增温明显,动力抬升加强。850 hPa低涡东侧的切变线一直延伸至赣北北部,切变线南侧西南急流达到14 m/s,宜丰处在西南急流的左前方,同时地面辐合线稳定在宜丰附近并与低层切变耦合,导致辐合扰动加强,有利于强风暴在辐合线附近发生。回波形态为絮状回波带结构,絮状回波带包含着多个较强单体回波,影响宜丰的组合反射率CR回波最强达到50 dBZ,≥45 dBZ回波稳定在宜丰南部,为短时强降水的生成形成了非常有利的条件,随着回波顶高的升高,加强了该单体回波的降水效率,08时出现了小时雨强65 mm/h的超强降水。

CLDAS降水产品的适用性分析及机器学习订正应用

为获得中国气象局陆面数据同化系统(CLDAS)多源降水融合实况分析产品在甘肃省的精细化评估结论并提高该产品的精度,采用甘肃省2215个地面站的降水数据作为检验源,评估CLDAS快速融合和实时融合降水产品的适用性,并基于评估结论采用机器学习方法及优化策略,订正CLDAS降水产品。结果表明:CLDAS降水产品能较好地反映甘肃省降水时空分布,日值的精度整体不如小时值;XGBoost算法较其他模型有显著优势,且在降水量大时订正效果更显著;通过提升训练数据集质量、特征工程和精细调参优化后的XGBoost模型使3级以上降水量的均方根误差减少近50%,1~2级的误判降水得到明显改善,该模型和算法能推广应用于具有相同气候特征的领域。

城市洪涝风险的多方法组合评估与应用

近年来,受全球气候变化与城镇化快速发展的双重影响,城市极端降水事件频发,由此引发的城市洪涝灾害常造成灾难性的生命和财产损失,给城市公共安全带来了严重威胁。由于不同评估方法中指标赋权不同,评价结果往往存在较大差异,给风险评估与区划工作带来了诸多困难。因此,通过融合不同方法的权重构建一套复合权重,进而解决不同评估方法中结论非一致性的问题,这对于提升风险评估的准确性是至关重要的。该文以湖北省为例,旨从危险性、暴露性、脆弱性和恢复性四个层面构建城市洪涝风险评估体系。首先,分别采用熵权法和层次分析法计算指标权重;之后,通过Kendall检验判断两套权重序列的一致性并给出相应的复合权重计算结果;最后以湖北省下辖8个城市的历史洪涝事件为例,对上述风险评价结果进行了验证。结果显示,与熵权法和层次分析法相比,基于复合权重的组合评价方法具有更高的准确率。

基于多维Copula函数的澜沧江-湄公河流域气象干旱特征分析

为全面揭示变化环境下澜湄流域多维气象干旱特征,采用标准化降水蒸散指数SPEI表征流域气象干旱,基于游程理论分别提取澜沧江段和湄公河段上、中、下游流域1901—1960年和1961—2021年两个时段的干旱事件,利用Copula函数分别构建两个时段不同子流域二维和三维干旱特征变量联合分布,计算不同干旱特征变量组合条件下的干旱联合发生概率,对比分析不同子流域多维气象干旱特征的时空变化。结果表明:时间上,1961—2021年各子流域平均干旱程度均较1901—1960年更严峻,尤其是极端干旱事件(单变量累积频率为25%、50%)的多维干旱联合发生概率增幅最大;空间上,1961—2021年,随着干旱历时、烈度和烈度峰值的增加,“或”情况下多维干旱联合发生概率最高值区自北向南转移,“且”情况下多维干旱联合发生概率最高值区自南向北转移。

近20年冷涡背景下北上台风的分布及降水特征分析

利用中国台风最佳路径数据集、吉林省气象科学研究所的东北冷涡活动日历、CN05.1逐日降水资料、吉林省和辽宁省站点逐小时降水观测资料,统计近20年来冷涡背景下影响东北地区的北上台风及强降水分布特征。结果表明:2001—2020年6—9月北上的44例台风中有39例(冷涡背景下14例)明显对东北地区降雨有影响,18%的台风过境吉林省,其余为外围水汽影响;夏季冷涡背景下引发强降水的北上台风有10例,日降水量达到暴雨及大暴雨级别的各有3例,达到短时强降水级别7例;冷涡背景下北上台风路径密度大值区主要分布在130—140°E,21—30°N区域内;冷涡背景下引发强降水的北上台风路径可分为直接北上偏北类、北上西折类、北上偏东北类、北上偏东类4类,其中北上偏北类台风最多(超过半数),该类台风平均降水量级较其他路径类型台风稍弱,北上偏东类台风降水量级最大。

基于CAMM和CLDAS的黄淮海冬小麦成熟期连阴雨时空特征

利用黄淮海地区2008—2023年的CLDAS数据和同期65个农业气象观测站的冬小麦花期、成熟期观测数据,订正机理性中国农业气象模式(CAMM)中发育模块(RAM)的参数,评估模式对冬小麦成熟期的模拟精度,而后重构格点化的历年成熟期日期,统计成熟期前6天后9天共16天的降水量和雨日数,随后基于连阴雨指标,研究连阴雨的时空分布特征。结果表明:(1)RAM模式对冬小麦成熟期具有较好的模拟能力,各站RMSE平均值为2.28±0.46 d,模拟值与实测值的R2为0.915。(2)黄淮海地区冬小麦成熟期降水量和雨日数均呈南北两端高中间低的空间分布格局,区域平均降水量为8.8~84.6 mm,平均值为31.9 mm,雨日数为1.0~9.1天,平均值为5.4天。(3)2008—2023年连阴雨灾害波动较大,其中2009、2013、2018和2023年较为严重,大致呈4~5年发生一次的周期性规律,且灾情呈加重的趋势。(4)连阴雨灾害在黄淮海地区北部很少发生,河北和山东交界处偶发,灾害高发重发区主要集中在河南省,尤其是郑州以南的驻马店和信阳一带最为严重,发生频率约为5年一遇,持续天数多在9天以上。

城市洪涝应急响应能力评价及优化研究

在气候变化和全球化的背景下,极端降水事件及其导致的洪涝灾害频发。为准确评估暴雨内涝影响下的城市应急服务水平,基于InfoWorks ICM构建了城区内涝模型,利用ArcGIS中的最快路径法评估了医疗、公安、消防的空间可达性,利用基尼系数评估了公共应急服务相对幼儿园分布的合理性,采用最大覆盖算法对医疗、公安、消防的分布进行了优化,并基于研究区的情况进行了分析。结果显示:研究区的医疗、公安、消防相对幼儿园的基尼系数随着降雨重现期的增加而增大;对研究区的医疗、公安、消防分布优化前,这些部门的分布不尽合理,其15 min内的应急服务可达性不能满足应急救援要求,研究区应急响应资源相对幼儿园缺失严重,相对来说,医疗应急响应缺失最为严重;对研究区的医疗、公安、消防分布优化后,这些部门相对于幼儿园的基尼系数普遍在0.400以下,医疗和公安的应急服务即使在百年一遇洪涝加晚高峰情景下仍可以在15 min内覆盖40%的研究区面积,消防可覆盖70%的研究区面积,医疗、公安、消防的分布相对合理。本研究为中国城市洪涝灾害应急响应能力评价提供参考。

沱江流域雨季极端降水时空演变特征

为应对我国极端降水事件频发的现状,加强沱江流域极端降水的应灾防灾能力,采用百分中位法确定沱江流域雨季各气象站点的极端降水阈值,并在此基础上选取了极端降水总量、极端降水频次和极端降水强度等极端降水指标,运用普通克里金法、线性倾向估计法、 Mann-Kendall突变检验和Morlet小波分析等方法研究极端降水的时空演变特征。结果表明:在空间上,极端降水阈值表现出由西向东逐渐增加的趋势,频次由西向东逐渐减少,总量和强度均表现出由西北向东南逐渐减少的趋势;在时间上,沱江流域雨季极端降水总体呈减少趋势;1984年极端降水总量和强度发生突变,而后,极端降水呈显著下降趋势。