东亚副热带急流与东北夏季降水异常的关系

利用东北地区88个气象站点观测的7、8月(夏季)降水量和NCEP/NCAR再分析资料,分析了东北地区夏季降水与同期东亚副热带西风急流之间的关系,发现东北地区夏季降水异常偏多年,位于青藏高原上空200 hPa西风急流中心强度偏强,东北地区上空急流轴向东北方向倾斜;东北地区夏季降水异常偏少年,青藏高原上空200 hPa西风急流中心强度偏弱,东北地区上空急流轴向东南方向倾斜。与此同时,东北地区夏季降水发生异常的年份,东亚地区不同高度上的大气环流和水汽输送特征有明显差异。从对流层中高层热力特征的分析中发现,青藏高原地区对流层中上层的温度梯度变化对青藏高原上空的西风急流强度有重要影响。

基于逐步回归模型的华南区域模式气温预报产品释用技术研究

基于2017-2019年华南高分辨率区域数值模式2 m气温预报产品,设计了3套模型的构建方案,利用25个显著因子建立97个国家基本站的逐步回归订正模型,对模式和3套订正模型的预报与实况进行偏差分析,结果表明:(1)华南区域模式分辨率较高,但无法细致反映湖南复杂地形影响导致的区域气温变化特征,模式预报的气温,山区的偏差大于平原的;在1-72 h预报时效内的准确率为54.08%,预报偏差随预报时效延长显著增加,且具有明显的周期振荡,偏差最大值出现在日最高/低气温发生时段。(2)基于逐步回归模型,依据模式的起报时次、预报时效建立了3套气温订正模型。其中,方案1为不分起报时次和预报时效建模,方案2为分起报时次不分预报时效建模,方案3为分起报时次和预报时效建模。3套针对不同起报时次和预报时效的建模方案皆对湖南2 m气温的时空分布特征有较好刻画,对复杂地形影响区域的气温预报有一定的订正能力,但随着预报时效的延长订正效果下降,订正效果总体为00时起报的优于12时起报的。(3)3套建模方案2 m气温预报同样具有周期振荡特征,但没有明显的季节差异,最大偏差出现在最高气温发生时段,对夜间温度,尤其是对05时前后的温度预报订正效果明显,其中方案1的气温订正效果总体优于方案2和方案3的,1-72 h预报时效内绝对误差减小了0.68℃,准确率提高了17%以上。

长沙地区干旱时空分布特征及其对森林火灾的影响

利用1971—2016年长沙市常规气象资料,计算综合气象干旱指数,分析长沙地区干旱的时空分布特征及气象成因,并利用2003—2015年森林火灾资料进一步研究干旱对森林火灾的影响。结果表明,近46年来长沙地区干旱频率有所下降,干旱的年代际变化明显,呈三峰型。最长干旱持续天数和干旱总日数的年变化对应较好,长沙、浏阳、宁乡3站年际变化基本一致,且3站干旱分级特征具有较高的空间一致性。长沙地区以夏秋干旱最为常见,持续时间最长,最主要的气象原因为大气环流的影响。干旱情况下,森林等植被含水率下降,下降到一定程度,森林火灾容易发生。最长干旱持续日数和森林火灾发生次数、受灾面积的相关系数超过0.05信度水平。2007年的火灾情况分析表明,森林火灾多发生在干旱条件下的连晴时段内。

副热带高压控制下湖南两次短时暴雨发生及系统维持机制对比分析

利用地面自动站资料、多普勒天气雷达资料、卫星逐小时TBB资料及NCEP再分析资料,对2018年副高控制下湖南两次短时暴雨发生及维持机制进行分析。结果表明:(1)在水汽丰沛且有足够的不稳定能量和抬升条件下,强盛副高脊区反气旋环流内也可以触发短时暴雨天气,其大尺度环流形势特征和湖南典型暴雨过程有着较大差异;(2)对流性降水发生前,不稳定能量明显增强,中低层增湿明显,为暴雨提供能量与水汽条件;(3)两次过程分别受副高南侧热带气旋外围云系扰动和弱冷空气侵入影响,925 hPa形成弱扰动或者弱切变,配合地面中尺度辐合线,近地面动力抬升触发对流性降水,白天受太阳辐射影响,能够自由触发热对流。地形抬升也是重要触发机制,发生在迎风坡热对流占比84%;(4)两次短时暴雨的雷达回波为非常明显的低质心高效率的降水回波,环境风及其垂直风切变小,尽管不利于对流风暴有组织的发展,但雷暴单体移动缓慢,有利于同一地区长时间的强降水。

西太平洋副热带高压控制下湖南一次短时强降水成因分析

在天气预报业务中,发生在西太平洋副热带高压控制下的短时强降水容易出现漏报。为加深对西太平洋副热带高压控制下湖南短时强降水的认识,探究其成因和触发机制,本文利用地面自动站、多普勒天气雷达观测资料及FY-2F云顶亮温、NCEP再分析资料等,针对2018年9月6日一次西太平洋副热带高压控制下的湖南短时强降水成因开展研究。结果表明:在强盛的西太平洋副热带高压脊区内,丰沛的水汽、较强的不稳定能量及一定的抬升条件可触发短时强降水天气。正午前,受弱冷空气侵入影响,低层切变配合地面中尺度辐合线引起近地面动力抬升,从而触发对流性降水;午后,受太阳辐射影响,地面气温达到对流触发温度,从而触发热对流。正涡度区及低层辐合区在降水发生后都向上延伸,有利于垂直上升运动的维持,但较典型汛期强降水过程的动力条件明显偏弱。环境风及其垂直风切变小,且雷暴单体移动缓慢,有利于强降水在同一地区长时间维持。

湖南近55年极端降水指数时空分布特征的季节性差异分析

使用湖南省88个国家基准气象站1961~2015年的逐日降水量数据,分析了湖南地区冬夏季代表降水不同方面的PRCPTOT、SDII、R95T、R10、R5d、CDD、CWD指数的时空特征,并讨论了不同指数之间的相关性。结果表明:无论在冬季还是在夏季,PRCPTOT和SDII的空间分布较为一致。PRCPTOT和SDII在冬季增加较夏季显著,且SDII较PRCPTOT增加显著。极端降水的变化特征在冬夏有较大的差异,冬季R5d在湘北的增加趋势较夏季显著,但夏季R95T在湘中的增加趋势较冬季显著。连续性降水指数CDD和CWD在冬季的变化趋势较夏季显著,冬季CDD在湘中地区近年来有增加趋势,而CWD在大部分湖南地区都呈下降趋势,但R5d在增加,即连续性降水的时间在减少,但连续的降水量在增加;在夏季也有同样的特征。各个指数之间的时间变化一致性较空间变化一致性强。除连续性指数CDD和CWD外,无论冬夏,其余指数在时间和空间变化上,均有较高的相关性,相关系数均通过95%的显著性检验。

基于深度学习方法的冰雹自动识别

使用2018—2020年湖南省11部多普勒天气雷达、区域自动站、闪电定位数据以及冰雹站点记录构建数据集,结合基于时空序列的PredRNN++和Resnet深度学习网络构建冰雹识别模型,以80%的数据作为训练集,20%的数据作为验证集。结果表明,深度学习对冰雹这类非线性强天气过程具有较强的识别能力,准确率达93.81%,基本满足业务需求,但该冰雹识别模型在小冰雹的识别上存在一定的偏差,需要后期改进数据集和模型算法。

湖南省夏季极端降水异常时空特征及其成因分析

利用湖南省88站常规观测资料、NCEP全球再分析资料,采用EOF分解和合成分析方法研究了湖南省1961—2014年极端降水的年际变化异常和时空特征,以及极端降水异常的环流成因。并主要分析了由EOF方法分析得出的第一类极端降水形态(一致偏多或偏少型)与环流异常之间的联系。结果表明,湖南省夏季极端降水分布有较大的空间差异,且湖南省极端降水呈明显增强的趋势。由于极端降水的变化周期与大尺度环流固有的2～4 a周期相同,因此大尺度环流的变化是湖南省极端降水异常的主要成因。大尺度环流的变异引起中国东部经向排列的环流异常分布,使得高度场和风场等气候场产生变异,从而引起湖南省极端降水的异常。从极端降水偏多年与偏少年大气环流的差值场可以看出:湖南省处于显著差异区,湖南省极端降水偏多(偏少)主要是由于北方的偏北风加强(减弱)和经西太平洋—南海进入湖南地区的西南风加强(减弱)并在湖南地区产生辐合(辐散)。当夏季东亚副热带西风急流偏南时,湖南正处在偏南较强西风急流的南侧,较强西风急流所产生的抽吸现象使得上层空气辐散,增加了湖南省极端降水的强度。副热带高压强度偏强、位置偏南、偏西,使得东亚夏季风偏弱,导致气流辐合稳定在湖南省,造成极端降水偏强。前冬中东太平洋海温偏暖(EI Ni1o)/偏冷(La Ni1a),湖南地区的极端降水容易一致偏多/偏少。同时黑潮暖流区也是影响湖南极端降水变化的可能原因。

一次混合强对流天气的环境条件及演变特征分析

使用探空观测资料、NCEP再分析资料及多普勒天气雷达产品等多种气象资料,对2015年4月3日湖南出现的一次大范围不同类型强对流天气过程进行了分析,结果表明:强对流天气过程发生前大气环流出现明显调整;低空西南急流的发展加强、中层干冷空气的卷入为大范围强对流天气提供了有利的环境条件;高层辐散、低层辐合的抽吸作用及气旋性切变、湿斜压强迫作用,是湘东北发生混合对流和极端强降水的主要原因。汉寿在逆温层之上暖湿气流抬升和强垂直风切变作用下产生的冰雹,具有高架雷暴特征。新晃具有较高热力不稳定,在冷暖空气交汇时产生冰雹。雷达产品分析表明,冰雹、雷雨大风发生时分别具有典型的三体散射与中高层较强辐散特征,而短时强降水发生时具有低质心和高效降水效率及列车效应特征。

湖南特大干旱时空变化特征分析

利用湖南建站以来至2014年97个国家气象观测站的逐日气温、降水、相对湿度等观测资料计算逐日气象干旱综合指数,运用线性倾向估计方法,统计分析湖南特大干旱的时空变化特征。结果表明:全省特旱影响范围总体扩大,年际变化呈显著上升趋势。特旱年际变化倾向率总体呈上升趋势,平均值为0.016次·a-1,其中衡邵地区上升最快,湘东北下降最快。整体下半年比上半年更易发生特旱,10月特旱频次最多。桑植、宁乡、怀化、郴州、邵东5个代表站最长干旱持续日数越多,特旱发生概率越大,特旱均发生在最长干旱持续日数20 d以上的年份,且多年连续特旱明显多于单独某一年特旱。各代表站最长干旱持续日数出现频次夏季最高,春季最少,跨季节的连旱一般跨越两个季节,夏秋连旱出现频次最高,个别年份跨越3个季节。

转移累计概率分布(CDF-t)统计降尺度方法对湖南极端降水的模拟评估

为了提高湖南极端降水的模拟能力,利用转移累计概率分布(CDF-t)统计降尺度方法及基于第5次国际耦合模式比较计划(CMIP5)中的24个耦合模式数据,结合3个极端降水指数,从空间特征和年际变率两方面评估降尺度前后CMIP5模式对湖南极端降水的模拟能力。结果表明,较低空间分辨率的CM IP5气候模式无法细致反映区域极端降水变化特征,且由于各模式结果差异较大,多模式集合的模拟效果差。CDF-t统计降尺度通过建立大尺度变量的CDF与区域尺度相同变量的CDF之间的函数关系,对CMIP5模拟湖南极端降水变化特征有一定的改善能力。就空间结构而言,该方法对于模式模拟大雨日数(R10)和连续5天最大降水量(R5d)的空间结构能力都有很大改善,且模式之间表现出较高的一致性,尤其是R10改善效果最显著,与观测相比,湖南地区空间平均绝对误差达到2.18天,较降尺度前绝对误差降低了45.46%。就时间变率而言,该方法对于模式模拟R90P和R5d的时间变率能力都有很大改善,降尺度后IVS值分别由降尺度前的2.2和1.5降低至0.3和0.6。

21世纪前期长江中下游流域极端降水预估及不确定性分析

在全球变暖背景下,极端降水的频率、强度以及持续时间均在显著增加,尤其是对于气候变化敏感的长江中下游流域。由于模式本身、温室气体排放情景以及自然变率存在较大的不确定性,因此未来预估变化的不确定性一直备受关注。为了能够得到对于未来极端降水更为准确的预估结果,使用NEX-GDDP(NASA Earth Exchange Global Daily Downscaled Projections)提供的19个CMIP5降尺度高分辨率数据(0.25°×0.25°),给出21世纪前期(2016—2035年)长江中下游流域极端降水的可能变化。根据长江中下游流域178个气象站1981—2005年的逐日降水量数据,计算了能够代表极端降水不同特征的指数,在评估模拟能力的基础上给出了21世纪前期RCP4.5情景下极端降水的变化。结果表明,降尺度结果对长江中下游流域极端降水有很好的模拟能力,除R90N外,所有模式模拟其余指数的空间结构与观测的相关系数均超过了0.6。其中所有模式模拟PRCPTOT和R10的相关系数均超过0.95。21世纪前期,长江中下游地区降水趋于极端化,尤其是在流域的西部地区。极端降水日数的变化在减少,表明对于极端降水的贡献主要来自于极端降水日的较大日降水量,而非极端降水日数。未来预估不确定性的大值区主要位于流域的南部地区,流域的西部地区不确定性较低,西部地区极端降水的增加应该受到更多的重视。

秋季连阴雨天气对湖南农业生产的影响及防灾减灾措施

2015年11月湖南省出现了连阴雨天气过程,引发了暴雨和洪涝气象灾害。连阴雨对湖南农业生产影响主要表现为三个方面:降水过多造成农田湿(渍)害;日照偏少,不利于光合作用,作物长势弱;温度过低,一些生长作物积温不足,出现病虫害。连阴雨过程伴随的暴雨洪涝灾害损毁了部分农田水利设施。针对这些不良影响,提出及时开沟排水,增加土壤透气性,防止渍害发生,做好查苗补苗工作,及时加固温室大棚棚架和畜禽舍等设施。

2014年秋季长株潭城市群一次典型霾污染天气过程的气象特征及成因分析

利用长株潭地区地面空气质量监测资料、常规地面气象资料及NCEP再分析资料和MODIS火点监测资料,结合HYSPLIT4后向轨迹模式,对2014年10月17—18日长株潭地区一次严重霾天气过程的空气污染特征和成因进行综合分析。研究表明,长株潭地区此次严重霾天气污染事件的主要污染物为PM2.5,安徽南部和江西西北部地区秸秆焚烧产生的颗粒物,经高空偏东北气流引导输送到长株潭地区,是这次大范围烟霾天气的主要来源。长株潭地区西部高空槽区宽广,槽前西南气流较为强盛,地面受均压场控制,水平风速弱,为严重霾污染天气的维持提供了有利的环流条件。中低层逆温和大气底层湿度的增加,使污染物粒子不断累积;近地面连续静(小)风和风向的频繁转变,不利于污染物粒子的水平扩散;中下层弱的下沉气流、较低的混合层高度有利于污染物的垂直累积,为此次重度霾污染天气的发展、加强提供了有利的气象条件。

“威马逊”台前飑线环境场及多普勒雷达回波特征

利用常规观测资料、多普勒天气雷达资料、地面自动站加密资料、NCEP 1°×1°的再分析资料等对2014年7月18日发生在湘赣地区一次台前飑线过程的环境条件及多普勒天气雷达特征进行研究。结果表明：台前飑线产生前,对流层低层较好的水汽条件、条件不稳定层结以及两者结合形成的高CAPE值均为其发生发展提供了良好的条件;台风倒槽是此次台前飑线过程主要影响系统,露点锋、地面辐合线为其提供了抬升触发和维持加强机制;台前飑线西移北上的过程中出现＂弓形＂回波、中层径向辐合（MARC）、速度大值区、阵风锋。本次台前飑线和以往研究的西风带飑线存在以下差异：本次飑线低层垂直风切变主要是以风速差为主;中高层的冷空气侵入并不明显;在成熟阶段,气压场上也没有明显的雷暴高压,但有明显正变压;本次飑线过程是发生在暖湿的环境条件下,后侧入流为相对湿度较大的东南急流,雨水蒸发并没有西风带飑线强烈;雷达速度图上虽有MARC特征但最大正负速度差值并不是很大（15-27 m/s）。上述特征可能是该台前飑线过境湖南过程中没有造成极端大风的主要原因之一。

FY-2G卫星两种云订正产品在湖南的对比分析

使用2015年7月—2016年6月FY-2G卫星逐小时总云量和云覆盖率两种产品,采取区域平均和距离平方反比方法将其分别插值到湖南省有云观测的34个气象站点,并对总云量产品进行分站点滑动回归订正,从而分析上述两种产品的总体一致率和不同实况云量条件下的一致率。结果表明:云覆盖率产品和经过订正的总云量产品在湖南省的总体一致率分别为74.4%和74.8%;云覆盖率产品在实况少云和满云的情况下其一致率较高,但在实况多云时一致率仅为22%;经订正的总云量产品在多云和满云时的一致率高于云覆盖率产品,在少云情况下由于订正误差导致其一致率降低,但可通过选择性订正的方式在一定程度上得以避免。在湖南省使用订正后的卫星总云量作为地面云观测的补充或替代更为合适。

2017年冬季长沙一次重度霾污染天气过程气象成因分析

利用空气质量监测资料、常规气象资料,根据气象条件的水平和垂直扩散能力,以及地面湿度和动力条件等分析了2017年1月27—29日长沙地区这次严重空气污染事件的污染特征。结果表明:污染发生时段,南支槽不断加深东移,槽前势力强盛的西南气流将孟加拉湾一带的水汽向长沙地区输送,进一步增加了该地区的空气湿度。同时,持续东移的脊前暖平流对长沙中低层大气增温有显著影响,为稳定的大气层结创造了有利条件。长沙处于弱高压的底后部,受大范围的弱鞍型场及均压场控制,地面有暖倒槽发展,且由于高压较弱,导致地面和低空的风速较小,不利于污染物的水平扩散,同时有利于夜间地面的辐射降温。稳定的大气环流形势为霾天气和严重污染提供了持续稳定的大气环境场,逆温结构和稳定温度层结在一定程度上减弱了大气在垂直方向上的湍流交换和热力对流,大气中的污染颗粒不易扩散,为此次污染事件的维持、加剧提供了重要的气象条件。长沙地区处在罗霄山脉和雪峰山脉之间的湘江故地,受周边地形阻挡的影响,污染物在下沉气流的控制下聚集到长沙地区后,很难通过水平输送离开,这也是造成此次霾污染的原因之一。

湖南涝年主汛期降水低频振荡特征分析

本文基于1986—2015年湖南逐日降水数据以及同期NCEP/NCAR再分析资料,分析旱涝年主汛期(5—7月)降水低频振荡特征,并利用位相合成方法研究涝年主汛期20~50 d低频环流演变特征。结果发现,湖南地区20~50 d和10~20 d的低频降水方差贡献比都具有南高北低的分布特征,10~20 d的低频振荡在旱涝年中皆较普遍存在,而20~50 d的低频振荡只在涝年普遍存在,20~50 d低频振荡对涝年有一定的指示意义。对涝年主汛期20~50 d低频降水进行位相合成发现,在活跃位相(中断位相),夏季南亚高压和西太平洋副热带高压(简称西太副高)纬向异常接近或者重叠(分离),湖南地区降水偏多(偏少),且两个高压的强度、范围、以及脊线位置和湖南地区主汛期降水关系较密切。南海反气旋(气旋)、河套地区槽(脊)系统以及湖南地区的垂直速度和比湿配合度高,且随位相变化存在明显的周期振荡,其中南海反气旋(气旋)和河套地区槽脊系统配置与湖南低频降水有着高度的时间一致性,湖南地区的低频垂直速度和低频比湿较低频降水有一个位相的超前滞后关系。此外,随着位相的演变,低频南北风高值区皆有明显的北传特征。

近40年长沙地区雷暴天气的气候特征分析

本文利用长沙区域4个气象站1971-2010年40年观测资料,研究了本区域雷暴的气候变化特征。研究结果表明：长沙区域雷暴日数呈东西山区多,中部平原少的空间分布特征,长沙东部和西部的浏阳、宁乡分别为最高和次高发区,年平均雷暴日数分别达62天和53天,而中部地区的马坡岭年平均雷暴日仅39天。在月变化特征上,长沙区域的雷暴主要出现在2-9月,且呈现出典型的双峰型结构,雷暴最多的月份分别出现在4月和8月。在6-9月,浏阳的雷暴日数要明显大于宁乡、望城和马坡岭的雷暴日数,而在其它月,4个观测站的雷暴日数相差不大。在日变化特征上,长沙区域4个测站的雷暴主要出现在午后到傍晚的时段其中以15-17时最多,在13-18时,浏阳的雷暴次数要比另外3个测站雷暴次数明显偏多。1971-2010年长沙区域4个测站的年雷暴日数均呈现出减少的趋势,其中以浏阳的减少趋势最为明显,2000年以后长沙区域4个测站的初雷日略有推迟,而终雷日明显提前。发生雷暴时,宁乡站对K指数及SI指数所代表的不稳定能量较其它3站略高。

2011—2012年冬季西南地区干旱的时空分布特征及其动力成因诊断

利用NCEP/NCAR分析逐月逐日气象资料、全国基准站降水资料以及向外长波辐射(OLR,outgoing longwave radiation)资料,采用气候诊断方法 ,着重从环流特征、西太平洋副高及东亚冬季风特征、冷空气及湿度条件等方面,对2011—2012年冬季西南地区干旱的成因进行初步的动力诊断。结果表明,西伯利亚高压较常年同期明显偏强,东亚冬季风偏强的特征使得冷空气位置比较偏北偏东,能影响西南西北部的冷空气较常年偏弱,不利于冬季西南西部地区降水发生。同时,西太洋副热带高压较常年异常偏强,脊线位置偏北,不利于将孟加拉湾等地的暖湿气流输送到云贵高原;此外,孟加拉以及云南省一带的OLR偏高,表明由于对流活动受到抑制,使得天气持续晴朗少雨。