基于ECMWF模式的武汉市冬季高空气温订正预报研究

基于2016—2018年冬季武汉站1000、925、850、700、500 hPa的探空气温和ECMWF的72 h气温预报数据,分析了武汉站的高空气温预报误差,使用多元线性回归方法建立了预报误差订正方程。研究发现,ECMWF模式对于各层气温的预报平均偏高0.54℃,1000~850 hPa平均预报误差随着高度增大,850 hPa上误差最大,高达0.77℃,预报偏高1.0℃以上的频次超过总数的1/3,850 hPa以上气温预报误差随着高度降低,500 hPa的预报误差最小。模式预报时效越长,高空气温预报误差越大,72 h时效平均预报误差高达0.80℃。基于ECMWF模式预报误差与850 hPa气温的相关关系,选取了两个订正预报因子,分别为22°N、112°E与33°N、112°E的温差及28°N、116°E与34°N、116°E的纬向风之差,并分层建立了气温预报误差订正方程。最后,对预报方程进行了检验,发现订正后各层气温误差均显著降低,误差平均降低了86.4%。

GRAPES_RAFS系统2m温度偏差订正方法研究

本文通过对2013年6月20日至7月20日GRAPES(Global and Regional Assimilation and Prediction System)_RAFS(Rapid Analysis and Forecast System)系统每天8个时次每3 h的2 m温度预报进行分析,发现各时次的预报均能较好地表征2 m温度日变化特征,但预报与实况存在一定的偏差,其中西藏东部川西高原、云贵高原、江南武夷山脉偏低于实况可达3℃,而华北地区偏高于实况3℃以上。为了减小GRAPES_RAFS系统偏差对2 m温度预报的影响,本文采用平均法、双权重平均法、滑动平均法和滑动双权重平均法分别对GRAPES_RAFS系统2 m温度预报产品进行偏差订正,并对订正前后的结果进行检验分析和对比。结果表明:2 m温度订正后的平均误差大部地区减小到(-1~1℃),而均方根误差大部地区降低到2.5℃内。对于偏差较大地区,订正效果更为明显,如西藏东部川西高原,经过订正,平均误差绝对值由订正前3℃以上降低到1℃内,而RMSE由订正前4℃以上控制到3℃内。对比四种订正方法,双权重订正方法与平均法订正整体效果接近,但对个别站点,双权重订正法要优于平均法,经过滑动的订正方法比无滑动的订正方法订正效果更好,订正效果最好的是滑动双权重平均法,全国平均误差大部分在(-0.5~0.5℃)内,不超过(-1~1℃)的范围。

地面气压同化递进式OMB质量控制方法研究

文章首先通过波谱分析对夏季(2013年6—8月)五个重点区域6 h一次地面气压观测场和T639分析场进行周期和振幅特征对比分析,在此基础上采用递进式OMB(observation-minus-background)质量控制方法对我国及周边地区地面气压进行了质量控制研究。研究结果表明:在模式与观测地形高度差异较大区域,必须通过压高等方法进行订正背景场资料才能较为准确地描述观测周期振幅特征,采用压高与双权重相结合的方法能够有效订正模式与观测之间的偏差,为地面气压的质量控制奠定了很好的基础;递进式OMB质量控制方法使得观测增量接近正态分布,相对OMB方法更有效识别离群资料,更能保障质量控制效果。

华中区域年极端小时降水特征分析

利用1981—2017年近37 a华中区域241个气象观测站年最大小时降水资料,分析了该区域年极端小时降水的时空分布特征。结果表明:阈值分别为30~<40 mm·h^-1、40~<50 mm·h^-1和≥50 mm·h^-1的年极端小时降水频次,河南和湖北中东部均较高,湖南则随其阈值增大而降低;年极端小时降水频次日变化特征较为明显,午后至傍晚发生最多,前半夜至凌晨次之,后半夜至早晨、上午至午后明显减少;年极端小时降水平均强度大值区多集中在河南和湖北的中东部地区,湖北最强年极端小时降水大值区主要位于沿江汉平原边缘地带;年极端小时降水频次日峰值主要出现在午后至傍晚和后半夜至早晨,其区域性差异较为明显;不同阈值的年极端小时降水频次均表现出明显的年际和年代际变化特征,1980年代呈波动减小趋势,1990年代呈波动增加趋势,21世纪初期呈现低频波动变化,之后波动加大;不同阈值的极端小时降水频次日变化均表现为明显的单峰型特征,峰值出现在17时前后。

鄂东北一次特大暴雨过程的两个中尺度对流系统分析

利用GFS再分析资料、常规及非常规观测资料,对比分析了2012年7月12—13日鄂东北特大暴雨中两个连续发生的MCSs(下面分别称为MCS1和MCS2)天气背景、雷达回波特征和地面中尺度系统演变,归纳了MCSs成熟阶段准静止—后向传播结构模型,结果表明:(1)东北冷涡的发展、西风低槽的缓慢东移及副热带高压的稳定导致南北气流长时间交汇于江淮流域形成梅雨锋切变和夜间低空急流的发展,是两个MCSs形成的有利大尺度背景条件。MCS1发生于中层梅雨锋前倾结构下;MCS2则是发展加强于低层梅雨锋切变上。(2)MCS1比MCS2的"冷池"更深厚,与环境温差更大,对流触发更剧烈,但"冷池"运动方向与MCSs传播方向均一致。(3)两个MCSs都出现了后向传播特征,前者可能与大别山脉对冷池的阻挡有关,后者可能与对流更易在不稳定区触发相关;成熟阶段时,MCSs因后向传播,移动缓慢甚至准静止,降水最强。(4)在回波结构上,MCS1向前传播时新生、成熟、消亡单体沿回波长轴自下风方向上风方排列,MCS1及MCS2后向传播时则反之。

武汉十月探空秒数据的高空风特征分析

利用2010~2018年10月武汉探空站秒级风资料,分析距地面高度3 km以下每间隔200 m及特殊层300 m共17层各高度的风向风速变化特征。结果表明:各规定层高度平均风向风速随高度变化基本一致,平均风向由低层偏东东南逐步转为高层偏南西南风,1000 m以下低空域变化幅度相对较小。08时与20时平均风速曲线几乎重合,400 m层跃升至4.7 m/s附近后,风速呈现缓慢上升。各规定层平均风速特征08时、20时基本一致,近地层变化较小,200~2000 m各层次年际变化比较平稳,2000 m以上层次振荡上升。1400 m以上层次上旬振荡减小,中旬到下旬初相对平稳,下旬中后期风速加大,极大值主要出现在27~29日之间。近地层风向逐日变化差异相对较大,从偏北风到偏南风之间来回摆动。200 m以上各层基本较为一致,变化幅度相对较小。08时、20时各规定层最多、次多风向表现有差异,08时多以东北风为最多风向,次多风向多以东东北、东风为主,而20时2400 m以下各层最多风向均为一致的东北风,次多风向以北东北和东东北为主,2600 m以上才逐渐转为偏西风。

基于快速融合技术在武汉定量降水预报的检验与误差分析

综合利用2018年3—9月湖北天气雷达组网拼图数据和武汉及周边地面加密自动站降水观测资料,利用快速融合等技术建立适合武汉本地化光流法和TREC法动态Z-I关系,实时得到高时空分辨率雷达定量降水反演资料2 h QPF,并使用SWAN 1 h QPF资料对比分析。结果表明,总体而言,基于雷达外推与自动站快速融合技术的光流法效果最好,TS综合平均高出SWAN约3个百分点。3种方法在大雨以下量级估测能力最好,暴雨和大暴雨量级误差有所增大。3种方法QPF采用9点或25点平均后,虽然有利于改善相对和绝对误差,对提高预报准确率贡献却较小,而采用邻域法检验能够较大幅度提升预报准确率,同时也一定程度减小了空报率和漏报率。综合对比分析区域和局地分散过程,整体上在大雨以下量级,均为光流法最好,TREC法次之,SWAN效果最差。差异最大的主要集中在区域性过程。在暴雨和大暴雨量级上,尽管SWAN在区域过程中具有较高的评分,但在局地过程中表现不稳定,而光流法在局地过程中相对更稳定。

湖北强降水频次时空特征及基于GWR模型的地形关系分析

利用1983—2017年湖北省汛期74个国家气象站逐小时降水数据,按长、短历时强降水事件分类研究强降水频次的时空特征,并运用普通最小二乘法(OLS)、地理加权回归(GWR)方法定量探讨强降水频次与地形因子之间的关系。(1)湖北汛期长、短历时强降水年频次周期变化明显,年代际变化(≥10 a)存在1个主振荡模态,年代际以下尺度(<10 a)存在2个主振荡模态。(2)长历时强降水旬频次在梅雨期达到顶峰,盛夏期减少,而短历时则在梅雨结束后的7月中旬出现跃升;长、短历时强降水频次日变化曲线都为单峰结构。(3)湖北长、短历时强降水高频次站点多出现在地面存在准常定中尺度辐合线或涡旋的特定地形条件下。(4)地理加权回归较传统普通最小二乘法显著提高了强降水频次与海拔高度、坡度的拟合效果。结合拟合系数显著性检验分析,地理加权回归不适用于样本偏少、站点稀疏的鄂西山地,更适用于多中小尺度地形的湖北中东部。(5)地理加权回归模型中,海拔高度与长历时强降水频次在大别山东麓西侧正相关最大,在大别山西麓南侧负相关最大,坡度则正相反;海拔高度、坡度对短历时强降水频次的最大影响在大别山东麓西侧以及沿长江干流的低洼城市带武汉-黄石地区,武汉站分别为-0.20次/米、6.43次/度,这里地形坡度影响远超海拔高度。

小时气象要素对PM2.5浓度的影响

本文基于武汉气象站点和空气质量监测点的小时数据,分析有无降水、风对PM2.5浓度的影响。结果表明:武汉各区PM2.5污染物浓度空间分布不均。中心城区PM2.5污染最严重,新洲区空气质量最好,其余各区PM2.5平均浓度值较接近;PM2.5平均浓度值日变化趋势呈单峰型。降水对PM2.5有清理作用。武汉重污染天气多为输入性污染,输入路径包括偏北路径和偏东路径。

湖北省夏季小时强降水时空分布特征

利用1983—2017年湖北省夏季(6—8月)74个国家气象站逐小时降水数据,分析了小时强降水时空分布特征。结果表明,夏季≥20、≥30、≥50 mm/h的3类小时雨强频次年际和日变化具有较好的一致性。强降水频次日变化具有双峰型结构特征,分别出现在17:00—20:00和8:00,其中傍晚前后的连续性峰值现象形成了一个持续性活跃强降水时段。湖北省小时强降水多发生在鄂东,随着小时雨强增大,高频次站点随之向西部扩展。特殊地形条件下的地面中尺度辐合线或涡旋是造成小时强降水极大频次站点的重要因素。不同持续时间强降水事件频次日变化显示,下午到傍晚是短历时强降水事件的高发期,蕴涵众多的局地短时强降水,而长历时强降水事件具有“夜发性”,对应于系统性强降水过程;年频次周期性特征显著,短历时存在准12年、准6年和准2年的3个主振荡模态,长历时存在1个准6年主振荡模态。长历时强降水高频次站点多集中于鄂东地区,与湖北省夏季西南低空急流的发展方向有关,短历时分布范围更广,与夏季局地短时强降水的形成多样有关;极大频次站点分布与湖北省的马蹄状地形有重要关系,多位于湖北省东、西、北三面近山区域。

武汉军运会历史同期气温特征分析

应用武汉市5个国家气象观测站有观测记录以来的气温资料,从历年、常年和近年气温背景入手,分析了军运会所在10月和会期18~27日的平均气温、平均最高、最低气温以及极端高、低温时空特征,同时对军运会期间气温日变化以及开闭幕式晚会时段的气温作了简单,并分析了极端气温出现的天气形势。结果表明:武汉气温总体呈上升趋势,空间分布南高北低。武汉军运会同期,武汉市气温具备典型的秋季气温变化特征,10月处于一年中气温下降阶段,逐旬气温呈稳定下降趋势,下旬气温下降明显,气温日变化显著,气温日较差平均8℃左右。开闭幕式晚会时段气温适宜,军运会历史同期出现了30℃以上极端高温和10℃以下极端低温,具有时空分布不均的特点。

武汉不同历时暴雨特征分析

使用1955~2017近63年武汉国家基本气象站的逐时观测降水资料,以及近10年中心城区3个区域代表站资料,分析了武汉不同历时暴雨气候特征。结果表明:武汉夏季与全年暴雨量变化整体均呈波动上升趋势,暴雨主要集中于夏季。武汉暴雨主要存在2个主要振荡模态,分别为2a~3a和5a~6a、准10a和15a的周期振荡,年暴雨量在1979年存有显著突变。武汉不同历时(3 h、6 h、12 h、24 h) 50 mm年暴雨次数表现为明显波动变化趋势,3 h 100 mm暴雨次数相比50 mm大为减少,200 mm以上次数最少,中心城区不同历时年暴雨次数总体趋势与武汉站较为一致,但区域差异比较明显。不同历时暴雨月变化均呈单峰型,频次最多发生在7月,其次是6月。短历时(3 h)暴雨次数日变化最主要发生在夜间到上午时段,下午时段出现相对较少。

湖北省深秋气候学定义及其暴雨特征分析

利用1962—2020年地面国家站实况观测、NCEP再分析资料,结合人体舒适度指数首次界定了湖北省深秋季节,并通过合成、对比方法揭示了湖北省深秋暴雨特征。结果表明,湖北省单站深秋季节的日平均温度区间为10~16℃,湖北省常年入深秋起始日期为10月27日,结束日期为11月24日;湖北省深秋暴雨日数场EOF分解的3种模态揽括了湖北省深秋区域性暴雨个例,反映出江汉平原南部、鄂东北东部及鄂东南为暴雨高发区;湖北省深秋年暴雨日数周期变化明显,高低交替显著;Morlet小波分析表明,湖北省深秋暴雨存在明显的2~3年和准6年、12~13年的周期振荡信号,其中准6年最为突出,12~13年振荡现象进入20世纪90年代后呈增强趋势;深秋暴雨过程的主要影响系统有西太平洋副热带高压、东亚大槽及孟湾南支槽,近地面形成西南暖湿气流在冷垫上爬升的锋面形态,当西风带短波槽东移接近或叠加于锋面系统时,促使锋生加强,与典型梅雨锋过程中鞍型大尺度环流背景场下短波槽接近或叠加于不活跃梅雨锋并携带冷空气进入地面“暖倒槽”的触发模式有所不同;深秋暴雨的锋面系统坡度较小,上升运动偏弱,主要发生于对流层中上部,对流层假相当位温(θse)从下到上由低值到高值分布,大气层结呈稳定状态,而梅雨锋暴雨的锋面系统坡度较大,对流层θse呈高-低-高的“三明治”形态分布。

变分回波跟踪算法在武汉汛期临近预报中的适用性

基于变分回波跟踪算法(VET算法)学习模型,利用2021年汛期武汉多普勒天气雷达探测资料和降水资料,讨论其对武汉雷达回波临近预报的预报性能。结果表明,从时间演变来看,随着预报时效的延长,VET算法的预报能力逐步下降,但随着预报时效的延长,降幅和增幅都逐渐变小,48 min后曲线变得非常平缓,不同降水性质之间的差异却逐渐增大。随着回波强度的增加,VET算法的预报能力降低,但其对较强回波的敏感性要强于弱回波。从不同降水强度和降水性质检验来看,VET算法在POD、FAR、CSI均表现为强降水/区域性的预报能力优于弱降水/分散性;不同阈值回波检验上,强降水提升幅度均在23%以上,区域性提升幅度在16.6%~67.7%,表现出VET算法对较强/较大范围回波的预报能力较好。区域性回波和分散性回波案例分析表明,VET算法不仅对回波运动有一定的把握能力,而且对回波强度的变化也有一定的预报能力。因此认为VET算法在武汉地区汛期临近预报中具有较好的适用性。