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。

甘肃省暖季降水日变化特征

利用2013—2022年4—10月甘肃省340个气象站点逐1 h降水观测资料,揭示了甘肃省暖季降水在日变化尺度上的精细化演变特征,并分区域进行讨论分析,为甘肃省极端降水事件的研究提供科学参考。结果表明:(1)甘肃暖季降水量和降水强度日变化峰值主要出现在10:00—13:00,降水频率日峰值在夜间22:00—01:00居多。降水日变化季节性差异明显,中南部有较为集中的秋雨分布。(2)降水日变化区域性特征鲜明,祁连山区、甘肃中部和高原边坡的降水时段主要在白天,午间较强的降水强度主导着降水量的白天峰值;河西西部降水量和降水频率日峰值多出现在夜间,但短时较强降水在18:00—21:00有一定突发性;陇东南和陇东地区降水呈非均匀分布,在降水频率夜间峰值影响下夜雨频繁,但降水较强的时段分别在午后和早晨。(3)不同持续时间降水特征不同,持续时间在6 h及以下的短时降水,降水日变化多呈“双峰型”。持续时间在6 h以上的降水日变化近似于“单峰型”,多在傍晚开始,夜间达到峰值,于次日中午结束。

甘肃东南部暖季对流活动的雷达气候学特征

基于天水多普勒天气雷达资料,通过“最大值法”筛选出对流回波样本,利用TITAN(雷暴识别跟踪分析和临近预报)算法对对流风暴属性特征追踪统计,分析了甘肃东南部暖季(6-8月)对流活动的雷达气候学特征。结果表明:(1)对流活动频次多集中在高海拔山区附近,大值中心位于六盘山西侧山脉的迎风坡或西秦岭山脉起伏较大的区域,其中8月为对流活动高峰期。(2)对流风暴以西北向东南方向传播为主,不同月份传播特征存在一定差异;6月传播速度最快、8月最慢。(3)对流活动发生频率日变化特征呈单峰分布,主峰区位于16:00-17:00(北京时);不同地形对流发生、发展具有不同的日变化特征,午后高海拔区域是热力对流发生的高频区,夜间对流活动在山区、河谷、盆地、平原等地形均有发生。(4)不同月份对流风暴的日变化存在明显差异,6月午后太阳加热、地形强迫对对流风暴的影响最为显著,而7、8月夜发对流对高原边坡复杂地形响应更高。午后组织性较好的风暴传播方向与山脉走向及坡向关系密切,夜间时段与500 hPa盛行风关系密切。(5)超过90%的对流风暴持续时间在36 min以内,仅有1%的风暴持续时间大于1 h。

近55年来中国西北地区降水变化特征及影响因素分析

利用1961-2015年中国西北地区128个站的降水观测资料和NCEP再分析资料,分析了年、季降水量与降水日数变化总趋势及其区域分布特征,并采用与平均温度、气候指数相关性来分析和讨论其所受的影响因素。结果表明:(1)西北中西部年降水量呈增加趋势,增加趋势位于0.1%·(10a)-1~10.0%·(10a)-1;西北东部年降水量呈减少趋势,减少趋势均小于5%·(10a)^(-1);春季、夏季和秋季西北西部大部分地区降水量是以增加趋势为主;东部主要为减少趋势,但是在冬季几乎所有站点的降水量呈增加趋势;(2)西北西部降水日数以增加趋势为主,东部地区降水日数以减少趋势为主,大部分站点年降水日数在冬季呈现增加趋势,其他季节则基本表现为西北西部增加、西北东部减少;(3)河西走廊西部、青海高原边坡、西北东部年降水量与年平均气温呈负相关,青海高原年降水量与年平均气温呈正相关,西北地区大部分年降水日数与年平均气温呈负相关;(4)北疆、南疆和西北东部37°N以南地区年平均降水量变率与年平均温度变率呈现负相关,且相关系数较大,而其余地区为正相关;(5)西风带影响西北大部分地区年降水量,东亚季风和南亚季风主要影响西北地区中北部和南部的年降水量。

一次超级单体风暴的雷达回波特征分析

利用兰州CINRAD/CC雷达对2008年7月18日甘肃省定西市境内的降雹过程连续观测,对探测到的资料进行分析,总结出此次降雹过程的反射率因子、径向速度、RCS垂直剖面、垂直累积液态含水量等产品的主要特征,初步探讨了使用多普勒雷达监测冰雹的方法,找出了超级单体风暴呈现出的钩状弓状回波、有界弱回波区、回波墙、悬挂回波、明显的入流缺口、存在中气旋等典型的回波特征,归纳出VIL剧烈变化、ET与冰雹过程的一致对应关系、明显的三体散射特征等一些对冰雹的临近预报有指导意义的信息,为使用天气雷达探测此类灾害性天气提供了参考。

卫星降水产品在陇东2022年7月特大暴雨事件中的适用性评估

以地面雨量站观测数据、中国气象局多源融合降水数据(CMPAS)为基准,通过定量、分类、结构相似度3种方法综合评估8种卫星降水产品(FY-4A、CMOPRH-RT、IMERG-Early、IMERG-Late、GSMaP-Now、GSMaP-Gauge、PERSIANN-Now、PERSIANN-CCS)在甘肃陇东2022年7月一次破历史记录的极端性强降水过程中的适用性。结果表明:(1)8种卫星降水产品基本反映降水中东部大、西北小的空间分布特征,除GSMaP-Now产品外,其余7种产品均低估暴雨中心降水量。(2)8种卫星降水估算产品对于强降水峰值的描述能力较好,强降水过程的2个峰值阶段均有体现,但均严重低估大暴雨及以上量级降水。(3)GSMaP-Gauge对暴雨以下量级降水估算最优,而CMOPRH-RT对暴雨及以上量级降水估算最优,所有产品对特大暴雨量级降水均无法正确命中。(4)CMOPRH-RT产品能从降水总量、降水量级、形态分布三方面最好地表现降水过程的结构分布。对本次降水事件,CMOPRH-RT降水产品在各方面表现综合最优。

陆-气相互作用对大气对流活动影响研究进展和展望

陆-气相互作用会影响对流系统的初生和发展,进而影响降水的产生和分布,理解和明晰该影响机制和规律,对改进对流活动预报技术至关重要。系统总结了陆-气相互作用对对流系统形成、发展及其降水的影响机制,归纳了陆-气相互作用影响符号和强度的发生规律,进而剖析了陆-气相互作用对大气对流活动影响的复杂性和不确定性,最后提出了亟待解决的关键科学问题。未来需要针对陆-气相互作用的全部组成过程对大气对流活动的影响机制、响应敏感区和不同天气系统强迫下陆-气相互作用影响机制、影响机制的科学评估及验证、陆面过程和边界层过程在地球模拟系统的准确表达、陆-气相互作用与对流活动的互馈机制等开展深入研究,深刻揭示陆-气相互作用对大气对流活动的影响规律和机理机制,以期为改进和提高对流活动的预报能力提供理论支撑。

雷电监测预警预报技术简述

从监测、预警和预报3个方面介绍了雷电研究的技术方法,目前国内外最新面向业务应用的研究表明:不同技术共存的多源化观测设备,有效地提高了雷电探测效率;以天气形势分型为主的雷电潜势预报,其预报结果具有很大的不确定性,且其预报精细化程度不够,引入适合本地的物理量参数实现对其结果校准,可以有效地提高雷电潜势预报的准确率;随着数值模式预报向全球化、精细化的发展,基于数值模式的雷电潜势预报是未来的一个重点发展方向;建立在多种高观测频次资料融合和有效外推基础上的临近预报,可提高雷电活动预警预报的准确性,大幅提高雷电预警的提前时间。

雷达资料在高原东北侧雷电预警中的应用

利用LD-Ⅱ闪电定位仪资料和兰州CINRAD/CC雷达资料,对甘肃中部2011和2012年夏季对流性降水过程中雷达回波单体与雷电活动之间的对应关系进行分析,提取反映较好的雷达产品特征量,建立雷电预警方案。结果表明,35 dBz回波顶高(ET)突破-10℃层高度和40 dBz回波顶突破过-10℃层高度等2个指标的雷电预警效果较好,预警时间可分别平均提前23和16 min;垂直累积液态含水量(VIL)可作为判断雷电发生的充分条件,但其值应小于30 kg·m^(-3);ET大于10 km预警雷电发生,预警时间可提前平均为7 min。利用建立的雷电预警方案对2013年的个例进行效果检验分析,结果表明该方案在雷暴天气具有较好的预警效果。

再分析资料和陆面数据同化资料土壤湿度产品在中国北方地区的适用性评估

土壤湿度是地球系统模拟的重要参数之一,准确获得其时空分布和变化特征是研究陆-气相互作用的基础。再分析资料和陆面数据同化资料均可提供全球或区域高分辨率土壤湿度产品,但在使用前需要对其进行评估分析。利用土壤湿度观测数据,计算ERA5、ERA5-Land、NCEP-DOE R2、CRA40再分析资料和GLDAS-Noah、GLDAS-CLSM、CLDAS陆面数据同化资料土壤湿度产品与观测数据的中位数、模拟偏差、相关系数等统计指标,并分季节和气候区讨论不同土壤湿度产品在中国北方地区的模拟效果。结果表明:整体来看,CRA40与观测值的相关性最好,ERA5和ERA5-Land分别对干中心、湿中心模拟效果更好,GLDAS-Noah对于较干土壤地区模拟略偏湿,CLDAS对较湿土壤地区模拟结果以系统性偏干为主,NCEP-DOE R2和GLDAS-CLSM模拟效果较差;ERA5、ERA5-Land、NCEP-DOE R2、GLDAS-Noah和CLDAS在所有季节均为模拟正偏差,春季模拟效果较好的是CRA40、ERA5-Land,夏季和秋季ERA5-Land、ERA5和CRA40与观测值相关性较好,不同产品模拟的冬季土壤湿度和观测值相关性是全年中最小的;不同土壤湿度产品在干旱区以模拟偏湿为主,GLDAS-Noah模拟效果最佳,但模拟土壤湿度峰值和谷值的出现时间较观测较早,GLDAS-Noah、CRA40、ERA5能较好模拟季风区干、湿土壤的持续时段和土壤湿度变化振幅,大部分产品能模拟出夏季风影响过渡区较干土壤和较湿土壤的出现时间。

甘肃和广东2008～2011年闪电特征对比

利用2008～2011年甘肃和广东地区闪电定位仪资料,得到了两地闪电的时间变化特征、强度变化特征和闪电密度分布,并分析两地存在的差异。结果表明:甘肃地区年平均发生的闪电频数远小于广东地区,且闪电的电流强度较广东地区小;两地闪电均以负闪占绝大多数,但正负闪的比例却不同,甘肃和广东负闪频数分别是正闪频数的15.5倍和20.5倍;两地均在每年的6～9月为闪电高发期,广东地区在6月出现一个闪电频数的明显跃增并达到全年最大值,闪电频数出现递增的时间较甘肃早,在不同的季节内,两地的闪电比例存在差异,且正、负闪比例也不同;甘肃地区总闪电频数日变化呈单峰单谷型,而广东地区总闪电的日变化趋势呈3峰震荡型;甘肃地区(兰州市)的平均闪电密度远小于广东地区(广州市)。

基于地理地形因子动态调整的复杂地形区雷达定量估测降水技术

雷达定量降水估测可以提供时间连续、水平分辨率高和覆盖范围广阔的降水产品,目前已成为气象监测的重要手段之一。尽管当前针对不同地区雷达估测降水的方法有了长足的发展,但是复杂地形区的雷达降水估测效果仍需改进。本文针对青藏高原东北边坡复杂地形区雷达降水估测,在固定经验Z-I关系、云分类经验Z-I关系、回波分级统计Z-I关系3种已有算法的基础上,建立了基于准稳定移动窗口的地理地形因子实时动态调整降水估测订正算法,并利用2017-2018年汛期临夏地区降水天气个例开展估测效果评估。结果表明:未经订正算法估测降水值往往较实况观测值偏小,而经过订正后的估测降水平均值与观测实况较为一致;不同算法对于小量级降水估测的累计概率分布(CDF)与观测实况偏差较大,而随着降水量级逐渐增加,估测降水的CDF与实况观测逐渐接近,基于回波分级统计Z-I关系的订正算法估测性能更为稳定;不同算法估测降水量的误差差异较大,未订正算法对所有降水以低估为主,基于回波分级统计Z-I关系订正算法和基于固定经验Z-I关系订正算法的整体估测偏差较小;未经订正算法对对流性降水天气主要降水落区估测较好,但对降水强度估测较差,而订正后估测效果明显提升,基于云分类经验Z-I关系的订正算法对于对流性降水天气估测能力更佳,特别是对短时强降水的估测能力效果较其他算法明显更优;未订正算法对于稳定性降水量级估测较弱,而经过订正后估测结果与观测实况更为接近。

兰州新一代天气雷达数据误差来源分析

新一代天气雷达目前已经成为对兰州市及周边地区短时强烈天气进行监测的主要手段之一。为了方便资料的处理和分析,提高观测资料准确度,为预报员和科研人员分析资料提供方便,通过对雷达数据前端生成和后端处理传输2个过程的分析,找出兰州新一代多普勒天气雷达数据误差的来源,并进行分析,发现地物回波、雷达天线增益、测量距离等因素和数据插值、坐标转换、远距离多终端传输等因素分别是前端数据产生过程中和后端数据处理传输过程中数据误差的主要来源。

SWAN系统QPE产品的误差统计及订正方法研究

利用SWAN系统QPE产品资料和自动站降水量,对甘肃省2010~2012年汛期QPE产品的应用效果进行检验。结果表明：QPE产品在0.1~0.9 mm降水量级上存在较小的高估,而在其它降水量级上均表现为低估,且随着降水量级的增加低估的越为明显;对于5.0 mm以下降水,QPE产品估测误差较小,平均误差〈2.0 mm,但对于〉5.0 mm降水会出现估测误差跃增现象,且随着降水强度的增加误差增大,估测产品的效果明显减弱;降水估测值命中率POD1在降水量〈2.5 mm区间效果较好,但随着降水量的增加其命中率迅速减小,而降水估测绝对误差命中率POD2对于〈10.0 mm降水的响应较好,同样地随着降水量的增加其命中率快速减小;海拔高度、经度和纬度是影响甘肃地区QPE产品误差的主要因子,利用影响降水分布较大的3个因子分别建立一元、多元加权回归方程,在此基础上对QPE产品进行订正,通过2012年的应用检验表明该方法对QPE产品的订正效果明显。

新一代天气雷达故障分析与日常维护

随着越来越多的新一代天气雷达布网投入使用,雷达机务保障工作就显得尤为重要。对兰州CINRAD/CC雷达经常出现的故障作了归纳,并以常见的故障为例,分析雷达出现故障时应采取的措施及处理方法,并通过近几年的维护经验,对雷达系统及附属设备的日常维护提出了建议。对于雷达技术保障人员以及台站工作人员具有借鉴作用。

基于SMS的新一代天气雷达运行状态监控系统设计

系统设计了基于GSMSMS-MODEN和E-mail发送2种方式而实现的雷达运行状态监控报警SMS服务平台。文章对SMS的编码方式、AT指令和E-mail发送等关键技术进行了分析,并利用Visual C#语言给出了雷达运行状态监控的实现和应用2种方法实现短信发送的流程及相关算法代码。系统采用线程控制机制,对新一代天气雷达运行的各种实时数据进行采集、处理及监控,当出现报警时系统会立即产生声音提示并向值班人员发送短信。

2013年6月19-20日甘肃陇东南暖区暴雨多普勒雷达特征分析

应用天水多普勒雷达资料,分析了2013年6月19-20日甘肃陇东南地区大暴雨过程中暖区降水时段的雷达反射率因子、径向速度及PUP产品特征。结果表明,雷达反射率因子特征与我国东部、南部的暖区暴雨特征极为相似,局地强回波的列车效应明显,强回波一般低于45 dBz,且主要分布于0℃层以下;雷达径向速度反映出对流层中低层的暖平流、风场辐合结构和低空急流的维持有利于强回波及高频次列车效应的产生;γ中尺度涡旋的出现对强降水的临近预报具有明显的指示意义。

强对流临近预警中集合预报成员的即时分析——以陇东一次暴雨过程ECMWF集合预报应用为例

2015年5月31日甘肃陇东地区出现一次暴雨天气过程,ECMWF集合预报系统的降水预报只有1个成员(简称EM-p)预报出暴雨,并且EM-p对预报暴雨落区、量级和降水时段的预报与观测实况基本接近。本文通过对EM-p和集合预报系统控制成员预报效果的对比分析,以及EM-p与实况的对比分析表明,EM-p对产生暴雨的对流参数预报完全符合本地经验指标,虽然对低层急流预报出现一定程度偏差,但对低层辐合区(暴雨落区)位置的预报与观测实况极为接近,因此EM-p成员能够为暴雨的短时预报和临近预警提供可靠的定量依据,可有效提前暴雨预警时间。通过分析,期望为如何利用ECMWF集合预报有效判断低概率但高影响天气的发生提供一些有益的思路。

甘肃中部地区短时强降水与闪电关系初步分析

利用2008~2013年甘肃中部地区布网的LD-Ⅱ闪电定位系统观测到的地闪定位资料及区域自动站小时降水资料,将闪电单位资料处理成时间分辨率为1 h、空间分辨率为0.1°×0.1°（经纬度,面积约为100 km2）的空间网格闪电密度数据,并与该区域中的区域站降水量作对比分析。结果表明：正闪比例与降水强度有较好的正相关;闪电密度的时空分布与强降水时空分布有较好的一致性,但在时间上闪电密度的变化提前于强降水落区的变化;闪电密度〉9次/100 km2·h和〉5次/100 km2·h阈值分别对〉20 mm/h和10 mm/h短时强降水预警,其命中率很高。

SWAN雷达产品在甘肃河东地区冰雹短临预报中的应用

选取2011年7月发生在甘肃省河东地区的7次冰雹个例,综合分析SWAN系统输出的雷达产品资料的主要特征,提取冰雹天气的雷达产品资料的指标,根据这些指标利用SWAN系统外推算法资料生成冰雹临近预报产品。通过2012年甘肃河东地区的2次冰雹天气过程对与其同时的临近预报产品检验结果表明,预报效果良好,具有较高的业务应用价值。