近11年天津冰雹统计特征及对流参数指标分析

针对2009—2019年天津地区70次冰雹天气过程时空特征进行统计分析,并利用美国国家环境预报中心全球模式业务系统分析资料(NCEP FNL)和地面气象观测数据构建融合探空序列,对比分析不同月份、不同天气型和不同大小冰雹的环境条件差异,给出相应的环境参数指标。结果表明:天津降雹主要出现在4—9月,其中6月冰雹和大冰雹发生日数分别占49.4%、60.0%,12—20时冰雹和大冰雹发生概率分别占74.8%、100%。冰雹发生前对流有效位能(CAPE)、抬升指数(LI)、垂直风切变(SHR)、湿球0℃层高度(H WBZ)、大气可降水量(TPW)均存在明显的月变化特征,但总指数(TT)和强天气威胁指数(SWEAT)作为预报判据时其月变化并不明显,4月和9月大多数冰雹天气发生在“低能强切变”条件下,7月和8月则多发生在“中高能弱切变”条件下。此外,不同月份H WBZ平均比干球0℃层高度(H DBZ)偏低0.4~0.9 km,除了7月和8月极少数冰雹H WBZ位于4.0~4.2 km范围,其余冰雹天气过程均发生在低于3.9 km的环境条件下,5月和9月均低于3.5 km。高空冷涡型、西北气流型环境物理量阈值差异并不显著,但两者与西来槽型阈值差异明显。高空冷涡型、西北气流型冰雹通常发生在SHR>12 m·s^(-1)、H WBZ<3.6 km、TPW>27 kg·m^(-2)的环境条件下,西来槽型冰雹多发生在SHR>9 m·s^(-1)、H WBZ<3.9 km、TPW>36 kg·m^(-2)的环境条件下。冰雹大小与H WBZ、SHR关系密切,以6月为例,非大冰雹一般发生在H WBZ<3.9 km、SHR>9 m·s^(-1)的环境条件下,而大冰雹则均发生在H WBZ<3.5 km、SHR>11 m·s^(-1)的环境条件下。

天津雷暴大风天气的环流场及雷达回波特征分析

利用加密自动站、闪电定位仪、FNL和多普勒雷达资料对2018—2020年汛期(4—9月)天津地区出现的47次雷暴大风过程的时空分布、天气形势和雷达回波特征进行统计分析。结果表明:(1)天津地区雷暴大风多出现在北部山区和东部沿海,高发月份为6—8月,多出现在傍晚到前半夜,持续时间多为1~4 h;(2)天津地区雷暴大风的天气形势主要有西北气流型、冷涡型、低槽型和西太平洋副热带高压边缘型,其中冷涡型出现频次最高;(3)造成天津地区雷暴大风的对流风暴类型主要有非线状多单体风暴、线状多单体风暴(不包含飑线)、飑线、弓形回波和普通单体风暴,其中飑线数量最多,飑线和弓形回波是造成雷暴大风极端值的主要风暴类型;(4)当最大反射率因子为61 dBZ、强回波中心下降率为260 m·min^(-1)上下时发生雷暴大风的可能性最高;(5)根据低层径向速度大值区,可对15.4%的非线状多单体风暴、14.3%的线状多单体风暴和22.2%的飑线雷暴大风提前30 min发布预警。

渤海西岸偏东风对天津局地大暴雨的影响分析

利用加密自动气象站、多普勒天气雷达和风廓线雷达等高时空分辨率资料,分析2017年7月6日天津一次局地大暴雨过程的中尺度对流系统发展演变特征,讨论渤海西岸边界层偏东风的垂直结构、温湿特性及其对局地大暴雨的作用。结果表明:局地大暴雨由两个暖区中尺度对流系统和一个低涡切变线系统造成,偏东风作用下的暖区第二个中尺度对流系统主导了局地大暴雨的形成。大暴雨中心两侧的温湿特征均呈"东高西低"分布,偏东气流具有暖湿特性,为暖区对流暴雨的发生发展提供了有利的环境条件。由于海陆地形差异,偏东气流自渤海向内陆推进过程中呈现明显的风速扰动特征,不仅导致水汽辐合,同时有利于上升运动发展。其中,0.6 km以下偏东风的中尺度扰动对局地大暴雨的触发和维持起重要作用,风速辐合强迫产生的上升气流是γ中尺度对流单体的重要触发机制,而强降水冷池出流与不断增强的暖湿偏东人流相互作用形成地面中尺度辐合线,使对流系统得以稳定维持,40 dBz以上强降水回波持续近3 h,平均6 min降水量达6.8 mm。此外,局地大暴雨的雨强变化与东风急流波动关系密切,急流的建立、发展、减弱和消失分别对应降水的陡增、峰值、减弱和陡降四个阶段。

冷涡影响下一次冰雹强对流天气中尺度特征及形成机制

将NCEP/NCAR 1°×1°高空分析资料与地面加密自动站资料融合,建立高密度探空资料场,计算并分析2016年6月10日天津冰雹强对流天气过程中高分辨率时空场对流参数,结合变分多普勒天气雷达分析系统(VDRAS)的雷达热动力反演资料,研究冰雹强对流天气的发生发展机制。结果表明:此次降雹发生在蒙古冷涡环流背景下,初始回波由北京西部山区地形热力和动力强迫局地触发产生,东移进入平原区后,冷池与周边高能区形成中尺度能量锋,并诱发次级环流使雹云得以发展维持;考虑了地面温湿特征的高分辨率CAPE、LI、修正全总指数(TTm)能够反映雹云发生发展的中尺度环境特征,对雹云发生发展的局地性具有明显的指示意义,同时来自渤海的偏东水汽输送带与中尺度辐合线的交汇更有利于冰雹强对流的发生。

地形影响下海河流域北系强降水成因分析

利用区域自动站观测和NCAR/NCEP 1°×1°再分析资料,对比2012-2014年海河流域北系4次强降水过程成因,重点分析地形对强降水过程的影响。分析结果表明,4次强降水过程均属于低槽类暴雨,高空槽是影响流域北系强降水的主要影响系统,副热带高压、低层辐合系统对暴雨强度、位置及持续时间存在明显影响。此外,除能量及水汽的积聚外,地形对海河流域北系降水强度有明显增幅作用。风场与地形相配合的地形抬升是降雨增幅的动力因子。在水平方向上,呈"V"形分布的上升运动区,对应燕山山脉迎风坡坡度较大地区;在垂直方向上,地形强迫引起的低层上升运动中心与天气系统抬升引起的中高层上升运动中心逐渐合并加强。地形阻挡导致的水汽通量辐合也是迎风坡降雨增幅的重要因子,低层地形引起的水汽辐合明显强于中层天气系统引起的水汽辐合。

海河流域不同地形站网密度对面雨量精度的影响

利用2011—2013年汛期海河流域逐时降水量资料,将国家常规气象站与区域加密站进行分拣合成,通过面雨量离差系数和面雨量比值系数、点面关系综合分析不同地形条件下站网密度对海河流域各水系面雨量计算精度的影响。结果表明:站网密度是影响面雨量计算精度的重要因素,对不同地形面雨量分析存在不同程度的影响。其中,混合地貌水系以地形分布和降水分布差异尤为明显的滦河水系影响最大,站网密度较低的常规站对面雨量估计比高站网密度的合成站平均偏高2.5 mm,12%误差超过5.0 mm;其次山区永定河水系低站网密度常规站对面雨量估计平均偏高1.5 mm,相对误差达80.3%,尤其局地性短时强降水时,面雨量分析误差高达10倍以上;此外,混合地貌水系北三河和南运河站网密度对面雨量影响程度略低于滦河水系,平原区徒骇马颊河及混合地貌中地形差异较小的大清河和子牙河影响较小。

基于融合资料的天津短时强降水环境物理量可信度及特征分析

针对2009—2017年6—9月天津地区140次短时强降水天气过程,将NCEP FNL(1°×1°)全球分析资料与地面气象观测数据融合,计算天津地区短时强降水的环境物理量参数,通过偏差和偏差区间占有率等分析融合环境物理量的可信度,并在大量样本统计基础上给出不同月份的短时强降水环境参量特征和指标。结果表明:(1)基于NCEP FNL分析资料与地面气象观测数据融合的环境物理量在短时强降水潜势判断中具有较高的可信度,融合CAPE、LI、LCL平均绝对误差分别为260.7 J/kg、0.9℃、14 hPa,与融合前的NCEP FNL物理量相比绝对误差分别降低了58.1%、48.0%、49.0%。(2)不同月份短时强降水发生所必需的水汽、热力和能量等环境条件差异显著,TPW、K、LI、CAPE、LCL和Z0均呈现明显的月变化特征。(3)若以75%短时强降水发生的环境条件作为预报指标,7—8月TPW、K、CAPE、Z0、LCL物理量阈值极为相近,短时强降水多发生在TPW>45 kg/m2、K>32℃、CAPE>835 J/kg、LCL>882 hPa、Z0>4300 m条件下,6月物理量指标要求明显降低,如TPW>34 kg/m2、K>30℃、CAPE>353 J/kg、LCL>880 hPa、Z0>3900 m,9月预报指标要求则最低。

利用插值法建立历史旱涝格点资料的可行性

主要利用《中国近五百年旱涝分布图集》等历史文献旱涝等级资料,采用气候学分析中常用的插值方法,建立中国东部地区(106°—122°E、25°—41°N)历史时期旱涝等级格点场资料,试图从大尺度的时空变化上,分析比较插值前后资料的结构和特征方面的异同,以说明采用格点资料对中国东部地区进行古气候分析的可行性。采用普通Kriging插值法,对1470—2000年中国东部地区旱涝等级资料进行空间插值。通过交叉验证,分析了站点实际值与估算值间的平均绝对误差,说明采用Kriging插值法将站点旱涝等级资料网格化是可行的;在获取插值结果后,采用数理统计分析方法,比较了插值前站点资料与插值后网格点资料的要素场时空特征,其时间变化趋势的一致性及空间分布的无漂移,进一步说明采用该插值方法是可行的。

2010年7月海河流域一次暴雨过程成因分析

利用常规气象观测资料及NCEP再分析资料,对2010年7月18—20日海河流域暴雨过程进行了天气学诊断分析。分析结果表明:本次暴雨过程的主要影响系统是高空低涡及低空暖切变,暴雨是产生在前期大气对流不稳定区域里,暴雨期间对流层中低层的辐合及上升运动为暴雨的产生提供了动力条件,亦是本次暴雨动力场结构的主要特征,而西南暖湿气流的不断加强促使水汽在暴雨区上空汇合,源源不断的水汽输送和强烈的水汽辐合,为暴雨的形成和持续提供了充足的水汽条件。

盛夏一次地面冷锋过境引发局地大暴雨的成因分析

利用常规观测资料、风廓线雷达和变分多普勒天气雷达分析系统(VDRAS)反演资料,从大气环流形势、垂直结构特征和对流发生发展机制等方面,对2017年7月21日地面冷锋后华北地区发生的一次局地大暴雨过程成因进行探讨。结果表明:(1)局地大暴雨发生在副热带高压北抬、低层回流冷空气侵入的背景下,暴雨区位于地面冷锋后约300 km的冷空气一侧,850 hPa低空切变线是主要的影响系统。(2)在低层回流冷空气作用下850 hPa以下表现为环境温度直减率小于湿绝热递减率(γ<γs)的稳定层结;同时受副热带高压北抬影响,700-500 hPa层结不稳定性加强,不稳定层结位于边界层稳定层结之上,具有冷区“高架对流”特征。(3)低层冷垫对应下沉运动,暖湿气流上升运动位于冷垫之上,1.4 km高度附近的中尺度辐合线对高架对流的触发起到了重要作用。(4)带状中尺度对流系统东移缓慢,并呈现明显的后向传播和列车效应特征,是导致降水持续时间长并造成局地大暴雨的主要原因。

山东省初秋一次大范围强对流过程落区和抬升触发机制分析

利用常规观测、加密自动站、多普勒天气雷达、风廓线雷达及NCEP再分析资料,对2016年9月11日山东省初秋大范围强对流天气的落区和抬升触发机制进行了分析。结果表明:受高空槽影响,有、无对流区上空大气层结均不稳定,大的对流有效位能(CAPE)与小的对流抑制能量(CIN)环境条件下,强对流云团呈现"遍地开花型",抬升触发成为强对流发生的关键因素。地面辐合线、干线、海风锋、冷池出流是主要的抬升触发系统。由于对流抑制小,抬升强迫一般不需要太强,不同区域雷暴的抬升机制不同,鲁西北地区强对流天气由地面辐合线抬升触发,山东半岛地区的对流是由海风锋与冷锋共同触发,而鲁中地区强对流则由老的雷暴的冷池前沿阵风锋抬升触发,鲁东南地区的对流是由干线与地面辐合线共同作用造成的。辐合线抬升强迫的大小很重要,其量化可通过边界层散度衡量。在同样具备地面辐合线的情况下,不同温湿性质气团的中尺度边界对雷暴触发起关键作用。预报落区的偏差主要是因为短期阶段无法获取低空东南风气流这一关键中尺度系统,不同起报时间模式预报的调整趋势、季节等因素是对流强度预报偏弱的主要原因。经验表明,通过对大量个例的分析研究,提高对数值模式的订正能力是提高预报准确率的有效方法。

天津地区城市热岛环流与海风环流相互作用的研究

利用中尺度数值模式(TJ-WRF)模拟资料及天津加密自动气象站资料等,选取几个典型天气过程(城区附近局地强雷暴天气过程、受海风影响明显的无天气过程)个例,分析研究天津城市热岛环流与海风环流的空间结构特征及相互作用;重点对城市热岛环流与海风环流相互作用触发局地强雷暴的机制进行分析。结果表明:城市热岛环流的伸展高度基本在800 hPa附近、空间范围约为20 km、环流内有弱的辐合上升;海风环流的伸展高度在800~750 hPa、空间范围40~60 km,海风环流前沿海风锋的伸展高度为950~900 hPa,垂直上升速度平均为0.2 m·s^(-1),略强于城市热岛环流。海风环流对城市热岛环流有明显消弱作用,城市热岛环流对海风环流有一定的阻挡作用,其阻挡的程度与城市热岛环流强度有关。随海风环流向内陆推进,海风环流与城市热岛环流相遇出现叠加,叠加后的辐合上升运动明显加强,最大上升速度可达0.6 m·s^(-1),并在不稳定天气形势条件下能触发局地强雷暴天气的出现。

北上台风“安比”后期两个阶段暴雨落区分布的差异性分析

利用CMA最佳路径数据、逐时自动站资料、NCEP/NCAR(1°×1°)再分析资料、FY-2F卫星的云顶亮温(TBB)、雷达资料和常规观测资料,对1810号台风“安比”北上过程中台风强度保持不变却造成山东暴雨位于台风路径东侧而天津暴雨位于路径西侧的原因进行详细分析。结果表明:台风“安比”北上之后,外围云系发展为非对称云系,降雨和环流结构具有明显的不对称性,山东和天津两个暴雨区的降雨增强发展与对流云团的发展特征一致,低质心的短时强降雨站点分布于TBB梯度高值区。台风在山东境内时,中尺度云团和强降雨主要位于台风路径东侧的鲁中地区,这是由于弱的垂直风切变利于台风的暖心结构和强度维持,台风本身携带的高温高湿环境引起了对流层低层为条件性对称不稳定,并引发了台风东侧的短时强降雨导致暴雨,暴雨中心位置受到正涡度、垂直速度、水汽辐合和泰山地形的共同影响。台风进入天津后,高空槽东移携带的冷空气从西北侧侵入台风环流,引起冷暖空气交汇,并激发出非对称的中尺度系统、导致垂直风切变和正涡度显著增强,高层辐散与低层辐合引起了明显的抽吸作用,它们共同造成了台风西侧强烈上升运动和不稳定层结的厚度明显增加,并为中尺度系统的发展提供有利的条件,同时对流层低层东南急流经过渤海后水汽得以补充,在台风西北部形成明显的带状水汽辐合带,因此台风云系西北侧的京津交界地区存在沿气旋式环流的带状中尺度云团发展,共同导致台风西北侧持续5个小时的短时强降雨,造成了大暴雨。

“7.25”天津持续性局地大暴雨初步分析

利用常规观测资料、加密自动站资料、NCEP 1°×1°再分析资料、FY-2E卫星、多普勒雷达以及中尺度数值模式资料,对2012年7月25—26日发生在天津的一次持续性、局地性大暴雨天气过程进行了初步分析。结果表明,大暴雨发生在稳定的经向环流背景之下,中高纬度为典型的两槽一脊形势,台风"维森特"减弱的低气压与副热带高压西侧的偏南风急流共同形成了向华北输送水汽和能量的重要通道,将孟加拉湾水汽源源不断输送到暴雨区;副热带高压边缘西南暖湿气流向北输送形成华北平原高温高湿天气,为大暴雨产生积累了不稳定能量,冷空气侵入加强了垂直运动发展,冷暖空气交汇触发本地能量释放,使得降水迅速加强。强降水由三个β中尺度对流云团发展加强所致,与β中尺度对流云团相对应的是若干个γ中尺度对流回波,明显的列车效应和充沛的水汽供应导致降水时间长、强度大。

基于VIC水文模型的滦河流域径流变化特征及其影响因素

基于1971—2000年的滦河水文站径流资料,采用Mann-Kendall法和有序聚类分析法对滦县水文站的水文序列进行突变分析,利用VIC(variable infiltration capacity)水文模型对滦河流域的径流进行模拟,探讨该模型对滦河径流的模拟效果,并定量计算气候变化和人类活动对滦河流域径流的影响程度。结果表明:1980年是滦河流域径流的突变点,1971—1979年为该流域径流序列的基准期;该时期VIC水文模型模拟效果较好,模拟的流量过程与天然径流过程较一致;1980年之后,因受气候变化、人类活动导致的下垫面情况变化因素影响,VIC模拟的月径流过程的确定性系数有所减小,1980年代,模型的模拟效果总体较好,只有1988年对于丰水期的模拟略偏小,然而从1990年代开始,模型对于丰水年的模拟偏小明显。定量分析计算出的气候变化对滦河流域径流影响为54.9%,人类活动影响为45.1%,可见人类活动不容忽视。

频率匹配法在海河流域ECMWF集合预报融合产品中的应用研究

针对ECMWF(European Centre for Medium-range Weather Forecasts)集合预报,融合降水产品在海河流域的偏差特征,进行基于频率匹配法的降水偏差订正,并对订正前后降水评分结果进行了系统检验。结果表明:经过2016年5—8月逐日试验分析表明,改进后的ECMWF集合预报融合产品显著改善了原产品降水量和雨区范围偏大的特征,订正后降水预报的平均强度与实况更接近,且预报时效越长、降水量级越大、预报偏差越大改进效果越明显;改进后ECMWF的集合预报融合产品降水预报的TS评分均有一定程度的提高,降水预报的Bias评分更接近1,特别是对于小雨和暴雨、大暴雨量级的改进尤其明显,消除了大片降水虚报区;降水预报的空报率明显减小,但漏报率有所增加。

干冷空气入侵台风“海棠”残余低压引发的华北地区大暴雨分析

利用地面逐小时观测资料、NCEP/NCAR(1°×1°)再分析资料、FY-2F卫星加密观测(6 min分辨率)的云顶亮温(TBB)和常规观测资料,对1710号台风"海棠"残余低压北上与冷空气结合导致华北东部大暴雨天气过程进行分析。结果表明:(1)该华北东部大暴雨过程分为两个主要时段,2017年8月1日23时-2日20时(北京时)华北东南部暴雨,由台风残余低压产生,8月2日20时-3日11时华北东北部暴雨,是由减弱变性的台风环流与西风槽东移带来的干冷空气结合进而导致新生气旋和低涡产生引起。(2)8月2日20时,台风与冷空气逐渐结合,干冷空气从对流层中高层进入变性台风北部,造成位涡下传,进而导致对流层低层形成低涡、地面形成新生气旋,同时激发出中尺度对流系统,系统稳定发展并缓慢向东北方向移动,导致持续近5 h的短时强降雨。(3)暴雨水汽来源主要有两部分,一是台风本身携带来的由南风输送的水汽,二是来自黄渤海由东风输送的水汽,二者结合后从对流层低层将水汽带至华北东北部,且在燕山前形成了水汽强辐合,为该暴雨过程大提供充足的水汽条件。

海河流域暴雨的气候特征与环流分型

选用海河流域1961~2012年132站逐日降水资料,通过趋势分析、M-K检验、EOF和REOF等方法分析了50余年海河流域暴雨的气候统计特征。利用NCEP/NCAR再分析资料和历史天气图资料,研究了海河流域14个典型强致灾暴雨过程的大气环流特征。结果表明:(1)海河流域夏季暴雨日站数和暴雨量的时空分布相近,暴雨日站数下降趋势较为显著;(2)海河流域夏季暴雨的空间分布可划分为3个分布型态:西南型、东北型和东南型;(3)海河流域暴雨在20世纪70年代末至80年代初存在一次突变现象;(4)海河流域强致灾暴雨过程可归纳为5类主要环流型,即高空低槽型、高空冷涡型、副高外围切变线型、低空低涡型和台风北上型。

2017年夏季天津一次下击暴流事件的成因初探

2017年7月9日,天津市西南地区出现一次伴随短时强降水、冰雹、下击暴流的强雷暴大风天气过程,其中天津市静海区独流镇先后发生两次下击暴流大风。利用多普勒天气雷达数据、三维变分风场反演资料、地面加密自动站观测资料等,对此次强雷暴大风天气过程中下击暴流的成因进行了初步探讨。结果表明:(1)本次过程发生在500 hPa冷涡后部和高空前倾槽形势下,上干冷下暖湿形成静力不稳定层结,对流发生前对流层中下层具有明显的条件不稳定、较大的对流有效位能和下沉对流有效位能,西南风与东南风形成的中尺度辐合线在低层高温背景下触发对流,较弱的垂直风切变环境使得对流风暴初期以脉冲风暴形式出现。(2)下击暴流大风发生前伴随雷达回波图上反射率因子核心下降、中层径向辐合和低层中气旋等特征。(3)降水粒子的拖曳作用对独流镇两次下击暴流大风的发生均起到重要作用;此外,第一次下击暴流大风的发生还与负浮力和干空气夹卷有关,第二次下击暴流大风的发生则与中气旋后侧扰动气压垂直梯度有关。

降水时风廓线雷达风场反演效果评估

风廓线雷达(wind profile radar,WPR)因具有高时空分辨率特点,成为当前短时临近预报的重要参考工具。降水时WPR同时接收大气湍流回波和降水粒子散射回波,现有技术不能有效分离叠加在一起的湍流信号和降水信号,导致降水期间风廓线雷达反演的风场数据严重缺失或失真。根据风廓线雷达探测技术原理及降水天气的功率谱特点,提出了降水天气时风廓线雷达湍流信号提取方法(WPR-HW),并选取2015-2018年天津10次降水过程对WPR-HW方法进行模式检验及个例效果评估。结果表明:WPR-HW方法对改善降水期间风廓线雷达风场数据缺失问题效果明显,在选取的10次降水过程中,目前通用的风廓线雷达风场反演方法(WIND)风场数据平均缺失率为25.4%,WPR-HW方法未出现风场数据缺失现象;WPR-HW方法较WIND方法反演风场数据可信度有显著提高,反演数据与再分析数据的风速均方根误差由WIND方法的2.3 m·s^-1降至WPR-HW方法的1.6 m·s^-1,风向均方根误差由WIND方法的45°降至WPR-HW方法的22°,从而验证WPR-HW方法在降水期间适用。