“23·12”山东半岛特大海效应暴雪特征及成因

采用地面气象观测站、多普勒天气雷达、闪电、积雪深度人工加密观测资料、常规观测及欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)第五代大气再分析(ECMWF Reanalysis v5,ERA5)资料,对2023年12月15—22日山东半岛特大海效应暴雪过程的降雪特征及极端性成因进行了分析。结果表明:(1)此次过程有4站积雪深度突破本站历史极值,有1站2 d的日降雪量为山东半岛海效应降雪有气象记录以来的最大值,文登积雪深度达74 cm,超过山东所有国家级地面气象观测站纪录,是一次极端海效应暴雪事件。(2)欧亚中高纬度阻塞形势下两次异常强冷空气持续影响渤海和山东半岛地区,850 hPa温度最低降至-21~-20℃,冷空气强度明显强于往年12月海效应暴雪过程,造成降雪持续时间长、累计降雪量大。异常强冷空气是此次极端暴雪过程产生的关键因素,渤海海面温度(简称“海温”)异常偏高是有利的海温背景。(3)冷空气强、海温偏高造成海气温差偏大,700 hPa以下产生对流不稳定,使得降雪强度大;强降雪发生在海气温差快速增大阶段。(4)925 hPa以下存在来自渤海的北—东北风与内陆地区的西北风构成的切变线,产生强上升运动,切变线长时间维持形成“列车效应”。(5)主要降雪时段强垂直上升运动、高相对湿度层的温度为-20~-12℃,适宜树枝状冰晶形成和维持,有利于产生大的积雪和降雪含水比;2 m气温持续低于-5℃,0 cm地温在降雪开始时即降至0℃以下,且两次强降雪过程仅间隔1 d,均有利于降雪累积产生极端积雪深度。

“12·14”山东暴雪过程的极端性特征及成因

利用国家级地面气象观测站、风廓线雷达、X波段双偏振相控阵雷达等多源观测资料和欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)第五代大气再分析(ECMWF Reanalysis v5,ERA5)资料,总结了2023年12月13—14日山东大范围暴雪、局地大暴雪(简称“12·14”暴雪)极端性的特征和成因,并与2021年11月7日山东极端暴雪过程(简称“11·7”暴雪)对比分析了降雪量和雪水比差异的原因。结果表明:(1)典型的暖平流型天气形势是产生极端暴雪有利的环流背景条件,低层切变线和风速辐合区在鲁西北叠加,形成强烈而持久的上升运动。(2)低空急流异常偏强,降水强度不仅与低空急流的强度有关,而且与其厚度有关。当3.0 km高度保持低空急流的强度时,10 m·s^(-1)风速到达的高度越低,降雪强度越大。(3)700 hPa比湿超过4 g·kg-1、850 hPa比湿超过3 g·kg-1的持续时间均长达10 h以上,为极端暴雪过程提供了充足的水汽。850 hPa比湿和比湿平流远远高于“12·14”暴雪过程,是“11·7”过程最大累计降雪量大于“12·14”过程的原因之一。(4)“12·14”暴雪过程垂直运动旺盛,最大上升速度位于不稳定层顶的前沿,处于-20~-10℃层,有利于树枝状冰晶生长,降雪效率高。对流层整层温度低于0℃,雪花下落过程中没有融化,雪水比高,积雪深度大。“11·7”暴雪过程初期最大上升运动中心高度低,形成更多柱状冰晶,经过暖层时融化,雪水比低,积雪深度小于“12·14”暴雪过程。

“12·14”山东暴雪过程降水相态的多源观测分析

基于毫米波云雷达、降水天气现象仪、风廓线雷达、双偏振雷达、自动气象站等多源观测资料及欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)第五代大气再分析(ECMWF Reanalysis v5,ERA5)资料,对2023年12月14日山东暴雪过程的环流背景和降水粒子微物理参数进行分析,探讨新型观测资料在降水相态监测与预报中的应用。结果表明:(1)此次过程受高空槽、低空西南急流和江淮气旋影响,伴随地面气温下降和中层暖层消退,出现雨、雨夹雪、冰粒和雪等相态。(2)降水天气现象仪探测发现,雪和雨的下落末速度均较小,雪粒子直径超过8 mm,雨粒子直径大多在4 mm以下。(3)毫米波云雷达观测到反射率因子、径向速度、谱宽和垂直液态水含量降低时,雨夹雪转为雪。(4)风廓线雷达显示雨夹雪和冰粒阶段对应强的低空西南急流和最大垂直速度(4~5 m·s^(-1)),转雪时3 km以下垂直速度降低至2 m·s^(-1)左右。(5)相关系数(C c)、差分反射率(Z DR)和水平极化反射率因子(Z h)等双偏振参量可判断融化层亮带,亮带的下降和消失可指示此次过程雨向雪的转换。

2016-2021年山东省大风时空分布特征分析

本文利用2016—2021年山东省1886个气象观测站逐时大风观测资料和欧洲中期天气预报中心提供的ERA5客观再分析资料,分析了山东省大风的时空分布特征。结果表明,6年间山东省年均有1476个气象观测站出现8级以上大风,春季大风约占全年的40.1%,每日10—17时时间段大风天气年均超过1000站次,14时前后大风频率最高,偏北大风约占79.3%,北西北(NNW)方向最多。山东省北部沿海地区大风出现频率最高,站均30次以上,南部沿海地区和鲁中山区大风站均10~30次。6年间全省发生瞬时风力13级以上的共有14个站,12级以上的共有64个站,其中雷暴大风占据主导,最大风速为章丘站的39.9 m/s。系统性大风以爆发性气旋大风为主,大风分布与其移动路径及低压中心强度密切相关。高空冷涡是雷暴大风的主要影响系统,其中东北冷涡影响下大风次数占比达63.6%;低槽系统影响的大风发生次数次之,槽前型和槽后型天气系统对山东强对流天气影响机理不同。本文研究结果为山东大风天气的精细化预报提供了依据。

江淮气旋暴雪和海效应暴雪个例的微物理特征对比

利用雨滴谱等多源观测资料,对2023年12月山东江淮气旋暴雪和海效应暴雪的微物理特征进行了对比分析。结果表明:(1)相比于海效应暴雪,江淮气旋暴雪云系云顶高度较高,云顶亮温较低,对流强度较强。(2)江淮气旋暴雪的粒子数浓度高、粒子谱较窄、粒子体积较小、降雪强度较大;海效应暴雪的粒子数浓度低、粒子谱较宽、粒子体积较大、降雪强度较小。(3)江淮气旋暴雪的粒子下落末速度以单峰型为主,海效应暴雪则多为双峰型;江淮气旋暴雪的粒子下落末速度及其谱宽均大于海效应暴雪。(4)江淮气旋暴雪含有较多的霰粒、冰粒、雪花,海效应暴雪则以雪花及其聚合体为主。(5)两次暴雪的等效反射率因子(Z e)-降雪强度(I s)关系有较大差异。在降雪强度相同时,海效应暴雪的Z e更大。

“12 ·14”山东暴雪过程积雪深度特征及成因

利用常规观测、积雪深度逐时加密观测资料和欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)第五代大气再分析(ECMWF Reanalysis v5,ERA5)资料,对2023年12月13—15日山东一次极端暴雪天气过程积雪特征及其成因进行分析,得到以下结论:(1)此次过程是一次江淮气旋暴雪天气过程,具有持续时间长、降水相态复杂、基础温度低、降温幅度大和积雪深度厚等特征。(2)最大小时新增积雪深度可达8 cm;过程平均雪水比为0.7 cm·mm^(-1),呈“西大东小”的分布特征。(3)有积雪的站近地面温度从开始降雪到地面产生积雪,气温和雪面温度均呈下降趋势,0 cm地温在降雪前期降温明显,积雪形成后地温不再明显变化。无积雪的站在整个降雪时段内近地面温度可分为4种情况。(4)雪水比随气温变化最明显;积雪形成之后地温对雪水比大小影响不大;当雪水比小于0.75 cm·mm^(-1)时,雪水比随雪面温度降低而增大,当雪水比大于0.76 cm·mm^(-1)后,雪面温度不再有明显变化。

2021年11月7日山东极端暴雪过程降水相态的多源观测特征分析

利用自动气象站、双偏振雷达、毫米波云雷达、温度廓线仪和ERA5逐小时再分析资料等,分析了2021年11月7日山东西部地区暴雪甚至特大暴雪过程中降水相态的多源观测资料特征。研究表明:此次过程主要受西风槽、低涡切变线和冷锋共同影响,系统斜压性强,有低空急流配合,降雪持续时间不长,但小时雪强大,山东的西部地区出现大范围暴雪局地特大暴雪的极端降雪。多源观测资料较好地捕捉到此次过程降水相态及变化信息。风廓线雷达的风和垂直速度,双偏振雷达的相关系数和0℃层亮带,毫米波云雷达的反射率、垂直液态水含量、速度和谱宽,温度廓线仪的边界层温度及二维视频雨滴谱仪的粒子二维图像和信息都可以作为降水相态判断的指标,为0~1 h短时临近预报提供参考。此次过程地面降温非常迅速,雨快速转雪,雨雪混合持续时间短。地面降温是强的负温度平流、垂直运动和非绝热作用共同导致,其中,负温度平流作用最大,非绝热次之,垂直运动作用最小。负温度平流强,且负温度平流强度随高度降低而增强,导致地面呈现出快速降温的特征。

2021年山东一次罕见区域性“雷打雪”天气成因分析

利用气象观测资料、雷电定位资料、ERA5再分析资料和双偏振雷达资料,分析了2021年11月6—7日发生在山东西北部一次极端“雷打雪”天气过程。结果表明:(1)雷暴和降雪出现在冷锋后部150 km以外,属于冬季冷锋型高架对流。雷电维持时间和出现频数与降雪量有较好的对应关系。(2)环流形势具有下冷上暖的特点,低层为冷锋后的冷层,800 hPa附近为西南暖湿气流形成的暖层。西南低空急流和东北风超低空急流异常强盛,不仅提供了有利于对流产生的充足水汽,也使得深层垂直风切变达到6.7×10^(-3)s^(-1)。(3)“雷打雪”发生前,鲁西北地区上空大气具有对流不稳定,随着冷空气侵入,冷垫逐渐增厚,鲁西北上空锋面附近具有条件对称不稳定,800 hPa中尺度低涡在逆温层之上触发了对流,产生雷电。(4)通过双偏振雷达产品可以看到,雷打雪发生时,站点周围存在明显的2层回波,-10℃层高度(约为600 hPa)冰相粒子浓度较大,可能是雷电机制之一。

2021年山东秋季降水异常偏多成因分析

利用1961—2021年山东123个国家级气象观测站逐日降水资料、ERA5逐月再分析资料和NOAA海温数据,对2021年山东秋季降水异常偏多成因进行分析。结果表明,500 hPa位势高度场上中高纬地区上空存在着“两脊一槽”双阻型的环流形势,贝加尔湖以西地区长波槽加深加强,有助于西路冷空气南下东传影响山东。西太平洋副热带高压(以下简称副高)较常年面积偏大,强度偏强,脊点偏西,脊线偏北,将外围充足的暖湿气流向北输送至黄淮地区,为山东地区提供了充足的水汽。冷空气与暖湿气流交汇于黄淮地区,导致降水异常偏多。进一步分析表明,在赤道中东太平洋冷水状态和印度洋海温持续暖位相的协同影响下,导致副高偏强偏西偏北,从而为暖湿气流输送提供有利的水汽条件。副高异常偏强偏北、南美东海岸和北太平洋海温异常偏暖、赤道中太平洋海温异常偏冷是造成山东9月降水异常偏多的主要原因。

发光目标物团雾视频数值分析

高速公路水平能见度视频图像监测技术正取得快速发展,已成为团雾天气监测、预警的重要手段之一。为有效预防公路团雾交通事故发生,参照高速公路团雾定义和预警等级的规定,基于公路团雾多发路段视频和能见度资料,统计分析了路面固定距离的发光目标物在团雾和非团雾不同能见度环境下的图像光亮度参数,探究了团雾路段不同距离处发光体亮度数值与水平能见度数值相关变化关系。进而基于团雾路段视频特征图像区域的亮度参数变化与水平能见度的相关性分析,给出利用数值分析结果测算水平能见度的可行方法,为建立高速公路团雾预警模型提供思路和实现途径。研究结果表明:(1)通过视频图像的不同区域亮度变化进行能见度监测具有科学性、创新性、可行性,可实现24 h不间断监测预警。(2)引入发光目标物光亮度和环境光亮度的对比分析,可以解决一天中不同时间段图像光亮度变化较大的问题。(3)通过对固定距离发光目标物的监测来实现公路团雾的监测,可解决团雾水平尺度难以直接仪器监测的难题。(4)发光目标物视频团雾监测方法的监测结果可与互联网、地理信息系统、导航信息系统结合,从而实现快速、准确发布预警,减少交通事故的目的。

山东冬半年降水相态的温度特征统计分析

采用济南和青岛1999—2011年的降水、高空和地面观测资料,研究了山东冬半年降水相态与影响系统的关系及温度垂直变化特征,获得不同降水相态的温度预报指标。结果表明:(1)降水相态变化与影响系统有关,江淮气旋和回流形势产生的大雪以上强降雪存在雨雪转换,低槽冷锋、黄河气旋和切变线(低涡)多产生中雪以下直接降雪。(2)无相态变化的降雪过程一般发生在温度较低、垂直变化单一的条件下,850 hPa以下各层均有明显温度阈值。(3)有相态转换的降雪过程中,850和925 hPa的温度对于雨、雪、雨夹雪的识别没有明显指示性,1000 hPa以下的温度最为关键,将925 hPa以下各层与地面的温度结合起来判别相态,较使用单一特性层温度更为可靠;冰粒区别于其他降水类型,在温度场上的显著特征为700 hPa的温度较高。(4)0℃层高度可用于雨雪转换指标:降雨时0℃层高于925 hPa或在925 hPa上下,当0℃层的高度降至1000 hPa上下时转为降雪。(5)雨夹雪和冰粒发生在有雨雪相态转换的降水过程中,为过渡形态,不会单独出现。

山东半岛一次持续性强冷流降雪过程的成因分析

利用NCEP/NCAR逐日6 h再分析资料和观测资料,诊断分析了2005年12月3～21日山东半岛北部沿海地区发生的罕见持续性强降雪过程。结果表明：降雪以西北气流下的冷流降雪为主,具有典型冷流降雪分布特征;有利的大气环流形势造成强冷空气频繁,经过渤海暖海面时产生较大海气温差,是降雪持续时间长、强度大的直接原因;一定的海气温差是冷流降雪的重要指标,产生冷流降雪时山东北部近海海域的海气温差常在22K以上;冷流暴雪产生在高能舌、对流层低层辐合、中层辐散的上升运动区,上升运动层浅薄;水汽来源于渤海,水汽辐合层位于超低层（925 hPa高度以下）;对流层中低层的垂直速度、散度场、涡度场的动力耦合结构配置有利于暴雪的形成和维持;特殊的低山丘陵地形强迫抬升是冷流降雪的触发机制,对暴雪的产生起到增幅作用。

山东省人体舒适度区域特征研究

采用旋转经验正交分解 (REOF)的方法 ,对山东省 90个测站 1 971～ 2 0 0 0年的年平均人体舒适度进行区域划分 ,并进一步分析了各区域人体舒适度指数的空间分布特征和变化趋势。研究表明 ,半岛的沿海地区是山东省舒适感觉最佳和较舒适日数最多的地区 ,热不舒适主要出现在山东的中西部地区 ,冷不舒适则以北部和沿海地区较为突出。近 30年来 ,山东各区域冷不舒适感觉日数明显减少 ,热不舒适日数增加 ,舒适度感觉有向热转变的趋势。

一次入海气旋局地暴雪的结构演变及成因观测分析

利用多普勒天气雷达、风廓线雷达、加密自动站、常规探空和地面等多种观测资料,对山东半岛东部地区一次局地暴雪过程的成因及动力结构演变特征进行了分析。结果表明:(1)此次局地暴雪过程分为两个阶段,第1阶段为典型的黄河气旋槽前降雪,降雪强度弱,雷达回波自西南向东北传播;第2阶段降雪为气旋后部的海效应降雪,降雪强度大,1 h降雪量可达到大雪量级,雷达回波自东北向西南移动,较为少见。(2)第1阶段降雪发生在对流层中层有明显低槽、低层有气旋性环流和西南低空急流及地面有气旋的天气系统配置下,水汽来源于中国南海,降雪落区位于高空槽前西南低空气流的右前方和地面气旋的东侧。(3)第2阶段降雪发生在高空槽过后,冷空气自渤海海峡和黄海北部入侵,降雪区域低层的主导风向为东北风,东北风强于西北风,降雪的水汽和热量来源于渤海海峡和黄海,雷达回波自东北向西南移动,降雪落区位于低层的东北风中。(4)海效应降雪各时段对流层低层风场结构不同。降雪初期,山东半岛北部沿海地面存在γ中尺度低压环流,雷达径向速度上表现为低层有β中尺度涡旋,东部沿海有东南风与西北风辐合;强降雪时段,边界层内存在东北风和西北风的切变线,低压环流和切变线是造成强降雪的有利动力条件。该个例揭示了发生在黄河气旋后部、由渤海海峡和黄海影响产生的山东半岛海效应降雪,其风场结构、雷达回波移向、降雪落区与风场的关系及降水相态等和常见的典型渤海海效应降雪有明显差异。

基于构成要素的一次切变线暴雪天气分析

2013年1月20-21日山东出现了一次暴雪过程,此次过程具有冷空气弱、东西雨雪共存及存在两个强降水中心等特点,济南至淄博(鲁中的北部地区)的次暴雪中心为预报难点。为了探讨此类暴雪过程降水落区、强度和相态变化的物理机制,根据常规观测、NCEP/NCAR再分析逐6 h及多普勒天气雷达资料,采用基于构成要素的预报方法(Ingredients-based Methodology,IM),从动力抬升、水汽、降雪效率和相态等四个方面进行了分析。结果表明:(1)高层两个短波槽、低层切变线、地面华北锢囚锋和倒槽等天气系统相继共同作用造成了此次暴雪过程,其中500 hPa短波槽对降雪的阶段性表现最明显。(2)四个有利构成要素相叠加导致鲁中地区产生暴雪:中低层有西南和东南两支气流输送了充足的水汽;低层经向切变线和暖切变线造成了强上升运动;云中温度在-15^-14℃之间达到最佳降雪效率;低层温度低。(3)低层经向切变线对次降水中心的暴雪形成有重要作用,暴雪发生在经向切变线的右侧东南风减小的区域。(4)最强降雪发生在对流层中高层西南风和低层东南风强盛的时段。(5)对流层低层冷暖平流导致边界层内温度垂直变化出现差异,从而产生不同降水相态,其中1000 hPa至近地面的温度最为关键,尤其2 m气温在1℃左右时,更需综合分析925 hPa以下各层的温度;同时复杂下垫面对降水相态的影响也不容忽视。

利用加密探测资料分析冷式切变线类大暴雨的动力结构

利用风廓线雷达、多普勒天气雷达、地面加密自动站和闪电定位仪等非常规观测资料,对发生在山东东南部沿海青岛的一次大暴雨天气的动力结构进行了分析,以探索如何综合应用新资料追踪暴雨的演变过程。结果表明:(1)此次大暴雨过程的影响系统是冷式切变线,冷空气从对流层低层入侵,切变线在850 hPa以下层次明显,地面冷锋逐渐演变为静止锋。(2)暴雨过程经历了两个强降雨和一个弱降雨时段,1小时30 mm以上的短历时强降雨发生在冷空气刚入侵阶段,并伴随雷电。(3)强降雨主要发生在925 hPa切变线附近,降雨分布在925 hPa切变线的东北风与850 hPa切变线的西南风叠置区域。大暴雨的分布与切变线走向基本一致。(4)在切变线移动和发展过程中,水平风有明显不同:冷空气刚影响时,对流层低层产生了明显的中尺度低压环流,是导致对流性短历时强降雨的关键因素;静止锋形成的时段内,从低层至高层,低压环流消失,代之以较强西南风与弱西北风之间的切变线;在静止锋维持的后期,低层和高层均转为西北风,仅在中层有西南风与偏北风之间的切变线,从而产生稳定性弱降雨。(5)风廓线对降雨的起止、盛衰有较强信号,风向风速自上而下顺序变化,当中层西南风风速增大且不断向下扩展,持续4 h后西南低空急流明显加强,当近地面转为东北风时,强降雨开始,强降雨阶段的显著特点是在风廓线雷达上表现为中低层强西北风和强西南风交替出现,降雨强度与交替的高度有关;当各层均转为稳定的西北风时预示降雨结束。

位涡在冷流暴雪短时预报中的应用

利用NCAR/NCEP逐日6 h间隔的再分析资料,对2005年冬季发生在山东半岛的冷流暴雪过程中的位涡演变特征及其对降雪的作用机制进行了分析。结果表明:(1)中高纬度阻塞环流形势经历了转型,其发展演变过程有利于冷空气频繁南下从不同的路径入侵渤海和山东半岛地区,造成持续性冷流暴雪;(2)高位涡从高层下传,降雪强度与下伸高度有关;(3)高位涡的移动可以很好地示踪冷空气的源地和路径,此次持续性强降雪过程的冷空气来源于4种路径;(4)对流层中层的高位涡区的强度和影响时间可作为冷流暴雪预报的有益指标,500 hPa等压面的高位涡信号明显,与强降雪的出现有很好的同位相对应关系,700 hPa的位涡场有时候也表现出强劣信号,业务应用中可同时比较分析二者的高位涡区;(5)高层的高位涡冷空气下沉时产生位势不稳定和对称不稳定层结,对降雪起到增强作用,500 hPa出现明显槽时可形成"不稳定-稳定-不稳定"的大气层结稳定垂直结构,在短时间内产生强降雪。

山东半岛冷流降雪的气候特征及其前兆信号

采用山东省近41年冬季逐日降雪资料和近25年历年11月的海温资料,运用数理统计及小波分析方法,对山东半岛冬季冷流降雪的时空分布特征、演变规律及其与前期11月渤海海温的关系进行了诊断分析。结果表明,降雪分布与丘陵地形密切相关,主要集中在半岛的东北部,自东北向西南地区降雪量急剧减少;暴雪分布具有显著的中尺度特征;冷流降雪以12月最为显著;小波分析表明冷流降雪的主要周期为4年、7年和17年左右;11月渤海海温偏高时,降雪偏多的可能性较大,反之降雪则偏少。

渤海南部沿海冷流暴雪的中尺度特征

利用多普勒天气雷达和NCEP/NCAR全球再分析资料,应用中尺度数值模式RAMS(V4.4)对2005年发生在山东半岛北部沿海的一次冷流暴雪过程进行了中尺度特征分析。结果表明:这次暴雪发生在西北气流、较大海气温差和半岛的丘陵地形特殊条件下;冷流暴雪在多普勒天气雷达径向速度图上表现为长生命史的逆风区。数值模拟结果显示:模式对沿海地区的冷流降雪过程具有较强的预报能力,可以很好地模拟出降雪的落区和大气环流形势的演变,证实了暴雪中尺度垂直环流的存在;强降雪集中出现在上升运动增强和逆风区维持的阶段。

山东冬季近41年气温异常及其海气背景场特征

采用山东省 2 6个站点 1 96 1～ 2 0 0 1年的月平均气温资料 ,利用 Mann- Kendall突变检验法、线性倾向估计等方法分析了山东省冬季 (1 2月～次年 1月 )平均气温的变化特征 ,并从北半球5 0 0 h Pa位势高度距平场、冷空气活动路径及太平洋海温距平场等方面分析了冬季气温异常的原因。分析发现山东省冬季气温变化具有明显的阶段性 ,突变发生在 1 986年。存在冷冬年欧亚盛行经向环流 ,暖冬年盛行纬向环流的差异。这可能与冷空气路径不同有直接原因。