太行山中南段暖季极端降水的水汽输送特征

利用自动气象站观测降水、ERA5(ECMWF reanalysis version 5)再分析资料和GDAS(Global Data Assimilation System)资料,基于SOMs(self-organizing maps)算法和天气学检验方法,归纳总结2012—2021年太行山中南段75次暖季极端降水事件的环流形势,探讨不同形势下的水汽输送特征及降水差异。结果表明:影响太行山中南段暖季极端降水的环流形势可分为高空槽型、低涡型、副高纬向型、副高经向型和西北气流型5种,其中以高空槽型最为常见,西北气流型最少。低涡型存在孟加拉湾、南海和西北太平洋水汽输送通道,其日降水极值、最大小时降水强度和影响范围在所有类型中均最大,与低涡型相比,高空槽型缺少西北太平洋水汽输送通道,而副高纬向型和副高经向型缺少孟加拉湾水汽输送通道。利用HYSPLIT(hybrid single-particle Lagrangian integrated trajectory)模型追踪气团发现:低涡型和副高纬向型均以来自西北太平洋的水汽输送贡献最大,高空槽型和副高经向型分别以来自黄海沿岸和南海的水汽输送贡献最大。整层水汽收支分析表明:太行山中南段暖季极端降水最主要的水汽流入来自南边界,其他流入边界及各边界水汽流入贡献的相对大小与环流形势有关。

太行山复杂地形下华北暖季极端降水的时空分布特征

基于2012—2021年5—9月华北五省的逐日降水资料和台站地形高度数据,统计分析了华北全区及各子区域极端降水事件的降水量及其强度和频次的时空分布特征;并运用地理加权回归(GWR)模型分析得到极端降水事件的降水量、强度及频次与海拔高度之间的关系。结果表明:1)华北区域极端降水量的时间变化均呈多波动特征且区域差异性显著,太行山以西高原和以东平原降水频次多、波动明显且强度较弱,太行山南段以南平原降水频次少、变化平缓而强度明显偏强。2)极端降水量的空间分布呈现南北少、中间多的型态分布,降水量大值区分别位于燕山东南侧和太行山南段晋冀豫三省交界处;极端降水高频站点主要聚集在晋东南地区;日最大降水量超过300 mm的站点主要集中在太行山脉和燕山山脉与华北平原的过渡地带。3)华北区域38°N以北,极端降水量、降水频次、强度和日最大降水量均随海拔高度的升高而减小;38°N以南,山西南部临运地区降水量随海拔高度的升高而显著增加。由于降水频次和强度与地形均存在正相关而导致,太行山附近降水量随海拔高度的升高而减小的贡献主要在于降水强度而非降水频次。

边界层方案对山西冬季一次静稳天气PM_(2.5)浓度模拟的影响

准确的空气质量数值预报模式依赖于精确的气象条件模拟,尤其依赖于大气边界层的准确模拟.为理解边界层过程如何影响空气污染物的传输与混合,利用WRF-Chem模式不同边界层方案(YSU和MYJ)进行敏感性试验,针对山西冬季典型静稳天气,对地面温度场、地面风场、PM_(2.5)浓度及边界层内部的动力和热力层结进行模拟分析,并与观测资料进行对比,分析不同PBL方案对于气象要素和PM_(2.5)浓度分布的模拟能力,探讨边界层内部热力层结和湍流输送差异对PM_(2.5)浓度模拟的影响.结果表明:2种边界层方案均能较好模拟出冬季静稳天气背景下地面温度、风速及PM_(2.5)浓度的空间分布和日变化特征,气温模拟的较大误差主要出现在夜间,而地面风速和PM_(2.5)浓度的模拟结果在午后误差较大;相对于YSU方案,局地MYJ方案模拟的温度、风场和PM_(2.5)浓度的误差更小,模拟结果更接近于实况观测.地面PM_(2.5)浓度的模拟误差可能与近地面逆温层、混合层及地面风速等的模拟误差有关;不同边界层参数化方案导致的边界层内热力层结和湍流输送的模拟差异,可能是影响近地面PM_(2.5)浓度模拟差异的主要原因;夜间MYJ方案逆温层厚度较厚,地面PM_(2.5)模拟浓度较低;午后MYJ方案混合层高度较低,加之地面风速较弱,导致地面PM_(2.5)模拟浓度较高.

山西复杂地形下CMA-MESO3km系统降水预报检验及订正

现有的降水预报后处理方法多倾向于对整个区域开展日降水量统一订正,忽视了降水偏差的区域差异,且无法满足精细化预报业务需求。在综合评估中国气象局区域中尺度天气数值预报系统CMA-MESO 3 km(China Meteorological Administration Mesoscale Model at 3 km resolution)在2020年山西汛期降水预报偏差的基础上,基于频率匹配方法,对小时降水预报开展分时段、分区域订正试验,并对订正结果进行了多角度检验分析。结果表明:(1)模式对山西日降水预报空报突出,其中盆地降水预报量级明显偏大。(2)不同区域、不同时段小时降水预报偏差不同,其中弱降水在白天低海拔地区预报偏多,夜间高海拔地区预报偏少。(3)分区域、分时段频率匹配订正后,日累计降水平均误差较订正前降低76.8%,强降水过度预报问题显著改善。(4)通过降低过度预报的降水频率和强度,降水量峰值提前、上午峰值虚报等问题得以解决,可更好再现降水日变化特征。(5)订正后有效改善了模式降水预报的地形分布特征,主要体现在强度预报改进上,但对模式降水预报频率的地形分布偏差调整有限。

山西强对流天气分类指标与判据的应用

基于快速循环同化的华北睿图模式的探空分析场和预报场,针对山西4类强对流天气的环境参数特征进行对比分析,归纳强对流天气分类判别指标及判据。在此基础上,设计山西强对流天气的分类预报方案,计算网格点上不同类型强对流天气发生概率,初步探讨山西强对流天气分类预报的可能性。结果表明:(1)对流有效位能、K指数、中低层温差、低层水汽饱和度、中层温度以及低层垂直风切变等参数,对甄别山西强对流天气的类型有一定指示意义。(2)山西冰雹、雷雨大风天气与短时强降水、雷暴天气存在差异的主要环境参数是低层(0~3 km)垂直风切变和600 hPa温度。以20℃为阈值的700 hPa与500 hPa中低层温差可用来区分雷雨大风与短时强降水、冰雹、雷暴天气;以4℃为阈值的700 hPa温度露点差可以区别短时强降水与冰雹、雷雨大风、雷暴天气。以上可作为山西强对流天气分类的基本判据。(3)分类预报方案对山西夏季强对流具有一定的预报能力,一定程度上能够从大范围强对流过程中捕捉到可能发生雷雨大风、短时强降水、冰雹的区域,该方案的短时预报能力略高于预报员主观预报的平均水平,TS评分约提升0.01~0.06。

地形对山西垣曲“0729”特大暴雨影响的数值模拟分析

利用WRF-ARW中尺度数值模式,对山西南部垣曲县喇叭口地形造成的"0729"特大暴雨过程进行了数值模拟和地形敏感性试验,通过分析暴雨云团的动力和微物理结构,探讨地形激发积层混合云系的结构特征及地形对暴雨云系的影响。结果表明:西风带系统与副热带系统相向而行是此次暴雨发生的环流背景特征,当中低空受偏南风急流影响时,垣曲县向南开放的喇叭口地形可使低层的辐合上升显著增强。特殊地形所激发的meso-β积层混合云团是造成此次特大暴雨的直接系统。地形敏感性试验结果表明:地形的变化对积层混合云系的动力结构、微物理特征等有显著影响。地形降低后,喇叭口效应形成的低层强辐合结构与强上升气流消失;下风方向低层辐合、中高层辐散配合强烈的上升运动,对流发展趋于旺盛,暴雨中心向地形下游移动。地形的变化对水相物质的微物理结构也有显著的影响。地形降低后,迎风坡上空上升运动减弱,进入到中间层上层的云水粒子减少,凝华生成的冰晶粒子减少,"播撒—供给"机制减弱,迎风坡降水强度明显减弱;下风方向对流加强,更多的云水粒子进入到中间层上层,降水强度加强。喇叭口地形的存在更有利于上游强对流发展并形成层积混合云系,对下游对流起抑制作用。

太原城市下垫面扩张对边界层特征影响的个例研究

通过高分辨率卫星夜间灯光数据获取最新的城市地表分布,并利用高分辨率数值模式对2013年8月14~16日太原区域的一次高温过程进行研究,探讨城市下垫面扩张对大气边界层的影响。结果表明：基于DMSP/OLS夜间灯光数据对模式中地表参数修正后,能够更准确地反映太原主城区和高速公路沿线小规模建筑群的扩张,有效改善了模式的预报性能,显著提高对近地面气温、地表温度的预报能力。城市下垫面的扩张,使城区夜间升温明显,热岛强度增强。与1992年的城市化状况相比,晴空天气条件下,2012年太原城区夜间气温上升5℃,热岛强度升高2~3℃。城市下垫面扩张,改变了地表能量分配关系,使得地表感热传输明显加强,潜热通量明显减弱,城市冠层作用下的储热能力增强。边界层内部湍流交换、水汽输送等的进一步研究表明：城市地表水汽输送减弱,边界层水汽含量减少,2~4 km高度的水汽含量增加,湍流动能的影响高度增高,湍流混合加剧;14：00,城区边界层高度抬高了800 m,城市上空混合层加深,持续时间更长。

卫星资料在山西暴雨数值预报中的初步应用

旨在应用卫星云顶数据改进数值模式的水汽初始场,探讨利用卫星资料改进定量降水预报的可能性。利用ADAS(ARPS Data Analysis System)综合云分析系统,将静止卫星云顶亮温数据加入到WRF中尺度模式中,对2013年7月9日夜间山西南部一次暴雨过程进行数值模拟和对比试验。结果表明:此次强降水过程发生在高空槽引导西北涡东移的环流背景下,低涡切变线附近生成的中-β尺度强对流云团是造成此次强降水的直接影响系统。融合卫星云顶数据改善了模式24 h降水预报效果,有效减少强降水的空报,显著提高暴雨以上强降水的预报效果。进一步分析表明:融合卫星云顶数据后,模式可以获取中尺度系统信息,可以捕捉中-β尺度强对流云团;模式有效加强了对降水有重要影响的高湿区的分析,动力场能够快速协调适应;模式更加有效地预报出未来3 h内降水模态的变化和移动,显著改善了强降水的临近预报效果。

基于CLDAS的格点温度预报偏差订正方法

利用国家气象信息中心CLDAS格点温度实况、中央气象台SCMOC格点温度预报以及山西省站点观测温度,采用非独立性检验综合评估CLDAS在山西区域的适用性。在此基础上,采用滑动训练期订正方案,基于格点实况开展SCMOC温度预报场的客观订正。结果表明:(1)复杂地形对山西CLDAS格点温度实况的精度有一定影响,但最高气温的分析精度优于最低气温,表明地形对最低气温的偏差影响更显著,高海拔地区CLDAS最低气温一般对应为负偏差,低海拔地区一般对应为正偏差。(2)CLDAS格点温度实况的偏差空间分布具有时间延续性,进行简单的系统偏差订正后,最高、最低气温格点实况的精度分别提升1.1%、9.7%,与站点观测更为吻合。(3)基于改进后的CLDAS格点温度实况,采用滑动偏差订正方案,显著改善了山西省SCMOC温度预报的准确率。2019年,滑动偏差订正后的24 h时效最高、最低气温预报准确率较SCMOC温度预报分别提升2.7%、4.7%,订正后的短期温度预报质量有较大提高,优于预报员主观预报。

积云与微物理方案对山西南部暴雨预报的敏感性试验

利用WRF(Weather Research and Forecast system)中尺度数值模式,采用KF、BMJ、GF 3种积云对流参数化方案和WSM5、WSM6、WDM5、WDM6 4种微物理方案,对山西南部2007年7月29—30日的一次特大暴雨过程进行数值模拟与敏感性试验,并对不同积云方案和微物理方案的降水预报性能进行定量评估。结果表明:粗网格选用不同的积云对流参数化方案,可以对细网格强降水的落区预报产生较大的影响,GF积云方案能够合理地预报出主雨带、降水中心的位置和强度,选择适当的积云方案可以使强降水预报的TS评分提高0.19;不同微物理方案对强降水中心位置、强度、分散程度等的模拟结果有显著差异,WDM6微物理方案对于此次山西南部暴雨过程的模拟能力最好,尤其对于强降水预报具有明显优势。进一步分析表明:微物理过程中水相物质预报量的增加,可以改进模式的降水预报性能;综合考虑各种水相物质混合比和数浓度的双参数方案的计算过程更为精确,强降水预报能力更好,双参数方案较单参数方案的强降水TS评分可以提高0.08。

一次典型飑线过程的个例分析

利用太原c波段多普勒天气雷达资料，结合NCEP数据资料，对2008年6月28日发生在山西的一次大范围飑线过程进行了综合分析后发现：该飑线产生于对流层中高层槽后干冷空气向南扩散，低层辐合，大气层结极不稳定，垂直风切变强的大背景下，在其影响的区域产生的主要灾害天气现象为大风、冰雹和暴雨。飑线呈现出典型的弓形回波特征，后部人流急流（rear inflow jet）和后部人流缺口（RIN），前部的阵风锋等典型特征。弓形回波两端存在中尺度流型，即北端的气旋式旋转和南端的反气旋式旋转。北端的气旋式旋转在演变过程中不断加强而变成一个旋转的逗点头，而南端的反气旋式旋转在演变过程中基本保持不变，弓形回波的形状也从开始时的南北对称结构逐渐转变为南北不对称的结构。另外，弓形回波前沿中低层存在弱回波区，中高层存在回波悬垂，强回波区延伸到0℃等温线之上，表明雷暴内上升气流很强，有利于冰雹和强降水形成。

一次激发积层混合云降水的数值模拟

利用WRFARW中尺度数值模式对2007年7月29日山西南部喇叭口地形造成的一次积层混合云系降水进行模拟。通过分析云系中不同水相粒子的分布，了解积层混合云系的微物理特征和动力特征，最后对地形激发的积层混合云系降水机制进行探讨。结果表明：特殊地形所激发的meso—β积层混合云系是造成特大暴雨的直接系统；高层层状云与中低层的积雨云相互粘连跨接，自上而下依次为冰晶区、冰晶和过冷云滴共存区和云水区，雨水大值中心、云水大值中心和冰晶大值中心相互对应，存在“播撒-供给”机制；动力场上，低层对流云中有强上升气流，高层层状云中在上升气流旁侧有较明显的下沉气流，低层存在强辐合，中高层存在强辐散，此种配置有利于维持云系的发展。对流云与层状云的相互作用使对流发展旺盛，产生极端强降水。研究初步概括出夏季地形激发的积层混合云降水的概念模型：天气系统提供低层辐合、高层辐散的环流背景，地形辐合、山脉抬升提供中尺度对流云团的触发、加强条件，Bergeron效应是冷云降水的关键过程，“播撒-供给机制”是层积混合降水的主要降水机制。

华北地区加密探空资料对T213数值预报的检验评估

华北地区加密探空观测已进行了2年，在强对流天气预报中起到不可替代的作用。本文利用加密探空资料对T213数值天气预报20时（北京时，下同）的18h和42h的探空预报进行对比分析，评价其预报的可信度。检验结果认为：T213数值预报对高度场预报最好，温度次之，再次为风速，相对湿度预报偏差最大；由T213预报的TlogP图状态曲线与实际观测比较吻合，露点温度曲线虽然与实际观测相差很大，但变化趋势比较一致，可以考虑在相对湿度的预报之上增加一个变量使之与观测资料更加符合。

山西一次春季降水过程相态变化的成因分析

利用NCEP 1°×1°再分析资料、常规观测资料和自动站资料,对2011年3月31日-4月2日春季一次降水天气过程的相态演变进行了分析。结果表明,850,700和500hPa高度上NE、SW、NW三支强风速带随高度的上升顺转是本次明显雨雪天气过程的流型配置特征。冷空气侵入导致中低空温度下降,0℃层高度降低是降水相态发生变化的主要原因;800hPa暖式切变线是降水相态的分界线,切变线以北为固态降水,以南为液态降水,切变线附近降水相态为固液相混,降水相态分界线随800hPa暖式切变线的南压而南压;850hPa温度≤4℃是山西北部和中南部海拔>1000m站点降水相态发生转变的临界值,925hPa温度≤0℃是山西中南部海拔<1000m站点降水相态发生转变的临界值。

“0811”暴雨过程中MCC与一般暴雨云团的对比分析

利用T639 1°×1°分析场、FY-2红外云图、红外辐射亮温(TBB)、闪电定位和气柱水汽总量等资料,对2010年8月11日发生在山西南部暴雨过程(即"0811"暴雨过程)中的中尺度对流复合体(MCC)和其北部的一般暴雨云团进行了对比分析,结果表明,(1)山西北部暴雨带主要由6个β中尺度对流云团生成、发展及合并造成;山西南部区域性暴雨则由MCC的生成、发展、东移所引发。(2)山西北部的暴雨云团在850hPa暖切变线南部生成和发展,并在地面切变线附近合并;山西南部的MCC由3个β中尺度对流云团发生、发展及合并形成,该对流云团在700hPa次天气尺度切变线上触发生成;MCC发展、成熟阶段,α中尺度云团沿925hPa暖切变线东移;减弱阶段,随西太平洋副热带高压的南退而南压。(3)在西太平洋副热带高压西进北抬的背景下,同一次暴雨过程中,MCC发生在5 880gpm边缘弱的斜压环境中,高层则出现在高压北侧的反气旋环流中;一般暴雨云团发生在5 840gpm边缘较强的斜压环境中,高层则出现在急流入口区的右侧。(4)MCC作为大型的中尺度对流系统,不但对低层高温高湿能量的需求比一般暴雨云团更多,而且在垂直方向上,要求湿层、高能舌及暖温结构更深厚。(5)山西南部MCC影响区和5 880gpm线边缘为负地闪覆盖区,正地闪主要出现在其北部一般暴雨云团影响区和5 840gpm线附近。与MCC相比,一般暴雨云团影响下,局地闪电开始及闪电峰值的出现较降水的开始及降水峰值的出现有更多的提前量。(6)山西北部暴雨云团出现在气柱水汽总量梯度的大值区及水汽锋上;山西南部MCC则出现在水汽锋南侧气柱水汽总量的大值区。气柱水汽总量对"0811"暴雨过程有36h的提前量,对暴雨的落区有很好的指示意义。

一次副热带高压边缘突发性暴雨的锋生及水汽特征分析

针对2010年7月31日夜间山西西南部一次业务模式出现较大预报偏差的西太平洋副热带高压(下称副高)边缘突发性暴雨天气过程,利用常规和降水加密观测资料、FY-2E卫星TBB数据以及中尺度模式WRF高分辨率数值模拟结果,诊断分析了暴雨的发生发展、锋生及锋生过程中的水汽演变特征。结果表明:此次突发性暴雨是由高空槽后干冷空气推动副高边缘暖湿气流所导致的一次锋生型强降水,β中尺度对流系统(meso-βcircular convective system,MβCCS)是造成暴雨的直接影响系统,低层β中尺度涡旋的形成和发展为MβCCS的维持提供了有利的水汽辐合条件,地面冷锋及其附近中尺度辐合线是对流触发因子。锋生诊断表明,低层辐合、中层辐散的垂直结构导致对流层低层水平锋生、中层水平锋消,而低层强烈的上升运动使得强不稳定层结高度升高,从而引起对流层中层强垂直锋生发展,垂直锋生与水平锋生同时产生,且垂直锋生较水平锋生大一个量级,中低层强锋生和次级环流圈的出现与强降水的发生时间和位置对应较好,比较而言,倾斜项对总锋生贡献最大,辐合项贡献最小。中低层锋生的加强有利于低层水汽的辐合抬升,锋生过程中深厚的水汽饱和层的出现以及水汽含量向高空的凸起,对局地强降水的预报有明显的指示意义。另外,高空冷空气的强度、移动路径以及MβCCS的发展对判断此类强降水的发生和暴雨落区具有重要作用。

“0713”山西短时强降水天气的潜势及触发条件分析

利用常规观测资料、NCEP 1°×1°再分析资料、FY-2G卫星逐时TBB资料、多普勒雷达及自动站资料,对2018年7月13日夜间出现在山西东南部的短时强降水天气进行了潜势及触发特征分析。结果表明:副高外围的强劲西南气流为本次短时强降水过程提供了充沛的水汽条件;“上干冷下暖湿”的层结结构与“高层冷平流、低层暖平流”的温度差动平流提供了强对流发生发展所需的能量条件;上升运动的形成和维持有利于不稳定能量的释放和增强。地面β中尺度辐合线发展为β中尺度涡旋,激发β中尺度对流云团的合并与加强;大于等于35 dBZ的β中尺度带状回波中镶嵌的γ中尺度对流单体,在500 hPa西南气流的引导下,形成高度组织化的多单体线状回波缓慢移动是形成局地短历时强降水的直接原因。

山西省夏季降水与赤道东太平洋海温关系初探

利用山西省58个台站1960-2009年有观测记录的50 a夏季降水资料和NCEP/NCAR逐月再分析位势高度场、NOAA逐月海温场资料,研究了山西省旱、涝年大气环流特征差异,并进一步讨论了山西省夏季降水异常与赤道东太平洋(Nino区)海温异常的关系。研究结果表明:山西省夏季降水异常年从前期春季到同期夏季,欧亚中高纬度500 hPa位势高度的大气环流存在异常,尤其是乌拉尔山高压脊、贝加尔湖低槽及西太平洋副热带高压等大尺度环流系统都有明显的变化;850 hPa风场上蒙古气旋南部纬向风的异常,以及我国东部到华北地区经向风(东亚夏季风)的异常,是直接影响山西省夏季降水的重要环流因子;赤道东太平洋秘鲁冷水舌和太平洋东岸暖水舌均是山西省夏季降水的敏感区,Nino区域前期海温异常对山西省夏季降水有显著的影响,即Nino区域前期海温偏低有利于山西省夏季降水偏多。

集合预报方法在山西暴雨预报中的应用试验

利用ECMWF高分辨率确定性预报和大气模式集合预报产品,采用本地统计量融合方法和联合概率方法,对2014年山西省9次暴雨天气过程的降水预报进行检验分析。结果表明:(1)2014年山西省9次暴雨过程影响系统差异较大,强降水多集中在山西中南部地区,暴雨落区表现为区域性、局地性或大范围分散性特征;(2)本地统计量融合方法对于大雨落区的预报与实况较为接近,而联合概率预报方法的大概率范围对于暴雨落区预报具有较好的指示意义;(3)TS评分检验表明,对于区域性或局地性暴雨天气过程,可更多参考本地统计量融合方法,而对于大范围分散性的暴雨天气过程,本地统计量融合方法空报较多,ECMWF确定性预报更具参考价值。

太原汛期短时强降水环流分型及环境参量分析

应用太原1996-2015年7个国家气象站、2008-2015年63个区域站6-9月逐时降水资料及相关探空、地面观测资料,对太原短时强降水日环流配置进行天气学分型,分析各流型下关键环境参数分布特征。结果表明,太原发生短时强降水的500 hPa环流形势有四种:冷涡型、高空槽型、高空槽加副高型、西北气流型。太原短时强降水常发生在比较温和的对流有效位能(CAPE)环境下,大部分过程CAPE值≤1500 J·kg^-1,冷涡型则≤1000 J·kg^-1。西北气流型850 hPa与500 hPa温差(ΔT850-500)大,静力不稳定度比其他型更强,且500 hPa有明显的干层存在。高空槽加副高型K指数大,且暖云厚度均值达3576 m,明显大于其他型2471~2608 m的均值。冷涡型全部、高空槽型85%的过程出现在弱0~6 km垂直风切变环境下,而高空槽加副高型、西北气流型0~6 km垂直风切变相对较大,35%以上达到中等强度。冷涡型、西北气流型短时强降水太原上空700 hPa水汽常比850 hPa更充沛。太原超过70 mm·h^-1的极端降水出现在西北气流型下,有中等强度的CAPE值、强层结不稳定、弱0~6 km垂直风切变、3550 m以上暖云厚度,中低空水汽充足,这些环境参量的配合对强降水效率有很好的指示意义。