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。

基于集成学习算法的冬奥会延庆赛区极大风速预报

高山滑雪运动对风极为敏感,风速尤其是极大风速往往是决定冬奥会赛事顺利进行的关键因素之一。利用2018—2021年1—3月欧洲中期天气预报中心(ECMWF)模式预报产品以及冬奥会延庆赛区8个关键点位的极大风速观测数据,基于决策树(DT)、随机森林(RF)和梯度提升决策树(GBDT)三种不同类型的机器学习算法分别构建极大风速客观预报模型。对比评估表明:极大风速预报的最佳预报因子主要集中在不同高度层的风速和风向,个别站还包括垂直速度,若去掉风向因子,绝大多数模型的预报准确率会降低,平均绝对误差会增加;总体上基于决策树基学习器集成学习的GBDT和RF模型要优于单一决策树模型DT,平均绝对误差最低的GBDT模型预报的极大风速误差介于1.56~3.57 m·s^(-1),较DT模型的改善率高达8.7%,同时,GBDT模型对超阈值极大风速的预报也较为优秀;随着预报点位海拔高度升高,各模型的平均绝对误差和准确率分别有增加和降低的趋势;随着预报时效增加,各模型的平均绝对误差表现出一定的周期性日变化特征。将表现优异的GBDT和RF两个模型作为初级学习器,以支持向量机模型作为次级学习器,基于stacking方法构建集成学习模型RGL。结果表明:集成模型对极大风速的预报较单一模型具备一定的改进能力,且以极大风速相对较大的高海拔站改进更为突出,平均绝对误差较单一模型最大可降低0.13 m·s^(-1),准确率最高可提升0.022。相关研究成果有力保障了2022年北京冬(残)奥会顺利进行。

2m气温集成订正方法及在冬奥延庆赛区的应用

为提升北京冬(残)奥会气象服务保障能力,利用2018—2021年1月1日—3月28日欧洲中期天气预报中心(ECMWF)模式预报产品以及冬奥延庆赛区8个自动气象站的2 m气温实况,通过基于地形修正的模式偏差订正和支持向量机算法,构建赛区不同海拔高度站点72 h预报时效内逐3 h的2 m气温集成订正方法。2022年北京冬(残)奥会前夕及赛事期间应用评估表明:集成订正方法对延庆赛区2 m气温的预报准确率为0.856,平均绝对偏差为1.08℃,订正效果较单一订正方法更优,尤其针对海拔高度高出模式地形高度的站点订正性能更为突出,同时,对超阈值及关键过程的气温订正效果也表现较好。对于延庆赛区大多数站点而言,该方法订正的72 h预报时效内逐3 h的2 m气温平均绝对偏差总体上表现出一定的日变化特征,且0~24 h,24~48 h,48~72 h预报时效之间偏差变化相对平稳,但不同站点的日变化趋势存在差异。随着预报时效增加,该方法订正的2 m气温平均绝对偏差的变化趋势表现出海拔依赖性。

“0711”山西晋城极端强降水过程的宏微观特征分析

利用ERA5逐小时0.25°×0.25°再分析资料、地面自动监测站以及FY-4A卫星、多普勒雷达、激光雨滴谱仪等精细化监测资料,对2021年7月11日山西晋城极端强降水过程的宏微观特征进行分析。结果表明:(1)此次极端强降水是继1961年以来晋城7月降水出现的第二高极端降水;高空急流入口区右侧强辐散、低空急流出口区风速辐合、低涡暖式切变线附近强辐合是极端强降水的宏观动力条件;低空急流将水汽源源不断向极端强降水区输送,整层大气可降水量高达65 mm以上是极端强降水发生的宏观水汽条件;500 hPa高度槽超前700 hPa和850 hPa冷式切变线是此次极端强降水发生的宏观动力不稳定条件。(2)极端强降水落区位于500 hPa高度槽、850 hPa和700 hPa暖切变线、地面干线所围成的不规则四边形区域,且与500 hPa T-Td≤4℃、700 hPa T-Td≤3℃、850 hPa T-Td≤2℃、Ki指数≥38℃、Si指数≤-1℃所控制的区域相重叠,在对流云团西南侧亮温梯度的大值区和云团西南部的低亮温区,即在地面干线和地面中尺度切变线0~30 km范围内极端降水量最大。(3)位于极端强降水区上空的中α尺度850 hPa暖式切变线与地面干线以及中β尺度的地面切变线和辐合线共同作用触发了晋城地区的极端强降水;近地层加强的偏东气流在遇到中条山、王屋山,熊耳山、嵩山形成的向东开口的喇叭口地形时被迫辐合抬升,促使极端降水区辐合上升运动增强,降水增幅。(4)闪电位于云顶亮温≤220 K的区域和云顶亮温梯度的大值区,闪电频数峰值超前降水量峰值10~35 min,这对降水峰值的预警很有意义。(5)中α尺度的低涡暖切变系统激发了中α尺度的低涡云系发展,对流云团的发展演变为后向发展型,在中α尺度低涡暖式切变线云系上有数个具有独立回波核的γ中尺度对流单体有组织地排列,受西南气流引导向东北移动相继经过极端降水区形成列车效应;造成蟒河景区最大雨峰的对流单体具有典型超级单体风暴结构特征。(6)云水含量的显著增大促使降水强度的增强,-20~0℃层过冷水含量大值区对应地面极端强降水区;晋城极端降水为层、积混合云降水,雨滴粒径分布较广,高浓度的小雨滴和中等雨滴是极端强降水的主要贡献者;与典型大陆性对流降水过程相比,此次极端强降水过程雨滴的平均广义截距常用对数[lg(Nw)]的平均范围大,但质量加权平均直径(DM)较平均范围略小。

高寒草原地区边界层参数化方案的适用性评估

为了验证中尺度数值模式WRF中不同的边界层参数化方案对青藏高原地区高寒草原均匀下垫面的适用性,选取4种不同的边界层参数化方案(YSU、MYNN2.5、ACM2和BouLac),分别在青藏高原东部玛曲地区进行了高分辨率的数值模拟,借助中国科学院寒区旱区环境与工程研究所若尔盖高原湿地生态系统研究站观测资料,对典型晴天条件下近地层温度、辐射收支、地表能量以及边界层结构特征进行了相互比较分析,评估了不同边界层参数化方案的模拟差异。结果表明,对于近地层温度,白天不同方案的模拟值与观测值差异不明显,夜间MYNN2.5方案更偏离观测值,而其余方案的模拟差异不大;相对短波辐射,长波辐射过程更易受边界层参数化方案的影响;对于地表热通量,非局地闭合方案的模拟值相对湍流动能TKE闭合方案更接近观测值;对于净辐射通量、感热通量和潜热通量,MYNN2.5方案的模拟要优于其他3种方案;不同边界层参数化方案均模拟出了白天超绝热层以及夜间逆温、逆湿现象,但不同方案对边界层结构的模拟仍然存在一些差异。

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。

基于MICAPS 4的灾害性天气历史个例库应用系统的设计与研发

为充分利用气象信息综合分析处理系统第4版(Meteorology Information Comprehensive Analysis Process System 4,MICAPS 4)强大的气象数据显示和分析能力,在.Net Framework 4.5框架下,利用C#开发语言和MySQL数据库,基于MICAPS 4二次开发接口,设计研发了山西省灾害性天气历史个例库应用系统,实现了历史个例库管理、历史个例和相似历史个例检索与资料分析、历史个例训练与考试模拟等应用功能。目前,该系统已经较好地应用于业务中。系统不仅可扩展程度高、本地化应用方便,而且业务实用性较强,具有较高的应用推广价值。本文从系统设计、开发、功能以及实现方法等方面给予详细介绍。

黄河中游一次大暴雨的观测分析与数值模拟

利用常规观测资料、FY-2E TBB资料、地面加密自动气象站资料等,对2013年7月9日黄河中游地区(山西)暴雨过程进行了观测分析,利用WRF中尺度模式输出结果分析了低层切变线及其附近中尺度扰动的演变特征、动热力结构及水汽特征,以及低层偏东北气流的性质和作用等。结果表明:暴雨大暴雨是由700 h Pa切变线附近激发的4个中尺度对流云团直接造成的;低层稳定的切变线附近形成的中尺度扰动低涡,与地面中尺度露点锋和中尺度辐合线共同作用,触发了中尺度对流云团的发生、发展。受来自低层西路和东北路两支冷空气夹挤,暴雨区暖湿空气沿东南—西北向被迫抬升,形成一个狭窄的沿西路冷空气爬升的倾斜上升气流区,在其两侧形成两个方向相反的次级环流圈。水汽辐合中心在边界层附近,但这不是造成暴雨大暴雨的主要原因。低层辐合上升运动持续增强,偏南风入流将水汽向暴雨区集中,而次级环流的上升支将水汽向高层输送,使得暴雨区上空局地整层可降水量持续增加,以及对流不稳定和对称不稳定共存,加强了涡层不稳定,水汽在强不稳定的环境中沿倾斜上升气流抬升凝结,并高效率下降,可能是此次暴雨大暴雨的重要原因。低层偏东北气流为干冷与暖湿的一个倾斜交界面,该面上各种气象要素并不均匀,但在其中心区域低层为温度的零平流区,以及垂直速度、涡度和散度等物理量的零线区;围绕该支气流形成一个反气旋式的次级环流圈;该支气流两侧均存在较大垂直风切变,随着该支气流的南压和向河套地区的深入,低层暖湿气流的上升辐合作用不断加强,下沉支也逐渐活跃,是中尺度对流系统发生发展的重要触发机制之一。

孤立云团造成的一次强对流天气分析

利用常规观测资料、NCEP再分析资料、卫星和雷达拼图产品等,结合WRF中尺度数值模拟,对2013年5月22日发生在山西省中南部的强对流天气进行了分析。结果表明:此次强对流天气过程中,河套地区正涡度平流的持续输送是500 h Pa切断涡旋形成、维持和发展的重要原因;低层冷平流沿其前方输入,后部有更强的暖平流输入,使涡旋不断加深发展,在其附近激发孤立对流云团,孤立云团上空存在高层辐散、低层辐合的垂直结构,使得其上空上升运动持续加强,孤立对流云团得以维持和发展,其间形成的γ-中尺度和α-中尺度强对流云团是造成强对流天气的直接原因,而地面海上高压后部水汽的持续加强和高空脊前干空气南侵,产生明显干锋生作用,是强对流的重要触发机制。雷达组合反射率因子拼图显示,此次强对流过程是由单体回波发展合并加强造成的,这些单体回波的演变经历了"单体—加强合并—带状回波—弓形回波—减弱消亡"的过程;整个过程分为2个阶段,其回波面积、强度、移动速度不同,造成强对流天气特征差异明显。此次强对流天气存在3种类型,其温湿廓线结构及环境参数特征存在明显差异,可作为判断强对流天气类型的指标。

地形对山西暴雨影响的数值模拟研究

为了深入研究地形对暴雨的影响,提高暴雨预报的精准度,利用逐6 h NCEP 1°×1°再分析资料和中尺度模式WRF V3.2.1,对2007年7月29-0日发生在山西南部的一次特大暴雨过程做了地形敏感性数值模拟试验,探讨地形改变后对此次暴雨过程的影响。结果表明:特大暴雨是在有利的环境场及特殊地形作用下发生的,与地形的影响密切相关。山西海拔高度和地形起伏对暴雨落区和强度有重要的影响,降低全省的海拔高度会使暴雨强度减小,落区向西北偏移。在降低晋东南太行山海拔高度的同时去掉地形起伏,则会使低空偏南暖湿气流不再受太行山阻挡,一直北上到晋中吕梁山的东侧才受地形阻挡辐合抬升,导致暴雨北移到吕梁山东侧且落区增大。地形对低层水平风场和水汽的影响也很大,改变地形会迫使近地层水平流场辐合线的位置和强度发生改变,也会改变水汽的分布。喇叭口地形对暴雨有非常大的增幅作用,破坏掉喇叭口地形之后,降水强度大为减弱。喇叭口地形对垂直环流及散度、涡度等物理量场的分布也有很大影响。

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。

太行山地形对山西两次锢囚锋暴雪影响的数值试验

为深刻认识太行山地形对降雪的影响,做好降雪天气预报服务,从而适应新型农业种植结构调整,减小降雪天气对农业生产的影响,利用NCEP全球再分析资料和实况探测资料,采用WRF中尺度数值模式,对2009年11月10日和2010年3月14日山西省两次锢囚锋暴雪天气进行数值试验,比较分析了太行山地形变化对降雪量级、强度、落区及空间结构特征的影响。结果表明:(1)对于影响系统偏南的暴雪天气,太行山高度适中更能使降雪接近实况,而对于偏北的暴雪天气,则是抬高地形,影响更明显。(2)锢囚锋降雪的不同阶段,太行山地形变化对低层水汽输送的影响差异较大。(3)适当降低太行山高度,使得暴雪区上空高空辐散、低空辐合的垂直结构更明显,中心强度更强,对暴雪的产生更为有利。(4)对于影响系统偏南的暴雪天气,太行山高度降低使得高层干侵入强度增强,造成触发作用加强。

一次由气旋发展与边界层东北气流触发的强对流天气分析

利用多种探测资料及NCEP/NCAR FNL 1°×1°再分析资料,对2019年4月24日发生在山西的大范围强对流天气进行了分析。结果表明:1)此次过程是在弱天气尺度强迫背景下,地面锋面气旋发展和低层偏东北气流伸入河套地区,触发了1个持续拉长状对流系统(persistent elongated convective systems,PECS)和1个β中尺度持续拉长状对流系统(meso-β-scale PECS,MβECS)发生发展造成的。2)与MβECS对应,雷达回波上表现为涡旋状的回波中镶嵌着多个对流单体,PECS则表现为4个线状回波和1个强降水单体风暴。雷达产品能更精细刻画较小尺度系统特征,但分类强对流的某些典型特征并不明显。3)物理量诊断揭示,低层锋生作用不仅使暖锋加强触发MβECS发展造成北部强对流,且使得冷锋加强和气旋发展,此背景下形成的边界层急流和地面中尺度系统导致中南部对流单体合并、加强并高度组织化。强对流范围和强度与涡旋或辐合线尺度及风场辐合强度密切相关,气旋内温压风湿场的扰动特征能更好地解释较小尺度系统形成发展的物理机制,且这些特征较强对流提前1~3 h出现,对强对流临近预报具有很好的指示意义。4)低层东北气流是干冷与暖湿空气的一个倾斜交界面,该面上各种要素并不均匀,围绕该支气流形成一个气旋式次级环流圈,是中尺度对流系统的重要触发机制;气流两侧存在较大纬向风垂直切变,是造成对流风暴传播、持续时间长的重要原因之一。

1955—2014年华北地区低层气旋性风切变的变化趋势及成因

利用1955—2014年华北地区21站逐月降水观测资料、中国气象局国家气候中心环流指数资料和NCEP/NCAR再分析资料,统计分析近60 a华北地区低层气旋性风切变频次的变化趋势和突变、周期特征,并对其演变成因进行初步探讨。结果表明:近60 a来,华北地区低层气旋性风切变频次呈现显著减少趋势,风切变频次在1967年出现由多到少的明显突变,且在1955—1965年、1992—2000年间存在准3 a的振荡周期,而在1980—1992年间准4 a的振荡周期较显著,这与同期华北地区降水量的变化周期较吻合。华北地区低层气旋性风切变出现明显转折变化的原因主要是大气环流在前一年发生了较为显著的调整。

WRF模拟太原地区气象场特征及对弹丸的影响

在用WRF模拟太原地区2014年3月19号天气状况的基础上,得出该地区气象场特征,检验WRF模式在复杂地形下的模拟预报能力,并讨论了模拟的气象场对弹丸飞行造成的可能影响。结果表明:WRF模拟的气象场与真实大气比较接近;在该气象场背景下,射程为90 km的某弹丸由纵风引起射程误差较大,约为1 293.85 m,由横风在落点产生的横向偏差为304.85 m,由温度引起的射程偏差很小约为12.93 m。可见,实际大气对弹丸射击精度的影响是可观的,用WRF模拟的流场计算气象因素对弹丸射击精度的影响是有意义的。

多源气象资料在森林雷击火辨识中的应用

2020年6月5日山西省沁源县发生森林火灾,通过对天气形势、雷达回波、闪电定位等多源气象资料的分析,并利用欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)第五代全球大气再分析产品——ERA5,分析了此次森林火灾前期及期间的温度、降水量等气象要素演变特征,再结合现场情况调查,给出了此次森林火灾的起因。结果表明:此次森林火灾是由一次正极性地闪所导致,雷击点处于对流云边缘,闪电发生时间为6月5日15:39,电流强度42.2 kA。事故前期起火点所在区域连续2 d未发生降水,火灾发生当日该区域地面增温明显,气温为30~33℃,降水量小于0.1 mm,微风。

东北地区嵌入对流过程的数值模拟分析

利用常规气象观测资料、NCEP FNL再分析资料以及中尺度WRF模式的数值模拟结果,对2010年7月1日发生在辽宁地区的一次嵌入对流云的形成、演变过程进行了分析,并对云中微物理特征进行了诊断。结果表明:WRF模式较理想地模拟出了此次对流过程。嵌入对流云是在大气上层分布有成片的层状云,低层有零星的对流泡生成的情况下,随着低层对流泡的不断发展壮大,当其伸展至层云的高度时镶嵌其中而成;嵌入的对流体在随层状云东移的过程中反复进行着并合、分裂过程,而且分裂过程中出现明显的右移性对流体的选择性加强;云系中不仅存在云水直接转化为雨水的暖云降水机制,也存在有播撒—供应的冷云降水机制,且成熟阶段冷、暖云降水机制均较为活跃;物理量场上,低层辐合高层辐散的强度在发展阶段最强,最有利云系的发展。

一浴精练渗透剂EB在中深色织物中的应用

在纯棉、麻棉或涤棉混纺织物的中深色染色时,先在浴中加入一浴精练渗透剂EB 1.0g/L,于80℃运行20min;再加入活性染料进行染色。经生产实践,染色成品手感好、损耗小、得色均匀。该工艺加工时间短,水、电、汽及坯布的消耗成本低,且降低污水排放量。