CMA-GFS对一次强降水过程预报评估及诊断改进

2022年6月6~10日我国江淮-华南地区发生一次大范围强降水过程,造成重大洪涝灾害。强降水发生在850 hPa切变线附近,当切变线南压至华南地区时,配合西南暖湿气流,造成华南地区大暴雨降水。利用ERA5再分析数据及降水融合产品,评估了中国气象局全球同化预报系统(CMA-GFS)对此次过程的预报效果,诊断了预报偏差来源,进行了针对性敏感试验。结果表明:CMA-GFS对影响此次雨带位置和移动的南亚高压脊线移动、副高范围变化趋势以及850 hPa切变线移动预报与再分析结果一致,因此对雨带位置和移动趋势预报效果较好,但存在切变线降水偏弱,福建东部沿海、广东北部及广西中部的分散性大暴雨漏报,广东北部雨带偏北及暖区暴雨漏报问题;偏差诊断显示,CMA-GFS对切变线北侧风速预报偏弱3~8 m/s,广西、广东中北部水汽辐合偏弱2×10^(-5)~5×10^(-5)g/(m^(2)·Pa·s),导致切变线降水偏弱,南侧南风分量偏强3~5 m/s导致广东北部雨带偏北约60 km,华南沿海850 hPa急流偏弱4~6 m/s,暖区水汽输送偏少4~10 g/(cm·hPa·s),导致暖区暴雨漏报;采用美国全球预报系统(NCEP-GFS)分析场初始化明显改善了雨带位置预报,采用WSM6云微物理方案及收紧积云对流参数化方案中对流触发条件改善了切变线降水中心位置和量级预报,暖区降水量级也由小到中雨增强至中到大雨。

2022年夏季西北干旱区一次持续性高温的成因分析

利用站点资料和高分辨率再分析资料,对2022年西北干旱区夏季一次持续性高温天气进行诊断分析,并对高温的贡献因子作定量估计。研究结果表明:(1)研究区内高温达2092个站次,主要分布在西北干旱区偏北区域,其中108个站最高温突破近40年历史极值,98个站高温持续日数超过10天,均属历史罕见。(2)此次高温过程影响范围广,持续时间长。高温持续期,南亚高压中心位置较同期偏北,强度较同期偏强。过程前期受中高层暖脊影响,在过渡期暖脊东移,大陆高压逐渐东伸,后期大陆高压发展强盛,并向东延伸与西伸的西太平洋副热带高压(以下简称西太副高)相互连通,影响西北区大部分区域。西北区境内水汽辐散偏强,不易形成降水,同时下沉气流异常偏强,高层空气下沉增温,有利于高温天气的发展与维持。(3)无论是过程前期还是后期,温度平流项在升温过程中贡献较小,而垂直输送项和非绝热加热项均是影响极端高温天气的关键因子,从影响因子类别角度,过程前期以动力因子贡献为主,形成稳定热穹顶后,在过程后期以热力贡献占主导地位。

台风“美莎克”对黑龙江的影响及其非对称结构特征

使用常规观测资料及ERA5(0.25°×0.25°)再分析资料,对2009号台风“美莎克”进行分析。结果表明:此次过程,副热带高压异常强大,位置偏北,并与北侧阻高合并形成高压坝阻挡;“美莎克”沿副高外围北上与中纬度低涡及冷空气相互作用,变性后斜压性明显加大,低涡增强;“美莎克”携带大量水汽,同时中低空急流将海上水汽持续向黑龙江输送,并在黑龙江强烈辐合,形成强的水汽辐合区和水汽辐合带;高低空急流耦合构成强的垂直环流,对应非常强的垂直上升速度;副热带高压向西北伸展,高空引导气流和热成风方向转为西北-东南向,促使“美莎克”登陆后向西北移动,穿过黑龙江,是黑龙江出现大暴雨的主要原因。分析台风中心涡度、散度、垂直速度、位温、湿位涡等物理量的三维结构变化,认识台风在北上登陆中的变性过程以及降水出现非对称结构的原因。

山东一次春季冷空气10级大风的天气成因

2020年3月18日中午至夜间,山西、河北、北京、天津和山东等地先后出现阵风10级及以上强风天气。利用风廓线雷达、国家级地面气象观测站和欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)第五代大气再分析数据(ECMWF Reanalysis v5,ERA5)等资料,对强风过程的天气学成因进行了分析。结果表明:强风发生在低空暖脊异常发展的热力环境条件下,冷锋自黄土高原下到华北平原,中层锋消,垂直方向上发生“断裂”,低层冷锋先行侵入热低压,在锋生过程中发生。强风具有显著的非地转瞬变特征,低层强冷平流是强变压梯度产生的主要因素,变压风叠加在快速移动的冷锋系统中诱发大风,变压风是重要组成部分;低空动量下传效应引起低层风速波动,但不足以直接诱发强风。

威宁一次降雹过程的雷达回波特征分析

文章利用威宁新一代天气雷达观测资料,结合常规气象观测资料,对2019-08-13下午出现在威宁的一次冰雹天气过程进行了分析。结果表明,500 hPa上的偏北冷气流与700 hPa上的西南暖湿气流形成的上冷下暖的不稳定结构是发生此次冰雹过程的主要原因;降雹时回波强度、垂直累积液态含水量并未达到最大值,降雹后回波强度、垂直累积液态含水量进一步增强后才逐渐减弱消散;强中心回波强度达60 dBZ和垂直累积液态含水量跃增可作为冰雹发生的重要指标。

一次华南飑线的观测分析和数值模拟研究

利用多种气象观测资料和高分辨率的数值模拟结果,对2020年5月11日华南地区一次飑线的初生、增强、成熟和衰亡等4个阶段的对流组织特征和模态的演变及机理进行了分析。结果表明:该飑线发生于高空急流入口右侧的高空辐散区,伴随着南支槽的加深东移,低层暖湿平流以及地面的中尺度辐合线为其提供了有利的水汽、热力和抬升触发条件。初始阶段,飑线呈断线型发展,在较大的环境热力条件下具有中到强的对流有效位能和最大的对流抑制。成熟期形成拖尾层状云型飑线,低层风切变和冷池强度逐渐达到平衡状态。在衰亡阶段,飑线的组织模态发生转变,其中环境热力条件是后向新生型对流单体发生的主要原因,且低层不同的水汽和风切变条件也对模态的变异存在一定作用。在华南地区,以断线型模态生成拖尾层状云型模态的飑线所需的对流有效位能更高,且飑线的维持也需要更强的热力条件。对流有效位能、对流抑制能量、粗理查森数、风暴相对螺旋度等在对流单体形成的种类和组织模态方面均有一定的指示意义。

辽东半岛一次湿下击暴流过程分析

2020年9月11日辽东半岛南部发生了一次强对流天气,并出现了湿下击暴流,大连金州得胜站地面最大阵风达到21.7 m·s^(-1)。本文利用常规气象资料、大连多普勒天气雷达资料、欧洲中期天气预报中心第5代全球再分析资料和高分辨率中尺度数值模拟资料,对此次湿下击暴流天气过程的环流背景、对流风暴发生发展环境及其回波特征等进行分析。结果表明:(1)此次强对流天气发生在北上台风变性形成的高空冷涡东部西南风与东南风的切变线上,地面辐合线和低空急流是触发初始对流的直接系统,初始对流在高空辐散耦合作用下发展加强;对流系统西移登陆至地面冷池与其东部暖空气之间形成锋生带上,辐合抬升作用加强,促使对流系统组织化程度更高、强度更强。(2)高温、高湿、对流不稳定层结是对流系统发生发展的有利环境条件。强对流发生前,探空曲线“上干下湿”、呈“V”型分布,抬升凝结高度明显下降;湿下击暴流发生时,径向速度垂直分布为中层径向辐合、低层辐散;瞬时大风出现前后,大连多普勒天气雷达在高、低仰角均探测到超过45 dBZ强反射率因子缺口,高仰角强反射率因子缺口先于低仰角出现,通过监测高仰角强反射率因子的变化,对湿下击暴流有一定的预警作用。

一次TS型线状对流不同阶段LMI闪电特征分析

以2019年一次尾随层状(TS)型线状对流为研究个例,利用FY-4A闪电成像仪(LMI)观测资料、雷达组合反射率因子资料、地基闪电定位(ADTD)观测资料、FY-4A云顶亮温(TBB)资料和其他常规观测资料,对比分析LMI闪电数据在TS型线状对流3个不同演变阶段的数据可靠性及观测特征。结果表明:TS型线状对流不同演变阶段LMI观测的闪电具有一定的时空连续性,其分布与ADTD的闪电分布总体一致;对流发展阶段,LMI闪电位置略超前于TS型线状对流前导对流线,对未来0~1 h对流发展具有提前指示意义;对流成熟阶段,LMI观测的闪电与前导对流线位置较为一致,对线状对流发展具有监测意义;对流减弱阶段,LMI闪电一部分位于减弱的前导对流线中,另一部分位于其后侧尾随的积层混合云中。给出TS型线状对流不同演变阶段LMI闪电特征模型图,为LMI闪电产品在对流天气监测预警中的应用提供一定参考。

川南一次准正压类强对流天气的综合分析

就四川而言,相较于斜压大气中的强对流天气,准正压大气中的强对流天气出现概率低,突发性更强,监测和预报难度更大。本文基于气象站观测资料、雷达组合反射率拼图、气象卫星的TBB资料以及NCEP和ERA5再分析资料,运用天气学、卫星气象学和雷达气象学方法,对2022年8月5日四川南部地区发生的准正压类强对流天气进行了综合分析。结果表明:本次强对流天气以雷暴大风和短时强降雨为主,持续时间约2 h,其间气象要素变化剧烈;主要影响系统为高层的南亚高压、中低层的季风低压倒槽和地面热低压;高CAPE值、“上干下湿”的湿度层结、弱垂直风切变、低层辐合、高层辐散和深厚的上升运动是强对流天气出现的有利环境条件;低压倒槽前的云带在川南演变为对流云团,多中心带状雷暴群的NE段在川南演变为团状雷暴群,雷暴大风和短时强降雨与冷云中心、高TBB梯度、高反射率梯度、反射率大小及其维持时间存在较好的对应关系。

抚州“5.5”特大暴雨成因及中尺度特征

为了做好特大暴雨的预报预警工作,利用常规气象资料、天气图、NCEP再分析资料和卫星云图等,对2023-05-05-2023-05-06江西省抚州市特大暴雨过程进行分析。结果表明:抚州市200 hPa急流辐散区,500 hPa乌拉尔山阻塞高压,巴尔喀什湖切断低涡内分裂小槽东移为特大暴雨过程提供了有利的环流条件;850 hPa切变线、地面冷锋、静止锋、中尺度辐合中心是此次特大暴雨的直接影响系统;中低层西南低涡稳定少动,东部850和925 hPa有低空和超低空西南风急流稳定维持,是产生此次特大暴雨的关键因素;赣东地区850 hPa比湿达15 g/kg,假相当位温达346 K,平均对流有效位能大值区中心值达1 250 J/kg,为此次特大暴雨提供了有利的水汽和不稳定能量条件;此次特大暴雨过程是由多个对流云团和中尺度对流复合体造成的,武夷山西麓迎风坡地形对暴雨增幅有重要作用。研究结果为江西抚州特大暴雨预报预警提供了分析依据。

2023年5月4—5日铜鼓大暴雨天气分析

为了做好铜鼓大暴雨天气的预警预报工作,文章使用江西省气象资料查询系统和铜鼓县国家基本气象站气象数据、MICAPS平台、江西雷达拼图平台和宜春SA雷达基数据反演PUP产品等资料,对2023-05-04—2023-05-05铜鼓县大暴雨过程进行分析。结果表明:铜鼓大暴雨过程中,铜鼓国家基本气象站降雨量为152.7 mm/12 h,赣西北和赣东北为两个暴雨区;铜鼓国家基本气象站地面气象要素中,2 min平均风速和分钟内最大瞬时风速均较小;在两次短时强降水出现前,2 min平均风速和分钟内最大瞬时风速都有一个峰值;气温、水汽压变化较小;本站气压在短时强降水发生前有个升压过程,在短时强降水结束后有个降压过程;短时强降水高峰期不是闪电频次最密集时段;铜鼓大暴雨的天气系统在100 hPa高度上有明显出流区、500 hPa低槽、850 hPa切变(低涡)和西南急流、地面西南倒槽,在倒槽中江西北部存在辐合线;铜鼓回波特征为絮状回波团和回波短带;45 dBZ强回波面积≥100 km~2,强盛时强回波面积为457 km~2和650 km~2;强降水回波45 dBZ回波顶高度在7 km~8 km,比低质心强降水的回波顶偏高1 km~2 km。研究结果为监测预警铜鼓飑线天气提供了分析依据。

基于下垫面影响的上饶市大雾本地预报指标分析及释用技术方法

利用2015—2018年地面常规观测资料、探空资料和数值模式预报资料,使用上饶市强降水快速响应系统查询风速及降水资料,分析了江西省上饶市的大雾时空分布特征、天气形势特征、气象要素特征,以及本地大雾预报指标释用。使用完全预报方法建立上饶市本地辐射雾、平流雾天气的预报模型流程。结果表明:(1)上饶市大雾天气空间分布具有显著的地域性,东北部山区为大雾的高发区;西部滨湖平原地区为大雾少发区,说明下垫面属性是影响大雾生成的初始场;同时,地域、人口分布差异也是影响大雾的因素之一,人类社会活动频繁密集地区对大雾的生成发展有抑制作用。(2)冬春季出现频次最高,晴热高温少雨夏季不易形成大雾天气;大雾天气日变化特征也明显,一天中后半夜至凌晨出现大雾天气频次最高。(3)气象要素具有指示性和代表性,影响因子主要是降水量、相对湿度、气温和风速等。

“2023-07-25”鹰潭短时强降水过程分析

为了做好短时强降水的预警预报工作,文章使用MICAPS天气资料、江西WebGIS雷达拼图、自动气象站等资料,采用中尺度天气分析方法和雷达气象学原理,对2023-07-25鹰潭短时强降水过程进行了分析。结果表明:“7.25”鹰潭短时强降水是由500 hPa高空槽、700 hPa切变线和地面偏东气流共同作用引起的。强对流回波在信江河谷地带产生,在地面偏东南气流的作用下,回波稳定少动,造成鹰潭城区出现短时强降水。此次降水过程提示预警预报工作要警惕突然发展、稳定少动的回波,研究结果为短时强降水天气的预报提供了分析依据。

云南一次强对流暴雨天气学成因分析

为提高暴雨预报准确率,减少暴雨致灾损失,基于地面常规气象观测资料、卫星云图反演的云顶亮温(Black Body Temperature,TBB)资料及美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)再分析资料,对2017年8月云南一次强对流暴雨成因进行分析。结果表明:500 hPa低槽东移、700 hPa切变线南压、地面冷锋西推是此次降水过程发生的天气背景;中-β、中-α尺度对流系统(Mesoscale Convective System,MCS)是产生强对流暴雨的直接系统,强降雨主要出现在TBB梯度大值区;MCS与700 hPa切变线关系最为密切,切变线位于滇中以东地区,MCS呈椭圆状,沿切变线附近及后部发展,切变线靠近哀牢山或翻越后,MCS呈西北—东南向带状分布,沿切变线前部发展;切变线翻越哀牢山前,白天移动较快,主要产生雷暴天气,夜间移动缓慢,降雨较强;强对流暴雨需重点关注水汽通量辐合大值区、800 hPa与500 hPa温差大于20℃区域;强降雨时段,整层大气均为上升运动,强降雨区维持低层辐合、中高层辐散的动力抽吸机制。

2018年1月杭州市连续雨雪过程中雨雪转换气象条件分析

利用2018年1月下旬杭州及周边地区各气象观测站的逐小时地面气象要素观测资料、ERA-Interim逐6 h再分析资料,以及同时期微波辐射计、风廓线雷达和双偏振雷达资料,采用等熵位涡分析、物理量诊断等方法,分析了杭州市一次长时间连续雨雪过程的天气成因,并讨论了雨雪转换前后的气象要素特征。天气背景分析表明,200 hPa脊后辐散区和强西风急流提供了强上升运动,500 hPa倒“Ω”阻塞形势和以295 K等熵面高位涡值代表的低层冷空气提供了持续冷源。分析雨雪转换前后的气象要素发现,当700 hPa温度在-1℃以下,850—925 hPa为东北风,冷层温度低于-4℃时,杭州以降雪为主,反之将出现雨雪转换。不同的暖层和冷层厚度是造成27日降水相态不同的原因。温度高于-1℃暖层和温度低于-3.5℃冷层的厚度,可作为雨雪相态的判断指标。微波辐射计和风廓线雷达探测资料分析结果表明,雪转雨时,温度的变化开始于700 hPa高度,并逐渐向下传导,700 hPa温度的变化时间较850—925 hPa的提前约4~6 h,待低层冷层强度明显减弱后由降雪转为降雨。双偏振雷达差分反射率(Z_(DR))、零阶滞后相关系数(CC)和相态识别产品(HCL)分析结果表明,25日、27日两次雪转雨过程中25日层结温度较27日的低,冷层强度也较27日的强,是25日未出现纯雨的原因。通过分析雷达产品可大致分辨层结气温分布特征,并判断降水相态。

山东深秋一次暴雪过程雪水比影响因子分析

利用地面气象观测站资料、加密地面观测资料和欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)第五代大气再分析数据(ECMWF Reanalysis v5,ERA5;分辨率为0.25°×0.25°)逐小时资料,对山东2021年11月6—8日极端暴雪过程雪水比影响因子进行研究。结果显示:此次暴雪过程平均雪水比分布总体呈“北大南小、西大东小”的分布特征,降雪初期产生的雪水比小,降雪中后期产生的雪水比大;温度偏高、云内液态水含量较高的地区雪水比较小,温度偏低、云内液态水含量较低的地区雪水比较大;雪水比与地面气温、地表温度呈负相关,地面气温与雪水比的相关性最大,积雪产生之后地表温度与雪水比变化无明显相关。

“21·7”郑州极端强降水过程在贵阳市的推演

基于降水实况资料、高度场和风场再分析资料,对比分析了郑州“21·7”降水与贵州省“14·7”降水的成因,并利用Flood Area淹没模型对假定发生在贵阳的“21·7”强降水过程进行过程推演。结果表明:贵州省1 h、3 h、6 h、24 h极端降水量的空间分布特征基本相同,均具有自西北向东或向南递增的分布规律。西太平洋副热带高压、台风、高空槽、低涡切变均是郑州“21·7”和贵州“14·7”降水过程的重要影响系统,但系统的位置却大不相同,并且地形抬升作用对“21·7”降水过程至关重要。若郑州“21·7”降水发生在贵阳,贵阳淹没深度>2.4 m的区域将集中出现在云岩区和南明区的交界处、白云区中部、乌当区南部、花溪区北部,占贵阳市总面积的6.8%。对选定区域进行淹没模拟显示,随着降水量的增大,选定区域内淹没深度>2.4 m的增幅网格数呈现先增多后减少的变化趋势,而淹没深度>2.4 m的网格总数变化呈现前后增加缓慢、中间快速增加的变化特征。选定区域内各时次的淹没深度>2.4 m的网格总数和增幅网格数分别与各时效累积降水量和逐小时降水量呈明显的正相关。

台风摩羯(1814)引发山东持续性强降水的阶段性特征及其成因分析

利用中国气象局热带气旋资料中心的最佳路径、高空与地面观测、分钟级降水、雷达、卫星及再分析资料对1814号北上类登陆台风摩羯所引发的山东持续性强降水天气过程进行了分析。结果显示:摩羯影响期间,暴雨阶段性特征显著,台风本体降水及冷空气与台风相互作用所形成的降水远强于其他阶段。台风本体降水阶段暴雨范围大于冷空气与台风相互作用阶段,但雨强弱于冷空气与台风相互作用阶段。台风本体降水阶段低质心热带降水系统特征明显,而冷空气与台风相互作用阶段,高质心锋面降水特征明显。摩羯北上期间,水汽输送条件较常年显著异常,有利于持续性强降水发生。台风本体降水阶段主要强降水落区位于台风前进方向,冷空气与台风相互作用阶段主要强降水落区位于台风前进方向及右侧的螺旋雨带上。低空急流顶端、对流层中低层垂直风切变及地面辐合线决定了强降水落区。台风移动方向与等熵位涡长轴方向、高值中心移动方向一致。移动过程中,等熵位涡明显增高,这是由于高位涡冷空气向低层传输导致。摩羯登陆后期,螺旋雨带发展,中小尺度对流特征显著,与冷空气侵入锋生作用及地形分布有关。一方面冷空气与台风相互作用阶段锋生明显,另一方面山东的中东部地区高海拔地形抬升作用配合天气系统的锋生作用有利于对流系统发生增强,从而促进螺旋雨带的发展。

一场突发性局地大暴雨触发作用的分析和探讨

利用多种非常规高时空分辨率观测资料并结合ERA5(ECMWF Reanalysis V5)再分析资料,分析了2019年6月2日长春市区的一场突发性局地大暴雨的中尺度特征,结果发现,低层或高层冷中心、暖湿气流和冷池出流三者之间不同的相互作用是该过程两段不同强度降水产生的根本原因:第一时段降水较强,并伴有强雷电和冰雹,700 hPa附近较弱冷中心在低层偏南风急流作用下北移至长春站北部并叠加在高层强冷中心之下,其下沉气流在边界层顶附近受该处降水形成的冷池和冷锋后部冷平流阻挡向南回流,冷池出流强度增强并在长春站附近迫使强暖湿气流抬升,长春站上空层结不稳定性加强,当上游对流云团东移至该地时强烈发展,回波强度超过60 dBZ,后向传播作用形成东西向线状对流,列车效应显著;第二时段降水相对较弱,仅伴有雷电,长春上空中低层仍为暖平流控制,高层冷空气继续加强并南压,其下沉气流在边界层顶附近受低层急流作用向北辐散,冷平流较强并与第一阶段强降水产生的冷池出流(较弱冷平流)在长春站附近辐合,迫使其低层相对较暖的气团抬升,700 hPa以下转为垂直上升运动,对流云团移至该处再次发展并与周围对流云团合并形成线状对流群,但两支辐合气流均为冷平流,近地面层缺少热力条件配合,不利于上升气流加强和维持,强度不超过55 dBZ且质心较低,维持时间短。

我国南方冬季暴雪期间高空槽的发展变化个例研究

选取我国南方4次暴雪过程,利用欧洲中期天气预报中心ERA-Interim再分析资料,从准地转涡度方程出发,推导出扰动位涡拟能方程,从波动的角度研究暴雪期间高空槽的发展。结果表明,高空槽的出现对暴雪的发生发展极为重要,波流相互作用对高空槽的移动具有明显影响,槽底和槽前分别出现正效应和负效应,使得槽底出现正变高,槽前出现负变高,从而使得槽向东移动或者横槽转竖,有利于冷空气向南爆发和我国南方暴雪的产生。