一次冷涡背景下次天气尺度系统对强对流环境场的影响

在同一东北冷涡背景下,2016年6月12—13日山西境内连续2 d出现强对流天气,12日为分散性对流而13日为大范围强对流。基于多源资料通过对比探讨次天气尺度系统及其演变对风暴环境进而对风暴结构的影响,得出以下结论:(1)两日风暴强度和风暴结构差异显著。6月12日对流孤立分散且回波强度小于55 dBZ,而13日准线性风暴发展成尺度较大的弓形回波引发大范围强对流天气,回波强度达60 dBZ。(2)此次过程的关键影响系统为冷涡背景下的次天气尺度低涡。12日次天气尺度低压扰动开始出现,距离远而未影响山西;13日低压扰动东移发展为次天气尺度切断低涡,低涡相关的地面冷锋及850 hPa切变线触发山西上游对流。(3)12日低层水汽含量低,0~3 km垂直风切变弱,13日低涡前偏南水汽输送使低层显著增湿,叠加中层干冷空气形成不稳定层结,受低涡影响0~3 km风垂直切变增强至5.0×10-3s-1,冷锋触发的对流风暴在上述环境下强烈发展并产生阵风锋,阵风锋组织风暴形成飑线,冷池与0~3 km风切变相互作用使飑线维持。(4)13日有利于飑线发展的环境要素与东北冷涡西侧的次天气尺度切断低涡系统密切相关,次天气尺度低涡是飑线形成发展的关键系统。

“12·14雷打雪”过程的闪电特征及成因

2023年12月14日在山西和河北南部、河南北部、山东西部出现一次大到暴雪过程,并伴随频繁的闪电活动。利用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)资料以及闪电、大气电场仪、双偏振多普勒天气雷达等观测资料对此次“雷打雪”天气过程进行详细分析,得到以下研究结果:(1)此次“雷打雪”是一次明显的高架对流天气过程,低层一直存在逆温层,850~600 hPa为显著的暖湿平流,925 hPa以下近地面东北风形成的“冷垫”楔入到条件性对称不稳定层结下方,抬升暖湿空气,触发对流天气,释放不稳定能量,产生较强的上升运动。(2)降雪过程的雷电活动比较活跃,闪电频数高达99次·(10 min)^(-1),云闪和地闪比例为1.7∶1,正地闪的占比为19.4%。此次“雷打雪”天气过程的闪电空间分布和走向与强降雪落区表现出良好的一致性,闪电密集区域对应强降雪区域,74%的暴雪站周围30 km范围内出现闪电,100%的大暴雪站周围30 km内发生了闪电。(3)高空正K_(DP)区域与地面降水率的增大密切相关。总闪电与6 km等高层雷达回波的空间一致性很好,基本分布在大于20 dBZ的云区内,闪电落区的回波顶高几乎都在5 km以上。雷达发现在5~8 km的高度范围出现Z_(DR)和K_(DP)的正值区,揭示云内存在明显的垂直上升运动和过冷却液态水,存在良好云内起电条件,结合地面电场观测资料和闪电资料,推测此次降雪云系的电荷结构为上正下负的电荷结构。

基于机器学习的多源实况分析产品和观测数据融合应用试验

利用中国气象局公共气象服务中心地面实况专业服务产品(CARAS_SUR1 km,简记为“CAR”)、国家气象信息中心多源融合实况分析产品(ART_1 km,简记为“ART”)、全国雷达反演降水产品(简记为“RAD”)、风云四号卫星反演降水产品(简记为“SAT”)以及全国气象观测站逐小时资料,应用机器学习方法建立了基于选定位置气温、降水、风向、风速要素的实况融合应用模型(简记为“GBDT模型”)。15 d逐时GBDT融合产品的全国分区域检验结果表明:GBDT气温融合产品在东北、华北、西北、华中、新疆、西藏6个区域较CAR和ART均有改进,在西藏的改进最明显,在华东和西南GBDT融合产品优于ART而逊于CAR,在华南和内蒙古GBDT融合产品误差较ART、CAR略有增加;GBDT降水融合产品在样本偏少的内蒙古较ART、CAR误差略有增加,其他区域有改进或基本相当;GBDT风速、风向融合产品较ART、CAR均有较大改进。试验结果表明,机器学习方法可应用于融合多源实况分析产品和观测数据,以开展选定位置气温、降水、风向、风速要素的实况气象信息服务。

“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。

“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。

山东一次典型持续冰雹过程的闪电活动和雷达特征分析

2020年6月1日下午至夜间,山东部分地区出现降雹天气,利用卫星和雷达以及闪电探测资料详细分析此次降雹过程的闪电和雷达参量特征。结果表明:(1)鲁北和鲁中雹暴闪电活动的主要差异为:鲁中雹暴的对流强度强于鲁北雹暴,其正地闪比例和正地闪平均强度明显高于鲁北雹暴。其相同特征为:在开始阶段正地闪比例和云闪占总闪电的比例较高;在地面降雹开始之前总闪电频数均出现跃增,其峰值提前降雹6~18 min,同时云闪表现更加活跃;地面出现降雹之后,云闪频数快速下降,地闪占总闪电比增加,甚至超过50%。(2)雹暴的闪电活动均发生在云顶温度小于-50℃的云区内,且密集出现在云顶温度小于-60℃的范围内。闪电主要发生在30 dBZ以上回波区域,密集的云闪对应强对流区,表明云内垂直运动剧烈。负地闪与差分相移率KDP>0.5 (°)·km-1和差分反射率ZDR>2.0 dB的区域对应关系非常一致,表明负地闪与强降水区密切相关。雹暴回波穹隆区的ZDR值较高、零滞后相关系数(Cc)值较低,很好地指示了上升气流区。较高的水平反射率因子(ZH)和较低的Cc以及较低的ZDR区域对应冰雹粒子区域。闪电很好地对应于云内霰、湿雪、冰雹、干雪等大的冰相粒子区。(3)0℃以上ZDR≥1.0 dB的体积、ZH≥30 dBZ的体积、ZH≥30 dBZ的冰水含量与总闪电频数的时间演变趋势基本一致,其与总闪电频数的相关系数分别为0.756、0.780和0.710,进一步证实大的冰相粒子在起电过程中发挥着主导作用。

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。

未来北极夏季陆面气温变化区域特征及其与北大西洋海面温度的关系

未来变暖背景下北极气候变化特征研究具有重要意义,基于国际耦合模式比较计划第六阶段(Coupled Model Intercomparison Project Phase 6,CMIP6)中对北极气候变化模拟能力较好的模式模拟结果,研究SSP2-4.5情景下21世纪北极2 m气温的时空变化特征及其影响因素。结果表明:(1)极地陆地的欧亚大陆(Eurasia, EA)和北美-格陵兰(Greenland, GL)对全球变暖具有不同的响应。EA在21世纪中叶前变暖趋势显著,之后主要表现为年代际尺度的冷暖振荡;GL则始终保持增暖趋势。EA、GL分区气温均存在年际、年代际(10~20 a)尺度上的波动,GL分区还存在20~40 a的准周期变化。(2)前冬北大西洋涛动正位相会引起次年夏季北大西洋呈南北向“-、+、-”三极型海面温度异常,并通过影响大气环流导致EA分区气温正异常,这种影响主要体现在年代际尺度上。(3)北大西洋多年代际振荡为正异常时,北美至格陵兰位势高度偏高,GL分区增暖,并且这种影响在21世纪70年代后更重要;北太平洋北部的海面温度正异常对GL分区增温也有贡献。

2203号台风“暹芭”的路径预报偏差及思考

针对2022年第3号台风“暹芭”的主要特点和预报难点问题进行分析和研究,得出如下主要结论:“暹芭”是2022年首个登陆我国的台风,在华南登陆减弱后,其残余环流继续北上,与西风带系统共同影响我国华中、华东、华北及东北等地的部分地区;累计雨量大、风雨强度强;台风外围出现多个龙卷。主要的预报难点问题有:弱台风准确定位问题表现突出,引进新的卫星产品有助于提高定位精度;72 h路径预报的偏差问题主要是由于模式对东台风、大陆高压和南压高压、西风急流等关键系统的预报偏差引起;台风登陆后北上长时间维持(含减弱后的残涡)的预报问题需关注持续的水汽通道和高层出流条件变化。

ERA5资料在蓟州复杂地形下的检验与应用

以复杂地形的天津蓟州为例,通过对比距离蓟州最近的大兴探空站资料与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)资料的差异,对基于ERA5资料生成的强对流指数在蓟州的适用性进行检验和评估。结果表明:(1)ERA5资料与大兴探空站探测的位势高度、气温和风速在对流层高度吻合,说明ERA5资料能够描述蓟州高空气象条件,且对低空的表现能力比高空准确,各要素中大气湿度的表现相对较差;(2)基于ERA5生成的对流指数中,与强对流天气密切相关的对流有效位能(convective available potential energy, CAPE)、K指数、沙瓦特指数(Showalter index, SI)和大气可降水量(precipitable water, PW)与大兴探空站对应参数的相关系数分别达到0.66、0.90、0.93和0.99,表明利用ERA5构建的对流指数能够揭示大气不稳定层结条件;(3)ERA5对流指数变化与蓟州降水过程相对应,ERA5能够反映天气的变化和发展,为强对流潜势分析提供参考。

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。

基于多种机器学习模型的夏季北冰洋海雾卫星检测方法研究

利用2014—2018年6—9月Aqua/MODIS提供的光谱数据、海面温度数据及其他辅助数据,基于CALIOP L2 VFM产品中云底高度提取的海雾、云和海表标签,建立3类样本数据集。结合使用K折交叉验证法、网格搜索法和粒子群优化算法训练随机森林(random forest, RF)、支持向量机(support vector machine, SVM)、多层感知机(multilayer perceptron, MLP)和全卷积神经网络(fully convolutional network, FCN)4种不同的机器学习模型,对比模型在北冰洋夏季海雾检测中的表现。结果显示,RF、SVM、MLP和FCN均表现出一定的海雾检测能力,检出率(probability of detection, POD)均超过70%。其中,FCN表现出最稳健的综合性能,POD达到79.91%,虚警率达到较低的24.90%,关键成功指数达到63.17%。

四种检验方法在山东暴雪预报中的应用对比

利用山东122个国家级地面气象观测站2017—2021年中1—3月和11—12月“24 h降雪量p≥10.0 mm”的暴雪实况资料,采用二分类法、邻域空间检验法(以下简称“邻域法”)、时间偏移法和量级模糊法等4种方法对山东暴雪预报进行检验与对比。结果表明:(1)山东暴雪具有明显的时空分布特征,暴雪主要出现在半岛北部地区,鲁东南和半岛南部产生暴雪的概率最小;暴雪出现次数的年际变化和月际变化较大,最多年份出现98次,最少年份仅有5次,2月是高发月,占全年暴雪总次数的38.5%。(2)现行业务中应用最广泛的二分类法检验的预报命中率较低,其中24 h预报命中率仅为12.08%,主要原因是该方法受到空间、时间和量级的多重影响,不能精细准确地反映预报能力。(3)邻域法、时间偏移法和量级模糊法对24 h的暴雪预报命中率分别为14.40%、14.69%和30.05%;相较于二分类法,这3种检验方法的预报命中率均有较大幅度提高,空报率和漏报率均有较大幅度下降。(4)融合邻域法、时间偏移法和量级模糊法的综合检验法,能从空间、时间和量级3个维度区分出预报差异,检验结果更加精细准确,有利于引导预报员放下“检验评分低”的思想包袱,做出更加科学客观的预报,进一步提升预报服务效果。

ENSO事件下赤道中东太平洋海温场非对称性特征

利用1950—2020年冬季HadISST逐月海面温度(sea surface temperature, SST)资料、SODAv2.2.4逐月SST和三维海洋流速同化资料以及NCEP/NCAR 2 m高度上的逐月气温(surface air temperature, SAT)资料,使用非对称合成差分析方法、海洋混合层热量收支诊断方法等,探究El Ni1o事件和La Ni1a事件下造成赤道东太平洋(E区:110°W~80°W,10°S~10°N)、赤道中太平洋(C区:160°E~170°W,10°S~10°N)SST异常场显著不同非对称性特征的可能海洋动力过程,分析ENSO事件非对称强迫下2 m高度上SAT异常场的非对称空间响应。结果表明:E区El Ni1o事件的强度显著强于La Ni1a事件,C区则相反。非线性动力学加热作用对E区和C区El Ni1o年和La Ni1a年SST异常场的非对称分量都起到了正反馈作用,是造成这两个区域SST异常场产生正、负非对称分量的主导动力因子。埃克曼输送作用不利于E区SST异常场正非对称分量的形成,但有利于C区SST异常场负非对称分量的形成。平均流、纬向平流和温跃层的非对称正反馈作用阻碍了C区SST异常场负非对称分量的形成。2 m高度上SAT异常场的非对称分布与SST异常场的非对称分布较为一致,但SAT异常场正、负非对称分量的显著范围明显减小,部分区域的非对称结果不显著。

2023年秋季海洋天气评述

2023年秋季(9—11月)北半球极涡为单极型分布,中高纬度地区呈5波型,欧亚大陆西风环流较为平直,西风带槽脊较弱。我国近海共出现16次8级以上大风过程,其中热带气旋大风过程3次,热带气旋与冷空气共同影响的大风过程3次,冷空气和温带气旋共同影响的大风过程3次,冷空气大风过程7次。西北太平洋和南海共生成4个热带气旋,热带气旋活动较常年偏少,全球其他海域生成热带气旋22个。近海出现2.0 m以上大浪过程17次,大浪日数占秋季总日数约71%。近海海面温度较常年平均偏高。

西北太平洋上层海洋对台风“巴威”(2008)的响应分析

基于多源卫星遥感数据、Argo浮标数据和HYCOM(HYbrid Coordinate Ocean Model)再分析数据,分析上层海洋对2020年第8号北上强台风“巴威”的温盐响应特征,结果表明:(1)台风中心附近埃克曼(Ekman)抽吸引起上升流,表层以下海水辐合高盐冷水上翻,Ekman输运方向由台风路径指向路径两侧沿岸,海水在黄海两侧沿岸堆积引起下降流。由此导致台风路径附近海面温度(sea surface temperature, SST)与海面高度(sea surface height, SSH)下降,海面盐度(sea surface salinity, SSS)上升,路径两侧沿岸SSH上升,次表层海水温度增加和盐度降低。(2)由于台风前进方向右侧的风速更大,右侧Ekman输运强度比左侧大。台风更靠近右侧陆地,地形阻挡导致风速减小,在济州岛西南侧的海域上空10 m风呈现反气旋旋转,出现负Ekman抽吸速率(Ekman pumping velocity, EPV),为下降流,所以在台风和济州岛之间的海域存在着由强烈上升流到下降流的转变。这会让原本台风前进方向右侧强的夹卷和垂直混合进一步加强。这就导致了SST下降和SSS上升在台风前进方向右侧更为显著。(3)除了夹卷和垂直混合,台风前进方向右侧SSS的增加还与表层海水由南向北的水平流动有关。

2022年夏季中国高温的环流异常特征

基于美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)全球范围扩展重建海面温度资料第5版本(Extended Reconstructed Sea Surface Temperature version 5,ERSSTv5),以及美国国家环境预报中心和国家大气研究中心NCEP(National Centers for Environmental Prediction)/NCAR(National Center for Atmospheric Research)逐月全球再分析资料,采用相关、回归、合成及物理量诊断等方法,对2022年夏季中国大范围高温相关环流异常的可能成因进行了分析。结果表明:(1)2022年夏季南亚高压偏强并分别向东、西方向扩展,西太平洋副热带高压(以下简称“副高”)异常偏强西伸。2022夏季为拉尼娜(La Nina)年,但热带大西洋垂直上升环流相对西太平洋更强,且热带印度洋到西太平洋热带垂直上升环流异常也偏强。(2)2022年热带大西洋、印度洋到西太平洋上空垂直环流异常和La Nina共同作用,使得夏季南亚高压和西太平洋副高极端异常。La Nina和印度洋到西太平洋垂直环流异常有利于南亚高压和西太平洋副高的偏强西伸;热带大西洋环流异常则既有利于南亚高压的加强及东扩,也有利于西太平洋副高偏强西伸。(3)印度洋到西太平洋垂直环流主要通过局地经向哈得来(Hadley)环流影响青藏高原到中国东部的环流异常,表现为青藏高原到中国东部中低层为显著的辐散异常;热带大西洋则通过引起纬向风异常(急流异常),激发遥相关波列并向下游传播,进而影响青藏高原到中国东部地区的环流异常。

秋季西北太平洋上热带气旋研究进展及展望

西北太平洋是全球热带气旋生成频数最多的区域,相较于夏季热带气旋,对于秋季热带气旋的研究相对较少。随着2000年后登陆我国的秋季热带气旋中超强台风的比例逐渐增多,并对我国造成严重的灾害,秋季热带气旋的研究受到越来越多的关注。对西北太平洋秋季热带气旋的研究进展进行回顾和总结,主要包括秋季西北太平洋上热带气旋的活动特征、影响因子以及登陆我国热带气旋的特征与影响等3方面,并对研究秋季热带气旋的未来方向进行了展望。

边界层高度和动量粗糙度的不确定性对台风“天鸽”(1713)模拟的影响

基于中国气象局区域台风数值预报系统(CMA-TYM),通过一系列敏感性试验,分析研究了台风“天鸽”(1713)生命过程中不同时间阶段的移动路径及强度的数值模拟对模式参数化方案中边界层高度(h)和动量粗糙度(z0)的敏感性。试验结果表明,使用不同参数化方案计算的h在“天鸽”(1713)初期的热带风暴阶段对热带气旋的移动路径有较明显的影响,在台风成熟后对热带气旋的移动路径影响不显著;台风中心附近最大10 m风速对h的变化不敏感,而最低海平面气压对h的变化却非常敏感。同时发现在台风发展初期阶段,边界层过薄或过厚都不利于台风强度的发展加强。这表明边界层高度h在热带气旋数值模拟和预报中是非常重要的,尤其是在台风发展的初期阶段。动量粗糙度z0的变化对台风“天鸽”的影响主要体现在台风增强阶段,台风中心附近10 m风速最大值在台风增强阶段对z0敏感,尤其是在台风发展的初期阶段。