“23·8”黑龙江极端强降水过程特征与成因

利用多源观测资料及ERA5(ECMWF reanalysis version 5)再分析资料,从气候统计、天气分析及物理量诊断等角度,分析2023年8月2—4日黑龙江省东南部一次极端强降水过程。高空持续辐散、副热带高压和东北北部冷涡稳定少动、西南低空急流持续水汽输送等有利条件是此次强降水过程持续时间较长的主要原因。该过程可分为两个阶段:第1阶段,经向水汽净收入层和大气饱和层深厚,大气层结为弱对流不稳定;中层受西北气流控制,低层西南急流发展、伴随弱低涡东移,形成水平风速辐合及系统性上升运动,产生大范围持续性降水;该阶段以层积混合云为主,降水效率高,个别时段伴有列车效应,造成极端小时降水量及较大累积降水量。第2阶段,经向水汽净收入集中在对流层低层,且中心强度较大,对流层低层暖湿、饱和,中高层干冷,大气具有较强对流不稳定;在中层槽和低层暖式切变的系统性抬升以及地形辐合抬升的共同作用下,局地有积云发展,引发短时强降水,降水强度分布不均。

江淮梅雨期持续性暴雨和极端强降水事件的位涡比较分析

基于我国气象台站观测降水数据和欧洲中期天气预报中心(ECMWF)第五代大气再分析资料(ERA5),从位势涡度(位涡)强迫垂直运动的角度,揭示了江淮梅雨期持续性暴雨和极端强降水事件的动力学机制及差异。基于改进的两种事件定义方法,识别出1979—2020年梅雨区共发生了24次持续性暴雨事件及24次极端强降水事件。事件合成分析表明,持续性暴雨事件最强雨带主要位于长江及其以南地区,而极端强降水事件最强雨带则位于长江及其以北地区。持续性暴雨事件与热带大气低频振荡密切相关,其中南亚高压偏东、西北太平洋副热带高压偏西,因而高空偏南的西风急流附近具有高值位涡的干冷空气向南和向低空入侵,在中低层与西南暖湿气流辐合并形成梅雨锋区。极端强降水事件更大程度地取决于偏北的西风急流南侧的高空辐散及位涡强迫的强冷空气。对于极端强降水事件位涡收支的定量诊断表明,在强降水达到峰值及之前,高层负的位涡倾向主要由负的垂直位涡平流所导致,而中低层正的位涡倾向则主要取决于垂直非绝热加热的位涡制造和垂直位涡平流。结合典型个例的垂直速度分解,进一步证实梅雨区上空水平位涡平流随高度增加的垂直分布激发的上升运动分量在极端强降水事件起着重要作用。

“23·7”华北极端强降水特征和水汽条件研究

利用地面气象站降水资料和ERA5再分析资料,对2023年7月29日—8月1日华北极端强降水的特征和水汽条件进行研究。结果表明,“23·7”华北极端强降水具有降水时间长、累计降水量大的特征,表现出显著极端性。降水主要位于太行山和燕山山前,最大降水带与山脉走向基本一致。极端强降水期间存在显著的环流异常,偏北的副热带高空急流、异常偏北的西太平洋副热带高压是导致此次极端强降水的关键环流;北上的台风“杜苏芮”残余环流、台风“卡努”和低空急流等是此次极端强降水的主要影响天气系统。此次极端强降水的水汽条件存在显著的阶段性特征,7月29日08时—31日08时主要降水区域低层辐合、高层辐散和上升运动较强,低层气旋式风场发展深厚,水汽由台风“杜苏芮”残余环流近距离输送及“卡努”接力输送,并以前者为主,京津冀地区整层水汽处于净流入状态,最大水汽净流入速度达1.5×10~8 kg/s;7月31日08时—8月1日08时上升运动、对流层低层辐合和高层辐散均显著减弱,低层气旋式风场厚度收缩,“杜苏芮”残余环流消亡,仅由台风“卡努”远距离输送水汽,京津冀地区整层水汽处于净流出状态,最大水汽净流出速度为5×10~7 kg/s。太行山和燕山地形的阻挡作用使得水汽辐合中心长时间滞留,同时其摩擦作用可能有利于山前上升运动增强,为本次极端强降水提供了有利条件。

保定市“23·7”极端强降水过程预报服务复盘及思考

随着经济社会的发展,近年来暴雨造成的经济损失逐渐增加,政府决策、各行业(部门)防灾减灾联动,以及公众避险等方面的需求给气象部门的预报服务工作提出了更大挑战。能否成功提前、精准预报出暴雨等灾害性天气过程的演变并及时开展相关气象服务保障工作,直接关系到后续人民生命财产和经济社会发展所面临的灾害风险高低,也决定了后续防范应对工作的效益。

川东北极端强降水预报方法对比研究

【目的】为了建立川东北最佳极端强降水概率预报方程。【方法】利用ERA时间间隔为1 h的0.25°×0.25°再分析资料,计算1990—2019年5—9月逐日4个时次的物理量,统计分析极端强降水个例物理量异常度,采用4种实验方法对比分析并建立预报方程。【结果】(1)异常度较明显因子分别为700 hPa比湿、850 hPa比湿、700 hPa水汽通量散度、850 hPa水汽通量散度、500 hPa垂直速度、700 hPa垂直速度、850 hPa垂直速度,大部分平均异常度绝对值在1.5以上,K指数和假相当位温相当,08时总体比其他时次异常度明显。(2)预报方程预报结果。样本内检验,该预报概率平均值为0.652,60%的百分位值为0.623,预报概率最大值为0.999。样本外检验,预报指数阈值为0.6时,平均准确率达到了90%,平均空报率为9.3%,平均漏报率为0.7%,其中有13站的漏报率为0%;以0.65为阈值检验,平均准确率达到了92.4%,平均空报率为6.9%,平均漏报率为0.7%,其中有13站的漏报率为0%,预报效果更佳。【结论】极端强降水概率预报方程具有较好的预报效果。

鄂东北春季三类典型极端强降水特征分析

利用1961—2020年降水资料、NCEP/NCAR 2.5°×2.5°和ERA5资料,对鄂东北春季极端强降水个例天气系统及物理量的异常度、配置与降水落区的关系进行分类对比研究。结果发现:(1)鄂东北春季极端强降水有3种典型形势,即地面倒槽型、冷锋前沿型、暖低压型。3类极端强降水过程500 hPa均有南支槽缓慢东移,湖北以东、东北地区到日本有异常强的高压或高压脊,东高西低的形势使降水持续时间长。850 hPa偏南急流异常强盛,鄂东北位于切变辐合区。强降水发生前地面暖低压异常发展,为强降水提供了有利的环境条件。(2)鄂东北大多数春季极端强降水与低层水汽、中低层垂直速度的异常密切相关。鄂东北及周边为低层水汽辐合和垂直速度异常度绝对值之和大值区。

青岛市极端强降水阈值及其分布特征

根据青岛市2006—2017年4—10月小时降水资料,采用5种计算极端强降水阈值的方法比较分析,得到适用于青岛地区极端强降水阈值的计算方法。结果表明,Z指数转换法效果最佳。计算青岛地区95%、98%和99%百分位小时极端强降水阈值,发现在青岛平度北部和南部、莱西北部、崂山山前、黄岛南部沿海存在大值区,结合小时历史降雨量极值分布图,综合分析得到3处强降水重点关注区域,分别为青岛北部、崂山山前、黄岛南部沿海可以为防灾减灾提供参考。

台风“杜苏芮”引发南安市极端强降水的特征及预报效果检验

利用S波段雷达、常规观测资料、数值预报产品等多源资料,分析2023年第5号台风“杜苏芮”引发南安市强降水发展的主要特征。结果表明,此次过程有两次明显降水阶段,分别由台风本体和尾流造成,在雷达上特征表现为组合回波强。第一阶段为台风登陆后,不对称结构加剧,南安市处于东南气流与东北气流的交界处,有良好的水汽及抬升运动条件,是暴雨产生和持续的重要因素;第二阶段强降水是尾流带上有中尺度对流单体发展生成,并连成一条线形成列车效应,持续影响南安市,产生极端强降水。

准双周振荡对榆林夏季极端强降水的影响

利用榆林12个国家气象站1979—2019年的5—9月的汛期逐日降水资料和NCEP-DOE再分析资料,对榆林汛期极端强降水进行了遴选,分析了准双周振荡对榆林夏季极端强降水的影响,合成了榆林夏季极端强降水的要素场,并提炼了相关概念模型,利用该概念模型对榆林2019年夏季5次极端强降水事件进行了分析。结果表明:(1)榆林市夏季降水具有显著准双周(10~30 d)振荡特征;(2)整个汛期极端强降水呈现单峰分布,从5月入汛后,极端强降水事件增多,8月达到峰值,高频区位于西部的定边,西北部的榆阳、横山、神木;(3)极端强降水对应的准双周振荡环流特征表现为副高西伸北抬,伴随西风带低值系统的东移,副热带西风急流北抬;物理场上高层辐散、中低层辐合,强辐合伸展至500 hPa;500、700 hPa风为气旋式辐合的西南风,850hPa先后表现为西南—东南—东北风的转变;整层水汽场上为西南风水汽输送;(4)利用概念模型诊断已出现的极端降水事件,只有一小部分符合其特征,这可能与模型建立时应用了距平处理和滤波处理对中小系统进行了平滑和过滤有关。

2023年7月12-13日洋县短时极端强降水过程分析

利用常规观测资料,对2023年7月12-13日发生在洋县的一次短时极端强降水过程进行诊断分析。结果表明,此次极端强降水是在副高外围,蒙古低槽冷空气和南支槽前暖空气在陕西西部交汇的背景下产生的。洋县位于副高外围的高湿环境,700 hPa比湿达到13 g/kg,850 hPa比湿达到18 g/kg,低层水汽异常充沛。地面冷锋和低空切变线不仅促使低层水汽的强烈辐合,还提供了有利于强对流发展的大尺度和中尺度动力抬升作用,高空急流南侧的辐散流场也有利于加强上升运动。上冷下暖的大气不稳定层结,使强降水区上空存储了充足的潜在不稳定能量,在不稳定能量释放过程中,出现了小时雨强超过80 mm的极端强降水。

台风“暹芭”引发广西极端强降水成因分析

利用多源气象资料,对2022年第3号台风“暹芭”影响广西极端强降水成因进行分析。结果表明:(1)台风“暹芭”影响广西降雨具有累计雨量及日雨量大、范围广,短时强降水范围广、强度强、维持时间长及极端性强、灾害重等特征。(2)台风“暹芭”登陆及进入广西强度强,在广西停留时间长,自南向北贯穿广西东部的罕见路径是导致降水极端的主要原因。台风本体和季风卷入给强降雨区提供丰沛的水汽和能量,本体环流、低空急流风速辐合、海陆差异、地形抬升、地面和边界层明显中尺度辐合线共同作用形成的强烈上升运动是产生极端强降水的动力机制。(3)台风云系内存在明显中尺度对流系统MCS活动,形成超级单体风暴,是强降雨产生的直接原因。暖云层深厚,强雷达反射率位于5 km以下,直径大且密集降水粒子形成高的降水效率,是产生短时强降水的重要因素。(4)业务预报中,加强分析多途径的水汽来源、各种天气系统特别是中小尺度天气系统对台风降水的增幅作用,是台风极端强降水预报着眼点。

“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。

云南一次城市极端强降水事件成因分析

利用云南乡镇自动站降水资料、短时强降水监测资料、FY2G卫星资料、高空地面常规观测资料和NCEP再分析资料,从天气学角度分析了2020年夏季昆明一次城市极端强降水事件的成因。结果表明:受滇缅高压脊作用,高原槽东移后在云南东北部形成高原低涡,高原低涡沿着两高辐合区南移影响昆明,高原低涡和切变线是本次昆明极端强降水的主要影响系统,昆明极端强降水发生在高原低涡和切变线附近水汽辐合程度大的区域;此次强降水过程的不稳定机制为对流不稳定和对称不稳定并存,其中对称不稳定使倾斜对流得以维持;边界层辐合线触发近地层垂直上升运动和中尺度对流系统的生成,700 hPa切变线和500 hPa低涡使中尺度对流系统发展,垂直上升运动增强,触发不稳定能量的释放,引发强降水;涡生参数正值区对高原低涡的产生和移动方向的预测有指示意义。

粤港澳大湾区下垫面对“5·22”极端强降水过程影响的研究

为探讨粤港澳大湾区城市群对局地极端强降水的影响,采用WRF-ARW中尺度区域数值模式及GSI-3DVar同化系统,以ECMWF提供的ERA5再分析资料作为模式初始场和边界场,并进行多普勒雷达资料的三维变分同化,对2020年5月22日发生在大湾区的极端强降水过程进行数值模拟,研究城市对局地极端降水的影响过程与机理。结果表明:相较于未同化任何观测资料,加入雷达反射率和径向风资料的同化可提升降水的模拟能力,尤其对250 mm以上的特大暴雨量级的模拟改善效果最为显著;观测与对照试验共同表明,大湾区城市群一方面作为“热源”,通过感热和潜热过程提高了边界层大气温度,产生明显热岛效应的同时增强了低层大气的对流不稳定度,另一方面,较强的摩擦耗散过程使边界层风速减弱,更多的暖湿空气被截留在城市区域内部,有助于形成更强的热力不稳定与水汽辐合条件,从而使强降水中心落在城市区域边缘靠内部一侧;城市下垫面被替换为农田的敏感性试验进一步表明,城市下垫面造成的摩擦耗散作用可影响800 hPa以下的边界层,而缺乏城市冠层的摩擦耗散作用,边界层更强的西南风可将暖湿不稳定空气输送至城市区域下游更远处,并受到局地地形的强迫抬升,引起更强的垂直上升运动,从而造成比对照试验强度更大、落区位置更偏于城市下风方的降水中心。

桂北地区前汛期两次极端强降水成因对比分析

利用地面高空常规观测资料和欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的全球气候第五代大气再分析数据(ERA5)资料,对2022年4月25—30日(“4·25”过程)和2023年5月21—22日(“5·22”过程)两个极端强降水过程进行分析,探讨两次过程的触发机制。结果表明:(1)两次过程均发生在500~700 hPa高原东侧有小波动发展的天气尺度下,“4·25”过程具有持续时间久、范围大、短时雨强大和夜雨特征明显的特征;“5·22”过程具有持续时间短、降水中心范围小、短时雨强大和夜雨特征明显的特征。(2)有利的环境条件为暴雨的形成提供较好的水汽和热力不稳定条件。但“5·22”过程环境条件更强,异常强的层结不稳定和抬升作用对“5·22”极端强降水的发展提供有利条件。(3)超低空急流建立强劲的水汽通道,两次过程的强降水中心存在水汽通量辐合大值区,超低空急流输送的暖湿气流为强降水的产生提供稳定持续的水汽条件。

一次近海快速增强型台风引发金华东部极端强降水成因分析

利用多种观测资料和ERA5逐时再分析资料,对2020年第4号台风“黑格比”(Hagupit)登陆后引发金华东部极端强降水成因进行分析。结果表明:(1)台风主体环流内部中小尺度对流系统的活动是金华东部强降水事件发生的直接原因。棠溪站位于对流活动中心区域(TBB≤-50℃),附近回波强度一直维持在35 dBZ以上,最大回波顶高≥15 km,≥45 dBZ的强回波伸展高度在5 km左右,低于0℃层高度,符合热带海洋型强降水回波特征。(2)低空急流和地形抬升作用是本次强降水过程发生的重要原因。(3)高低空散度的良好配置增强了棠溪站上空的垂直上升运动,促使雨强猛增。(4)低空尤其是925 hPa强烈的水汽输送为强降水的产生和维持提供了充沛的水汽条件。(5)充足的不稳定能量也为强降水的发生提供了有利的环境条件。棠溪站处于假相当位温高能区(>356 K),且K指数一直维持在37℃以上,有利于对流活动的发生和强降水的出现。本次极端强降水过程是在强烈上升运动、水汽的持续输送、地形抬升和不稳定能量释放的共同作用下引起的。

基于双偏振雷达和降水现象仪的郑州“7·20”极端强降水微物理特征分析

利用降水现象仪、双偏振雷达、常规气象观测资料和再分析数据,分析了郑州“7·20”极端强降水过程的微物理特征。此次过程受多尺度天气系统的共同影响,为复杂多变的降水微物理特征提供了有利的环境条件。结果表明,此次过程地面雨滴谱分布随时间存在明显变化,雨滴谱参数分布较广,覆盖了从大陆性对流降水至海洋性对流降水的分布区域。20日16—17时最强降水时段,小粒子数密度显著高于东亚地区普通对流性降水的统计结果和华南地区夏季平均值,且存在大量大粒子,保证了极高的降水效率。双偏振雷达参量的垂直结构反演结果显示,对流系统质心低,具有典型的暖云特征;0℃层以上冰相过程相对活跃,0℃层以下强烈的暖雨过程,大量的冰相粒子落下并融化和低层高效率的雨滴碰并增长过程,导致各尺度高浓度雨滴的生成,最终形成地面的极端强降水。

台风“海葵”残涡长久维持及引发广西极端强降水成因分析

基于实况观测数据、欧洲中期天气预报中心全球气候第五代大气再分析数据集(ERA5)、风云气象卫星四号A星(FY4A)红外云图以及玉林双偏振雷达等资料,对2023年台风“海葵”残涡复杂路径、长久维持原因及引发广西极端强降水的成因进行分析。结果表明:(1)残涡前期为三面高压坝阻拦,主要受大陆高压南侧弱偏东气流的引导缓慢西行。后期夹在两个高压之间的鞍型场中,随着大陆高压的减弱以及西南季风的增强,引导气流随之发生转换。这是“海葵”长久维持、一度在桂东南回旋的环流背景。(2)纬向带状弱的垂直风切变,“海葵”涡旋系统结构在中低层保持相对完整,残涡东侧始终与西南季风相连及下游暖区为残涡提供的能量补给,是有利残涡长时间维持的重要因素。(3)多种动力影响因子呈现不对称分布,且随着残涡移动而发生变化,导致残涡强降水落区位置发生相应变化。随着残涡进入广西,其东南侧的辐合渐近线趋于靠近残涡中心,残涡在桂东南长时间的回旋停留,卷入的西南季风与东南风的辐合形成螺旋雨带,“列车效应”长时间影响桂东南是造成该地区极端强降水的主要原因。

两次极端强降水风暴双偏振参量特征对比分析

基于济南S波段双偏振多普勒天气雷达(CINRAD/SA-D)探测资料,并结合区域自动气象站以及常规观测资料,对2020年8月5日和6日山东两次极端强降水风暴环境条件进行对比分析,并重点分析莘县王庄集和兖州大安风暴的双偏振参量特征。结果表明:两次极端强降水天气均具有较高的K指数和较大的对流有效位能(Convective Available Potential Energy,CAPE),湿层厚,垂直风切变中等偏弱,但6日强降水低层垂直风切变和相对风暴螺旋度明显偏强。风暴气流结构有明显差异:王庄集和大安风暴分别表现为倾斜上升和气旋性旋转气流结构,前者风暴顶辐散强而后者较弱,从而导致前者风暴顶高度及差分相移率(K_(DP))柱高度较高。不同高度微物理结构有差异:-10℃层高度之上,两者以固态粒子为主,而王庄集风暴含有更加深厚、丰富的霰粒子,-20~-10℃层还有一定浓度较小的液态粒子;-10℃层高度以下,两者以浓度较高的液态粒子为主,而王庄集风暴含有一定数量的冰相粒子。风暴低层测站周围差分反射率(Z_(DR))、K_(DP)和相关系数(Correlation Coefficient,CC)大致相当,Z_(DR)适中,粒子大小适中,K_(DP)和CC较大,风暴降水主体液态雨滴浓度较高,含水量丰富,从而产生高强度降水。

近50年华南地区极端强降水频次的时空变化特征

利用华南地区110个台站1961—2008年逐日降水资料,采用百分位法定义各站极端强降水事件的阈值,运用线性回归、M-K突变检验、正交函数分解(EOF)、旋转经验正交函数分解(REOF)等方法,对华南地区年极端强降水频次的时空变化特征进行分析。结果表明:在空间分布上,年极端强降水频次在华南中部较大、广东沿海和广西西部内陆较小;华南极端强降水频次有3个主要的空间异常模态,一致性异常特征是华南极端强降水频次分布的最主要空间模态,而东、西反向和南、北反向变化模态也是比较重要的异常模态。在时间分布上,华南的极端强降水事件主要发生在夏半年,夏半年极端强降水频次占全年总频次的83.7%;1960年代和1980年代极端强降水频次较少,从1980年代中后期起,极端强降水频次有由少变多的趋势。华南区域各站极端强降水频次气候倾向率不一致,除中部呈减少趋势外,其余大部呈上升趋势,华南区域各站极端强降水频次的平均序列也呈上升趋势,但上升趋势不显著。华南极端强降水频次从区域变化特征上可分为6个主要区域,分别具有不同的年际变化趋势,其中有3个区域的代表站先后发生了显著增多的突变现象。