东北暖季冷涡降水日变化的聚类分析

使用2017~2022年5~9月逐小时三源融合实况格点降水(CMPAS)资料,采用K-均值聚类算法对东北暖季冷涡降水日变化分类,分析其特征及空间分布,结果显示:1)东北暖季冷涡降水多年平均降水量空间分布从西北到东南增加,降水频次的空间分布与其相似,降水强度大值区集中在辽东半岛附近。2)东北地区冷涡背景下降水量、降水频次和降水强度暖季平均日变化均呈双峰型,降水量的下午主峰值主要源于降水频次,而夜间次峰值与降水频次和降水强度均关系密切。3)聚类后冷涡降水量、降水频次的日变化表现为单峰型和双峰型特征,且单峰型格点占比较大,降水强度的日变化表现为单峰型。依据峰值出现时间及日变化形态间差异,降水量、频次与强度均可划分为4类不同的日变化类型。4)各类日变化空间占比统计结果显示,冷涡降水量、降水频次日变化存在下午峰值的格点均占比最大,夜间峰值次之,两者聚类后区域特征明显,与地形关系密切且分布相对规整;冷涡降水强度日变化下午单峰型格点占比最大,聚类后空间分布较为零散。

浙江省梅雨期降水日变化及ECMWF预报能力评估

【目的】为了解浙江省梅雨期的降水日变化特征以及气象业务模式对降水的预报能力。【方法】利用2008—2019年期间浙江地面雨量站小时数据和ERA-Interim再分析资料进行分析,同时评估ECMWF在浙江地区梅雨期的预报水平。【结果】结果表明:(1)梅雨期间浙江平均日降水量自西向东递减,浙西地区从05:00—18:00一直维持强降水的特征,平均最大日降水量超过20 mm。(2)浙中、浙北、浙东降水呈双峰型特征,主要降水时段在03:00—11:00和13:00—20:00。浙东北和浙南降水呈单峰型特征,浙东北降水峰值主要在03:00—10:00,但浙南降水峰值主要在14:00—21:00。除浙南外,梅雨期间浙江大部地区夜间至早晨强降水持续时间比午后至傍晚更长。(3)夜间至早晨强降水与低空急流(LLJ)在夜间逐渐加强密切相关。因为夜间至早晨期间,非地转风逐渐加强,使得LLJ增强,而增强的LLJ为浙江地区带来大量暖湿气流,提供不稳定能量,增强辐合上升运动,进而造成早晨降水峰值。午后热力条件可能是午后至傍晚强降水的主要原因。(4)ECMWF基本可以预报出浙江梅雨期间的降水趋势,但夜间至早晨(02:00—11:00)的降水趋势预报优于午后至傍晚(14:00—20:00)。【结论】总体上,ECMWF在夜间至早晨期间更倾向低估强降水,高估弱降水。模式对夜间至早晨的降水预报相对不够稳定,均方根误差大于午后至傍晚。随着预报时间的延长,模式预报能力降低。

中国大陆降水日变化研究进展

文章概述了中国大陆降水日变化的最新研究成果,给出了中国大陆降水日变化的整体图像,指出目前数值模式模拟降水日变化的局限性,为及时了解和掌握降水日变化研究进展、开展相关科学研究和进行降水预报服务提供了有价值的科学依据和参考。现有研究表明:(1)中国大陆夏季降水日变化的区域特征明显。在夏季,东南和东北地区的降水日峰值主要集中在下午;西南地区多在午夜达到降水峰值;长江中上游地区的降水多出现在清晨;中东部地区清晨、午后双峰并存;青藏高原大部分地区是下午和午夜峰值并存。(2)降水日变化存在季节差异和季节内演变。冷季降水日峰值时刻的区域差异较暖季明显减小,在冷季南方大部分地区都表现为清晨峰值;中东部地区暖季降水日变化随季风雨带的南北进退表现出清晰的季节内演变,季风活跃(间断)期的日降水峰值多发生在清晨(下午)。(3)持续性降水和局地短时降水的云结构特性以及降水日峰值出现时间存在显著差异。持续性降水以层状云特性为主,地表降水和降水廓线的峰值大多位于午夜后至清晨;短时降水以对流降水为主,峰值时间则多出现在下午至午夜前。(4)降水日变化涉及不同尺度的山-谷风、海-陆风和大气环流的综合影响,涉及复杂的云雨形成和演变过程,对流层低层环流日变化对降水日变化的区域差异亦有重要影响。(5)目前数值模式对中国降水日变化的模拟能力有限,且模拟结果具有很强的模式依赖性,仅仅提高模式水平分辨率并不能总是达到改善模拟结果的目的,关键是要减少存在于降水相关的物理过程参数化方案中的不确定性问题。

区域数值预报系统在北京地区的降水日变化预报偏差特征及成因分析

为了研究北京快速更新循环同化预报系统(BJ-RUCv2.0)在北京地区降水日变化的预报偏差特征及其成因,利用2012—2015年夏季BJ-RUCv2.0系统第2重区域(3 km分辨率)预报结果和北京地区122个自动气象站逐时观测数据以及观象台探空观测资料,分析模式对北京地区降水日变化预报偏差的区域性特征和传播特征,研究模式局地环流预报偏差特征及其对降水预报偏差的可能反馈机制。研究结果表明,BJ-RUCv2.0系统多个更新循环的预报在北京平原地区均存在夜间降水漏报问题,降水预报偏差表现为模式预报降水在西部山区降水偏多,预报降水雨带难以在平原地区增强发展,造成了模式降水在傍晚山区偏多而夜间平原地区降水明显偏少。通过分析模式局地环流预报偏差及其响应机制发现,由于白天平原地区近地层偏暖偏干,山区底层偏冷中层偏湿,造成了山区-平原地区间的温度梯度强度偏强且强温差出现时间提前,西部山区午后降水偏多;由于平原地区地面气温预报持续偏高,入夜后偏北风难以到达平原地区,造成了山区-平原间的地形辐合线位置偏北,影响山区降水雨带向平原地区移动,同时平原地区近地层内水汽持续偏低,抑制降水雨带在东移过程中的发展,造成模式在平原地区夜间降水预报容易出现漏报。模式冷启动所用的GFS资料土壤湿度在北京平原地区明显小于实际观测,是模式预报偏暖偏干的可能原因之一。

中国东部夏季持续性降水日变化在淮河南北的差异分析

本文利用1961—2006年我国285站观测的逐时降水数据,分析了中国东部不同地区夏季平均降水日变化随降水持续时间的变化特征.虽然整个东部地区都表现为短时降水峰值较一致地出现在下午17时左右,持续较长时间降水在清晨前后发生峰值降水,但持续性降水日变化的平均峰值时间以淮河为界存在显著南北差异.北部地区的持续性降水峰值主要出现在02—06时前后;南部地区的持续性降水峰值时间出现在06—10时.无论是降水强度或频次的日变化峰值的南北差异均较明显,但降水强度差异更为突出,且主要表现在持续性强降水中.进一步分析发现:一方面北部地区持续性强降水开始时间较南部地区更早;另一方面,北部地区降水从开始到峰值经历的时间更短.最后,对持续性强降水峰值时间南北差异的可能原因进行了初步讨论.

湖北省夏季降水日变化特征

利用2001—2014年湖北省77个气象观测站的整点逐时降水数据,通过划分不同区域和三种量级降水的方法,分析了夏季（6—8月）降水日变化特征。结果表明：1）湖北省夏季降水日变化特征非常明显,降水量曲线呈双峰结构,峰值出现在08时和17时（北京时间,下同）,降水频次与降水强度均呈现“一主一次”的双峰结构,这主要与青藏高原东移来的天气系统自西向东的滞后性以及局地热力强迫有关,发生在傍晚（15—18时）的降水强度有明显的年际增强趋势。2）湖北省降水日变化特征区域差异显著,鄂西北与鄂西南降水峰值主要出现在傍晚和夜间,谷值出现在正午,鄂东三个区域的降水峰值出现在上午和傍晚,谷值出现在午夜。3）近14 a强度为0~20 mm/h的降水呈现减少趋势,主要发生在鄂西地区。其日变化曲线为“一主一次”的双峰结构,主（次）峰值出现在07（17）时。与之相反,短时强降水（≥20 mm/h）的发生概率东部大于西部,平原大于山区,有增加趋势的站点占总站点数的53.24%,峰（谷）值出现在17（12）时。短时特大强降水（≥50 mm/h）峰值出现在15—20时,03—14时出现概率较低。

我国西南部降水日变化特征分析

利用1991—2004年台站观测的逐时降水资料分析了我国西南部降水日变化的基本特征和区域差异。结果表明,西南部降水"夜雨"特征明显,但存在午后次峰值,且区域差异显著。降水频次和降水强度亦存在明显日变化,夜间降水量峰值主要来自于降水频次的贡献,而午后降水量峰值以降水强度的贡献为主。在25°N以北,降水量的峰值位相超前于降水频次1～2 h,且自西向东存在区域差异。西部降水量主峰值在凌晨03—04时,而中、东部在01—02时;中部和东部的区别主要在降水强度的日变化上,中部的强度日变化为午夜单峰值结构,而东部的午后强度较大。25°N以南地区的降水日变化特征与北部明显不同,南部降水量主峰值出现在午后,且主要是强度的贡献,次峰值出现在凌晨05—06时,以频次贡献为主。

物理过程参数化方案对中国夏季降水日变化模拟的影响

系统地分析了不同陆面过程、辐射传输以及积云对流参数化方案对区域气候模式模拟中国夏季降水日变化能力的影响,发现日内最大标准化降水及其出现时刻的模拟对不同模式物理过程的组合方案敏感。陆面过程、辐射传输参数化方案只影响降水强度的模拟,而对降水日变化形式和峰值出现时间模拟的影响较小,降水日变化形式的模拟对积云对流参数化方案敏感且与模拟区域的选择关系密切。Grell方案对青藏高原东部、长江中游地区夏季降水的日变化特征具有较好模拟能力,Kuo和Anthes-Kuo方案较好地模拟出了东北、华南地区夏季降水的日变化特征,BM方案仅能模拟华南地区夏季降水的日变化特征。4种积云对流参数化方案均不能模拟出江淮—华北地区夏季降水日变化的双峰值结构。

青藏高原与四川盆地夏季降水日变化的对比分析

采用2006-2008年自动气象站和2002-2008年TRMM(Tropical Rainfall Measurement Mis-sion)多卫星降水分析(Munti-satellite Precipitation Analysis,TMPA)的夏季(6～8月)逐时降水量资料,分析了青藏高原(下称高原)及周边地区夏季降水的日变化特征,以及高原中部与四川盆地两个特殊地形区降水日变化上的差异。结果表明,高原中部与其以东的四川盆地在降水日变化上有明显不同,即两者的降水日变化具有不同的峰值时间,表现出从高原中部向外传播的特征,最显著的信号出现在高原东缘。同时涡度和垂直速度等物理量也发生变化,因此降水量日变化是各种物理量共同作用的结果。高原地形对周边地区降水日变化有重要的影响,这种影响类似于热带地区海陆边界的影响,表现为高原中部的对流系统多在傍晚前后增强,随后向东传播,在后半夜到达高原以东的四川盆地,形成四川盆地显著的"夜雨",并可能影响到四川盆地以东长江流域的降水活动,这种作用类似于热带地区海陆边界附近的对流传播过程。

四川盆地夏季降水日变化的数值模拟

利用区域气候模式RegCM3对1991-2004年四川盆地夏季降水进行了数值模拟,通过模拟结果和NCEP/NCAR再分析资料的对比,评估了模式对四川盆地夏季"夜雨"现象的模拟能力。结果表明,RegCM3模式能较好地模拟出四川盆地夏季降水的空间分布和日变化规律,四川盆地夏季"夜雨"现象的形成与该地区的地形分布有密切关系。夏季四川盆地上空850hPa高度上存在一气旋性辐合中心,低层偏东风进入盆地后受西侧大地形阻挡,辐合抬升,午后盆地内中低层的温度和湿度逐渐升高,使得大气层结不稳定加强,对流活动得到发展,并在夜间达到最强,从而形成四川盆地的"夜雨"现象。

基于GPM卫星的广东汛期降水日变化特征与评估

新一代全球降水观测计划GPM作为TRMM卫星的继承者,在物理探测和降水反演算法上具有明显进步。以广东省雨量自动站为基准,对2014—2018年间GPM的格点降水估测产品IMERG(V5B)的日变化特征和估测误差进行分析。结果表明,IMERG能清晰反映广东前、后汛期的降水双峰型特征,但对下午降水峰值明显高估,峰值出现时间滞后;而对于沿海早晨峰值降水则明显低估,对于降水极值,低估更加显著。IMERG对两个峰值的估测误差受不同因素影响,下午峰值降水的相对偏差与地形密切相关,珠江三角洲平原为稳定高估区,地形高度越高,低估幅度越大;而早晨峰值降水极值负偏差与地形高度、降水量的相关性均较小。对出现显著负偏差的早晨沿海降水样本日进行925 hPa风场合成,可知IMERG明显低估时,对应区域上游较强的超低空西南气流与风速夜间增长。IMERG对这一季风活动背景降水的低估构成了其估测早晨降水误差的主要来源。

双低空急流影响下华南初夏降水日变化的时空分布特征

利用2010—2016年5—6月ERA5逐小时再分析数据集和国家气象信息中心逐小时降水量融合产品,对影响华南地区的低空急流事件进行筛选和分类,并分析天气系统相关的低空急流(Synoptic-system-related Low-Level Jet,SLLJ)和边界层急流(Boundary Layer Jet,BLJ)的日变化及其影响下的华南降水日变化的时空分布特征。结果表明,BLJ和SLLJ在白天减弱、夜间增强,并在凌晨达到峰值,其日变化主要与边界层惯性振荡引起的非地转风的顺时针旋转有关。双急流日华南地区降水量显著增加,且降水日变化有明显的区域差异,这与双急流的演变和配置密切相关。广西中北部主要为SLLJ左前方发生的夜间山区降水,且降水量仅有凌晨的单峰。广西沿海和广东地区存在早晨和午后两个峰值,BLJ出口区辐合和SLLJ入口区辐散的维持有利于降水频率的增大,从而导致午后峰值的出现,而早晨的峰值除了受双急流有利配置的影响外,主要归因于早晨降水强度的增加。

近30a安徽省汛期降水日变化特征分析

采用1981—2010年安徽省逐时降水资料,从降水量、降水频次和降水强度三个方面对不同量级降水日变化进行分析,研究表明:(1)降水量和降水频次呈双峰结构,降水强度则无明显峰值。小雨和中雨降水量峰值时间主要在下午,大雨呈现出上下午双峰结构,暴雨的峰值则出现于上午。经分析,这是由于不同日降水量级下持续性降水事件的构成不同所导致;(2)在空间分布上,各量级降水日变化有明显区域性特征。总体来看量级较小的降水峰值出现时间的空间分布较为一致,量级越大则一致性越差;(3)近30 a出现在下午的降水量峰值和降水强度峰值的年际变化较为一致,均在1993—2001年间有所加强。且在东亚夏季风较强的年份,安徽省降水峰值时间主要集中在午后;而在弱季风年,峰值时间出现于早晨的站点偏多。

中南半岛地区夏季降水日变化特征

利用TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)3B42RT和3G68 PR 1998—2005年8 a的观测资料,研究了中南半岛地区夏季(6—8月)降水日变化特征。结果表明:整个夏季,中南半岛西侧沿海和长山山脉西侧迎风坡为降水大值区和降水日方差大值区。陆地上平原地区和远海海面降水主要出现在16—19LST(local standard time);沿海海面在07—10LST达到降水最大值。降水在白天由沿海分别向内陆和远海海面传播;夜间,降水从远海海面向沿海地区回传,但没有发现内陆向沿海地区回传。长山山脉西侧迎风坡的一南一北两个区域,表现出明显不同的降水日变化特征,其原因与降水的传播有关。01—04LST,降水大值区出现在泰国湾东部沿海,并向中南半岛岛内传播,16—19LST在长山山脉西南侧形成降水大值区,之后降水进一步沿山脉向西北传播,并于次日01—04LST传到长山山脉西北侧区域,通过降水的这种传播特征从而导致长山山脉迎风坡一侧不同的降水日变化特征。

边界层方案对中国中东部地区降水日变化的影响

以华中区域中尺度业务模式WRF3D为平台,使用MYJ、ACM2边界层方案完成了2012年7月的批量敏感试验,并与高时空分辨率实况降水数据作对比,重点关注不同边界层方案对中国中东部地区降水日变化的影响。结果表明,两种方案下的降水预报均对我国中东部地区清晨和午后并存的降水双峰值有所表现,且两者对清晨降水峰值的预报差异不大,但预报的午后降水峰值差异明显,尤其表现在峰值幅度上,位相上也略有差异。总体而言,ACM2方案下的降水日变化特征更接近实况。进一步对高分辨率模式输出的诊断表明,午后降水峰值主要由隐式降水决定。在此基础上,从模式中隐、显式降水产生机制的角度考察了不同边界层方案下降水日变化差异的可能原因。

1961—2017年郑州夏季降水日变化规律分析

利用郑州气象站1961—2017年逐小时降水资料,采用平均小时降水量、降水频次、降水强度、降水贡献率、降水发生率、降水历时及强降水等级等指标,分析了57年郑州夏季6—8月降水日变化规律.结果表明:①郑州夏季降水量和降水强度的日变化表现出明显的凌晨、傍晚和上午10时“三峰”结构,主峰出现在傍晚18时;而降水频次表现出凌晨1时至上午9时的单峰结构.②夏季降水量和降水强度日变化在上午10时呈现的峰值是由8月份降水贡献的,6-7月在该时段并未表现峰结构.③郑州各历时降水发生率随降水历时的增加呈对数递减趋势,而贡献率则呈先降低后增加的趋势.④郑州降水以1~5h短历时为主,频发于傍晚和清晨前后,贡献率则以7~24h历时为主,频发于凌晨下半夜至早晨.⑤强降水频发于凌晨和傍晚,三级频次最多,二级次之,一级最少;降水贡献率则相反.

青藏高原夏季降水日变化特征分析

利用2008—2014年逐小时空间分辨率为0.1°的全国自动站观测降水资料和CMORPH卫星反演降水融合资料,研究了青藏高原(下称高原)夏季降水日变化特征,并探讨了不同持续时间和等级降水对降水量日变化的影响。结果表明,整个高原地区夏季降水量和降水频率的日变化表现出明显的凌晨和傍晚的双峰结构,而降水强度的双峰结构却不太明显。进一步对各分区降水日变化特征的分析发现,高原中西部降水日变化特征与整个高原地区的一致,而高原北部(东部)地区降水量和频率的日峰值出现在傍晚(午夜-凌晨)。降水持续时间对降水量日变化有显著的影响,高原夏季降水量日变化的双峰特征是由短时(1~3 h)和长持续性(6 h以上)降水共同作用造成的,午夜-凌晨(傍晚)的降水日峰值主要是由于长持续性(短时)降水所引起。分析不同等级降水量日变化特征发现,高原北部地区小-大雨(暴雨)的降水量日峰值基本出现在下午(午夜),而高原中西部不同等级降水量的日变化基本都呈现出傍晚和午夜-凌晨的双峰结构,高原东部地区不同等级降水量的日变化形式较一致,日峰值出现在午夜-凌晨。

新疆伊犁河谷夏季降水日变化特征

基于2007-2011年伊犁河谷4个气象站逐时降水资料,分析了伊犁河谷夏季降水日变化特征.结果表明:降水量最大值出现在北京时间22:00,最小值出现在13:00,其中,降水量高值区主要集中在21:00至次日08:00.一天中最易发生降水的时间为23:00至次日10:00,03:00是降水频数最多的时刻,16:00则发生频数最少.降水强度最高值出现在16:00,最低值出现在13:00.降水主要以短持续时间的降水为主,持续1 h的次数最多,持续2 h的降水量最多,对总降水量的贡献也最大,贡献率最小的为持续14 h的降水事件.伊犁河谷夏季的降水主要发生在夜间,且以短时间的降水为主.

秦岭及周边地区暖季降水日变化及其成因分析

利用三源降水融合资料和欧洲中期数值预报中心ERA5逐小时再分析数据,分析暖季秦岭及周边地区的降水日变化特征及可能的成因。研究表明:暖季秦岭南北降水日变化存在显著差异,秦岭南部降水日峰值主要是盆地地形影响下的夜雨,秦岭北部降水日峰值则是午后黄土高原上的昼雨。青藏高原东部延伸区、黄土高原等大地形对研究区域长、短时降水的空间分布贡献显著;秦岭南部短时降水频率高,但L3级降水强度相对较低,北部L3级降水频率低、强度大。盆地地形作用下夜间的山风与青藏高原南侧地形槽前定常西南暖湿上升气流叠加,800 hPa以上上升运动异常加强,形成多个铅直次级环流,是秦岭南部夜雨特别显著的重要原因;而白天受谷风的作用,使得地形槽前上升气流减弱,昼雨相对较少。午后热力作用加强,南风上升气流与中上层西北风下沉气流在700 hPa附近交汇,使得秦岭北部黄土高原午后强降水异常多发。

南海夏季风爆发前后华南前汛期降水日变化对比分析

利用华南地区248个国家级地面气象站逐小时降水数据和14个探空站数据,分析了2003-2016年4-6月华南前汛期降水日变化特征。据南海夏季风爆发时间,将降水分为爆发前后两个时段。华南地区主要存在两条大雨带,一个位于云贵高原至南岭山脉以南,另一个位于广东沿海地区。偏北雨带集中发生在后半夜至清晨时段,偏南雨带集中发生在中午至下午时段。南海夏季风爆发前后,降水量不存在明显相关性,相关系数较大时次位于中午至下午时段。前后期年降水标准差在0.5附近,变化幅度明显时段主要集中于凌晨至清晨。午后出现3 h多年降水量变化幅度最大值,最小时段为中午12时。降水量、降水频率和降水强度的经向分布特征明显且相似:降水量和降水频率在112°E附近出现日变化转折,以西多出现不稳定夜雨,以东白天降水波动较大。在南海夏季风爆发前,降水特征主要表现为西部高频、南部高强,在清晨更多作用于对暴雨系统的增长;季风爆发后则表现为西北-东南南的高频率高强度降水形态,在傍晚更多作用于增加降水发生频率。