南京地区降水结构时空演变特征

为研究南京地区降水结构时空演变规律,本文选取南京地区7个雨量站点1973—2021年的逐日降水资料,采用降水发生率和贡献率指标,利用Mann-Kendall法进行变化趋势检验,分析南京地区不同历时、不同等级降水结构的时空变化规律。结果表明,南京地区降水发生率随降水等级的增加而降低,各等级降水贡献率分布较为均衡;降水发生率及贡献率随降水历时的增加呈先增加后减小再增加的趋势,短历时降水发生率和贡献率呈由南向北逐渐增加的趋势。

GPM卫星探测四川“5·21”特大暴雨的降水结构特征分析

四川复杂地形容易触发对流,暴雨发生频次较高,研究该地区暴雨结构及宏微观物理特征有重要意义和价值。本文利用GPM卫星资料分析了2018年5月21日四川一次特大暴雨的三维结构及宏微观特征。结果表明:此次特大暴雨过程由一个α中尺度对流系统造成;层状云降水与对流云降水的样本比例为2.5:1,但对流云降水率为层状云降水率的5倍;环境风场垂直切变较强导致最大雨水含量的位置与最大云冰含量的位置不一致;对流云降水反射率因子高频区数值随高度变化比层状云降水显著;粒子数浓度参数和有效粒子半径的频率分布反映出在4~7 km高度对流云中雨滴碰并增长过程显著,4 km以下雨滴蒸发和破碎过程明显,层状云降水粒子数浓度参数和粒子有效半径的范围比对流云窄且随高度变化不明显。

基于GPM卫星探测的夏季高原涡降水结构特征

利用GPM卫星的双频反演产品DPR_MS和ERA5再分析数据,对2016~2020年夏季青藏高原上空能被GPM卫星探测到的32例高原涡降水特征进行研究。结果表明:(1)高原涡在高原上降水强度偏小,绝大部分低于2 mm/h,雨顶高度主要在6~9 km。降水类型以深厚弱对流为主(占59.64%),其次是浅薄降水(占40.35%),深厚强对流极少。(2)高原西部降水涡绝大多数为深厚弱对流、平均雨顶高度明显高于东部涡,但东、西部涡的平均降水强度没有明显差异。浅薄降水频次呈“东高西低、北高南低”的空间分布特征,深厚弱对流降水则相反。(3)深厚弱对流降水受高原涡强上升运动影响显著,在6.5~7.5 km高度有大量有效半径为1.1 mm的雨滴粒子堆积,近地面较强降水(7 mm/h)的雨滴破碎过程明显。浅薄降水的反射率因子在各个高度持续增大,其地面降水主要由雨滴粒子碰并形成,地表雨强受雨滴浓度影响明显。

长江上游流域降水结构时空演变特性

为研究气候变化和人类活动背景下的长江上游流域降水结构时空分布特性,利用长江上游流域67个气象站点1961—2005年45年的日降水资料,分析了各种不同历时连续降水的时空演变特征。通过Trend Free Pre-Whitening方法消除降水时间序列中的自相关成分,利用非参数的Mann-Kendall法检验了降水结构的变化趋势。结果表明:①长江上游流域及各分区各历时降水发生率随降水历时增加呈指数递减趋势,贡献率先增加后降低,以短历时降水为主;②长江上游短历时(1 d和2 d)降水贡献率发生突变的时间在1976年,长历时(6 d和10 d)降水发生率发生突变的时间为1984年,贡献率发生突变的时间为1999年;③长江上游短历时降水集中出现的次数增加,降水强度增大,降水量占总降水量的比例较大,而长历时降水出现频次降低,降水量占总降水量比例下降,其中岷沱江流域、大渡河流域、长江干流区间通过了显著性检验。

TRMM测雨雷达和微波成像仪对两个中尺度特大暴雨降水结构的观测分析研究

文中利用TRMM卫星的测雨雷达和微波成像仪探测结果,研究了1998年7月20日21时(世界时)和1999年6月9日21时发生在武汉地区附近和皖南地区的两个中尺度强降水系统的水平结构和垂直结构,以及TMI微波亮温对降水强弱和分布的响应。研究结果表明:这两个中尺度强降水系统中对流降水所占面积比层云降水面积小,但对流降水具有很强的降水率,它对总降水量的贡献超过了层云降水。降水水平结构表明,两个中尺度强降水系统由多个强雨团或雨带组成,它们均属于对流性降水;降水垂直结构分析表明,强对流降水的雨顶高度可达15km,强对流降水主体中存在垂直方向和水平方向非均匀降水率分布区,层云降水有清晰的亮度带,层云降水的上方存在多层云系结构。降水廓线分布表明:对流降水廓线与层云降水廓线有明显的区别,并且降水廓线清晰地反映了降水微物理过程的垂直分布。整个中尺度强降水系统中对流降水与层云降水的区别还反映在标准化的总降水率随高度的分布。微波信号分析表明:TMI85 GHz极化修正亮温,19.4与37.0,19.4与85.5,37.0与85.5 GHz的垂直极化亮温差均能较好地指示陆面附近的降水分布。

基于TRMM卫星对一次华南飑线的闪电活动及其与降水结构的关系研究

利用热带测雨计划任务卫星(TRMM)的测雨雷达(PR)、闪电成像仪(LIS)和微波辐射计(TMI)资料,研究了2005年5月6日发生在我国华南的一次强飑线过程的闪电活动及其与降水结构之间的关系。结果表明,该飑线系统中对流降水面积仅为层云的一半,但是总降水率却远大于层云的总降水率。绝大多数闪电发生在对流区,有少数闪电出现在层云区域。在6km高度上,闪电发生附近的最大雷达反射率因子主要集中在35～50dBZ区间,峰值频数在40～45dBZ,35dBZ以下较少。研究还表明,对流单体的最大雷达反射率垂直廓线可以很好地指示单体的闪电频数和对流发展强度。对闪电与微波亮温的研究表明,大多数闪电发生在低亮温区域,特别是低于200K亮温区,而在240～260K的区域也可观测到少量闪电,这一般对应于飑线的层云区域。结合2003年4月17日黄淮地区的另一次强飑线系统的进一步研究发现,在单体尺度上,总闪电频数和冰相降水含量之间表现出非常密切而稳定的关系,相关系数达0.92。总闪电频数和冰相降水含量之间的稳定关系在中尺度数值模式中闪电资料的同化和飑线系统的闪电参数化研究中均有较大的应用潜力。

两个中尺度对流系统的降水结构和闪电特征

对两个处于不同发展阶段的中尺度对流系统(MCS)降水结构的分析结果表明,处于初生至发展阶段的MCS,对流降水和层云降水的面积比相对较大,处于成熟至消亡阶段的MCS的相对较小。本文进一步分析了这两个MCS个例在6km高度处的雷达回波特征及其和闪电的关系,结果表明处于初生至发展阶段的MCS的绝大部分事件(闪电资料的一种)集中发生在MCS中的强对流单体回波区,而对处于成熟至消亡阶段的MCS,事件集中发生在对流区和对流云向层云转化的回波区。

参加CMIP5计划的四个中国模式模拟的东亚地区降水结构特征及未来变化

在全球变暖的背景下,降水特征的改变体现为降水总量和降水结构的变化。由于缺乏较为长期、覆盖范围广的较高分辨率逐日降水资料,过去对东亚降水的研究多关注其降水量的长期趋势和时空变率,较少涉及降水结构的变化。本文利用当前最新且分辨率最高、覆盖范围最广的逐日亚洲陆地降水数据集(简称APHRODITE)以及四个中国参加第五次国际耦合模式比较计划(简称CMIP5)的模式(BCC-CSM1-1,BNU-ESM,FGOALS-g2和FGOALS-s2),研究了东亚地区降水结构的观测特征及四个模式的模拟能力。基于此,通过分析四个模式的未来预估试验,探讨东亚地区降水结构在全球变暖背景下的变化。结果表明:整个东亚地区的累积降水量呈现出随着降水强度的增加先增加后减小的分布形态;降水频率则是随着强度的增加显著减小。小雨(中雨)呈现出南少北多(南多北少)的形态;强降水则较多分布在华南沿海以及日本南部地区。长期趋势上,整个东亚地区大体上呈现小雨和30 mm/d以上的大雨增加,而中等强度降水减少的变化趋势。四个模式对东亚降水结构的气候态模拟能力较好。BCC-CSM1-1和FGOALS-g2能够合理再现观测中各个强度降水的变化趋势,而其他模式模拟不出中雨的减小趋势。四个模式的未来预估表明,在全球变暖的背景下,东亚地区30 mm/d以上的强降水会增加。且降水强度越大,增加越明显。以30°N为界,小雨(中雨)在变暖背景下呈现南部增加北部减少(南部减少北部增加)的变化趋势。

沿海地区一次中尺度对流系统闪电活动及降水结构

利用TRMM卫星的测雨雷达，微波成像仪，闪电成像仪等探测数据，研究了2010年8月5日发生在江苏北部一次中尺度对流系统（MCS）的降水结构和闪电活动之间的关系。结果表明：MCS在发展阶段，对流云降水面积与层状云降水区相当；在减弱阶段，层状云降水区面积远大于对流云降水区。MCS的生命史中，大部分闪电发生在对流云区，仅有少数闪电发生在层状云区，在减弱阶段闪电多发生在对流云和层云的过渡区中。发生闪电的层云和对流云降水垂直廓线表明：在MCS的发展成熟和减弱中在4km高度，层云降水率都达到最大值；在对流云降水区中发生闪电主要与对流云上空含丰富的冰相粒子和对流云发展厚度（顶高达17km）有关。研究还表明闪电数目最大值一般回波强度在35～45dBz之间，并非回波越强闪电越多。闪电主要发生在40-50dBz之间，且明显向强回波区趋近，这对我们利用雷达回波预警闪电落区具有一定的参考意义。

利用热带测雨卫星的测雨雷达资料对1997/1998年ElNio后期热带太平洋降水结构的研究

利用热带测雨卫星的测雨雷达 (TRMMPR)的探测结果 ,对 1 997 1 998年ElNin～o后期热带太平洋的降水结构进行了研究 ,并对比了非ElNin～o的 1 999年和 2 0 0 0年的同期降水情况 ,取得如下结果 :( 1 ) 1 997 1 998ElNin～o后期与非ElNin～o期间相比 ,1 997 1 998ElNin～o后期 ,热带东、中太平洋层云降水和对流云降水的比例明显增大、平均降水率也增大 ,并且层云强降水的比例增多 ,而层云弱降水比例减少。 ( 2 )在非ElNin～o期间 ,热带东、中太平洋对流云降水系统较为浅薄 ,冻结层高度比西太平洋低约 0 5km ;而在 1 997 1 998ElNin～o后期 ,这种差异明显减小 ,热带东、中太平洋对流云降水和层云降水都变得深厚 ;对流云降水和层云降水的降水率随高度的变化也发生了变化。 ( 3)对大气环流的分析表明 ,对应于降水结构的变化 ,热带太平洋地区的高空辐合辐散分布也发生了改变 ,导致Walker环流在 1 997 1 998ElNin～o后期减弱。

厄尔尼诺对长江中下游地区夏季持续性降水结构的影响及其可能机理

根据中国国家气象信息中心提供的1961—2016年2400多站的逐日降水观测数据,分析了厄尔尼诺对长江中下游地区夏季持续性降水结构的影响。发现长江中下游地区的降水主要以5d及以内的降水事件为主,其强度主要分布在4—24mm/d;5d以上降水所占比例相对较小,而其强度主要分布在12—24mm/d。其中,长江中下游地区夏季大于5d的降水事件(长持续性降水事件)所占比例和强度在长江以南地区要大于长江以北地区。同时,在厄尔尼诺的影响下,长江以南地区的降水结构从2—5d持续性降水事件(短持续性降水事件)和1d的降水事件(非持续性降水事件)向长持续性降水事件转变,且其强度增加。而长江以北地区,以湖北为主,降水结构存在从非持续性向短持续性降水事件转变的现象,短持续性降水事件的强度也略有增强。因此,厄尔尼诺使得长江中下游地区的降水事件更多地以持续性降水为主,不同持续性降水事件的强度加强。进一步分析发现厄尔尼诺次年西太平洋副热带高压西伸加强,与其相关的东南季风所输送的水汽也有所加强。同时,中高纬度阻塞高压环流形势稳定维持。受这些因子的共同作用,最终导致长江中下游地区夏季降水持续性延长和降水强度加强。而这将给长江中下游地区的农作物种植和经济发展等带来较严重的影响,使防洪、防涝工作面临严峻的挑战。

1960-2019年河南省降水结构时空变化特征

为了研究河南省降水结构变化特征,基于1960—2019年河南省17个气象站点逐日降水数据,运用数理统计、GIS及Mann-Kendall等方法对河南省不同降水历时和降水等级时空变化特征及其变化趋势进行了分析。结果表明:(1)河南省降水发生率随降水历时的增加呈减少趋势,短历时(1~2 d)降水发生率达74.03%,居主导地位。≥5 d降水贡献率最大(26.73%),其次为2 d(26.20%),3 d(18.68%),4 d(14.43%)和1 d(13.96%);降水发生率随降水等级增加而降低,各等级降水贡献率为23.36%~28.20%,分布较为均衡;(2)降水结构空间差异显著,短历时降水发生率和贡献率呈由南往北逐渐增加趋势,3 d以上历时降水由南向北减少;小雨发生率和贡献率由东南向西北递增,暴雨发生率和贡献率由东南向西北递减;(3)Mann-Kendall趋势分析表明,各历时降水发生率和贡献率变化趋势基本一致,表现为中短历时(1~3 d)降水上升,长历时降水下降;各等级降水变化趋势方面,小雨发生率、贡献率呈下降趋势,大雨、暴雨发生率和贡献率呈上升趋势。近60 a来河南省降水结构有向极端强降水转移的态势。

北京“7.21”特大暴雨云降水结构及云雨转化特征

利用多普勒雷达资料、FY-2E静止卫星和MODIS极轨卫星反演产品,研究2012年7月21日北京特大暴雨的云降水结构及云雨转化特征。结果表明:降水过程三阶段的云降水垂直结构不同。1)在暖区对流降水阶段,降水以暖雨机制启动,雨滴在暖区存在深厚的碰并增长过程,暖雨过程对降水起主要贡献。随着云体的发展,冷雨过程加剧。T-Re分析表明,-10℃层以下云滴凝结碰并显著,-10℃层以上为深厚的冰相增长带,云顶以冰相大粒子为主,云水向雨水转化迅速。2)在锋面对流降水阶段,降水系统为高度组织化的"低质心"强降水液态MCC(Mesoscale Convective Complex)系统。回波强度在冰水混合层增长较快,冻结层是此阶段成雨微物理的关键层。降水粒子在暖云区碰并增长较快,而蒸发或破碎过程并不显著。3)在锋后降水阶段,0℃层附近冰晶粒子与云水的碰并增长较为明显。前期降水存在明显的雨滴蒸发过程。随着云体的发展,暖区云水含量较少,降水粒子不能有效碰并增长。

甘肃省近46a年降水结构空间变化分析

通过对甘肃省1960～2005年62个气象站逐日降水量的分析,得出反映年内降水结构的2类指标:不同强度降水日数构成和降水相关极值的空间变化特征。结果表明,全省范围内降水各指标均没有同质的变化,说明降水变化的空间差别很大,从区域平均值角度难以得到有用信息;而降水结构分析从微观解构宏观状况,可以更好地说明降水的变化特征。对降水结构的空间变化进一步分析说明,一个区域的降水是否有显著的变化趋势,是各降水相关指标变化的综合作用结果,这种组合非常复杂,通常不具备广泛的代表性,各个指标非显著性变化的组合结果可以是降水量要素的显著变化。

超强台风“利奇马”(1909)强度变化与降水结构分析

利用新一代GPM IMERG卫星遥感反演降水数据产品以及NCEP提供的海表温度(SST)、海(陆)-气界面热通量和风场等资料,对超强台风“利奇马”(1909)强度变化和降水结构特征进行分析。结果表明:①2019年8月4日14:00至9日02:00,显著减弱的环境垂直风切变、SST为29.6~30.4℃的海域为“利奇马”提供的感热和大量潜热以及“利奇马”环流东侧极为强盛的偏南风低空急流向其输送充足的水汽和能量,使“利奇马”强度呈显著增强的趋势。2019年8月9日08:00至13日08:00,随着“利奇马”逐渐靠近陆地并登陆,显著增强的垂直风切变、“利奇马”从海洋(陆地)获得的潜热显著减小并且同时失去感热、“利奇马”环流东侧偏南风低空急流的显著减弱、对流层中低层干冷空气侵入“利奇马”环流以及“利奇马”登陆后受到陆面摩擦,使“利奇马”强度显著减弱。②当“利奇马”处于中等强度以上的垂直风切变环境中时(垂直风切变≥5 m/s),无论其移动缓慢(移速<5 m/s),还是移动快速(移速≥5 m/s),垂直风切变对其内(距台风中心100 km半径范围)、外雨带(距台风中心100~300 km半径范围)上的降水分布起决定性作用,“利奇马”内、外雨带上的强降水均位于顺垂直风切变方向及其左侧。当“利奇马”处于较弱的垂直风切变环境中时(垂直风切变<5 m/s),无论其移动缓慢,还是移动快速,内雨带上的降水分布由垂直风切变和“利奇马”移动共同决定,强降水分别出现在顺垂直风切变方向及其左侧以及移动的前方,而外雨带上的降水分布由垂直风切变起主导作用,即强降水位于顺垂直风切变方向。总的来看,与“利奇马”移动速度和方向相比,环境垂直风切变对“利奇马”内、外雨带上降水非对称分布的影响要重要得多。

2011年台风“南玛都”不同阶段降水结构特征

利用TRMM卫星资料和NCAR／NCEP再分析资料，分析了2011年11号“南玛都”台风不同阶段的降水特征及其在台湾岛南部登陆后减弱阶段的热力和动力结构特征。结果表明：1）“南玛都”台风的降水分布显著不对称，台风眼壁区降水最强烈，且以对流云降水为主，但层状云降水对总降水量的贡献作用大于对流云降水，其他类型云在台风发展过程中对总降水量的贡献作用很小。台风发展过程中，降水云中3种不同相态的粒子含量表现为：雨水粒子含量最高，冰水粒子次之，云水粒子最少。在台风的初生和减弱阶段，降水范围小，强降水集中在台风环流的西南侧，其他方位上降水零散，且强度较弱。但在成熟阶段台风结构清楚完整，强降水集中在台风中心东南侧。2）“南玛都”台风降水云系在垂直方向呈明显的柱状结构，可伸展到对流层10kin左右的高度，但强降水回波集中在〈5km的高度上；回波中心较低，集中在2～4km高度处。3）对“南玛都”台风在台湾岛登陆后减弱阶段的分析表明，台风的暖湿中心随高度向西南方向倾斜，潜热释放在对流层中层约5km高度处累积，再加上对应高度上的暖心结构明显，以及登陆后地面摩擦造成的辐合加强，是台风登陆后产生降水的主要原因。同时在不稳定的大气层结中，伴随着台风西南侧从低空到高空较强的气旋性环流，以及对流层顶强烈的辐散流出，这种大气流场的空间结构有利于台风西南侧降水强度的增加。

湖南省汛期降水结构演变特征分析

利用1980—2018年湖南省汛期96个地面气象观测站逐小时降水资料,以降水事件发生频率和降水量贡献率作为重要指标,分析湖南省汛期降水结构的时空演变特征。结果表明:(1)随历时增长,降水事件发生频率呈幂函数规律减小,降水量贡献率则呈线性增加趋势。短历时降水事件发生频率高,降水量贡献率低;长历时降水事件发生频率低,但降水量贡献率高,是汛期降水主体。短历时降水事件发生频率和降水量贡献率湘南高于湘北,而长历时降水事件发生频率和降水量贡献率湘北高于湘南。(2)近10 a短历时降水事件发生频率和降水量贡献率都呈线性增加趋势,而长历时降水事件发生频率和降水量贡献率则呈下降趋势。(3)各量级降水事件发生频率随降水量等级增加呈幂函数规律减小,降水量贡献率则随降水量等级增加呈线性上升趋势。暴雨虽然发生频率低,但是汛期降水的贡献主体。小到中雨降水事件发生频率和降水量贡献率大致表现为湘南高于湘北;而大到暴雨降水事件发生频率和降水量贡献率湘北高于湘南。(4)小到大雨降水事件发生频率年际变化不显著,暴雨等级降水事件发生频率呈显著增加趋势。小雨降水事件降水量贡献率年际变化不显著,但是中雨和大雨等级降水事件降水量贡献率呈显著下降趋势,暴雨等级降水事件降水量贡献率呈显著上升趋势。

强对流天气过程中降水结构和雷电活动关系的研究

利用TRMM卫星等资料,运用统计与对比的方法,分析了川南的一次暴雨过程的闪电活动及其与降水结构之间的关系。结果表明,绝大多数闪电发生在对流区域,有少数闪电发生在层云区域,并进一步分析了两个时刻的MCS在6km高度处的雷达回波特征及其和闪电的关系,发现处于发展到成熟阶段的MCS绝大部分事件(闪电资料的一种)集中发生在MCS中的强对流单体回波区。对闪电与85.5GHz的亮温的研究表明,大多数闪电发生在低亮温值区域,负地闪在低亮温区域相对分散,在高亮温区域相对集中。

星载雷达观测台风降水结构的三维虚拟仿真实验平台建设

星载测雨雷达是未来大气探测和雷达气象的发展方向之一,也是雷达气象教学中需要不断加强的重要知识点。但由于其数量少,观测时间间隔长,无法实现对台风降水结构的连续演示,限制了教学效果。因此,引入虚拟仿真技术,模拟不同雷达参数、观测角度情况下台风三维降水结构,有助于学生理解星载测雨雷达的观测特点和能力以及内外雨带的台风结构特征,掌握各雷达参数对观测的影响,为雷达气象学的实验教学提供有效补充。充分发挥了虚拟仿真实验教学独特的、不可替代的作用,切实提高了教学能力,拓展了实践领域,丰富了教学内容。

北江流域汛期降水结构变化特征

选取北江流域18雨量站1961-2017年逐日降水数据,采用降水发生率、降水贡献率指标,利用Mann-Kendall法进行变化趋势检验,分析流域汛期(3-8月)不同历时、不同等级降水结构的时空变化特征,结果表明:1)汛期降水发生率随降水历时的增加大致呈指数形式递减,其中1~4d历时降水发生率合计69.88%;降水贡献率随降水历时的增加而先增加后减小、到≥10 d历时又显著增加。降水贡献率的空间差异主要表现为历时2~4 d与历时≥10 d在北部与东南部反向变化。2)降水发生率随降水等级的增加而减小,其中小雨发生率约占65%;西部大雨贡献率偏高;东南部暴雨贡献率偏高,其中清远、佛冈站约为39%。3)中短历时(1~6d)降水发生率呈不显著下降趋势,而贡献率呈不显著上升趋势;长历时(≥7 d)降水发生率、贡献率均呈显著下降趋势。各等级降水变化趋势方面,小雨、中雨发生率、贡献率不显著下降,大雨、暴雨发生率、贡献率不显著上升。