中低纬度系统相互作用过程的中尺度风场分析

以山东济南和滨州两部S波段多普勒雷达的观测数据为基础,采用直接合成的方法,反演台风“利奇马”和西风槽相遇引发极端降水过程的中尺度系统三维风场。(1)冷暖空气交汇产生的切变线长时间维持是西风槽与台风相互作用过程中产生极端降水的关键,暖空气先进后退,表现为东南气流和西北气流先后越过雷达站,垂直方向出现复合切变;(2)最强上升运动出现在对流单体回波梯度最大的区域,最大下沉运动出现在回波顶下风方,中低层回波中心均为弱风速区;(3)发展中的对流单体各层均有气旋式入流,成熟的对流单体高层出流有反气旋式出流;(4)风垂直切变是雨团降水增幅的主要影响因素,成熟期的雨团具有低质心对流单体风暴的结构形态,垂直运动达到最强。

基于集成学习的FY-4A/GIIRS红外通道亮温偏差订正研究

资料变分同化方法基于观测误差无偏的假设,故偏差订正是卫星资料质量控制的重要环节之一。开展了基于集成学习的风云四号A星(Feng-Yun 4A,FY-4A)干涉式大气垂直探测仪(Geostationary Interferometric Infrared Sounder,GIIRS)中波红外通道亮温偏差订正研究。将随机森林、极端梯度提升(eXtreme Gradient Boosting,XGBoost)、Decision Tree和Extra Tree作为集成学习的基础模型。在优化基础模型的超参数后,采用广义误差极小化方法集成基础模型回归结果。基于台风“利奇马”期间的加密晴空视场点资料,对比了集成学习、基础模型和离线法的GIIRS通道亮温偏差订正效果。试验结果表明,本文所采用的订正方法均取得了好的结果。在所有方法中,集成学习的订正效果最佳。在气团预报因子中,地理(经度和纬度)信息对基础模型贡献率较大。本文方法可推广至其他资料的偏差或误差订正。

极端暴雨下典型小流域重力侵蚀的分布及影响因素

为探究极端暴雨下重力侵蚀分布规律及其环境条件,以2019年“利奇马”台风引发的特大暴雨事件为对象,采用无人机航拍、室内解译等方法,研究了位于暴雨中心的山东省临朐县曾家沟小流域内不同类型重力侵蚀的数量、空间分布特征及其影响因素。结果表明:(1)小流域内发生的重力侵蚀共70处,主要类型为滑坡(49处),其次为泥石流(14处)和崩塌(7处)。(2)重力侵蚀面积、侵蚀量分别与坡度变率、坡度、坡位、高程、坡向和坡向变率呈正相关,与距梯田距离、距道路距离和土地利用类型呈负相关。(3)坡度是影响重力侵蚀的最重要因素,侵蚀易发生在坡度为30°~50°的斜坡。(4)人类活动对重力侵蚀的影响较大,特大暴雨下的严重重力侵蚀多发生在梯田田坎、道路边坡等位置,需将重力侵蚀防治的重心放在加强道路两侧边坡、梯田田坎和坡度>30°的陡坡边坡防护上。研究结果可为应对和预防重力侵蚀灾害提供科学依据。

台风“利奇马”远距离暴雨的关键动力因子和水汽来源

基于地面加密观测、ERA5再分析、ECMWF全球集合预报等多源资料,利用敏感性分析方法、涡度收支诊断方法以及拉格朗日水汽追踪方法,探讨1909号台风“利奇马”造成远距离暴雨的关键动力因子和水汽来源。结果表明,对流层低层短波槽的加深有利于台风远距离降水(Tropical cyclone Remote Precipitation,TRP)区南北两侧的气流共同增强TRP区域内的低层相对涡度,从而增强TRP。尤其相对涡度的散度项是影响TRP增强或减弱的关键作用项。在TRP增强阶段,有利于暴雨增强的正涡度主要由散度项贡献。负的散度项贡献导致相对涡度减小,TRP雨强也随即减弱。在水汽方面,TRP雨强和区域内的水汽含量密切相关。500 hPa上TRP区域内的水汽由局地和台风“利奇马”共同贡献;700 hPa的水汽主要由“利奇马”台风贡献;850 hPa的水汽则由局地和两个台风共同输送,其中台风“罗莎”的贡献更大一些。

登陆台风外围极端降水过程的中α尺度系统特征

采用全国多普勒雷达反射率因子拼图、山东省自动气象观测站数据,结合ERA50.25°×0.25°再分析资料,分析台风“利奇马”造成山东极端暴雨的中α尺度系统特征。结果表明:台风北侧东南急流与西风槽后偏西气流的切变引发的中α尺度辐合区是直接造成极端降水的中尺度系统;对流始于800~750 hPa,随后沿西风槽向高层发展,再伸展到低层,在台风北侧低层切变附近强烈发展;初始对流由低空急流触发,后高空出流迅速增强,促进上升运动发展,高低空急流上下耦合的正反馈作用促进了中α尺度辐合区深度发展,是极端降水发生发展的重要原因;初始对流发生在对流不稳定环境中,凝结潜热释放造成的湿斜压性和中低层垂直切变形成的条件性对称不稳定增长,使对流发展为有组织而长时间维持的深对流;水平风场将水汽汇集向暴雨区,上升运动将水汽向中高层输送,湿层逐渐增厚,当水汽通量15 g/(cm·hPa·s)等值线向上伸展到500 hPa时,降水强度超过20 mm/h;鲁中山区地形是影响降水中心落区的重要因素。

基于SBAS-InSAR技术的山早滑坡形变分析

台风暴雨诱发滑坡具有突发性,调查难度较大。以台风“利奇马”期间发生的山早滑坡为例,基于滑坡发生前的升轨哨兵一号2017年9月12日至2019年8月9日的24景数据,采用SBAS-InSAR技术分析了该时段滑坡的时序累积变形,并结合气象资料进一步分析了滑坡体地表形变的规律。结果表明,山早滑坡发生前的形变主要划分为滑坡体蠕变阶段、滑坡体前缘变形显著增加并向坡体中部逐渐扩大阶段、滑坡体后缘加速变形阶段3个阶段;滑坡体上InSAR监测点垂直方向的形变速率及累积变形数据显示坡体前缘及中部形变速率和累计变形较小,变形主要集中在滑坡体的后缘,其形变速率和累计沉降最大分别可达40 mm/a和320 mm,该滑坡为推移式滑坡。研究结果为滑坡的早期识别及监测预警提供了新的思路和方法,对滑坡灾害的防治有一定的参考价值。

基于全球闪电定位网的江淮闪电定位网探测效率分析:以台风“利奇马”为例

基于全球闪电定位网(World Wide Lightning Location Network,WWLLN)获取的闪电定位资料对江淮闪电定位网(Jianghuai Area Sferic Array,JASA)在内陆及近海区域的闪电实时探测性能进行评估。通过对2019年第9号超强台风“利奇马”期间产生的闪电活动进行对比分析,发现JASA和WWLLN对台风闪电的径向分布、时间变化和空间变化有较好的一致性,绝大部分闪电发生在云顶亮温小于220 K区域;在台风发展阶段,内核区闪电活动较为频繁,在台风成熟和消亡阶段时,闪电主要分布外雨带,内核区的闪电活动少但集中。在探测效率方面,JASA对江淮区域实时定位到的闪电数远多于WWLLN,相对探测效率和绝对探测效率分别为69.12%和92.51%。而在海洋区域(114~130°E,20~24°N和123~130°E,24~32°N),由于受到JASA站点位置分布的限制,闪电实时定位数略少于WWLLN,其相对探测效率和绝对探测效率分别为32.67%和52.26%。研究结果表明了JASA对内陆及近海区域雷暴具备较强的捕获能力,为实时监测台风期间强对流闪电活动的演变规律提供数据支撑,也为进一步完善站点布局以提升深海区域闪电探测性能提供了理论支撑。

基于利奇马台风路径下的FY-4A海洋热含量空间自相关分析

每年我国沿海多地遭受不同程度的台风灾害影响,台风对我国多个省市地区人民造成严重的生命和财产安全危害。海洋热含量(TCHP)是影响台风的主要因素之一,文中将2019年利奇马台风数据与基于FY-4A融合海温数据反演得到的TCHP数据做时空匹配,得到利奇马台风路径上的TCHP。然后在地统计学的基础上,引入全局自相关分析和局部自相关分析方法,对台风路径上的TCHP进行分析研究。结果表明:TCHP的全局Moran′s I值为0.94,即在相邻空间位置上具有高度的正空间自相关性;TCHP局部空间自相关特征主要以高-高,低-低这2种空间聚集形态为主,在局部空间上没有表现出异质性,具有较高的空间相关性;在利奇马台风发生及发展过程中,随空间位置的变化,TCHP属性值逐渐由低-低聚集类型向高-高聚集类型转变,对海-气交换产生负反馈影响,此时TCHP和台风移速在此变化过程中虽然波动较大,但是变化后维持在一定的范围内。台风强度也在变化之后增速也逐渐变缓,形成一个稳定状态。

超强台风利奇马(1909)期间海洋中尺度冷涡特征分析

对超强台风“利奇马”期间西北太平洋海表面高度异常(SLA)特征及台风移动路径附近中尺度冷涡特征进行了分析,结果表明:“利奇马”过境前后,西北太平洋SLA以正值为主,闭合SLA负值区C1负异常数值减小、范围扩大,C2变化不明显;“利奇马”以6.4~10.8 km/h移速横穿中尺度冷涡CE1,并向西北方向移动,移出前后CE1强度、范围加强(SLA极值为-19.6 cm);以13.9~20.4 km/h快速从CE2以东海域移过,过境前后CE2强度、范围变化不明显;CE1、CE2位于“利奇马”强迫区域内,“利奇马”对CE1影响时间长(18~42 h),使得CE1范围增大、强度增强,对CE2影响则不明显。

基于高光谱GIIRS红外亮温的大气三维风场反演研究

风场对于天气形势的演变和预报至关重要。基于风云四号A星干涉式大气垂直探测仪(GIIRS)中波通道资料和ERA5风场资料,采用LightGBM进行大气三维风场反演研究。首先,构建模型特征变量。GIIRS通道最优选择采用二步特征选择法:(1)建立GIIRS通道黑名单;(2)采用置换特征重要性(Permutation Feature Importance,PFI)方法选择特征变量,在形成通道最优子集的基础上,构建含有时空信息的特征变量。其次,构建基于LightGBM的三维风场反演方法。最后,基于台风“利奇马”期间的GIIRS加密资料开展了LightGBM超参数优化和相关反演试验。结果表明,相对于ERA5风场资料,测试集中风场U和V分量的均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)分别小于1 m/s和1.5 m/s。本文中的二步特征选择法能够实现GIIRS通道的动态最优选择。

台风“利奇马”(1909)影响期间上海强降水成因诊断分析

2019年第9号台风“利奇马”(1909)在8月9—11日影响上海期间造成了严重的风雨影响。基于ERA5逐小时再分析资料和上海区域高时空分辨率的地面观测资料,采用非地转Q矢量分解等方法诊断分析了此次强降水成因。结果表明,台风“利奇马”在上海造成的强降水主要来自台风东侧的螺旋雨带。强降水区东南西北各边界的相对湿度在垂直方向上随时间的变化差异明显,水汽的垂直输送和大气整层水汽含量在台风强降水中起重要作用。进一步利用非地转Q矢量分解方法揭示了东边界的大尺度和北边界的中尺度系统在强降水中起主要作用。台风登陆时呈现出整层大气被抬升之后最大强迫中心由高层向低层下传的态势,且此下传效应中尺度比大尺度强迫更加明显,从而有利于强降水的发生。

北上台风引发锦州连续性暴雨的成因分析

【目的】诊断分析锦州地区2019年8月10日至15日出现的连续性暴雨。【方法】利用Micaps实况数据资料、ECWMF再分析资料等进行分析。【结果】受西风带冷空气、副热带高压及减弱台风“利奇马”外围云系等连续影响,锦州地区此次暴雨过程持续时间长、累计雨量大、风力较强、致灾程度高,总降水量达暴雨到大暴雨量级,局部特大暴雨。【结论】此次暴雨持续时间长、累计雨量大主要是由于副热带高压和大陆高压两高对峙,移速较慢,以及源源不断的水汽和能量补充的影响,高层辐散、低层辐合的高低空配置有利于垂直上升运动发展。此外,冷空气从底层卷入使台风“利奇马”结构破坏,减弱填塞,斜压发展,虽然缩短了台风生命史,却是造成本次暴雨“长时效”特点的关键。

台州市头门港区进港航道试挖槽回淤过程研究

港口航道的泥沙骤淤特征对海港建设及运营管理具有重要意义。通过分析台州市头门港区进港航道试挖槽回淤监测的基础数据,研究开敞海域航道开挖后的回淤过程特征。结果表明:台风期间试挖槽被浮泥淤平;台风后5个月,试挖槽内浮泥逐渐压实、槽内高程逐渐下降。台风作用下高含沙量水体是港区航道淤积的主要原因。

台风“利奇马”对渤海风暴潮影响研究

利用实测资料对比和FVCOM数值模拟等方法,研究了"利奇马"台风风暴潮在渤海的演变规律。研究表明:渤海沿岸的风暴潮过程是由局地风"直接作用"及外部天气系统"间接影响"共同作用引起的,且它们引起的风暴潮时空分布明显不同。在"利奇马"台风风暴潮中,"直接作用"引起的风暴增水在渤海湾和莱州湾沿岸分别约占总风暴增水的2/3和1/2。

超强台风“利奇马”(1909)的闪电活动特征

利用风云四号A星(FY-4A)装载的闪电成像仪探测到的闪电实时定位资料和中央气象台提供的台风定位资料,分析了2019年第9号超强台风“利奇马”的闪电时空演变特征。结果表明:“利奇马”在强台风阶段的日平均闪电密度最大,其次是超强台风阶段。处于增强阶段(△V>0 m·s^-1)时的闪电活动强于减弱阶段(△V<0 m·s^-1),气旋强度稳定时(-5 m·s^-1≤△V<5 m·s^-1),闪电活动最弱。台风成熟以后闪电密度基本呈现出三圈结构。闪电的空间分布具有不对称性,在台风移动方向左侧的闪电数量明显多于右侧。台风外围雨带中的闪电远远多于台风中心发生的闪电,台风中心发生的闪电所占比例不到总数的1%。在台风两次增强阶段均出现闪电的爆发,在台风最强阶段也有较多的闪电发生。在台风最强时期的前半段,眼壁闪电数明显爆发至最大,在台风减弱阶段,眼壁闪电发生很少。

台风利奇马(1909)双眼墙特征及长时间维持机制

利用CIMSS微波卫星产品和多普勒天气雷达资料,分析超强台风利奇马(1909)的长时间双眼墙特征,并采用集合卡尔曼滤波方法同化雷达径向风资料,诊断利奇马双眼墙的三维结构演变特征。结果表明:在双眼墙演变过程初期,受强垂直风切变和中高层干空气入侵的影响,外眼墙对流减弱,呈非对称特征。Sawyer-Eliassen方程诊断结果显示:台风利奇马(1909)内、外眼墙次级环流之间的相互作用不明显,不同于发生眼墙替换过程的台风,其外眼墙处非绝热加热引起的下沉运动发生在内眼的眼心,内眼墙的上升运动并未受到外眼墙次级环流抑制。另外,在强垂直风切变条件下,非对称的外眼墙不能持续增强收缩并取代内眼墙,因此双眼墙结构得以长时间维持。可见,台风利奇马(1909)外眼墙的非对称结构和特殊的次级环流分布是其双眼墙能够长期维持的重要原因。

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。

1909号台风“利奇马”影响期间浙江大风分布特征及成因分析

利用NCEP FNL再分析资料(1°×l°和0.25°×0.25°)、NOAA日平均海温及其距平资料(0.25°×0.25°)和浙江常规气象观测站实况10 m高度风资料,对1909号台风“利奇马”影响期浙江期间的大风分布特征及其成因进行了分析。结果表明:(1)台风“利奇马”影响期间,浙江大风极端风力强,测站最大极大风达到61.4 m/s,强风出现时间长、大风范围广、登陆后大风减弱慢;(2)浙江局地强风的提前出现与台风强度增强有关,1910号台风“罗莎”对副高的间接影响以及登陆后台风“利奇马”与西风带槽的合并影响,导致台风“利奇马”北向分量加大;登陆后的台风“利奇马”离开浙江台州后只经低海拔和平原路径导致地面摩擦少,强度减弱慢,且地面东北侧高压加强南落导致登陆后浙江地区气压梯度仍较大,使登陆后浙江极端大风仍较强且持续时间长;(3)台风“利奇马”登陆前和登陆时的中尺度特征表明:高空维持较大风速,下沉运动使高层动量下传导致低层或地面大风猛增;(4)登陆前台风“利奇马”所经洋面高海温分布是导致台风强度迅速增强的原因,临近登陆前近海海温较低导致强度略有减弱。登陆前台风“利奇马”中心范围垂直风切变大小对台风强度有一定的预报指示作用:登陆前垂直切变值偏大,台风强度增长缓慢;垂直切变值迅速减小则有利于台风强度迅速增强。

台风对不同树形梨树落果及枝叶损伤的影响

分析了2019年利奇马台风对不同树形梨树落果率及枝叶损伤的影响。结果表明,纺锤形梨树落果最多,达90%以上;细长纺锤形梨树落果量70%以上;Y形梨树落果量最低,为30%左右。枝叶损伤与落果率的规律接近,由高到低依次为纺锤形>细长纺锤形>Y形。

宣城市1909号台风“利奇马”灾害过程分析及气象服务概况

第9号(1909号)台风“利奇马”是2019年以来登陆我国的最强台风,具有强度强、历时长、影响范围大等特点。“利奇马”台风给宣城市带来强降水和大风,全市受灾严重,特别是所辖宁国市受灾最为严重。对“利奇马”台风灾害过程进行分析,并对此次台风的气象服务情况进行概述。