华南前汛期强降水过程雨滴谱特征研究

为了解华南前汛期暖区降水和锋面降水的微物理特征差异,利用二维视频雨滴谱仪(2DVD)资料、自动站降水资料以及ERA5再分析资料,以2017年6月17日、2023年4月6日锋面降水和2017年6月22日、2022年5月11日暖区降水过程为例,对比分析暖区降水和锋面降水的雨滴谱特征、Gamma谱参数形状因子与斜率因子(μ-Λ)关系以及雷达反射率因子与雨强(Z-R)关系。结果表明:(1)锋面降水个例和暖区降水个例中,对流降水均占主要贡献,对流降水各粒径(尤其是粒径小于1mm)数浓度高且粒径大;暖区对流降水发生时间概率和降水量贡献比例均大于锋面对流降水。(2)暖区降水和锋面降水对流发展阶段,雨强(R)的增长均滞后于雷达反射率因子(Z),暖区降水的R、质量加权直径(D_(m))和粒子数浓度(lgN_(w))极值均远大于锋面降水。(3)D_(m)和lgN_(w)分布显示,暖区对流降水粒子分布较为分散,具有较大D_(m)和lgN_(w);锋面层云降水粒子具有较小D_(m)和lgN_(w)。(4)锋面降水个例和暖区降水个例μ-Λ关系式以及Z-R关系式相差较大,且不同于经典大陆性对流云降水Z-R关系式。

华南前汛期珠江流域两类暖区飑线特征分析

利用2016—2019年4—6月雷达三维拼图资料,根据触发条件的差异,划分华南前汛期暖区飑线为锋面触发暖区发展(Ⅰ型暖区飑线)与暖区触发并发展(Ⅱ型暖区飑线)两类;在此基础上针对飑线造成短时强降水和雷暴大风的分布,对比了飑线发生时的大尺度环境条件和中尺度雷达回波特征。结果表明:Ⅰ型暖区飑线大多形成于平原地区,Ⅱ型暖区飑线大多生成于山脉迎风坡和海岸线;两类飑线发生时均伴有明显的短时强降水,易造成暴雨洪涝;Ⅰ型暖区飑线易产生区域性雷暴大风,Ⅱ型暖区飑线产生分散性雷暴大风;Ⅰ型暖区飑线生命史长,对流发展更旺盛,飑线移动速度快;Ⅱ型暖区飑线生命史短,飑线移动速度慢,回波强度弱于Ⅰ型暖区飑线;两类飑线都有较好的水汽条件和0~3 km低层风垂直切变条件,Ⅰ型暖区飑线发生时动力和热力条件更好。

1961—2023年福建前汛期开汛时间年际变化和成因

根据华南汛期监测业务规定,使用相关分析、小波分析、合成分析等统计方法分析了福建1961—2023年前汛期开汛时间的年际变化特征,同时研究了其与福建各地降水量的关系,分析了福建前汛期开汛异常与前冬海温和早春大气环流的关系。结果表明:福建前汛期开汛时间年际变化特征明显,存在25 a的主振荡周期。开汛最早出现在1973年和1979年的4月2日,最晚出现在1963年6月1日,平均开汛时间是4月27日。福建前汛期开汛时间与福建大部春季降水量、中部沿海地区的3月降水量以及福建4月降水量相关较好。福建前汛期开汛偏早年,前冬西北太平洋中部海温偏低,热带中东太平洋东部海温偏高,早春副热带西风急流偏强,副热带高压偏强偏西,南海到福建上空西南气流偏强;开汛偏迟年则完全相反。

提高三峡工程发电效益的优化调度方式研究与展望

三峡工程是国之重器,具有防洪、发电、航运、水资源利用等巨大综合效益,直接关系到国家水安全、粮食安全、生态安全和能源安全,三峡工程运行调度管理是工程效益发挥的关键所在。在梳理三峡工程调度基本情况基础上,阐明三峡工程发电调度任务和原则,分析汛期运行水位上浮、中小洪水调度、汛末提前蓄水等提升综合效益的优化调度方式,总结了近年三峡工程调度实践成效。三峡工程产生了巨大的发电效益,对于三峡电力外送和全国电网联网具有重要意义。结合新时期长江流域水工程联合调度新要求和新条件,剖析了需要关注的重点问题,提出深入开展三峡水库汛期运行水位上浮研究、细化和优化三峡水库中小洪水调度方式、缓解上游水库群与三峡水库的汛末竞争性蓄水矛盾等下一步研究展望,促进提高水电站发电效益,增加蓄水期水量有效供给,提升工程综合效益,进而为三峡工程实时调度、三峡工程综合效益提高提供技术支撑。

汛期我国主要雨季进程成因及预测应用进展

汛期内我国中东部地区的雨季是东亚夏季风推进过程中的重要产物,主要包括华南前汛期、梅雨、华北雨季和华西秋雨等,各地雨季决定了我国中东部地区汛期的旱涝布局和旱涝演变,是我国汛期预测和服务的重点.该文回顾了4个雨季特征及影响因子方面的研究进展,在此基础上梳理物理概念预测模型.研究显示:海温异常是影响各区域雨季的重要先兆信号,但不同雨季的年际和年代际变化特征不同,海温作为外强迫信号的影响程度和时空形式也有差异.利用热带太平洋东西海温差指标能更好地解释华南前汛期降水的年际变化.而与梅雨的年际变化分量相关联的海温关键区主要分布于热带,与年代际或多年代际变化分量相联系的海温关键区则来自中高纬度.华北雨季降水的强弱不仅与ENSO循环的位相有关,更多受到ENSO演变速率的影响.而影响华西秋雨的海温关键区随着年代际背景的变化发生了改变,需要重新诊断和建模.

华南前汛期的锋面降水和夏季风降水II.空间分布特征

利用中国730站降水资料和第I部分(郑彬等,2006)得到的华南前汛期锋面降水和季风降水的划分日期,计算出1958-2000年华南前汛期锋面降水量(强度)和季风降水量(强度)的序列,采用EOF和扩展EOF分析方法,得到华南前汛期降水的几个主要分布型,并探讨锋面降水与季风降水的可能联系。分析结果表明:华南前汛期的锋面降水和季风降水分布主要有三种类型——全区旱涝型、西南涝(旱)东北旱(涝)型、东南涝(旱)西北旱(涝)型。各分布型的时间系数与850 hPa风场的相关结果表明不同的分布对应着不同的低层环流形势。统计结果显示华南前汛期锋面降水的分布形式与季风降水的分布形式有一定的对应关系。

华南前汛期区域持续性暴雨的分布特征及分型

利用广东和广西两省共175个台站的日降水观测资料,采用计算机检索的方法,对1961-2005年间华南前汛期区域持续性暴雨进行了定义。对南海夏季风爆发前后区域持续性暴雨的气候分布特征的分析发现,季风爆发前持续性暴雨频数从60年代至今呈现出正态分布的年代际变化特征,而季风爆发后的区域持续性暴雨频数变化则几乎相反;广东省前汛期区域持续性暴雨降水明显比广西强。此外,通过EOF方法和相关分析得到了夏季风爆发前后出现频率较高的几种分布雨型,它们能较好地代表季风爆发前后华南降水分布的特点。

华南前汛期持续性暴雨年代际变化特征及成因

应用福建、广东、广西243个气象站1961—2012年逐日降水资料,构建华南前汛期暴雨强度指数,揭示了前汛期持续性暴雨年代际变化特征及其可能机理。研究表明:前汛期持续性暴雨经历了多发(1961—1972年)—少发(1973—1991年)—多发(1992—2012年)3个阶段,目前仍处于多发期,具有持续时间较长且强度增强的特点;由于前汛期降水的低频振荡受热带低频信号北传的调制,因此,导致这种显著年代际变化的可能成因是热带低频信号北传的周期和强度的年代际差异,当热带低频信号北传至华南时低频周期长(短)且强度强(弱),则前汛期易出现持续时间长(短)且强度强(弱)的持续性暴雨。

华南前汛期的锋面降水和夏季风降水 I.划分日期的确定

前汛期暴雨常常引发华南地区的洪涝，但是前汛期降水的预报能力却相当低。降水的预报在很大程度上依赖于对降水性质的理解，而华南前汛期降水通常被认为只是锋面性质的降水。事实上，南海夏季风在6月（甚至5月）就可以影响到华南地区并产生季风对流降水。因此，华南前汛期包含了两种不同性质的降水，即锋面降水和夏季风降水，如何区分它们是非常重要的。为了区分它们，利用NCEP／NCAR再分析资料、CMAP资料和中国730站降水资料，分析气候平均（1971-2000年）状态下锋面降水和季风降水期间大气性质和特征的差异，得到华南前汛期夏季风降水开始的基本判据：100hPa纬向风由西风转为东风并维持5天以上。利用该判据得出气候平均条件下的华南夏季风降水开始于5月24日，并得到1951-2004年逐年华南前汛期锋面降水和季风降水的划分日期。合成分析的结果表明，得到的划分日期是基本合理的，因为它将锋面降水和季风降水期间大气特点的显著差别区分开来。

2005年夏季的主要天气及其环流分析

简要讨论了2005年夏季的主要天气过程和形势。2005年夏季全国大部分地区降雨量接近常年同期或偏多,特别是新疆地区降雨异常偏多,华南地区出现严重洪涝,而长江流域出现了空梅。造成6月华南地区强降雨的影响天气系统为切变线和地面静止锋,主要为从东北和西北来的冷空气与暖湿气流交汇于华南地区而形成。2005年与1994、1998年环流的对比表明,1998年西南季风强度比1994、2005年都要弱,但2005年梅雨期东阻位置在贝加尔湖东侧,比1998年的鄂霍次克阻高偏西,中纬度地区多小槽活动,贝加尔湖地区没有长波槽建立,中高层西风急流带偏北大约10个纬度,低层西南风急流也偏北,有利于北方降水的发生。2005年夏季登陆我国的台风偏多,强度较强,这是又一特点。华北地区的暴雨过程多与登陆或西太平洋上活动的台风有关;东北地区多低涡活动。与2004年对比,2005年华北地区的高温日数偏多,而且出现持续闷热天气,江南部分地区的高温天数也偏多。

2012年华南前汛期降水特征及环流异常分析

2012年华南前汛期于4月第2候开始,6月第5候结束。前汛期降水经历了三个不同的阶段:第一阶段是4月第2候至5月第3候的降水集中期(锋面降水),江南大部和华南大部降水偏多25%以上,第二阶段是5月第4候至6月第2候的少雨期,华南中部和东部降水偏少50%以上,第三阶段是6月第3—5候的第二个降水集中期(季风降水),江南东南部至华南中西部降水偏多50%以上。对各阶段大气环流距平场的分析结果表明:华南前汛期开始后,偏强的乌拉尔山高压脊导致南下的冷空气偏强,偏强的低层副热带高压使得我国南方为整层水汽输送的异常辐合区,两者共同导致华南前汛期第一阶段的锋面降水较常年同期偏多;南海夏季风在爆发后偏弱和西北太平洋副热带高压(以下简称副高)持续3候异常偏北是导致第二阶段前汛期降水明显偏少的主要原因;第三阶段.南海夏季风异常偏强,副高南落并增强,以及孟加拉湾季风槽的偏强使得华南前汛期此阶段的季风降水偏多。

热带大气季节内振荡对华南前汛期降水的影响

本文基于实时的热带大气季节内振荡(MJO)指数和中国台站降水资料,研究了MJO对中国华南前汛期(4～6月)降水的影响。结果表明,随着MJO的活跃中心从印度洋进入西太平洋,华南地区的降水由偏多转为偏少。最显著的降水正负异常分别位于第4位相和第7位相,其区域平均的最大正负异常值相对于气候平均值的变化约为17%和11%。与降水异常相对应,大尺度背景场,如西北太平洋副热带高压、水汽和垂直速度也发生了季节内变化。当MJO的活跃中心位于印度洋(第4位相),副高加强西伸,华南地区的水汽增加,上升运动亦加强,降水偏多。当MJO的活跃中心位于西太平洋(第7位相),副高减弱东撤,华南地区的水汽减少,上升运动亦减弱,降水偏少。

华南前汛期不同降水时段的特征分析

利用1957—2001年华南地区74个测站逐日降水资料和同期NCEP/NCAR逐日再分析格点资料,对华南前汛期(4—6月)不同降水时段的特征进行了比较。分析发现,华南前汛期降水由锋面降水和夏季风降水两个时段组成。锋面降水时段主要集中在4月,为典型的由冬到夏过渡的环流形势,华南地区高空为平直的副热带西风急流,大气层结稳定,水汽来源主要是阿拉伯海的西风输送和西太平洋副高南侧东风的转向输送;南海夏季风爆发前,副高仍控制南海地区,华南地区水汽输送主要来源于阿拉伯海的西风输送和西太平洋副高南侧东风的转向输送及孟加拉湾的西南输送;南海夏季风爆发后,副高东撤退出南海地区,南半球越赤道水汽输送加强并与孟加拉湾水汽输送连通,华南区域内对流发展;夏季风降水时段盛期主要集中在6月,此时南亚高压跃上高原,华南地区处于南亚高压东部,对流发展极其旺盛,强大的南半球越赤道水汽输送越过孟加拉湾和南海地区向华南地区输送。

广东6月持续性暴雨期间的大气环流异常

利用1979—2011年共33年广东86个观测站日降水和全球大气多要素日平均资料,分析广东前汛期降水异常(包括暴雨和无雨)的环流特征。结果表明,广东6月持续性暴雨和持续性无雨期间大气存在显著的经向遥相关波列,其中,持续性暴雨过程波列更完整,非持续性暴雨(或非持续性无雨)则波列不显著,而4、5月的持续性暴雨或持续性无雨过程都没有波列出现。在经向波列存在的情况下,对流层中高层大气西风带环流经向度增大、槽脊发展增强,中高纬度这种持续稳定的环流形势,有利于冷空气和高空槽影响华南;在高层200 hPa,华南处于偏西风和西南风异常之间的气流辐散区域,有利于高层辐散;对流层中低层西太平洋副热带高压偏强、西脊点偏西,华南上升、南海下沉的垂直异常经圈环流建立;同时对流层低层来源于印度和孟加拉湾北部以及热带太平洋的水汽输送明显加强,从而为持续性暴雨过程提供有利的环流背景以及暴雨区所需的动力和水汽条件,可见经向波列通过对流层高、中、低层大气环流异常影响持续性暴雨。在没有经向波列的情况下,当500 hPa华南地区有西风槽活动、850 hPa南海北部西风偏强,广东局地动力上升条件和水汽输送条件达到一定程度,则只能出现非持续性暴雨。因此,经向波列可为区分持续暴雨与非持续暴雨预报提供参考。与广东降水持续异常相关的经向波列受中高纬度罗斯贝波、热带对流以及中低纬度太平洋地区大气异常等多方面的共同影响。

近47a华南前汛期旱涝特征

采用华南61站47a（1958-2004年）前汛期（4-6月）逐日降水资料，利用统计方法对华南前汛期的旱涝特征进行了研究。结果表明：47a来华南有12个涝年和12个旱年发生，较严重的旱涝年主要发生在20世纪50年代末至70年代中期以及90年代以后；前汛期旱涝变化以2～4a的年际尺度周期最为显著；4、5月旱涝的年代际变化特征较为一致，而5月与6月在年代际尺度上具有一定的反位相变化特征；地理分布上，可将华南地区前汛期降水分为5个旱涝异常气候区。近47a来桂南、粤西和东南沿海地区呈现旱—涝—旱的变化特征，而桂北区由旱转涝趋于雨涝的趋势明显，东北部山区由涝转旱趋于干旱的趋势明显。

华南前汛期降水异常与水汽输送的关系

采用1958—2000年华南57站前汛期日降水资料和NCEP/NCAR逐日水汽输送再分析资料,分析了华南前汛期降水异常与水汽输送的关系,并对旱、涝年进行了比较分析。结果表明:华南地区经向水汽输送的异常变化将导致该地区的异常旱涝,而纬向水汽输送的异常变化只导致该地区出现小范围的降水异常。旱年和涝年的异常水汽输送不是简单的反位相关系。来自印度洋和西太平洋的水汽对华南地区前汛期的降水异常没有明显的作用,南海(主要是其北部)才是华南降水异常的关键区。

不同水汽分析场对一次华南前汛期暴雨预报的影响分析

利用华南高分辨率模式分析了不同水汽分析场对一次华南前汛期暴雨模式预报效果的影响。分别使用来自NCEP-GFS(Global forecast system)和ECMWF-IFS(Integrated forecast system)两个不同预报系统提供的分析场进行模拟发现,使用IFS模式提供的初始场进行预报能够得到更为合理的降水预报效果,并发现初值中850 hPa高度以下的水汽对本次过程的降水预报结果具有显著影响。由于在华南地区两种初始场内低层的水汽分布存在较大差异,导致了模式预报过程中出现了不同的降水发生机制,最终导致降水预报出现明显的偏差。在GFS分析场的基础上,进一步利用GRAPES-3DVar系统对常规观测资料进行再次同化,发现同化对本次降水过程的前期预报有改进,但是对24 h累计降水的预报改进并不明显。

华南6月降水异常及其与东亚—太平洋遥相关的关系

利用1959～2010年共52年的大气环流和降水资料,我们分析了华南前汛期季风降水(6月降水)的变化特征,发现6月华南降水与同期EAP(East Asia-Pacific,东亚—太平洋)遥相关型有显著的相关关系,两者之间的相关系数为0.35。EAP指数为正时,长江中下游以南的地区降水偏多,而长江以北和黄河之间的地区降水偏少。将华南6月降水分为与EAP相关的降水序列和与EAP独立的降水序列,比较了二者所对应环流异常的异同点。结果表明,与EAP相关的降水异常对应着EAP相关型的环流异常分布特征,降水为正异常时,850hPa风场从低纬度到高纬度呈现"反气旋、气旋、反气旋"的异常分布,湿的偏南风和干的偏北风在华南上空交汇,降水增多;而整个淮河流域上空为偏北风异常,导致南风带来的水汽输送减少,降水偏少,因此降水异常呈现偶极子分布。相比之下,与EAP独立的降水正异常对应的环流异常表现为热带西北太平洋上空的反气旋性环流异常,华南地区上空为显著的西南风异常,输送到华南地区的水汽增多,导致降水偏多。

华南前汛期持续性暴雨统计特征及环流分型研究

利用1961—2013年华南区域305个国家级气象台站日降水资料、1980—2013年5—6月NCEP/CFSR再分析资料（分辨率0.5×0.5）等,定义华南前汛期持续性暴雨和暴雨持续日数,分析近53 a华南前汛期持续性暴雨特征及其大尺度环流形势;归纳有利于华南前汛期持续性暴雨发生的4种典型环流类型。结果表明：（1）华南前汛期持续性暴雨过程主要集中在5—6月,并存在准20 a振荡周期;1960年代前半段6月暴雨次数多,1960年代末期到1980年代5月暴雨次数明显增加,1990年代至2013年暴雨主要出现在6月,2006年后5月暴雨次数逐渐增加;暴雨过程持续日数一般3~4 d,超过10 d以上的单次过程仅4次。（2）华南前汛期持续性暴雨分为东亚槽底型、两脊一槽型、多涡旋型和纬向型,东亚槽底型和两脊一槽型次数相对较多,主要发生在5月下旬—6月下旬;纬向型次数最少,主要在5月上旬—6月初。（3）各型持续性暴雨过程500 h Pa中高纬地区环流特征各异,其共性是均有利于北方冷空气南下影响华南,低纬地区西太平洋副热带高压（副高）和孟加拉湾南支低槽维持少动,低层850 h Pa华南盛行西南暖湿急流;持续10 d左右的暴雨过程相较持续3~5 d的暴雨过程,副高位置偏西偏强,华南上空多短波槽活动,850 h Pa西南季风气流位置偏西偏北、风速偏大。

一类低涡切变型华南前汛期致洪暴雨的分析研究

采用2008年我国南方暴雨野外科学试验(SCHeREX)加密资料和NCEP再分析资料、FY-2C卫星TBB资料以及常规观测资料对广西致洪暴雨进行了研究。研究发现,西南涡是此次暴雨过程的直接影响系统,对流和降水主要发生在低涡的中部及其东南方。中高纬切断低压和副热带高压稳定维持,500hPa短波槽沿高原东侧南下,诱导西南涡向东南移入广西,这种情况并不太常见,这是由于槽后冷空气活跃,但路径偏西。受副热带高压西伸影响,低槽与西南低涡移动缓慢。在移入广西前西南涡一度减弱,但由于有明显的中、低纬系统相互作用存在,季风槽为本次暴雨输送了充沛的水汽,致使西南涡再度加强,引发暴雨。暴雨过程中中尺度对流云团活动频繁,强度大,降水强,有大约11个中尺度雨团缓慢移动。桂林的探空资料表明,暴雨区中低层温度层结多为中性,这可能是对流混合的结果,西南涡过境后,低层风场有明显变化,大气抬升凝结高度显著降低,对流有效位能(CAPE)由于释放而降低。在上述研究的基础上,本文提出了一类华南前汛期低涡切变型暴雨概念模型。