中国气象局风能太阳能预报系统(CMA-WSP)在风资源短期预报中的检验评估

[目的]为检验中国气象局风能太阳能预报系统(CMA-WSP)风速产品在风资源短期预报中的可靠性,对CMAWSP 100 m风速3 d预报产品进行检验分析。[方法]文章利用湖北省枣阳周楼、麻城蔡家寨和大金中部3个风电场100 m风速实测数据开展研究。[结果]研究结果如下:(1)CMA-WSP对枣阳风电场3 d内风速的整体预报效果较好,预报结果与实测风速变化趋势较为一致,逐15 min、小时平均和日平均风速第1 d的预报与实测风速相关系数可达0.728、0.740和0.860,随着预报时效增加,预报与实测相关性逐渐降低。(2)CMA-WSP预报风速与实测风速相对误差变化规律性强,逐15 min、小时平均和日平均风速第1 d预报相对误差分别为68%、70%和92%,预报风速整体高于实测风速;小时平均风速及相对误差均呈现白天小、晚上大的特征;月平均风速变化与MRE值变化呈相反趋势,且在1~6月和10~12月最低、7~9月最大。(3)从地区差异来看,CMA-WSP对枣阳周楼风电场风速的预报效果最好,第1 d预报与实测风速相关性可以达到0.728,第2~3 d的预报相关性也超过0.6,CMA-WSP对蔡家寨和大金中部风电场的预报与实测风速相关系数均低于0.6。[结论]CMA-WSP风速预报效果整体较好,且相对误差具有一定的规律性,有利于下一步对该产品进行订正、降低误差水平。

中国南方暴雨野外试验中尺度气象分析场的建立及其质量评估

利用武汉暴雨研究所从美国引进的LAPS中尺度分析系统,将2008年和2009年5—7月中国南方暴雨野外科学试验(SCHeREX)中所采集的观测资料进行融合、同化,生成了华南、华中、江淮和长江三角洲4个观测区的空间分辨为5 km、时间分辨为3 h的SHCeREX中尺度气象分析场。文中从两方面对SCHeREX中尺度分析场的质量进行了评估分析。首先,根据野外试验期间在4个观测区出现的暴雨日,结合观测的雷达回波和卫星云图云顶亮温(TBB)资料与SCHeREX中尺度分析资料进行统计分析与比较,结果表明,SCHeREX中尺度分析资料对中尺度强对流系统具有很强的再现能力。同时,以探空观测资料为基准,分析计算了SCHeREX中尺度分析场的平均偏差、平均均方根误差及其随高度的分布,分析结果表明SCHeREX中尺度分析场的位势高度、温度、相对湿度、风向和风速的分析误差均在观测误差范围内,尤其是SCHeREX中尺度分析场700—925 hPa位势高度的平均分析误差为45 gpm,温度的平均分析误差为1.0-1.1℃,相对湿度的平均分析误差不超过20%,风速的平均误差为1.5—2.0m/s,风向为20°—25°。

高、低空急流耦合对山东“利奇马”台风暴雨增幅影响的诊断研究

受登陆北上台风“利奇马”等影响,2019年8月9~12日山东省出现连续暴雨,其中10日夜间出现降雨峰值。利用中国气象局上海台风研究所(Shanghai Typhoon Institute of China Meteorological Administration,简称CMA-STI)热带气旋最佳路径数据、山东省自动气象站逐时降雨量、常规观测资料、中国风云二号地球静止气象卫星(FY-2G)0.1°×0.1°逐小时云顶相当黑体亮温和美国环境预报中心(National Center of Environmental Prediction,简称NCEP)1°×1°逐6 h再分析等资料,主要运用纬向风局地变化方程与大气动能方程,诊断分析降雨明显增幅与高、低层风场变化的关系。结果表明:(1)暴雨主要影响系统有高低空急流、500 hPa西风槽、850 hPa台风倒槽及“利奇马”本体环流等。10日200 hPa中纬度大尺度西南风急流东南移影响鲁西北,当天08:00(北京时,下同)850 hPa因双台风活动而形成的大尺度东南风急流突然北伸越过山东省。台风倒槽对流云与本体环流对流云先、后北移经鲁中,累积效应造成该地区10日夜间雨量最大。(2)10日20:00850 hPa章丘站东北侧出现了过程最快东风增幅,纬向运动方程诊断结果表明,东风平流是东风增加最主要原因,地转偏向力项则不利于东风增加。(3)10日20:00章丘站200 hPa西南风风力明显加大形成急流,10日08:00至11日08:00青岛站850 hPa维持东南风低空急流。同时位于高空急流右后侧与低空急流左前方是鲁中附近10日夜间降雨增幅的重要原因。章丘200 hPa与青岛850 hPa都是在最大风力之前12 h动能增加最快。动能方程诊断表明,最有利于鲁西北高空急流形成的是位能平流项,最有利于鲁东南低空急流形成的是动能垂直通量散度项。(4)10日20:00至13日08:00“利奇马”本体环流一直在影响山东,暴雨期间山东中部地形的动力作用也一直存在,而降雨的峰值是出现在10日夜间,说明10日20:00前后高、低空急流的耦合可能是山东暴雨增幅的主要影响因子。其主要作用至少有加强山东中部的垂直运动、整层水汽输送与静力不稳定度等方面。

中国主雨季极端小时降水时空分布和日变化特征

基于国家级气象站逐小时降水资料,采用百分位阈值的极端降水定义方法,统计研究了中国1951—2021年4—10月小时降水时空分布和日变化特征。结果表明,中国主雨季极端降水阈值东南大、西北小,存在四个分别位于华南、环渤海、长江中下游和四川盆地的大值区,随着极端性增强,北方小时降水阈值的增大较南方更显著,大值中心北移。月尺度上,小时降水的最高频次月份由南向北从5月推迟至8月,华西地区最晚(9—10月),随着极端性增强,最高频次月份由6月、7月推迟到7月、8月,且地区差异减小。日变化特征上,全国范围内小时降水频次占比,呈现午后到夜间的谷峰主循环和后半夜到上午的次循环,且随着极端性增强,主循环振幅增大,次循环峰值减小。不同地理位置看,四川盆地的极端小时降水峰值时刻出现在凌晨,其他三个大值区则与全国平均较为一致,日变化振幅从南到北逐渐减小,西部最大。小时降水峰值时刻具有空间聚集的特征,夜间峰值主要集中在南方沿海和华北、东北,早晨—上午峰值集中在中部、东部、西南和西北部分地区,空间分布中出现的逐渐推迟和突变特征与海陆分布和大地形密切相关。小时降水峰值时刻空间占比与频次占比的日变化特征类似,均有上午峰值平缓、夜间峰值陡峭的特征,这是因为不同站点到达夜间峰值的时刻接近,而到达上午峰值的时刻不同;两者主要区别在随着极端性增强,频次占比夜间主峰值显著增大,而峰值时刻空间占比主峰值几乎不变,这是因为频次的变化主要是由同一些站点上的次数变化导致,而非不同站点之间的差异。

河南“21.7”特大暴雨的区域集合预报检验和预报偏差分析

河南“21.7”特大暴雨覆盖范围广、强度大、降水时间段集中,造成了严重损失.利用中国气象局(China Meteorological Administration,CMA)多源融合降水分析产品(CMA Multisource Precipitation Analysis System,CMPASV2.1)和欧洲中期天气预报中心ERA5再分析数据,对CMA区域集合预报系统(Regional Ensemble Prediction System,CMA-REPS)在此次暴雨事件中降水最强时间段(2021年7月20日14-20时,北京时)的预报结果进行了评估与分析.研究结果显示,预报时效越短,集合平均和概率预报的降水效果越好,但降水强度与大值落区依然存在较大的预报偏差.结合多种降水预报评分筛选出最好和最坏的集合成员,并通过对比环流形势、水汽条件等因素,探讨了降水预报偏差的成因.好成员在郑州地区预测了占总降水30%的对流性降水,而坏成员则未能预报出对流性降水,两者总降水的偏移与非对流性降水的表现一致.好成员预测的降水区域偏向东北,与预报的副高位置偏东、台风“查帕卡”路径偏北以及南风偏强有关;坏成员预测的降水区域偏西,与相对湿度的大值区偏移一致,可能是因为预报的台风“烟花”引导的低层东风更强.在925 hPa上,好成员成功预测出郑州西部山脉迎风侧的强辐合区,导致超过25 mm·(6 h)^(-1)的强降水从山前延伸至地形高度800 m以上的迎风坡.相比之下,由于预报的辐合区域小、强度弱,坏成员的强降水仅分布在600 m以下的山前区域.总体而言,CMA-REPS对此次强降水过程的预报偏差主要源自大气环流的模拟偏差以及复杂地形作用.

基于气象因素的长江经济带湖北段夏季日最大电力负荷预测

[目的]利用气候预测模式的气温数据对未来长江经济带湖北段武汉、黄石、宜昌夏季日最大电力负荷进行预测。[方法]基于武汉、黄石、宜昌2008~2019年逐日最大电力负荷数据、同期平均气温、最高气温、最低气温等气象要素资料以及RegCM4区域气候模式预测数据,对3个地区的气象敏感电力负荷特性进行分析。在此基础上,通过回归法和群粒子优化BP神经网络算法,对未来(2020~2096年)日最大电力负荷进行定量滚动预测。[结果]结果表明,夏季平均气温与气象敏感负荷关联度最大。预测武汉和宜昌两地的夏季日最大电力负荷相似,两种预测值较近10 a日最大电力负荷稳步增长,回归预测的增长率要略高于神经网络预测;宜昌增长率比武汉高,最高超过40%。黄石日最大电力负荷的预期值较其他两地呈现出明显不同预测结果。[结论]预测长江经济带的中大型城市夏季日最大电力负荷的变化规律,有助于规划未来所需额外的电网容量。

中国东部及西北太平洋地区边界层高度变化特征

利用19792019年ERA5逐月大气边界层高度(ABLH,Atmospheric boundary layer height)资料,采用气候态分析、距平分析、极值分析、经验正交(EOF)分析及小波分析等方法,研究了中国东部及西北太平洋区域大气边界层高度的变化特征。结果表明:(1)太阳辐射对边界层高度有重要影响,边界层高度的季节变化存在显著的海陆差异,大陆(海洋)上,夏季时边界层高度最高(低),而在冬季时最低(高)。(2)边界层高度的海陆差异随季节改变,春秋季海陆差异较小,冬夏季时最明显。(3)大陆上边界层高度极大值出现在夏半年的月份,极小值出现在冬半年的月份;海洋上的相反。(4)41年边界层高度场的EOF分析得到两个模态,第一模态表现为南北经向和海陆差异,第二模态为自西北至东南的“+-+-”相位分布,第一模态的时间系数以3~7 a的周期最显著,第二模态同时存在4~7 a和9~11 a的振荡周期。

2004年梅雨期武汉上空水汽的演变及其与暴雨的关系

利用2004年6—7月武汉每天两个时次探空资料计算出的可降水量以及各层的比湿和相对湿度,对比分析各种水汽量的垂直分布以及逐日演变特征,探讨了2004年梅雨期武汉上空水汽的演变及其与暴雨的关系。结果表明,武汉上空大气中水汽含量随高度递减,90%以上的水汽集中在700hPa以下;7月的水汽含量高于6月;武汉上空出现整层比湿增长或中高层比湿增长可导致整层相对湿度明显增长,而且增长的幅度随高度递增;在暴雨分析预报中,分析中高层水汽演变好于分析低层水汽演变;采用整层平均相对湿度和可降水量结合分析整层水汽演变以及将中高层平均的比湿和相对湿度结合分析中高层水汽演变时,对暴雨预报均有很好的指示意义。

长江流域气象-水文暴雨洪涝预警技术系统研究

对长江流域暴雨洪涝预警研究和业务的4个方面,即暴雨中尺度野外观测科学试验、暴雨中尺度系统形成机理研究、暴雨数值模式预报技术研发以及水文气象耦合模式发展等进行了回顾,分析了制约长江流域暴雨预报和洪涝灾害预警能力和水平提高的主要因素,提出了亟待解决的主要科学技术问题及其应对策略。

星载测雨雷达探测的中国南部雨季对流性暴雨频次分析

利用星载测雨雷达1998—2007年10年观测结果,对雨季我国南部(35°N以南地区)对流性暴雨、大暴雨、特大暴雨频次及其占局地总降水比例进行了研究。结果表明,暴雨主要分布于两广至云贵高原东部,其频次大于1.2%,最大可超过1.8%;大暴雨主要出现在广东西部至云贵高原东南、福建与江西交界附近、大别山西南侧、江淮至黄淮东部,其频次大于0.06%;特大暴雨主要位于两广交界经两湖盆地东部、大别山西侧至江淮之间和黄淮东部,大体呈东北—西南向带状分布,其频次大于0.015%;主要暴雨区暴雨对局地总降水的贡献可达25%以上,主要大暴雨区其雨量对局地总降水的贡献大于5%,主要特大暴雨区其雨量对局地总降水量的贡献多达1%～3%。

基于地基微波辐射计对武汉夏季暴雨过程的观测分析

利用地基微波辐射计获取的高时空分辨率资料,结合卫星云图资料,对2012年7月12—13日武汉站发生的暴雨过程中各气象要素与降水的关系进行了分析。结果表明:(1)相对湿度、液态水含量、不稳定能量的值和其大值区所在的垂直高度在降水期均明显大于非降水期,说明这些要素变化特征与降水有较好的对应关系,应用地基微波辐射计资料要素分析降水过程具有很高的可靠性。(2)以小时雨量10 mm将降水分界为弱降水和强降水时段。云底高度在强降水时段才为零;温度的垂直分布在降水时段存在逆温,且强降水比弱降水时段逆温层更高;水汽密度在有降水发生时,底层的大值区有所抬升,并在强降水时段对流层低层出现>26 g/m3的大值中心。可以通过地基微波辐射计对降水做进一步的量级划分,有助于明确雨团性质和降水效率。

梅雨期武汉两类暴雨“配料”特征的对比分析

选取1998—2005年6—7月武汉市的17次暴雨过程,根据暴雨发生的机理,将武汉暴雨划分为两种主要类型,即由对流有效位能释放产生的浮力抬升引发的暴雨以及由大尺度动力强迫抬升引发的暴雨。分析表明:梅雨期武汉市65%的暴雨过程是由浮力抬升引起的;对流有效位能、K指数、可降水量、中高层平均相对湿度等物理量对武汉市梅雨期暴雨预报有很好的指示意义。通过两类暴雨发生前配料特征的对比分析,揭示了两类暴雨的温湿度条件、大气层结状况以及不稳定能量积聚等方面存在的异同点。

中国暴雨的科学与预报:改革开放40年研究成果

总结了改革开放以来中国学者在暴雨科学与预报领域取得的重要研究进展和主要成果。其中,暴雨机理研究成果从重要天气系统、中国主要区域的暴雨、台风暴雨等3个方面分别进行综述,而暴雨预报技术研发与应用则从中国数值天气预报发展和暴雨预报客观方法两方面进行归纳。

武汉市军运会期间空气质量特征及气象条件分析

利用2019年10月1—30日湖北省及邻近地区的空气质量、气象要素监测数据和再分析资料,分析了第七届世界军人运动会(以下简称军运会)期间和前后时段空气质量变化特征及气象条件的影响。军运会管控期Ⅱ(17—28日)与过去五年(2014—2018年)同期相比颗粒物浓度下降最明显,与长沙等其他城市相比也是最低,相近时间段或相似背景下未采取管控措施,PM_(2.5)浓度上升速度快,管控措施对颗粒物削峰降速作用明显。管控期O_(3)和NO_(2)为首要污染物,O_(3)浓度与过去五年相比升高,但管控仍起了一定作用,武汉城市圈O_(3)超标背景下武汉未达轻度污染级别;NO_(2)浓度同比下降,环比其他城市偏高。与管控期Ⅰ(13—16日)相比,管控期Ⅱ措施更严格,但降水偏少、风速偏小,气象条件整体不利于污染物浓度降低,因此浓度有所上升,其中17—21日以反气旋环流为主,天气形势静稳,光化学反应强烈,O_(3)和NO_(2)浓度上升明显。基于气象条件评估指数(EMI)分析发现,2019年10月与2013—2017年相比,EMI为正值,说明2019年的气象条件不利于PM_(2.5)浓度的降低,PM_(2.5)浓度下降主要是由减排造成的。

武汉市一次对流梅雨暴雨过程诊断分析

2016年7月5—6日武汉市发生对流梅雨暴雨,出现严重城市内涝。分析对流云团活动、天气系统与物理量演变,结果表明:(1)对流云团来自江汉平原东部,暴雨前期对流云团合并发生在2个β云团之间,中期2个β云团先后与1个α云团合并,后期对流云团无明显合并,虽有向西的指状对流云生成,武汉市强降雨还是开始减弱。(2)暴雨发生在200hPa南亚高压东伸脊北侧,500hPa副热带高压在江南加强西进过程中,500hPa纬向切变转为低槽东移,850hPa江汉平原低涡则是迴旋少动,高空偏北风急流左侧水汽辐散与偏南风低空急流前方水汽辐合耦合有利于启动强降雨。(3)武汉站200~850hPa,500~850hPa风垂直切变明显,400hPa干空气入侵,共同触发了强降雨。

中国西南山地突发性暴雨特征与机理研究的新进展

我国西南多山地且地形十分复杂,山地突发性暴雨及其诱发山洪地质灾害是我国西南山地灾害的主要类型。当前我国西南山地突发性暴雨预报水平不高、能力不足的一个重要原因就是未能有效考虑山地对暴雨及其突发性的影响,缺乏山地突发性暴雨形成与发展的理论指导。对于国家重点研发计划项目支持下开展的山地突发性暴雨特征与机理研究所取得的重要进展进行了阶段性总结,综述了我国西南特别是西南山地突发性暴雨及相关中尺度对流系统的基本特征和环境条件,山地突发性暴雨的多尺度、多层次影响系统的协同作用,地形引起的爬流和绕流对于山地突发性暴雨的不同作用,惯性重力内波与对流耦合作用触发山地突发性暴雨的一种可能机理,以及双低空急流对山地突发性暴雨的综合效应。最后对未来仍需深入开展的研究方向和切入点做了剖析和展望。

湖北一次梅雨期暴雨过程的数值模拟及云微物理特征分析

受低涡和切变线的影响,2020年6月27—28日湖北地区发生一次梅雨期暴雨过程,造成严重灾害和重大经济损失。为了深入研究云微物理过程对梅雨期暴雨的影响,提高梅雨期暴雨的预报预警能力,针对本次暴雨过程,利用WRF模式进行了模拟并分析了该系统的云微物理特征,探讨了云微物理过程对本次暴雨过程的影响机制。结果表明:(1)数值试验较准确地模拟出暴雨的落区及中尺度对流系统演变过程,且区域平均降水随时间的演变与实况较为一致,但总体偏强。(2)降水强度急速上升阶段,冰相粒子融化量大于雨滴搜集云滴,雷达回波迅速增强。降水强度变化相对平缓阶段,雨滴搜集云滴量逐步增多,超过冰相粒子融化。各类水成物均快速发展,回波不断增强,冰晶增长速度超过雪和霰。在区域平均降水到达峰值前,水成物(除了雪粒子外)含量、上升气流及雷达回波均已达极值。上升气流中心与冰相粒子、云滴含量大值区分布较为一致,有利于淞附过程。(3)冰相粒子搜集云滴总量一直小于雨滴对云滴的搜集,云雨自动转化量在降水强度减弱时增长更明显。冰相粒子在降水发展初期主要通过贝吉龙过程产生,随着冰相粒子的发展,淞附过程占优,直到系统衰亡。

武汉与宜昌太阳总辐射与气象要素的关系对比研究

利用武汉市及宜昌市2007-2008年逐时太阳总辐照量和气象要素(气温、相对湿度、云量等)实况观测资料,对比分析两地逐时太阳总辐照量与气象要素的关系。研究结果表明,太阳总辐照量具有明显的季节差异,武汉总辐照量值较宜昌地区显著偏大;两地太阳总辐照量与各气象要素相关性大体类似,不同的是宜昌气温、相对湿度及低云量与总辐照量的相关性比武汉差,而总云量与总辐照量的相关性比武汉好;详细统计了(低、总)云量与总辐照量的相关关系,对各种天气类型(阴、晴等)进行分析后发现(低、总)云量对总辐照量影响很大,云量与太阳总辐照量存在比较明显的负相关;最高(低)气温与总辐照量最大(小)值存在时间差;两地夏冬两季相对湿度与总辐照量呈现出较为明显的负相关。

武汉市酸雨现状及与气象条件的关系

本文利用武汉市近9年以来的酸雨监测资料和气象观测资料，对武汉市酸雨现状从发生频率和强度变化特征等方面进行了分析。并通过与同期各种气象要素进行对比分析，找出了一些对武汉市酸雨有影响的气象因子。

WRF/WRF-Hydro气象-水文耦合模式的误差传递特征——以漳河流域径流预报为例

在中小流域,有效的洪水预见期对调度决策、防洪减灾尤其重要。以漳河流域为研究区域,基于WRF模式和WRF-Hydro水文模型建立WRF/WRF-Hydro气象-水文耦合模式,探讨不同预见期WRF模式预报降雨对径流预报效果的影响,以及气象-水文模型之间的误差传递特征。(1)不同预见期下WRF模式预报的降雨峰值随预见期增长偏差越大。预见期为06 h和12 h时较预见期较长时(24 h、48 h),降雨量和峰值出现时间预报误差较小,降雨落区预报明显较好。(2)基于WRF/WRF-Hydro气象-水文耦合的径流预报结果表明,预见期越长洪峰流量及径流总量偏差越大。06 h和12 h预见期下的径流预报结果都较好,平均相关系数、平均纳什系数分别提高0.15、0.69。(3)模式之间的误差传递会因预见期长短和降雨预报效果有一定的差异。预见期为06 h和12 h时,数值天气预报误差传递给水文模型后有放大、有缩小。预见期较长时(24 h、48 h)随预见期加长,水文模型放大数值天气预报误差的程度越大,但是通过定量分析发现降雨误差和径流误差之间没有明显的线性关系。