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。

2024年2月湖北省一次大范围冻雨过程的宏微观特征及形成机制初探

2024年2月长江中下游地区先后出现两次低温雨雪冰冻天气,其中第一次过程(2月1-6日)冻雨表现出量大、范围广、持续时间长、危害性强等特征。为此,基于湖北省80个国家气象站激光雨滴谱仪观测数据,结合气象要素观测资料,对此次冻雨过程进行定量判断,并对其宏微观特征进行定量分析,结果表明:(1)此次过程冻雨区主要集中在江汉平原和武汉城市圈等地,表现为液态降水维持时间长。(2)冻雨时数和冻雨量分布具有较好的一致性,其高值区均呈现西北-东南走向,冻雨时数一般在15h以上,冻雨量超过24mm;冻雨集中期在2月2-3日,此时段各区间其数浓度、液水含量、雨强和粒径站时数占比均显著高于该过程其他时段。(3)各地区平均冻雨滴谱分布呈单峰型,其峰值数密度在200mm^(-3)·mm^(-1)左右。(4)构建的Z-R关系不同于短历时、区域性冻雨过程,能较好地实现对此类冻雨定量估测降水(Quantitative Precipitation Estimation QPE)的估算。整个过程中质量加权平均直径(D_(m))和归一化截距参数(log_(10)N_(w))的平均值分别为1.07mm和3.03。(5)在水汽凝华、丛集和凇附机制的共同影响下,致密霰粒和冰晶聚合物融化形成此次冻雨过程。

2016年7月18—20日湖北省特大暴雨过程的中尺度特征分析

利用多种常规和非常规观测资料诊断分析了湖北2016年7月18—20日特大暴雨过程的降水特点以及中尺度对流系统(MCS)的发生发展特征和环境场条件,结果表明:此次特大暴雨过程具有很强的极端性,分为梅雨锋南侧暖区降水和梅雨锋面降水两个阶段,都具有较为极端的水汽条件。第一阶段在地面风场辐合的作用下触发了初生对流单体,西南低空急流出现脉动,湿层的增厚促进了强雷暴的发展。新生单体在雷暴上游生成,迅速并入强雷暴,后向传播是其稳定少动的重要原因之一。强盛阶段,强雷暴具有暖云低质心的特征,低层垂直风切变与雷暴偏北风出流的方向配置、中气旋的出现都促进了上升运动,促使强雷暴长时间维持,造成了马良站连续数小时出现高强度降水。第二阶段,环境风平行分量远大于垂直分量,促进了东北—西南向平行层状MCS(PS型MCS)的形成。具有多单体依次排列的特征,新生单体在系统西南侧地面辐合线的作用下不断生成发展,使得PS型MCS增强维持,移动缓慢。马良站受到PS型MCS对流线和西北侧层状回波的影响,小时强降水明显较第一阶段偏弱。

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.

2015年湖北省梅雨期一次暴雨过程对流云活动分析

利用常规与加密气象观测资料、FNL再分析格点资料及FY-2G卫星云顶亮温(Temperature of Black Body,TBB)观测资料,对2015年7月14—15日湖北省梅雨期一次连续暴雨过程对流云活动的环境条件和导致短时强降雨的对流云影响方式进行了分析。结果表明:500 hPa位于西风槽前、850 hPa风场辐合、温度露点差较小及850—500 hPa暖平流为有利于湖北省对流云活动的环境条件。当天气尺度暖输送带云系在江南西部至长江中游地区建立,且低层暖切变线同时出现在湖北地区上空时,降雨明显增幅;当暖输送带云系明显东移后,湖北地区暴雨过程结束。当暖输送带位于湖北地区上空时,850 hPa相当位温平流项和对流项均为较大正值,且对流项大值区出现在平流项大值区的南侧。短时强降雨主要发生在降雨盛期,是构成湖北地区暴雨的重要组成部分。湖北省短时强降雨的4种对流云影响方式分别为对流云团西边界、深对流云团中心区、对流云串"列车效应"及对流云合并加强;其中,受对流云西边界、深对流云中心区或云团串影响的短时强降雨发生次数较多,受深对流云中心区和对流云合并加强影响的短时强降雨平均降雨量较大。

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。

基于Beluco-CIWS指数的湖北省风光资源日变化互补特性分析

利用1991—2020年ERA5 100 m风速和地面太阳辐射及Beluco-CIWS互补指数,对湖北省风光资源要素日变化互补特性开展分析。结果表明:(1)湖北中东部互补性较强,西部互补性较差。海拔越高,互补性越弱,海拔越低,互补性越强。秋季互补性较强,冬季次之,夏季最弱。风速大的地区互补性强,风速小的地区互补性弱。(2)互补性强的区域风速呈现先减后增、白天风速小、夜间风速大的日变化特征,互补性弱的区域日变化特征相反,互补性强弱取决于风速强弱及日变化特征是否异常。

2013年湖北一次大暴雨β中尺度分析和模拟诊断

利用地面加密自动站资料、FY-2E卫星TBB和NCEP/GFS 0.5°×0.5°分析场资料,对2013年7月5—6日发生在湖北鄂东的大范围暴雨过程β中尺度系统活动特征进行了研究,并利用WRF中尺度模式输出的高分辨率资料进行诊断分析。诊断分析表明:该次鄂东大暴雨过程发生在深厚低槽前正涡度区、低空切变线前部急流核附近与高空强辐散气流以及不稳定能量重合区域中,暖湿气团的抬升凝结高度较低,具有较高的降水效率;产生暴雨的直接原因是由3个不同时间和地域的近圆形β中尺度对流系统先后移动经过形成;采用WRF中尺度模式对这次大暴雨过程做了数值模拟,中尺度模式模拟总水物质(水汽+云水+云冰+雨水)通量散度降水牢的诊断分析,得出7月5日夜间β中尺度对流系统中有多个γ小尺度单体活动,此物理量值一定程度上可以定量估算雨团的小时雨强,而模拟最大可能对流可降水率的诊断分析,可以反映雨团内部的水汽、热力条件与降水量之间关系。

华南前汛期持续暴雨环流分型初步研究

采用1961—2010年NCEP/NCAR逐日再分析资料和台站观测降水量资料,按一定标准选取了华南前汛期24个持续暴雨过程;并且按基本判据确定逐年华南夏季风降水开始日期。然后依据南亚高压环流型和相对于该年夏季风降水开始的早晚,将这些暴雨过程划分为夏季风降水前、后南亚高压东部型,夏季风降水后南亚高压带状、西部型共4个类型;其中,夏季风后南亚高压西部型次数最多、平均持续时间最长。所有类型持续暴雨的相同点是:广东东北部附近均为暴雨频率和雨量高值区;暴雨期间华南150 h Pa位势高度增加、500 h Pa位势高度减少;华南处在150 h Pa偏西风急流南侧辐散区中;850 h Pa华南沿海有明显的西南气流,低层辐合在华南东北部最明显;两广沿海为可降水量大值区;华南的整层水汽输送主要呈现西南向。不同点是:夏季风后南亚高压西部型平均雨量较小,夏季风后南亚高压带状型与西部型在印度洋上存在明显的偏东风高空急流;夏季风后南亚高压类型在两广沿海的可降水量数值较大。

湖北省旱涝灾害致灾规律的初步研究

利用1960—2005年湖北省76个地区气象灾害的灾情普查数据和逐日降水量观测资料,对湖北省旱涝灾害的时空分布特征及其致灾规律进行分析。结果表明:干旱灾害的频发区呈东西走向的带状分布,而洪涝灾害的发生频次和频发区面积均明显少于干旱;干旱和洪涝灾害年平均发生站次在1996年以后出现相反的变化趋势,干旱发生站次增加,而洪涝发生站次减少,且两种灾害均主要集中发生在夏季;1996—2001年湖北省部分地区连续出现严重干旱灾害,干旱的累积增强效应导致农业经济损失出现跳跃性增长并在2001年达到最大值;洪涝的致灾强度呈准周期的起伏振荡,农作物受洪涝影响面积最大、损失最多的年份集中在20世纪90年代,农作物受害面积与农业经济损失的决定系数为0.8;受害人口与直接经济损失具有较好的相关特征,且直接经济损失随受害人口增多而增加的速度加快,但近年来人口对洪涝灾害的抵御能力也显著提高;急转干旱和急转洪涝主要发生在鄂西北和鄂东南的夏季,农作物的脆弱度增加,农业经济损失随受害面积增大而增加的速度加快,但所造成的农业经济损失远小于仅发生干旱和洪涝时的数值。

河南“21·7”特大暴雨水汽输送、收支和转化特征对局地强降水的影响机制研究

针对河南“21·7”特大暴雨的极端降水天气过程,利用FNL大气再分析资料、国家基准站降水观测数据和高分辨率的数值模拟结果,开展了暴雨多尺度系统协同作用下水汽输送、收支及转化特征对极端降水的影响机制研究。结果表明:通过强盛稳定的台风烟花与中高纬稳定的大气环流形势共同影响下建立的远距离水汽输送通道,使海上的水汽源源不断地被输送到内陆极端降水区。在局地中尺度低值系统产生的动力辐合和迎风坡地形的阻挡作用的共同影响下,远距离输送到极端降水区附近的水汽被有效地汇聚在极端降水区附近,并且依靠低层水汽动力辐合机制,使局地汇聚的水汽被进一步输送至对流层中高层,以此促进对流的发展。在对流上升运动和迎风坡地形抬升作用的共同影响下,通过增强气流的垂直上升运动,使更多的水汽被输送到对流层中高层,促使水汽向云冰粒子和雹粒子的凝华转换过程增强,最终导致降水效率得到显著提升,降水效率在地形迎风坡处显著增强表征的水汽向雨水的高效转化,对极端降水的演变起到了极好的指示作用。上述研究不仅系统性揭示了暴雨多尺度系统影响下极端降水区内局地水汽的主要来源与消耗过程,而且从水汽诊断的角度加深了对极端降水发生机理的认识。

湖北省近两年冬季月份PM_(2.5)污染天气型特征及其与大尺度环流的相关研究

基于湖北省PM_(2.5)大气成分逐日监测数据和高分辨率气象再分析资料,利用EOF方法对2015—2016年湖北省近两年冬季月份PM_(2.5)的污染分型并分析其天气特征,探讨PM_(2.5)质量浓度与大尺度环流因子相关性,并计算得到海平面气压指数。结果表明:冬季PM_(2.5)质量浓度湖北中部高于东西部,时间序列上存在较大波动,且近两年有明显下降趋势。湖北省冬季PM_(2.5) EOF前4个特征向量时间系数的方差贡献为86. 2%,能够反映PM_(2.5)空间场的主要特征。湖北省PM_(2.5)污染的天气型特征主要有两类:传输型污染和本地累积型,前者造成的PM_(2.5)污染浓度高于后者。传输型分别表现出全区污染、西部污染和中北部污染,全区污染时段湖北近地层以偏北气流为主,有利于将北方地区PM_(2.5)输送到湖北省;西部污染在于偏东气流将东部污染物以及沿海地区水汽输送到湖北省,同时受鄂西山脉的阻挡,污染物在湖北省西部地区聚积;中北部污染表现为东北和西北气流的汇集效应。本地累积型在静稳天气条件和地形共同作用下造成湖北东部污染和中南部污染。三种传输型污染物输送通道分别为北路输送、东路输送和东北路输送。东亚冬季风系统的高层东亚大槽和低层大陆冷高压减弱时,PM_(2.5)质量浓度增加。关键区的海平面气压相关指数与湖北省PM_(2.5)质量浓度和EOF第一模态时间系数相关性较好,对预报预测有一定指示意义。

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。

基于Micaps3.1的暴雨洪涝预报预警模块的研发

文中利用C#.NET构建了基于MICAPS3.1系统应用的暴雨洪涝预报预警系统整体框架,重点介绍了该系统开发的基本情况、系统架构和系统中使用的关键技术和算法。并选取汉江丹江口为试验流域,初步完成了流域基础地理(边界、水系)、气象、水文监测站点的收集以及显示;流域QPE、QPF、实况监测等气象要素实时产品信息的提取以及气象要素产品与水文模型接口的设计;最后提供了流域实况降水监测场、流域实况降水雷达估算场、流域预报雨量场、流域水文预报信息数据、图形等产品文件。该模块的研发能为流域防洪决策提供支持,并为河流防汛精细化预报服务试点工作的推广提供经验和模式。

2000年以来我国长江中游区域暴雨研究进展

长江中游地区是暴雨多发区和重灾区,深入认识该区域暴雨形成的中、小尺度天气系统、分析暴雨发生机理与发展暴雨、洪水预报技术,对于我国防洪减灾具有重要意义。针对长江中游区域暴雨从观测到资料分析、机理研究,再到数值预报与水文应用研究,重点从暴雨外场观测试验及资料反演和中尺度资料融合技术、长江中游暴雨MCS(中尺度对流系统)观测分析和理论研究、中尺度暴雨数值模式研究和长江中游水文气象耦合的暴雨洪水预报系统四个方面介绍了2000年以来我国科研业务单位的主要研究进展,并对制约长江中游区域暴雨研究深入与预报水平提高的主要问题进行了简要讨论,对未来的研究趋势进行了展望。

一次梅雨锋暴雨过程数值模拟的云微物理参数化敏感性研究

梅雨锋暴雨中的云微物理过程对降水的演变有着重要影响。本文通过WRF模式(3.4.1版本),针对2018年6月29~30日一次梅雨锋背景下的暴雨过程进行数值模拟,分别采用了Morrison、Thompson和MY云微物理参数化方案进行对比分析,结果发现:(1)三个方案模拟的背景场在天气尺度上,都与ERA5再分析资料一致,能够模拟出有利于强降水发生的环流场。云微物理过程对梅雨期暴雨的局地环流有着显著影响,不同方案存在明显差异,本次过程中,Thompson方案模拟出更强的局地环流系统变率和上升气流。三个方案的模拟降水均有所夸大,小时降水率始终大于观测值。冰相粒子融化或雨滴搜集云滴的高估可能是造成降水模拟值偏强的重要原因之一,总体来看,Morrison方案的模拟效果相对最优。(2)冰相粒子融化、雨滴搜集云滴是雨滴增长的关键源项,蒸发则是其最重要的汇项。总的来说,雨滴对云滴的搜集量大于冰相粒子融化。但上述过程在不同方案中存在空间上的差异,从而使得模拟降水的空间分布存在差异。(3)Thompson方案中,冰相粒子融化量最大,雨滴蒸发项显著大于其它两个方案,在底层表现得最为明显。同时,该方案水汽凝结效应最强,使得雨滴搜集更多云滴。该方案模拟的雨滴最多,降水最强。该方案中凝华的主要产物为雪,且其在与过冷水碰并增长过程中占主导地位,故模拟的雪最多。(4)Morrison方案中,水汽主要凝华为雪和少量霰(冰晶忽略不计);Thompson方案中水汽基本凝华为雪,其它冰相粒子极少;MY方案中,水汽主要凝华为雪和冰晶,冰晶总量略少于雪,但显著大于其它方案。(5)云滴在凇附过程中的总体贡献大于雨滴。Morrison和MY方案中,霰粒子搜集云滴增长的量均最大。Morrison方案中,其它凇附过程不同程度发挥作用,而MY方案中,其它凇附过程几乎可忽略不计。并且,霰粒子搜集云滴的增长量大于凝华过程产生的雪粒子总量。贝吉龙及凇附效应的差异,是不同方案中冰相粒子分布差异的关键原因之一。

暴雨作用下基于滑坡互信息量的白家包滑坡变形响应机制研究

暴雨是诱发滑坡的重要因素之一,但目前对于暴雨作用下滑坡变形响应机制的研究仍不充分。该文以三峡库区白家包滑坡为例,在滑坡详细监测数据的基础上,分析了暴雨作用下白家包滑坡的变形响应特征;采用滑坡互信息量方法揭示了暴雨作用下降雨及库水位变动对白家包滑坡变形的影响规律。结果表明:白家包滑坡变形主要受库水位变动影响,坡表裂缝扩张主要受降雨影响;暴雨是诱发滑坡加速变形及边界处的坡表裂缝快速扩张的主要因素。该文的研究方法可推广到其它多条件联合作用下滑坡响应规律的分析,为类似暴雨作用下水库滑坡防灾减灾提供一定参考。

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。

相当正压切变型梅雨锋暴雨研究进展

梅雨锋暴雨是我国长江中下游地区夏季主要的灾害天气,一直以来是气象学研究的热点和难点,从上世纪30年代开始我国气象学家就关注并对梅雨锋暴雨进行了多方面研究,包括梅雨锋概念、结构、大尺度环流场、气候特征、多尺度特征及其形成的热力和动力机制等,为梅雨锋暴雨业务预报提供了理论指导和科学认识。本文主要概述了梅雨锋概念及其研究历程、重点详细阐述了相当正压型梅雨锋暴雨的结构、性质及其形成机理,总结了近年来造成梅雨锋暴雨的MCS的分类、结构特征及环境条件,地形对MCS的影响机理、MCS激发的动力机制等。

湖北一次大暴雨过程两个强降水时段的诊断分析与数值模拟

根据NCEP/NCAR再分析资料、常规观测和加密观测资料以及FY-2C TBB资料,对2008年8月28—30日湖北大暴雨过程两个强降水时段的大尺度环流背景和中尺度对流系统进行诊断分析。在此基础上,利用中尺度数值模式WRF的模拟结果对影响大暴雨过程两个强降水时段的中尺度对流系统和其他物理量场深入分析。结果表明:湖北大暴雨过程存在明显的两个降水增强阶段,它们发生与结束的时间近乎一致,并且第二阶段的强降水比第一阶段强度更大;强降水第一阶段是由低涡切变与地面暖湿气流影响造成的,强降水第二阶段是由低涡切变、中低纬短波槽和地面冷空气共同影响造成的。两个强降水时段逐小时降水与云团特征表明,雨团与云团的活动规律一致,其增幅均出现在晚间至凌晨。同时表明,β中尺度对流云团与暴雨过程关系密切;暖切变线自南向北影响第一时段降水增幅,西南涡中伸展出的冷切变线自西至东影响第二时段降水增幅,模式结果证明由冷切变线引起的第二时段降水增幅更大;两个强降水时段雨区上空均有较强的能量,强的水汽通量辐合贯穿整个降水过程;地面降水中心与其上空湿位涡大值中心有较好的对应关系。