西安一次夜间异常增温过程的数值模拟及诊断

利用WRF及其耦合单层城市冠层模式(UCM,Urban Canopy Model),对2012年12月4日夜间西安地区温度异常演变的天气过程进行模拟分析。结果表明,耦合了城市冠层模式的WRF系统能够较好地模拟出西安夜间温度异常升高的局地性特征,考虑了精细化下垫面分类模拟的逐时温度演变更接近实况,平均绝对误差小。天气系统与地处秦岭北麓关中平原的特殊地形是引起西安地区夜间出现温度不降反增的主要原因。首先表现在西北路冷空气推动锋前暖空气从高海拔地区到达关中平原引起的下沉增温效应;其次受秦岭地形阻挡的影响,西安地区近地层锋前的暖空气被急剧压缩出现短暂升温。城区地表温度存在显著的热岛效应,由于城区不透水下垫面的扩大,使得城区地表的水汽通量显著减小,感热通量增大,潜热通量减小,西安城区夜间气温异常升高幅度较其它区县明显偏大。     

一次降雪过程持续原因分析

利用多种观测资料和中尺度数值模拟资料,对2011年2月14日发生在江淮地区的一次预报失误的持续性降雪过程进行较为全面的分析.结果表明:前期的降水导致近地面维持较大湿度,补充南下的冷平流促使低层大气接近饱和,降雪持续期间,水汽集中在对流层低层浅薄的层次中;对流层中层发展和维持的强冷平流导致降水区上空迅速降温减湿,从而在对流层中低层,逐渐建立起弱对流不稳定层结.而叠置其上的稳定层则将对流活动和水汽的向上输送限制在对流层低层内,使得水汽和能量得以在一定范围内集中;不断补充南下的冷空气强迫近地层风场发生扰动,形成的中尺度切变线,为这种浅薄层次下的弱对流活动提供了触发条件.尽管辐合抬升较弱,但与其它季节相比,气温较低的冬季,在抬升凝结高度较低的大气中,水汽易凝结成云致降水.造成这次预报失误的原因,是忽略了近地层系统的变化.另外,对补充冷空气的影响作用考虑不充分.     

激光雨滴谱仪测速误差对雨滴谱分布的影响

该文研究PARSIVEL激光雨滴谱仪的测量误差并提出订正方法。对2014年在广东阳江的PARSIVEL激光雨滴谱仪采集的两次降水过程数据进行分析发现,雨滴下落速度V随粒径D变化与静止大气中雨滴下落末速度随粒径变化的Atlas-Ulbrich曲线分布趋势一致,但D < 1 mm及D > 3 mm的速度偏差较大。其主要原因是大粒径雨滴形变造成速度偏离较大,仪器测量误差造成小粒径测速偏大,激光雨滴谱仪所在高度的大气垂直运动影响雨滴下落速度。根据PARSIVEL激光雨滴谱仪测量原理,基于雨滴形变与粒径关系,给出形变订正后的Atlas-Ulbrich修正曲线,并用于对小粒径测速订正。比较订正前后的雨滴谱分布,订正后的小雨滴浓度明显增加,大雨滴浓度略有减小,订正后浓度参数和斜率参数均增加,形状参数变化不明显。     

2021年延安市重大活动气象服务保障预报思考

重大活动的定量降水预报一直都是气象服务保障的难点。对2021年延安两次重大活动的预报服务保障复盘,总结预报思路和模式偏差特点及原因。结果表明,ECMWF模式对延安市白天3 h晴雨预报准确率明显低于夜间,主要是由于模式对白天的积云对流降水预报效果较差所致。预报中需特别关注不同性质降水预报思路的不同点,ECMWF模式的对流降水空报率较高,当模式降水量预报以对流降水为主时,需要根据气候特点、对流环境条件和触发机制进行分析,诊断对流发生的可能性,重点分析低层大气的水汽条件、不稳定能量条件以及是否有触发条件。延安市对流天气主要出现在午后,11时之前以及20时之后分散式对流不易触发,主要原因是黄土高原夜间辐射降温在近地面层形成逆温层,使对流抑制增强,在没有明显天气系统触发时,对流发生概率低。在实际服务中,早晨和夜间的对流,可以对模式的对流降水进行消空订正。对于系统性降水重点考虑整层大气是否饱和及是否存在上升运动,当对流层低层被下沉运动控制且相对湿度较低时,只有中层大气扰动引发的垂直运动并不会产生降水,其扰动主要造成多云天气。以上思路在2021年7月延安市的两次重大活动保障中取得较好的订正效果,可以...     

北京冬季降水粒子谱及其下落速度的分布特征

为了深入探讨北京冬季云降水的微物理特征,提高雷达反演冬季固态降水的精度和冬季降水的预报水平,利用PARSIVEL（Particle Size and Velocity）降水粒子谱仪所观测的冬季降水粒子谱,结合地面显微镜粒子图像和云雷达数据,对比分析了北京海坨山地区冬季过冷雨滴、霰粒、雪花、混合态降水的粒子谱和下落速度特征,得到主要结论如下:（1）霰粒降水过程的云顶最高,整层的含水量最大,低层的退偏振比（LDR）最小,粒子更接近于球形;降雪过程的云顶最低,云中含水量最少,低层的退偏振比较大;混合态降水过程的雷达回波强度和高度特征介于两者之间,但低层的退偏振比最大;（2）在云中上升或下沉气流及湍流的影响下,过冷雨滴、霰粒和雪的下落速度均对称分布于各自理论下落末速度曲线的两侧。因此可根据粒子浓度相对于其直径和速度分布的中轴线位置,判断出该段降水过程中的主要粒子形态;（3）冬季雪花、霰粒和混合态降水粒子下落速度分布的散度较雨滴更大,其原因是由于冷云降水过程的粒子形态复杂,且固态粒子下落过程中更容易受破碎、聚并和凇附等微物理过程影响;（4）在4种降水类型中,雪的平均直径和离散度最大,雨滴最小;混合态降水粒子的总数浓度最大,雨滴的总数浓度最低,并且4种降水类型的粒子数浓度、平均直径和离散度均随降水强度的增大而增大。      

太行山迎风坡降水云微物理结构数值模拟分析

利用MM5模式对太行山迎风坡暴雨过程进行了数值模拟,分析了太行山迎风坡降水的微物理结构特征及山脉对降水的影响。结果表明,降水过程既有太行山地形作用造成的暖云降水又包含汽、水、冰混合的冷云降水,当冰相粒子与液态水的中心上下接近垂直时,1 h降水量最大;地形对于降水增幅作用较大,低层东风遇太行山阻挡辐合抬升形成地形雨;地形造成的弱垂直运动将影响高层上升强度,进而改变水汽分布,并通过微物理过程使得水汽发生相变,该个例中垂直上升运动使得雪和霰相粒子迅速增长,从而导致雨滴增大并克服重力作用下降,在下落过程中捕获低层地形云中水滴变成更大雨滴降落;而在上升过程中水汽凝结释放潜热,对物理量场有一个反馈作用。     

江淮地区一次强飑线系统结构特征的数值模拟研究

利用NCEP/NCAR 1°×1°逐6 h再分析资料、WRF中尺度预报模式,对2014年7月30 31日发生在江淮地区的一次强飑线天气过程进行天气学分析和数值模拟研究。结果表明,飑线发生前大气低层水汽条件良好,中层阶梯槽引导高层干冷空气向下入侵后叠加在低层暖湿气流之上,使飑线发生区域不稳定能量累积,低空切变线促使不稳定能量释放,是此次飑线过程的主要触发机制。在分析飑线成熟阶段宏观特征及微物理特征的基础上,归纳总结了此次飑线在成熟阶段的内部结构模型。飑线系统处于成熟阶段时,在大气低层强回波核附近存在"冷池",这主要是降水粒子在下落过程中蒸发冷却形成的。降水粒子下落过程中拖曳周围空气形成下沉气流,下沉气流到达地面后形成的辐散气流是地面大风形成的关键。     

2018年辽宁两次雨转暴雪过程对比分析

应用常规观测、风廓线雷达、多普勒雷达及NCEP再分析资料,从影响系统、水汽、热动力演变等方面对辽宁2次雨转暴雪成因及降雪量可预报性进行对比分析。结果表明:过程Ⅰ回暖时间长,锋生时间短,近地面锋区影响期间降水增强,925～850 hPa锋区垂直分布,850 hPa锋区过境后强降雪结束;过程Ⅱ短暂强回暖,冷空气楔入低层早,暖湿空气沿冷垫上滑,锋生时间长,近地面锋区影响期间无降水,中层锋区与低层东北回流叠加时出现强降雪,850 hPa锋区过境缓慢,强降雪持续时间长,700 hPa锋区过境后强降雪结束。雷达回波特征显示,0℃层亮带高度在降水相态转变为雨夹雪前明显降低,雨夹雪阶段基本维持,降雪后0℃层亮带消失。对数值预报降雪量订正,首先关注前期回暖、气温日变化与系统性降温叠加作用,再根据不同类型降雪影响系统动力、水汽辐合等条件判断降水时段,综合订正降雪量。     

基于雷达资料四维变分同化及云模式的中尺度对流系统数值临近预报试验

基于雷达资料快速刷新四维变分同化(RR4DVar)初始化的三维数值云模式,利用京津冀6部新一代多普勒天气雷达和区域自动气象站观测资料,针对2013年7月4日出现在京津冀平原地区的中尺度对流系统(MCS),开展了数值临近预报试验。研究结果表明,充分考虑雷达观测信息的对流尺度数值临近预报具有很大的优势,但也存在不足:(1)模式能够较好地把握中尺度对流系统的组织发展和移动演变特征,对风暴回波带的走向和尺度特征有较好的预报,但对强回波的强度和位置预报存在一定偏差;(2)模式预报可以反映风暴系统的中小尺度扰动特征,对风暴冷池和出流边界(阵风锋)的发展变化均有较为合理的预报;(3)模式对强降水中心和雨带位置的预报有很大优势,能较好地预报弱降水雨带的分布形势和雨量,但对强降水落区的预报偏大;(4)模式对风暴造成的对流性强降水的预报准确率较高,对0.5—10 mm阈值的降水范围预报偏差比较合理,对10 mm以上降水范围的预报偏大,但是对弱降水风暴的弱回波较强回波的预报性能要好;(5)由于三维数值云模式对京津冀复杂地形的处理不够完善,对山前风场预报偏差较大,造成对山前风暴的发展演变和山前降水的预报偏差较大。     

呼和浩特市一次局部降雪漏报的原因

对2008年3月22日呼和浩特北部武川县及市区降雪漏报的原因进行了分析,认为本次降雪出现在地面冷锋后部,冷高压的东部,是下沉逆温和锋面逆温共同作用的结果。造成预报失误的主要原因是:(1)从环流形势高低层的配置分析认为未来天气主要以降温和大风为主,因为低层湿度较小,预报时忽略了前期的降水作用。(2)各种数值预报产品也没有分析出降水预报。(3)呼和浩特北部特殊的地形对降水也起到了一定的作用。(4)对下沉逆温和锋面逆温在高压前部造成的降水认识不够。     

降水与相对湿度协同算法研究

本文利用天津地区国家气象观测站2016-2017年常规观测数据和欧洲中心数值模式数据,建立降水和相对湿度协同统计订正算法并检验评估,结果表明：观测资料显示降水量级越小,其相对湿度的离散度越大,且日变化特征。雨量越大、降水持续时间越长,相对湿度稳定在90%以上。模式预报降水时的相对湿度分布离散度较大,需订正。基于降水与相对湿度的统计关系,建立的降水和相对湿度协同算法,算法对于小雨的相对湿度订正偏高,而对于中雨以上订正偏低；协同订正效果不理想的可能原因是模式数据的时间分辨率不高,协同统计算法还有待进一步优化。     

区域数值预报系统在北京地区的降水日变化预报偏差特征及成因分析

为了研究北京快速更新循环同化预报系统(BJ-RUCv2.0)在北京地区降水日变化的预报偏差特征及其成因,利用2012—2015年夏季BJ-RUCv2.0系统第2重区域(3 km分辨率)预报结果和北京地区122个自动气象站逐时观测数据以及观象台探空观测资料,分析模式对北京地区降水日变化预报偏差的区域性特征和传播特征,研究模式局地环流预报偏差特征及其对降水预报偏差的可能反馈机制。研究结果表明,BJ-RUCv2.0系统多个更新循环的预报在北京平原地区均存在夜间降水漏报问题,降水预报偏差表现为模式预报降水在西部山区降水偏多,预报降水雨带难以在平原地区增强发展,造成了模式降水在傍晚山区偏多而夜间平原地区降水明显偏少。通过分析模式局地环流预报偏差及其响应机制发现,由于白天平原地区近地层偏暖偏干,山区底层偏冷中层偏湿,造成了山区-平原地区间的温度梯度强度偏强且强温差出现时间提前,西部山区午后降水偏多;由于平原地区地面气温预报持续偏高,入夜后偏北风难以到达平原地区,造成了山区-平原间的地形辐合线位置偏北,影响山区降水雨带向平原地区移动,同时平原地区近地层内水汽持续偏低,抑制降水雨带在东移过程中的发展,造成模式在平原地区夜间降水预报容易出现漏报。模式冷启动所用的GFS资料土壤湿度在北京平原地区明显小于实际观测,是模式预报偏暖偏干的可能原因之一。     

NUDGING方法同化雷达反射率因子个例试验研究

利用ECMEF全球高分辨率模式资料,采用松弛逼近方法(Nudging)同化多普勒雷达反射率因子,通过在华南区域GRAPES_3km模式中对海南岛降水过程个例进行数值模拟,分析不同Nudging方法对模式预报效果的影响。结果表明:(1)采用Nudging同化方法可使背景场和观测反演的资料相协调,缩短模式热启动时间,可增加开始时段的降水量;(2)同化雷达反射率因子能够提高海南岛0～6h逐时降水评分,模拟值更接近实况观测;(3)同化后,华南区域GRAPES_3km模式能够捕捉到更多的中小尺度信息,可改善海南岛24h强降水的量级;(4)在初始场Nudging订正云水、雨水、水汽场等,其水凝物分布合理,降水预报效果最佳。     

弱天气尺度背景下太行山极端短时强降水预报失败案例剖析

2015年7月31日夜间,太行山区出现极端短时强降水天气,石家庄和邢台的西部山区有5个雨量站雨量超过100mm,其中石家庄市赞皇县院头镇和邢台市临城县南中皋村最大雨强都超过50mm·h~(-1),3h雨量超过100mm,属极端短时强降水。数值预报、上级指导预报以及各级台站预报对暴雨均为漏报。本文利用常规高空地面观测资料、加密自动站观测资料、石家庄新一代天气雷达资料以及数值预报检验,反思该极端短时强降水预报思路和预报失败原因。此次极端短时强降水是发生在青藏高压东北侧高空西北气流的弱天气尺度背景下,预报的关键在于把握太行山东侧边界层偏东风与地形的作用、青藏高压加强使中层西北气流加强使垂直风切变加大、低层切变线东移影响、西南暖湿气流增强使水汽输送增加、中空干层与加厚的低空湿层叠加使对流不稳定性加强的特征。预报失误的主要原因是没有分析最大不稳定能量(订正CAPE值)导致对山西不稳定条件的低估,致使对山西雷暴在夜间的再次发展估计不足,同时预报员没能有效地使用非常规资料用于实时检验和订正数值预报结果,导致没能预见到雷暴下山增强的可能。目前对弱天气背景下强降水产生条件缺乏有效的概念模型,数值模式可预报性较差,未来需要提高预报员对观测资料的全面分析能力和对数值预报产品的释用能力,通过大量个例的研究发展有效的预报(概念)模型。     

一次局地短时强降水的成因和预报误差分析

利用常规气象观测资料、NCEP/NCAR再分析资料和多普勒天气雷达资料,对2016年8月6—8日潍坊一次强对流天气的成因和预报误差进行了分析,结果表明：1）500 hPa冷涡底部低槽、850 hPa低涡切变线和地面倒槽是主要影响天气系统, 数值预报对此次天气过程的影响系统预报偏差大,而预报员对数值预报依赖程度高是此次预报失误的主要原因;2）850 hPa以下强的水汽辐合是强降水发生的重要条件,低层辐合和高层辐散配置导致的强垂直上升运动是暴雨产生的动力机制,位势不稳定因中高层的冷空气入侵下沉得以加强;3）列车效应和强回波维持少动是造成短时强降水的重要回波特征,逆风区的发展和移动对于判断强降水的落区有指示作用,多普勒雷达反演风场中的中尺度辐合线是导致局地强降水发生的直接原因;4）风廓线雷达水平风场可以连续地反映降水过程中风场垂直结构及其变化,降水发生前探测高度明显升高,中高层冷空气侵入时间与强降水的时段相对应。     

冷空气和热带低压共同作用下的一次暴雨预报失败原因分析

利用NCEP再分析资料、高空、地面观测资料和雷达资料分三个阶段,从水平、垂直方向分析了2014年8月18—20日冷空气和热带低压共同作用下的浙江暴雨过程中水汽输送、垂直运动过程,以及对流不稳定特征,总结预报失败原因。结果表明:(1)第一阶段浙北的暴雨主要是由冷锋引起的,但南海热带低压的存在加强了西南暖湿气流,使得北方冷空气与西南暖湿气流相遇,产生变形场锋生作用。预报偏小的原因主要是没有注意到热带低压的存在和影响,其次是对降水时间的长度也估计不足。(2)第二阶段浙中南的大暴雨,水汽主要是由热带低压东侧和南侧的偏南或西南气流输送的。热带低压在福建登陆后,与冷空气相遇,移动缓慢,导致低层在浙南有中尺度辐合线长时间维持。两个系统耦合,产生了强烈的上升运动,低层又有不稳定能量释放,最终产生了大暴雨。预报偏小的原因是对热带低压的作用估计不足(包括水汽、动力和不稳定能量方面)。(3)第三阶段预报偏大的原因主要是数值预报误差较大。得出的一些启示:预报暴雨时要注意分析降水时间长度,也应重视分析热力条件,以及对数值预报的订正应用。热带系统和中纬度系统相遇,往往会造成大暴雨,主要原因是两个系统耦合会造成强烈的上升运动,同时两个系统对峙会使强降水区长时间维持在同一个地方,热带系统附带的急流又提供了充足的水汽、能量,所以实际雨量往往会比数值预报更大。     

用多普勒雷达资料调整GRAPES模式云参数对短临预报的影响

利用华南一次强降水过程,通过雷达回波反演的云雨水及模式背景场的水汽和根据雨水修订的水汽场对GRAPES模式初始场通过Nuding技术进行调整,试图改善模式的临近预报。模拟结果对比发现,模式初始场通过Nudging技术只订正云水、雨水及水汽场2种情形,对模式雷达回波的临近预报效果都有一定的改善,其中前者对0～3 h的临近预报效果改善明显,而后者对0～6 h的预报效果都有所改善,且后者前3 h的改善效果优于前者。对比模式初始场通过Nuding技术订正修订前后的水汽场的预报效果发现,修订后的水汽场的临近预报效果优于修订前的,尤其4～6 h的差异较明显。分析原因发现,模式初始场中水汽场的修订,尤其是饱和水汽的修订,对模式预报的水汽场有明显影响,从而影响到了环流场,改善了模式的雷达回波和降水的预报。      

一次连日暴雨精细化预报偏差的原因分析

2010年6月24～28日广东省出现大范围的连日暴雨,由于应用多家数值预报模式对东莞地区在该次强降水过程进行的精细化预报结论(降水强度、出现时段、过程结束日等)与实况出现较大的偏差,社会服务效果极不理想。利用日本、欧洲数值预报模式,结合实时环流形势、卫星云图、多普勒雷达产品及自动站资料,回头跟踪该次连日暴雨的预报与实况的偏差,进一步分析造成偏差的原因。结果表明,数值预报产品模式与实况误差较大是导致偏差的基本原因,而根本原因是:初期暴雨漏报,主要是对高空江淮气旋涡诱发西风低槽移入华南,触发近地层中尺度辐合对流发展,具有突发性和区域性的认识不够;而空报则是对在夹长的低槽区内,水汽汇集抬升辐合区域的分析不细致;中期降水量级偏大主要是由于对降水持续时间及副高加强西伸的动力抬升作用考虑不周。并针对上述分析提出了预报着眼点。     

多普勒雷达资料在MM5模式中的应用

将多普勒天气雷达探测到的降水粒子的回波强度数据转化为相对湿度值,对同一时刻MM5模式初始场中的相对湿度值进行订正.多次模拟试验结果表明:通过修正模式初始场在雷达回波区域的水汽条件,使该区域初始场底层能量升高、对流不稳定性加强.从而对回波下游区域降水中心位置和降水量级的预报有所改进.本文以山东临沂2004年7月16日暴雨过程和2005年6月14日冰雹过程为例,阐述试验过程及试验结果.     

雷达反演水汽在华南前汛期短时临近降水预报应用试验

为了改善数值预报模式短时临近降水预报能力,采用雷达水汽反演同化方案来提高模式初始水汽场质量。以华南精细预报模式对2013年5月进行了冷启动、热启动和热启动加雷达水汽同化等3个对比试验,并进一步详细分析2013年5月8—9日广东西南部到珠三角地区强降雨过程,探讨雷达反演水汽对短时临近降水预报的影响作用。分析结果显示3个试验结果反映精细模式冷启动不利于1~6 h的降水预报,模式热启动能较好预报前6 h的降水,但对随后预报效果不佳。在热启动的基础上,考虑同化雷达反演的水汽后,不仅较好模拟前6 h的降水,也可以预报出6~12 h的降雨带变化趋势。