基于关键对流参数分级的强对流潜势预报

通过对上海地区1998—2009年4—9月各类强对流天气的统计分析,选取42个对流参数及其时间变量,采用逐步回归方法建立了针对各类强对流天气的0～12h潜势预报方程。在此基础上,提出了基于关键对流参数进行分级的强对流潜势预报方法,选取K指数、SI指数、PWV(大气可降水含量)指数和θsedif85(500hPa和850hPa假相当位温差)等反映大气热力和水汽条件的关键对流参数,根据对流分布情况将各对流参数分别分为3个等级,并分级建立了针对不同强对流天气的潜势预报方程。与未分级方程对比表明:基于关键对流参数分级的预报方程对雷雨大风、强雷电和所有对流等预报效果上有明显提升,采用如下组合评分更佳:雷雨大风的预报采用SI分类方程,强雷电和所有对流采用PWV分类方程。将基于关键对流参数分级的强对流潜势预报方法在数值预报模式中进行了业务应用,取得了较好效果。     

基于多对流参数的武汉地区雷电活动预报方法研究

利用2011—2013年6—8月291个样本武汉站的探空资料计算了20种与雷电活动有关的对流参数,经统计分析后发现多个对流参数与雷电活动具有显著的相关性;选取与雷电相关性较好的对流参数作为预报因子,并用多元线性回归方法建立雷电潜势预报方程,方程通过了α=0.05的显著性水平检验;使用2014年6—8月的观测数据进行预报效果检验,结果表明:雷电预报的命中率POD为82.6%,虚假报警率FAR为23.3%,临界成功指数CSI为63.3%。由此可见,该方法的建立对武汉市雷电天气的预报和预警具有参考价值和指示意义。     

地基微波辐射计观测资料在一次雷电潜势预报中的应用分析

在利用对流参数建立湖北省雷电潜势预报的基础上,重点研究地基微波辐射计资料在改进雷电潜势预报中的应用价值,继而修正对流参数及其阈值区间,由此建立一种可通过后续参数订正实现的雷电短期潜势预报方法。首先对2013年4月29日一次西南涡东移造成的雷电过程中地基微波辐射计资料的可靠性进行了分析,继而通过比较基于单一数值模式和微波辐射计资料计算的不稳定参数与雷电活动的相关性后发现,85%以上的雷电样本活跃在K指数≥33 ℃、T_850-500≥23 ℃、A指数≥10 ℃和ΔT_d850≤3 ℃等指数范围内,而微波辐射计资料计算的6个不稳定指数显示,与雷电密集区对应的指数中,和雷电相关性较高的K指数、T_850-500、A指数分别为35 ℃、25 ℃和12 ℃,使用两种阈值分别对雷电潜势预报方程中的预报因子进行0,1化。个例检验效果表明地基微波辐射计在改进雷电潜势预报落区和概率方面有一定参考作用。      

T213/T639数值产品在河南省 雷电潜势预报中的释用

利用河南省地面观测站1960-2005年的雷暴观测资料分析了全省雷暴活动的时空分布特征.根据雷暴活动特征和雷暴天气产生的环境场条件,基于T213/T639数值模式输出产品计算了多个大气动力、热力参数,经诊断分析及相关性分析后选取与地闪关系较好的对流稳定度指数、850 hPa假相当位温、400～850 hPa垂直风切变等5个参数作为预报因子,采用ADTD地闪定位资料和T213/T639数值模式输出产品,分别建立雷电潜势预报模型.雷电潜势预报方法于2008-2009年在河南省汛期业务中应用评估表明,基于T213/T639数值产品的雷电潜势预报技术方法可以为河南省雷电天气的落区预报提供客观定量的参考和依据,且两者都对低槽切变型预报效果最好.     

大气不稳定度参数与闪电活动的预报

利用北京地区M—LDARS闪电定位系统的观测资料，结合探空资料，分析了182个有闪电活动和153个无闪电活动的多个大气不稳定参数与闪电活动的关系。结果表明，潜在一对流性稳定度指数、抬升指数、对流有效位能和700hPa相当位温与闪电活动具有较好的相关性，而中层湿度与闪电活动的相关性没有以上几个参数明显。文中进一步分析了多参数综合预报的闪电活动的概率，闪电频数和各参数的线性回归关系，提出了闪电活动预报的诊断指标。本研究对北京地区雷电监测与预警有参考价值。     

副高边缘两次大暴雨天气过程物理量特征分析

利用常规气象资料、NCEP 1°×1°再分析资料对2012年7月1~4日副高边缘四川省达州市连续两次大暴雨天气过程的物理量进行了重点分析。分析结果表明K指数和假相当位温垂直梯度变化与暴雨对应关系较好,850hPa比湿能很好的反映低层大气水汽含量情况,可以为暴雨预报的一个重要参考指标;副高边缘偏南气流提供了较好的水汽条件;垂直螺旋度与暴雨中心位置和强度有较好的对应关系;副高边缘西南气流使得垂直涡度增大,系统斜压性加强,有利于暴雨产生。      

2014年鲁南一次暖切变暴雪过程的诊断分析

利用常规观测资料、自动站资料及NCEP1°×1°再分析资料对2014年2月4—6日鲁南暴雪过程进行诊断分析。研究表明：（1）500hPa的短波槽,700hPa和850hPa暖式切变线及低空急流是造成这次暴雪的关键影响系统,同时位于华北700hPa的小高压对强降雪的形成也起到关键作用。（2）东南低空气流的移动跟雨区的移动具有很好的对应关系。第一阶段降雪的水汽辐合主要集中在700hPa,第二阶段的水汽辐合集中在对流层低层。（3）此次降雪过程降水相态的温度与厚度判据与经验统计预报指标一致。     

冬季北半球500hPa高度场变异的关键区

运用方差分析、相关分析、回归分析对1951～2001年500 hPa高度场资料进行分析,结果表明:冬季有三个区域(180°E～150°W,45～60°N;70～100°W,45～75°N;60～100°E,65～80°N)方差最大,是大气环流发生变异的关键区.各个关键区平均高度的变化和不同的大气环流遥相关型的相关关系不同,与同期500 hPa高度场之间的线性相关较密切,能代表同期500 hPa高度场约88%的变化,且在一定程度上能说明后期3～4月的500hPa大气环流的变化情况,对后期大气环流的演变具有一定的预报意义,但时间间隔越大,可预报性越差.     

2022年6月12—13日江西中南部暴雨成因与预报误差分析

利用常规探空和地面观测站资料、ERA5 0.25°×0.25°再分析资料和ECMWF预报资料,对2022年6月12—13日江西中南部的暴雨过程进行分析。结果表明：1） 此次暴雨过程是在副热带高压和南亚高压稳定少动、西风槽携带冷空气南下的环流背景下,500 hPa高空槽、低层切变线、低空西南急流和地面静止锋共同作用造成的。2） 低层辐合、高层辐散产生深厚的垂直上升运动,为强降水的持续提供动力条件,低空暖湿西南急流输送的充足水汽,有利于江西中南部不稳定能量的积累。3） EC暴雨落区预报偏北的主要原因是天气系统位置较实况偏北,700 hPa垂直速度大值区偏北、对流性降水预报偏弱和地形影响也是暴雨漏报的重要因素。4） 584 dagpm特征线的位置变化对此次暴雨落区向南订正有较好的指示意义。在暴雨预报中,不仅要考虑锋面大尺度降水,还要考虑暖区对流性降水,关注低层强动力辐合区域,结合中尺度数值模式产品,可以有效对主雨带位置和强度进行订正。     

ECMWF数值预报针对一个网格点的效果检验

本文仅对离本站最近的ECMWF数值预报的85 0hPa温度、5 0 0hPa高度和 10 0 0hPa海压 1个网格点(30°N ,10 5°E) 1年的数值预报效果进行了检验。     

安徽闪电分布特征和不稳定条件分析

利用安徽2008—2011年LD-Ⅱ型闪电定位系统资料,以统计方法分析安徽闪电分布特征,发现安徽闪电的发生较为集中在7—8月,闪电极性以负闪为主(约占总闪的93%以上),同时存在南北差异。南部的闪电数和平均电流强度比北部大,但北部正闪比例略高于南部。进一步结合2008—2011年阜阳、安庆两站探空资料,选取了抬升指数、对流有效位能、700~400 hPa平均相对湿度、700 hPa假相当位温、850~500 hPa温差、沙氏指数与K指数7个大气不稳定参数,以两站为中心的0.5个纬距范围内,分析了探空放球时间后6 h内,大气不稳定参数与闪电活动的关系,确定了闪电活动的不稳定参数阀值,为闪电活动预报奠定基础。     

江苏省雷电活动潜势预报研究

利用江苏省3年的闪电资料和探空资料,首先分析了南京地区12个对流参数与闪电活动的关系,然后筛选出相关性较好的10个参数,运用熵值法、复相关系数法和组合权重法计算出这10个参数在闪电潜势预报概率方程中的权重,并分别用试验资料和独立资料对方程进行预报检验,得到了较高的预报评分。最后随机选取了江苏及周边地区连续两天的探空资料和地闪资料,用插值法生成了江苏地区未来12小时闪电潜势预报概率图,并与相应时段的闪电分布图进行了对比,研究发现预报效果显著,说明多参数复合加权得出的闪电潜势预报方程对未来12小时的闪电活动潜势预报有重要的现实意义。      

Analysis of the Winter Cloud-to-Ground Lightning Activity and Its Synoptic Background in China during 2010-20

Cloud-to-ground(CG)lightning data and the ECMWF ERA-Interim reanalysis dataset are analyzed to gain insight into the spatiotemporal distribution and synoptic background of winter-season CG flashes between December 2010 and February 2020 in China.We identify three Winter Lightning Frequent Areas(WLAs):the southwest side of the Yunnan-Guizhou Plateau(WLA1),the east side of the Yunnan-Guizhou Plateau(WLA2),and the Poyang Lake Plain(WLA3).The CG lightning flashes most frequently occur at local midnight and have a monthly peak in February.The CG lightning in WLA1 is mostly generated in non-frontal weather;however,the lightning in WLA2 and WLA3 mostly occurs in frontal systems.The frontal circulation situation is divided into four typical types:transversal trough after high pressure,low vortex,confrontational convergence,and asymptotic convergence.In all typical weather patterns,the lightning occurs downstream of a 500 hPa trough and is accompanied by a southwesterly low-level jet.The convective parameters of winter thunderstorms differ greatly from those of summer thunderstorms.The maximum convective available potential energy(MCAPE)and K-index(KI)are more useful metrics than convective available potential energy(CAPE)and Showalter index(SI)during winter.This study further deepens the understanding of the distribution characteristics of winter CG lightning in China,which motivates further research to improve the ability of winter thunderstorm prediction.     

A comparison of lightning activity and convective indices over some monsoon-prone areas of China

Using 10-year lightning localization data observed by the TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) Lightning Imaging Sensor (LIS), the relationship between lightning activity and a series of convective indices was investigated over nine monsoon-prone areas of China in which high-impact weather (HIW) events are frequently observed.Two methods were used to verify and reconstruct LIS lightning data. First, LIS lightning flash data were verified by both surface thunderstorm reports and ground-based lightning detection data. Seasonal, monthly, and 5-day distributions of LIS observed lightning activity agree well with the surface reports and ground-based lightning observations. Second, due to LIS's low sampling frequency, a data reconstruction and compensation scheme for LIS lightning observations was designed using both LIS lightning seasonal diurnal cycles and surface thunderstorm reports. After data reconstruction, five lightning products were derived: daily mean and maximum LIS flash rate, daily mean and maximum LIS lightning cell rate, and number of lightning days per five day period.Then, a series of convective indices describing convection conditions were derived from radiosonde data according to atmospheric instability and convective potential analysis. Correlation analysis for each study region was done between 10-year lightning derived products and corresponding convective indices by 5-day periods. The correlation analysis results show that higher lightning flash rate and lightning probability are associated with more unstable air and smaller vertical wind shear in a nearly saturated lower layer in most of the study regions. But the correlation varies from region to region. The best correlation between lightning activity and convective indices was found in eastern and southern China, whereas the correlation is lowest in some inland or basin topography regions in which topographic effects are more significant. Moreover, ambient moisture plays a much more important role in the convective development of thunderstorms in southern China than other regions. Thunderstorm development mechanism differences among regions were also discussed.Based on the close relationship between lightning activity and convective indices, some regression equations for forecasting 5-day mean or maximum LIS lightning flash rate and lightning area (a thunderstorm cell) rate, and 5-day lightning days for the study regions were developed using convective indices as predictors. The verifications show that the convective index-based lightning forecast methods can provide a reasonable lightning outlook including probability and lightning flash rate forecasts for a 5-day period.     

云南4次热带系统影响强对流风暴卫星云图和地闪特征

利用NCEP再分析气象资料及FY-2E卫星云图、地闪、地面自动站和气象灾情等资料对热带系统影响下的4类强对流风暴卫星云图特征和地闪演变规律进行分析。结果表明:西移北抬的赤道辐合带、副高、热带低压等热带系统外围偏东、西南和东北气流为强对流风暴发生发展提供有利环流背景及充足水汽和较高的对流有效位能,800 hPa中尺度辐合线及风随高度顺转和高层反气旋低层气旋的垂直流场结构为强对流风暴提供动力条件;在高能高湿环境条件下,由于辐合抬升作用,对流单体生成、不断长大、有规律排列、相互合并发展成不同大小和形状的单单体风暴、多单体风暴、飑线、MCC,结构密实和不均匀,伴随激烈地闪的同时产生冰雹大风和短时强降水等强对流天气;4种类型强对流风暴云顶亮温与总、负、正闪频数随时间演变规律基本一致,正、负地闪活跃程度能表征强对流风暴发展演变状况,与云顶亮温之间存在较好的相关关系,总(负)地闪频数演变趋势与云顶亮温演变趋势相反。     

Simulation Study About the Influence of Atmospheric Stratification on Lightning Activities

A 2D model about charging and discharging processes in thundercloud is used to simulate three differential atmospheric stratifications resulting in discrepant thunderstorm processes in Beijing region. The dynamic and microphysical processes in thunderstorm and their influence on lightning activities are also discussed.The results indicate that ascending velocity and water vapor axe the most important factors to influence lightning activities. At the same time, they affect each other and are together controlled by atmospheric stratification. The magnitude of the ascending velocity determines the intensity of storm and the time when the thunderstorm matured. The thunderstorm with strong updrafts can reach a large height in a short time. Strong persistent updrafts and sufficient water vapor which help to generate more ice phase hydrometeors that directly influence charging and discharging process will prolong the mature stage of the thunderstorm and thereby enhance lightning activities. Though the big density of ice phase hydrometeors can be formed, it is difficult to sustain a long time in the condition of strong updrafts and scant water vapor. Under the condition of weak updrafts and suffcient water vapor in the whole levels, it is easy to form warm cloud process in which the ice phase process and lightning activities are weak. The favorable stratification conditions for strong lightning activities are the sufficient vapor in the lower atmosphere,moderate humidity in the mid troposphere, big instability energy and some suitable convective inhibition.Through calculating some atmospheric instability parameters, it is indicated that convective instability index smaller than -10℃ (negative means instable), convective available potential energy larger than 1000 J kg-1,convective inhibition larger than 40 J kg-1, the 700-hPa potential equivalent temperature larger than 340 K and the 35%-85% humidity in the mid troposphere (700-400 hPa) are the advantageous conditions for strong lightning activities.     

基于大气层结和雷暴演变的闪电和降水关系

选取2006—2008年发生在北京及其周边地区的28次雷暴过程,基于大气不稳定度参数和雷达参量对雷暴过程进行分类,分析了不同分类条件下的总闪电活动 (SAFIR3000三维闪电定位系统观测) 和对流降水 (雷达反演) 的关系。结果表明:整体而言,总闪对应降水量的平均值为1.92×107 kg·fl-1。依据对流有效位能和抬升指数对雷暴进行分类的分析表明,较强的不稳定状态对应了较小的总闪对应降水量,同时总闪频次和对流降水量的相关性更好。基于雷达特征参数的分类分析表明,总闪对应降水量在对流运动较弱情况下最小,其次是对流运动较强的情况下,而对流运动适中时最大。     

云南省闪电活动时大气相对湿度结构特征

利用2007年6月1日—8月31日云南省闪电定位系统监测的云-地闪电资料与NCEP/NCAR再分析资料中的相对湿度物理量,分析了云南省闪电活动时相对湿度的结构特征。结果表明:云南省闪电活动除具有夏季是高发期且日分布具有呈一峰一谷变化特征,在时间演变上还具有不均匀和阶段性的特点,这与特定的大气相对湿度环境条件密切相关;云南省闪电活动一般发生在相对湿度垂直结构具有低层湿度不高、中层高湿、高层又逐渐变干的环境大气中,大约在中层700 hPa以下相对湿度随高度增加,逐渐在中层形成高湿层,中层以上相对湿度又随高度减小,低层湿度不高、中层高湿、高层偏干的环境相对湿度条件非常有利于雷暴天气的发生和闪电的形成,一方面中层以下水汽随高度增加有利于水汽的上升运动和云的凝结形成,另一方面中高层水汽随高度迅速减小有利于形成上干下湿的大气对流不稳定,促使对流云进一步发展,从而产生闪电活动;低层相对湿度在40%～75%之间,中层600～700 hPa之间相对湿度较高,可达80%以上,一般为90%～95%,中层湿层越深厚,闪电过程越强烈,在高层250～400 hPa左右相对湿度减小到35%～60%之间。     

浙东冬季和夏季两次强雷暴天气过程对比分析

利用多种观测资料,结合NCEP再分析资料,对比分析了浙东冬季和夏季两次强雷暴过程中的各种环境条件,结果表明:以对流有效位能CAPE表达的深厚湿对流潜势条件夏季个例的比冬季的好,二者分别为1148 J·kg~(-1)和490 J·kg~(-1)。冬季个例的动力抬升条件更好:低层到地面受冷锋影响;700、850 h Pa因急流风向风速的不连续而产生较强的辐合;500 h Pa处于长波槽前的上升气流中,最大的垂直速度达1.1 Pa·s~(-1)。两次过程的共同特点是强回波分布与地面θ_(se)高值区和切变线叠加区对应关系比较好,为雷暴系统的临近预报提供了重要线索。地面有冷锋影响时,要考虑冷锋入海后风力加大,地面辐合加强,使对流发展。由海陆不同比热属性造成的海陆之间白天和夜间的不同温差,对白天和夜晚系统入海后的强度变化有不一样的影响。10个浙东冬季雷暴个例天气形势分析结果表明,冬季雷暴的共同特点是都有冷暖空气在浙东强烈交汇,华南到华东中低层有很强的西南急流,850 h Pa最大风速达到20 m·s~(-1)以上。两季雷暴各种对流参数对比分析结果显示,冬季雷暴比较好的预报指标是总指数和垂直风切变,重点关注西南急流的强度、冷锋和850-500 h Pa的对流稳定性及动力抬升条件。