对流天气预报中的环境场条件分析

中尺度对流天气的分析包括以天气型识别和中尺度过程分析为主的主观分析,以及以动力热力物理参数诊断为主的客观分析。利用"配料法"预报的思路,通过诊断有组织的深厚中尺度对流系统发生、发展的4个条件(水汽、不稳定、抬升和垂直风切变),开发了中尺度对流天气的环境场条件分析技术(对流天气图分析和客观物理量诊断技术),并应用于中国国家气象中心的强对流天气预报。以中尺度对流天气的天气图分析方法为例,介绍如何利用高低空观测资料,分析对流天气发生发展的环境场条件;并以数值模式释用为主的强对流特征物理量诊断分析为例,介绍如何动态诊断对流天气的动力热力条件演变。     

国家级中尺度天气分析业务技术进展Ⅰ：对流天气环境场分析业务技术规范的改进与产品集成系统支撑技术

中尺度天气分析技术已经在我国天气预报业务中发挥了重要作用。2011年以来国家级中尺度天气分析业务技术取得了明显进展,促进了国家级强对流预报业务的发展。《中尺度天气分析业务技术规范》已重新编写和完善,内容分为两篇,第一篇是中尺度对流天气环境场分析;第二篇为中尺度对流天气过程分析,第二篇为新增内容,将另文介绍。短时和短期时效内中尺度对流天气环境场条件分析以配料法思路为基础,重新编排和简化了分析内容,兼顾分析的精细化和分析产品的可操作性,增加了分类强对流天气分析量化指标建议供预报参考,新增了基于局地探空的强对流天气分析规范。中尺度天气分析业务的支撑技术是推进该业务的必备基础,因此国家气象中心改进了MICAPS 3中尺度天气主观分析工具箱功能;开发了中尺度天气分析产品集成系统,包括强对流天气监测产品、中尺度天气分析主观和客观产品、基于不同数值模式预报的强对流参数诊断产品等的数据产品和图形产品等。     

国家级中尺度天气分析业务技术进展Ⅱ：对流天气中尺度过程分析规范和支撑技术

中尺度天气分析技术在对流性天气的短期预报业务中发挥了重要作用。文章介绍了国家气象中心正在发展和试运行的对流天气中尺度过程分析规范和支撑技术,旨在为中尺度对流天气的短时临近分析和预报提供技术方法,其客观技术支撑为中国气象局强对流短临预报系统SWAN、强对流天气综合监测技术和自动站资料快速客观分析技术等。文章以2011年4月17日强对流过程为例,介绍了如何利用多源观测资料(常规和非常规资料)快速识别和掌握强对流天气(短时强降水、雷暴大风、冰雹、龙卷等)实况,分析当前对流系统类型及其结构特征,判断未来影响对流系统发生、发展的中尺度环境条件,并综合考虑客观自动外推算法产品,最终指导预报员对未来0～6 h内的强对流天气影响区域进行短临预报预警。业务试验表明,对流天气中尺度过程分析技术可为强对流天气短临预报业务提供重要参考和依据。     

福建春季西南急流暖湿强迫背景下的强对流天气流型配置及环境条件分析

根据2002—2013年福建26次春季强对流天气过程中12例由西南急流暖湿强迫产生的强对流天气的高低空环流配置,利用常规高空、地面观测资料以及NCEP再分析资料,运用中尺度对流天气的天气图分析技术建立福建春季西南风低空急流暖湿强迫背景下的强对流天气流型的识别方法,并统计静力稳定度、水汽、抬升和垂直风切变条件及相应物理量要素,初步揭示了福建省春季西南急流暖湿强迫背景下的强对流天气过程的特征和规律。此类强对流天气是由对流层中、高层干冷空气位于低层强烈发展的暖湿平流之上形成显著条件不稳定层结,逆温、干暖盖、中低层有利的水汽条件,上干下湿的温湿廓线以及低空辐合、高空辐散为强对流天气的发生提供了有利的环境条件,强对流天气系统由地面的锋面、辐合线、热低压、925 hPa辐合线以及西南急流脉动等中尺度天气系统触发,对流生成后在西南风急流引导下移入有利于对流发展的不稳定区域使得对流持续发展,强垂直风切变配合较大的对流有效位能有利于对流风暴持续发展。     

用中尺度数值模式诊断强风暴潜势研究

利用中尺度数值预报模式,计算、输出若干与强风暴发生发展有密切关系的常规物理量和对流参数,研究应用模糊逻辑学技术的强天气潜势诊断的方法,开发出雷暴、冰雹、雷雨大风3类对流性天气落区的潜势预报产品,并进行了初步的业务试验.结果表明,融合多个中尺度数值预报模式输出的对流参数和物理量的方法能够较好地诊断强对流天气,对业务应用有一定参考价值.     

基于指标叠套法的安徽省强对流天气潜势预警研究

对2005-2007年4-9月安徽省冰雹、雷雨大风等强对流天气日数进行统计,分析了基于探空资料计算的不稳定指标与强对流天气发生的关系。结果表明：K指数、A指数、沙氏指数和对流有效位能、归一化对流有效位能和对流抑制能量这几个指标对于强对流天气指示意义较好。基于此结果,挑选K指数、沙氏指数和对流有效位能针对不同季节划分闽值,建立强对流天气潜势预警指标,并利用中尺度模式MM5的数值预报产品计算该指标,对2005—2010年13个强对流天气过程预报结果进行对比检验表明。MM5模式给出的强对流天气潜势预警产品对大多数过程均能起到预警作用。对其中两次强对流天气过程分析表明,模式具备预报强对流发生潜势的能力,预报结果对强对流天气发生的时间、落区有预警意义。     

NWP产品在强对流天气诊断分析中的应用

利用ECMWF、T213、T106数值预报产品及各物理量场,对已知中尺度系统发生发展的大尺度条件,预报中尺度环流出现的统计概率进行探讨:首先将武汉中心气象台过去总结的强对流天气模型与数值预报产品中的环流形势进行对比分析,当所预报的环流形势满足强对流天气模型时,认为大尺度条件将会促进中尺度天气的发生发展。再对数值预报产品中的有关物理要素场和值进行诊断分析,当所诊断的结果反映出有中尺度次级环流出现或有利中尺度对流天气发生时,最后对强对流天气落区、落点及降水性质进行诊断分析。同时,还利用AREM中尺度数值模式对2002年7月21~24日过程进行诊断分析,预报效果较好。,通过诊断分析,得出了强对流天气落区、落点及降水性质与各要素之间预报场和值的关系,同时也为今后精细化预报提供了启示和参考。     

基于指标叠套法的安徽省强对流天气潜势预警研究

对2005－2007年4-9月安徽省冰雹、雷雨大风等强对流天气日数进行统计,分析了基于探空资料计算的不稳定指标与强对流天气发生的关系。结果表明：K指数、A指数、沙氏指数和对流有效位能、归一化对流有效位能和对流抑制能量这几个指标对于强对流天气指示意义较好。基于此结果,挑选K指数、沙氏指数和对流有效位能针对不同季节划分阈值,建立强对流天气潜势预警指标,并利用中尺度模式MM5的数值预报产品计算该指标,对2005-2010年13个强对流天气过程预报结果进行对比检验表明,MM5模式给出的强对流天气潜势预警产品对大多数过程均能起到预警作用。对其中两次强对流天气过程的进一步分析表明,模式具备预报强对流发生潜势的能力,预报结果对强对流天气发生的时间、落区有预警意义。     

强对流天气综合监测业务系统建设

强对流天气监测是其预报的基础.国家气象中心强天气预报中心利用多源观测资料(常规和非常规资料)建设了强对流天气综合监测业务系统.强对流天气的监测对象包括积云、地面高温、雷暴、地闪、冰雹、龙卷、大风、雷暴大风、短时强降水、雷暴反射率因子、对流风暴(基于雷达资料)、深对流云及中尺度对流系统(Mesoscale Convective Systems,MCS,基于静止卫星红外1通道资料)等不同时段的分布.发展的监测技术主要包括自动站资料质量控制技术、强对流信息提取和统计技术、直角坐标交叉相关雷达回波追踪(Cartesian Tracking Radar Echoes by Correlation,CTREC)技术、雷暴识别追踪分析和临近预报(Thunderstorm Identification Tracking Analysis and Nowcasting,TITAN)技术、深对流云识别技术、中尺度对流系统识别和追踪技术,以及闪电密度监测技术等.强对流天气监测系统自动定时运行,其输出数据与MICAPS业务平台完全兼容.该监测系统在国家气象中心的强对流天气预报业务中发挥了重要作用.     

陕西4月冰雹天气学特征及对流潜势指标分析

利用2015—2020年陕西4月99站地面观测资料、灾情报告,高空探测资料,多普勒雷达资料等,对陕西4月冰雹天气发生的天气形势、对流潜势指标及雷达回波特征进行统计分析,结果表明：陕西4月冰雹多发生在午后至傍晚（12—20时）,降雹相对高频区位于陕北南部和关中;按环流形势将冰雹天气分为槽后西北气流型和冷槽型两类,槽后西北气流型主要特征表现在中层强的干冷空气侵入造成强热力不稳定层结,冷槽型冰雹天气产生的主要原因为高层冷空气叠加于低层暖湿气流上,造成强的位势不稳定,天气尺度抬升促进对流进一步发展;共筛选出11个指标为4月冰雹天气潜势预报提供参考,业务应用中重点分析相比气候平均值差异较大的K指数、总指数、对流稳定度指数,作为冰雹天气潜势预报中不稳定层结及低层水汽条件的判别指标,同时需注意其他指标的配合使用,应用CAPE值做强对流天气潜势预报时必须要经过探空订正;降雹云团受地面中尺度系统触发,槽后西北气流型冰雹的雷达回波分散、持续时间短,冷槽型冰雹的雷达回波范围广,持续时间长。     

2011年4月17日广东强对流天气过程分析

利用地面和高空观测、卫星、雷达和闪电及自动站资料对2011年4月1 7日出现在广东省的强对流天气的背景和演变进行了分析和总结,本次强对流过程出现了短时强降水、雷雨大风和冰雹等强对流天气,具有风力强、中尺度强风暴系统明显、局地性强和灾情严重等特点。分析表明,地面锋面抬升是本次强对流天气发生的主要触发机制,珠三角地区的地形平坦、广东中层的干急流以及较大的垂直风切变可能是强风暴系统发展和维持的主要因素。最后,本文也分析了当时的主观预报思路并提出了一些思考和总结。     

贵州南部一次突发性大暴雨的中尺度分析

利用地面加密观测资料、贵州自动站雨量资料、FY-2C卫星红外辐射亮度温度(tbb)资料等,对2006年6月12日夜间贵州南部突发性大暴雨过程进行了中尺度分析.结果表明:具有类似于MCC(Mesoscale Convective Complex)特征的中尺度对流云团的发生发展及其缓慢东移是造成此次大暴雨的直接原因.对流层中低层大量的水汽输送和对流有效位能的积累为大暴雨的形成提供了有利的环境条件,中高层弱冷空气入侵使偏南暖湿气流被迫抬升、地面中尺度低压和辐合线的形成是暴雨发生的可能触发机制.中尺度天气系统具有低层辐合、高层辐散的高、低空配置,暴雨区南、北两侧的正、反垂直环流构成了中尺度次级环流圈的垂直结构特征.     

一次秋季强降水超级单体风暴过程分析

利用雷达、加密自动站、NCEP再分析资料和常规观测资料,对2011年11月4日发生在江苏中北部由超级单体产生的短时强降水过程,经分析表明:(1)本次过程中500 hPa为西南暖干气流,上下层温度平流差动不明显,上下层湿度平流差动是前期位势不稳定建立的主要原因。(2)超级单体风暴低层强烈的后侧入流,不断为其输入暖湿气流,其前侧为强烈的上升气流,而高空有较强的后向流出。在这种流场的作用下,超级单体风暴的发展得到加强和维持。(3)对流首先在700 hPa相对湿度梯度大值区与地面中尺度辐合线相交处被触发,整个过程中强对流回波出现在地面中尺度辐合线附近,并伴随其东移。东移的地面辐合线与盐城东部局地生成的对流风暴所造成的地面辐散出流相遇,演变为一条新的地面辐合线,地面辐合显著增强,导致短时强降水的发生。中尺度地面辐合线的移动和增强在这次超级单体风暴过程中起到了触发和维持、加强的作用。(4)对流发展初期,地面辐合区对应着未来对流回波生成区域,有很好的超前性;随着对流发展,地面负散度大值区与对流回波区逐渐重合,当散度场出现临近正负散度中心对时,对流发展达到最强。     

贵州西部极端对流性暴雨预报失败案例剖析

2020年6月1—2日,贵州西部发生了1次局地性的对流性暴雨过程,预报员和各数值模式对此次过程的预报量级显著偏小,对暴雨范围的低估,造成了特大暴雨、大暴雨的漏报。该文利用常规地面、高空资料,加密自动站观测资料,多普勒天气雷达资料,卫星资料及业务中常用的数值预报产品等对此次暴雨漏报案例进行剖析,结果表明：在弱天气尺度强迫背景下,高温高湿的环境中,未能准确判断对流的触发条件,未分析出露点锋、偏西风和偏南风的辐合、冷池和地面辐合线等的存在及其对强降水的影响,加之难以在短时间内对风场的发展演变进行精细分析,导致此次暴雨过程漏报;对于发生在暖湿气团中的对流性降水的预报,需考虑高温高湿环境下露点锋、辐合区、冷池、地面辐合线的相互作用触发对流并使其组织化发展,从而导致局地性、对流性强降水的产生;基于地面加密自动站资料和雷达资料等的短时临近预报可以帮助捕捉中小尺度系统,从而提高对此类暴雨的预报准确率。     

华南地区中尺度对流性云团

本文运用1980—1988年4—10月短时间间隔的GMS云图和常规气象资料，在我国华南地区共普查出176个中尺度对流性云团。根据云团面积大小分成三类，分别统计和分析了它们的特征。总结出了云团发生、发展的两个模型，并对两个典型例子作了简要分析和讨论。所得结果表明:中尺度对流性云团是华南地区中尺度强对流系统的主要成员；近地面层的风场和水汽场的辐合及地形强迫，是云团发生的主要机制；低空急流和季风云涌是云团发展的最重要因子。     

应用多种探测资料对比分析两次突发性局地强降水

为了做好突发性局地暴雨的临近预报和预警,利用常规天气图、BJ-ANC系统的北京区域雷达拼图和VDRAS风场、地面自动站、风廓线雷达的水平风垂直廓线、卫星云图等多种探测资料,对2009年7月13日和2008年8月14日北京城区的两次突发性强对流局地暴雨天气的影响系统和中尺度系统进行了对比分析,提炼了城区突发对流性暴雨预报预警的预报着眼点。分析表明：两个个例在水汽输送条件、中低层的动力条件、冷空气侵入等方面有有利的天气尺度条件;暴雨之前卫星云图上介于南北两个系统之间的晴空区、对流系统的发生发展与1 km以下的中尺度辐合中心的联系等方面有相似之处;而在雷达回波的移向移速、各层VDRAS风场配置及风廓线雷达资料中水平风垂直廓线结构等方面有差异。通过分析研究,进一步提高了运用高时空分辨率资料作短时突发性对流性暴雨的预报能力,这对于主汛期的预报和服务工作有十分重要的作用。     

广东省开汛期一次连续强对流过程动力热力条件分析

2014年3月底广东省开汛期间,出现了大范围的多灾种连续强对流天气。利用区域加密地面自动站资料、风廓线雷达资料、常规观测和NCEP再分析资料,分析了此次连续强对流发生期间大尺度环流背景条件和动力热力条件,重点讨论了大气层结不稳定维持的原因。动力分析发现,强对流天气出现在低空急流的中尺度大风速中心前方强烈的辐合区和上升气流中,垂直风切变在强对流天气发生前迅速增大,具有一定的预报指示意义。中尺度低压和地面辐合线在对流落区预报中具有较好的指示性;热力分析和热流量方程诊断表明,低空西南急流由北部湾附近暖区沿温度梯度方向不断向广东输送强暖平流,使得不稳定能量得到补充,是导致广东大气层结不稳定维持的根本原因;对于广东开汛期间的强对流天气,业务预报中需要特别关注低空急流的演变及其与温度场的配置。     

华东飑线过程中的地面中尺度物理特征

本文利用华东中尺度天气试验资料和雷达回波,分析了9例强飑线过程中逐时地面物理量场的变化。提出中尺度散度场的配置及变化与中尺度强对流天气有十分密切的关系,而中尺度扰动辐合强度演变与锋前暖区内的中尺度扰动风场汇合线有关,这些关系往往能预示中尺度强对流天气的出现和发展。有时,在飑线发展的过程中具有中尺度重力波特征。