深度神经网络方法在山东降水相态判别中的应用

利用欧洲中心(ECMWF)ERA-Interim再分析资料,通过分析2008—2017年山东冬半年不同降水相态(雨、雪和雨夹雪)下温度和位势厚度特征,统计得到8个降水相态判别因子(T_(2 m)、T_(1000)、T_(975)、T_(950)、T_(925)、T_(850)、H_(850-700)、H_(1000-850)),并给出每个判别因子降水相态阈值指标。然后利用8个判别因子和阈值建立降水相态判别方程和训练DNN模型,通过随机检验发现DNN法对雨、雪和雨夹雪的预报准确率分别提高1.9%、0.2%和21.6%;利用ECMWF细网格预报资料进行个例检验,雨、雪和雨夹雪共106站中判别方程法判别错误29站,DNN法判别错误14站,即DNN法的降水相态判别能力优于判别方程法,且明显提高了对雨夹雪的判别能力。     

安庆市降水相态识别判据研究

利用1999—2014年11月至翌年3月安庆站逐日地面气象观测资料和探空资料,分析了安庆站不同降水相态的时空分布特征和雨雪转换过程中影响系统的配置及转变,选取雨雪转换、降雪和冰粒(包括冻雨)3种天气现象,研究不同降水相态与特性层温度及厚度层结的关系。结果表明:1999—2014年安庆市固态降水集中出现在11月至翌年3月;有降水相态转换的过程中,将850hPa及以下各层温度与地面温度结合对降水相态转变的识别具有更好的效果,当T_(850hPa)≥-4℃、T_(925hPa)≥-4℃、T_(1000hPa)≥-1℃、T_(地面温度)≥1℃时可以判定降水相态为降雨,各层温度继续降低将出现雨转雪,直接降雪在以上指标的基础上需要850hPa的温度降至-6℃及以下;H_(850—700hPa)和H_(1000—850hPa)厚度层结雨雪转换的临界值分别为154dagpm、129dagpm,低于此值则为雪,反之为雨;0℃层高度也可以作为降水相态转换的指标之一,当0℃层高度下降至1000hPa左右时为雨转雪;降水过程中逆温层普遍存在,各种降水类型的区别在于冰粒(冻雨)在850—700hPa之间存在一个0℃以上的暖层,而降雪需要逆温层温度小于0℃。     

新疆北部降水相态的识别判据研究

利用2005—2014年春秋两季月降水资料,统计分析了近10 a新疆北部4个站点的雨雪天气;利用同时期的高空资料,选取了500 hPa和850 hPa高度差(H_(500-850))、700 hPa和850 hPa高度差(H_(700-850))、850 h Pa和925 hPa高度差(H_(850-925))、700 hPa和925 hPa高度差(H_(700-925))、500 hPa温度(T500)、700 hPa温度(T700)、850 hPa温度(T850)、925 hPa温度(T925)共8个指标参与统计,得出4个站点的主要影响因子及降水相态判别指标;并利用判别指标对2015年3—4月、10—11月伊宁及乌鲁木齐站点出现的降水相态进行检验。研究表明:(1)伊宁T925、T850分别为2.5℃、-2.5℃时;塔城站点T925、T850分别为1.8℃、-1.5℃时可作为雨雪分界指标;伊宁、塔城两站T700对降水相态的指示意义不大;阿勒泰T850、T700、T500分别为-2℃、-8.5℃、-25.3℃时;乌鲁木齐T850、T700分别为-1.75℃、-9.3℃时,可作为雨雪分界,T500对乌鲁木齐降水相态的指示意义不大。(2)伊宁H_(700-925)、H_(850-925)分别为2220 m、680 m时;塔城H_(700-925)、H_(850-925)分别为2 207.5 m、675 m时;阿勒泰H_(700-850)、H_(500-850)分别为1522 m、4 052.5 m时;乌鲁木齐H_(700-850)、H_(500-850)分别为1520 m、4 067.5 m时,可作为雨雪的简单分界。(3)通过检验,总结出的雨雪判别指标可为新疆北部降水相态客观预报提供较好的参考。     

山东冬半年降水相态的温度特征统计分析

采用济南和青岛1999-2011年的降水、高空和地面观测资料,研究了山东冬半年降水相态与影响系统的关系及温度垂直变化特征,获得不同降水相态的温度预报指标.结果表明:(1)降水相态变化与影响系统有关,江淮气旋和回流形势产生的大雪以上强降雪存在雨雪转换,低槽冷锋、黄河气旋和切变线(低涡)多产生中雪以下直接降雪.(2)无相态变化的降雪过程一般发生在温度较低、垂直变化单一的条件下,850 hPa以下各层均有明显温度阈值.(3)有相态转换的降雪过程中,850和925 hPa的温度对于雨、雪、雨夹雪的识别没有明显指示性,1000 hPa以下的温度最为关键,将925 hPa以下各层与地面的温度结合起来判别相态,较使用单一特性层温度更为可靠;冰粒区别于其他降水类型,在温度场上的显著特征为700 hPa的温度较高.(4)0℃层高度可用于雨雪转换指标:降雨时0℃层高于925 hPa或在925 hPa上下,当0℃层的高度降至1000 hPa上下时转为降雪.(5)雨夹雪和冰粒发生在有雨雪相态转换的降水过程中,为过渡形态,不会单独出现.     

内蒙古东南部降水相态判据的对比分析

利用内蒙古东南部通辽、赤峰两站1992—2012年的地面和探空数据,针对两地雨、雨夹雪和雪等不同的降水相态进行对比分析,结果表明:通辽站降雨或雨夹雪时850hPa气温特征较为接近,赤峰站降雨夹雪或雪时850hPa气温特征较为接近;通辽站850~700hPa两层之间的厚度降雨夹雪或雪时特征相近,赤峰站降雨或雨夹雪时特征相近,在箱线图中两层之间的厚度与850hPa温度分别对3种相态出现完全相反的叠加。在850、925hPa气温的判别指标中,赤峰较通辽站:降雨时分别高1.5℃和1.7℃、降雪时分别高2.4℃和3.8℃。气温(T)统计表明:降雨时通辽站气温在4.0℃以上、赤峰站气温在6.0℃以上,降雪时两站均T≤0.0℃,两站气温在0.0℃T≤4.0℃(通辽站,赤峰站为6.0℃)为雨、雨夹雪和雪共同出现的温度区间。虽然两站阈值大小有较大差异,但3种降水相态的出现均与中、低层厚度和低层气温密切相关,与中层的气温关系甚小,说明该地区中、低层厚度和低层气温高低决定地面降水相态。     

辽宁地区雨雪转换天气的判别和分析北大核心

利用2011—2020年辽宁地区逐小时地面观测数据和定时高空观测数据,统计分析纯雪、雨雪转换两类降水天气特征。结果表明,辽宁地区2011—2020年雨雪转换日数与纯雪日数比值为1∶5,沿海地区多于内陆,雨雪转换时主要有5种天气类型:空中槽型、北上气旋型、低涡切变型、冷平流型、回流型,其中,空中槽型雨雪转换日数最多,占总日数的42.8%;冷平流型和回流型相对较少,分别占9.4%和7.8%。地面2 m气温、0℃层高度、抬升凝结高度、抬升凝结高度气温与地面2 m气温差、700~850 hPa位势高度差、850~1000 hPa位势高度差等6个气象因子对鉴定辽宁地区降水相态有一定参考意义。利用高分辨的欧洲细网格资料对2021年2月28日雨雪天气过程的降水相态进行诊断分析,结果表明,雨雪相态的转变对对流层低层温度平流非常敏感,0℃层高度、冰雪层厚度、粒子降落行程与降水相态之间关系密切;当0℃层高度降低(由920 hPa到950 hPa),云中冰雪层增厚(由430 hPa增至530 hPa),液态水层变薄(由20 hPa到10 hPa),云中冰雪物下落到地面的行程缩短(由780 m降至410 m),下落环境温度降低(由3.5℃到0.5℃),降水相态由雨转换为雨夹雪或雪。     

黄山地区冬半年降水相态判据研究

利用2008—2018年逐年11月至翌年3月常规气象观测资料,从天气形势配置、降水相态与特征层气温、0 ℃层高度和层结厚度的关系等进行分析,归纳了黄山地区冬半年雨、冻雨、雨夹雪和雪四类降水相态的判别依据,并利用一次雨雪转换天气过程对判据进行了检验。结果表明,黄山地区固态降水和固液混合型降水主要发生在1—2月。850 hPa高度层及以下各层气温对雨雪转换的判别效果较好,当850、925、1 000 hPa特征层气温和地面气温分别大于等于-3.9、-2.6、0.5、1 ℃时可判定为雨,各层气温继续降低将出现雨夹雪或雪。当0 ℃层高度在1 000 hPa高度层以上时可能出现雨,反之出现雨夹雪或雪。此外,厚度层结也能较好地区分雨和雨夹雪或雪。冻雨（冰粒）的判据与其他降水相态的判据不同之处是在700 hPa高度层附近存在融化层。判据能较好地区分黄山地区不同降水相态,但对冻雨和冰粒的识别能力相对较弱。     

北疆春季降水相态转换判识和成因分析

2014年4月13-15日北疆出现了大范围雨转雪天气和强降雪过程,给当地工农牧业及人民生活造成严重影响。对这次过程,利用天气学诊断方法,分析了其发生发展过程,并得到此次灾害性天气过程中雨雪相态转换和降水强度的预报指标。结果显示:(1)此次天气过程是在中亚低涡两次生成、发展和减弱过程中出现的。(2)中低层温度变化是预报北疆春季降水相态转换的关键因子和指标,中层温度可区分雪和雨夹雪,T_(500)-25℃、T_(700)-12℃可判定为雨夹雪转雪;低层温度可区分雨和雨夹雪,T_(850)-2℃和T_(925)2℃时雨转雨夹雪,T_(850)-4.5℃用来判别雨夹雪转雪。(3)春季北疆沿天山一带和天山山区的降水中水汽凝结起主要作用,中低层水汽冷凝结是影响降水强度的重要因子,水汽条件越好、冷空气越强、凝结厚度越厚、持续时间越长,则降水强度越强,水汽冷凝结强度决定了降水强度的大小。     

昆明冬季降水相态识别判据研究

利用昆明气象站1952—2013年冬季的降水及天气现象资料,统计分析了昆明冬季降雪的气候特征。利用1980—2013年高空、地面资料,选取500 hPa温度、700 hPa温度、0℃层高度、500～700 hPa之间的位势厚度、地面日最低温度和日平均温度6个物理量,针对雨和雪的降水相态进行统计分析,采用降雪TS评分最高的原则确定物理量的阈值。对每个单一判据给予不同的权重,采用权重线性法设定降雪的综合判据,通过对6个物理量降雪判据进行不同的组合试验,并考虑到综合判据的业务化,最终选定700 hPa温度、500～700 hPa之间的位势厚度、地面日最低温度3个单一判据组合为综合判据,并用中尺度WRF模式对2014年的13次降水天气进行了降水相态判别检验,结果表明综合判据可为昆明冬季降水相态客观预报提供较好的参考。     

石家庄暴雪天气过程中相态转变的温度指标分析

利用1999—2017年石家庄国家基本气象观测站的降水实况资料,统计出暴雪天气过程,在分析其地面和高空影响系统的基础上,着重分析暴雪天气过程中温度场的变化特征。结果表明：暴雪天气过程的地面影响系统为冷高压和低压倒槽共存的形势,但高空系统存在差异;没有相态转变而以固态雪的形式出现的暴雪天气过程中,对流层中没有逆温层,整个对流层温度小于0 ℃,且700 hPa高度以下的中低空温度小于-5 ℃;有相态转变的暴雪天气过程中,925—700 hPa多存在逆温层,其存在有利于降水的维持和发展,850 hPa和925 hPa可视为特性层,850 hPa温度小于-4 ℃,925 hPa温度小于等于-2 ℃,0 ℃层的高度位于950 hPa以下,可作为预报雨或雨夹雪转雪的参考指标;地面气温大于0 ℃且小于1 ℃可视为过渡相态雨夹雪的地面气温临界值。     

江苏冬季降水相态气候分布特征及预报方法探讨

利用1981-2010年南京、徐州、射阳逐日探空资料和地面观测资料,在分析冬季雨日、雪日、雨夹雪日气候特点的基础上,运用厚度分析的方法进一步研究江苏冬季不同降水相态的预报指标.结果表明:厚度分析能被用来识别降水相态(雨、雪),1 000～850 hPa厚度阈值1 292 gpm可以作为江苏冬季区分雨、雪的一个重要参考指标.同时结合地面温度和850 hPa温度可以较准确的判定降水的相态,即1 000～ 850 hPa厚度≤1 292 gpm,且T850≤-3℃,T≤2℃时,判定为雪;反之,则为雨.另外,地面湿球温度在雨雪区分上也是一个很有参考价值的指标.     

山东冬半年回流降雪形势特征及相关降水相态

利用2000-2013年冬季回流形势36次降水个例的高空、地面观测资料及济南、青岛的降水资料,研究了山东回流形势的环流特征,并按中间暖层和低层冷层的厚度进行了分型。在分型的基础上,探讨了不同形势下温度、厚度的垂直变化特征,获得了不同降水相态下的温度和厚度预报指标。结果表明:(1)回流形势可分为3种,即:回流Ⅰ型、回流Ⅱ型和浅回流型,其中浅回流型又可分为冷层薄浅回流与暖层薄浅回流。(2)直接降雪时,内陆地区各层的温度阈值为T_(850)≤-4℃,T_(925)≤-2℃,T_(1000)≤0℃或T地面≤1℃;但是沿海地区更要确保地面温度0℃。(3)无论内陆还是沿海,当T_(850)≤-3℃,T_(925)≤-1℃,T_(1000)≤0℃或T地面≤1℃时,要考虑降水相态由雨转为雨夹雪或雪;(4)直接降雪的厚度指标:回流Ⅰ型与回流Ⅱ型,冷层H_(850-1000)为127~130 dagpm,暖层H_(500-700)为252~256 dagpm;冷层薄浅回流,冷层H_(925-1000)为61~64 dagpm,暖层H_(500-850)为403~413 dagpm;暖层薄浅回流,冷层H_(700-1000)为279~284 dagpm,暖层H_(500-700)为250~260 dagpm。雨转雪时,回流Ⅰ型与回流Ⅱ型,冷层H_(850-1000)为127~130 dagpm,暖层H_(500-700)为255~264 dagpm,浅回流型雨转雪过程个例太少,厚度指标有待以后关注。     

吉林省中部半山区降水相态特征及温度预报指标初探

本文以吉林省辽源站为代表,并选取辽源市2008-2012年降水、高空和地面实况观测资料,分析研究吉林省中部半山区降水相态(指雨或雨夹雪转雪,下同)的影响系统及温度变化特征,结果表明:500h Pa低涡槽(包括低槽)、850h Pa切变或低涡槽、地面气旋(蒙古气旋、华北气旋)等影响系统共同作用是辽源市雨雪相变天气过程的典型形势,但低层系统对降水相态的影响较高层系统更为明显。分析降水相态的温度变化特征得出雨或雨夹雪转雪时的温度阈值和预报指标为:T700≤-5℃;T850≤-1℃;T地面≤1℃。     

2018年初江西中北部冻雨暴雪天气过程特征及成因

2018年1月下旬,江西省中北部出现严重雨雪冰冻灾害天气,覆冰和积雪持续时间长达7 d,其间多次出现罕见的雨雪相态转换,先后经历了雨、冻雨、雪、冻雨、雪5个复杂过程。文中对此次天气过程的相态转换特征及成因进行了分析。结果表明： 1） 在有利的环流背景下,西风带小槽发展东移并携带冷空气南下,破坏850 hPa高度层附近的暖性逆温层,是冻雨转雪的重要因素,而700 hPa高度层上西南急流的脉动、偏南风增强为雪转冻雨提供了动力和热力条件。2） 冻雨发生时最强风切变出现在925—850 hPa高度层,降雪发生时出现在850—700 hPa高度层。两次冻雨转降雪过程中,上升运动均增强,降雪时低层辐合、高层辐散强度较冻雨时强。3） 近地面气温接近05 ℃时,850 hPa高度层冷暖平流对中低层大气的降温和升温作用至关重要,冷平流的降温作用剧烈,而暖平流的升温作用需要持续输送。暖层消失,冻雨即可转降雪;雪转冻雨时850 hPa和700 hPa高度层温度升至1 ℃,暖层内最高温度达2 ℃,相态的转变落后于暖性逆温层的形成。4） 此次过程中,九江地区发生雨转冻雨以及冻雨转雪过程,地面气温下降明显。雨转冻雨时,气温≤-05 ℃;冻雨转降雪时,气温≤-1 ℃。雪转冻雨时,地面温度略有上升,仍在-1 ℃以下。高山站气温的持续上升,对雪转冻雨天气有指示意义。     

一次暴雪成因及相态演变分析

利用河南省地面气象站监测资料、NCEP/NCAR再分析资料,探讨了2017年2月21日河南省暴雪成因及相态演变与温度的关系。结果表明:700hPa西南急流及850~925hPa的偏东急流为暴雪提供了充沛的水汽,东南部暖倒槽的发展为暴雪的产生提供了有利的动力抬升条件。700hPa与850hPa水汽通量散度辐合叠加区域与暴雪区对应较好。当2m温度大于1℃或700hPa以下温度均高于0℃时为雨;当2m温度小于-1℃时或700hPa以下温度均低于0℃时为雪;当2m温度在±1℃之间时,降水相态较复杂,要结合中低空的温度来确定降水相态,即近地层温度(1 000hPa以下)在1~2℃时,并且750hPa附近有高于2℃的暖温层时,降水相态为雨;若低于2℃则为雨夹雪或雪。     

沈阳降水相态特征分析及预报方法

基于2003~2012年1~3月与11~12月沈阳市浑南站近10 a常规地面和探空观测资料,将影响沈阳地区的天气形势分为冷高前部、蒙古气旋、华北—河套气旋和倒槽—江淮气旋型,基于不同高度上的温度和气压层间的位势厚度,建立沈阳不同天气形势降水相态预报的指标。不同天气形势对应的不同降水相态的温度及位势厚度特征存在明显差异,冷高前部型对应冷空气最强,降水相态一般为雪,其温度指标较其他天气型更低,位势厚度指标也较其他天气型更小,另外3种天气形势的降水相态也能通过温度和位势厚度指标加以区分。此外,位势厚度作为预报指标较温度指标更易区分降水相态,尤其是700 h Pa与1 000 h Pa之间的位势厚度(H700-1000)在不同天气分型条件下差别较大。通过与不同地区建立的降水相态预报指标对比发现,建立的预报指标与以往的研究比较接近,但基于天气分型建立的预报指标更有利于对不同降水相态的准确预报和把握。     

吉林省东南部山区雨或雨夹雪转雪天气特征分析及预报指标探讨

选取吉林省白山市东岗气象站2005-2011年降水和地面观测资料及欧洲高空温度实况资料,研究吉林省东南部山区雨雪相态转换与影响系统、温度垂直变化特征的关系,获得雨雪相态转换的温度指标。结果表明:白天雨转雪时,925h Pa温度≤3℃,850h Pa温度≤-2℃,700h Pa温度≤-9℃,地面温度基本都在0℃以上,最高5℃时仍可出现降雪,但80%≤3℃,这与吉林省中西部地区有明显不同。夜间雨转雪时,地面和925h Pa均≤2℃,850h Pa温度80%≤0℃,700h Pa温度80%≤-8℃。500h Pa温度雨雪转换的温度指标不明显。同时降水相态的温度指标白天和夜间有所不同,其中白天925h Pa和地面温度高于夜间,而850h Pa、700h Pa和500h Pa则是夜间高于白天。     

浙江省冬季降水相态判别指标研究

对浙江省2011—2014年4年冬季8次雨雪转化过程中共157个样本的探空资料和地面降水观测资料进行分析。选取了500 h Pa和850 h Pa高度差、700 h Pa和850 h Pa高度差、850 h Pa和1000 h Pa高度差、零度层高度、850 h Pa温度、925 h Pa温度、1000 h Pa温度、地面2 m温度、1000 h Pa露点共9个指标参与统计。得到最适合浙江省冬季降水相态判别的指标是2 m温度、1000 h Pa温度、零度层高度和850 h Pa和1000 h Pa高度差。通过计算各指标的空报率、漏报率和TS评分,得到了最佳阈值,预报雨和雪最佳阈值的TS评分都可达到0.8以上。对雨夹雪的判断,这些表征低层温度的判别指标判别效果都不理想,结合中层暖层指标,可以使判别准确率明显提高。本文研究结果可以为冬季降水相态预报业务提供支持。     

陕西降水相态识别判据研究及检验

利用2003年1月至2016年12月逐日地面观测资料,统计分析了陕西延安、西安、汉中、安康等雨夹雪天气的月变化特征。选取雨雪转换季节的雨、雨夹雪和雪天气个例,对地面和高空观测数据进行统计分析,筛选雨雪相态转换的主要影响因子和判别指标;采用多元线性回归算法,分别建立各站的雨雪相态预报方程并进行检验。结果表明:延安、西安、汉中、安康4站雨雪相态的地面温度和露点温度均有明显差异,低层(925 hPa或850 hPa)温度也有明显差异,但随着高度增加其差异减小。利用陕西4站的判别指标和统计预报方程对2017年1月至2018年1月出现的雨雪天气过程进行检验,效果较好;但由于检验时间较短,结论的适用性有待进一步验证。     

一次春季强寒潮的降水相态变化分析

应用NCEP 1°×1°资料、常规观测资料、自动站资料、多普勒天气雷达资料,对2007年3月河北省一次早春强寒潮天气背景下的降水多相态转换的成因与雨雪转换的预报进行了分析.结果表明:850hPa及以下蒙古高压和江淮气旋共同作用产生的偏东风导致低层大气温度持续下降,降水性质从雨转为雪.随着江淮气旋入海,高低空风向发生突变,从东北风转为西北风,加上太行山地形作用,使太行山东麓部分地区低层大气出现小幅升温,0℃层高度抬升,致使从雪转为雨.多普勒天气雷达回波图上,0℃层亮带高度的迅速下降,可作为从液态降水向固态降水转换的判据之一.天气学分析表明,当0℃层高度低于950hPa、地面气温在0℃上下、1000hPa温度低于2℃、925hPa温度低于-2℃时,降水性质将从雨向雨夹雪或雪转变.