对流能量计算及强对流天气落区预报技术研究

文章分析了两种典型的大气湿绝热过程及其处理方法，对大气对流能量参数的计算技术进行了研究。结合实际个例，利用可逆饱和绝热过程，对包含液态水重力拖曳作用的修正对流有效位能(MCAPE)和修正下沉对流有效位能(MDCAPE)进行了定量计算。文章结合数值模式输出探空分析，预报不稳定和对流能量的区域分布，在此基础上建立了综合多指标叠套强对流天气落区预报方法，用MM5 及国家气象中心T106模式输出及诊断产品预报强对流天气落区，并检验强对流落区预报技术。     

基于集合预报极端天气预测指数的浙江分类强对流预报模型

利用2016—2021年ECWMF集合预报资料、浙江自动站实况资料等，计算浙江短时强降水、雷暴大风和冰雹等强对流天气相关物理量的极端天气预报指数（EFI：Extreme Forecast Index），分析EFI分布特征，并构建了分类强对流预报模型。结果表明：强对流天气与物理量的EFI有密切联系，发生短时强降水时，对流有效位能、整层可降水量、850 hPa与500 hPa温差和位温差的EFI较大，而垂直风切变的EFI为负值，因而较小的垂直风切变更有利于出现极端降水；发生雷暴大风和冰雹时，对流有效位能、850 hPa与500 hPa温差和位温差以及850 hPa温度露点差的EFI较大，700 hPa露点温度的EFI为负值，与上层干冷下层暖湿的有利层结条件有关。利用支持向量机多分类方法，将强对流天气相关物理量的EFI作为特征值开展训练，构建的预报模型对于非局地强对流天气有较好的预报效果，其中短时强降水的误判率明显低于雷暴大风。     

中国短时强对流天气的若干环境参数特征分析

利用中国2005-2009年2 000多个国家级气象观测站雨量资料和2002-2011年部分探空站探空资料,研究了中国短时强降水、强冰雹、雷暴大风以及混合型强对流天气的环境参数特征,通过环境参数特征的对比分析,将上述四种强对流天气加以区分,并对所选取的探空数据和环境参数进行了分类和对比分析,结果表明:(1)通过T-logp图温湿曲线形态、500～700 hPa和850～500 hPa温差、0℃、20℃层和平衡层高度、地面和1.5 km高度的露点温度、1.5 km高度温度露点差、对流有效位能和0～6 km垂直风切变等区分上述四种类型强对流天气的环境背景;(2)纯粹短时强降水天气(包括1、II型)与强冰雹天气、雷暴大风天气环境参数的区别比较显著,前者与后两者相比主要表现在较小的700～500 hPa和850～500 hPa温差,弱的垂直风切变,较高的0℃层、-20℃层和平衡层高度,较大的地面和地面以上1.5 km处的露点温度,其中短时强降水I型(占了纯粹短时强降水的大多数)以其整层较高的相对湿度与其他类型强对流的环境背景差异最为明显;(3)混合型强天气与强冰雹天气、雷暴大风天气在T-logp图温湿曲线形态、对流有效位能及0～6 km垂直风切变诸方面特征相似,表现为对流层中层存在明显干层、较大的对流有效位能和0～6 km垂直风切变,但在相对较高的平衡层高度、较高地面和地面以上1.5 km处露点温度及较小的850～500hPa温差等方面与纯粹短时强降水更为接近.     

NCEP再分析资料与江西强对流探空资料对比检验分析

选取2000—2016年江西省南昌、赣州两站及其附近半径为50 km范围内的强对流天气过程个例,对比分析常规探空资料和NCEP再分析资料提取的温、湿、风垂直廓线及其输出量,检验NCEP再分析资料在江西省强对流天气分析的适用性。结果表明:1)NCEP再分析资料与探空资料温度差异非常小,500 hPa高度层以下露点误差也在1℃以内,而500 hPa高度层以上随着高度增加误差也明显的增大。基于温湿计算的大气能量物理量CAPE值可靠性较低,而基于中低层温湿条件计算的K指数和Δt_(850-500)参考性较高。2)NCEP再分析资料与探空资料的垂直风速切变基本在1 m/s之内,越往高层垂直风切变越小,差值在0.4 m/s以下。两种资料计算的高低层风垂直切变均拟合的非常好。3)NCEP再分析资料显示低层偏干而中层略偏湿,低层偏干使CAPE偏小,中层偏湿不利于产生雷暴大风、冰雹等强对流天气,降低了灾害性强对流天气产生的概率。边界层风场预报偏弱也会弱化强对流辐合触发的条件的分析。总体来说,两种资料的基本物理量以及一些输出量偏差较小,可用于江西省强对流天气的分析。     

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。     

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。     

强垂直温度梯度条件下强对流天气分析与潜势预报

采用19年3~9月常规探空观测资料,对南昌ΔT850-500≥27℃这种强垂直温度梯度与江西强对流天气过程的关系进行了相关分析,并将区域强对流天气、局部强对流天气、无强对流天气的3类情况下的中低层气压、温度、湿度、风场及稳定度进行分类合成分析,结果表明:当南昌ΔT850-500≥27℃时,且有天气系统作为触发条件时,江西强对流天气发生的概率达85%;中低层低槽和切变等影响系统、江南华南暖湿气流、河套地区的冷空气都有利于江西强对流天气出现。对典型个例的探空曲线和对流有效位能分析表明:强垂直温度梯度结合中低层高湿度是强对流天气发生的重要条件。在强对流天气潜势预报中,强垂直温度梯度有时比对流有效位能更有指示性。根据上述分析结果,建立了相应的预报流程,并在业务试用中取得较好的效果。     

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。     

NCEP再分析资料在强对流环境分析中的应用

为考察NCEP再分析资料在我国强对流天气产生环境分析中的适用性,选取2002—2009年多普勒天气雷达识别的60例超级单体风暴个例,对比分析常规探空资料和NCEP再分析资料提取的温、湿、风垂直廓线,结果表明:NCEP再分析资料计算的对流有效位能因对抬升气团湿度敏感而与观测间差异较大,宜用K指数、温度直减率分析大气层结稳定度;因对流层中高层风与探空差异不大,其中500~700 hPa的风与探空近乎一致,因此NCEP再分析资料计算的深层、中层风垂直切变参量可靠性较高;NCEP再分析资料水汽参数与探空资料差异大,特别是在大气边界层,需用观测资料订正;边界层物理量,特别是风向与探空差异显著,因此不宜用NCEP再分析资料讨论雷暴触发问题;平均而言,NCEP再分析资料湿度廓线低层偏干而中层偏湿,925 hPa以上风速偏小,降低了强对流发生概率。     

南疆西部两种强对流天气环境参数特征分析

利用南疆西部近20 年暖季（5-9 月）多源气象资料，通过箱线图的形式对冰雹（102 次）和短时强降水（159次），以及上述个例中的特强强对流个例的关键环境参数分布特征和预报阈值进行讨论。结果表明：(1) 850 hPa和500 hPa之间的温差、地面至700 hPa露点温度、大气可降水量和暖云层厚度等关键参数的分布特征可以区分短时强降水和冰雹。短时强降水和冰雹对应参数的最低阈值：850 hPa 和500 hPa 间温差分别为29 ℃、31 ℃、地面至700 hPa露点温度分别为4 ℃和-3 ℃、对流有效位能分别为1152 J·kg-1和1470 J·kg-1、0-6 km垂直风切变分别为4.0 m·s-1和7.0 m·s-1。(2) 强降水暖云层厚度最低阈值为1.2 km。冰雹适宜的融化层高度在3.5~4.3 km；(3) 特强强对流天气主要体现在水汽条件有所加大、对流有效位能的增大、有效抑制的减小和0-6 km垂直风切变的增强。同时，对南疆西部强对流天气短临预报的潜势进行初探，为本地分类强对流天气智能网格预报奠定基础     

基于地基遥感设备构建遥感探空廓线

利用天津地基遥感(风廓线雷达和微波辐射计)数据及地面自动气象站数据构建地基遥感探空廓线系统(简称遥感探空廓线), 旨在弥补常规探空层结信息时空密度不足, 对2020—2021年5—9月遥感探空廓线反演结果进行模式检验, 并从中选取10次强对流过程进行个例效果评估。结果表明:反演数据与欧洲中期天气预报中心再分析数据(ERA5)比湿的平均绝对偏差为1.06 g·kg-1, 对流有效位能相关系数为0.84(达到0.01显著性水平)。10次强对流过程中强对流发生前临近时次常规探空对流有效位能平均值为322 J·kg-1, 遥感探空廓线具有分钟级时间分辨率, 能高时效性地跟踪大气状态的演变趋势, 对流发生前8 h内对流有效位能平均峰值为1451.88 J·kg-1, 与常规探空相比具备明显对流指征。研究表明:遥感探空廓线能动态描述热动力参数的配置及对流潜势的发展与释放过程, 有利于提高短时临近预报的精细化水平。     

鲁中地区分类强对流天气环境参量特征分析

将山东中部地区16 a暖季(4-9月)106次伴随瞬时风力不低于8级的强对流个例划分为雷暴大风、冰雹雷暴大风和强降水混合型等3种类型,利用常规探空资料和地面观测资料,通过箱须图的形式分别讨论3种类型对应的一系列关键环境参数的分布特征和预报阈值。进一步,又将上述106次个例中的特强对流个例,包括产生25 m/s以上瞬时大风的特强雷暴大风个例、产生不小于20 mm直径冰雹的特强冰雹个例以及50 mm/h或以上强度的特强短时强降水个例提取出来构成一个子集,讨论其关键环境参数分布特征和预报阈值,并与全部对流个例的相应关键环境参数进行比较。最后,对鲁中地区强对流系统的触发机制进行了简要阐述和讨论。结果表明:(1)雷暴大风型、冰雹雷暴大风型和强降水混合型对应的850和500 hPa温差的最低阈值为25℃; 3种类型对应的地面露点最低阈值分别为13、16和24℃; 相应的大气可降水量最低阈值分别为20、24和32 mm; 相应对流有效位能的最低阈值分别为300、900和1300 J/kg; 相应的0-6 km风垂直切变最低阈值分别为12.0、12.5和8.0 m/s。(2)通过地面露点、大气可降水量以及暖云层厚度等关键参数的分布特征可以将上述3种类型的前两种与第3种类型即强降水混合型进行一定程度的区分,但要通过各个关键参数的分布特征区分前两种强对流天气是困难的。(3)对于伴随冰雹的强对流天气,适宜的融化层高度为3.0-3.9 km; (4)特强雷暴大风、特强冰雹和特强短时强降水等3种特强对流类型与全部强对流个例的3种类型相比,其条件不稳定度明显增大,体现为850和500 hPa温差的增大、水汽条件有所加强、对流有效位能明显增大,3种类型特强对流天气对应的对流有效位能最低阈值分别为1000、1100和2000 J/kg; 相应的0-6 km风垂直切变最低阈值分别为16、12和11 m/s,即特强雷暴大风型和特强短时强降水型的风垂直切变阈值明显增大。上述工作构成了山东中部伴随雷暴大风的强对流天气短时预报的一个基础,结合各类强对流天气发生的气候概率,可以通过决策树或模糊逻辑方法制作成适合于地、市气象台的分类强对流天气短时预报系统。      

相同大尺度环流背景下不同类型强对流天气个例分析

利用常规观测、雷达、卫星和自动站等资料,对2013年3月23日广西一次区域性强对流天气过程中两种不同类型强对流天气现象产生的局地环境条件、触发机制及中尺度等特征进行了对比分析。结果表明：在相同大尺度环流背景下,两种类型强对流天气（即干对流型和混合对流型）在大气层结、湿层厚度、对流有效位能（CAPE值）和垂直风切变等局地环境上存在一定差异;其触发机制不同,广西西部干对流由位于地面锋前暖区的辐合线触发,而北部混合型强对流则由地面锋面触发;雷达和卫星图像上,两类强对流在形态、强度和移速上均存在明显差异,这些差异对广西不同类型强对流天气的监测预警具有一定的参考价值。     

新疆西南部一次局地对流性暴雨成因分析

利用常规地面和探空气象资料、NCEP逐6h1°×1°的再分析资料和(CINRAD-CC)多普勒雷达探测资料,对2012年7月19日新疆阿图什罕见的短时对流性暴雨形成原因进行了诊断分析。结果表明:此次天气是在南疆低涡有利的环流背景下、低层中尺度低涡促进上升运动及触发不稳定能量释放产生的;冷空气的入侵是造成对流扰动发展的重要原因,同时地面小尺度系统对触发不稳定能量释放也有一定的作用;涡散场的配置、垂直速度、低层偏东急流和强不稳定能量满足了对流发生的基本条件,而较强的垂直风切变则使风暴明显增强;从喀什探空订正图来看,修正后的探空资料中各要素对开展强对流潜势预报有很好的指示意义,有待进一步总结验证;对多普勒雷达资料的分析表明,此次强降水具有强回波、强的垂直风切变、大的垂直液态水含量和较高回波顶高等,与强对流天气的发生发展及落区有较好的对应关系。     

风廓线仪系统探测试验与应用

在简述大气风廓线仪和电声探测系统结构及探测原理的基础上, 对廓线仪探测资料与同步探空仪资料进行了对比, 验证了风廓线仪资料的可信度, 并应用风廓线资料分析了梅雨锋期间中尺度降水的对流特征和相关问题。结果表明:大气风廓线仪对水平风的垂直结构有较强的探测能力, 能实时监测中尺度降水期间风的垂直切变和对流特征, 有助于提高临近天气预报的精度, 准确预报降水。     

风切变对中尺度对流系统强度和组织结构影响的数值试验

采用我国实际观测的探空作为中尺度模式Weather Research and Forecasting(WRF)的理想试验的背景场,分别改变整层、低层和中层的垂直风切变,研究其对中尺度对流系统强度和组织结构的影响。结果表明,改变整层垂直风切变对对流系统的强度和组织结构影响最显著,增加整层垂直风切变,对流强度增强且易组织成线状,减小整层垂直风切变,对流强度弱且呈分散状态。从垂直速度、水平风场、散度场和冷池的三维结构特征分析了其影响的机制:(1)风切变增加,上升气流与下沉气流的相互干扰减弱,有利于垂直速度的维持和增强;(2)垂直风切变增加造成水平涡度增加,扭转项的作用分别使上升和下沉运动得到加强;(3)垂直风切变增加,冷池强度和高度增加且集中在系统后部,使系统线状组织性增强。研究还发现,增加垂直风切变造成近地面大风和降水增强,且强降水出现在大风之后,这主要是因为在对流发展阶段上升运动与下沉运动互不干扰情况下,强下沉运动造成的近地面大风,而成熟阶段上升运动不断增强或维持造成雨水比湿不断增加形成强降水。     

联合概率方法在北京灾害天气预报中的应用研究

基于ECMWF模式的集合预报数据,利用联合概率方法,针对北京地区冬季影响最大的寒潮和夏季强对流两类灾害性天气,建立了适用于本地区的两种集合预报业务产品。选取2 m温度和10 m平均风速制作寒潮预警信号联合概率预报产品,选取对流有效位能和0-6 km垂直风切变制作强对流潜势联合概率预报产品。通过对北京地区近年寒潮和强对流天气的预报检验表明：寒潮预警信号联合概率方法,当预报概率达到10%及以上时,实况就有可能达寒潮蓝色预警信号的级别;此方法对北京西北部的预报性能较好,其次为北京的东南部地区;对达到蓝色预警信号标准的区域具有较高的预报命中率,但对达黄色预警信号级别的区域,漏报率较高。强对流潜势联合概率方法的空报率较高,当预报概率达90%-100%时,实况才有可能出现强对流;与局地强对流相比,全市性强对流天气的高概率预报区域较为集中。     

2012年新疆喀什一次罕见冰雹天气的中尺度特征

2012年5月23日午后到夜间喀什地区8县市19个乡镇发生了有气象记录以来罕见的大范围冰雹天气过程。本文利用常规观测资料和新疆喀什多普勒天气雷达资料,分析了冰雹发生的中尺度天气特征。结果表明：对流系统为中-γ尺度,下垫面热力不均匀和水汽分布不均匀是此次强对流天气发生的主要原因。冰雹天气热力作用显著,热力参数CAPE和LI值的高低中心与冰雹天气的发生区域对应较好,且CAPE（LI）随时间增大（减小）;弱的垂直风切变、垂直涡度与倾斜涡度发展是造成大范围雹暴的层结特征;线性多单体风暴、低层弱回波区、低层反射率因子高梯度区是主要回波特征,VIL的跃增对新疆喀什冰雹的临近预报有一定指示意义。     

雷达资料同化在局地强对流预报中的应用

采用ARPS模式的资料分析系统ADAS同化多普勒雷达径向速度和反射率因子资料,分析两者对初始场的改进作用,并应用于WRF中尺度模式中对2012年8月21日江西省一次局地强对流过程进行了模拟试验。分析结果表明:（1）ADAS同化系统能够利用雷达径向速度和反射率因子资料有效增加初始场中的中小尺度风场信息和云、水物质含量,并通过湿绝热或非绝热初始化对温度场、湿度场和风场进行调整,使初始场在动力和热力上达到平衡。（2）同化径向速度后对改善模式初始场的动力场有重要贡献,而对大气水凝物和降水的预报影响较小;同化反射率因子的主要作用是调整初始场中的水凝物场和热力场,有效缩短了模式的“ spin-up”时间,明显改进了定量降水预报;同时同化雷达径向速度和反射率因子后,初始场中快速调整出了中小尺度风场水平辐合、垂直运动以及合理的温、湿分布,对3小时内雨带形状、降水落区及定量降水的预报与实况更接近。（3）模拟试验表明,同时同化径向速度和反射率因子能成功模拟出本次对流单体风暴的中β尺度三维空间分布结构及其演变过程,中低层切变线的辐合抬升强迫作用是对流单体风暴组织、发展和维持的主要动力机制之一,对流凝结潜热加热在对流单体风暴的发生发展中发挥了重要作用。因此,雷达资料同化对提高临近数值天气预报的准确率以及对强对流天气系统的模拟能力具有重要意义。