北方一次暖区大暴雨降水预报失败案例剖析

目前全球模式对暖区暴雨的捕捉能力有限,北方地区的暖区暴雨预报更是业务预报中的一个难点。2013年7月1—2日河北、天津等地出现了一次区域性大暴雨过程,降水由锋前暖区降水和锋面降水组成,特别是冀中的特大暴雨[409mm·(24h)~(-1)]暖区降水占60%以上。预报员对此次过程的预报量级显著偏小,特大暴雨、暴雨均出现漏报。各家数值模式预报均不能给预报员提供足够的有用信息,给预报带来很多困难,导致预报的失败。本文利用业务预报中常用的数值预报产品、加密自动站观测资料、常规地面、高空观测资料、新一代天气雷达资料等对此次北方暖区暴雨预报失败案例进行剖析,结果显示:高温高湿的环境中,未能捕捉到可触发对流的次天气及以下尺度的小扰动,如地面辐合线、阵风锋、冷池及中尺度涡旋等及其对强降水的影响,加之对中尺度对流系统的环境场条件,如低空急流、急流核的发展演变等的精细分析不足是导致强降水预报量级偏弱的重要因素;对于发生在深厚暖湿气团中的暖区降水的预报,需考虑高温高湿环境下地面辐合线、冷池及中尺度涡旋的相互作用对对流的触发及组织化发展导致的局地性、对流性强降水的产生;基于地面自动站资料和雷达资料等的短时临近预报可以弥补全球数值预报对中小尺度系统的捕捉能力的不足,提高暖区暴雨的预报准确率。     

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。     

2015年5月19—20日华南地区不同性质暴雨成因和预报分析

利用常规地面、高空和自动站观测资料以及NCEP 1°×1°逐6 h再分析资料,结合多普勒雷达回波和卫星资料,对比分析了2015年5月19—20日华南暴雨过程中不同性质暴雨对应的天气背景、垂直结构特征及直接造成暴雨的中尺度对流系统活动特征。结果表明：此次华南暴雨过程3个强降水中心分别与3个中尺度对流系统相关。（1）广西北部在850 hPa低涡切变线及α中尺度锋面气旋影响下,暴雨区斜压锋生结构明显,整层大气强烈上升。地面冷锋后中尺度线状对流活跃,排列紧密,持续时间较长,降雨量大。大尺度模式有较高的可参考性。（2）广东中北部暴雨区受边界层弱冷空气触发,线状对流系统在其南侧高温高湿环境中新生并传播,排列松散,移动速度较快,总降雨量不及广西北部,但局部雨强突出。边界层中尺度辐合线及γ中尺度气旋对强降水起重要作用。中尺度模式有一定的反映,预报难度较大。（3）广东东南部暴雨由暖区边界层风速辐合及地形海岸线作用产生,其降水质心低,降水效率高。模式的预报能力十分有限。针对不同特点的暴雨预报,数值模式的预报能力不同,而预报员在对天气特征准确把握的基础上,综合考虑不同数值模式的结果,有望得到更准确的预报。     

2017年广州“5·7”暖区特大暴雨的中尺度系统和可预报性

2017年5月7日广州发生了特大暴雨,各家确定性业务预报模式均漏报了此次过程。本文利用常规观测资料和广州天气雷达资料对此次暖区特大暴雨过程的天气尺度背景、中尺度系统演变和可预报性进行了详细分析,同时通过分析ECMWF集合预报中成功预报出广州周边地区出现局地强降水与预报了弱降水的成员间的差异,探讨影响本次大暴雨发生的关键触发因子。结果表明：2017年“5·7”大暴雨的环境条件和动力强迫较弱,在弱风场环境下,冷高压后部东南风或偏南风回流,经过城市热岛区域,转为偏暖气流,与山坡下滑冷气流在山前一带形成的水平风场辐合,结合山前强水平温度梯度,共同触发了初生对流单体。其后,雷暴出流和边界层暖湿气流形成的辐合线又触发新生单体,并使已减弱的降水单体重新加强产生第二阶段强降水。前两个阶段的局地特大暴雨分别是由稳定少动的块状强回波单体发展到嵌有中涡旋的强单体和较长生命史的弱HP型超级单体造成的,第三阶段的大暴雨是由向南传播合并新生单体并随短波槽东移的带状回波造成;三个阶段成熟回波垂直结构上均呈低质心暖云降水的特点。由ECMWF集合预报成功预报出局地强降水与弱降水成员之间的差异可见,加强的温度梯度及地面风场辐合可能是本次局地强降水的重要触发因子。短期时效内数值模式难以做出暖区尤其是弱风场环境下暴雨以上降水预报,目前的监测和短时临近预警是主要手段。     

2018年广西东南部一次暴雨过程分析

利用Micaps高空和地面资料、新一代天气雷达、卫星云图、地面中尺度自动站观测资料及NCEP 1°×1°再分析资料,对广西东南部2018年5月10日暴雨过程的环流形势、环境场、中尺度对流系统特征及其可预报性进行分析。结果表明:此次桂东南暴雨过程的高层辐散条件不明显,但中低层环流形势有利、具有高压后部"回流"降水的典型特征。配合超低空东南气流加强,导致局地暴雨增幅明显。地面中尺度辐合线的长期稳定维持及地形抬升作用使得降水系统在陆川、博白一带不断发展和维持,雷达回波上形成"列车"效应,造成暴雨天气。全球数值模式ECMWF对天气尺度背景把握较好,GRAPES、华东模式等中尺度模式能够提供类似系统形成、发展的有价值的参考信息。通过中尺度模式产品发现暴雨天气过程前兆,及时根据最新实况观测资料和模式偏差分析对全球模式预报结论进行订正,同时注意叠加局地地形地貌特征信息辅助短时临近预报订正,是提高类似较强过程预报的可行做法。     

2012年初秋四川盆地两次西南涡暴雨过程的对比分析与预报检验

利用常规观测和雷达、卫星等观测资料,从天气形势配置、对流活动特征以及预报检验等方面对2012年初秋发生在四川盆地的两次西南涡暴雨过程进行了对比分析研究,重点对直接造成暖区对流性暴雨的MCS活动特征和环境条件进行了分析.两次暴雨过程在天气系统配置上,都具有西太平洋副热带高压强盛稳定、高原槽活跃,以及低层有西南涡生成等共同特点;但由于副高脊线的位置差异、西风带短波扰动强度差异等原因,造成系统移动速度以及降水落区的显著区别.在这两次暴雨过程中MCS都较为活跃,第一次降水过程中的MCS较为稳定,系统移动相对缓慢;第二次过程中出现了MCC,局部单点雨强突出,移动速度也相对较快.分析表明第一次过程湿层相对深厚,对形成强降水非常有利,而第二次过程中垂直切变相对较强,高层存在明显干层,从而形成了更强的层结不稳定性,有利于强对流风暴的形成.两次暴雨过程具有明显的暖区对流性质,不稳定性、LLJ急流轴位置在判断初始对流启动位置上占有更加重要的地位.针对这两次过程的预报检验表明,数值模式在反映暖区对流上存在明显缺陷,而预报员在建立精细化的中尺度天气概念模型指导下,主观预报能够在一定程度对数值预报做出订正,提高对暖区对流性降雨的预报能力.     

广西防城港沿海6·16特大暴雨成因及机制探讨

利用NCEP FNL 1 °×1 °再分析、地面观测、FY-2G卫星和多普勒天气雷达等资料,对广西防城港沿海地区2020年6月16日出现的特大暴雨过程进行成因分析以及触发维持机制探讨。(1) 此次极端降雨过程是一次暖区暴雨过程,降雨过程主要分为两个阶段,具有局地性强,雨势猛,强度大,降水难预报和突发性等特点。(2) 暴雨在弱环流背景条件下发生,暴雨区有深厚的水汽和较强的不稳定能量,但天气尺度系统上升运动不深厚强度也不强,因而预报难度大。(3) 初始对流在防城港南部近海海面触发,靠近海岸线时迅速发展加强,在防城港沿海地区演变成一个较大尺度的MβCS,其西侧和南侧出现一连串强度45～55 dBZ γ中尺度对流系统,不断经过暴雨区上空,形成列车效应最终导致极端降雨的发生。(4) 天气尺度背景为北部湾近海海面出现对流提供了有利条件,低空急流的显著加强触发防城港市近海海面初始对流生成;不同性质下垫面的热力差异和MβCS冷池出流造成防城港沿海地区出现中尺度低压及中尺度辐合线,致使对流在防城港沿海地区增强和长时间维持。(5) 高温高湿环境中尺度扰动可能处于暖湿不稳定层结,微小的扰动也可以触发对流;预报服务中要利用多种新型高时空分辨率观测资料,及时判断分析沿海地区是否会出现海陆风或冷池出流等形成中尺度低压或辐合线。     

华南暖区暴雨研究进展

华南前汛期暴雨预报一直是我国大气科学界的一个研究热点,特别是发生在锋前的暖区暴雨,由于其天气尺度斜压性强迫不明显,环境大气水汽含量丰富,热动力不稳定性强,边界层触发机制复杂,以及特殊的地形和海陆热力差异的外强迫作用,导致暴雨突发性强,地域性特征显著,也是困扰预报业务人员的难点问题。目前我国预报业务中使用的全球数值预报模式对暖区暴雨的预报能力十分有限,高分辨率中尺度数值模式的预报效果也不尽人意。该文回顾了近40年华南前汛期暴雨大部分研究成果,针对华南暖区暴雨的提出及典型背景场、暖区暴雨与低空急流的关系、暖区中尺度对流系统的形成及传播、暖区暴雨触发机制等独特的天气动力学特征进行了系统梳理与分析,并依据前人研究成果及中央气象台预报实践经验,总结提炼了3类华南暖区暴雨类型——边界层辐合线型、偏南风风速辐合型,以及强西南急流型的天气系统配置及触发因子。最后提出针对华南暖区暴雨需要进一步研究的科学问题。     

“8.24”桂西南大暴雨过程分析

利用常规高空和地面观测资料、中尺度自动站观测资料、多普勒天气雷达等非常规资料,对2011年8月24日高空槽、切变线和地面弱冷空气共同影响下桂西南出现的大暴雨过程的热力、动力、水汽等环境条件和雷达特征进行了分析,表明暴雨前期水汽及能量条件不满足广西典型暴雨天气特征,暴雨前0-12小时水汽、动力、热力条件的急剧增加,水汽辐合上升运动的强盛,有利于触发中小尺度对流系统的发生发展,对暴雨的临近预报具有一定的指示作用,中尺度系统的维持少动对此次强降水过程的维持发生具有触发作用.     

黄淮地区一次冷锋暴雨天气过程的预报分析

利用常规天气图、地面加密资料、数值预报产品、卫星云图和多普勒天气雷达资料等,对2007年7月18-19日出现在黄淮地区的暴雨天气过程进行了综合分析.结果表明:暴雨是高空西风槽、冷锋和副热带高压边缘强盛的西南暖湿急流共同作用产生的;强降水产生在地面中尺度辐合线附近.在高层干冷、低层暖湿的大气不稳定条件下,地面冷空气的侵入触发了不稳定能量的释放,同时低层辐合、高空辐散的高低空配置,引发了强降水的产生.卫星云图和多普勒天气雷达资料在暴雨临近预报中起着重要作用.     

Forecast Error and Predictability for the Warm-sector and the Frontal Rainstorm in South China

In south China, warm-sector rainstorms are significantly different from the traditional frontal rainstorms due to complex mechanism, which brings great challenges to their forecast. In this study, based on ensemble forecasting, the high-resolution mesoscale numerical forecast model WRF was used to investigate the effect of initial errors on a warmsector rainstorm and a frontal rainstorm under the same circulation in south China, respectively. We analyzed the sensitivity of forecast errors to the...     

一次典型东风波极端暴雨的中尺度特征及地形影响分析

利用湖南省常规气象观测资料、区域自动站资料、NCEP再分析资料、常德多普勒雷达资料,分析2016年8月8—15日在多个东风波倒槽接力影响下,湘北地区反复出现的极端暴雨天气的中尺度特征,并利用WRF-ARW中尺度数值模式,对8月10—11日湘北地区极端暴雨过程进行数值模拟和地形敏感性试验。结果表明:(1)1604号台风在广东深圳登陆后沿西北路径移动和1605号台风在西北太平洋向北移动后,副热带高压快速西伸控制华东及沿海地区,其底部的东风波扰动为极端暴雨提供了环流背景;(2)近地面不均匀加热为东风波槽附近强对流提供了充足的热力不稳定条件,地面中尺度辐合线为对流的触发和加强起到重要作用;(3)东风波槽带来的边界层暖湿气流在武陵山东侧激发深厚中尺度涡旋,是极端暴雨形成的主要原因;(4)地形敏感性试验进一步验证了东风波暖湿气流在武陵山脉地形抬升和阻挡作用下,在迎风坡上游地区形成气旋性辐合导致暴雨增幅。     

The prediction of two cases of severe convection: implications for forecast guidance

Summary Severe convection in the Sydney basin regularly produces destructive winds, heavy rain or flash flooding, and damage from large hail. Such convective activity is a major forecasting challenge for the Sydney basin, especially during the October to April warm season. There presently is a need to provide timely, accurate and reliable numerical guidance to supplement the current probabilistic convective outlooks, issued by the operational forecasters. Initial work has been carried out that examines two cases of severe convection in the Sydney basin. The performance of a very high resolution (2 km) numerical weather prediction (NWP) model is assessed in terms of how well it performed in providing guidance on heavy rainfall and hail, as well as other key mesoscale phenomena such as low level convergence lines. The model results discriminated well between severe convection that actually did occur in the first case (1 December, 2000) and the failure of severe convection to develop in the second case (8 December, 2000). The operational forecasters predicted severe convection to occur in both cases. It is now planned to take the next step of augmenting the quasi-subjective approach of the operational forecasters with the NWP guidance to provide an enhanced capacity to forecast severe convection in the Sydney basin. Received October 20, 2001 Revised December 28, 2001     

夏季江南地区暖区暴雨的统计分析

本文首先给出江南地区暖区暴雨的定义,并按天气形势将其分为暖切变型、冷锋锋前型、副热带高压(以下简称副高)型和强西南急流型四类。然后利用2010—2016年5—9月常规和自动站逐时降水等非常规观测资料统计暖区暴雨的时空分布特征和降水性质等,并对暖区暴雨的形成原因进行初步分析。最后利用NCEP FNL全球分析资料,基于中尺度分析技术给出四类暖区暴雨的系统配置:(1)四类暖区暴雨均为分散性局地降水,降水多发生于山区、平原和湖泊交界处等不均匀下垫面附近。其中,暖切变型降水范围广、强度最大、极端性最明显且主要位于江南中西部;冷锋锋前型降水集中、强度较大且具有一定极端性,主要位于江南中部;副高型降水强度较弱,主要位于江南中东部;强西南急流主要位于江南西部。(2)暖切变型和强西南急流型以夜间降水为主,副高型降水集中在午后,冷锋锋前型降水日变化不明显。(3)暖区暴雨由稳定性和对流性降水共同组成且降水量越大,降水对流性越明显。(4)在低层高湿、不稳定能量积聚等有利背景下,暖切变型、冷锋型和副高型暖区降水多由边界层(地面)中尺度辐合线配合高低空急流耦合产生,强西南急流型一般形成于低空急流上的中尺度风速脉动及地面辐合线附近,且低空急流越强,暴雨强度越大。(5)暖切变型和冷锋型暖区暴雨的落区分别位于低层850hPa暖切变以南和地面锋前的显著湿区内,副高型和强西南急流型的暴雨落区分别位于副高内和强低空急流出口区左前侧的水汽充沛且大气层结不稳定区内。四类暖区暴雨常表现为长生命史的移动型中尺度雨团途经山区或河流湖泊等不均匀下垫面时,强度增大、移速减慢,形成暖区局地强降水。     

2019年6月桂林三次强降水天气成因对比分析

利用多普勒雷达、气象卫星、自动气象站等监测数据以及NCEP再分析资料,对桂林2019年6月6-12日接连3次强降水天气过程的环流背景、影响系统与形成原因进行了对比分析。结果表明:(1)3次过程按影响系统分属暖区暴雨、低涡暴雨和锋面暴雨过程,均发生在高空急流右侧辐散、低空急流左侧辐合叠加区。(2)3次过程均受500 hPa短波槽和地面中尺度辐合线影响,但第1次过程中西南急流及地形等、第2次过程中低涡切变线、第3次过程中冷锋也起到重要作用。(3)3次过程的触发系统不同,第1次暖区暴雨过程迎风坡地形对其起触发作用,西南急流使得后向传播的对流云带维持;第2次低涡暴雨过程的触发系统为低层位于贵州一带的西南涡,西部冷空气侵入与西南急流加强是低涡对流云团维持较长时间的原因;第3次锋面暴雨的触发系统为冷锋,锋面配合锋前暖湿气流使对流云带加强。(4)第1次过程暖区暴雨MCS模态主要为线状后向扩建类,极端强降水出现在线对流中后端;第2次过程低涡暴雨MCS模态为涡旋类,极端强降水出现在涡旋中心附近;第3次过程锋面暴雨MCS模态由前期后部层云区线状对流转为层状云包裹对流系统,强降水发生在线对流弯曲或中心强回波处。     

江西北部一次局地大暴雨过程分析

利用常规气象观测资料、区域加密自动站资料、GPS-PWV数据和NCEP 1°×1°再分析资料等,对2012年8月21日南昌短时大暴雨过程(8·21南昌大暴雨)进行分析,重点讨论了局地大暴雨的形成原因。结果表明:中纬度低压槽、东北方副高和东南方热带系统三者鼎立,致使江西北部聚集了高能量的不稳定大气,并在南昌附近产生局地强对流运动,导致了江西北部局地大暴雨的产生;地形抬升是8·21南昌大暴雨的直接诱因,由于梅岭山脉抬升作用,使不稳定大气上升到其自由对流高度以上,在梅岭山脉附近发展成中尺度气旋,气旋沿冷暖空气所形成的中尺度辐合线移到南昌市区附近,并在此地维持了3h;8·21南昌大暴雨是由多个强或特强的中小尺度降雨中心组成的,地面中尺度气旋、高CAPE值、高θ_(se)、强的水汽辐合等因素使得MCS得以长时间维持,使得中小尺度降雨中心在南昌市周边源源不断地生成发展。总结(8·21南昌大暴雨)流型配置,以此构造出这种弱西南气流条件下的预报概念模型,可以为预报员捕捉到此类局地大暴雨天气提供技术指导。     

2016-2020年广东省定量降水预报检验评估

对2016-2020年全球模式ECMWF和区域模式GZ_GRAPES、基于模式的解释应用和广东省气象局发布的定量降水预报（QPF）进行检验和评估。结果表明:ECMWF和GZ_GRAPES模式对一般性降水预报技巧在逐年提升,对大雨或以上的降水预报技巧的提升缓慢。GZ_GRAPES对大雨以上降水的预报技巧和定量降水预报的精细时空分布均优于ECMWF,区域模式更易预报出中小尺度降水信息。分类暴雨评定表明,模式对台风暴雨预报最好、锋面暴雨次之、季风暴雨预报最差。模式的暴雨预报落区偏小、低估明显,预报员通过经验订正明显提升了暴雨预报评分,其中季风暴雨的订正量最大,但存在预报范围偏大、空报较高的问题。基于ECMWF集合预报的解释应用与预报员的定量降水预报能力相当,降水越强,解释应用技术的优势越明显,但对季风暴雨也存在严重低估或漏报。目前降水精细时空分布、季风暴雨、极端性暴雨等依然靠预报员的经验订正为主,随着集合预报模式和区域高分辨率模式能力的提升,将预报经验客观化并与数值预报解释应用技术结合是提升QPF的一个方向。      

一次大暴雨过程的中尺度特征分析

利用天气图、雨量、GMS IR卫星云图、雷达回波、物理量等资料,对2003年5月16～17日福建省中部、南部地区出现的一次大暴雨过程的中尺度特征作了详细分析.结果表明,每一次暴雨过程是由几个中尺度暴雨组成,而每一个中尺度暴雨又是由一个或多个中尺度对流云团影响造成的;大尺度水汽、动力条件是暴雨产生的必要条件,中尺度暴雨常出现在水汽通量辐合中心和强上升运动中心附近或其移动方向一侧的等值线密集区;40 dBz以上的强回波预示当地将出现一次强降水过程;这次过程回波发展高度不高,特别是回波强中心高度不高,没有出现雷雨大风和冰雹天气,强对流只以打雷和强降水表现;中尺度暴雨常出现在零径向速度附近及其折角处.     

An Overview of Research and Forecasting on Rainfall Associated with Landfalling Tropical Cyclones

The ability to forecast heavy rainfall associated with landfalling tropical cyclones (LTCs) can be improved with a better understanding of the mechanism of rainfall rates and distributions of LTCs. Research in the area of LTCs has shown that associated heavy rainfall is related closely to mechanisms such as moisture transport, extratropical transition (ET), interaction with monsoon surge, land surface processes or topographic effects, mesoscale convective system activities within the LTC, and boundary layer energy transfer etc.. LTCs interacting with environmental weather systems, especially the westerly trough and mei-yu front, could change the rainfall rate and distribution associated with these mid-latitude weather systems. Recently improved technologies have contributed to advancements within the areas of quantitative precipitation estimation (QPE) and quantitative precipitation forecasting (QPF). More specifically, progress has been due primarily to remote sensing observations and mesoscale numerical models which incorporate advanced assimilation techniques. Such progress may provide the tools necessary to improve rainfall forecasting techniques associated with LTCs in the future.