中国暖区暴雨的研究进展

暖区暴雨是中国大气科学界的一个研究热点,由于其天气尺度斜压性强迫弱、环境大气热动力不稳定性强,以及特殊的地形和海陆热力差异的外强迫作用,暴雨对流系统触发机制复杂,暴雨突发性、局地性特征明显。目前全球业务数值预报模式、中尺度数值模式对暖区暴雨的预报能力十分有限。20世纪80年代以来对华南暖区暴雨的天气学特征进行了深入分析,并对多地区暖区对流系统的发展特征进行了总结,指出暖区极端暴雨与稳定的线状对流系统的发展有密切关系。近年来通过若干大型科学试验,对造成华南暖区暴雨的对流系统特征、边界层物理特征、降雨云物理过程有了更为深入的认识,其中关于边界层急流、华南沿海地面冷池边界等中尺度特征分析进一步深化了暖区暴雨对流触发机制研究。本文回顾了近40年暖区暴雨部分研究成果,针对多地区暖区暴雨的天气学特征、暖区暴雨与低空急流的关系、暖区暴雨中尺度对流系统的发展特征等问题进行了总结,并提出需要进一步深入研究的科学问题。     

华南锋前暖区暴雨研究概述

锋前暖区暴雨是华南前汛期暴雨的主要特点,但暖区暴雨常常难以模拟和预报,给气象工作者带来挑战,因此对影响其发生发展的环流背景、天气系统、中尺度系统以及地形等进行深入研究,对提高暖区暴雨的预报能力有重大意义。近年来我国气象学者对华南暖区暴雨进行许多研究,本文主要对华南锋前暖区暴雨研究的天气系统及地形等进行简要概述,介绍了暖区暴雨发生时中高纬大气环流、副高、南亚高压和高空急流等大尺度环流背景,南海季风与华南暖区暴雨的密切联系,天气尺度系统以及中尺度系统在暖区暴雨中的重要作用,地形条件对暖区暴雨的影响。     

华南暖区暴雨预报失误及可预报性探讨

由于暖区暴雨产生的环境条件复杂和触发机制难以捕捉,数值模式对其预报能力弱,给预报带来困难,经常导致预报失误,是短期预报中的难点。2016年4月19—20日广西出现了一场暖区暴雨天气过程,预报员及数值模式预报出现较大失误。利用业务预报中的数值预报产品、地面中尺度自动气象站观测、常规地面及高空观测、新一代天气雷达及FY-2G卫星探测等资料对此次暖区暴雨预报失误进行剖析。结果表明:中低空急流增强及西南暖低压发展,为越南北部至广西中南部提供了高温、高湿、高能的环境条件,地形性辐合及涡旋触发了对流的发生,中尺度辐合线有效组织了对流的发展,雷达回波具有质心低、降雨效率高等暖云降雨的特征。预报员和数值模式短期时效内对暖区暴雨缺乏预报能力,未能准确把握可触发对流的机制,是预报失败的原因。预报员通过分析上游地区对流云团、地面中尺度辐合线演变及地形作用等触发条件,可以在短时临近时效内对暖区暴雨部分做出定性预报,发布预警信息,弥补短期预报的不足。因此,加强对暖区暴雨形成机理的认识,在预报中做好精细分析,是提高暖区暴雨预报能力的有效途径之一。     

华南暖区一次暴雨中尺度系统的数值模拟

为深入了解华南暖区暴雨产生的机制, 首先利用观测资料和卫星云图对2005年5月9日华南暖区一次暴雨过程进行天气分析, 然后利用MM5V3.6数值模式对该次暴雨过程进行了模拟, 利用模拟的输出结果分析了中尺度系统的结构特征和成因。结果表明, 这次华南南部暖区的暴雨区出现在低空急流出口区左侧的辐合区与高空急流入口区右侧的辐散区相迭置的区域; 中尺度对流云团是暴雨的直接影响系统, 系统中心上空偏南气流强烈垂直上升与在系统以南对流层高层下沉的气流构成垂直闭合反环流, 低层气流风速辐合对暖区暴雨系统的形成和发展起决定性的作用。较大的螺旋度可能是暖区暴雨及其中尺度系统发生、 发展的一种重要机制, 可用来判断降水系统的形成和移动。     

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。     

华南暖区暴雨预报的模式初始场质量敏感性分析北大核心

本文利用高分辨率中尺度数值预报模式WRF和两组再分析资料,在研究不同模式初值对华南暖区暴雨预报质量差异明显的基础上,利用合成初值方法进行了模式初值对暖区暴雨预报的敏感性数值试验研究,讨论了模式初始场关键物理量对暖区暴雨预报质量的影响,重点开展了模式初值湿度场质量对华南暖区暴雨降水预报的敏感性分析。结果表明:模式初始场质量的较小差异,可显著影响本次华南暖区暴雨预报的降水强度、降水落区以及降水发生时间等的质量。初始水汽场对暖区暴雨预报影响最大,也最为敏感,是准确预报对流单体的发生发展以及地面强降水的基础。风场和温度场对暖区暴雨预报的影响相对较小。对流层低层较强的风速辐合是本次暖区暴雨强对流单体触发、生成和加强发展以至产生暖区强降水的物理基础。     

华南前汛期暖区暴雨研究新进展

华南前汛期暖区暴雨一直是困扰科研和业务的重要难题。在1970s末第一次华南暴雨综合试验中,老一辈科学家提出了华南前汛期暖区暴雨的概念,并揭示了诸多对华南暴雨研究有重要意义的成果。近年来,随着现代气象探测手段、高性能计算能力的提升以及中尺度暴雨科学观测试验的开展,对华南前汛期暖区暴雨的研究取得了不少新的认识。本文重点梳理了近10 a有关华南前汛期暖区暴雨方面的最新研究进展,从暖区暴雨的定义及分类、多尺度天气特征、形成机制及可预报性研究等4个方面进行系统性论述。最后,对华南前汛期暖区暴雨研究存在的问题、未来发展方向进行了简要的讨论和展望。     

山东一次暖区暴雨的环境场特征和触发机制

利用常规观测资料、区域自动站及NCEP再分析资料,对2018年5月15—16日山东暴雨过程的环境场特征和触发机制进行分析。结果表明:(1)该暴雨过程分为暖区暴雨和锋面暴雨2个时段,高空槽、暖切变线和地面辐合线是造成暖区暴雨的主要影响系统;(2)暖区暴雨开始前大气具有产生对流的不稳定环境条件;(3)850 hPa暖切变附近的暖区暴雨有明显的能量锋区,而发生在暖切变南侧暖区的暴雨锋区不明显;(4)暖区暴雨期间,暴雨区上空的垂直风切变均达到中等以上强度,垂直环境条件有利于暖区对流天气的发生、发展;(5)地面中尺度辐合线是暖区暴雨的触发机制,辐合线的位置和移动方向与雨带的落区和移动方向一致;(6)低空急流和超低空急流的加强和向下传播也会触发不稳定能量的释放。     

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。     

柳州锋前暖区暴雨的分型及统计特征分析

利用常规气象资料、区域自动站资料、NCEP/NCAR再分析资料,根据暴雨发生时850h Pa影响系统的不同,对2010-2015年柳州市暖区暴雨过程按南风型、切变型、低涡型进行分型,并对其影响系统特征进行统计分析,结果表明:柳州锋前暖区暴雨峰值出现在6月份;三类型暖区暴雨基本都受南亚高压影响,高层有较强的辐散机制,中层有低值系统活动;暴雨过程中,低空急流甚至超低空急流的出现为暴雨区提供了大量的水汽辐合,使得暴雨区不稳定层结得以建立和维持;边界层以下的中尺度辐合线和较强的风速辐合是暖区暴雨的重要触发机制。     

闽中南罕见冬季锋前暴雨个例特征分析

利用福建省逐小时加密自动站资料、风廓线、S波段双偏振雷达与雨滴谱等新型探测资料以及NCEP逐6 h的1°×1°大气再分析资料,分析了2017年2月21—22日福建中南部一次预报失败的冬季暴雨过程。结果表明:(1)此次暴雨过程类似于锋前暖区暴雨,自2000年以来仅此一例,十分罕见,是在低空急流偏强并长时间维持的背景下产生的,并未受到南支槽和冷空气的影响。(2)闽中大到暴雨带和闽南暴雨区的对流系统相互独立,有多个对流系统影响闽中地区,仅两个对流系统影响闽南地区。降水有较明显对流特征,属暖云弱对流降水,容易导致预报员对雨强估计不足。(3)此次冬季暴雨过程的水汽主要来自南海地区,低层水汽条件与汛期暴雨相当,但整层水汽条件较汛期略差;低空急流对暖湿气流的输送使暴雨区趋于不稳定,但对流不稳定度较汛期弱。(4)高空辐散低层辐合的配置为冬季暴雨带来了有利的动力抬升条件,但暴雨区涡旋性不强,无明显正涡度柱。其中,闽中大到暴雨主要与条件性对称不稳定有关,是在湿斜压作用下倾斜上升运动中产生,而闽南暴雨区既存在对流不稳定,也存在条件性对称不稳定。     

江西暴雨预报的客观天气学模型和物理诊断模型研究

文章介绍了江西区域暴雨的客观天气学模型、物理诊断模型、预报流程以及利用数值化云图进行暴雨落区短时跟踪预报的方法。并给出了1992～1995年汛期模型的试报结果。     

2020年8月10日四川芦山夜发特大暴雨的动热力 结构及地形影响

由特殊喇叭口地形促成的四川雅安暴雨久已有名,研究颇多,而这一地区的暖区暴雨、夜发性暴雨的研究在业务预报和防灾减灾迫切需求的推动下也应加强。利用ERA5再分析资料,结合地面加密观测资料及中国气象局信息中心提供的三源融合近实时降水资料,对造成2020年8月10日四川雅安芦山的特大暴雨过程的动热力结构演变、触发机制和地形影响进行了诊断分析,揭示了弱天气尺度强迫及特殊地形影响背景下暖区暴雨的水汽、动热力结构演变及触发机制。研究得出:（1）此例暴雨属于500 hPa无明显影响系统、低层无急流背景下的东南风型暖区暴雨。在雅安“迎风坡”、“喇叭口”地形和芦山西南向“?”型峡谷地形的影响下,配合西太副高西进、东南暖湿气流加强和850 hPa弱低涡辐合气流的共同作用而诱发产生,此次降水时间短,强度大。（2）降水开始到强盛期间,始终有边界层地形作用产生的抬升速度、气旋式涡度和水平辐合与系统性垂直上升运动、涡度和散度叠加,增强了低层辐合,加剧了垂直上升运动,促使降水加强。（3）差动θ_se平流使得暴雨区对流不稳定度增强。对流抑制能量为零的高能高湿环境中,500 hPa θ_se弱冷平流也是暖区暴雨触发的因素之一;傍晚地形冷平流触发了初始对流并沿海拔高度1500米地形线分布;暴雨区上游强降水造成雷暴冷池出流叠加山风在“?”型峡谷西侧形成γ中尺度辐合线,并移至“?”型谷地内维持;冷性气流在快速下山后亦以冷池形式维持在“?”型峡谷东侧山脉附近,形成强温度梯度,这些因素触发并维持了芦山夜间特大暴雨。     

一次西南涡特大暴雨的中尺度诊断分析

采用LAPS中尺度分析模式大气资料,对2008年7月一次西南涡暴雨过程进行天气学降水运动的中尺度诊断计算与分析。诊断计算包括：可降水量、层结不稳定能量、对流可降水量、水汽权重平均风速、水汽通量散度、云水、云冰总量及其通量散度和垂直速度与凝结函数降水率等。结果表明：“西南涡-切变线”系统的暴雨发生在暖湿气团与变性冷气团之间的中尺度风场辐合上升运动区,中尺度雨团发生在层结不稳定的暖湿气团一侧。计算的中尺度垂直运动与凝结函数降水率场,降水率为暴雨到特大暴雨。计算的水汽通量辐合降水率与凝结函数降水率不会完全重合,且水汽通量辐合既可致中尺度“雨”,又可成大尺度“云”,并且云水、云冰通量辐合/辐散,可解释为它们的“正”/“负”碰并增长,而碰并增长产生水凝物增量（降水率）也促成大暴雨。因此,在凝结函数降水率场中产生的中、小尺度对流雨团,加上水汽与云水、云冰通量辐合及其碰并增长,并且借助层结不稳定能量释放和可能产生的强迫“次级环流”及水汽与云水、云冰输送,是这次“西南涡-切变线”系统造成襄樊特大暴雨的天气学成因。     

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。     

南海季风爆发前罕见连续3场暴雨特征及成因

2010年5月上中旬南海季风尚未爆发,广东一周内出现罕见的连续3场区域性暴雨 (下称连场暴雨)。利用常规气象观测资料和NCEP分析资料,从降水时间特征和环流形势对比了连场暴雨和持续性暴雨的异同,并应用局地经向环流数值模式诊断探讨其可能形成机制。结果表明:中高纬度地区阻塞形势建立对广东5月连场暴雨和6月持续性暴雨发生均尤为关键,连场暴雨期间阻塞高压位于乌拉尔山附近,降水与中纬度短波槽南下密切相关;而持续性暴雨期间阻塞高压偏东位于亚洲大陆中部,降水主要受热带西南季风北推影响。尽管大尺度环流背景相似,但3场暴雨过程天气系统配置差异较大。数值诊断结果进一步表明:激发连续3场暴雨的主要物理因子为潜热加热、温度平流和西风动量输送。潜热加热是此次连场暴雨的正贡献和正反馈的最直接因子,而西风动量输送和温度平流对暴雨发生有一定触发作用和指示意义 (超前0~1.5 d)。因此,分析和预报季风爆发前的连场暴雨过程,应注意中高纬度地区西风动量输送、冷暖平流活动和相应的天气形势演变。     

ECMWF和华东WARMS模式对山东半岛汛期暴雨的预报能力检验

利用欧洲中期天气预报中心细网格模式（以下简称ECMWF-Thin）产品和模式水平分辨率为9 km的华东区域气象中心中尺度数值预报模式V1.0（以下简称SMS-WARMS）产品,对山东半岛2016—2017年汛期35个暴雨日（26次过程）的暴雨预报能力进行检验。结果表明：1）对于降水强度,ECMWF-Thin预报偏弱导致暴雨和大暴雨漏报率偏高,大暴雨几乎全部漏报,当其预报有50 mm以上降水时出现暴雨的概率达90%以上,SMS-WARMS则预报降水量偏强、空报率较高,SMS-WARMS降水强度量级预报总体优于ECMWF-Thin,24 h预报能力最佳;2）对于强降水开始时间的预报,两家模式均表现为偏晚为主,且偏晚3 h以内的概率较大,在参考其预报结论的基础上可适当提前3 h;3）对于强降水落区,ECMWF-Thin略优于SMS-WARMS,SMS-WARMS对台风暴雨的落区预报较为精准,而其他类型暴雨的落区ECMWF-Thin预报多偏南或偏向西南1°以内,因此预报员需向偏东或东北1°范围内的区域调整;4）对于强降水范围大小的预报,ECMWF-Thin预报暴雨范围偏小的概率较大,而SMS-WARMS预报范围偏大的概率较大,因此需综合考虑两种数值预报结论进行折中预报。     

湖北梅雨期３次大暴雨过程诊断分析

利用常规气象观测资料和NCEP 2.5°×2.5°再分析资料,选取1991年7月9日、1998年7月21日、2010年7月8日湖北省梅雨期的三次大暴雨过程,对影响三次暴雨天气背景以及暴雨发生所需的动力、水汽、热力条件进行诊断分析。试图总结这类区域性暴雨的预报着眼点。结果表明：三次过程的高、低空急流的位置,水汽输送路径有一定相似性;影响三次过程的中尺度系统为西南涡-切变线。850 hPa正涡度中心、水汽通量散度中心与暴雨落区有较好对应,反映了中低层风的辐合和垂直上升运动有利于降水的维持。三次过程暴雨区域700 hPa湿正压项和斜压项绝对值之和均在0.5～0.6 PVU之间,柱状的水汽饱和区均延伸至500 hPa以上;此类暴雨的预报着眼点为：西南涡-切变线以及低空急流的位置是暴雨落区预报的重点,低层的涡度、水汽通量散度、假相当位温高能舌,以及大气运动的垂直结构对暴雨落区预报有较好的参考价值。     

华南暴雨的气候特征及变化

利用华南110个测站1961—2008年逐日降水资料,采用线性趋势分析、Mann-Kendall检验、小波分析、计算趋势系数等统计诊断方法,分析了华南年和前、后汛期的暴雨日数、强度、贡献率等的气候特征及变化。结果表明,近48年来,华南年平均暴雨日数的地理分布总体上呈由沿海向内陆递减的趋势,最多中心在广西东兴（14.9d）,最少中心在广西隆林（3.2 d）。华南的暴雨72%发生在汛期,其中前汛期占45%,后汛期占27%。华南平均年和前、后汛期暴雨日数呈微弱上升趋势,但不明显。年和前、后汛期暴雨日数具有明显的年际、年代际变化特征。华南平均年和前汛期的暴雨强度有微弱增加趋势,特别是2005年以来升幅明显,而后汛期暴雨强度有不明显减少趋势。华南年暴雨贡献率增加明显,而前、后汛期暴雨贡献率增加并不明显。小波分析表明：2000年以来,华南年、前、后汛期暴雨日数具有2～3 a和3～4 a准周期振荡。     

2013年浙江两次汛期暴雨过程对比分析

利用NCEP/NCAR再分析资料,对2013年4月29日(4.29)和6月6日(6.6)浙江两次汛期暴雨的天气形势场、热力动力和水汽条件进行对比分析,研究浙江暴雨的机理,为暴雨预报提供依据。结果表明:1)4.29暴雨影响系统高层为西风槽、低层为低涡;6.6暴雨高低层影响系统均为低涡。2)4.29暴雨高空西风急流强,垂直方向上存在正向环流圈,低层辐合对应高层辐散;6.6暴雨高空西风弱,垂直方向上无明显环流圈,散度场分布较复杂。3)4.29暴雨主要水汽来源为孟加拉湾、南海-西太平洋;6.6暴雨主要水汽来源为孟加拉湾、南海-西太平洋和东海。4)4.29暴雨过程中锋区呈东西走向,有较强冷空气侵入,而6.6暴雨过程中锋区呈东南-西北走向,只有较弱冷空气侵入。