“8.25”曲靖突发局地大暴雨的中尺度系统特征分析和数值模拟

“8.25”曲靖突发性局地大暴雨,在近30年来8月强降雨中是罕见的。采用Barnes带通滤波方法分离出中尺度天气系统表明,500hPa上的中尺度低压扰动系统和700hPa上的中尺度低涡是产生这次暴雨天气过程的直接的天气系统。在潜在不稳定条件下,由于中尺度系统的扰动,局地水汽强烈辐合,造成了此次强降水。同时中尺度数值模式MM5结果很好地模拟了这次局地暴雨过程的落区、雨强以及发生和发展。强降水发生时有强的上升运动与深厚饱和气柱互耦结构是富源、马龙大暴雨产生的重要动力机制。师宗站上升运动主要出现在对流层中高层,降雨量与上述两站相比要小得多。深对流气柱内云团发展的微物理结构显示,造成富源大暴雨的强对流云不是只含有云水和雨水的暖云云体,在对流层高层有含有雪和冰的混合相云体。马龙暴雨的强对流云团的微物理结构上在对流层中低层与富源云团性质一样,同属暖云云体,但云水合比和雨水混合比均比富源云团小,在对流层高层马龙云团为仅含有雪的单一云体。师宗云团与上述两站均不同,雨水混合比在3者之中最小,产生强降水的主要是对流层高层含有雪和冰的混合相云体。     

一次由低层浅槽触发的强降雪过程分析

利用M icaps常规资料及物理量场对曲靖地区2005年3月一次强降雪天气过程进行诊断分析。结果表明:新疆北部至70°N深厚高压脊的维持有利于高纬冷空气往南输送,冷空气在四川、贵州堆积加强后由东北往西南方向推动,地面准静止锋自北向南影响曲靖,在有持续的、充足的冷空气补给的高空环流背景下,低层高原以南出现的浅槽不容忽视,其槽前西偏南气流带来的水汽条件与南下偏北气流的切变辐合都是发生强降雪的极重要因素。     

2012年春末昆明大暴雨的中尺度对流系统特征分析

利用常规气象观测资料、NCEP/NCAR逐6 h 1°×1°再分析资料、FY 2E红外云图TBB资料、昆明C波段多普勒雷达探测资料,结合中尺度数值模式的模拟结果,分析了2012年5月24日晚昆明大暴雨期间中尺度对流系统演变特征及形成机理。结果表明,此次大暴雨是在高低空系统最佳配置下产生的。降水峰值出现时,低层增暖湿,从地面到500 hPa呈显著的对流性不稳定层结,700～500 hPa垂直风切变达14 m·s-1。纬向结构上,暴雨中心低层东风增强,300 hPa以下纬向风辐合,中心强度为-28×10-5 s-1,150 hPa以下上升气流中心强度为21 m·s-1,近地面水汽通量辐合为-20×10-5 g·hPa-1·s-1·cm-2;经向上,暴雨中心500 hPa以下南风风速辐合,上升气流增强,强度与纬向一致,低层水汽通量辐合中心强度为-30×10-5 g·hPa-1·s-1·cm-2,强于纬向水汽通量辐合。此外大暴雨中地形对南风的强迫也是显著的,抬升速度在0.4~1.0 m·s-1。这次强降水分为初始、加强、回落和衰减四个阶段,昆明近地层浅薄冷空气加强时,引发其东侧对流单体移向昆明,强降水发生;然后南风出现脉动,局地湿层增厚和垂直风切变加大,促使对流单体两度增强并出现降水峰值;第三次峰值则是弱南风脉动及对流单体合并所造成,由于移入的单体较之原地发展的单体弱得多,原地单体作用的降水峰值也明显小于前面两次。对流降水回波属于暖云性质的热带低质心降水回波。     

基于梯度提升树的大气分层透过率快速计算方法

大气透过率的计算是红外辐射传输计算的核心,RTTOV（Radiative Transfer for TOVS）通过建立大气廓线中温度、水汽、臭氧和其他气体浓度等参数与卫星通道透过率的统计关系,可实现卫星通道透过率和大气顶辐射率的快速准确计算。但在一些复杂吸收波段,如水汽波段,RTTOV的计算误差较大。为提高RTTOV在水汽敏感波段的计算精度,利用机器学习中的梯度提升树（Gradient Boosting Tree,GBT）方法,选取从ECMWF（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）的IFS-137（The Integrated Forecast System,137-level-profile）廓线集中挑选的1406条廓线和由此计算的透过率真值作为样本,选取风云三号气象卫星上搭载的红外分光计（InfraRed Atmospheric Sounder,IRAS）通道12（7.33 μm）进行个例研究,分别建立陆地和海洋晴空大气等压面至大气层顶透过率的快速计算模型（GBT模型）。通过和透过率、亮温真值的比较,验证了GBT模型。比较结果显示,GBT模型预测的透过率平均绝对误差（Mean Absolute Error,MAE）为:陆地0.0012,海洋0.0009;均方对数误差（Mean Squared Logarithmic Error,MSLE）为:陆地0.0215,海洋0.0095,均小于RTTOV直接计算的透过率的误差（陆地、海洋的MAE分别比RTTOV小0.0008和0.0010,MSLE分别比RTTOV小0.0135和0.0227）;由GBT模型计算的亮温MAE分别为:陆地0.0949 K,海洋0.0634 K,均方根误差（Root Mean Square Error,RMSE）分别为:陆地0.1352 K,海洋0.0831 K,也都小于RTTOV直接模拟的晴空亮温误差（陆地、海洋的MAE分别比RTTOV小0.1685 K和0.1466 K,RMSE分别比RTTOV小0.1794 K和0.1685 K）。本研究的结果表明,在IRAS红外水汽波段,GBT预测的透过率和亮温误差比RTTOV小。机器学习有提高水汽波段正演精度的潜力,或可为辐射传输的快速计算提供可行的替代方法。      

孟加拉湾冬季风及其与亚洲夏季气候的关系

利用东亚和孟湾近海1000hPa低层风场,定义了一个东亚和孟湾的冬季风指数,通过对比分析发现,孟湾冬季风指数温度场和风场具有显著的气候意义.同时可以看到孟湾和东亚冬季风都具有年际和年代际变化,但其变化特征有较大的不同,东亚冬季风有较明显的15～20年的年代际变化,而孟湾冬季风在最近50年则表现为一致增强的趋势.在此基础上,进一步利用相关分析和合成分析方法分析了孟湾冬季风活动的跨季节影响,研究发现,孟湾冬季风对春、夏季气候有较强的跨季节影响,孟湾冬季风指数与次年夏季中国的降水有较好的对应关系.     

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。     

影响云南的西南低涡统计特征

利用1980—2008年逐日08:00(北京时,下同)和20:00 700hPa高空图和云南125个测站的逐日降水量资料,对影响云南的西南低涡移动路径、时间变化、维持时间和对应的降水特征进行了统计分析。结果表明,约1/8～1/7的西南低涡能够移出四川并影响到云南,但过去30年来其总趋势是减少的。影响云南的西南低涡初生涡源区主要集中在九龙和四川盆地,东南路径最多,西南和偏南路径次之,受地形影响西南低涡一般影响不到滇西边缘和滇西南地区。春末和夏季西南低涡移出影响云南的频数最多,秋末和冬季最少。西南低涡开始影响云南的时间表现出日变化特征,在白天的影响几率为61.54%,其生命史呈指数衰减,大多不超过1天。西南低涡移出源地后,约有13.5%的低涡会影响云南并出现全省性强降水过程。其中,偏南路径西南低涡造成的强降水主要分布在哀牢山以西地区,东南路径的主要暴雨中心位于滇中和滇东南,西南路径的强降水主要分布在滇东地区。西南路径大到暴雨的出现频率最高、强度最强,应引起足够的重视;东南路径虽然最多,但大到暴雨的出现频率和强度均低于平均值。     

2014年两次相似路径影响云南台风降水差异成因分析

2014年台风威马逊和海鸥沿偏西路径影响云南,大到暴雨分布特征与热带气旋相对位置存在显著差异。诊断结果表明,暴雨分布差异的产生主要是环境场气流的作用,造成锋生以及能量变化的差异,再加之地形作用。具体地,“威马逊”台风中心南（北）侧低层西风（东风）急流及辐合增强,造成了强降水的产生,但是由于南侧低层水汽含量大于北侧,且南侧滇西南边缘、红河河谷迎风坡对增强气流的抬升作用,降水增幅,以致南侧降水强于北侧;再者,南北两侧气流热力性质的差异造成了锋生,低层锋区增强也有利于“威马逊”东北侧、滇东南强降水发展;进一步地,东西风交汇辐合作用增强、斜压有效位能的释放,造成辐散风动能增加,暴雨区辐散风动能的增加与“威马逊”降水峰值变化相对应。“海鸥”影响云南期间,热带气旋中心位置和孟加拉湾低压均偏南,西南季风偏南,影响云南的主要是“海鸥”东北侧低空急流,且急流及其左前侧纬向辐合均强于“威马逊”,以致于其东北侧降水强于“威马逊”;除此之外,地形抬升对滇南边缘大暴雨的产生也起着重要作用;再者,低层锋区增强,有利于“海鸥”东北侧滇东北强降水发展;进一步地,旋转风动能的增加与降水峰值相对应,滇中以东地区第一次降水峰值与斜压过程相联系;第二次降水峰值的形成,则主要是低压倒槽东侧偏南急流增强,旋转风场向暴雨区输送动能,暴雨区动能明显增幅,与正压过程相联系。     

西风带南支槽对云南天气的影响

利用1980-2008年近30年逐日地面、高空观测资料,统计了影响云南的西风带南支槽个例,并分析了南支槽的时空分布和对云南降水的影响。结果表明,影响云南的南支槽平均每年出现18.76次,11月-次年5月平均每月出现次数相当(6-10月西风带北撤,转换为孟加拉湾槽);约5.88%的南支槽过程对云南产生大到暴雨天气,54.83%的南支槽产生小到中雨,另有17.28%的南支槽产生冰雹天气过程。南支槽的进退与西风带环流形势、副热带高压位置和高原大地形等关系密切,南支槽位置、水汽输送、湿度锋区、低空急流和冷空气强弱等条件的不同决定了降水的强弱或是否有强对流天气出现。     

冬季亚洲大陆的热力差异和中国气候的关系

最近的一些研究发现,除了海陆之间的热力差异外,大陆内部也存在热力差异。通过合成及t检验方法分析了亚洲大陆内部区域热力差异的变化特征,探讨了年代际尺度上大陆热力状况的季节变化与东亚初夏和夏季环流、季风活动、中国降水变化的关系。结果表明:正指数年代,在经向上从冬至夏东亚大陆由冷变暖,25°N以北中高纬度对流层高层有气温正距平下传,纬向上高原东侧我国大陆地区春夏季迅速增温。相比之下,海洋上的热力变化不明显,一直维持负距平,海陆热力差异偏大,东亚初夏季风建立偏早,夏季风强度偏强,相应地长江流域初夏降水偏多,夏季降水偏少,华北和西南部分地区夏季降水偏多。相反地,负指数年代海陆热力差异的变化将会减弱海陆之间的热力对比,不利于初夏季风的建立和夏季风加强,上述地区降水的变化大致与正指数年代相反。