雷达回波预测极端暴雨概率方法构建原理与应用研究

基于局地雷达回波基数据强度与雷达体扫面内相应地区强降水量之间的统计关系,并通过LucasKanade局部光流法分析下一小时可能影响该地区的回波区域,将这些区域定义为强降水影响系统的动态回波上游。同时分析雷达各层体扫回波情况,即考虑强降水系统的空间伸展程度。通过分析这些动态回波区域在当前时刻内(每10 min多层体扫信息)的时空变化特征,建立回波强度特征与局地降水的相关,进一步与改善的降水极值概率预测方法相结合,构建对下一小时局地暴雨重现期极值预测预警指标,为应急保障方案和及时应对决策提供技术支持与专业参考信息。整体方案以2006-2011年6-8月盐城多普勒天气雷达回波强度的基数据资料和同时段盐城雷达体扫范围内建湖气象站的小时雨量序列为基础,采用Lucas-Kanade局部光流法确定回波强度反映的降水系统时空动态上游,并利用皮尔逊III型方法和广义帕累托方法建立回波类别与建湖局地白天与夜间降水序列的统计概率关系,计算回波类别对应的局地极端降雨极值以及极值重现概率特征,构建降水系统的雷达回波动态综合特征与下一小时局地强降水极值概率间的统计关系指标,指标的相关性检验达到70%。该方法具有强降水多等级重现期极值预测能力,为下一小时临近极端暴雨预测预警提供了雷达监测动力统计优化方法。     

080125南方低温雨雪冰冻天气持续降水的数值模拟

利用WRF模式对2008年1月25—29日中国低温雨雪冰冻天气过程进行模拟。结果表明,雨雪期间长江中下游及以南地区长时间存在着高低空急流的耦合形态,且低空急流不断向雨雪区域输送暖湿水汽,使该地区低层的水汽辐合,促进大范围雨雪发生和维持：强高空辐散的抽吸作用,促进低空辐合、整层上升运动加强以及正涡度的维持．干冷空气从对流层高层倾斜南下加强了对流不稳定能量的积累.本次雨雪冰冻天气过程中存在明显的干侵入,降水区北侧对流层高层高位涡干冷空气沿等相对湿度（RH）线密集带侵入低层,促使雨区低层位涡中心迅速增大,促进强降水发生;本次过程表明位涡和降水有很好的对应关系,这对降水预报有很好的指示意义。由于极涡偏强促使冷空气南下,南方近地面浅薄冷空气使雨水结成冰导致灾害发生。     

EOF在广西春季降水分析中的应用

利用EOF方法对广西1961-2003年春季（2-4月）降水进行分析，得出广西降水一致性即旱或涝为春季主要降水类型与桂北-桂南和桂东南-桂西北反位相型。依此广西春季降水可分为桂东北、桂东南和桂西三个区。利用第一时间系数、67个站平均降水距平值和正负距平站数三种方法统计出广西春季历年的旱涝年，1961-2003年期间存在11a涝和14a旱。在降水异常年里桂东南降水变化最大，其次为桂东北，变化最小为桂西。     

2003年春季江淮一次暴雪过程的模拟研究

采用NCEP全球再分析资料和常规地面、高空观测资料，利用非静力中尺度数值模式MM5（V3．6）对2003年2月江淮地区暴雪过程进行了数值模拟。结果表明，MM5能够较好地模拟出地面及中低空大、中尺度环流系统，能够成功模拟出暴雪中尺度低涡的发生、发展及结构演变；低空西南急流与暴雪有着密切关系，对暴雪天气预报有很好的指导作用；对涡度场、散度场和垂直速度场的诊断表明，运动场和热力场的相互配置及耦合关系非常有利于暴雪切变线的发展及暴雪形成与维持。还利用模拟雷达反射率因子检验了模拟的正确性。对温度场的分析可知。降水性质与700hPa、850hPa温度平流有直接关系。     

黄海典型气旋与反气旋式海洋涡旋特征及影响机制模拟研究

为探讨黄海海洋涡旋的三维结构特征、能量输送与转换及影响机制,对黄海海域典型台风海洋气旋与近海海湾反气旋式涡旋个例进行数值模拟和时空诊断分析。采用FVCOM(Finite Volume Community Ocean Model)区域海洋数值模式精细化描述台风海洋涡旋与近海海洋中小尺度涡旋系统。对涡旋能量传输特征模拟显示,气旋式和反气旋式海洋涡旋中,非对称强流区动能能量下传比涡旋中心部位的强度更强,维持时间更长,下传深度更深。反气旋式海洋涡旋因Ekman流动形成的向中心辐合作用,造成此类差异更显著。气旋涡的动能主要来源于台风的近海面风应力动能和海洋涡旋有效位能的转换,反气旋涡旋区域风动力偏弱,其动能强度维持在低位,其涡旋增强伴随着有效位能的增加。环境因子影响机制从风浪,底摩擦和地形三方面讨论。结果显示:耦合波浪模块后,台风强风应力和风浪的综合作用扩大台风海洋涡旋尺度,并增强涡旋环流强度,同时对相邻的反气旋涡有压缩和减弱作用。风浪效应对台风海洋涡旋有正贡献。强台风过程表层环流响应台风应力而浅水地形和底摩擦强烈影响涡旋下层,造成台风海洋涡旋结构在垂直方向上偏移,并影响到下层环流速度减小,流向与表层相反。在海洋气旋涡和反气旋涡的显著辐散区,其混合层下方有温盐要素的涌升对应,辐合区有温盐要素的下沉对应;同时海底地形的升降也造成温盐强迫上升与下降,其强度与地形起伏尺度成正比,较环流系统作用更强。     

华南沿海暖区辐合线暴雨地形动力机制数值模拟研究

华南沿海暖区暴雨是单一暖气团降水。本文采用客观分析方法确定暖区暴雨主要影响系统为两类辐合线低值系统:偏南向辐合线与西南向辐合线;此类辐合线系统具有强烈的辐合上升层次与暖心结构,是一类强烈的暖区暴雨天气系统。偏南向辐合线多出现在粤西沿海,而西南向辐合线多出现于粤东沿岸,分别具有短时团状与持续带状两类强降水。华南沿海地区山脉河口众多,其中珠江口以西的团状云雾山正面阻挡偏南向辐合线,河口以东的带状莲花山侧面阻挡西南向辐合线。利用WRF数值模式分别研究粤东和粤西山脉对两类辐合线及其暴雨的地形影响,包括正面阻挡和侧面摩擦。结果显示,将偏南向型辐合线所遇云雾山范围地形降低80%后,因正面阻挡缺失,辐合线及其降水向北推进,雨带强度减弱,形状改变。地形的正面阻挡促使低层辐合气流迅速抬升触发强降水。降水释放的凝结潜热,又加强系统的上升运动和暖心结构强度与层厚,进而增强暴雨。填充偏南向型狭管地形的试验显示,狭管效应构成对强降水位置和强度的直接强迫影响,加之与云雾山正面阻挡配合,两项作用造成粤西暴雨频繁特征。测试粤东西南向莲花山脉对西南向辐合线的侧向阻挡与摩擦效应,通过对比莲花山两种地表粗糙度环境模拟效果,获得显著的局地垂直上升速度差,显示粤东沿海山脉的侧向摩擦不仅增强西南辐合线强度也加强垂直上升运动强度,由于西南气流的持续,山脉走向与气流的配置,维持了降雨时长及雨带范围。同时对粤西近海西南辐合气流及河口的暴雨雨带也有连带增强与维持作用。进一步地山脉地形抬升以其抬升迅速,范围集中,层次深厚,而有别于锋面气团抬升。加之近海水汽充沛,抬升后中层凝结释放的配合,增强了辐合线低值系统强度,造成暖区降水雨强远高于华南锋面降水。     

基于C4.5算法的长江中下游地区夏季降水预测模型研究及应用

为了对长江中下游夏季降水进行短期气候预测,利用国家气候中心提供的74项环流指数和NOAA整编的西太平洋型WP指数、MEI指数、ENSO指数等多种全球环流指数资料,归纳整理了影响长江中下游夏季降水的34个前期春季因子,讨论了前期春季因子与夏季降水的关系,并利用这34个前期春季因子通过数据挖掘中的C4.5算法对1951—2013年(63 a)长江中下游夏季降水,建立判别降水偏多以及偏少的两类决策树预测模型,并分别得到5条和7条综合判别规则。随机选取80%左右历史年份数据作为模型的训练集,两模型的训练集准确率分别为94.12%和93.88%,剩余20%年份数据作为模型测试集,模型的测试预测准确率分别达91.67%和85.71%。模型预测应用也显示结果正确。模型研究和应用显示,基于C4.5算法的长江中下游夏季降水预测模型具有较高的预测准确率,模型构建合理有效,判别规则依据大数据理论,广泛考虑相关因子以及因子的排列组合,智能化选择关键因子,易于客观化、自动化实施,为长江流域汛期降水的短期气候预测提供了新的思路与方法。     

华南前汛期暴雨C波段雷达特征应用研究

运用广州白云机场C波段雷达回波强度及径向风资料对华南前汛期强降水过程进行雨带降水估计及其移动特征预测.C波段雷达在雨量充沛地区的强降水背景下,尽管回波强度被衰减,但是近距离范围内其探测云雨精细化结构的能力较强.所采取的雷达数据质量控制系列处理,能够保留雷达数据原有特征,有效滤去杂波和噪声并缓解雷达低仰角数据杂波多、体扫面上沿径向远近高度差较大的问题,并对降水估测提供了技术保障.最优化雷达Z-I强降水估测方法基于单次过程体扫信息,具有计算简洁快速的特点,但是同一体扫面上云状差异对最优化方法参数值比较敏感,混用相同参数,影响降水估测效果.对同一体扫面上雷达云状回波进行区域划分,并选择对应测雨站点,做最优化参数分别确定,有效改善最优化雷达降水估测,提高了C波段雷达在机场近距离范围的应用效果.运用雷达体扫时间分辨率高的特点,识别雷达径向风辐合线以及强回波中心位置,并分别应用外推法预测雨带走向、移速等,验证效果良好.     

海表温度与低层气温对江苏沿海冬季近地层风场特征影响研究

统计分析与数值模拟的江苏省沿海地区冬季风场状况显示,近地层风场对海表温度与低层气温的季节性以及短时过程演变都有显著响应。风速场表现为风速自内陆向海上增加,等值线与海岸线走向一致,风速梯度在沿海岸线的近海最强。季节性特征为:夏季低风速频次多,冬季高风速频次多;随着高度的增加,相同等级的大风风速在冬季出现频次明显高于夏季。寒潮入侵时,江苏自北向南气温降温幅度递减,海温响应的演变趋势类似,但降温幅度小。具有冷锋与副冷锋的寒潮降温呈三个阶段:(1) 先缓降后速降,(2) 弱回升,(3) 再次降温。大风伴随降温,风速的明显减弱滞后于气温的速降,随着气温回升风速增大,对应副冷锋的降温风速有二次滞后减弱。当近海SST数值增大后,海上风速极大值区强度减弱。同一纬度上,内陆地区风速增加,近海海域风速减小,大值中心仍处于江苏近海海上。当低层气温温差加大、冷锋强度增强时,气旋式风场的切变线后方的风向由偏西北转为偏北风,整体风场的响应强度增大,大值风速带主要位于江苏沿海中部。