结合中尺度模式物理约束的雷达回波临近外推预报方法研究

研究设计了一种结合中尺度模式物理约束的雷达回波临近智能外推预报方法,该方法在外推预报时效（0—2 h）内即利用中尺度高分辨率模式信息对外推进行约束。首先将模式风场和雷达回波轨迹风场融合成融合风场,然后利用融合风场光流外推形成动力约束外推;并在此基础上利用模式诊断产品和雷达历史资料通过投票回归器集成多种深度学习算法构建回波强度频率分布的预测模型,最终基于预测模型结果利用降水频率匹配订正技术对外推预测的原始回波强度进行订正形成物理约束外推方法。通过2个典型个例,以及2年主汛期的长期检验对原始光流法、动力约束外推方法和物理约束外推方法进行综合评估,结果表明：动力约束外推通过改善光流法回波在边缘的堆积扭曲从而改进了预报性能,物理约束外推通过基于模式信息预测的回波频率分布调整回波强度实现回波的增强和减弱来改善预报性能,随着时效延长改善越来越明显,整体而言物理约束外推是其中最优的方案。     

特大暴雨的中-β尺度系统研究

受0012号台风（派比安）外围影响,在2000年8月30日08时到31日08时,江苏东北部地区出现了一次具有局域性、突发性、高强度、超历史记录的特大暴雨过程。经综合分析表明：暴雨期间,在台风外围第二象限稳定的东风气流,并发生扰动,构成产生特大暴雨的中尺度东风融合线天气系统。这条中尺度东风辐龛 一高频次的准东西向和高频次的准南北向分布、更替,与响水≥10mm雨团的高频区相一致。由地面速度平流散度（F）分析得出,强雨团是与F＞0的强中心趋于一致,也即是在辐合增强或维持最强的响水及其附近爆发。进一步分析表明：地面速度平流散度变化与局域性高强度雨团的维持及其雨强增幅关系十分明显。     

基于中尺度数值模式的分类强对流天气预报方法研究

针对雷暴大风、短时强降水、冰雹和龙卷等强对流天气短期预报,采用0.25°×0.2°每天4次日本气象厅(JMA)东亚地区再分析资料计算的百余类对流参数(物理量)及其15 d滑动平均值,根据“邻(临)近”原则对江苏2001—2009年2—9月各类强对流天气进行时间和站点的匹配后,应用相对偏差模糊矩阵评价技术,对上述对流参数进行权重分配和逐次筛选,获得了既体现强对流与气候平均态间明显差异,又体现自身相对稳定的特征对流参数序列。同时,根据历史分类强对流个例中各特征对流参数的频谱分布获得各对流参数的频率分布分段函数,然后基于中尺度数值模式预报的对流参数,综合历史频率分布和权重分配,构建了分类强对流天气预报概率,并以优势概率作为分类判据,做出强对流分类预报。最后建立了业务化系统,以全自动方式提供分类强对流客观预报产品,投入到日常业务和南京青年奥林匹克运动会气象保障服务工作。     

1211号“海葵”台风登陆后引发两段大暴雨过程的对比分析

利用地面加密自动站观测资料以及NCEP再分析资料,对1211号“海葵”台风登陆后在江苏引发的两段降水对流特征差异明显的大暴雨天气进行对比分析。结果表明:第一段区域性大暴雨天气发生在台风环流中心及北侧偏东风急流附近,此时台风环流完整,中心维持正压结构,环流中心及其北侧偏东急流附近伴有较大范围的水汽辐合和强上升运动,有利于区域性大暴雨天气发生,但降水发生在近乎中性的层结下,降水分布较均匀,发展平缓,降水期间对流活动较弱;第二段大暴雨则发生在远离环流中心的台风倒槽顶部,降水期间暴雨区中高层伴有较明显的冷平流,有利于对流不稳定层结发展,降水发展过程中,地面风场出现中尺度扰动,增强了局地辐合和气旋性涡度,加之地面锋区发展,促进了中尺度对流系统的形成和发展,此段降水中尺度特征显著,发展迅速,雨强大,伴有明显的对流特征,导致出现局地特大暴雨天气。     

南京雷达中气旋产品特征值统计分析

为了研究南京中气旋的特征,利用南京新一代天气雷达探测资料对2005-2013年的中气旋产品特征进行统计,重点对持续3个体扫以上的中气旋结构特征进行分析。结果表明:中气旋通常产生在对流有效位能较高和风垂直切变较大的环境条件下,6-7月是中气旋的多发时段,主要出现在午后到前半夜,中气旋的底高、顶高和最强切变与中欧的中气旋分布相似;高质心中气旋有利于冰雹的产生,而低质心、强切变中气旋有利于产生龙卷。      

登陆TC低压再度引发的特大暴雨诊断分析

利用客观分离方法及其改进方案提取得到热带气旋(TC)降水量,统计1965—2013年TC衰减成为热带低压后24 h内发生暴雨的个例,研究其气候变化特征,并进行天气学分型。结果表明：广西东部、广东、福建南部是TC衰减后24 h内产生区域性暴雨(简称WTCR₂₄)量的主要分布区;49 a来WTCR₂₄频次具有缓慢减少的趋势,且WTCR₂₄频次与TC频次具有较好的相关性;北部高压坝、鞍型场、并入高空槽3类环流型中,TC是否越过副热带高压脊线、副热带高压是否减弱是降水预报的转折点;较弱的TC何时并入较强的TC环流,是双台风型WTCR₂₄发生的关键。

     

一次降雪过程持续原因分析

利用多种观测资料和中尺度数值模拟资料,对2011年2月14日发生在江淮地区的一次预报失误的持续性降雪过程进行较为全面的分析.结果表明:前期的降水导致近地面维持较大湿度,补充南下的冷平流促使低层大气接近饱和,降雪持续期间,水汽集中在对流层低层浅薄的层次中;对流层中层发展和维持的强冷平流导致降水区上空迅速降温减湿,从而在对流层中低层,逐渐建立起弱对流不稳定层结.而叠置其上的稳定层则将对流活动和水汽的向上输送限制在对流层低层内,使得水汽和能量得以在一定范围内集中;不断补充南下的冷空气强迫近地层风场发生扰动,形成的中尺度切变线,为这种浅薄层次下的弱对流活动提供了触发条件.尽管辐合抬升较弱,但与其它季节相比,气温较低的冬季,在抬升凝结高度较低的大气中,水汽易凝结成云致降水.造成这次预报失误的原因,是忽略了近地层系统的变化.另外,对补充冷空气的影响作用考虑不充分.     

江苏\"4·30\"强风雹成因及双偏振雷达特征分析

利用高分辨率再分析资料、双偏振雷达观测数据,揭示了江苏\"4·30\"强风雹成因及其雷达特征。结果表明,此过程发生在高空异常深厚的东北冷涡背景下,中层西北急流和地面暖低压均显著偏强,造成远超过经验性指标值的垂直风切变,利于风暴的增强及组织化发展。对流风暴的影响可分为30日午后到傍晚局地对流单体和傍晚到上半夜飑线两个不同阶段:第一阶段局地对流性强,能量积聚大,沿淮和淮北西部地区多局地性雷暴大风,并散发不同尺寸的冰雹;第二阶段在地面强冷空气大风及中高层干冷空气动量下传的影响下,飑线系统及其前缘阵风锋移动快速。飑线上弓形回波前端的强下沉辐散出流,叠加环境风的影响,导致江苏东南部地区区域性的极端灾害大风天气。雷达回波既可清晰显示冰雹云的一般回波特点,如反射率因子回波强,粒子均一性差等;也可反映不同尺寸冰雹回波的差异性,如回波强度越强,最大反射率因子高度越高,单体回波倾斜、弱回波区特征结构越清晰,三体散射特征越明显的风暴单体产生的冰雹尺寸越大;在没有大水滴包裹时,CC值随冰雹尺寸的增大而减小,且伸展高度增高等。综合分析雷达回波多个参量,如风暴单体和阵风锋的移速、风暴单体特征高度的下降速度、Z_DR大值高度降低等指标,对对流灾害性大风量级的监测与预警有重要指示意义。     

冷空气对台风“海葵”(1211)倒槽特大暴雨作用分析

针对2012年8月10日发生在台风“海葵”(1211)减弱低压倒槽顶部的特大暴雨过程,利用加密自动气象站、卫星云图、NCEP再分析资料,结合中尺度数值模式的模拟结果,分析了这次特大暴雨期间的中尺度对流系统演变特征及形成机理。研究表明,东北冷涡后部南下的冷空气为特大暴雨的发生提供了有利的热动力条件,促进了降水的发展。冷空气主体偏北,仅从对流层中层侵入低压倒槽北部,而对流层低层并无明显冷空气影响,使暴雨区上空形成冷平流叠置于暖平流之上的温度平流垂直分布结构,促进这一地区对流不稳定层结的建立和发展。冷空气与低压倒槽内辐合上升的暖湿空气对峙于对流层中层,引起中层锋生,锋生效应使风场辐合加强,进一步促进锋生。两者相互作用促进暴雨区及附近的中小尺度对流系统发展,在暴雨区上空强迫出一支对流尺度的强上升气流,加强低层水汽向上输送,使暴雨区上空水汽辐合层迅速增厚,从而引发局地特大暴雨天气发生。     

近50 a南京夏季降水的气候特征

利用南京6站近50 a(1960—2009年)的夏季逐日降水资料,应用累积距平、趋势系数、小波分析等方法,分析了南京地区夏季降水和旱、涝年的时空特征。结果表明,南京地区夏季降水量、雨日、暴雨日和暴雨日降水强度均有明显的年代际变化特征,其中降水量和暴雨日数的年代际变化基本一致;各站夏季降水量、雨日和暴雨日均呈增加趋势,总降水量的增加趋势主要是大雨及以上量级降水的贡献;夏季降水量存在2～8 a的周期变化;南京地区旱、涝年的夏季降水量与长江中下游地区有较好的一致性,与华南地区呈相反关系。