对流天气临近预报技术的发展与研究进展

目前，临近预报技术主要包括雷暴识别追踪和外推预报技术、数值预报技术以及以分析观测资料为主的概念模型预报技术等。其中，识别追踪和外推预报技术主要以雷达资料为基础，在这方面，交叉相关外推和回波特征追踪识别外推是比较成熟的技术，已经用于许多的临近预报业务系统中，其缺陷是预报时效较短，准确率也不是很高。随着精细数值天气预报技术和计算机技术的发展，利用多普勒天气雷达资料和其它中小尺度观测资料进行数值模式初始化，来预报雷暴的发生、发展和消亡已经成为一个研究的热点，该技术发展很快但还不成熟。概念模型预报技术主要是通过综合分析多种中小尺度观测资料，包括雷达和气象卫星资料等，在此基础上建立雷暴发生、发展和消亡的概念模型，特别是边界层辐合线和强对流的密切关系等，再结合数值模式分析预报和其它外推技术的结果，然后建立雷暴临近预报的专家系统，其不但可以获取雷暴和对流降水移动、发展的信息，还可以预报它们的生成和消亡。检验和定性评估也表明，将多种资料和技术集于一体的概念模型专家系统，其临近预报的准确率最高，时效也最长，是临近预报技术未来发展的主要趋势之一。NCAR的Auto Nowcaster系统是雷暴临近预报概念模型专家系统的一个典型代表。     

自动临近预报系统及其在北京奥运期间的应用

该文介绍了对流风暴自动临近预报系统(BJ-ANC)及其在2008年北京奥运会期间的应用。BJ-ANC是在技术引进基础上,通过本地化改进和拓展研发而形成的适合于在京津冀地区使用的对流风暴自动临近预报系统。BJ-ANC系统通过对风暴进行分析,利用临近预报算法和模糊逻辑集成技术,生成反映风暴发生、发展和消亡的分析及预报产品。系统考虑了京津冀地区边界层辐合线及地形与风暴生消发展之间的密切关系。通过对2008年实时预报结果的检验表明:系统对风暴单体在1 h内的外推预报与实际观测的风暴单体中心的距离偏差较小;系统的1 h定量降水预报和自动站的降水观测接近;系统对风暴回波的总体预报性能明显优于持续性外推方法。通过对2008年奥运期间对流风暴个例的实际应用分析表明:系统对风暴的临近预报具有指导意义,边界层辐合线对风暴的局地新生和快速演变具有明显的正面预报效果。另外,系统反演得到的对流层低层热动力三维特征提供了风暴生消、发展预报的重要判据。     

出流边界对京津冀地区强对流局地新生及快速增强的动力效应

针对2014年7月16日发生在京津冀地区包含三次风暴过程的强对流"事件",通过雷达、探空和自动站等观测资料分析,以及基于雷达资料快速刷新四维变分同化（RR4DVar）和三维数值云模式的高分辨率模拟,研究了在京津冀复杂地形条件下导致对流风暴局地新生及快速增强的对流尺度热力和动力机制,重点分析了出流边界在对流风暴局地新生及快速增强过程中的动力效应。探空观测和模拟结果均显示,16日当天从上午到傍晚,京津冀地区存在有利于对流风暴发生、发展的中尺度环境条件,包括明显的热力不稳定、强的偏南低空急流和低层垂直风切变等。在本次强对流"事件"中,首先是东移的近地面切变线在中午12:00（北京时,下同）左右触发了天津地区多单体对流风暴的局地新生和快速加强,并产生了明显的向西北移动的出流边界。随后,在京津冀西北部山区形成的一个产生向南出流的风暴单体于下午18:00左右抵达北京西北部山边,由于地形强迫,沿山坡加速下滑的风暴出流与沿山坡上行的低层偏南暖湿气流相互作用,增强了山坡附近的低层辐合和垂直上升,同时在向南和向西北移动的出流边界"碰撞"形成的动力不稳定配合下,使得风暴单体在下山过程中迅速发展为强超级单体风暴。两条出流边界在风暴附近的"碰撞"及其和低层偏南暖湿气流的相互作用,具有复杂地形条件下导致风暴新生和加强的"三重点"关键区特征。在22:00左右,由超级单体风暴形成的出流边界抵达京津冀南部平原地区,与偏南低空急流和低层偏东风湿空气产生的辐合区相互作用,形成新的类似于"三重点"的关键区,导致在辐合区内沿出流边界出现暖湿空气的强烈上升。在出流边界的动力不稳定触发下,沿出流边界附近不断有对流单体新生和增强,最终在23:00左右形成了一条近似东西走向的线状多单体风暴系统。     

基于VDRAS的快速更新雷达四维变分分析系统

基于雷达资料快速更新四维变分同化 (RR4DVar) 技术和三维数值云模式,初步研发了一个针对对流尺度数值模拟的快速更新雷达四维变分分析系统。系统通过对京津冀6部多普勒天气雷达资料进行RR4DVar同化,并融合5 min自动气象站观测和中尺度数值模式结果,可快速分析得到12~18 min更新的低层大气三维动力、热力场的对流尺度结构特征。针对2009年7月22日发生在京津冀的一次强风暴个例,通过一系列敏感性试验,并利用局地加密资料进行检验对比,表明有效的雷达资料RR4DVar同化及自动气象站和中尺度模式资料融合方案、恰当的中尺度背景场设置和动力约束方法是获得合理结果的关键。研究也表明:恰当的系统配置能够模拟出与对流生消发展密切相关的近风暴环境特征,包括低层入流、垂直风切变、低层辐合上升和暖舌等,以及风暴自身形成的冷池、出流等与风暴演变密切相关的对流尺度结构。     

春季格陵兰海冰变化及与北大西洋涛动和北极涛动的联系

采用长序列(1903—1994年)GISST海冰面积和海表温度(SST)资料、NCEP／NCAR再分析资料等，分析了春季格陵兰海冰面积年代际变化特征及其同北大西洋海气变化的关系。结果表明：春季格陵兰海冰面积变化的主要特征可由海冰变化的EOF第一主分量表示。春季海冰变化与前冬NAO／AO以及冬春1—4月份北大西洋墨西哥湾流区SST具有明显的反相变化趋势，且均具有准60a的周期变化特征。海洋向大气的热量输送(感热、潜热)受到海冰变化的显著影响(冰多输送少)。海冰作为大气的冷源，也明显影响地表净辐射的变化。进而，春季海冰变化可影响后期的大气环流变化：海冰面积偏大(偏小)，冰岛低压和阿留申低压偏弱(偏强)，夏季北非和亚洲大陆的SLP明显偏低(偏高)，两大陆夏季热低压加强(减弱)。     

具有“双对流云线”特征的北京局地暴雨初步分析

2009年7月13日北京出现了一次罕见的有双“对流云线”现象的局地暴雨,对此记载并主要采用雷达资料四维变分同化系统(VDRAS)得到的分析场资料进行了初步分析,结果表明: 在高空槽、低层风场辐合的有利天气尺度背景下,在北京西南部与河北交界处,由于地形作用首先出现数个对流单体;同时由于北京城区南部存在伴随中尺度风场辐合的温度梯度带,为单条对流云线的形成提供了重要条件,因而出现了对流单体呈东东北-西西南走向线状排列的形态,单条对流云线形成。在出现单条对流云线后,强降水开始发生,对流云线两侧由于强降水产生的边界层冷池出流与环境场风场形成辐合,其中南侧出流与环境场的偏南风产生狭长辐合线,北侧出流与附近雷暴冷池及雷暴高压产生的西北气流产生辐合,同时这两条辐合线阻挡削弱了环境场对原对流云线的能量和水汽输送,从而原对流云线减弱消失,在其两侧新生出两条新的对流云线。在对流云线两侧冷池出流附近,如果环境场存在较强的温度梯度、湿度梯度以及风场辐合,则可以激发出走向与环境风场垂直相交的两条平行分布的对流云线。伴随较强垂直上升速度的边界层辐合线对对流风暴的新生有显著的动力学指示意义,时效约30～60 min。      

多单体雷暴的形变与列车效应传播机制

本文利用变分多普勒雷达分析系统(Variational Doppler Radar Analysis System,简称VDRAS)基础上构建的四维变分(4 Dimensional Variational assimilation,简称4DVar)低层热、动力反演系统,针对发生在北京地区的几次多单体雷暴系统演变过程,研究了线性多单体对流系统传播过程中发生的形变过程、强弱变化和“列车效应”等现象的物理机制.结果表明:(1)对于雷暴单体的传播方向与雨带的移动方向基本一致的多单体雷暴系统(如飑线系统),单体的传播速度不同最终造成多单体雷暴在形态上发生变化(如由直线形回波演变为“弓”形回波等),以及雷暴单体传播过程中的强弱变化等,是雷暴单体传播过程与低层环境大气相互作用的结果:如果雷暴前端的入流本身是暖湿的,并存在较强的水汽辐合现象时,雷暴单体发展更旺盛,传播速度更快,反之则趋于减弱,传播速度减慢.因此,对飑线系统的临近预报而言,需要特别关注多单体雷暴系统传播方向与近地面层中尺度水汽通量辐合带的交叉区域,该区域的雷暴单体“移动”速度更快、发展更为强烈.(2)对于“列车效应”多单体雷暴而言,其传播环境、传播机制与上述多单体雷暴系统几乎完全不同:“列车效应”一般发生在低空暖湿气流或低空急流附近,环境大气表现为条件性静力不稳定.雷暴单体的传播机制可能是惯性重力波的激发、传播的结果,由于西南暖湿气流或急流是一支暖湿气流输送带,惯性重力波由假相当位温θ_se的高值区向低值区传播,重力波将从背景场中不断获得能量而发展.因此,雷暴传播过程中不断增强的现象造成波动排列的多单体雷暴形成的最大降水中心往往出现在波列的前端.     

基于雷达资料四维变分同化和三维云模式对一次超级单体风暴发展维持热动力机制的模拟分析

利用三维云尺度数值模式和雷达资料快速更新循环四维变分同化(4DVar)技术,对京津冀地区一次强降水超级单体风暴发展演变的热动力机制进行了数值模拟和结果分析,并结合雷达、加密探空和自动站资料,揭示了快速变化的近风暴大气环境及风暴自身的热动力三维特征对超级单体形成、发展和演变的影响.雷达回波观测分析表明,这是一次由多单体合...     

低层垂直风切变和冷池相互作用影响华北地区一次飑线过程发展维持的数值模拟

利用三维数值云模式和雷达资料四维变分同化技术,通过对6部新一代多普勒天气雷达观测资料进行快速更新循环同化和云尺度数值模拟,初步分析了2009年7月23日发生在华北地区的一次飑线过程的低层动力和热动力影响机制。结果表明,这次飑线过程处在低层中等强度切变的环境条件下,低层环境垂直风切变和冷池相互作用是本次飑线过程维持发展和传播的关键机制。在飑线发展的初期,低层垂直风切变较强,但冷池偏弱,冷池传播速度(C)和垂直于飑线的低层切变分量(ΔU)的比值C/ΔU<1,飑线回波前倾。而此时环境热力条件(对流有效位能较高和自由对流高度较低)对飑线的发展加强起到了积极作用,克服了这种低层切变和冷池不平衡所形成的不利条件。在飑线的加强和成熟阶段,由于对流降水使冷空气不断下沉,从而导致冷池快速加强,使低层切变和冷池强度逐渐达到近似平衡状态(C/ΔU≈1),低层大气处于最强的垂直抬升状态,飑线发展最为强盛,飑线回波直立。随着时间的推移,降水累积效应导致冷池强度明显大于低层切变强度(C/ΔU>1),不利的形势导致飑线逐渐趋于消散,飑线回波明显变宽、后倾,回波顶高显著下降。对模拟结果的定性分析和定量计算均表明,影响这次飑线过程发展维持的低层垂直风切变和冷池相互作用机制与Rotunno和Weisman等用来解释飑线发展演变的RKW理论一致。另外,模拟结果显示,低层0—3km风切变对飑线的发展维持最为重要,但是0—6km的中层风切变也有正面作用,特别是在飑线发展旺盛阶段,应该考虑其影响。     

基于雷达回波区域跟踪算法的临近预报技术进展

目前,临近预报技术主要包括外推技术、数值预报技术以及概念模型预报技术等。而业务上主流的临近预报技术以外推为主,主要以雷达资料为基础,采用雷达回波单体质心跟踪算法或雷达回波区域跟踪算法,得到雷达回波以及降水的临近外推预报。本文详细介绍了3种基于雷达回波区域跟踪算法(交叉相关回波跟踪算法、光流法和变分回波跟踪算法)的临近预报技术的国内外研究进展和基本原理。大量的研究和业务实践结果表明,雷达回波区域跟踪算法作为临近预报专家系统的核心部分,在对流天气临近预报方面有较好的可预报性,在临近预报业务时效内,外推预报结果和实况接近,优于数值模式预报。而通过对算法的不断改进,可以提升各临近预报专家系统在临近预报方面的性能。随着天气雷达技术的不断进步,天气雷达在硬件和软件两方面都逐步改进,雷达资料的数据质量明显提高,在对流天气临近预报上,基于雷达回波的区域跟踪技术会凸显其明显优势。