地形云催化增雨试验研究进展

地形云作为最具有前景和可行的人工影响云系,受到人工影响天气工作者和研究人员的关注。本文分析了国内外地形云催化增雨野外科学试验的历史进程,总结了野外科学试验中取得的成果,梳理了在地形云催化增雨试验中需关注的几个关键科学问题,包括对地形云自然降水过程的分析、地形云系统中过冷水在云内的分布、山地云系的微物理过程演变特征及其与中尺度动力结构的关联,介绍了宁夏开展地形云野外科学试验的实践,提出了加快地形云催化野外科学试验,提高地形云云水资源开发利用的对策及建议。为解决中国西北地区干旱问题,推动黄河流域生态环境保护及高质量发展提供了一种思路。     

两次秸秆焚烧导致辽宁重污染过程的气象条件对比分析

利用环境监测站大气污染物数据、地面自动气象站观测资料、L波段加密探空资料和0.125°×0.125°的EC再分析资料,结合MODIS遥感火点监测和HYSPLIT4后向轨迹模拟结果,对比分析了2015年11月8日和2016年11月5日的两次由于东北地区秸秆焚烧导致辽宁重污染天气过程的大气边界层特征、气象扩散条件和大气污染物输送来源等。结果表明:两次过程地面PM_(2.5)浓度均出现快速上升和下降,其中2015年11月8日重污染过程的污染强度较2016年11月5日强,且持续时间更长。2015年11月8日重污染过程的混合层高度较低,其上层的中性层结转变为逆温层结,抑制混合层高度的发展。同时低层冷平流不断侵入到暖平流下方,使得大气层结稳定性增强,维持时间较2016年11月5日重污染过程更长,低层下沉运动和黑龙江西南部、吉林西部污染物的远距离输送增强使得辽宁地面污染物浓度快速累积。而2016年11月5日重污染天气过程主要受深厚冷空气影响,东北地区西部污染物的区域输送和地面风场辐合是地面污染物浓度快速上升的主要原因。     

华北“7.20”特大暴雨多尺度特征分析

利用华北地区248个加密气象观测站资料、FY-2G黑体亮温TBB、邢台站探空资料、华北地区多普勒雷达资料、欧洲中心（ECMWF）0.25°×0.25°和NCEP/NCAR（1°×1°）再分析资料,对2016年7月19—21日一场特大暴雨进行多尺度特征分析。结果表明：200 hPa南亚高压系统呈东西带状分布,500 hPa为“东高西低”环流背景,鄂霍茨克海附近闭合高压下游阻挡效应使上游系统移速缓慢,华北长时间处于深槽之中,环流形势利于产生稳定经向型暴雨;通过高低层流场对比发现,高空急流入口区右侧与低空急流出口区左侧重叠区为最强降水区域,降水大值区均位于太行山及燕山山脉迎风坡;垂直方向上,垂直上升运动中心介于散度辐合中心与辐散中心之间,剧烈的抽吸效应将水汽输送至高层,冷暖气流交汇及水汽上升过程凝结潜热释放导致对流系统迅速发展。河北地区稳定的深厚气旋是本次暴雨的关键系统,19日石家庄地区强对流单体（>45 dBz）存在时间超过20 h。MCS影响范围广、特殊山脉地形作用、系统停留时间较长等原因造成累积降水量增大,是本次暴雨与“7.21”北京特大暴雨相比的突出特点之一。     

辽宁省温带气旋龙卷的环境参数特征

利用欧洲中期天气预报中心ERA5再分析数据, 统计1979—2020年辽宁省42个温带气旋龙卷环境背景和物理量参数特征, 结果表明:辽宁省温带气旋龙卷多发于温带气旋中心的西南、东南象限, 与冷锋前暖区相对应, 主要分布在辽河平原中西部及渤海湾沿岸, 强龙卷(EF2及以上级别)占比为28.6%。风暴相对螺旋度和对流有效位能的大值区出现在气旋西南—东南象限, 呈带状分布, 龙卷风暴主要分布于风暴相对螺旋度大值区西北侧、对流有效位能大值区的顶端的强梯度区附近。强龙卷参数最大值达0.7, 其大值区与EF2及以上级别龙卷相对应。地面冷锋和干线是温带气旋龙卷的关键触发系统, 对比近气旋中心和冷锋尾部湿度垂直分布, 后者所表现的高层强干侵入导致风暴产生更强的冷池, 过强的下沉气流可能是龙卷产生的不利因素。温带气旋龙卷多分布于高空急流左侧气流的分流区内, 对应高空强辐散区。0~3 km垂直温度递减率大值区与气旋中心附近的弱龙卷高发区有较好对应关系。     

风电场风速降尺度预报方法对比分析

使用中尺度数值天气预报业务模式9 km和3 km分辨率的模式输出产品,分别应用小尺度模式CALMET模式和双线性插值(BLI)方法将预报风速进行降尺度处理,并对比预报风速和风塔观测资料。结果表明：WRF模式9 km分辨率的模式输出经过CALMET模式降尺度以后得到的风速预报效果比3 km分辨率的模式输出略好。同时,由于中尺度数值预报模式分辨率本身较高,使用BLI也可以得到较好的风速预报。将风速分为0 m·s^-1≤风速<5 m·s^-1,5 m·s^-1≤风速<10 m·s^-1和风速≥10 m·s^-1共3个等级,检验3个风速等级的预报偏差百分比得出,CALMET模式和BLI方法对10 m·s^-1以上的大风的预报效果相对较差;如何对大风预报进行订正对风速预报准确率的提高具有重要的意义。     

土壤湿度和土壤温度模拟中的参数敏感性分析和优化

使用一种复杂洗牌算法 (SCE-UA, Shuffled Complex Evolution Algorithm) 对Noah陆面模式中的参数进行敏感性分析和优化,其中水文参数采取直接优化和优化土壤成份的形式,侧重于研究两种水文参数给出方法对土壤湿度和土壤温度模拟的敏感性。结果表明:将土壤湿度和土壤温度作为判据,模式中水文参数敏感性最高,水文参数对土壤湿度的敏感性要高于对土壤温度的敏感性。表层土壤湿度作为判据对土壤水文参数优化后,可以改善土壤湿度和土壤温度的模拟,加入深层土壤湿度同时作为判据后,优化使土壤温度的模拟变差。当土壤成份作为优化的参数,表层和深层土壤湿度作为判据,优化能够同时改善土壤湿度和土壤温度的模拟。单独使用土壤温度作为判据不能达到优化水文参数的目的。将土壤成份作为优化的参数后,土壤湿度和土壤温度的多判据优化效果最好,且减少不敏感参数的个数后对优化结果的影响总体不大。基于以上结果,将土壤成份作为优化水文参数的方法能够更好的考虑不同水文参数之间的约束关系,优化后的水文参数具有很好的一致性,优化效果较直接优化水文参数更好。     

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。     

2019年7月3日辽宁开原龙卷灾害现场调查及其所揭示的龙卷演变过程

2019年7月3日,辽宁省铁岭开原市发生了一次具有详细视频记录的强龙卷灾害。基于详细的现场调查和视频资料,得出了该次龙卷的生命史、发生时间、路径、灾害宽度和强度分布,发现龙卷强度的减弱或加强变化与密集高楼和空旷田野区等下垫面状况明显相关联。综合评估本次龙卷最大强度为中国龙卷强度等级的四级（相当于美国的EF4级）,但四级灾害点分布范围非常小,灾害分布宽度和EF4级灾害点范围都显著小于2016年江苏阜宁EF4级龙卷。钢筋混凝土框架结构的居民小区楼房在至少EF3级强度的龙卷风袭击后保持主体结构完好,而大型钢架厂房对龙卷灾害的防御能力远差于居民小区。强龙卷所经地区多为旷野和厂房,受影响人员较少,且龙卷发生时视野极佳,这是该次龙卷没有造成更大灾情的重要原因。由于下垫面状况和致灾机制的复杂性,风灾强度估计必然存在一定的不确定性。     

评估集合卡曼滤波反演土壤湿度廓线的性能

集合卡曼滤波由于易于使用而被广泛地应用到陆面数据同化研究中,它是建立在模型为线性、误差为正态分布的假设上,而实际土壤湿度方程是高度非线性的,并且当土壤过干或过湿时会发生样本偏斜.为了全面评估它在同化表层土壤湿度观测来反演土壤湿度廓线的性能,特引入不需要上述假设的采样重要性重采样粒子滤波,比较非线性和偏斜性对同化算法的影响.结果显示:不管是小样本还是大样本,集合卡曼滤波都能快速、准确地逼近样本均值,而粒子滤波只有在大样本时才能缓慢地趋近;此外,集合卡曼滤波的粒子边缘概率密度及其偏度和峰度与粒子滤波完全不同,前者粒子虽不完全满足正态分布,但始终为单峰状态,而后者粒子随同化推进经历了单峰到双峰再到单峰的变化.     

台风“碧利斯”的雷达反演与改进

利用两步变分反演方法研究2006年第4号台风＂碧利斯＂,比较单部雷达资料和双部雷达资料的反演结果。结果表明：利用单部雷达资料不能很好地反演出台风的风场结构特征,而双部雷达资料在第一步反演背景场时,可以显示出台风的涡旋特征。通过检验发现,此次台风过程的水平切向风在最大风速半径内部与Rankine模型相近,外部与Chen 3模型接近。为了更有效地利用单部雷达的观测信息准确定位台风的移动路径,故在单部雷达资料第一步反演背景场时加入模型弱约束。反演结果表明,加入模型弱约束后,反演的背景风场可以看出台风的涡旋特征,通过第二步反演后与双部雷达资料结果相近;加模型弱约束的单部雷达反演结果与双部雷达反演结果间u、v分量的相关系数均为0.8或以上,2—7 km高度层u、v分量的均方根误差明显减小。