基于物理量参数的江苏短时强降水预报模型的研究

本文利用2004—2013年6—8月江苏省三个常规探空站(徐州、射阳、南京)的逐日高空探测资料,计算了51个物理量参数。在物理量参数与短时强降水事件(观测时刻后0~6 h内出现的短时强降水天气)相关系数的显著性检验基础上,根据物理量参数在短时强降水样本和非短时强降水样本中值域分布特征,最终选定了具有预报意义的16个物理量参数。通过分析不同类型物理量参数对短时强降水天气的指示作用,根据各物理量参数在各月短时强降水事件中的阈值,确定了江苏短时强降水预报的判定指标。采用隶属函数转换法,建立江苏夏季短时强降水预报模型,经实况拟合检验,效果良好。     

新疆短时强降水天气主要流型及环境参量特征分析

利用近10年新疆暖季(5-9月)常规观测、区域自动站小时降水资料,对468个短时强降水过程的主要流型、关键环境参数特征及预报阈值进行讨论.结果表明:新疆短时强降水的流型有中亚低槽(涡)、西西伯利亚低槽(涡)、西北气流等3种,中亚低槽(涡)是影响新疆短时强降水的主要流型;探空温湿廓线可分为Ⅰ型(整层干)、Ⅱ型(上干下湿)...     

新疆伊犁河谷暖季不同历时短时强降水变化特征

利用新疆伊犁河谷高密度地面自动站逐小时降水观测资料,对2010-2022年暖季（5-9 月）短时强降水（flash heavy rain,FHR）逐1h、3h和6h时空分布特征进行分析,结果发现:伊犁河谷暖季不同历时短时强降水阈值空间分布具有一致性,1h、3h和6h极端降水阈值的平均值分别为 8.5mm?h-1 、12.6mm?（3h）-1和16.8mm?（6h）-1。不同历时FHR集中发生在5月中旬至8月中旬,其中6月最多,7月次之;不同历时FHR频次发生在中午13：00至下午18：00。不同历时FHR事件最大小时雨强的月分布与发生站次略有差异,除1h最大为62.6mm?h-1出现在7月外,其他雨强均出现在6月分别为89.9mm?（3h）-1、104.5mm?（6h）-1,较大值位于河谷东部和南部。伊犁河谷暖季不同历时FHR空间分布具有明显的不对称性特征,总体呈东高西低的分布格局,在南北方向上1h短时强降水呈北高南低,3h、6h短时强降水均无明显变化趋势。不同历时FHR降水贡献和发生频率的局地差异明显,存在多个大值中心,主要出现在新源县、昭苏县偏北地区、霍城县偏北地区、特克斯县偏西地区、尼勒克县偏西地区及伊宁县中部等地。FHR频次各站虽有显著差异,但未发生明显离散,地形对FHR的增幅作用显著。     

基于WRF模式的云南短时强降水物理量特征

为了解云南短时强降水发生前本地化中尺度WRF(Weather Research Forecast)模式输出结果的物理量特征及其对短时强降水预报的作用,使用WRF模式对2016年云南主汛期(6—8月)5次短时强降水过程进行模拟,利用模式输出的高时空分辨率资料计算5次过程中85个样本在短时强降水发生前6 h水汽类、动力类及不稳定条件类的部分物理量值,使用箱线图分析各物理量的分布特征及其与短时强降水的关系,应用经验累积分布函数图确定各物理量的阈值。研究表明,水汽类物理量样本数据值分布较为集中,随着短时强降水的临近数值逐渐增大;动力类的6 km垂直风切变中位数值及平均值随时间变化很小,所有时次的6 km垂直风切变阈值均低于12 m/s,表明短时强降水发生前有弱垂直风切变;不稳定条件类中对流有效位能样本数据的离散程度较大,对短时强降水无指示意义;LI指数、K指数和700 hPa假相当位温样本数据离散度较小,其中K指数中位数值、平均值及阈值的上下限在短时强降水发生前1 h有显著增大的特征,且数据集中度达到最高,大的K指数值与短时强降水有较好的对应关系。使用物理量阈值推算短时强降水落点的方法对云南本地化WRF模式短时强降水的预报性能有改进作用。     

基于ECMWF产品福建省前汛期短时强降水预报方法

利用2014—2016年福建省1605个自动气象站逐时降水资料和ECMWF全球模式细网格预报产品,分析福建省前汛期短时强降水发生背景下模式预报物理量的分布特征,并基于阈值判定的方法建立短时强降水预报模型。结果表明:福建省内陆县市前汛期短时强降水发生频次较高,沿海县市发生频次低,且日变化特征表现出双峰结构。箱型图差异指数（I_bd）在评估相关变量对于区分短时强降水发生与否的敏感程度有较好的作用,比湿、整层可降水量等水汽变量I_bd最为显著,K指数、对流有效位能等变量的I_bd仅次于水汽变量,说明模式预报变量对于预测短时强降水有较好的表征作用。针对短时强降水事件的物理量集合,采用剔除异常值后的最小值作为判定阈值,通过训练集分析结果客观订正对流有效位能和3 h降水量两个高I_bd变量的阈值,建立潜势预报模型。对于福建省西部的关键区,检验集白天时段12 h时间分辨率预报TS评分可达0.5,夜间时段约为0.3。对于福建省进行分区建模预报,检验集预报结果显示白天时段比夜间准确率高、内陆县市比沿海县市准确率高。     

基于短时强降水概率预报的模糊检验试验

利用短时强降水概率预报模型生成短时强降水(≥20mm/h)概率预报产品,并对其进行“点对面”模糊检验试验。结果表明：短时强降水(≥20mm/h)概率预报和SWC_WARMS模式最大小时雨量(≥20mm/h)的“点对面”TS评分均明显高于相应的“点对点”评分,短时强降水(≥20mm/h)预报结果可在30～40km范围内进行调整;短时强降水(≥20mm/h)概率预报在概率为30%时TS评分达到最大,Bias接近为1,预报偏差最小;短时强降水(≥20mm/h)概率预报比SWC_WARMS模式最大小时雨量(≥20mm/h)预报更具有参考价值。     

广西台风强降水短时预报系统的设计和实现

介绍广西台风强降水短时预报系统的模块功能、系统结构框架和可视化编成技巧。该系统操作简单，可以快速简便的分析出台风临近或影响广西时的主要强降水区域，对于提高台风对广西影响的应用气象预报水平具有较强的辅助作用。     

基于CMA-BJ的北京地区短时强降水预报试验

基于2019—2021年4—9月北京快速更新数值预报系统(CMA-BJ)产品以及北京地区地面气象站逐时降水实况, 从表征水汽条件、热力和能量条件以及动力条件的多个物理量中筛选出在有无降水、是否强降水情形中有显著差异的物理量作为因子, 采用配料法和模糊逻辑算法构建北京地区0~12 h时效逐小时短时强降水概率预报模型。以2019—2021年4—9月最优TS评分和偏差评分的概率值和组合反射率因子为确定性预报的概率阈值和消空处理阈值, 运用该预报模型对2022年4—9月每日4次0~12 h预报时效北京地区短时强降水产品进行预报和检验。结果表明:北京地区短时强降水TS评分和偏差评分分别为0.104和1.341, 预报效果明显优于CMA-BJ预报产品。概率预报模型能够有效提升强降水高发地区, 即山前及平原地区的短时强降水预报技巧, 获得较为平衡的命中率和空报率, 但对山区预报技巧的提升有限。     

基于GRAPES-MESO模式的极端短时强降水预报

利用2017—2018年5—9月四川盆地109个自动站逐小时降水资料,以及GRAPES-MESO模式0.1°×0.1°的逐3 h预报场资料,从热力不稳定、水汽、动力条件等方面分析极端短时强降水(1 h降水量大于等于50 mm)发生发展所需的关键物理量指标,结合随机事件概率思想和主成分分析方法构建预报模型,研发极端短时强...     

基于Xgboost算法的短时强降水预报方法

基于EC细网格模式的再分析场计算诊断参量,并结合重庆地区2011-2014年5-9月间短时强降水个例建立训练集,进而根据箱线图差异指数提出的阈值法对样本初步消空,然后通过K均值聚类和Relief算法分别重建了类别平衡的训练集,并优选了平均权重较大的参量进入模型,建立了一个以Xgboost算法为核心的重庆地区短时强降水预...     

北京地区短时强降水过程的多尺度环流特征

为了探讨不同天气尺度背景下,北京地区短时强降水过程的基本特征,利用2007-2014年6-8月北京地区自动气象站观测数据和ECMWF ERA-Interim（0.5°×0.5°）全球再分析数据,在对北京地区短时强降水日的大尺度环流特征进行分型的基础上,基于分型合成场和距平场分析了北京地区短时强降水天气过程的基本环流背景及相应的中尺度环流特征。结果表明：（1）造成北京地区出现短时强降水过程的天气系统,依据其出现的频次,大体可分为副热带高压（副高）与西来槽相互作用型、西风小槽型、东北冷涡型和黄淮低涡倒槽型等4类;从低层水汽来看,除东北冷涡型主要来自于渤海、黄海外,其他3型短时强降水过程的水汽主要来自中国南海或东海。（2）不同天气系统主导下的短时强降水时空分布存在较大差异：在空间分布上,黄淮低涡倒槽型短时强降水带分布从北京东南平原穿过城区至西北山前成东南-西北走向,其余3型大体上沿北京地形成西南-东北走向,其中,西南山前、城区和东北山前地区是3个短时强降水事件的多发中心;在时间分布上,东北低涡型造成的短时强降水过程主要发生在午后,副高与西来槽相互作用型主要集中在傍晚至前半夜,而西风小槽型和黄淮低涡倒槽型短时强降水表现出较强的夜雨特征。（3）从中尺度环流特征上看,副高与西来槽相互作用型短时强降水过程主要是低层冷空气从北京西部、北部进入,首先触发山区对流,与之对应的雷暴高压逐渐组织化,外侧辐散气流（冷池出流）和山前的偏南风暖湿气流辐合造成对流过程加强;西风小槽型主要是边界层内较强东南风在北京西北部山前受地形阻挡,向两边绕流,西南支气流在西部形成气旋性环流,造成城区西部的对流性天气,东北支气流在东北部山前形成地形辐合线,夜间随着东南气流中偏南分量显著加强,东北部山前地区的辐合上升运动加强,造成东北部山前对流性天气,因此在短时强降水落区上表现为两个分离的多发中心且具有夜发性;东北冷涡型主要是系统性的冷空气从北京北部或西部南下,在山前与低空偏东风形成辐合切变线,触发午后对流性天气;黄淮低涡倒槽型主要是黄淮低涡顶部的低层偏东气流在北京西部山前辐合抬升,触发对流,并逐步演变为中尺度气旋性环流,形成相对组织化的短时强降水。     

大暴雨过程中短时强降水机制分析

利用雷达径向速度、风暴相对径向速度和风廓线产品以及数值预报产品和雨量资料,分析了临沂2008年汛期中最大也是最后一场大暴雨过程中短时强降水发生机制。结果发现:在有利的大尺度环流背景形势下,中小尺度系统的生成是短时强降水产生的原因。分析还表明:低空西南气流的稳定维持利于降水过程持续,而高空气流的短波波动则造成降水强度的强弱波动变化;当高空气流由偏西风转为西南风,中低空西南气流和中高空西南气流同向叠加时,对流层中层西南急流建立并且向超低空传递,高空冷空气的加入和低层西南气流加强促使中小尺度系统生成,导致短时强降水。     

发生短时强降雨的对流云合并作用分析

利用静止气象卫星、新一代多普勒天气雷达、地面、wrf数值模拟和LAPS再分析资料,对2013年6月30日皖南山区一次短时强降雨过程中的对流云合并现象进行了观测和分析。综合观测显示,这是一次由三个强弱不同的对流云先后发生合并的过程;强弱不同或强度相当的两对流云合并后的新对流云系统短时间内强度是增强的。分析认为,山区夏季对流云合并发生在水平垂直风切变及垂直涡度增大的湿斜压不稳定增强的环境中;对流云合并过程中伴有中气旋、地形涡等中γ系统形成,中气旋与地形涡系统内的强烈垂直运动导致低层形成辐合的垂直环流是山区短时强降雨触发机制。     

郑州市两次短时强降水过程的环境条件和中尺度特征对比

为了探求不同天气影响系统和垂直风切变下中小尺度系统造成的城市短时强降水过程的预报预警特征,以2007年8月2日和2008年7月11日发生在郑州市的两次短时强降水过程为例,利用常规观测资料以及河南省区域自动站、雷达探测资料等,对其大尺度环境条件和中尺度特征进行了对比分析。结果表明:以露点锋为触发机制的强降水超级单体和以锋区造成边界层辐合线为触发机制的混合性降水回波,虽然其雷达回波表现形式不同,但在地面中小尺度系统的作用下,都产生了1~2 h雨量达100 mm·h-1左右的短时强降水;地面辐合中心和高温高湿中心为短时强降水提供了动力抬升、热力不稳定能量和水汽条件;不同的0—6 km和0—2 km高度垂直风切变导致不同的对流回波形式,产生相同强度的短时强降水;短时强降水的降水效率不仅与云中降水粒子的大小有关,还与其数密度有关,即降水强度既与降水回波强度有关,也与其降水云中的滴谱分布有关;两次短时强降水过程分属于强对流型和热带降水型。结合地面加密站观测资料中小尺度分析与雷达探测产品分析,可对此类短时强降水发生提前预警。     

济南市重大短时强降水过程特征分析

利用常规天气资料、多普勒雷达资料和区域自动气象站资料,对发生在济南的33次重大短时强降水过程进行总结分析。结果表明,重大短时强降水过程年均发生3.3次,主要发生在7月上旬—8月中旬,17—23时和02—08时最易发生,南部山区较北部平原地区更易发生,且雨强更大。低槽冷锋型出现最多,水汽和动力条件充足,层结曲线中上层具有喇叭口型结构,对流有效位能呈瘦高状,平均值为1 370 J·kg-1,对流由冷锋触发（有时存在暖区对流）,强降水范围最广;副热带高压边缘型水汽充沛,对流有效位能呈粗胖状,平均值为2 400 J·kg-1,对流由底层的动力系统触发,局地性和突发性强,强降水分布不均匀;低涡切变线型具有夜雨性,水汽较充沛,动力条件一般,对流有效位能平均值为607 J·kg-1。低槽冷锋型和低涡切变线型平均雨强较大,副热带高压边缘型持续时间较长,低槽冷锋型能够产生平均雨强异常大或持续时间较长的过程,因此易出现极端降水事件。带状回波出现最多,主要由低槽冷锋型产生,块状回波主要由副热带高压边缘型产生,分布零散,絮状回波主要由低涡切变线型产生,强度较弱。强回波主要集中在中低层,回波整体质心偏低,呈现热带降水型特征。10次形成列车效应的过程中有7次由带状回波或短带回波的后向传播形成,另外3次由尺度较大的絮状回波形成,其持续时间和平均降水量是其余过程的两倍。     

低层偏东气流对贵州梵净山东侧强降水的作用

利用2005—2018年贵州省84个国家气象站逐小时降水量资料,采用统计诊断分析方法,在区分量级前提下,结合地形特征,分析贵州1 h短时强降水和逐3 h降水的时空分布特征。结果表明：（1）14 a中短时强降水共出现5 981站次,年均427.2站次,其空间分布与地形特征密切相关,整体呈现南多北少、东多西少的特征,贵州西南部“喇叭口”地形和东南部雷公山南侧“喇叭口”地形与河谷地形重叠区域为短时强降水高发区。短时强降水分级统计显示,99%的短时强降水集中在前两个雨强较小的等级,而R_1h≥80 mm的短时强降水14 a只出现过5站次。各站点最大雨强空间分布与短时强降水的总站次数分布趋势较为一致,一般南部大于北部、中东部大于西部,局部存在差异。平均雨强整体呈现南强北弱的特征。（2）在2005—2013年期间,短时强降水站次数大多处于年均值（427.2站次）之下,2011年达到最低值275站次,2014年站次数骤然增加至564站次,2015年继续增加到最大值662站次,其后迅速回落到比年均值略高的位置小幅变化。各站点短时强降水的年际变化在高发区离散度较大,在贵州西北部低发区离散度较小;月际变化曲线呈单峰型,5—8月份是降水高发时段,6月达到峰值。短时强降水主要以单站出现的局地性降水为主,同一时次出现3站以上的情况很少,以6月最多;短时强降水最早出现旬数呈东早西晚、南早北晚的特征,结束旬数西早东晚,北早南晚;各站点短时强降水出现概率最大旬多数集中在第16—18旬（即6月）;短时强降水日变化的时间曲线呈单峰型,21时至次日07时为高发时段,中午12时前后出现较少。短时强降水日变化的空间分布特征为傍晚到前半夜主要集中在贵州西部,而后半夜多出现在东部和南部地区,中午前后全省均较少出现。（3）逐3 h降水时空分布特征与R_1h大体一致,局部存在一些差异。

     

广西汛期不同等级小时强降水时空特征分析

利用2005—2021年4—10月广西91个国家气象站小时降水数据和Oceanic Niño Index (ONI)数据,分析了广西汛期极端短时强降水的特征及其关联因子。结果表明：(1) 广西超过80%站点的极端短时强降水强度在40~70mm·h^-1,强度和频次最高均出现在沿海地区,频次次高区域为桂东北地区,但其强度却为广西最低;(2)每年极端短时强降水频次呈现增多趋势,每年5、6月份极端短时强降水频次最高,但各个月份强度变化不大。(3)每日04—05时、17—18时的极端短时强降水频次最高,各个时次强度均在50~55mm·h^-1,差别不大。(4) 广西极端短时强降水特征不仅与地形密切相关,而且与南海夏季风、厄尔尼诺/拉尼娜事件关联性很大。(5)前一年秋季的ONI和次年前汛期的极端短时强降水呈显著正相关。

     

北京\

利用常规气象观测资料、区域自动站加密观测资料、NCEP 1°×1°逐6 h再分析资料,以及气象卫星、多普勒天气雷达、风廓线雷达探测资料与北京变分多普勒雷达分析系统（VDRAS）反演资料,对2020年8月12日京津冀地区一次区域性暖区大暴雨过程的降水特征、环流背景、中尺度系统演变特征及其成因进行了分析。结果表明：这次过程发生在副热带高压边缘、500 hPa以下暖气团中,主要影响系统为850 hPa低空急流和暖式切变线。强降水表现出明显的阶段性,主要分两个阶段,分别对应河北南部和京津冀北部两个暴雨区,其形成原因不同。第一阶段强降水由一α中尺度对流系统（MαCS）发生发展造成,降雨前局地水汽和能量充足,地面辐合线触发不稳定能量释放形成线状强回波,对应地面气旋性环流为螺旋状回波,其上的对流单体不断发生发展造成强降水。第二阶段强降水由多个β中尺度云团产生,北上加强的偏南风低空急流为暴雨的发生提供了充足的水汽和动力条件,边界层低空急流及中尺度低涡系统是第二阶段大暴雨的重要影响系统,雄安新区单站125.9 mm极端小时强降水是由“逗点状”回波尾部暖云降水叠加“列车效应”共同造成。

     

Statistical characteristics of environmental parameters for warm season short-duration heavy rainfall over central and eastern China

Water vapor content,instability,and convergence conditions are the key to short-duration heavy rainfall forecasting.It is necessary to understand the large-scale atmospheric environment characteristics of shortduration heavy rainfall by investigating the distribution of physical parameters for different hourly rainfall intensities.The observed hourly rainfall data in China and the NCEP final analysis（FNL）data during 1May and 30 September from 2002 to 2009 are used.NCEP FNL data are 6-hourly,resulting in sample sizes of 1573370,355346,and 11401 for three categories of hourly rainfall（P）of no precipitation(P<0.1 mm h^-1),ordinary precipitation(0.1≤P<20 mm h^-1),and short-duration heavy rainfall(P≥20.0 mm h^-1),respectively,by adopting a temporal matching method.The results show that the total precipitable water（PWAT）is the best parameter indicating the hourly rainfall intensity.A PWAT of 28 mm is necessary for any short-duration heavy rainfall.The possibility of short-duration heavy rainfall occurrence increases with PWAT,and a PWAT of 59 mm is nearly sufficient.The specific humidity is a better indicator than relative humidity.Both 700-and 850-hPa relative humidity greater than 80%could be used to determine whether or not it is going to rain,but could not be used to estimate the rainfall intensity.Temperature and potential pseudo-equivalent temperature are also reasonable indicators of short-duration heavy rainfall.Among the atmospheric instability parameters,the best lifted index（BLI）performs best on the shortduration rainfall discrimination;the next best is the K index（KI）.The three rainfall categories are not well recognized by total totals（TT）or the temperature difference between 850 and 500 hPa（DT85）.Threequarters of short-duration heavy rainfall occurred with BLI less than-0.9,while no short-duration heavy rainfall occurred when BLI was greater than 2.6.The minimum threshold of KI was 28.1 for short-duration heavy rainfall.The importance of dynamic conditions was well demonstrated by the 925-and 850-hPa divergence.The representativeness of 925-hPa divergence is stronger than that of 850 hPa.Three-quarters of short-duration heavy rainfall occurred under a negative divergence environment.However,both the best convective potential energy（BCAPE）and vertical wind shear were unable to discriminate the hourly rainfall intensities.     

陕西关中西北部一次短时强降水过程的成因分析

利用常规气象观测资料、陕西区域自动站观测资料、NCEP 1°×1°再分析资料和卫星雷达探测资料,对2012年8月13日关中西北部一次短时强降水过程的成因进行动力学诊断分析,结果表明:在有利于触发中小尺度系统发生及其发展的条件下造成了本次短时局地强降水,雨区环境大气为低层对流不稳定、中层条件对称不稳定、高层对流不稳定的混合型不稳定层结。从卫星和雷达资料分析显示强降水过程是两个不同的中小尺度系统造成,前期是中β尺度干线、辐合线触发带状对流性降水,后期是中β尺度Ω系统触发圆形状对流性强降水。短时强降水雷达反射率因子呈低质心结构,具有热带降雨型特征。