GPM卫星降水产品在台风极端降水过程的误差评估

以雨量站观测数据为基准,利用相关系数(CC)、相对偏差(RB)、均方根误差(RMSE)以及分级评分指标(探测率POD、误报率FAR、临界成功指数CSI),对全球降水计划GPM多卫星融合产品4.4版本准实时产品IMERG_ER(简称IMERG)在2017年接连登陆广东的3个台风天鸽、帕卡和玛娃极端降水过程性能进行评估。广东省内天鸽、帕卡和玛娃的CC分别为0.80,0.68和0.47,RB为-12.00%,-47.06%和-29.10%,RMSE达33.00,40.03和26.40 mm。雨区的CC分别为0.59,0.48和0.33,RB为2.21%,-43.58%和-25.94%,RMSE为44.34,51.04和40.64 mm。IMERG低估了天鸽、帕卡、玛娃的总体降水强度,主要源自于对雨区的低估。从散点分布来看,IMERG高估了强降水,低估了弱降水的强度,对极端强降水的估测能力存在较大的不稳定性。降水量时序变化特征表明,IMERG较好体现了降水峰值和谷值的数量及变化趋势,但时间和强度有偏差。误差来源于复杂地形、PMW观测时间分辨率不足和IR反演降水准确度不足对卫星估测降水的影响。分级检验结果显示,相同量级内,雨区的POD更大,FAR更小,CSI评分更高,IMERG对雨区的反演能力更强。IMERG对天鸽估测效果最好,POD较高,FAR较小,CSI较高;帕卡POD较低,暴雨及以上的FAR较高,CSI下降显著;玛娃POD比帕卡高,但FAR也高,CSI中等。可见IMERG对小量级降水具有较好的估测能力,强降水估测显著偏高,暴雨及以上的降水误差起了主要贡献。     

欧洲的近实时降水分析

1.前言1986年4月26日,苏联乌克兰切尔诺贝利列宁核电站4号反应堆发生事故.该事故在世界上是迄今为止最为严重的逸出放射性物质进入大气的事件,逸出的大量物质从空中被输送到遥远的地区,造成对欧洲许多地区的污染(Smith和Clark,1989).     

“0711”山西晋城极端强降水过程的宏微观特征分析

利用ERA5逐小时0.25°×0.25°再分析资料、地面自动监测站以及FY-4A卫星、多普勒雷达、激光雨滴谱仪等精细化监测资料,对2021年7月11日山西晋城极端强降水过程的宏微观特征进行分析。结果表明：（1）此次极端强降水是继1961年以来晋城7月降水出现的第二高极端降水;高空急流入口区右侧强辐散、低空急流出口区风速辐合、低涡暖式切变线附近强辐合是极端强降水的宏观动力条件;低空急流将水汽源源不断向极端强降水区输送,整层大气可降水量高达65 mm以上是极端强降水发生的宏观水汽条件;500 hPa高度槽超前700 hPa和850 hPa冷式切变线是此次极端强降水发生的宏观动力不稳定条件。（2）极端强降水落区位于500 hPa高度槽、 850 hPa和700 hPa暖切变线、地面干线所围成的不规则四边形区域,且与500 hPa T-Td≤4℃、 700 hPa T-Td≤3℃、 850 hPa T-Td≤2℃、 Ki指数≥38℃、 Si指数≤-1℃所控制的区域相重叠,在对流云团西南侧亮温梯度的大值区和云团西南部的低亮温区,即在地面干线和地面中尺度切变线0～30 km范围内极端降水量最大。（...     

“8·31”广东极端强降水过程边界层触发条件分析

利用CFSR再分析资料、Micaps实况以及区域自动站等资料,对2018年8月30—31日广东惠州惠东-汕尾陆河附近出现的一次极端强降水过程进行边界层触发条件分析。结果表明:在具备华南暴雨发生发展必要条件的背景下,强盛西南季风脉冲,季风低压缓慢移动造成西南-偏南气流长时间维持;边界层中尺度能量锋和辐合区的演变激发了季风气流中不稳定能量释放,以及向西南开口的"U"型山谷和迎风坡产生的气流抬升辐合,暴雨雨团遇到莲花山主峰时发生移速减慢停滞,雨强加大,在沿山脉-高潭附近的低地峡谷一带形成明显的"列车效应",致使惠东高潭过程累积和24 h降水量均刷新历史记录。     

近42年辽宁极端降水事件分析

利用辽宁51个台站的逐日降水资料，分别计算出1961～2002年51个台站的年降水量、年降水日数、年平均降水强度、年暴雨日数、年大暴雨日数、年最大连续降水量、年最长连续降水日数、年最长连续无降水日数的8个时间序列，用极值法对上述时间序列极端偏多(大)和极端偏少(小)2种极端情况的年际变化进行分析。结果表明：辽宁年降水量极端偏小、降水日数极端偏少和连续无降水日数极端偏多均有增加的年际变化趋势。     

呼和浩特近59年降水极端事件分析

利用呼和浩特气象站1951—2009年逐日降水量资料,以年序列的第90个百分位,建立了日降水量极端气候事件的阈值,检测了近59年来呼和浩特逐日降水量极端事件的出现频率,分析了极端事件阈值和日数及降水量的年际、年代际和季节变化,结果显示:①呼和浩特日降水极端事件的阈值小,为10.6mm;全年极端事件出现的频次11d。②降水极端事件主要出现在4-10月,且8月最多。③近59年来呼和浩特全年降水极端事件及其降水量没有显著的增减变化趋势,但而进入21世纪后,极端降水事件及其降水量的变率加大,降水强度明显减小。     

“5.23”华南局地性强降水天气过程分析

采用广东省观测站降水实况数据和ERAdata再分析数据(分辨率0.125°×0.125°),以及MICAPS实况资料,对发生在华南地区2014年5月23日的局地性强降水过程进行总结分析。我们得出:此次强降水过程是发生在强盛西南气流影响下的暖区强降水,具有降水强度强、局地性明显、致灾严重等特征;高空槽和副热带高压的演变有利于西南气流的发生、发展和维持;西南暖湿气流上水汽辐合区,以及能量锋的变化与强降水发生的时间和落区相对应;位涡的演变特征对于强降水发生的时间和落区具有很好的指示意义;强盛的上升运动为强降水的发生提供有利的动力条件。     

“菲特”(1323)台风降水的极端性分析

基于1981—2013年间的热带气旋降水资料,使用百分比法研究了台风"菲特"所带来降水的极端特性,并进行了降水重现期特征分析。结果表明:台风"菲特"期间的日降水量、小时雨强、过程降水量超过"单站热带气旋极端降水阈值"和"中国热带气旋极端降水阈值"的站点几乎覆盖了整个上海以及浙江北部地区,并且日降水量和过程降水量达百年一遇标准的也占相当大的比例,甚至有的站点创历史极值,此次过程在这些地区是很罕见的。相比较而言,"菲特"影响期间,极端日降水和极端过程降水的分布范围以及极端性都大于小时雨强,极端过程降水较极端日降水分布范围小,但极端性更强。     

台风“鮎鱼”极端降水分析

1617号台风"鮎鱼"的降水异常强大,温州、丽水部分县市的过程雨量和日雨量超过历史极值,灾害严重。利用NCEP 0.5°×0.5°再分析资料、FY-2G卫星资料、多普勒雷达探测资料和自动站加密观测等资料,对其成因展开分析。结果表明:"鮎鱼"东面与强大稳定的副高之间构成东南急流;北面与缓慢东移的华北高压之间构成偏东风急流;南面是与西南季风相连接的西南急流;3支低空急流构建的切变辐合区是水汽辐合和不稳定能量的集合区,也是中尺度对流的强烈发展区,温州、丽水部分县市的极端降水由中尺度对流的持续发生发展引发。低空急流的长时间持续,特别充沛的水汽输送和冷空气的影响是"鮎鱼"极端降水的主要影响机制。冷空气影响期间,降雨回波发展旺盛,结构紧密,回波强度和降水效率等明显强于无冷空气影响时台风本体环流降雨回波。云顶相当黑体亮度温度(TBB)与台风降水有较好的对应关系,有一定预报参考价值。     

基于卫星融合降水资料的河北省暖季短时强降水分析

利用国家气象中心1998—2018年6—9月0.1°×0.1°分辨率的逐小时卫星融合降水资料,分析河北省暖季短时强降水(1 h降水量≥20 mm)的空间分布、日变化特征及成因,结果表明:短时强降水过程的平均小时降水量、降水频次、降水强度、峰值降水量自东南向西北递减,其中东部沿海降水量最大,太行山和燕山的迎风坡附近存在降...     

“18.8”粤东暴雨中心极端强降水“列车效应”分析

2018年8月30—31日广东出现一次超历史记录的极端强降水过程,惠东高潭24 h雨量达1 056.7 mm,采用广东省区域雷达拼图产品、MICAPS实况、CFSR逐6 h再分析资料(水平分辨率0.5°×0.5°),以及广东省国家级地面气象观测站和区域自动站资料,着重分析了此次过程中"列车效应"的演变特征。结果表明:"列车效应"发生在缓慢移动的季风低压诱发的有利大气环流背景下,最显著的特点是水汽通量散度和假相当位温大值区主要存在于925 hPa及其以下的边界层中,且在强降水发生时段汕尾附近地区边界层风向由西南风逐渐逆时针转为偏南风,在汕尾中部附近地区形成气流辐合上升;MβCS中多单体对流风暴沿西南季风和莲花山山脉走势自西南向东北方向传播;地面中尺度辐合线以及低空西南-偏南暖湿气流的脉冲,以及惠东高潭附近的特殊地形分布触发了此次过程中"列车效应"的发生发展,从而引发了高潭创历史记录的极端强降水过程。     

基于FY-4A卫星数据的短时强降水监测预警指标

选取2018—2021年汛期短时强降水天气过程,利用相关性分析、箱线图法和极值统计法,尝试研究FY-4A卫星产品在短时强降水天气过程中的监测预警指标。研究表明：(1)FY-4A卫星多通道数据可以作为短时强降水监测预警的定量化指标予以应用。(2)筛选出相关性较好的13项产品统计出短时强降水的监测预警指标,其中赋值类指标4项,数值判别类指标9项(含辅助指标3项);初步设定13项指标中有9项达标时,短时强降水会发生。(3)在评估基础上完善了指标,监测预警效果有所提高,TS评分提高5.4%,空报率降低2.7%,漏报率降低1.9%。     

近50年黄河上游流域年均降水与极端降水变化分析

利用1970-2017年45个气象台站逐日降水资料分析了黄河上游流域降水空间分布规律以及年均降水和极端降水的变化趋势,将黄河上游流域按照地形地势、海拔、气候带分布等多种因素划分成源头区、产流区、出口区,并结合极端降水指数采用Mann-Kendall法、小波分析法分析了不同时间尺度下降水序列变化的周期和突变点,研究极端降水时空变化。结果表明,黄河上游流域年均降水从东南向西北扇形递减,源头区和产流区是年降水量的主要贡献区域;年均降水和极端降水均存在明显的周期振荡特征,其中源头区和产流区在22年左右,出口区在18年和8年左右;整个上游区域,极端降水和年均降水的变化趋势较为一致,但年降水量近年来呈现增长趋势,而极端降水事件的发生频率则有所降低。     

污染气溶胶对“7.21”极端降水的影响

运用完全在线耦合气溶胶—云—降水相互作用的WRF-Chem模式研究了污染气溶胶在2012年"7.21"极端降水事件中的作用,结果表明:在耦合人为排放源的情况下,通过与多种观测资料对比发现,WRF-Chem能较好地模拟此次极端降水事件中气象要素和气溶胶的发展趋势;不同水平的污染气溶胶在此次极端降水事件有不同的作用,相对于无污染气溶胶排放的情况,低排放水平的污染气溶胶对降水有激发作用,使降水增强,高排放水平污染气溶胶使降水更加的集中到降水中心,200 mm以上的降水区域增加了7倍以上,污染气溶胶对此次极端暴雨事件的形成有着重要作用;加入人为气溶胶的排放后,凝结核的增多、更加充沛的水汽条件及额外的凝结潜热的释放,使对流增强,降水粒子的含量增加是导致大暴雨更加强烈的原因。     

“尤特”强降水过程大气层结分析

1311号强台风“尤特”登陆后给广东带来持续性大范围强降水,对流降水特征显著.分析了“尤特”影响期间大尺度环流背景,重点讨论了此次持续性强降水过程中大气层结问题.发现低空急流向广东输送强的暖平流,是广东大气层结不稳定得以持续维持的根本原因.进一步分析发现,低空急流本身并不是“暖”的,当“尤特”趋向陆地时,陆地上的暖气团在“尤特”环流强迫下向南传播扩散,低空急流穿越这一暖区时温度升高才具备“暖”的特性.这一事实在以前并未被关注到.通过个例反查,在许多登陆后造成连续强降水的台风过程中均发现了这一特征.因此,台风登陆引起环境温度场的演变以及与低空急流的配置需引起重视.     

“16·7”华北极端强降水过程对流尺度集合模拟试验不确定性分析

基于4km水平分辨率的WRF-ARW中尺度模式,对2016年7月19日华北地区的极端暴雨过程进行了不同降水微物理过程的对流尺度集合模拟试验。结果表明:各个成员模拟降水的强度、时空分布与观测实况较为接近,但也具有明显的不确定性。通过邻域检验的ETS评分、相关系数和均方根误差等指标进行评估表明,采用Morrison方案和WSM6_P2方案的集合成员表现较好,对流尺度集合模式在降水强度和准确度较全球数值模式预报有一定提升。频率检验表明集合预报在50 mm以下量级的预报存在过量预报的倾向,而100 mm以上的强降水预报相对偏弱。不同降水物理过程的集合成员在高空急流和地面气旋等关键天气尺度系统的发展过程中表现出明显的不确定性;通过降水量与整层可降水含量,低层相对涡度和垂直运动等诊断量的联合分析表明,集合成员可分为强降水集合和弱降水集合两类,其中强降水集合拥有较强的对流性回波、较明显的对流性下沉以及较强的地面冷池,强的潜热反馈也导致对流层中层出现相对较大的正位涡异常,并进一步影响天气系统发展。弱降水集合成员降水以暖云降水为主,对流性上升和地面冷池相对较弱,但较为接近本次以稳定性暖云降水为主的天气过程。检验模拟雷达回波表明双参量降水物理方案在反映层云回波亮带和层云与对流核的分离特征上更为清晰合理。利用WSM6物理方案参数设置的敏感性试验表明,不同参数组合设置的预报成员分别表达了强对流风暴和暖云强降水两种性质的强降雨过程,对于一次特定天气过程中的对流系统发展能够预计到更多的不确定性,展现了对流尺度集合预报的优越性。     

城市化对北京一次极端降水过程影响的数值分析

通过敏感性试验探讨了城市化对北京2011年6月23日局地极端降水事件的影响.结果表明耦合了城市冠层模式的WRF系统能较好地模拟出强降水的局地性和突发性特征,考虑了精细下垫面分类的敏感性试验模拟降水更接近实况;下垫面城市化对地表能量平衡影响明显,对大气的热量影响除加强地表对边界层大气向上感热输送外,还会减少局地地表蒸发及大气水分供应,增加边界层高度,并对移经本地的天气系统强度及水汽输送产生较明显的影响.     

不同站网对极端降水事件变化监测的影响

利用1961—2011年51年的日降水资料,以2400多站组成的国家级站网为基准,通过分析不同站网对中雨日数、大雨日数、强降水量和极强降水量4种极端降水指数监测差异,对中国不同地面观测站网对中国极端降水事件的代表性进行了评估。研究发现,各站网对极端降水事件变化的时间和空间分布监测精度由高到低依次为:基本基准站网,基本站网,基准站网,GCOS站网。GCOS站网和基准站网对各降水指数的空间分布的影响与标准站网相差较大。基本基准站网和基本站网对各极端降水指数变化方向及变化速率的空间分布与标准站网非常一致,但在西南地区北部、东北中东部地区、长江中游北侧局部地区的观测精度仍然不理想。     

云南一次极端强降水过程成因和地形影响分析

基于多种站点观测资料和ERA5再分析资料,对2020年8月15~19日云南一次影响全省的强降水过程的持续性和预报偏差原因进行探究。结果表明：青藏高压的持续东移,是此次降水过程得以维持的关键因素。500hPa影响降水的关键天气系统是由滇缅高压和西太平洋副热带高压形成的两高辐合系统,其演变为北槽南涡,最终发展为青藏高压和西太平洋副热带高压形成的两高辐合系统。此过程中,中高纬度中高层冷平流促使短波槽发展,中层入侵云南的冷空气加强了其上空的层结不稳定性,低层冷空气则增强了对暖湿空气的抬升。在有利天气形势下,云南西南部哀牢山对该地区降水有明显的增幅作用,尤其是迎风坡,海拔高度和降水的正相关性较好,但地形对降水的增幅作用并不一直随海拔高度的增加而增大。ECMWF数值模式没有预报出影响云南降水的两高辐合系统的西移,导致云南中部至西南部降水量预报明显偏小。     

“21·7”河南极端强降水特征及环流异常性分析

基于国家自动站及区域自动站降水观测资料、欧洲中心大气再分析资料（ERA5）分析了河南“21·7”过程的降水特征及环流和物理量的异常性，并对比1981年以来郑州和鹤壁50 mm以上强降水过程的物理量特征。结果表明：1）“21·7”强降水过程在累计降水量、强降水覆盖范围、日雨量和小时雨强等方面均表现出显著极端性，过程累计降水量超过400 mm的站点集中分布在太行山东麓沿山地区和伏牛山东侧迎风坡一侧，与地形关系十分密切。2）南亚高压增强东伸，副热带高压异常偏强偏北，低纬度地区活跃的低值系统等大气环流异常，导致了水汽稳定持久向河南输送，太行山和伏牛山沿山一带水汽辐合偏离气候态最强超过-10σ，表现出显著极端性。3）“21·7”过程中，动力条件的异常特征十分显著，200 hPa的辐散中心分别位于伏牛山和太行山东麓沿山一带，相较历史气候态偏离度达到2σ～5σ；伏牛山沿山一带850 hPa涡度偏离气候态程度较太行山东麓一带更大，达6σ；而700 hPa上升运动则是太行山东麓一带极端性更强，标准差达-3σ～-5σ。4）与1981年以来同区域暴雨过程相比，“21·7”过程中，850 hPa涡度和700 hPa垂直速度的标准差为历次过程最大（最小）或次大（次小）者，对暴雨极端性有指示意义，地形附近历次暴雨过程物理量统计显示，伏牛山和太行山东麓的850 hPa辐合及700 hPa垂直速度平均偏离气候态超过3σ（-3σ），且偏离程度与日雨量呈正相关。