基于加密自动气象观测站和国家气象观测站的山东省极端短时强降水时空分布特征的对比分析

利用2008—2017年4一10月山东省加密自动气象观测站(简称全部站)和国家气象观测站(简称国家站)逐小时1 mm以上降水量资料,通过对比分析,探究不同分辨率数据对极端短时强降水时空分布特征的刻画效果。结果表明如下:全部站小时降水量的偏态特征比国家站明显,若分析小时降水量的平均状态,两者均具有代表性,若分析短时强降水的极端性,全部站数据更具有优越性。将各站第99.5%分位数作为极端短时强降水的阈值最合理,全部站和国家站对于30～45 mm阈值的空间分布特征相似,45 mm以上的阈值,全部站的数值和范围均大于国家站。山东省大部地区的极端短时强降水强度集中在40～60 mm·h~(-1),全部站和国家站在此区间的空间分布特征相似。国家站数据不能刻画40 mm·h~(-1)以下和60 mm·h~(-1)以上的极端短时强降水的空间分布特征。极端短时强降水强度的空间分布特征与地理位置及地形特征密切相关。鲁东南地区的极端短时强降水强度、日最大降水量及夏季降水量、年降水量均居山东省之首,鲁西北地区虽然强降水频次高、强度大,但与年降水量和夏季降水量没有正相关关系。全部站与国家站极端短时强降水频次的月变化和日变化特征一致,但国家站不能完全代表山东省极端短时强降水强度的月变化和日变化平均状况,全部站数据能更准确地反映山东省的时间变化特征。     

西南地区短时强降水的气候特征分析

利用国家级地面气象站逐小时和日降水数据集资料,对西南地区短时强降水的气候特征进行了分析,并对近30年来强短时强降水和强暴雨的变化趋势进行了分析。结果表明:西南地区短时强降水主要集中在4-10月;三个高发区分别位于贵州东南部、四川盆地西南部和云南东南部,年均发生次数约5～6次;强度一般为20～30 mm·h~(-1),其中贵州30 mm·h~(-1)以上的小时降水强度所占比例最高,四川盆地西部边缘地区小时降水最强,超过80 mm·h~(-1),极端小时降水达123.1 mm·h~(-1);短时强降水具有明显的夜发性,02时左右为发生频次的峰值时段。从近30年西南地区超过第90百分位的强短时强降水与强暴雨的长期变化趋势来看,强短时强降水呈现频次增加、强度增强的变化趋势,强暴雨则变化不明显。     

内蒙古夏季降雨过程持续性特征

利用1991—2017年夏季(6—8月)内蒙古地区111个国家站逐时降雨量资料和1971—2017年夏季(6—8月)内蒙古地区115个国家站日降雨量资料,分别对内蒙古地区短时强降水过程和日降雨(小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨)过程持续性特征进行研究。结果表明:(1)内蒙古地区短时强降水过程持续最长时间为38 h,其中持续3 h所占比例最大。持续时间在12 h内的短时强降水过程在16:00(北京时,下同)—18:00降雨量偏离程度最大,但持续时间超过12 h的短时强降水过程在03:00降雨量偏离程度最大,短时强降水过程持续时间越长,降雨量极值越低。自2010年以来内蒙古地区短时强降水过程发生次数开始增多,其中持续时间在4～6 h和7～12 h的短时强降水过程增加显著,但持续时间在1～3 h短时强降水过程明显减少。(2)内蒙古地区小雨过程和暴雨过程发生次数呈现递减趋势,但近年来持续长时间的小雨过程、中雨过程和暴雨过程偏多。在2017年出现首场特大暴雨过程。内蒙古地区特大暴雨过程最长持续日数2天,其余日降雨过程最长持续日数在10～15天,其中大雨过程持续日数最长可达15天,小雨过程和中雨过程(大雨过程和暴雨过程)持续1天(2天)所占比例最高,日降雨过程降雨量极值易发生在前3天。(3)内蒙古地区降雨过程发生次数、持续小时(日)数极值和累计降雨量极值空间分布特征都表现为自内蒙古西部地区向中部偏南和东部地区递增,高值区易发生在内蒙古东部地区。     

怀化市汛期短时强降水特征分析

利用怀化市11个国家站和403个区域站2012—2017年4—9月逐小时降水量资料以及NCEP资料,采用统计分析方法分析了怀化市短时强降水的时空分布特征,同时采用天气诊断分析方法对产生短时强降水的天气系统进行归纳,得到如下结论:怀化短时强降水的频数年际变化大,发生频次最多的是2017年,达103次,最少的是2013年,仅35次,且主要集中在5—7月,6月最多,4月最少;其日变化呈单峰型,4—10时最易发生短时强降水,峰值出现在08时,11—23时为低发时段。短时强降水的频数高、日数多,空间分布表现为北部多,中南部少;2/3的短时强降水极值对应等级为50～79.9 mm·h~(-1),最大值为129.9 mm·h~(-1),雪峰山西侧(会同、洪江、溆浦)以及辰溪境内最易发生≥80 mm·h~(-1)的短时强降水。产生短时强降水的天气系统主要有低涡型和切变线型。当850 hPa低涡在关键区域活动时,低涡型短时强降水主要集中在低涡偏东偏南位置,而切变线型短时强降水主要集中在850 hPa切变线偏南1～3个纬距内,尤其是与低空急流出口区左侧叠加的区域。     

甘肃省汛期小时降水的变化特征

利用甘肃省71个国家气象站1975—2016年汛期(5—9月)逐小时降水量数据,采用线性趋势分析、空间插值等方法,对比分析了甘肃省内不同气候区(干旱区、半干旱区和半湿润区)逐时降水量时空分布特征,揭示了其变化规律。结果表明:(1)全省小时降水比率(某小时降水量占日降水量的百分比)和降水频率一日内各时次分布不均匀,其中降水比率分布不均匀最明显的区域在干旱区,而降水频率分布不均匀最明显的区域在半湿润区。(2)全省小时降水比率低值集中在11:00—15:00,高值出现在20:00前后,主要在18:00—23:00;全省小时降水频率低值集中在12:00—17:00,高值主要在22:00至次日11:00。(3)小时降水比率的分布在3个不同气候区的差异不大;但小时降水频率半干旱区和半湿润区较大,数值也较为接近,而干旱区最小。甘肃省小时降水比率和降水频率均不存在明显的线性变化趋势。(4)全省午后降水的不稳定性要大于午前,5—8月午前降水量在一日中所占的比例小,而9月午前降水量大于午后降水量。(5)干旱区的小时降水比率对相应时次降水量的大小起主导作用,降水频率的作用次之;而半湿润区的降水比率和降水频率共同影响小时降水量。     

中国干湿状况和干湿气候界限变化研究

选取全国616个地面气象台站1975-2004年的地面资料,通过Penman-Monteith公式计算的参考蒸散确定湿润指数（W）,按W为0．03、0．2、0．5和1．0把中国分为极干旱、干旱、半干旱、半湿润和湿润5个干湿区,给出了湿润指数的变化趋势和变异状况的地理分布,讨论了湿润指数的年代际变化特征。结果表明：湿润状况显著增加的地区主要为新疆西北部和中国的西南部,干旱化显著的地区主要在青海的东部、甘肃的南部和四川北部;干湿状况变化从中国的东部向西部逐渐增大,中国的西南地区干湿状况最为稳定;20世纪80年代初全国的平均干湿状况发生变化,由干旱趋向湿润,30a来半湿润、湿润地区干湿状况年际变化大,半干旱区和湿润区增多,半湿润区减少。     

中国干旱半干旱地区的冷季快速增温

利用中国713个观测站均一化的月平均温度资料,详细分析了近55年中国温度变化的季节性及区域特征,并进一步分析了中国干旱半干旱区冷季增温前后的大气环流特征。年际变化结果表明,中国的增温现象主要是从20世纪80年代中期开始,90年代快速增长,21世纪初增温变缓,其中干旱半干旱区的年均增温速率是湿润半湿润区的1.7倍。季节性特征为冷季增温速率是暖季的1.9倍,干旱半干旱区的冷季增温速率较大,都超过了0.3℃·(10a)-1,其中青藏高原、内蒙古中部、东北和华北增温尤其显著,湿润半湿润区的冷季增温相对较慢,其中中西部地区比东部沿海增温较慢。干旱半干旱区的冷季温度在1986年左右发生显著暖突变,突变前后的大气环流对比分析表明,极涡强度减弱、东亚大槽和欧洲浅槽变浅、极地冷高压和西伯利亚高压偏弱、气旋性异常环流和东部地区的异常东南气流都有利于干旱半干旱区冷季的快速增温。     

2008-2012年四川强小时雨强的时空分布特征

利用2008-2012年四川157个基本测站和895个区域自动站的逐时降水资料,通过统计诊断方法分析了四川的强小时雨强发生频次、极值的时空分布特征,得到如下主要结论:(1)四川每年出现20 mm·h~(-1)以上的强小时雨强达3537.8次,平均每年的强小时雨强极值均超过了100 mm·h~(-1),并在2012年呈一个跃升的趋势。(2)四川强小时雨强落区主要集中在四川盆地及攀西南部的大部分地区,且强降水高发中心主要位于从盆地向山脉过渡的纵向陡峭地形区。雨强极值超过了30 mm·h~(-1)的落区也集中在盆地及攀西地区。频次及雨强极值的变化与海拔有密切联系,迎风坡的陡峭过渡地形削弱了频次及雨强极值随海拔的增高而减少的速率。(3)频次的月变化比强小时雨强极值的月变化更显著。7月发生强小时雨强的次数最多,其次是8月,5月最少。6-9月雨强极值均超过100 mm·h~(-1)。(4)20 mm·h~(-1)和30 mm·h~(-1)以上的强小时雨强频次日变化均呈夜间活跃的单峰型特征,而50mm·h~(-1)以上的强小时雨强突发性较强,日变化呈多峰型结构,且盆地不同区域的日变化特征及峰值活跃时间也有较大差异。     

陇东半干旱区一次特大暴雨事件的降水极端性分析

2022年7月15日地处半干旱区的甘肃陇东出现一次特大暴雨过程,多站日雨量和小时雨量均突破历史极值。利用2022年7月14日20:00至15日20:00（北京时）逐分钟、逐小时降水观测数据,甘肃省庆阳市192个区域气象站建站以来日降水量、小时降水量资料,以及地面-卫星-雷达三源融合降水分析产品（CMA Multi-source Merged Precipitation Analysis System,CMPAS）10 min和1 h降水量数据,分析此次特大暴雨过程的降水特征及极端性。结果表明：这次特大暴雨过程具有累积降水量大、暴雨及以上量级降水落区集中、对流性降水强、降水中心稳定少动、短时强降水持续时间长等特征,其中累积降水量、降水强度和短时强降水持续时间的极端性明显。特大暴雨中心位于庆城县中北部的翟家河站,最大累积雨量达373.2 mm,是该站建站以来观测最大值,接近甘肃省所有国家站日降水量极值的2倍;最大小时雨量达84.9 mm,位居庆阳市所有测站建站以来小时雨量第3位;短时强降水最长持续时间达6 h,是庆阳市所有测站建站以来最大值。分钟级降水量演变表明,强降水中心的降水强度具有脉...     

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...     

中国干旱半干旱区洪涝灾害的初步分析

中国干旱半干旱区的洪涝灾害是一个尚未引起人们重视的重大科学问题,这主要是因为干旱半干旱区对洪涝灾害的防范意识比较薄弱。而极端降水事件的次数、强度和持续时间与干旱半干旱区的洪涝灾害有密切联系,直接影响该区域洪涝灾害及其次生地质灾害的次数与严重程度。以干旱半干旱区的极端降水事件为切入点,分析了中国干旱半干旱区的极端降水事件次数和极端降水量的变化特征,旨在为干旱半干旱区的洪涝灾害研究提供科学依据。结果表明,进入21世纪以来,中国110°E以西的干旱半干旱区极端降水事件的日数有所增多,而110°E以东的区域日数都有所减少。干旱半干旱区极端降水量的变化也呈现出西增东减的分布,大部分干旱半干旱区的极端降水量变化占总降水量变化的40%以上,一部分地区能达到50%,甚至100%-200%。从季节变化来看,春季天山以北、新疆南部、甘肃敦煌和内蒙古包头以北地区极端降水量增加较多,夏季110°E以西的干旱半干旱区极端降水量均增大明显,秋季陕西榆林、内蒙古鄂尔多斯、包头和呼和浩特等地极端降水量增大较明显。     

中国大陆台风远距离极端降水的基本特征

台风远距离极端降水可以分为极端小时降水(Extreme Hourly Precipitation,EXHP)和极端持续性强降水(Extremely Persistent Heavy Rainfall,EPHR)两类,因其作用距离远、机理复杂,是强降水业务预报中的重大挑战。为了加深对台风远距离极端降水特征的认识,本文利用2009—2019年中国自动站融合CMORPH卫星降水数据、热带气旋的最佳路径数据集,揭示了中国大陆EXHP和EPHR事件的基本特征。结果表明:环渤海、长江中下游、四川盆地是由台风远距离降水引发的EPHR和EXHP事件的3个高发区,强降水持续时间≥5 h为台风远距离EPHR的判别标准,在3个不同的区域内,EXHP的阈值分别为34.05、30.52及27.19 mm·h^-1。EPHR的发生时次与EXHP重合率高。EPHR事件的持续时间最长可达44 h,最大累积降水量可达542.03 mm,而EXHP的小时降水量更强。环渤海地区极端降水多发于夜间到清晨,长江中下游地区多集中在上午,四川盆地则集中在凌晨。造成长江中下游远距离极端降水的最大台风强度在3个地区中最强。极端降水落区与台风的最远距离发生在环渤海地区,可达4 333.1 km。     

1981—2018年内蒙古不同等级降水时空变化特征北大核心

基于1981—2018年内蒙古地区103个地面气象观测站的逐日降水资料,运用趋势分析方法,分析近38 a内蒙古降水量、降水日数和降水强度的时空变化特征。结果表明,不同等级降水量和降水日数呈现弱减少趋势,不同等级降水强度年际变化趋势不明显,但是湿润区的各等级降水年际波动最大,干旱区的中雨强度年际波动明显大于其他气候区。各等级降水对总降水的贡献率从大到小依次为小雨、中雨和大雨,但地区分布不均。各气候区小雨日数贡献率均在80%~90%,并且小雨量占比从内蒙古东北部湿润区到西北部的干旱区逐渐上升。内蒙古各等级降水均呈现自东向西递减的空间分布特征,其中降水量和降水日数的高值区主要分布在东北部地区,降水强度的高值区主要分布在东南部地区。2010年以来,内蒙古东北部和中部偏西地区的小雨等级的降水量和小雨日数减少,小雨等级的降水强度增加;在内蒙古西北部各等级降水量和降水强度均增加,大雨等级的降水量、降水日数和降水强度的增加趋势尤为显著。     

U-Net模型在京津冀临近降水预报中的应用和检验评估

利用2018—2019年期间10 min定量降水估计(Quantitative Precipitation Estimation, QPE)实况观测,构建基于U-Net的分钟级临近降水预报模型,实现了京津冀地区未来0～2 h逐10 min降水量滚动预报。以TS、BIAS、POD、SR、FAR作为评价指标,通过检验2020和2021年6—9月长序列以及分析2020年8月12日和2021年7月1日两次强降水个例,表明U-Net模型预报接近实况,局部伴随着一定程度的空报,相较光流法、持续性预报及CMA-MESO模式预报效果有明显提升。具体表现为：当分钟级降水预报不超过10 mm/(10 min)时,U-Net模型明显优于光流法和持续性预报;当小时预报不超过25 mm·h^-1,U-Net模型优于CMA-MESO模式和光流法。然而,当降水强度超过10 mm/(10 min)或25 mm·h^-1时,U-Net模型存在预报偏弱的情况,可能与强降水样本较少有关。     

中国区域1961~2010年降水集中指数(PCI)的变化及月分配特征

降水的年内变化(月分配和季节变化)对农作物生长、水资源利用及管理具有重要意义,同时也是增暖背景下水循环发生变化的关键过程之一。降水集中指数(PCI,Precipitation Concentration Index)能较好的表征降水的年内集中程度,被广泛应用于相关研究。本文利用中国583个站点1961~2010年的逐月降水和气温观测资料,对中国及各典型区域的PCI进行了计算分析,研究了PCI的气候特征、变化趋势、降水月分配变化及PCI与气温季节较差的关系。结果表明,我国PCI的气候态呈现出由东南向西北逐渐递增的空间分布格局。湿润区PCI在11~17之间,年内降水较为均匀;半湿润区PCI为17~24;半干旱区PCI在24~27之间;而干旱区PCI则由27至47不等,降水集中程度较高。除华南地区外,1961~2010年间全国大部分地区PCI均呈现显著的下降趋势,并于1980年前后发生跃变,降水集中程度大幅降低,其中西北西部地区PCI 下降速率最大,为－2.47 (10 a-1)。华南地区PCI的变化则具有明显的阶段性特征,2003年以前呈弱的下降趋势,但2003年PCI发生突变,降水集中程度大幅增加。对典型区域的比较发现,干旱半干旱区和青藏高原降水集中程度的降低主要表现在夏季降水占全年总降水量比例的减小;而湿润区PCI和降水月分配的变化则存在明显的区域性差异,其中西南地区8~12月降水占全年降水的比例减少,而长江中下游及华南地区春秋季降水占全年降水的比例减小,冬夏季降水所占比例增大。     

雨滴谱垂直演变特征的微雨雷达观测研究

雨滴谱的垂直变化特征对于认识降水过程、改进模式和雷达定量估计降水等具有重要意义。利用2016年6月1日-9月30日雨量筒、微雨雷达（micro rain radar,简称MRR）和PARSIVEL雨滴谱仪连续4个月的观测数据,在对比3种仪器观测结果的基础上,研究了层状云降水不同降水强度下微物理特征量和雨滴谱垂直演变特征。结果表明:MRR与PARSIVEL雨滴谱仪观测降水强度相关性较好,且两种仪器观测的雨滴谱在中等粒子段（0.5~2.5 mm）表现出较好的一致性,而对于小粒子段（雨滴直径小于0.5 mm）PARSIVEL雨滴谱仪观测的数浓度明显低于MRR。对于弱降水（降水强度R ≤ 0.2 mm·h-1）,液水含量和降水强度随高度降低减小,雨滴在下落过程中蒸发明显。对于较强降水（R>2 mm·h-1）,随高度降低,雷达反射率因子增大,小滴数浓度减小的同时大滴数浓度增加明显,雨滴下落过程碰并作用明显。所有高度直径不超过0.5 mm的小滴对数浓度贡献均为最大。高层雨滴直径不小于1 mm的小粒子对降水强度的贡献可达50%,小粒子对降水强度贡献随高度降低减小。     

大气垂直运动对雷达估测降水的影响

运用雷达反射率因子（Z）与降水强度（R）之间的关系定量估测降水,降水云体中的大气垂直运动（w_a）不可忽视。PARSIVEL激光雨滴谱仪（简称PARSIVEL）在获取雨滴粒径分布的同时可以从测量的雨滴下降速度分布中提取w_a,用于分析PARSIVEL高度上的大气垂直运动对雷达Z估测降水强度影响。使用2014年5-6月华南季风降水观测试验期间广东阳江5次层状云、6次对流性降水过程中PARSIVEL数据分析大气垂直运动对定量估测降水影响,w_a对层状云和对流云降水强度影响范围分别为-0.18~1.05 mm·h-1和-5.44~24.81 mm·h-1,相对影响值分别为-13.61%~13.99%,-38.59%~25.92%。静止大气条件下,雷达估算降水Z-R关系式中系数A,b引起的层状云和对流云降水估测偏差平均分别为10.9%和25.5%。真实大气中雷达估测降水的偏差平均情况是层状云降水由于w_a的对消作用降低为9.2%,对流云降水则增加到51.2%。对流性降水中大气垂直运动对雷达估测降水的影响较大。     

北半球夏季对流性降水特征及其与厄尔尼诺的关系

利用2003—2014年6—8月CMORPH 3 h卫星降水资料,统计分析北半球夏季对流性降水的空间分布,发生的概率,日变化以及其对厄尔尼诺事件的响应等特征。结果表明,对流性降水在6—8月除了发生于热带辐合带等海域外,北美中部,东南亚和热带非洲等陆地区域更为突出。其降水强度发生在10~11 mm·h-1之间的概率最大,极端强对流性降水发生在陆地上的概率大于海洋。对流性降水的日变化表现为,陆地上于傍晚(18—20时)和夜间(22—01时)有两个峰值;海洋上对流性降水多出现于夜间到早晨这段时间,而下午出现的概率最低。厄尔尼诺发展年,海洋上对流性降水增强,而陆地上发生的概率总体偏小,衰减年则相反;中国东部,尤其是长江以南地区的非对流性降水在厄尔尼诺发展年,多于正常年,与对流性降水的响应不一致。     

中国极端降水事件的区域性和持续性研究

利用内蒙古地区117站1991-2013年夏季（6-8月）逐时降水量资料,采用Gumbel极值方法确定内蒙古逐时极端降水阈值,研究内蒙古夏季逐时极端降水持续性和演变特征。结果表明：（1）内蒙古地区逐时极端降水阈值自西（5~10 mm）向东（40~55 mm）递增,但极端降水过程相对强度自西向东逐渐递减。内蒙古西部偏南地区、阴山山脉以南和大兴安岭东部极端降水过程持续时间较长,在7 h以上,其余地区极端降水过程持续时间较短,在6 h以内。（2）持续时间在1~3 h的极端降水过程发生次数最高,极端降水过程持续时间越短,降水量峰值出现前降水强度越大。极端降水持续时间4~6 h降水量偏离程度最大,1~3 h和7~12 h次之。（3）近23 a极端降水过程集中出现在7月下旬,峰值出现时刻由17：00滞后到20：00。1991-2010年极端降水过程偏少,可能是因为4~6 h和7~12 h极端降水过程次数偏少;进入2011-2013年,极端降水过程增加明显,主要与持续时间1~3 h、4~6 h和7~12 h极端降水过程同时增多有关。

     

1961—2008年内蒙古降水极端事件分析

利用内蒙古自治区116个气象站1961—2008年逐日降水量资料,以年序列的第90和95个百分位,分别建立了单站日降水量极端气候事件的阈值,检测了近48年来内蒙古逐日降水量极端事件的出现频率,分析了极端事件阈值、频数及降水量的空间分布和年际、年代际及季节变化的差异,对比分析了1987年前后极端事件频次和降水量的变化。结果显示：1) 内蒙古日降水极端事件的阈值普遍较小,在2.1～23.8 mm之间;全年极端事件出现的频次在2.4～20.9 d之间;降水极端事件的阈值、频次、降水量等空间差异十分明显。2) 近48年来内蒙古区域平均的夏季和全年降水极端事件没有显著的增减变化趋势,但进入21世纪后,7—8月内蒙古极端降水事件和极端事件的降水量明显减少。3) 1987年气温显著升高以后,中部大部地区和东南部降水极端事件减少,东北部大部和西部增加。