基于Voronoi图的强降水过程空间非均匀性定量表征方法

利用Voronoi\\Delaunay图模型影响范围和局部动态的特性,提出一种基于动态边界定量提取强降水过程空间非均匀分布特征的新方法,根据1959—2002年中国740站逐日降水资料,构建5日、10日两种时间尺度区域持续性年极端强降水过程序列,用以检验该方法的应用效果,并应用该方法分析了5日(10日)区域持续性年极端强降水过程空间非均匀分布特征及其演变规律。结果表明：与传统的数量统计方法和区域插值方法相比,该方法在强降水空间分布中心、过程内不同强度降水覆盖区域、降水集中区等的定量度量方面具有更高的分辨力和较好实际应用价值;气候趋势分析中在1959—2002年间,5日区域持续性年极端强降水过程出现日期有明显提前趋势。     

体现大尺度特征的区域持续性强降水过程定义指标

利用1961—2017年共57年中国地面观测站日降水资料,采用滑动平均、百分位和点面相关分析等方法,根据延伸期预报特点以及监测预报和研究需求,着眼于体现强降水过程的区域性、持续性和致灾性,并兼顾区域气候特征和普适性,建立区域持续性强降水过程定义指标。根据该指标查找判断我国东部四个关键区域(华南、长江、黄淮、华北)的历史降水过程,1961—2017年期间共有557次区域持续性强降水过程,平均每年约10次,其中华南、长江、黄淮、华北分别有267、155、78、49次,平均每年各有4.7次、2.7次、1.4次和0.9次,呈由南向北递减的分布。统计评估结果表明,该指标能客观地判断出持续影响同一区域的相对稳定类型的大尺度持续性强降水过程,适用于延伸期业务服务和研究。     

华南持续性强降水期间低频非绝热加热对低频环流的影响

利用站点降水资料和再分析资料针对华南地区5—8月的持续性强降水过程,分析了低频异常非绝热加热的时空分布特征及其对低频大气环流的可能反馈作用。得到如下结论:5—6月和7—8月华南持续性强降水期间10—30 d低频非绝热加热的演变特征有所不同,5—6月持续性强降水发生前低频非绝热加热大值区从30°N(107°—115°E)以北向南传播发展至华南地区,而在7—8月降水前非绝热加热大值区从中国南海中部向西北方向传播,并在降水最强盛期到达华南。异常环流型控制着持续性强降水的强度和位置,从而决定异常凝结潜热的演变特征。异常凝结潜热则是通过影响涡度倾向变化而对大气环流有一个反馈作用。对于发生在华南5—6月和7—8月的这2组持续性强降水过程,当降水处于发展阶段,在低频非绝热加热作用项和低频涡度平流项的共同作用下,华南上空中层存在显著的10—30 d低频正涡度倾向变化,有利于低频气旋式环流的进一步发展。非绝热加热作用项主要由加热率的垂直梯度决定,涡度平流项则与气候背景风场有密切关系。5—6月持续性强降水期间涡度平流项位于非绝热加热项东侧,而7—8月持续性强降水期间涡度平流项位于非绝热加热项北侧。在持续性强降水的衰亡期,由于非绝热加热项和涡度平流项转为负值,华南被负涡度倾向变化控制,低频气旋式环流迅速消亡。     

长江中下游梅汛期强降水过程非均匀特征

根据长江中下游地区205站1960—2004年的逐日降水量和梅雨期的特征参数,计算并分析了长江中下游地区梅汛期暴雨降水过程降水量、集中度和集中期的时空非均匀特征。结果表明:长江中下游梅汛暴雨降水量、暴雨日数显著增加,而集中度和集中期无明显变化;暴雨降水量和暴雨降水集中程度在时空上的叠加是造成长江中下游地区大旱大涝趋势加重的重要原因之一。     

江淮梅雨空间非均匀性的定量探讨

针对江淮梅雨空间分布非均匀的定量化问题,基于1960—2007年江淮地区高密度站点资料,运用空间集中度和集中区的方法定量分析江淮梅雨的空间非均匀性特征。结果表明,江淮梅雨的降水集中区呈现出年代际南北移动特征,自1970s末降水转型后,1980—1999年,强降水易于发生在长江中下游地区,而2000年后易于出现在淮河流域。48 a来梅雨的空间非均匀程度呈现弱的增加趋势。当梅雨雨带偏南,即位于长江中下游地区时,降水空间集中度较大。通过与大气环流场的回归分析表明,江淮梅雨非均匀程度的增加可能与西太平洋副高和副热带西风急流的南移有关。     

降水量水平空间分布非均匀性的普适分布律探讨

以中国区域逐月降水资料(272个测站)为基础探讨降水量场的水平空间概率分布模式的普适性。结果表明，描述中国区域月降水量水平空间分布非均匀性的普适分布律以г分布的PDF(Probability Density Function)最适宜；讨论了其分布参数的季节和年际变化及其气候意义，并用分区拟合结果验证了该分布型的普适性。     

基于集合预报的持续性强降水可预报性评估方法研究

利用集合预报成员初值误差在大气相空间中增长方向不同的特点,结合模式检验方法,构建持续性强降水可预报性评估指数(Index of Composite Predictability,ICP),为持续性强降水可预报性及数值预报误差增长机理研究提供科学方法。ICP综合评估指数包括三个数学模型:集合预报成员单一评估指数定义、集合预报成员综合评估指数定义和集合预报成员预报能力定义。利用中国国家气象中心T213全球集合预报资料,选取江淮流域2010年6月17—25日和2011年6月4—12日2次持续性强降水过程,进行ICP综合评估指数应用试验,其中,单一评估指数选取中雨公平成功指数ETS、500 hPa高度场均方根误差分别代表模式降水预报能力和环流形势预报能力。结果显示:可预报性评估指数ICP可有效挑选出预报最好和最差的集合预报成员,两者对持续性强降水过程的大尺度环流系统、中尺度影响系统、降水过程预报差异显著,预报最好成员对影响持续性强降水的大尺度环流形势(阻塞高压、西太平洋副热带高压和东亚大槽)的位置和强度及演变过程、低层中尺度影响系统(如切变线和西南低涡)发生发展过程预报,以及降水发生时间和落区预报与实况更接近,预报更成功,持续性强降水可预报性综合评估指数ICP合理可靠。     

淮河流域持续性强降水过程的环流变化特征

利用淮河流域4省20：00-次日20：00逐日降水量资料,界定了1961-2006年淮河流域持续性强降水过程,并利用NCEP资料,应用合成分析方法对强降水过程和前期环流特征进行了研究。结果表明,从持续性强降水开始之前到强降水过程中乌拉尔山附近阻高减弱,贝加尔湖以北到鄂霍次克海附近的阻高偏强;西太平洋副热带高压在500hPa上表现为西伸北抬,但在850hPa上西伸明显,基本无北抬;南亚高压范围明显扩大,尤其是淮河流域以北地区200hPa高度明显增大,在中国东部到日本上空200hPa急流中心也有明显变化。850hPa西南急流的建立与西太平洋副热带高压的西伸有关,同时乌拉尔山附近高压减弱,冷空气南下,东西气压梯度增大也有利于西南急流的建立。     

观测场内自然降雨的空间均匀性研究

以分辨率为1m的10m×20m和10m×10m观测网为研究对象,运用自制雨量杯开展自然降雨测试试验,结合克里斯琴森均匀系数、分布均匀系数、降雨偏差系数、降雨极值比系数、单因素方差分析等数学方法对自然降雨的空间均匀性进行了研究,分析了风、降雨量对空间均匀性的影响,并讨论了降雨测量仪器在动态比对试验中仪器的架设间隔问题。结果表明:观测场内自然降雨的空间均匀性良好,且各项均匀性指标具有较好的一致性;风对该观测场内的降雨空间均匀性影响不大,而降雨量的差异对其空间均匀性有一定的影响;在动态比对试验中,降雨测量仪器的架设间隔应小于5m,且部分小型降雨测量仪器(如收集杯)架设间隔取1m可行。     

下垫面非均匀性的模拟

用美国大气科学中心ＧＥＮＥＳＩＳ模式中的陆面过程方案,我们在一个全球大气模式网格尺度范围内,研究了来自非均匀下垫面的水汽,能量等通量。基于３种不同的模拟下垫面非均匀性的方法,即马赛克法、混合法以及显式次网格法,我们设计了４种不同的试验。模拟结果表明,３种方法计算出的结果有很大的不同：地面吸收的太阳辐射差异达４％;感热通量达１２％;潜热通量达６６％;土壤水分可达３０％。这一结果说明有必要用实测数据来检验不同的模拟下垫面非均匀性的方法以及用区域气候模式来模拟下垫面的非均匀性。     

1981-2010年江淮地区持续性强降水低频特征分析

基于1981-2010年国家气象信息中心提供的全国756站逐日降水数据建立江淮地区降水指数,选取6-7月江淮地区持续性强降水事件共26例,利用集合经验模态分解方法分析江淮地区的持续性强降水的低频性质。结果表明江淮流域夏季降水呈现随振荡周期增大方差贡献减小的趋势,根据江淮流域夏季持续性强降水的低频性质可以分成三类,其中10-30天低频振荡主导的事件占全部事件的50%,其低频成分的贡献达45.9%;10-30天和30-60天低频振荡共同主导的事件占全部事件的34.6%,10-30天低频成分的贡献达39.9%,30-60天低频成分的贡献达20.9%。在10-30天低频尺度上,事件发生前期自副高系统产生向极的波动能量的传播进而形成中纬度位势高度负异常,30-60天低频尺度上的位势高度异常稳定维持在利于持续性强降水发生的位相,为10-30天关键低频系统的形成提供一个有利的背景场,两个时间尺度上的低频活动在事件发生期间索相。在低频尺度上导致江淮地区持续性强降水的主要原因是位于南海至菲律宾北部的低频反气旋系统携带大量暖湿水汽沿西南东北向不断输送至江淮地区,低频反气旋与中纬度低频气旋系统在江淮地区强烈辐合导致持续性强降水的发生。     

湖南持续性区域暴雨气候特征及暴雨落区分型

基于1961-2016年湖南88个台站逐日降水及NCEP再分析数据,利用突变分析、聚类分析、合成分析等方法,分析了湖南持续性区域暴雨的气候特征,并对暴雨落区进行了分型。结果表明,近56年湖南持续性区域暴雨过程年平均出现2次,最长持续日数为5天;夏季发生次数最多占73%,冬季未发生,出现较多的月份5,6,7和8月分别占16%,38%,20%和14%;持续性区域暴雨过程次数在1993年发生了均值突变,年平均过程次数从1961-1992年的1.4次增加至1993-2016年的2.8次。持续性区域暴雨过程年均发生0.9次以上的区域主要分布在湘中以北,湘中以北较湘南年均次数偏多。持续性区域暴雨强度全省区域平均值为82.5 mm·d^-1,大于85 mm·d^-1的台站主要分布在湘西北及湘东南。暴雨日强降水落区可分为4类空间分布型即湘西北型、湘中偏北型、湘中偏南型及湘东南型,4类空间分布型的累计暴雨日数占总持续性区域暴雨日数的百分比依次为25.6%,30.1%,21%和18.4%,湘西北型与湘东南型的降水强度较湘中偏北型与湘中偏南型的降水强度大,且强降水落区相对更集中;对应4类暴雨落区分型合成的925 hPa风场切变及水汽辐合大值区的位置、走向与4类暴雨空间分布型的强降水落区基本吻合,对强降水的落区有较好指示性。     

Changes in Typhoon Regional Heavy Precipitation Events over China from 1960 to 2018

In earlier studies,objective techniques have been used to determine the contribution of tropical cyclones to precipitation(TCP)in a region,where the Tropical cyclone Precipitation Event(TPE)and the Regional Heavy Precipitation Events(RHPEs)are defined and investigated.In this study,TPE and RHPEs are combined to determine the Typhoon Regional Heavy Precipitation Events(TRHPEs),which is employed to evaluate the contribution of tropical cyclones to regional extreme precipitation events.Based on the Objective Identification Technique for Regional Extreme Events(OITREE)and the Objective Synoptic Analysis Technique(OSAT)to define TPE,temporal and spatial overlap indices are developed to identify the combined events as TRHPE.With daily precipitation data and TC best-track data over the western North Pacific from 1960 to 2018,86 TRHPEs have been identified.TRHPEs contribute as much as 20%of the RHPEs,but100%of events with extreme individual precipitation intensities.The major TRHPEs continued for approximately a week after tropical cyclone landfall,indicating a role of post landfall precipitation.The frequency and extreme intensity of TRHPEs display increasing trends,consistent with an observed positive trend in the mean intensity of TPEs as measured by the number of daily station precipitation observations exceeding 100 mm and 250 mm.More frequent landfalling Southeast and South China TCs induced more serious impacts in coastal areas in the Southeast and the South during 1990-2018 than1960-89.The roles of cyclone translation speed and"shifts"in cyclone tracks are examined as possible explanations for the temporal trends.     

中国东部夏季持续强降水发生的主要环流模态和水汽输送研究

利用1957~2011年我国502个测站逐日降水资料,定义区域平均降水量连续5 d超过1个标准差为1次区域性持续强降水,分析了我国东部(105°E以东)长江流域、华北和东北地区夏季(6~8月)的强降水,共得到74个个例,并探讨了造成长江流域和华北地区持续性强降水的主要环流与水汽输送模态。结果表明,中高纬出现阻塞形势是造成我国东部夏季区域性持续强降水的主要环流型,占比86%。其中影响长江流域强降水的主要阻塞形势为中阻型(贝加尔湖为高压脊)和双阻型(乌拉尔山和鄂霍次克海同时出现高压脊);影响华北地区强降水的主要阻塞形势为中阻型。同时,必须建立一条自热带海洋至降雨区的水汽通道,长江流域强降水的水汽通道为印度洋—孟加拉湾—南海;对于华北地区,除此水汽通道外,西北太平洋水汽输送也是一个重要水汽来源。长江流域强降水的异常水汽输送在菲律宾北部出现反气旋中心,导致从南海有异常水汽输送并在长江流域辐合,这一反气旋中心对应500 h Pa上西太平洋副热带高压的加强;华北地区强降水的异常水汽输送在渤海—朝鲜半岛出现反气旋中心,异常水汽来自南海和西北太平洋。渤海—朝鲜半岛在500 h Pa出现正高度异常对维持华北地区持续降水有重要作用。深厚的上升运动或低层辐合高层辐散是华北与长江流域持续强降水发生的共同特点。中阻型和双阻型的长江流域强降水在水汽输送上没有明显差异,而是动力上升条件的分布差异决定了雨带主要位置的不同。     

临夏地区强降水气候变化特征及其影响条件分析

利用临夏19802016年强降水实况资料及EC数值预报产品资料,分析了临夏地区强降水气候变化特征及其影响条件。结果表明:临夏强降水分布具有明显的地域特点,自北向南递增,北部旱区的少,西南部山区的多。临夏强降水年、月、日特征变化显著。2000s是强降水的高峰期,1980s强降水相对较少;7、8月份强降水发生概率占全年强降水的66.1%;强降水发生属于典型的夜雨型和午后傍晚型,夜间(20:0024:00)强降水发生概率最高,为30.8%~53.8%,其次为凌晨(01:0008:00),发生概率为14.3%~36.4%。临夏强降水发生主要有中高纬西风带冷槽或冷涡型、青藏高原低值系统型、副热带高压影响型。对西宁、兰州、合作三站累计频率阈值计算和检验结果表明,杰弗逊指数阈值为80,符合率为100%;沙氏指数阈值为4,符合率为79%;改进K指数阈值为10,符合率为79%。     

2011年秋季河南持续降水的低频环流特征

利用河南119站的降水观测资料以及NCEP/NCAR各层高度场、风场和垂直速度场的再分析资料,研究2011年9月在河南发生的一次持续的区域性连阴雨过程。对降水进行的墨西哥帽小波分析发现,降水存在着低频特征。通过对造成低频降水的高度场和风场资料滤波计算,分析了造成降水的低频环流特征,结果表明：2011年9月河南秋季持续性降水低频振荡最主要的周期是32 d左右;低频降水的周期分为4个位相,降水从低频谷值和峰值之间的过渡位相开始,在峰值位相达到最大。低频环流场的配置在低频降水的谷值位相和峰值位相有着显著的差异,环流场的高低层配置从不利于对流发展转为有利于对流发展;同时低层水汽输送在过渡位相开始逐渐加强。降水的发生在850 hPa上主要是与低频正涡度的分布相一致,低频正涡度有着明显的波列变化及北跳;500 hPa、200 hPa上的低频负涡度变化和降水变化相一致。降水的峰值(谷值)位相散度场的高低空配置主要为低层辐合(辐散)、中高层辐散(辐合),有利于(不利于)对流的发展。     

四川省持续性暴雨定义及时空分布特征

采用1961—2014年四川省158个气象站的逐日降水量资料,定义了四川省单站和区域持续性暴雨的标准,分析了近54年四川省持续性暴雨的时空分布特征。结果表明,盆地单站持续性暴雨多发生在9月,主要出现在盆地西北部、西南部和东北部,一般持续3天,一次持续性暴雨事件降水量一般可达150~200mm。而攀西地区单站持续性暴雨发生的次数一般为1~3次,6月发生范围最大,最长持续时间为4天,主要发生在攀西地区东部。区域持续性暴雨多发生在7月,降水中心主要分布在盆地西部沿山一带及盆地东北部,这与单站持续性暴雨频次高值区的分布基本一致。区域持续性暴雨在2001年后发生频次较前期频繁,特别是持续3天的持续性暴雨事件发生频率较高,但是强度略有减弱。     

广东区域性暴雨过程的定量化评估及气候特征

利用1961—2017年广东86个地面气象观测站逐日降水资料,定义广东区域性暴雨过程的标准,构建了综合考虑区域暴雨过程持续时间、暴雨范围、最大日降水量和最大过程降水量4个指标的广东区域性暴雨过程综合强度评估方法,由此分析近57年广东区域性暴雨过程次数、强度、雨涝年景等特征和变化。结果表明:近57年来,广东共出现1211次区域性暴雨过程,平均每年21.2次,主要出现在4—9月,单次过程平均持续时间是2.3 d;广东区域性暴雨过程的次数和强度存在明显的月际、年际和年代际变化,次数最多出现在5月,强度最大出现在6月;广东雨涝年景指数以0.17/（10 a）的速率显著上升;强和较强等级的广东区域性暴雨过程次数呈显著增加趋势,较弱等级区域性暴雨次数呈显著减少趋势。评估得到广东强雨涝年有5年:2008年、2001年、1973年、1994年、1993年,其中有4年出现在1990年以后。     

2014年8月伊犁河谷一次持续降水过程分析

采用常规观测资料、NCEP逐6小时1。×1。再分析资料、FY-2D云图资料,对2014年8月16日至19日伊犁持续降水过程进行天气动力学分析。结果表明：持续降水发生在100hpa南亚高压呈典型的双体型、500hpa伊朗副高-中亚低值系统-贝加尔湖阻滞脊稳定维持的环流背景下,中亚低槽前的偏南气流将阿拉伯海、孟加拉湾的水汽通过接力输送机制输送到伊犁。200hpa强盛的西南急流、低层辐合、高层辐散抽吸的散度场、上升运动区与正涡度区叠加的动力结构利于持续降水的形成。降水明显时段,800 hPa以下受负湿位涡控制,有条件性对称不稳定。强降水时段的云顶亮温TBB最低值在-48℃左右。持续降水导致伊宁市8月降水量（45.8mm）突破1952年以来的同期历史极值。