2000年以来我国长江中游区域暴雨研究进展

长江中游地区是暴雨多发区和重灾区,深入认识该区域暴雨形成的中、小尺度天气系统、分析暴雨发生机理与发展暴雨、洪水预报技术,对于我国防洪减灾具有重要意义。针对长江中游区域暴雨从观测到资料分析、机理研究,再到数值预报与水文应用研究,重点从暴雨外场观测试验及资料反演和中尺度资料融合技术、长江中游暴雨MCS(中尺度对流系统)观测分析和理论研究、中尺度暴雨数值模式研究和长江中游水文气象耦合的暴雨洪水预报系统四个方面介绍了2000年以来我国科研业务单位的主要研究进展,并对制约长江中游区域暴雨研究深入与预报水平提高的主要问题进行了简要讨论,对未来的研究趋势进行了展望。     

我国暴雨形成机理及预报方法研究进展

本文分别从华南前汛期暴雨、江淮流域梅雨锋暴雨、华北和东北暴雨以及暴雨预报方法等方面回顾了我国近年来在三大主要雨带的观测、数值模拟、动力机理及诊断分析和预报方法方面取得的进展,指出了华南前汛期暴雨、江淮梅雨锋暴雨及华北东北暴雨研究取得的新认识,认为华南前汛期暴雨的形成机理主要是发生在低空南风向北推进过程中,由海岸线及地形抬升而产生位势不稳定造成强上升运动,以及由于南风低空急流向北发展时产生急流前部的辐合而发生流线分叉使低层低涡发展,促进垂直运动加强或使正涡度集中促使垂直运动发展而造成暴雨;江淮暴雨生成机制主要与对称不稳定、涡度场变化及β中尺度对流线有关;而华北东北暴雨过程中的非均匀饱和引起的局部湿度集中特点较为明显,中高层干冷空气入侵引起的不稳定和动量下传及高空中尺度急流增强引发的高层局地辐散增强对暴雨发生有重要作用。目前,新型探测资料已经用到暴雨研究和预报中,具有自主知识产权的GRAPES-MESO和GRAPES-GFS系统已经实现业务化,并在集合数值预报方面取得显著进步,且动力因子暴雨预报方法在很多省市气象台得到推广应用。虽然暴雨机理研究和预报已经取得以上诸方面的长足进步,但是也还存在不少问题,需要加强基于观测的暴雨中尺度系统的理论研究、数值模式动力框架和物理过程描述的改进、资料同化理论技术的发展及人工智能技术如何用到大气科学的研究和业务应用等,以期在我国暴雨中尺度系统的三维精细结构、发生发展机理和预报理论和方法研究方面取得更大进步。     

暴雨单站分析的探讨

我们在大形势和中尺度分析的基础上,引用中分析的部分方法,对伊通县1975年7月29日至8月1日的暴雨进行了分析,从而对单站暴雨的认识、分析方法、预报因子和预报着眼点等方面都得到了一些启示。现将这次个例分析简述如下。     

华北夏季暖切变暴雨个例的初步分析

暴雨预报主要是解决三方面的问题。第一,要抓住天气尺度的雨区,即抓住暴雨可能发生的范围。第二,要抓住构成天气尺度暴雨区内中尺度雨团的触发条件,从而决定大尺度雨区内暴雨开始的时间和出现的地点。第三,要抓暴雨的强度。因此,认识和掌握暴雨发生、发展的规律成为作好暴雨预报的关键。但是,就目前的认识水平和资料所限,要解决这些问题还是十分困难的。从个例分析入手,加深认识累积经验也是达到上述目的的     

物理量场与环境场相结合作梅雨期暴雨诊断预报

暴雨是中尺度天气现象。要解决暴雨的预报问题,从根本上讲必须搞清楚中小尺度系统发生发展的机制及其预报问题。由于目前获取的分析资料时间间隔太长、空间的距离又很大,因此对认识以致预报直接造成暴雨的中尺度系统的活动规律带来许多困难,这是暴雨预报常常失败的重要原因之一。现实的问题是如何根据现有的条件充分挖掘各种气象资料(包括物理量场的资料)的潜力,结合现代化的监视系统来努力提高短期暴雨预报水平。各种尺度的天气系统是互相联系、互相制约的,尽管中小尺度天气系统发生发展的预报还非常困难,但寻找其赖以发生发展的适宜环境场(摇篮)——大尺度的环流特征仍不失为短期暴雨     

中央气象台暴雨预报业务的发展及思考

暴雨是影响我们国家最重要的灾害性天气之一,暴雨预报既是业务中的关键点也是难点。本文论述了目前中央气象台的暴雨预报业务已经由基于天气学、统计学等在天气图分析的基础上进行主观外推的传统预报向基于数值预报的现代天气预报发展,强调了暴雨预报的科学问题是从预报实践中提炼出来的,而不是从参考文献中找出来的,突出了预报员是暴雨科学问题的提出者和解决实际问题的第一参与者,阐明了预报与服务工作紧密结合是中国特色气象事业的重要组成部分,充分肯定了中央气象台和中国气象局暴雨研究所等科研单位在暴雨预报、研究和我国应对突发自然灾害中发挥的重要作用,明确了暴雨等灾害天气的预报是以服务人民、社会、经济发展和国家安全为最终目标。并从预报员科学研究与实践能力的培养和提高、多源观测资料应用、区域中尺度数值预报模式和集合预报技术的发展及订正能力的提高、人工智能技术的应用等几个方面对如何提高暴雨预报准确率提出一些思考。     

初始场中尺度信息对暴雨预报的影响

由于观测资料分辨率与模式分辨率的不同,利用高分辨率模式对暴雨进行预报时,常规观测资料形成的初始场不能直接分辨出中尺度系统,这种中尺度系统特征的缺少可以认为是初始场的一种信息误差。利用中尺度天气分析的尺度分离方法可以提取这种中尺度信息。通过分析初始场中尺度信息的结构、演变特征及其对暴雨预报影响的机理,发现初始场中尺度信息的结构在主要雨带的对流敏感区具有明确的天气学意义,包含了有利暴雨产生的信息;其能量随时间也是增长的,特别是在积分12小时以后,能量迅速增长然后趋于稳定,超过了初始随机扰动的能量增长。利用减弱和增强初始场中中尺度信息的两种初始场作暴雨预报,其结果反映了初始场中尺度信息对暴雨预报的重要性,特别是对雨团位置和强度的预报,这些信息会直接影响暴雨的精细预报。     

暴雨和中尺度气象学问题

对近年来暴雨和中尺度气象学的进展进行了综合评述，这包括（１）暴雨发生的条件；（２）强风暴和中尺度对流系统概念模式；（３）中尺度系统的数值模拟；（４）中尺度动力学问题；（５）暴雨预报等。对于暴雨和中尺度气象学将来研究的问题也作了讨论。     

基于非静力模式物理扰动的中尺度集合预报试验

以GRAPES中尺度有限区模式作为试验模式, 从模式的不确定性方面来构造中尺度的集合预报, 重点考虑物理因子与初始条件的扰动作用。针对2004年7月10日北京城区的突发性暴雨过程进行了36 h的集合预报试验。结果表明:GRAPES模式可有效地捕捉到中尺度过程的信息; 中尺度集合预报是可行的, 可改进中尺度暴雨过程落区、强度的预报; 不同集合方案的预报结果各不相同, 同一方案各个成员的预报结果也有差异, 即存在适宜的离散度; 在离散度分析中发现在北京附近存在一个明显大值区, 且在大气中低层的垂直结构表现出一致性, 表明这一区域的预报不确定性很大。从集合检验结果中得到:单纯考虑模式物理扰动来构造中尺度集合预报系统有一定难度, 当加入初始场不确定信息后, 同时考虑模式的不确定性和初始场的不确定性, 有助于捕捉更多的中尺度系统的不确定信息, 有助于构造更为有效的中尺度集合预报系统。     

1981年7月四川特大暴雨的数值预报和中尺度系统的分离

本文利用复杂地形条件下嵌套网格预报模式和欧洲中心(ECMWF)2.5°×2.5°的全球网格点资料,对“81.7”四川大暴雨进行了单向影响粗细网格嵌套48小时的个例预报试验;并根据滤波原理,利用最佳高通滤波器,将风场、位势高度场和温度场进行了中尺度分离。结果表明:本模式较好地预报了造成这次暴雨的中尺度系统发生、发展的过程;并对动力和热力影响作了一些粗浅的分析,本模式较好地描述了暴雨天气,细网格预报在某些方面有进一步改进。该尺度分离方法也能在扰动发展的早期阶段就能从大尺度背景场中将西南涡等中尺度系统清晰地分离出来,使我们能对影响这次暴雨的中尺度系统有进一步的认识。     

河北盛夏2次大暴雨过程对比分析

利用常规天气资料、NCEP再分析资料、地面区域站和多普勒天气雷达资料对比分析了2012年7月21~22日罕见特大暴雨和2011年7月24日大暴雨的天气形势、水汽条件、动力条件以及中尺度影响系统。分析发现:这2次暴雨过程都是低槽冷锋类暴雨过程,中尺度影响系统也基本相同,降水效率相当,但降水极值和暴雨范围相差很大;充足的水汽输送、强的动力条件和高降水效率是2012年7月21~22日极端降水的原因之一,河北中部长达6 h列车效应是这次极端降水的关键原因;低层θse锋区和切变线南侧急流的有利配置是造成河北中部列车效应的关键原因,是低槽冷锋类暴雨强降水持续时间和能否出现极端降水的预报着眼点之一;锋面前侧的地面中尺度辐合线是主要中尺度影响系统,强降水落区沿地面中尺度辐合线分布,根据地面中尺度辐合线的演变预报暴雨的落区比依据低层低涡东南象限预报暴雨落区更精确。     

使用不同的天气尺度初值作强对流暴雨预报的差别及其原因

分别用暴雨开始前和暴雨刚开始两个探空时次的天气尺度初值场作1982年6月19～20日鄂东特大暴雨过程的中尺度模拟预报.前者相当成功,后者完全失败.探究其原因说明中尺度数值预报可以用天气尺度初始场的一个重要条件是模式初始时刻在关注的区域及其附近不存在即将造成或已经造成强降水的强中尺度扰动.如若不然,则可能由于模式起转(Spinup)的延误,实际存在的中尺度扰动对天气尺度变化的强大反馈作用不能体现,会使天气尺度的预报从一开始就显著歧离实际,其带来的结果不是中尺度时、空细节的预报误差,而是全区域性的预报失败.这个试验还进一步证实伴随暴雨的强非绝热反馈作用是暖切变型梅雨锋发展和准静止持续乃至周边区域形势维持的最重要的直接因子.     

南疆暴雨研究进展

南疆地区位于欧亚腹地,属于典型的温带大陆性干旱气候,受复杂地形地貌、天气系统路径以及特殊的大气环流与水汽条件等影响,暴雨突发性强且地域性特征显著。目前,全球数值预报模式及中尺度数值模式对南疆暴雨的预报能力十分有限,近年来,许多研究团队在塔里木盆地进行了大型外场观测试验,对揭示南疆暴雨的机制机理有了更多启示,对造成南疆暴雨的对流触发机制、高低空系统配置及演变特征、降雨云物理过程等都有了更为深入的认识。本文对南疆暴雨的气候特征、大尺度环流背景、中尺度系统发生发展、水汽输送、降水动力机制等方面进行了总结回顾,并提出了需要进一步研究的科学问题,以期为进一步开展南疆暴雨研究、提高暴雨预报准确率及防灾减灾能力提供参考。     

梅雨锋暴雨中尺度对流系统研究若干进展

梅雨锋暴雨中尺度对流系统是暴雨的直接影响系统,对其结构特征、活动规律及其发生发展的物理机制的深入研究,对提高梅雨锋暴雨的预报能力有重大意义。近年来对梅雨锋暴雨中尺度对流系统的研究取得了很大进展,文章对梅雨锋暴雨中尺度对流系统研究的若干进展作了简要综述,包括梅雨锋暴雨云系多尺度结构、梅雨锋暴雨的β和γ中尺度系统发生发展的环境条件和结构、云微物理分布和转化特征及其对热力动力过程反馈等方面,并对有关问题进行讨论。     

华南暖区暴雨预报失误及可预报性探讨

由于暖区暴雨产生的环境条件复杂和触发机制难以捕捉,数值模式对其预报能力弱,给预报带来困难,经常导致预报失误,是短期预报中的难点。2016年4月19—20日广西出现了一场暖区暴雨天气过程,预报员及数值模式预报出现较大失误。利用业务预报中的数值预报产品、地面中尺度自动气象站观测、常规地面及高空观测、新一代天气雷达及FY-2G卫星探测等资料对此次暖区暴雨预报失误进行剖析。结果表明:中低空急流增强及西南暖低压发展,为越南北部至广西中南部提供了高温、高湿、高能的环境条件,地形性辐合及涡旋触发了对流的发生,中尺度辐合线有效组织了对流的发展,雷达回波具有质心低、降雨效率高等暖云降雨的特征。预报员和数值模式短期时效内对暖区暴雨缺乏预报能力,未能准确把握可触发对流的机制,是预报失败的原因。预报员通过分析上游地区对流云团、地面中尺度辐合线演变及地形作用等触发条件,可以在短时临近时效内对暖区暴雨部分做出定性预报,发布预警信息,弥补短期预报的不足。因此,加强对暖区暴雨形成机理的认识,在预报中做好精细分析,是提高暖区暴雨预报能力的有效途径之一。     

暴雨量经验计算公式

暴雨是各种尺度天气系统相互作用的产物,是中尺度天气现象。形成的原因很复杂,既涉及小扰动在大尺度环境中发生和增长的问题,又涉及到小扰动发展时对大尺度场的反馈问题,而这些问题都尚未解决。因此,目前暴雨预报准确率很低。为了探索暴雨量的预报,本文从产生暴雨三个条件入手,试验了一个区域暴雨量计算公式。     

暴雨中尺度模式的发展历程和研究进展

短期数值天气预报模式的发展,由于具备了对动力辐合、湿物理及边界层等过程和实际地形的刻画能力,在分辨率提高到几十公里尺度时,可以对暴雨进行数值预报。经过近50 a的发展,暴雨中尺度模式经历了静力平衡到非静力平衡、粗分辨率到高分辨率、简单物理过程到细致物理过程、云雨隐式预报到显式预报、简单初始化到复杂同化等的转变。本文从暴雨中尺度模式框架、物理过程和初始化方法三个方面,回顾了国内外主要暴雨中尺度模式的发展历程和重要进展,同时指出了未来模式可能的发展趋势并给予了分析讨论。     

忻州市2003年7月30日暴雨过程分析

本文从天气形势、物理量场、中尺度雨团等方面对2003年7月30日出现的暴雨过程进行了综合分析,明确了“7.30”暴雨是蒙古冷低(涡)、河套切变线、强烈的辐合上升运动、充沛的水汽和大气层结不稳定等共同作用的结果。降水过程具有明显的中尺度特征。地形差异对降水也是有贡献的。分别讨论了天气形势因子和物理量场在暴雨预报中的指导作用。     

云南冷锋切变型暴雨的中尺度特征分析

利用T106数值预报产品资料，通过中尺度滤波方法，提取云南冷锋切变型暴雨过程中的中尺度降水系统，对其有关物理量的特征及演变进行了分析。研究发现，通过中尺度滤波方法，可以从常规的数值预报产品资料中有效分离出直接导致暴雨的中尺度天气系统，通过对这些中尺度系统的分析及追踪，可以为暴雨预报提供更为客观的预报依据；水汽的强辐合时段与暴雨降落时段有较好的对应关系，暴雨落区比水汽的强辐合区域要稍偏向于水汽输送的下游方向；在该型暴雨的发生过程中，北部冷平流具有十分重要的作用，但南部暖平流的作用也不可忽视。     

包含正定水汽输送算法改进的MM4中尺度模式与暴雨实例数值试验

暴雨预报是一个既重要又十分困难的问题。水汽条件是产生暴雨的关键，水汽的平流输送在模式的水汽方程中占有重要地位，模式对暴雨的预报能力必然涉及到水汽输送的计算精度问题；本文以著名的中尺度模式ＭＭ４为基础，理论测试和分析为依据，以引入新的正定高精度水汽输送算法作为消除模式水汽负值和改进中尺度模式预报能力的途径，研制了取名为改进的ＭＭ４中尺度模式，该模式除仍保留原ＭＭ４模式的所有功能外，增加了５种水汽输送算法的改进与选择，这５种算法是：１）Ｂ网格二阶守恒中心差（原ＭＭ４平流格式），２）上游差分，３）Ｂｏｔ（２阶），４）Ｂｏｔ（４阶），５）Ｐｒａｔｈｅｒ格式。多个暴雨、台风个例试验表明模式预报能力对水汽输送算法精度有显著的依赖性，采用高精度的水汽输送算法水汽保证正值并提高了模式对暴雨区、降水结构、雨团活动的预报能力。改进水汽输送算法的精度是提高中尺度模式对暴雨预报能力的重要途径。