降雪含水比研究进展

降雪深度预报与定量降水预报(QPF)一样是冬季天气预报最重要的业务之一,而降雪含水比是降雪深度预报中所必须的重要参数,国外一般多将其称为snow-to-liquid ratio(SLR)。本文回顾了过去几十年来国内外在SLR的变化特征、影响因素等方面的主要研究进展,并对其预报技术和方法进行了总结和比较。研究表明:SLR具有明显的时间变化,并且存在季节和空间分布差异;大气温度和相对湿度是影响SLR的两个最重要气象因子,气压、垂直运动等气象因素,以及地表风、积雪自重、太阳辐射和积雪融化也会不同程度地影响SLR;随着预报技术的发展,SLR的预报方法可概括为气候学的、统计学的和基于物理基础的三类预报方法,气候学方法过于简单化,统计学方法的应用提高了SLR的预报能力,但仍无法摆脱统计方法自身的缺陷,比较而言,基于数值模式的瞬时预报更符合未来雪深预报业务的精细化发展趋势;目前,国内降雪深度观测资料较少、观测频率较低,有效开展地面降雪和探空加密观测,解决观测资料不足是今后SLR研究中亟待解决的问题;基于数值天气预报业务模式,探索气象因子对SLR的影响机理,建立适合我国冬季天气预报业务需求的降雪预报系统是未来的发展方向。     

新增积雪深度客观预报技术研究及其应用

利用地面历史观测数据对我国冬季典型降雪过程的雪水比进行了统计分析,在此基础上,利用改进后的Cobb算法、ECMWF IFS模式预报及中央气象台降水和相态网格预报构建了雪水比和新增积雪深度物理预报模型。结果表明:我国降雪过程的雪水比分布较广,最小为0.3:1,最大为100:1,仅有4%左右的雪水比为10:1;雪水比具有明显的区域和季节特征,新疆、西北地区东部、华北以及东北地区雪水比大于其他区域,冬季较春、秋季雪水比大;改进后的Cobb算法建立了随地形高度变化的云识别方案,利用云内温度与雪水比统计关系及垂直速度构建了雪水比和新增积雪深度预报模型,其预报的雪水比和新增积雪深度空间分布特征较原Cobb算法的预报更接近实况;结合雪水比预报模型和中央气象台降雪网格技术的新增积雪深度预报较ECMWF IFS模式预报有明显的改进,相对模式新增积雪深度预报TS评分提高率基本在10%以上,尤其对20 cm以上新增积雪深度预报能力提升明显。     

乌鲁木齐冬季清雪预报服务研究

以乌鲁木齐冬季清雪工作需求为牵引,利用乌鲁木齐2006—2016年冬季(当年11月—翌年3月)逐日降雪量、积雪深度、气温和173 d降雪日的逐时降雪量资料,分析了近11年冬季各量级降雪的分布特征、降雪持续时间和降雪的日变化特征;对积雪深度和对应降雪量做线性拟合,得出二者比值大体为0.968 cm/mm。得出清雪预报服务的重点是:小雪的有无、降雪起止时间和累积降雪量、积雪深度的预报,难点是中雪、大雪特别是暴雪和对应的积雪深度的精细化预报。     

基于加密观测的一次极端雨雪过程积雪特征分析

利用降水现象仪、地面自动站、人工加密积雪深度逐时观测资料及NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料,对山东2020年1月5-7日罕见雨雪过程的积雪特征及温度影响机制进行了分析。结果表明:(1)降水量突破同期历史极值导致此次雨雪过程成为极端天气事件,地面影响系统为江淮气旋,冷平流较弱,积雪深度是预报难点。(2)整个过程全省各站的平均降雪含水比为0.46 cm·mm~(-1),低于过去20年间的江淮气旋暴雪过程。(3)积雪深度与高空温度、相对湿度和垂直速度的配置有关,在最大上升运动与90%以上相对湿度的叠置层次内,如果环境温度有利于树枝状冰晶增长则积雪深度和降雪含水比大,而环境温度适合空心柱状冰晶增长的则积雪深度小;云下温度高于0℃使得积雪深度减小。(4)积雪深度与近地面温度的关系表现为:气温低于0.5℃可形成有量积雪;0 cm地温对积雪的影响表现在积雪产生之前,降至0.4℃以下可形成有量积雪;雪面温度在产生积雪前后的2 h内维持在0℃左右,其他时段变化与气温类似。(5)降雪含水比基本上随着气温的升高而减小,在0.5 cm·mm~(-1)以上时一般降雪期间气温低于0.4℃。该个例揭示了积雪深度和降雪含水比的预报需要综合考虑高低空气象条件。     

新降雪密度估算方法研究进展

降雪深度预报是北方地区冬季气象服务的重点和难点,新降雪密度估算是降雪深度预报的关键技术。本文回顾了新降雪密度估算中需要着重考虑的气象要素,并对国内外广泛使用的几类新降雪密度估算方法进行了详细的介绍和对比,在此基础上,评述几种估算方法的特点、局限性以及它们之间的承接联系,并对未来新降雪密度估算的发展方向进行了展望。主要结论为:(1)温度、风速、湿度的垂直分布及太阳辐射、降水量是影响新降雪密度的重要气象要素。(2)目前被广泛应用的新降雪密度估算方法有设为常数法、建立公式法、后处理诊断法和基于微物理过程法等四类,四种方法各具特点和局限性,且存在着上下承接关系。(3)较为科学的后处理诊断法和基于微物理过程法有着各自的相对优势也有着难以克服的不足,未来新降雪密度的估算需要在这两种方法的相互促进、共同提高中逐步发展。     

泰安秋季强降雪形成机制分析

利用地面观测资料和MICAPS资料,分析了泰安3次秋季强降雪产生的天气形势、物理量及其演变特征,同时对欧洲中心数值预报的温度预报进行了检验。结果表明:泰安秋季强降雪发生的天气形势均为回流形势;雨雪转化时850hPa均有东南气流建立,当850hPa东南气流转为北西北气流、925hPa东北气流转为西北气流控制时,降雪趋于结束;强降雪发生时850~400hPa均有较强的上升运动,水汽辐合中心在800~850hPa;雨雪相变基本发生在08时和20时前后,欧洲中心数值预报850hPa温度预报≤-2℃可作为泰安秋季雨(雨夹雪)转为雪的温度指标。     

使用加密降雪资料分析降雪量和积雪深度关系

降雪量和积雪深度的关系是降雪预报及相关科研工作中的重要参数,加密降雪资料的出现为分析这种关系提供了新的支持。利用2009—2011年冬季加密降雪资料并采用线性拟合方法,分析得出我国冬季积雪深度变化值和相应降雪量的比值大体为0.75 cm·mm-1,该比值随气温上升呈明显减小趋势,且有明显的地区差异,但未体现出显著的时间变化特征。降雪量和积雪深度的关系仍需深入分析,并需要更高质量降雪资料的支持,以便能应用到实际业务和科研工作中。     

2011年山西省一次连续性降雪过程成因分析

利用NCEP/NCAR(1°×1°)逐日6h再分析资料和常规观测资料,分析了2011年2月25-28日山西的一次连续降雪天气过程.结果发现:此次降雪过程经历了3个阶段,分别是2月25日的倒槽冷锋降雪阶段,26-27日的回流降雪阶段,28日的低空切变降雪阶段.过程涵盖了华北地区大到暴雪的3个类型,分别是倒槽冷锋类、回流类、低空切变线类.25-27日的降雪属东路冷空气影响,28日的降雪则由西北路径冷空气影响所致.暴雪过程有不同的影响系统,26日的暴雪天气是850 hPa东北急流、700 hPa西南急流及暖切变和边界层切变线共同作用的结果,28日的暴雪天气则是500 hPa西北冷平流和西南暖平流导致的地面锋生以及700 hPa暖切变共同作用的结果,条件性对称不稳定是28日降雪维持的机理对于低空切变类暴雪天气,对流层中层湿核的出现与消失对降雪的开始和结束有较好的指示意义;对于回流类暴雪天气,低层回流对降雪起到了冷垫作用,低空东北急流、西南急流的建立使降雪增幅.26日受东路冷空气影响的回流降雪,从形势特征和高低空配置的完整性分析,预报员相对容易预报暴雪的落区和强度28日在西北路径冷空气影响下产生的暴雪天气是一个预报难点,对这类天气的预报需关注暖湿空气的活动及其维持机制,假相当位温低谷期的开始对降雪的预报有12～24 h的提前量.     

遵义市冬末初春两次寒潮降雪天气过程对比分析

利用Micaps常规观测资料、NCEP/NCAR再分析资料、区域站加密观测资料,对遵义市2016年3月8—9日(过程Ⅰ)和2017年2月21—22日(过程Ⅱ)的两次寒潮降雪天气过程进行对比分析。结果表明:(1)500 h Pa横槽转竖和低槽东移是两次寒潮爆发的重要引导系统,过程Ⅰ属于横槽转竖型寒潮天气过程,过程Ⅱ寒潮属小槽发展型。(2)地面冷高压中心强度(冷源)及南下速度是预报寒潮的关键。(3)700 h Pa切变影响与降雪时段对应较好,在今后降雪预报中应作为重要影响系统加以关注。(4)湿层深厚,整层水汽含量高为降雪的显著特征。(5)有无融化层和融化层厚薄应作为降雪预报温度条件的关注重点。     

基于湿位涡和积雪效率的降雪预报技术探讨

本文对南京地区2015年的一次强降雪过程进行了湿位涡诊断分析,根据2008—2015年的57次强降雪个例归纳出了积雪效率与地面2 m气温的关系。结果表明:湿位涡正压项对降雪强度变化有较好的指示意义;结合湿位涡斜压项和地面气温可以较好地判断降雪落区,且强降雪落区和湿位涡斜压项的大值中心对应较好;积雪效率和地面2 m气温是分段函数关系,利用该统计关系及气温、降雪量的预报,可以作出积雪深度的预报。     

2012年1-2月果洛雪灾天气分析

2012年1-2果洛由于持续降雪致使中北部发生雪灾,其中甘德达到了重度雪灾标准。本文利用实况观测资料及各种物理量场对造成此次雪灾的五次天气过程进行了分析和归纳,以期获得一些对果洛冬季降雪有指导意义的预报指标。     

人工神经网络法和线性回归法对降水相态的预报效果对比

本文主要对相同条件下线性回归法(LR)和人工神经网络法(ANN)对降雨、雨夹雪和降雪3种降水相态的预报效果进行了对比检验.选取降水发生时和发生前6h的地面2 m温度、露点温度作为预报因子,对降雨、雨夹雪和降雪进行预报.应用国家气象中心2001-2011年我国地面756站实况观测资料,其中应用2001-2010年资料对方法进行训练,2011年资料用来对比检验预报效果.结果显示,(1)两种方法对3种相态降水都有一定的预报能力,对降雪预报最好,其次是降雨和雨夹雪;(2)两种方法对北方的雨雪分界线预报比对南方的好;(3)无论是对全国还是长江中下游流域,在相同条件下,ANN法的预报效果大都优于LR法,当温度和露点温度预报准确时,ANN法对北方的雨雪分界线能进行较准确的预报.     

基于集合卡尔曼变换的目标观测敏感区识别系统优化及影响试验

在基于集合卡尔曼变换(Ensemble Transform Kalman Filter,ETKF)方法的适应性观测系统的基础上,考虑湿度因子作用并增加对流层低层的大气运动信息,发展了更加适用于我国中尺度高影响天气系统敏感区识别的优化方案。针对环北京夏季暴雨和冬季降雪的高影响天气个例,分别设计4组试验进行观测敏感区识别试验,考察了优化方案目标观测敏感区识别质量,并对分析和预报结果进行了评估。结果表明:优化方案的目标观测敏感区识别效果最佳,对环北京夏季暴雨和冬季降雪天气的目标观测敏感区质量有明显改善,湿度因子可使最强观测敏感区更加集中,对夏季降水敏感区的影响比冬季降雪天气更加明显。低层大气信息的引入对最强观测敏感区的准确识别也具有重要的积极作用。目标观测敏感区的目标资料对分析和短期预报质量具有明显的正贡献。     

黑河春末初夏径流量与气象要素的关系

本文利用莺落峡水文站的水文资料和祁连气象站的气象资料,分析了春末初夏黑河流量与气象要素的关系。发现4月份流量主要取决于前期降雪、积雪量,其次是当月的气温高低;5,6月流量主要取决于5,6月降水量,其次是前期降雪、积雪量和5月份气温高低。这项工作的目的是为流量预报提供依据。     

通用线性模型在气象水文集合预报后处理中的应用

通用线性模型是一个气象水文预报后处理的统计模型。它能消除水文模型流量模拟中的偏差,保留了原始预报的技巧,并且能产生可靠的水文集合预报。本文试验中利用通用线性模型对取自于国际模型参数估计试验数据库的日流量模拟数据进行校正,并与实况观测作比较,检验通用线性模型降低误差的性能。结果表明:通用线性模型产生的流量集合预报的连续分级概率评分分值都在0.5分以下,证明集合预报结果是可靠的;校正后的模拟值在平均值、标准差、均方根误差等检验指标方面都比原始模拟更加接近于实际观测值;即使是对于误差较小的水文模拟,通用线性模型仍有对其进行改善的能力。     

2014年南京两次弱降雪过程的对比分析

利用常规观测资料和NCEP再分析资料,结合多普勒雷达等资料,对2014年2月9—10日江苏大部分地区出现的两次弱降雪过程进行了成因分析。结果表明:9日的降雪是由中层西风槽东移影响,槽前西南暖湿气流在低层冷空气垫上爬升所致,是一次层状云降雪;10日的降雪则是低空冷空气主体偏北东移,内陆偏西地区低空风速随之明显减小,而东部沿海地区风速变化不大,从而使得辐合上升区西扩所致;10日低空上升运动带来的低云降雪,尺度小,且具有类似弱对流系统的特征。常规业务中使用的数值预报产品(如EC)并不能准确预报这两次弱降雪过程,特别是10日过程预报效果较差,而WRF模式则对10日过程把握较好。     

冬季降雪时段的日极端气温预报方法

本文分析绥化市2010—2013年历次降雪过程,统计降雪时段以及日极端气温出现时间,发现降雪时段的气温变化规律与非降雪时段有很大不同,所以日极端气温预报难度较大。本文从总结降雪时段的气温变化规律人手．试图根据850hPa预报场温度变化趋势推测出未来降雪时段内的地面气温变化趋势、幅度和日极端气温出现的时间,从而提高预报准确率。     

中国暴雨洪涝预报方法的研究进展

针对中国暴雨洪涝灾害频发的现象及其带来的严重影响和损失,结合我国有关暴雨洪涝灾害预报方法的研究进展,对洪涝灾害预报方法的研究进行了总结与回顾。随着卫星遥感、地理信息系统等技术的不断发展与完善,暴雨洪涝灾害预报的方法由简单的数值统计方法发展成为水文模型预报法,从简易的经验模型、水动力学模型,到集总式水文模型,再发展到分布式水文模型;通过水文模型预报方法,结合气象水文耦合预报实现实时洪水预报并进行动态评估,不断提高洪水预报的精度和预见期,为暴雨洪涝灾害预报提供可靠数据和决策依据。最后,在总结归纳基础上,指出了当前暴雨洪涝灾害预报方法的不足,提出了不断提高水文观测技术、加强分布式水文模型与地理信息系统的耦合、加强与气象模型的耦合等方面的研究是进一步提高暴雨洪涝灾害预报准确率的主要发展方向。     

一次江淮气旋暴雪的积雪特征及气象影响因子分析

利用自动站、人工加密观测及常规观测资料,通过对2017年2月21—22日一次江淮气旋暴雪过程积雪特征的分析,揭示了近地面气象要素对积雪深度的复杂影响。结果表明:(1)江淮气旋系统特有的空间结构导致山东南、北地区的降雪量和积雪深度不均衡分布。(2)积雪深度具有时效性,在降雪结束时达到峰值,因温度的变化导致峰值不一定维持到次日08时。(3)积雪深度是近地面多气象要素共同作用的结果,降水相态、降雪量、降雪强度、气温、地温和风速均有影响。主要表现为:雨夹雪在转为纯雪之前可产生不超过1 cm的积雪,如果不转雪则不会产生有量积雪;各地降雪含水比差异较大,全省平均为0. 5 cm·mm~(-1),低于全国平均值;在降雪不融化的情况下,降雪量、降雪强度越大则积雪越深,降雪强度大是气温和地温都高于0℃时产生积雪的必要条件;地温和气温越低对积雪形成越有利,积雪开始产生时的地温最高阈值多在0℃左右,地温先突降后缓升是积雪产生前后的共性特征,积雪产生后1～2 h内地温略有上升并逐渐趋于稳定;积雪产生时气温一般低于0℃,气温高于0℃时大部分降雪融化;有利于产生积雪的平均风力多不超过2级,极大风则在3～4级以下。     

2008年1月洛阳持续低温降雪天气综合分析

利用常规天气资料、数值预报产品分析了2008年1月中旬洛阳市出现的低温、雨雪天气过程,结果表明:青藏高原东侧异常活跃的西南气流源源不断向东输送是降雪的主要水汽来源,中低层切变线和低压环流是产生降雪的主要影响系统,贝加尔湖西南侧的冷空气分股扩散南下为降雪提供了有利条件;冷高压的轴向、强度及位置与低温及降雪的持续时间关系密切;中低层西南风速辐合、切变线及冷空气的位置可反映出强降雪的落区.欧洲数值预报产品对降雪的开始、结束时间预报较好,对持续的低温天气趋势预报较成功;日本传真降水预报08时12 h、72 h和20时36 h准确率最高,漏报率相对大于空报率;T213预报24 h降水、日本格点预报12-24 h降水、德国预报36-72 h降水准确率较高,有一定的参考价值,但空报率大于漏报率,预报量级偏大概率较大.