一次东北冷涡降水过程的数值模拟研究

应用中国科学院大气物理所设计开发的三维冰雹云(IAP)模式，使用2002年7月12日20时沈阳探空资料，对当日降水过程进行模拟研究。结果表明，这是1次以冰相过程为主的冷云降水过程，前期云中对流较强，降水以冰雹为主；后期对流减弱．持续降雨。低层风切变和气旋存在是产生持续降雨的主要条件；微物理过程中，霰粒子的融化是降雨的主要因素，其次是雨水对云水的碰并收集。     

TRMM卫星对一次冰雹降水过程的观测分析研究

利用TRMM卫星上时空匹配较好的测雨雷达(PR)、微波成像仪(TMI)、可见光和红外扫描仪(VIRS)观测资料,研究了1999年5月9日发生在黄淮地区的一次冰雹降水过程。根据卫星接连3个轨道的观测,综合分析了此次强对流降水过程在不同阶段的降水结构、云顶亮温和降雨厚度以及相应的微波亮温变化特征。观测分析表明,此次降水过程由对流很强的冰雹降水逐渐演变到对流渐弱的暴雨降水。冰雹降水阶段,云中有多个强对流单体,云体中高层有大量的固态降水粒子,使得中高层降水量在降水柱含量中贡献远大于融化层降水量的贡献;暴雨降水阶段,若干对流单体被大面积的层云降水包围,降水高度逐渐降低,云体中高层降水量明显减少,融化层降水量对柱含量的贡献明显增加。降水率廓线中不同高度的降水量对降水柱含量贡献的比较表明:中高层降水量占的比例越大,降雨云对流越强,反之,融化层降水量占的比例越大,降雨云越趋向为稳定的层云。微波亮温信号在不同降雨阶段随雨强的响应程度大不相同,这表明在反演地面降雨时,最好结合降雨云的结构特征及其发展阶段,针对不同降雨类型选取最为有效的微波通道组合来建立最佳反演模式。     

呼伦贝尔市2019年8月20—21日暴雨天气诊断分析

文章对2019年8月20—21日东北冷涡引发的大范围暴雨天气成因进行诊断分析,结果表明:此次呼伦贝尔市大范围暴雨以稳定性降水为主、对流性降水为辅,表现为小时雨强不大,但持续时间长;暴雨区有较深厚的上升运动但强度较弱,强降雨区与强烈的上升运动区并不重合;降雨期间虽然有持续的低空急流向降雨区输送水汽和能量,但是850 h Pa比湿大部分时间维持在本地暴雨阈值10 g·kg-1以下;由于暖湿空气强、冷空气弱,所以对流有效位能小,对流强度弱;大兴安岭山脉迫使东南暖湿气流强迫抬升,对降雨起到促进作用。     

一次南岭山脉前汛期强对流天气过程诊断分析

利用常规观测资料、FY-2G/2E卫星黑体亮温(TBB)资料、多普勒天气雷达资料与ERA-Interim再分析资料,对2016年4月17—18日南岭山脉一次强对流天气过程进行了诊断分析。结果表明:(1)该过程前期,受地面倒槽与辐合线影响出现暖区降水,后期随着地面冷空气侵入配合低空切变线与高空槽东移南压迅速转变为锋面降水,强降水落区与南岭山脉走向一致,大暴雨由多个中尺度对流系统(MCS)移入和有利地形作用造成;大冰雹、雷暴大风主要出现在暖区降水时段,暖区短时强降水以高质心降水为主,锋面越山之后强天气主要为低质心短时强降水,雷暴大风和冰雹较少出现。(2)雷达回波图上中层径向辐合的出现,对雷暴大风具有预警参考意义;中气旋、高垂直累积液态水含量(VIL)、回波悬垂、有界弱回波等回波特征对提前预警大冰雹有一定的指示作用。(3)不同类型强天气发生的大气层结条件存在差异,上层干区深厚、低层湿度条件较好有利于产生大冰雹,大的0—6 km垂直风切变有利于冰雹增长;大的下沉对流有效位能(DCAPE)是预报雷暴大风的一个参考指标;整层温度露点差和DCAPE小是判断只出现短时强降水的参考依据。(4)南岭及其附近地区"喇叭口"地形和迎风坡地形有利于低层气流辐合触发对流,造成暴雨多发和降水时间延长,南岭背风坡的锋生作用使南岭山脉南麓出现雷暴大风、冰雹等天气的可能性增大。     

贵州威宁对流单体雷达回波分层结构特征分析

本文选取了2017—2020年威宁县111个对流单体（35个冰雹云单体和76个雷雨云单体）,着重分析了对流单体雷达回波在垂直指向上的分层结构特征,并结合双偏振雷达观测分析了对流云单体偏振参量和水凝物相态分布特征。研究分析结果表明：①威宁对流单体雷达回波典型特征量基本一致,对流单体生命史周期约为100 min,最大反射率因子主要位于与0 ℃层高度差±2.0 km的范围内;②当对流单体雷达回波强度从45 dBz发展到55 dBz以上时,冰雹云具有发展迅速且持续时间长的特点,冰雹大小则与强回波在融化层高度以上的扩展高度存在一定的对应关系,高度越高、冰雹越大;③X波段双偏振天气雷达能够较好地反映降水粒子类型,基本符合粒子形状、大小和相态分布的特点,但应考虑降水相态粒子处于临界过渡区域的转化特点;④威宁多小冰雹主要与垂直风切变较弱、对流有效位能CAPE值不稳定能量偏低,且中小冰雹在下落过程中逐渐融化变小有关。     

鄂西北夏季对流云降水微物理过程数值模拟

为了深入研究对流云降水微物理过程特征,为局地对流降水预报和人工增雨提供更多的参考依据,利用三维双参数对流云模式,使用常规单站探空资料,开展湖北两北部山地夏季对流降水实例的批量数值模拟,使用地面降水量和雷达回波资料检验模拟效果,统计分析降水微物理过程特征,归纳总结冰相粒子的形成、增长机制,以及液念水和冰相粒子的相互转化机制。结果表明：（1）对流云模式能够较好地模拟实际对流降水的一些宏观微观特征;（2）当地夏季主要是对流冷云降水,冰相过程是形成降雨的主要物理过程;（3）冰相过程巾过冷水、霰、冰晶之间的相互转化过程是主要的冷云降水形成机制。     

青藏高原东部冰雹形成机理的数值模拟

利用中国科学院大气物理研究所发展和改进的三维冰雹云模式,对青藏高原东部甘肃省玛曲县的一例冰雹云过程进行了模拟研究。结果表明:玛曲冰雹云中冰雹胚胎以霰胚为主;在地面降水中,固态降水占降水总量的46%,而霰占固态降水的65%,霰主要靠撞冻雨水和云水增长;雹云中存在较弱的过冷雨水累积带,累积带的维持时间也很短,累积带中的过冷雨水有利于雹块的增长,但不起主要作用;雹块的增长主要是通过雹撞冻云水,其次是撞冻雨水增长。     

黔东南两次冷锋低槽型降水对比分析

利用常规气象观测资料,分析对比2016年8月31日—9月1日与9月9—10日黔东南地区出现的一般性降雨和区域性暴雨天气过程。探讨两次过程降雨发生发展的天气学条件差异。结果表明:两次降水过程均属于冷锋低槽型降水,降水发生前,黔东南受热低压控制,以晴好天气为主,冷空气都是从西北路径入侵,锋面过境时地面辐合线触发降水的发生发展,降水带主要发生在中低层切变线附近,850 h Pa风速有所加强,但未达到急流强度,对降雨的强度有一定的制约。两次过程都存在降水范围大、时间长的特点。所不同的是:降水强度前者弱,后者强,两次降雨过程中低层影响的天气系统存在不同,8月31日降雨的低层影响系统为贵州西南部发展的低涡系统,黔东南上空850 h Pa形势场出现弱的辐合区;9月9日降雨的低层影响系统为明显的辐合性切变线,存在多个呈东北—西南向的以带状分布的对流系统。通过对两次冷锋低槽型降水讨论得出,黔东南冷锋低槽型暴雨预报应着眼于影响贵州的强涡度中心的建立和加强以及其移动路径。     

WRF中不同积云对流参数化方案对青岛降水预报影响的对比分析

1~10 km水平分辨率是中尺度模式是否采用积云对流参数化方案的"灰色带"。基于青岛市气象局9 km分辨率WRF模式,分别选择KF、GD和BMJ三种积云对流参数化方案对青岛5次大范围降雨过程进行预报试验,分析比较不同积云对流参数化方案对青岛地区降水预报效果的影响。结果表明,这三种积云对流参数化方案对不同量级的降雨具有不同的预报性能:BMJ对小雨预报性能最佳;没有考虑积云对流参数化过程的控制试验对中雨的预报效果最好,KF方案次之;GD方案对大雨和暴雨预报效果均较好。对稳定性降水,GD方案对沿海站点降雨量预报效果较好,KF方案则对内陆站点预报性能较好;对对流性降水,BMJ方案无论是在沿海站点还是在内陆站点都有比较好的预报效果。在降雨空间分布上,对稳定性降水过程,各试验方案均模拟出了小于50 mm的降雨区,对大于100 mm强降雨区,GD方案具有较好的预报效果;对对流性降水过程,BMJ方案预报效果整体较好。     

北京“6.23”局地强对流天气的雷达产品特征分析

利用北京逐时降水资料以及雷达组网产品、RPG衍生的风暴跟踪产品和Cell Trend产品,针对北京"6.23"雨强大、局地性明显的暴雨过程进行较为细致的诊断分析。结果表明,雷达监测产品较好地反映出此次过程是由大量中小尺度涡旋构成的对流性系统暴雨,中尺度特征显著。雷达组网产品较好地捕捉了整体降雨系统的演变过程,单站雷达组合反射率、多仰角基本反射率和径向速度揭示了该暴雨系统的多个对流单体结构和更替变化,其剖面刻画了局地对流降雨系统的典型回波特征,伴随强降雨出现了明显的后向干冷空气侵入弱回波区、前向回波悬垂和穹窿,以及倾斜式的低层辐合、高层辐散结构特征。RPG衍生的风暴跟踪产品和Cell Trend产品很好地监测出暴雨过程中小尺度系统的活动信息。其中,中小尺度涡旋的回波顶高和底高、最大回波高度的变化揭示了造成局地降水的对流单体发生发展过程中的强度、结构、内部气流运动变化特征和雨滴活动;液态水含量以及冰雹概率在整个降水过程中一直处于极大值,表明了该系统的强度与降雨雨量、雨强一致。     

青藏高原和四川盆地夏季对流性降水特征的对比分析

本文利用TRMM(Tropical Rainfall Measure Mission)多种探测结果,针对青藏高原和四川盆地各两次对流性降水天气进行了对比分析,结果表明:(1)高原降水系统以对流云降水为主,弱降水样本数量高,由孤立零散的块状降水云团组成,对流中心离散,降水范围小,雨区极不均匀,垂直发展厚度浅薄,降水粒子数量少,雨滴小,潜热释放以地面以上2~5 km高度层为主,夏季近地面层冰晶粒子含量高,降水过程中云顶亮温与地表雨强之间的相关性差,云顶亮温越高的对流云团其闪电频数越高。(2)盆地降水系统强降水样本数量高,由一个主降水系统和周边零散的降水云团组成,降水范围大,对流中心相对集中,雨区较均匀,垂直发展厚度高,对流系统深厚,雨滴大并集中,潜热释放呈一致的双峰型结构,峰值分别出现在7和16km高度上,冰雹粒子在对流层较高层含量高,云顶亮温与地表雨强之间呈显著的负相关,盆地的闪电频数显著高于高原地区,且闪电活动主要集中在亮温偏低的降水云体中。     

华南前汛期锋面对流系统和暖区对流系统的多尺度特征和集合预报敏感性对比分析

2018年5月7日华南地区受锋面中尺度对流系统和暖区对流系统影响,出现多条中尺度雨带。其中锋面对流系统形成降雨区范围较广,雨量分布不均;在锋前30～200 km暖区内,多个离散的短生命史β中尺度对流系统形成范围较小的中尺度雨带;而在华南沿海地区中尺度线状对流长度超过300 km,稳定维持时间超过12 h,形成局地300 mm以上的沿海强降雨带。雷达回波分析表明华南地区的锋面对流系统、暖区对流系统均以低质心型对流单体为主,其中锋面对流单体35 dBz回波顶高平均为5.5 km,暖区对流系统35 dBz回波顶高平均为4.7 km。利用ERA5再分析资料诊断降水效率表明,锋面系统降水效率平均在10%～15%,暖区对流系统的降水效率波动明显,瞬时降水效率可超过90%。此次降雨过程中雨滴谱分析表明,小粒子直径、高雨滴数密度的暖云降水特征突出,沿海暖区对流系统在各个降水强度量级上都具有更大的粒子直径和数浓度,因此降水效率较高。预报检验表明主流业务数值模式对于暖区对流性降水预报能力有限,欧洲中心再预报改善了暖区对流性降水离散度分布,中尺度区域数值模式能够反映锋面对流和暖区对流的基本特征,但在沿海暖区对流系统的强度、组织上仍然有偏差。比较锋面降水和暖区降水的集合预报敏感性表明,锋面降水对于锋前低压槽、低空急流等天气系统强迫具有较高预报敏感性,而沿海暖区降水对于上游入流区不稳定能量分布具有更显著的敏感性。     

湖北省山洪灾害气象成因研究

对湖北省200次山洪灾害个例逐时雨量及15次逐时水位、流量分析表明:山洪灾害雨量分布可归纳为单峰、双峰、多峰3种类型,其中单峰型所占比例较大;天气系统特征均表现有中尺度系统活动,单峰型主要以局地性降雨过程为主,强降雨历时短,双峰型主要以系统性降水过程为主,强降雨历时较长,多峰型主要以持续性降雨过程为主,强降雨历时长;激发山洪灾害的关键因素主要是6 h以内的雨强。     

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。     

重庆冰雹气候特征及人工防雹对策

利用重庆34个县1960—2004年的气象志、县志资料及1980—2004年的MICAPS资料,对重庆冰雹的时空分布特征、环流背景、冰雹路径等进行了综合分析。重庆冰雹在空间上存在东多西少的特征,东北部山区是冰雹频发地;近50年冰雹具有"少—多—少-多"的非均匀周期变化趋势,20世纪80年代后明显增多;月际变化呈"双峰型"分布,高峰期为4—5月和7—8月,6月相对较少;重庆冰雹天气以局地对流为主,系统性对流次之,产生系统性对流天气的环流背景分为3类,即低涡型、西北气流型和高空低槽型,其中西北气流型是主要影响系统,约占62%。给出了重庆主要冰雹路径图并提出了人工防雹的对策建议,以提高人影作业的科学性和有效性。     

一次暖云降水主导的暴雨过程中电荷结构特征及其成因的模拟研究

为了认识以暖云强降水为主导的对流单体中的电荷结构特征及其形成原因, 利用加入了起放电参数化方案的WRF模式, 模拟了2017年5月7日广州局地突发的以暖云降水为主导的特大暴雨过程, 分析讨论了此次过程中一个单体成熟发展阶段的电荷结构的特征及其成因。结果表明, 此次以暖云降水为主导的特大暴雨过程中的单体对流强度较弱, 云顶高度低于同地区典型对流过程, 强回波区由大雨滴形成, 范围较小, 顶较低, 对流运动向0℃层以上输送的过冷水较少, 不利于冰相粒子形成, 导致大小冰相粒子含量均较少, 其中含量最多的冰相粒子为雪花, 其次依次为霰、冰晶、冰雹。云内起电较弱, 以非感应起电为主。非感应起电主要以对流区中-15℃层以下正的起电率为主, 感应起电率以对流区中的负极性为主。对流区中空间净电荷呈三极性结构, 其中中部负电荷区和底部正电荷区中心电荷密度及电荷区范围相当, 上部正电荷区相对较弱, 范围较小。对流区外围仅有弱的中部负电荷区和底部正电荷区。中部负电荷区由带负电荷的冰晶和雪花共同主导, 上部正电荷区由带正电荷的雪花主导, 底部正电荷区主要是由带正电荷的霰粒子及带正电荷的雨滴主导。强起电区和放电区重合, 主要集中在回波中心上部35~50 dBZ的对流区。      

不同云底温度雹云成雹机制及其引晶催化的数值研究

用二维准弹性冰雹云模式模拟了中国不同地区的冰雹云的成雹机制和人工引晶催化的效果,结果表明：强对流云中自然初始降水元的形成主要同云雨自动转化相关;云底温度较低的冰雹云的雹胚形成以云霰转化过程为主,暖云底的雹云则以雨霰转化为主。人工引晶的作用有三：（１）加强云中冰霰转化过程,雹胚过多争食防雹;（２）促进雨霰转化过程,使雹胚浓度增加,并且减少过冷雨滴,抑制冰雹碰冻过冷雨滴的增长;（３）使云的下部霰量增加,降低降水粒子的增长轨迹,阻碍霰雹的增长。多次催化有时比一次大剂量催化的防雹增雨效果好。     

双线偏振多普勒天气雷达估测混合区降雨和降雹方法的理论研究

利用冰雹形状和空间取向的模型及降雹和降雨的滴谱分布,分析了C波段双线偏振雷达探测的降雨和冰雹的反射率因子ZH、差反射率因子ZDR和差传播相移KDp的取值范围,及混合区降水中不同大小的降雨降雹强度对这些参量的贡献.结果表明:对于C波段双线偏振雷达来讲,当降雹达到一定强度后,反射率因子反而随降雹强度的增大而减小,反射率因子和降雹强度不一定是一一对应关系,降雹的KDp与相态、空间取向和雹块的尺度均有关系.在混合性降水中,ZH的主要贡献来自冰雹,而KDp主要取决于降雨的大小,降雨和降雹对ZDR均有明显的影响,降雨的ZH和KDP有比较好的对应关系.在此基础上给出了利用ZH、ZDR和KDp定量估测相态混合区冰雹和降雨对应的反射率因子、降雨强度的方法,并从滴谱变化、雷达探测精度和冰雹对KDp的影响分析了这种方法的估测精度.     

东北冷涡不稳定能量分布特征及其与降水落区的关系

应用地面自动站1 h雨量资料和NCEP再分析资料,以一次典型的东北冷涡过程(2005年7月8~14日)为例,根据冷涡环流特征,将冷涡过程划分为发展期、成熟期、减弱期3个阶段。发现冷涡发展阶段降水主要由其南部西风锋区湿斜压不稳定产生,属于大范围混合型降水;而其他阶段降水主要由对流不稳定产生,以局地对流性降水为主。冷涡的不同发展阶段均可对应不稳定能量区,但其分布有较大差异,对流层低层的暖湿输送及辐合是不稳定能量积累的关键。发展阶段不稳定能量区分布于离冷涡中心较远的东南部;成熟期位于接近冷涡中心东南部;减弱期位于冷涡减弱形成的低压槽中。不同发展阶段不稳定能量与对流降水有不同的对应关系,冷涡发展期对流有效位能与较大的水汽通量是影响降水落区的主要因素;成熟期对流降水基本发生在对流有效位能区和925 hPa湿区的重叠区域;减弱期对流降水不但与对流有效位能、低层相对湿度有关,而且还取决于对流层低层辐合线。     

利用TRMM卫星资料对青藏高原地区强对流天气特征分析

利用热带测雨卫星TRMM(Tropical Rainfall Measure Mission)多种探测结果,结合NCEP再分析资料,研究了发生在青藏高原地区的一次强对流天气特征,综合分析了高原地区对流云特殊的水平、垂直结构特征。结果表明:(1)该强对流降水系统由几个孤立、零散的块状降水云团组成,以深厚弱对流降水为主,微波亮温的低值区也呈孤立、零散的块状分布,并且整个对流系统的云顶高度一致偏高,深厚强对流降水的雨谱主要集中在1～20mm.h-1的范围内,90%以上的深厚弱对流降水样本数和降水量都集中在0～5mm.h-1范围内,在垂直方向上呈被"挤压"状态。除云冰粒子集中在6～18km高度外,可降冰、可降水和云水粒子都集中在低层8km以下,冰雹天气表现为可降冰粒子在低层含量偏高。(2)高原地区强对流天气的特征与其他地方的不同,表现为雨强较小,比平原地区明显偏弱,且对流云降雨样本在不同降雨率范围内分布不均匀,降水云团雨顶高度也远低于平原地区的对流云,地表降水率大值区与微波辐射亮温低值区呈不完全对称分布,潜热释放呈单峰型。(3)高原地区强对流系统发生时,垂直上升运动在400hPa达到最大,水汽主要集中在400hPa高度以下的范围内。