利用起放电模式开展闪电活动的直接预报试验

利用耦合有起电和放电物理过程的中尺度起电放电模式WRF-Electric,开展了华北地区连续3年（2015—2017年）的闪电活动预报试验。结合全国地闪定位观测资料,针对不同影响范围雷暴类型和预报时间,对数值预报结果开展点对点的定量检验,评估模式对闪电活动的预报能力及特点。结果表明:WRF-Electric中尺度模式具备一定的区域闪电活动预报能力,在起报后的6~12 h对闪电活动区域具有较好的预报效果。雷暴落区预报的点对点定量检验中,模式和业务预报在华北主汛期（6—8月）的预报临界成功指数（CSI）均为0.1,模式对于活动范围较小的局地性雷暴过程的预报更具参考价值。模式预报的闪电活动范围相对集中,闪电活动密度偏高,预报的主要问题存在于放电参数化方案的设计。应当考虑到模式空间分辨率对云内电场强度的影响,合理降低闪电参数化中的放电阈值以扩大预报的闪电活动范围。模式在闪电密度的定量预报上还有较大改进空间,单次放电中和电荷量应当更符合观测事实。     

“5.7”广州局地突发特大暴雨中尺度特征及成因分析

2017年5月7日广州局地突发特大暴雨,降水集中爆发于广州北部复杂地形区,单点小时雨量大、强降雨持续时间长。然而降水发生于副热带高压边缘、无明显的低空急流等天气系统配合,为弱强迫背景下的华南前汛期暴雨,加之珠三角地形复杂,其触发和组织维持机制等问题引起了气象科研和预报工作者的广泛关注。针对其降水特点,采用5 min自动气象站观测、分钟雨量、风廓线雷达、葵花8号气象卫星红外等高时空分辨率观测数据探讨中尺度对流系统的触发和组织维持过程,发现:中纬度入海高压南侧偏东风和低层切变系统为珠三角边界层南风风速辐合提供了有利的天气背景,喇叭口地形增强了风速辐合。小尺度地形辐射降温配合城市热岛在山前形成高温度梯度区,山风与南风对峙使地面辐合线在山前移速变慢有助于热带云团的生成。地形阻挡抬升和高温度梯度加强上升运动,南风风速脉动使云团迅速向山前移动,最终对流爆发。以暖云降水为主的对流系统产生弱冷池驱动对流系统连续传播,使强降水回波面积增大并在小尺度地形影响下稳定位于增城附近,产生极端小时雨强;中尺度对流系统的单体移动方向和传播方向近乎相反导致系统移动非常缓慢,后向传播明显,最终导致长时间强降水。      

青藏高原地气耦合系统及其天气气候效应:第三次青藏高原大气科学试验

由于青藏高原（简称高原）是影响中国极端天气和气候事件的关键区,对天气、气候预报有重要影响。因此,中国气象局、国家自然科学基金委员会、中国科学院共同推动了"第三次青藏高原大气科学试验（TIPEX-Ⅲ）"工作。自2013年的预试验开始,TIPEX-Ⅲ在高原西部狮泉河、改则和申扎新建全自动探空系统,填补了高原西部缺少常规探空站的空白;在高原中、西部建成土壤温、湿度观测网;实施了高原尺度和那曲区域尺度的边界层观测,那曲多型雷达和机载设备的云降水物理特征综合观测,高原多站的对流层-平流层大气成分观测。在研究成果方面,项目结果指出,在高原中、西部草原、草甸和裸土下垫面状况下地表热量湍流交换系数和感热通量明显低于过去较早的估计值;高原主体的对流云活动主要不是来自南亚季风区的向北传播,而可能是局地发展所致;揭示出那曲对流云日变化特征、云宏微观特征以及云中水不同相态之间的转化机制,提出了夏季高原加热在维持亚洲大气"水塔"中的作用,以及高原加热对亚洲、非洲、北美洲气候的调节作用。在数值预报模式中,Γ分布比M-P分布更适合于高原雨滴谱特征,通过改进高原热传导过程参数化方案可以降低模式中高估的地表感热,并提升模式对中国中、东部雨带的模拟能力;此外,考虑青藏高原关键区信号可以提升中国中、东部降水的预报技巧。TIPEX-Ⅲ还带动了地面和高空常规观测、天气业务雷达和风廓线雷达等观测数据加工处理业务技术的发展,提升了中国国家级土壤湿度、水汽含量等遥感产品和高分辨率多源降水融合产品的质量,促进了气象监测、预报和数据共享业务的发展。      

一次强飑线及飑前中小尺度系统特征分析

使用常规天气、灾情、自动站、卫星云图、雷达回波和风廓线雷达等资料,采用统计对比分析和特征提取等方法,对2012年4月10日强飑线天气系统进行分析和研究,结果表明:(1)此次强飑线是由若干个倾斜深厚对流单体所组成,具有紧密排列的回波带结构。(2)云图上表现为中尺度对流系统(MCS)结构特征,随着MCS东移降水冷却、西南气流输送暖湿空气和午后地面温度不断升高,地面开始形成温度梯度较大的温度锋区。(3)飑线形成前期,MCS南侧出现多条平行短带"梳状"回波特征,并在其南端不断产生对流单体回波,最后发展成飑线回波带。(4)飑线移动前方不断产生具有"前伸"、TBSS和假象回波结构的局地雹云超级单体回波群,这些飑前中小尺度系统是产生此次冰雹灾害的主要回波系统。(5)5 min风廓线雷达资料在前期阶段,能够观测到西南急流的演变情况,包括急流中的大风区。(6)当飑线系统临近时,受飑线中尺度环流的影响,飑线移动前方具有较强的上升运动,且伸展高度可以达到6000 m,但垂直速度、Cn~2和SNR都较小;当飑线系统过境时,具有很强的水平风切变,受到强降水的下曳作用,垂直速度、Cn~2和SNR都明显加大;飑线系统过境后,恢复到前期阶段。     

由河南“75·8”特大暴雨引发的思考

"75·8"特大暴雨在我国暴雨领域是一个非常典型的个例。40 a来还发生了其他类型的极端暴雨和突发性暴雨,都加深了对我国暴雨研究与业务的认识,引发了一些思考。暴雨是我国最主要的灾害天气,关系到国家安全、社会稳定和经济的可持续发展。暴雨预报也是我国乃至全球天气业务的重点之一,各级领导应该高度重视,加大对暴雨形成机制的研究,提高暴雨预报的准确率,减小由于暴雨灾害带来的巨大损失。近20 a来,得益于各种常规和非常规观测资料、高分辨率数值模式的发展及诸多先进科研成果的应用,我国暴雨预报业务步入崭新的发展阶段。但由于我国地域辽阔,受季风和多种气候带天气系统的影响,地形地貌多样,暴雨形成机理复杂,预报准确率和精细化程度仍达不到防灾减灾需求。近期我国暴雨预报业务发展的主要思路包括:加强对我国不同地区、不同影响系统的典型暴雨特别是极端性暴雨和局地突发性暴雨个例的分析研究,加深暴雨形成物理机制的认识;提高数值模式尤其是区域中尺度模式和集合预报系统对暴雨预报的性能;加强对模式物理过程和预报性能的了解,充分发挥各地各级预报员认识当地暴雨机理和积累预报经验的作用;提高多源资料综合应用能力,提高短时临近预报能力;建设现代化人机交互式预报业务平台,提升暴雨预报能力;加强对暴雨研究长期持续定向的投入,稳定预报员队伍建设;建立科研和业务的新型结合。     

冷涡背景下短时强降水的统计分析

本文首先给出冷涡的定义,然后根据此定义识别出2009—2013年4—9月的冷涡有65个,分析冷涡的时空分布特征及生命史特征发现：冷涡的月变化特征明显,7月冷涡个数和维持的天数最多。冷涡主要发生在贝加尔湖东部、蒙古的东部和东北的西北部地区,生命史大多为3 d。利用自动站小时雨量资料统计分析冷涡背景下短时强降水特征及其与冷涡的关系,结果表明：冷涡背景下的短时强降水主要集中在京津和河北东南部,以及东北平原地区,7月最多,日变化表现为午后至傍晚时段多发。冷涡的各个时期都能产生短时强降水,发展时期最多,降水主要位于冷涡中心的东南部和西南部,不同类型的冷涡降水分布不同。     

中尺度天气图分析技术在2011年我国南方4次强降水过程中的应用

对12 h 50 mm以上的强降水带的预报,模式输出的降水资料是预报的重要依据,但是有时偏差可达100～200 km.本文尝试依据国家气象中心2010年下发的《中尺度天气图分析技术规范(暂行稿)》,利用探空资料,对2011年6月我国南方梅雨期间强降水过程中4次12 h最强降水时段的环境场进行中尺度天气图分析,得到了有利于梅雨锋附近的强降水的预报着眼点,给出了判断强降水落区的一些参考依据.700 hPa以下西南(偏南)急流汇合区,在这些地区,具备了较强的动力、水汽辐合和一定的风垂直切变.地面气压槽中低于日变化的3h变压低值区(中心)易形成变压风辐合流场,也是强降水易发区(中心).多数情况下锋面可以作为强降水南界,但当925 hPa暖切变位于地面锋面南侧(附近),强降水发生在锋前暖区,10 m·s-1以上西南急流所能到达的纬度可作为南界.500 hPa槽前≥18 m·s-1中层西南急流轴一般可作为50 mm以上的强降水区域的北界,但当925 hPa切变位置与中层西南急流位置重叠或位于其北侧时,则以700 hPa切变为北边界.将这些判据应用于多次强降水天气时段中,并与日本模式输出降水比较,在强雨带南北界以及降水中心方面有订正作用.中尺度天气图分析技术及预报思路是订正模式对强降水落区预报的有效手段之一.     

江西两次雷击事件雷达回波特征分析

为了做好江西雷电监测预警和预报服务工作，使用天气图资料、地面气象要素、雷电数据、江西WebGIS雷达拼图、单部雷达产品等资料，采用天气学、统计学和雷达气象学等分析方法，对2021年3月江西两次雷击事件进行分析，结果表明：（1）两次雷击事件是由超级单体和强单体回波系统影响产生。（2）超级单体回波有四个特征：①具有≥60 dBZ回波强度，并存有≥65 dBZ回波核；②强回波面积≥10×10 km2；③强回波梯度≤8 km；④在强回波移动方向的下风方有云砧形成的“前伸”回波结构；强单体回波的回波强度（没有回波核）、强回波面积、强回波梯度和“前伸”回波结构都弱于超级单体回波。（3）超级单体CR回波强度达到65 dBZ，ET回波顶高达到11～12 km，VIL垂直累积液态水含量达到60 kg/m2；垂直反射率因子RCS向移动方向倾斜、55 dBZ强回波顶高达到8 km、65 dBZ强中心悬挂在6 km高度；垂直径向速度VCS在强回波区存在速度对、-5～19 m·s-1 速度达到弱切变的强度。（4）强单体回波CR强度达到60 dBZ，ET顶高达到9～10 km，VIL垂直累积液态水含量达到50～60 kg/m2；强单体回波垂直反射率因子RCS倾斜角度弱于超级单体，55 dBZ强回波顶高达到8 km，60 dBZ强回波高度伸展到6 km，没有65 dBZ强回波中心；垂直径向速度VCS表现为正速度区分成上下两层。研究结果为江西雷电天气的监测预警和预报服务，减轻雷击灾害提供有指导意义的范例。     

江西四次飑线雷达回波和风廓线产品特征分析

为了做好江西飑线天气的监测预警,使用MICAPS系统平台探空资料、江西地面要素资料、江西WebGIS雷达拼图和风廓线雷达产品等资料,对2017～2020年5月江西四次飑线过程进行分析,结果表明：(1)500 hPa低槽、冷锋、倒槽或辐合线,850 hPa至925 hPa切变线、低空西南急流、“上干下湿”不稳定层结、200 hPa分流区,导致江西飑线天气。(2)≥17.2 m/s 的雷暴大风出现有2～23站次,≥50.0 mm 的强降水出现有3～13站次,分别在江西境内各区域出现；飑线天气过程单点最大风速达到27.9 m/s(铅山),单点最大日降水量162.9 mm(资溪)。(3)温度层结曲线与露点曲线近似成“漏斗状”配置,整个大气层结呈上干下湿分布；湿对流有效位温(CAPE )为1124 J/kg,K 指数(K )为39℃,沙氏指数(SI )为－1.94,风暴强度指数(SSI )为274,500-1000(925)hPa垂直风切变(W_500-1000)为11 m/s,零度温度层高度(ZH )为4 970 m,-20度温度层高度(-20H )为8 304 m。(4)雷达拼图上,初始阶段的A回波带和B雷暴回波群的合并,是发展形成飑线的关键；回波带某段向前突出形成的“弓状”回波带结构,是江西飑线回波带强盛阶段的经典形态；飑线回波带上常伴有超级单体和强单体回波出现,且雷电分布密集,最大回波CR强度达到60 dBz以上,地面雷暴大风发生在这些强回波移动前方。(5)风廓线雷达产品上,飑线过境前,边界层风向不统一,边界层以上风向为一致的西南风,垂直速度W 和大气折射指数Cn^₂ 都比较小。飑线过境时,风向转为西南风,垂直速度W 明显加大到 4～8 m/s,大气折射指数Cn^₂ 加大到 -16～-12 m^_-2/3。飑线过境后,慢慢恢复到前期水平。这些研究结果为飑线天气的监测预警提供了依据。