北京721特大暴雨极端性分析及思考（二）极端性降水成因初探及思考

本文是“北京7.21特大暴雨极端性分析及思考”的第二部分,第一部分“观测分析及思考”对此次过程的降水特点、水汽特点、中尺度对流系统（MCS）的环境场条件和发生发展过程进行了分析,指出这是一次极端降水过程。本文进一步从影响降水的因子：降水效率、水汽、上升运动、持续时间等方面进一步探讨极端性降水的成因,所用资料为业务中常用的模式分析和各种观测资料。分析表明,本次过程为典型华北暴雨环流形势,其中高层气流辐散区与低层低涡切变线的耦合是直接诱因;较高的环境相对湿度和湿层较厚,较低的抬升凝结高度和自由对流高度以及热带降水性质提高了本次过程的降水效率;异常大的水汽含量（可降水量达60－80mm）及与其相关的物理量异常,可作为判断极端降水的重要因子;环境大气具有中下层条件性不稳定,上层湿中性层结特性,CAPE值中等,同时上层干侵入增加了对流不稳定,有利于上升运动发展;低涡切变线及华北地形共同触发了MCS的在暖区生成发展;低涡北跳、MCS后向传播特性使暖区MCS东移速度慢,形成“列车效应”,造成降雨持续时间长。本文最后探讨了极端降水的预报思路。     

梅雨对大气气溶胶粒子的清除

应用Wang等的水滴碰并粒子的碰并系数和滴谱资料,计算南京地区梅雨对气溶胶粒子的清除性能。结果为:(1)冲洗系数K(ap)与降水强度Ⅰ的关系为K(ap)=A(ap)Ⅰ~b(ap)。A(ap)在ap=0.2附近有极小值3.13×10~(-s),当ap=10μm时A(ap)增大到3.54×10~(-4)。指数b(ap)取值0.79—0.85(2)一次历时2—3小时的降水,冲洗掉ap<1.0μm的粒子百分之几至千分之几。但能冲洗ap>10μm粒子的90％以上。(3)谱平均碰并系数与降水强度有微弱的关系。雨强增大10倍,该系数增减1—10％,E取值在8.5×10~(-5)到9.6×10~(-1)之间,因粒子大小不同而异。     

Parsivel~激光降水粒子谱仪及其在气象领域的应用

降水粒子特性是大气运动和云内微物理过程的综合结果,在云降水物理及人工影响天气领域有着重要的意义。传统的测量方法不适合对大量数据分析寻找规律,德国OTT公司的Parsivel激光降水粒子谱测量系统可以较好解决自动测量难题。该仪器是以激光测量为基础的粒子测量传感器,采用平行激光束和光电管阵列结合,当有降水粒子穿越采样空间时,自动记录遮挡物的宽度,通过穿越时间计算降水粒子的尺度和速度,根据各种参数的综合信息对降水粒子进行分类,并能够以数字形式显示瞬时降水强度、降水粒子总数、累积降水量、降水时的能见度和雷达反射因子,以图形方式显示降水粒子尺度谱、速度谱、降水粒子分类且自动生成天气现象代码,实现天气现象的自动识别。激光降水粒子谱仪主要用于气象水文观测。在雷达气象学领域可用于Z/R关系的拟合修正,比传统的用雨量筒观测数据拟合效果好得多;由降水粒子谱仪测量雨滴的降落速度,可以对天气雷达垂直向上测量的粒子径向速度谱进行校正。人工影响天气的效果检验一直是一个难题,自然降水粒子谱分布形式与人工催化以后的降水粒子谱型理论上应当具有较大的差别,人工增雨作业降水滴谱变化物理响应和降水强度时间变化响应都有明显的区别。如果能够实时检测到这些差别,就能够充分说明人工催化的有效性。未来如果能够进行联网观测记录区域性降水、降雹,就有充分证据表明人影作业的有效性,在定量化作业效果评估以及灾害损失评估等方面应用潜力巨大。利用该仪器已经对一年的自然降水过程进行了连续观测,并将所获得的降水粒子谱、雨滴浓度值随时间变化状况与卫星反演的云顶有效粒子半径时间变化趋势进行了对比,发现有较好的一致性。     

SSPs情景下福建省未来极端降水的模拟与预估

基于最新一代CMIP6全球气候模式模拟的历史和未来SSPs排放情景下的逐日降水数据和高分辨率逐日格点观测数据,采用泰勒图和分位数映射法评估订正模式性能,计算并分析SSP2—4.5和SSP5—8.5情景下福建省21世纪近期(2021—2040年)、中期(2051—2070年)和末期(2081—2100年)8个极端降水指数的变化。结果表明：在参照期(1991—2010年)经过分位数映射法偏差订正后,各极端降水指数模式模拟与观测更加接近,其空间相关系数、均方根误差和标准差的模拟性能都大幅提升。21世纪各个阶段,福建省年累积降水量(Prcptot)、极端暴雨日数(R50mm)均多于参照期,且越到后期、高排放情景下增幅越大。大于10 mm的降水日数(R10mm)和极端大雨日数(R20mm)则是增减各异,R10mm表现为福建东北部减少、其他大部分地区增加,R20mm表现为SSP2—4.5情景下21世纪近期福建西北部减少、而其他情景和时段均增加。表征降水强度的最大1 d降水量(Rx1day)、最大连续5 d降水量(Rx5day)和日降水强度指数(SDⅡ)在未来全部增加,且沿海地区增幅高于内陆地区。持...     

对流移入杭州湾后飑线发展机制分析

利用多源观测资料,对2021年4月30日发生在黄淮地区的一次强对流过程中由不同类型风暴系统造成的极端对流大风进行了探讨。研究表明,此次强对流过程发生在东北冷涡背景下的强风垂直切变和层结不稳定环境中,地面气旋及锋面触发了初始对流,在之后近10 h的传播过程中经历了组织化发展、孤立风暴新生、发展、合并与重组等不同阶段。期间,由两种不同类型风暴产生了特征相异的对流性大风：第一阶段,以江苏淮安站为代表,苏中极端对流性大风（36.2 m/s）是由发展强烈的超级单体风暴引发下击暴流所致。对流风暴低层呈现出明显的钩状回波特征,对应深厚的具有显著气旋性旋转的中气旋,在地面极端大风临近时刻,中气旋存在同时向上和向下拉伸、水平尺度快速收缩过程。贯穿整个风暴的下沉气流位于风暴钩状回波后侧,这支强下沉气流至地面附近迅速向外辐散,伴随风暴内强反射率核快速下降,导致淮安产生时、空尺度小且空间分布显著不连续的极端大风。第二阶段,以江苏南通地区为代表,苏东南地区极端大风的发展过程涉及多尺度天气系统的相互作用。线状对流系统前部存在明显的阵风锋,造成较大范围10级以上的地面大风;南通通州湾极端大风（47.9 m/s）发生在阵风锋后侧,其形成一方面是由于线形对流风暴造成的强冷池与地面冷锋相叠加,形成更强的气压梯度,另一方面与地面中尺度气旋入海过程中的快速发展以及风暴后侧倾斜向前的下沉气流导致的高空风动量下传有关。     

从熵原理得出的雨量时程方程

本文从熵极大原理出发导出了在一次降水过程中降水强度与其历时为负指数关系。并从中引出几个实用方程。这一结果与Paulhus等给出的经验方程在函数形状上类似。 本文通过对400多次遍及中国各地的降水自记记录分析证实,此理论公式与实况的平均相对偏差为10.7％,比Paulhus等的公式相对偏差小了5％。 此结果可用于暴雨、防洪服务和水利工程设计中。这启示人们熵极大原理在气象水文领域有应用潜力。     

中国近54年来夏季极端降水事件特征研究

利用1960~2013年中国6~8月无缺测的571站逐日降水资料,定义7个极端降水指数,研究中国夏季极端降水事件特征。结果表明:(1)极端降水事件空间分布存在明显的区域性差异,长江中下游地区、华南地区、西北地区表现为增加趋势,东北地区、华北地区、西南部分地区表现为减少趋势;时间分布表现出具有显著的年际和年代际变化特征,极端降水事件有增加趋势,在20世纪90年代初期有明显转折。(2)M-K检验表现出极端降水事件在20世纪90年代初发生突变,突变前(后)偏弱(强)。(3)极端降水指数周期振荡不完全一致,准15年周期振荡为主,其次是准7年周期,最强振动出现在1998年。(4)除持续干期指数外,其他极端降水指数间存在较好的相关性。     

2008年初中国南方冰冻雨雪天气的多模式集成预报

利用逐日平均气温和24小时累积降水量资料研究了2008年初中国南方低温雨雪极端天气事件的特征。还利用TIGGE(THORPEX Interactive Grand Global Ensemble)资料中欧洲中期天气预报中心(ECMWF)、日本气象厅(JMA)、美国国家环境预报中心(NCEP)以及中国气象局(CMA)提供的集合预报资料进行多模式集成预报试验。结果表明,2008年初中国南方1/3以上测站的降水偏多达50年一遇,50年一遇的低温还出现在贵州和湖南西部。利用滑动训练期消除偏差集合平均(R-BREM)方法对地面气温做24～216 h预报,发现其预报技巧明显高于单个模式预报和其它多模式集成方法的预报技巧。以欧洲中期天气预报中心地面气温96 h预报的均方根误差作为标准,R-BREM方法能将中国东南部地区的气温预报时效延长到192 h。R-BREM方法还能有效地提高降水预报的准确率,24～192 h小雨预报的TS评分明显高于单个模式预报及其它多模式集成预报的评分,但72 h预报例外。对于24～192 h中雨预报,R-BREM方法也较单个模式及其它多模式集成预报方法的预报技巧高。