江西不同类型强对流天气的地闪统计特征及与雷达回波特征对比分析

选取2004—2014年江西省11个ADTD雷电探测定位组网系统所得云地闪探测数据、省内多普勒雷达、探空和自动站资料,并结合重要天气报,将此11年的强对流天气分成短时强降水、有短时强降水伴随的雷雹大风和冰雹(以下简称风雹)和无短时强降水伴随的风雹这三种主要类型,分析它们发生前后的地闪活动特征及其与雷达回波的关系,结果发现,(1)江西省短时强降水、雷暴大风和冰雹分别主要发生在5—8、7—8月和3月;仅发生短时强降水时的站次远多于发生风雹天气时;除早春和盛夏无短时强降水伴随的雷暴大风发生站次较多外,风雹天气常与短时强降水相伴发生。(2)仅有短时强降水天气发生时,其站点地理位置越偏北、小时雨量越大,对应的地闪活动就越剧烈。不同小时雨量对应的地闪数存在较明显的季节性差异,表现为3、4月地闪数以小时雨量为50~55mm时最多;5—7月地闪数随着小时雨量增大总体呈增多趋势,尤以小时雨量为55~60mm时最多;8—9月则以小时雨量为40~45mm时最多。(3)就无短时强降水伴随的风雹天气而言,在3—5月雷暴大风和冰雹发生前30min内的地闪数差异不大,但平均电流强度后者大于前者;在6—9月雷暴大风发生前30min内的地闪数则为冰雹发生前的2~4倍,平均电流强度前者大于后者;该类风雹发生前的地闪数多于仅有短时强降水发生前,正地闪的平均电流强度前者也略强。(4)有短时强降水伴随的风雹发生前的平均正地闪数以8月为最多,而负地闪数则在6月最多;冰雹发生前1h内的地闪数随季节变化不大,而雷暴大风发生前的地闪数存在季节差异,夏季多于春季;另外冰雹的地闪数与冰雹直径存在较好的正相关性。(5)3—8月,有短时强降水伴随的风雹地闪数远多于无短时强降水伴随时;其平均电流强度前者大于后者;该类风雹天气发生前,地闪平均电流强度随季节呈先增大后减小的趋势,而无短时强降水伴随的风雹天气则无此特点。(6)强对流天气发生前,较强回波出现前的负地闪活动远比正地闪活跃,但其电流强度弱于正地闪;45dBz以上回波伸展高度越高,伴随的地闪数也越多,但其平均电流强度变化不明显。     

西南地区短时强降水的气候特征分析

利用国家级地面气象站逐小时和日降水数据集资料,对西南地区短时强降水的气候特征进行了分析,并对近30年来强短时强降水和强暴雨的变化趋势进行了分析。结果表明:西南地区短时强降水主要集中在4-10月;三个高发区分别位于贵州东南部、四川盆地西南部和云南东南部,年均发生次数约5～6次;强度一般为20～30 mm·h~(-1),其中贵州30 mm·h~(-1)以上的小时降水强度所占比例最高,四川盆地西部边缘地区小时降水最强,超过80 mm·h~(-1),极端小时降水达123.1 mm·h~(-1);短时强降水具有明显的夜发性,02时左右为发生频次的峰值时段。从近30年西南地区超过第90百分位的强短时强降水与强暴雨的长期变化趋势来看,强短时强降水呈现频次增加、强度增强的变化趋势,强暴雨则变化不明显。     

弱天气尺度背景下太行山极端短时强降水预报失败案例剖析

2015年7月31日夜间,太行山区出现极端短时强降水天气,石家庄和邢台的西部山区有5个雨量站雨量超过100mm,其中石家庄市赞皇县院头镇和邢台市临城县南中皋村最大雨强都超过50mm·h~(-1),3h雨量超过100mm,属极端短时强降水。数值预报、上级指导预报以及各级台站预报对暴雨均为漏报。本文利用常规高空地面观测资料、加密自动站观测资料、石家庄新一代天气雷达资料以及数值预报检验,反思该极端短时强降水预报思路和预报失败原因。此次极端短时强降水是发生在青藏高压东北侧高空西北气流的弱天气尺度背景下,预报的关键在于把握太行山东侧边界层偏东风与地形的作用、青藏高压加强使中层西北气流加强使垂直风切变加大、低层切变线东移影响、西南暖湿气流增强使水汽输送增加、中空干层与加厚的低空湿层叠加使对流不稳定性加强的特征。预报失误的主要原因是没有分析最大不稳定能量(订正CAPE值)导致对山西不稳定条件的低估,致使对山西雷暴在夜间的再次发展估计不足,同时预报员没能有效地使用非常规资料用于实时检验和订正数值预报结果,导致没能预见到雷暴下山增强的可能。目前对弱天气背景下强降水产生条件缺乏有效的概念模型,数值模式可预报性较差,未来需要提高预报员对观测资料的全面分析能力和对数值预报产品的释用能力,通过大量个例的研究发展有效的预报(概念)模型。     

双偏振雷达产品在福建强对流天气过程中的应用分析

利用高空地面资料和厦门双偏振雷达资料对2016年12月21—22日福建东南部沿海出现的一次冰雹、短时强降水强对流天气过程进行分析。结果表明,21日午后的冰雹天气是在暖区内西南气流暖湿强迫背景下产生的,21日夜里的强降水天气则是斜压锋生类强对流天气。利用双偏振雷达产品可分析出冰雹的相态演变:明显的冰雹特征(Z_(DR)≤0、回波强度≥55 dBz)首先出现在0℃层附近,后向上向下发展,高层出现三体散射现象,但由于干湿球0℃层高度相当,融化层厚度厚,午后地面温度超过20℃,冰雹在下降过程中Z_(DR)、K_(DP)由负值转正值,表明冰雹逐渐融化成大雨滴或外包水膜的冰雹;三体散射回波强度15～20 dBz区域,对应的Z_(DR)出现由负极值到正极值的突变区,CC0. 7,呈现非气象回波的特征。短时强降水对应Z_(DR)、K_(DP)随反射率因子的增大而增大,CC0. 97,说明强降雨是由大量粒子较大的雨滴造成的。     

基于Logistic回归和多指标叠加的短时强降水预报模型

利用2001—2011年中国西北地区东部10个特征站地面常规资料和MICAPS系统特征参数资料,分别运用改进的二元Logistic回归法和综合多指标叠加法,通过短时强降水天气学概念模型识别入型、水汽条件消空、敏感物理参数诊断等方法逐级判别,建立了两种短时强降水预报模型,并运用模型试预报2012年该区域的短时强降水过程。结果表明:两种新建预报模型相比平均气候概率模型试预报效果都有明显提高,而且前者高于后者;其中二元Logistic回归模型试预报TS得分高达46.6%,综合多指标叠加模型试预报TS得分19.6%,而平均气候概率模型试预报TS得分仅9. 7%;除西南气流型两者预报效果相当外,不同概念模型下二元Logistic回归模型试预报效果均优于综合多指标叠加模型。     

一组雷达预警指标在2013年短时强降水中的应用分析

利用一组雷达阈值指标,对2013年四川盆地发生的5次区域性暴雨过程中的短时强降雨进行检验和订正,结果表明,(1)无论针对具体的站点,还是区域面上的短时强降水,预警指标对预警短时强降水是可行的,且预警时效在0~2h内效果较佳。(2)SWAN产品中分析显示,要产生20mm/h以上的短时强降水,满足预警指标的回波需要监测到3个6min以上,通常强回波持续越长,对应的雨量也越大。(3)针对降水面上的预警准确率除2013年7月04日15时的成功预警率在57.1%左右,其余过程中预警指标对未来1h短时强降雨的预警成功率基本在80%以上,误报率基本在20%以下,在误报的站点中,SWAN拼图中回波与单站雷达探测的回波,尤其是在低仰角度上存在较大误差。     

白城市强对流天气的时空分布规律及特征分析

利用1981-2010年近30年白城地区5个气象站的历史气象资料,采用统计分析方法总结出白城地区冰雹、雷雨大风和短时暴雨3种强对流天气的气候特征。结果表明:受地形影响,白城市冰雹少,但多雷雨大风和短时暴雨。时间分布上,冰雹1980年代为多发期,1990年代明显减少,但2000年代后期又有增多的趋势;雷雨大风1980年代初期为多发期,1980年代后期有所减少;短时暴雨具有一定的周期性,在1980年代和1990年代末期分别出现峰值。冰雹、雷雨大风6月出现的次数最多;短时暴雨7月出现的次数最多。冰雹、雷雨大风和短时暴雨主要出现的时段分别是13-17时、13-20时和14-21时。空间分布上,冰雹基本呈现北多南少的分布;雷雨大风基本呈现南多北少的分布;短时暴雨基本呈现两侧多中间少的分布。     

沙澧河流域短时强降水特征和概念模型

利用2000-2012年5-9月1 h降水加密观测资料,统计分析了沙澧河流域短时强降水的时空分布特征,结果表明:沙澧河流域短时强降水的空间分布呈自南向北、自东向西减少的趋势;强降水集中出现在6-8月,7月是最为频发月份。日变化呈双峰结构,子夜到凌晨(23时-次日05时)和傍晚前后(18-19时)为易发生时段。应用常规MICAPS地面和高空观测资料对沙澧河流域短时强降水个例天气系统和触发条件进行分析,总结出4种天气学概念模型,分别是有露点锋西南涡型、无露点锋西南涡型、有露点锋切变线型、无露点锋切变线型。其中西南涡型造成的强降水范围比较大,该类型强降水的落区一般位于西南涡移动方向的右前方或其前部切变线与沙澧河流域附近其他中小尺度系统交汇的区域内;切变线型造成的短时强降水范围相对要小,但局地性更强,该类强降水的产生与冷空气的侵入有很大的关系,强降水的落区产生在切变线移动过程中与沙澧河流域附近中尺度系统相交汇或包围的区域内;当有露点锋存在时,短时强降水更偏向于露点锋的两侧,或在露点锋与地面辐合系统相交汇的附近产生。     

上海地区短时强降水特点及其影响

利用2009-2013年上海市加密观测自动站降水资料和110报警信息资料,对上海市短时强降水进行统计分析,了解其地理分布特征、概率分布特点的同时,找出降水极端性与暴雨红色预警标准的对应关系,以及110报警次数与短时强降水的关系。结果表明:1)自动站1 h雨量≥30 mm、≥50 mm和3 h雨量≥50 mm、≥100 mm的5 a累计频数的大值区基本集中在市区及其周边地区,郊区次数明显减少,出现次数最多的是3 h雨量≥50 mm的情况,出现次数最少的为3 h雨量≥100 mm的情况。2)从不同降水强度的发生概率分布来看,郊区弱降水发生概率大于市区的,市区强降水(1 h雨量≥25 mm)发生概率大于郊区的。3)对流降水情况下,降水累积概率为1%时,对应的1 h雨量市区为63.6 mm、郊区为58.7 mm,接近暴雨红色预警标准;对应的3 h雨量市区为90.8 mm、郊区为86.8 mm,较暴雨红色预警标准的阈值小。4)报警次数与降水量的关系:1当1 h雨量40 mm或3 h雨量60mm时,报警次数变化不大,基本在10次以下;当1 h雨量≥40 mm或3 h雨量≥60 mm时,报警次数逐渐增多,大部分在20次以上;当1 h雨量≥60 mm(达到暴雨红色预警标准)、3 h雨量≥80 mm(未达到暴雨红色预警标准)时,报警次数明显增多,基本超过30次,最多达100次以上。从报警次数的角度来看,暴雨红色预警的3 h标准设定为80~90 mm更合适。2当逐1 h和逐3 h雨量不是很大、但累积降水量较大(特别是累积降水量超过100 mm)时,报警次数急剧增多,很多超过100次,说明报警次数还与降水的持续时间有关。3当累积降水量、逐1 h和逐3 h雨量都增加时,报警次数增加最快。4报警次数的极值并非都出现在逐1 h和逐3 h雨量大值时,在1 h雨强不是很强,但降水持续时间长,累积降水量大的时候,也十分容易出现报警极值。     

中国短时强对流天气的若干环境参数特征分析

利用中国2005-2009年2 000多个国家级气象观测站雨量资料和2002-2011年部分探空站探空资料,研究了中国短时强降水、强冰雹、雷暴大风以及混合型强对流天气的环境参数特征,通过环境参数特征的对比分析,将上述四种强对流天气加以区分,并对所选取的探空数据和环境参数进行了分类和对比分析,结果表明:(1)通过T-logp图温湿曲线形态、500～700 hPa和850～500 hPa温差、0℃、20℃层和平衡层高度、地面和1.5 km高度的露点温度、1.5 km高度温度露点差、对流有效位能和0～6 km垂直风切变等区分上述四种类型强对流天气的环境背景;(2)纯粹短时强降水天气(包括1、II型)与强冰雹天气、雷暴大风天气环境参数的区别比较显著,前者与后两者相比主要表现在较小的700～500 hPa和850～500 hPa温差,弱的垂直风切变,较高的0℃层、-20℃层和平衡层高度,较大的地面和地面以上1.5 km处的露点温度,其中短时强降水I型(占了纯粹短时强降水的大多数)以其整层较高的相对湿度与其他类型强对流的环境背景差异最为明显;(3)混合型强天气与强冰雹天气、雷暴大风天气在T-logp图温湿曲线形态、对流有效位能及0～6 km垂直风切变诸方面特征相似,表现为对流层中层存在明显干层、较大的对流有效位能和0～6 km垂直风切变,但在相对较高的平衡层高度、较高地面和地面以上1.5 km处露点温度及较小的850～500hPa温差等方面与纯粹短时强降水更为接近.