近50年我国持续性暴雨的统计分析及其大尺度环流背景

根据1951～2005年中国大陆730个台站的逐日降水资料和持续性暴雨发生的特点, 提出了采用局地持续性暴雨和区域持续性暴雨事件的两种客观定义来描述和统计近50年我国持续性暴雨时空特征及其变化。单站逐日降水量连续三天或三天以上均大于等于50 mm为一次局地持续性暴雨；区域持续性暴雨指在一定区域范围内连续三天降水量总和大于等于100 mm且每天降水量大于等于25 mm的面积超过某一阈值 (详细定义见正文）。根据局地持续性暴雨定义, 指出: 近50年中国局地持续性暴雨事件主要发生在江南和华南地区, 发生季节以6月为最多；根据区域持续性暴雨定义, 统计分析了四类典型的区域持续性暴雨类型, 分别是: 渤海辽西型、北方经向型、南方锋面型和华南低压型。其中南方锋面型又可根据持续性暴雨易发生的地理位置分为江淮型、江南型和华南型三种。对这六类区域持续性暴雨的历史个例进行同比分析, 研究了不同类型持续性暴雨发生的季节性和年际变化,以及它们在大尺度环流背景方面的共性特征。     

一种新的梅雨锋上中尺度涡旋识别方法

中尺度涡旋的发生、发展对梅雨锋暴雨常具有直接作用,客观准确地识别中尺度涡旋有助于提高暴雨预报的准确性。本研究提出一种从格点风场中自动识别中尺度涡旋中心的客观方法。利用美国国家环境预报中心(NCEP)提供的全球模式分析资料,选取2013—2014年梅雨期间两次暴雨个例,考察新方法识别中尺度涡旋的能力,并与现有的两种识别方法(分别基于相对涡度场与基于高度场)进行比较分析。结果表明,由于较小尺度的系统不遵守地转风规则,梅雨锋上许多涡旋的风场环流中心、涡度中心与低压中心位置不重合,影响通过涡度识别或气压识别方法的准确性。新方法从风场出发,可准确识别出大多数涡旋中心,误判率低,定位精度高于无人工辅助下的另外两种方法。接着利用新方法分析了两次暴雨个例中不同中尺度涡旋的垂直结构与时间演变。分析表明,新方法无需人工辅助,无特定层高和时间限制,可在短时间内识别出区域内所有中尺度涡旋的位置、三维结构与时间演变,可用于梅雨期间静止锋上中尺度涡旋的识别和路径的追踪,有助于预报员实时分析与预报暴雨。     

2013年重庆秋季连阴雨期间暴雨过程对比分析

2013年8月29日9月11日,重庆各地出现不同程度的连续降水天气,持续614天,降水日数多、日雨量大,连阴雨期间重庆出现两次区域性暴雨天气过程,为较严重连阴雨天气。利用NCEP 1°×1°的再分析资料及重庆地区逐日、逐时降水资料及雷达回波资料,对连阴雨天气期间两次暴雨过程进行对比分析。结果表明：此次连阴雨过程中欧亚地区中高纬500 hPa呈“两脊一槽”型,连阴雨过程中两次暴雨过程的500 hPa中高纬形势有所不同,但影响系统均为短波槽;两次过程都存在强大的水汽输送带,因副热带高压位置不同,暴雨区水汽来源也不同,一次来源于南海,一次来源于南海与孟加拉湾。近地层弱冷空气及中层暖湿气流的持续影响使连阴雨天气得以维持,两次暴雨过程产生前或产生时都伴有低层冷空气和中层暖湿气流的加强。由于“9·10”暴雨过程在暴雨区附近有明显的θse锋区,而“9·2”暴雨却不存在θse锋区,因此连阴雨过程中两次暴雨的降水性质不同。在对流并不特别强的暴雨过程中,雷达资料对影响系统强度的判断同样有指导意义。     

北京“7.21”特大暴雨环流形势极端性客观分析

2012年7月21日(简称“7.21”),北京发生了自1951年以来最强的暴雨事件。利用倾斜旋转T模态主成分分析法和美国国家环境预报中心/美国国家大气研究中心再分析资料,探讨了北京“7.21”特大暴雨的大尺度环流形势的极端性。结果表明,北京“7.21”暴雨日所属的大尺度环流型在1951—2012年夏季出现的频率为10.9%,而在“7.21”同类环流型中暴雨出现的概率为4.51%。和同类暴雨日平均场相比,“7.21”暴雨日当天西太平洋副热带高压西伸更强,北京地区对流层低空急流更强,并伴随环境大气中极端充沛的可降水量和较大的风垂直切变。在“7.21”同类环流型下的621 d中,“7.21”暴雨日北京南侧的低空急流排在第54位,北京局地风垂直切变排在第209位,可降水量排在第8位,显示出其在低空急流和可降水量上的极端性。1951—2012年夏季,具有“7.21”暴雨日同类环流形势、且925 hPa低空急流和可降水量均达到或超过“7.21”暴雨日值的个例有3次,相当于每21年发生一次。     

Rapid change in nitrate and sulfate concentrations observed in early stage of precipitation and their deposition processes

The concentrations of H⁺, nitrate (NO₃ ^-), and sulfate (SO₄ ^2-) in rainwater and their temporal changes were analyzed on the basis of continuous observation from 1 July 1991 to 30 June 1992 at a suburb of Nagoya, Japan. The yearly average for pH was 4.4. In general, an increasing pH with increase in precipitation amount was observed for rain events. Relatively high pH rainwater was sometimes observed at the beginning of rainfall, even though high concentrations of NO₃ ^- and SO₄ ^2- were involved. The high pH values were considered to be caused by the neutralization process with particulate matter containing cations. The yearly averaged ratio of equivalent concentration of nitrate to sulfate (N/S) in rainwater was 0.58. In the early stage of rain, the N/S value was usually more than 1.0 due to the difference of scavenging process between NO₃ ^- and SO₄ ^2-. High values of N/S ranging from 5 to 10 were found under the atmospheric conditions of calm winds and low humidity, during which it is possible that atmospheric particles float for a long time in the air before a rain event. The adsorption of NO₃ ^- in the early stage of rainfall by particulate matter was suggested from the difference in scavenging processes of NO₃ ^- and SO₄ ^2-. A possible scavenging process, called limb cloud scavenging, is presented to explain the interaction of particles and nitrate ions at the early stage of rain. In limb cloud scavenging, the repeated migration of cloud particles or raindrops between the inside and outside of clouds increases the absorption of ions to a highly condensed level, thus increasing the N/S value of rainwater. The influence of global scale seasonal phenomena with large amounts of particulates, such as typhoons or Asian dust storms, was also studied.     

On the scavenging of SO2 by cloud and raindrops: I. A theoretical study of SO2 absorption and desorption for water drops in air

An extention of our previous theory for trace gas absorption into freely-falling cloud and raindrops is presented. This theory describes the convective diffusion of a trace gas through air and into a water drop with internal circulation, the drop falling at its terminal velocity. Using flow fields for the circulating water inside and for the moving air outside the drop, obtained by numerical solutions to the Navier—Stokes equation of motion, we numerically solved the convective diffusion equation to determine the uptake of SO₂ by water drops of various sizes, time exposure to the gas phase, and concentration of SO₂ in the gas phase. It was found that for drops of radius larger than 1 mm and relatively low gas concentrations (10 ppb (v)), resistance to gas diffusion lies mainly in the gas phase; while for drops of radius less than 500 m and gas concentrations larger than those found in the atmosphere (1% (v)), the resistance to diffusion lies primarily in the liquid phase. With drop sizes and gas concentrations between these limits, the rate of SO₂ uptake is controlled by a coupled resistance to diffusion inside and outside the drop. In addition to our general model, a simplified version was formulated which allows considerable savings in computer time for evaluation and improved ease of handling without significant loss of accuracy. A comparison between our simplified model and that of Barrie (1978) shows that the boundary-layer approach of Barrie may be a useful alternate approach to estimating trace gas absorption by water drops, provided appropriate values are chosen for the thickness of the boundary layers involved.     

预报异常极端高影响天气的 “集合异常预报法”：以北京2012年7月21日特大暴雨为例

对罕见极端高影响天气,既使一个模式有能力预报它,其数值预报也至少有以下难点:一是有多大把握确定所预报的天气是极端事件？二是其具体的定时、定量、定点预报可靠吗？本文介绍了集合预报和气候资料相结合的 “集合异常预报法”,并通过北京2012年7月21日（7.21）特大暴雨事件揭示出“集合异常预报法”和集合预报可以提供比单一模式预报更可靠和更准确的信息,从而可有效地缓解上述两大难点。作者建议中央气象台和其他有条件的台站可采用这种办法提高重大灾害性天气的预报能力。文中具体讨论了如下三方面:（1）标准化异常度（SA）的定义以及它同集合预报相结合提高对罕见极端高影响天气预报的可靠性,并由此可导出一个“社会影响矩阵”来定量地表达一个预报对社会的潜在影响;（2）利用集合预报,特别是多模式集合预报可以克服单一模式前后预报的跳跃性或不连续性问题,由此可延长实际可预报时效,如北京7.21事件超过100 mm大暴雨的实际可预报时效提前了2天;（3）SA还有助于认识异常天气发生的原因:从SA的分布看,造成北京7.21 大暴雨事件的短期天气尺度背景因素是从西北方向移来的冷锋和台风倒槽的相遇;从SA的演变看,该事件的中期大背景因素是在北京东北方向有阻塞高压发展并导致北京以西地区的低槽加强和发展（地面强冷空气堆积）,在高纬度形成了一个高、低压系统相间的波列,发展并维持,同时诱导热带系统北进。     

一次梅雨锋大暴雨过程的数值模拟分析

利用区域大气数值模式RAMS 6.0,模拟了2008年6月9-10日发生在我国长江中下游地区的一次梅雨锋大暴雨过程。结果表明,模式能较好地再现这次大暴雨过程以及中小尺度系统的生消演变。在这次大暴雨过程中,高低空流场的恰当配置、三支气流在长江中下游的汇合及低涡沿切变线东移等都为大暴雨的形成提供了有利的大尺度环流背景。低涡内生成的一系列中尺度对流系统沿梅雨锋稳定地向东北偏东方向移动并发展,是造成这次长江中下游地区大暴雨的动力机制。孟加拉湾到我国西南地区稳定的南支低槽和副热带高压外围发展旺盛的西南气流输送,为这次暴雨过程提供了充沛的水汽。     

通辽市一次久旱转雨天气过程诊断分析

应用常规天气资料、卫星云图及多普勒雷达产品资料,针对2009年4月18日夜间至21日白天通辽地区出现的一次久旱转雨天气过程,通过动力诊断分析和物理量诊断方法阐述了此次过程的环流成因,利用多普勒雷达反射率因子、径向速度、风廓线及回波高度产品,揭示了这次过程天气系统的回波特征。结果表明:这次过程分别是由低层暖湿切变及短波槽不断分裂南下加强后,与地面倒槽配合形成的低涡影响造成的。     

全球海表温度年代际尺度的空间分布及其对长江中下游梅雨的影响

使用统计诊断的方法,探讨了近百年全球海表温度年代际尺度的空间分布结构与长江中下游梅雨异常变化的可能联系.采用三次样条函数拟合的方法将1885～2000-全球海表温度场和长江中下游梅雨雨量百分比序列的年代际变化分量分离出来,在分析各自年代际变化特征基础上,研究了全球海表温度的年代际尺度分布结构对长江中下游梅雨异常变化的影响.结果表明(1) 全球海表温度年代际尺度变化分量清晰地表征出气候背景的分布状态,其中太平洋年代际振荡(PDO)型态表现突出,特别是1976年以后太平洋的气候背景呈现暖事件增强的趋势.同时,印度洋及大西洋中部海域的海表温度也表现出明显的升温趋势.(2) 长江中下游梅雨年代际尺度变化趋势与全球海表温度的年代际变化趋势基本一致,特别是与PDO典型分布型态的变化趋势有很好的对应,当PDO暖事件趋势处于较强时期时,长江中下游梅雨为偏多的趋势,反之亦然.其中20世纪70胩代中期PDO出现暖位相增强的突变,长江中下游梅雨也在此时期转入增多的趋势.同时,印度洋、大西洋部分地区的海表温度的年代际变化与梅雨的年代际变化之间也有一定的关联.(3) PDO指数与西太平洋副热带高压面积指数的年代际变化趋势一致的统计事实,从一个侧面说明海洋的-代际变化最终通过副热带高压的变动影响梅雨的异常变化的可能性.