基于环境参数的极端暴雨指数构建及其应用

采用百分位法和1981—2010年30年逐年日降水量资料,设置了河南省极端暴雨阈值和区域极端暴雨标准,据此选取1981—2016年河南省极端暴雨个例13例,使用欧洲中期天气预报中心1°×1°再分析资料(ERA-Interim)对其环境参数进行分析,发现:表征大气水汽、动力及不稳定条件的环境参数,如850 hPa比湿和涡度、700 hPa垂直速度和V风分量,200 hPa散度、整层可降水量、K指数、0～3 km垂直风切变等,在极端暴雨过程中的平均值远远偏离其气候平均值,上述环境参数对极端暴雨预报有指示意义;环境参数的标准差倍数与降雨量具有较好相关性,二者的分位值基本沿y=x的对角线分布,环境参数标准差倍数分位值≥80%时,对异常降水(降水分位≥90%)有明显正相关;而环境参数标准差倍数分位较低时(40%),则更多对应了小量级降水。单一环境参数的异常往往不能体现降水异常程度,基于对极端暴雨有明确指示意义的8个环境参数,组建了极端暴雨指数(ERI),经13例极端暴雨个例回代和预报效果评估,ERI≥0.7时,极端暴雨TS评分达35%,漏报率为27%,空报率为49%,可将其作为极端暴雨预报的参考阈值。2018年"温比亚"台风极端暴雨过程中应用表明,该指数对极端暴雨落区预报有较好参考意义。     

2014年5月8—9日引发珠江口区域强降水的两个长生命史MCS特征分析

2014年5月8日上午至9日白天,广东中南部珠江口地区连续受MCS A1、MCS A2两个长生命史中尺度对流系统影响,形成长时间强降水。其中5月8日午后华南内陆地区MCS A1逐步增强,从广西东部向广东珠江口方向移动,陆上活动时间超过11 h; MCS A2从9日凌晨至上午持续影响珠江口沿海地区,维持时间超过9 h,导致珠江口沿海地区出现400 mm 以上单站降水量。过程发生前,8日早上华南南部地区具有弱地面温度梯度,中午MCS A1对流触发与广西南部地面南风增强、华南南部云开大山—云雾山中尺度地形抬升有紧密关系;在弱斜压环境条件下,MCS A1从层云伴随线状对流结构演变为中尺度涡旋组织结构。8日夜间MCS S1入海后,与陆上遗留冷池相关的地面温度边界稳定在珠江口西侧沿海地区;9日凌晨西南低空急流增强后,MCS A2在珠江口沿海残留冷池边界附近开始发展,在向上游迎风方向传播的过程中,逐步形成多条平行β中尺度线状对流组织结构,对流系统整体移动缓慢,造成珠江口沿海地区出现较高的总降水量。计算表明MCS A2冷池边界扩张速度与低层垂直切变相对平衡,有利于形成较为直立的对流单体,增强的边界层水汽输送、更高的对流单体高度有利于产生较高的降水强度。通过总结这两个华南地区长生命史MCS发生发展过程,表明通过分析对流反馈造成的边界层/近地面层热动力特征变化,对于分析MCS发展特征、提高华南前汛期中尺度暴雨预报能力具有重要意义。     

基于随机森林的暴雨灾害人口损失预估模型及应用

基于2009—2017年的广西县级暴雨灾情记录,综合考虑致灾因子、孕灾环境和承灾体因素选取7个解释变量,运用随机森林算法,构建暴雨灾害人口损失预估模型;并以精细化网格降水实况分析和预报产品驱动模型,预估是否发生人口损失。研究结果表明:模型训练样本及测试样本的分类准确率均在90%以上,致灾因子(降水情况)是最主要的解释变量,重要性从大到小依次是前10 d降水距平百分率、过程最大日雨量、最大小时雨量和短时强降水频次。应用智能网格降水产品对广西地区近两年的暴雨灾害过程进行回报试验,准确率超过70%。     

2011年长江中下游旱涝急转及汛期暴雨的对流条件研究

利用ERA-Interim及雨量和土壤水分观测资料,对比诊断了2011年5—6月长江中下游梅汛前极旱期急转为梅汛期洪涝的极端天气事件的对流条件（水汽、不稳定、抬升作用）差异及特征,并研究条件性湿位涡垂直通量（CMF）指数与暴雨之间的定量关系。结果表明:在极旱期,干冷的东北气流控制,西太平洋副热带高压偏东,低层水汽通量弱且以偏北风输送为主,中低层为下沉气流,无低空急流,等θ_se线稀疏,边界层抬升机制缺乏,是干旱加剧的主要因子;在梅汛期,西南气流增强,西太平洋副热带高压西伸,低层气流在长江地区辐合,低层水汽通量增加且转为西南和东南风输送为主,伴随高低空急流耦合和深厚的上升运动,等θ_se线密集形成梅雨锋,增强不稳定暖湿空气强迫抬升和垂直输送,造成暴雨频发,引起区域性洪涝。暴雨中心600 hPa以下为负湿位涡的不稳定层,对流不稳定与条件性对称不稳定共同作用是强降水发生的不稳定机制。CMF指数与旱涝变化、暴雨过程演变非常一致,在极旱（梅汛）期,CMF指数低（高）,变化平缓（剧烈）,CMF指数在暴雨开始时逐步剧增,结束时迅速减小。      

惠东高潭三次极端强降水过程成因对比分析

基于ECMWF的ERA-Interim全球大气再分析资料、MICAPS实况数据和广东省气象观测资料,对比分析了广东惠东高潭1979年、2013年和2018年的三次极端强降水过程的成因。结果表明:造成高潭极端强降水的影响系统有台风本体环流、登陆后的台风残余环流、季风低压外围环流等,其中2018年季风低压影响过程降水量最大;不同过程对流层低层强迫暖湿气流辐合抬升方式不同,分别为冷暖气流相互作用、西南季风和偏南季风地交汇、季风涌、边界层急流等;各过程中伴随的低空西南气流和偏南气流的风速大小差异明显,2013年台风残余环流影响时低空西南(偏南)风风速最大。相同点有:影响天气系统移动缓慢,并长时间维持,为极端强降水的发生发展和维持提供有利的动力条件;西南(偏南)季风、边界层急流或西南气流源源不断的水汽输送,为极端强降水的发展和维持提供了充足的水汽条件,同时低空暖湿气流的输送使得暴雨区大气层结不稳定状态长时间维持,利于持续性强降水的发展。研究结论可为今后高潭及其附近地区极端强降水的预报和决策服务提供理论支撑。      

近10a气候变化影响下四川山地暴雨事件的演变特征

利用近10 a (2010—2019年)国家气象基本站与加密气象自动站降水资料从气候态探究了四川省山地暴雨事件的空间分型与时间变化特征。在将四川山地暴雨事件划分为川西暴雨(SC-A)、川东北暴雨(SC-B)和川西、川东北两地并发型暴雨(SC-C)这三种类型的基础上,统计分析得到以下结果:(1)近10 a四川山地暴雨的频次略有减少,但累计降雨量和地质灾害却有所增加。SC-A近10 a发生的频次和强度呈增加趋势,而SC-B表现出不规则的振荡趋势。在三类暴雨事件中,SC-A在发生频次和强度上均为四川山地暴雨中最高的一类。(2)暴雨峰值逐年变化中,SC-A暴雨峰值雨量总体大于另两类暴雨,近10 a中,峰值雨量除在8月呈上升趋势外,其余月份山地暴雨强度无明显的线性增减趋势。(3)三种类型的山地暴雨事件累积雨量和频次变化趋势比较一致,5—7月逐渐增加,7月达到最高,8—9月逐渐下降。5月和9月发生的暴雨事件主要为SC-B山地暴雨,6—8月则为SC-A山地暴雨为主。(4)四川山地暴雨事件夜间出现暴雨峰值的频次远高于白天,主要集中在北京时00—06时,在研究的三种类型山地暴雨事件中,SC-A的夜间暴雨峰值出现次数最多。     

基于风暴尺度模式产品的暴雨最优升尺度概率预报方法研究

基于ARPS3DVAR+WRF (Advanced Regional Prediction and 3-dimensional variational System)快速同化模式对西南地区近几年发生的4次强降水过程进行模拟试验,对12 h降水预报结果采用升尺度方法,计算邻域平均预报、站点概率预报,最终形成邻域概率预报,并细致分析了这三种预报的特点与效果,讨论了升尺度窗区尺度给不同量级降水带来的影响,最后结合AROC评分与邻域空间检验FSS讨论业务概率预报应用的最佳尺度。结果表明:升尺度邻域平均预报在小雨与大暴雨量级降水上表现不稳定,对中雨的预报提高不明显,但是对大雨与暴雨预报有较好的改善效果;站点概率预报具有一定的误导性,而邻域概率预报可以弥补其缺憾,越高分辨率的模式有更多的降水样本,在降水不确定性上能给出更好的概率分级信息;相对邻域平均的升尺度预报TS检验结果,基于邻域概率的FSS和AROC分析有更好的预报技巧指导意义;36 km升尺度窗区既能消除一定程度的强降水预报不确定性,同时也可以保留适当的对流尺度特征,为最佳升尺度窗区。     

“海葵”台风(1211号)暴雨雨滴谱特征分析

利用常规气象观测资料、加密自动气象观测站资料、NCEP/NCAR再分析资料以及安徽省滁州、黄山山底站地基雨滴谱观测资料,分析了2012年8月8-9日“海葵”台风暴雨过程的降水特征与环流背景,重点分析了该过程前后两个阶段(即台风本体造成的降水阶段与冷空气入侵引发的降水阶段)降水的雨滴谱特征。结果表明:(1)“海葵”台风降水过程中,安徽滁州站和黄山山底站平均谱谱宽都较大,均有6~8 mm的大降水粒子出现;黄山山底站具有更高的雨滴数浓度和较小的雨滴直径。(2)整个降水过程中,滁州站平均谱接近后一阶段的雨滴谱型,而黄山山底站平均谱接近前一阶段的雨滴谱型;不同雨强下两站的雨滴谱谱型基本相似,且随着降水强度增大,谱宽和雨滴数浓度均呈增大趋势。(3)前后两个降水阶段,滁州和黄山山底站表现出不同的滴谱特征。前一阶段,滁州站雨强(R)、雨滴质量加权平均直径(Dm)和标准化数浓度(Nw)的均值均小于黄山山底站;至后一阶段,滁州站的R、Dm明显增大,均大于黄山山底站。(4)从台风本体降水阶段到冷空气入侵降水阶段,滁州站雨滴谱型变化明显,呈现出谱宽由窄变宽且随雨滴直径增大而雨滴数浓度均增大的特点;黄山山底站雨滴谱型差异不大,表现出谱宽由宽变窄、雨滴数浓度随雨滴直径增大先增后减的特点。     

近30a台湾非台风暴雨研究回顾

从1987年开始,台湾暴雨研究进入一个新纪元,由早期定性描述分析进入定量计算与模拟,其中包括新观测设施的建设与数值天气预报系统的建立。近年来,随着全球气候变暖,台湾极端降雨事件有所增加,其中不少极端降雨事件是由非台风暴雨所致,往往给当地社会经济和人民生命财产造成严重影响,这就迫切需要不断提高强降雨定量预报业务水平。本文通过对近30 a台湾在非台风暴雨研究发展方面取得的主要进展的回顾,重点介绍了台湾气象部门为了提高强降雨定量预报业务水平所做出的努力,同时对未来台湾非台风暴雨研究规划与方向作了简要介绍。     

华南一次暖区暴雨的演变及云微物理机制模拟研究

利用WRF v4.0中尺度模式及0.25 °×0.25 °高分辨率的GDAS分析资料,对2017年6月15日发生在华南的一次典型暖区暴雨过程进行数值研究。多源观测资料对比分析表明,Thompson aerosol aware云微物理方案与YSU边界层方案组合合理再现了此次暴雨的演变过程。观测与模拟的强风速下传、低层风场切变及降水之间存在较好的对应关系,强的雷达反射率与水汽通量散度中心一致。在中尺度对流系统（MCS）发展和成熟阶段,冷池的出流抬升是新生对流的重要触发条件,地形的动力抬升作用并非主导。云微物理分析指出,由于华南上空充沛的水汽及过冷雨水,雪的最大来源项表现为水汽凝华成雪,而霰的最大来源项为过冷雨滴碰并冰晶、雪并冻结成霰。在零度层之下的1.5 km区域,冰相粒子的融化率可达暖雨过程（1×10-4g/(kg·s)的2倍,暗示其在融化层对雨水形成的支配作用,而雪霰的重力沉降扮演了重要角色。此外,相变过程显著影响着大气的温度变化,当对流云底较低时,低层的水汽凝结将抵消雨水蒸发导致的冷却作用,减弱地面冷池的强度。