2012年3月17日北京降水相态转变的机制讨论

由于受到资料分辨率的限制,对于降水相态转变过程以及机理的认识一直不够深入.在北京地区2012年3月17日夜间的降水过程中,降水相态经历了降雨、雨夹雪和降雪3个阶段.本文利用常规探测资料以及时间和垂直方向上分辨率较高的微波辐射仪温度廓线及基于雷达探测和中尺度模式的反演资料,首先分析了上述3个降水阶段温度的垂直分布,而后讨论了导致温度差异的机制.结果表明,降雪阶段冰雪层(包含冰雪和过冷水混合层)的厚度较降雨阶段增厚并且其下边界距离地面更近.3个降水相态温度分布差异较大的层次在对流层下层特别是抬升凝结高度附近.0℃层相对于云底的高度与降水相态密切相关.在降雨阶段,0℃层在云内,雨夹雪阶段在云底附近,降雪阶段下降到云底以下.冷空气活动是造成3个降水相态温度乖直分布不同的原因,但是在不同阶段影响的方式各异.在降雨转成雨夹雪阶段,“回流”东风将冷空气输送到北京,导致边界层内降温;雨夹雪转降雪的阶段,对流层低层温度进一步降低主要缘于高空槽后冷空气的侵入.因此,在北京地区导致降水相态转变的机制是多样且复杂的.     

北京雷暴大风气候特征及短时临近预报方法

北京地区雷暴大风的预报准确率低而且时效短.为了提高对这种灾害性天气的预警能力,在气候统计的基础上,研究了潜势预报方法和临近预报算法.对1998-2007年134个雷暴大风过程的统计结果表明,北京地区绝大多数的雷暴大风具有下击暴流特征,而且冰雹的落区附近也是大风的爆发区之一.因此,负浮力的作用和对冰雹具有指示性意义的因子是研究雷暴大风预报方法应主要考虑的因素.500hPa环流背景分析表明,尽管绝大多数雷暴大风爆发时对流层中层有干空气侵入,但是还有少数个例产生在偏南暖湿气流中.目前,对后一类大风产生的机制仍然不清楚.研究表明,当对流层中层有干空气侵入时,有利于雷暴大风出现的环境条件是:下沉气流具有较大的不稳定性,同时对流层低层环境大气的温度直减率较大.此外,还讨论了经验指数--大风指数在北京地区的应用.基于上述的研究,形成了北京地区雷暴大风短时潜势预报方法,还使用相关分析和多元回归分析技术建立了基于雷达观测和环境条件的雷暴大风临近预报方程.个例分析表明,临近预报方程对于飑线和弓形回波等带来的地面大风具有一定的预报能力.     

14时探空在改进北京地区对流天气潜势预报中的作用

为了探讨增加14时探空对于对流天气短时临近潜势预报的作用。用1995—2005年北京地区22个人工观测站资料统计了夏季常见的对流天气日变化特征。结果表明,41．6％的雷阵雨、61．3％的冰雹以及58．5％的雷暴大风发生在15—-20时之间。利用探空资料计算并对比了出现在2006年7—9月14时探空释放后到20时期问11个雷暴个例的08时和14时BCAPE、DCAPE、CIN等对流参数。结果表明,对于多数个例,在判断对流是否发生时14时探空优于08时。因此,增加14时探空对于提高对流天气有无预报准确率有帮助。     

北京地区一次罕见的雷暴大风过程特征分析

分析了2006年6月24日北京地区一次罕见的瞬时极大风速超过32 m.s-1的雷暴大风事件。多普勒天气雷达观测表明,此次强雷暴大风与镶嵌在飑线回波带中的弓形回波相关。后侧入流急流促使飑线回波带南段快速移动并与其前面的新生单体合并加强形成弓形回波。深厚的中气旋、低层径向速度辐合和高层辐散等在构成弓形回波的强对流单体形成过程中起了重要的作用。根据雷达回波特征演变推断,这次雷暴大风直接由构成弓形回波的一个强对流单体内的下击暴流导致。使用微波辐射计和风廓线仪的观测资料揭示了上述强风暴发生的环境条件,即高的对流有效位能值、中等强度的风垂直切变,以及风切变的分布特征为飑线等的产生提供了有利条件。下沉对流有效位能和对流层低层环境大气温度直减率明显增加并接近干绝热,这对即将到来的下击暴流具有指示意义。     

华北秋季强弱线型对流发展时天气尺度环境条件探讨

华北地区进入秋季以后,弱对流过程增加.为了提高秋季对流天气强度的诊断识别能力,选择了9月份发生在相似背景下,强弱不同的两个线型对流个例作了对比分析.结果表明,强对流发生在深厚的天气尺度上升区中(上升运动伸展到200 hPa附近),而且对流层低层环境大气的绝对湿度较大;而弱对流发展时,上升运动仅存在于500 hPa以下,边界层内的比湿只有5～7 g·kg-1,较强对流个例低2～5 g·kg-1.它们是导致对流强弱不同的主要原因.强对流个例深厚的上升运动源于低层辐合切变线、露点锋和高空槽的强迫,此外对流层上部的强辐散叠置在低层辐合区上空,有利于上升运动加强并向高层发展.弱对流产生时,冷空气侵入到对流层中层以下,造成下沉区的下边界较低,不能产生深厚的上升运动.这是强弱个例垂直运动伸展高度不同的动力因素.热力学条件差异主要在对流层中下层.强对流产生时,对流区内有能量聚积,CAPE达到1087 J·kg-1,而且暖湿层和对流性不稳定层伸展到600～700 hPa.弱对流个例,仅边界层相对暖湿,CAPE只有68J·kg-1.上述关于力和热动力条件差异研究结果表明,天气尺度上升运动伸展的高度、对流层下层空气的绝对湿度、暖湿层和不稳定层的厚度等可能是影响华北秋季对流强弱的重要环境因素.     

KNN数据挖掘算法在北京地区霾等级预报中的应用

利用北京地区2013年气象数据以及PM2.5浓度数据与能见度数据进行对比分析,结果发现气温、气压、相对湿度、露点温度、地面U风、地面V风以及PM2.5小时浓度这7个要素是影响北京地区霾等级的关键因素。利用气温、地面气压、相对湿度、露点温度、U风、V风分量以及PM2.5浓度作为7个属性特征,以霾等级做为标志量构建训练样本集,结合KNN（K Nearest Neighbor）数据挖掘算法构建霾等级预报分类器,并开展霾等级客观识别实验。结果表明K=3时该分类器的分类预报效果最佳,其13个站点的分类准确率高达88.2%。基于该算法构建的KNN模型预报无霾时的漏报概率很小,准确率高达91.8%;预报有轻度霾、中度霾以及重度霾时,空报的概率仅分别为4.7%、1.4%和2.6%。2014年8月29日至9月2日北京地区一次霾天气过程的预报结果表明：南郊观象台、密云和延庆3站的预报准确率分别达到74%、64%和84%,但霾等级的精度方面还有待于进一步提高。     

北京盛夏一次罕见的大雹事件分析

分析了1969年8月29日出现在北京的罕见大雹事件.冰雹发生在蒙古低涡低槽大尺度环流背景下,500hPa的冷空气叠置在低层暖空气上,为冰雹等强对流天气的出现提供了有利的条件.分析表明,华北东部的降雹区位于高能带中,北京在高能带的中心并且对流有效位能(CAPE)和抬升指数(LI)均达到了一个较高的水平,特别是在-10～-30℃层内有高的CAPE值,使大冰雹的出现成为可能.此外,对流层中下层较强的环境风垂直切变有利于多单体风暴或超级单体等强风暴云的发展,从而增加了冰雹出现的几率.而且,合适的冻结层高度以及冷暖云厚度比也为降雹创造了条件.     

SVM 方法在北京地区夏季晴雨预报中的初步应用

以常规观测降水资料、T639 模式输出产品为基础,利用支持向量机（SVM）方法分别建立了北京地区延庆、密云、房山和观象台4 个站点的夏季晴雨预报模型,并用独立的样本对预报模型进行了业务试运行检验。检验结果表明,经过SVM 方法学习后建立的站点晴雨预报效果优于T639 模式直接输出的晴雨预报效果,08—20 时段和20—08 时段4 站晴雨预报平均准确率分别提高了20.06%和9.45%。SVM 方法对T639 的晴雨预报效果有显著的改进,对北京地区夏季晴雨预报有一定的客观参考价值。     

北京地区冰雹天气特征

利用实况探空资料、北京南郊观象台加密探空资料以及NCEP再分析资料,对2000-2009年北京地区出现的30次冰雹过程进行了详细分析.结果表明:北京地区出现冰雹天气的主要天气类型可以分为3类:东北冷涡型、蒙古低涡型和低槽型.其所占比例分别为东北冷涡12次;蒙古低涡10;低槽8次.冰雹出现的时间集中在午后14:00-18:00.从大尺度形势特征来看,北京冰雹日,从925 hPa到500 hPa各层均有动力辐合系统,即高空有较深厚的动力系统,并且各层辐合系统当天过境影响北京.蒙古低涡和偏西路径低槽型的流场有如下显著特征:500 hPa在内蒙古中部有西北大风速区,风速在20 m/s以上;850 hPa和700 hPa在北京的东南部有偏南大风速区,风速可达12 m/s左右.冰雹发生日高空各层湿度并不大,各层温度露点差大都大于5℃,这说明冰雹的发生并不需要较强的湿度条件.对常用物理量参数研究发现,对预报冰雹天气发生有意义的参数及其阈值如下:低空有大的风切变,其中1000/700 hPa风切变分布在3 m·s 1·km-1左右;850/500 hPa风切变分布在2～4 m·s-1·km-1之间;500 hPa与850 hPa温度差为28～35℃;全总指数为40～50℃;0℃层高度为3000～4500 m;-20℃层高度为6000～7500 m;下沉对流有效位能大干800 J·kg 1;深对流指数为20～30;抬升指数小于0.     

北京地区雷暴大风日θe平均廓线特征

利用NCEP再分析资料对北京地区1999～2003年7～8月出现的24个雷暴大风日相当位温θe的平均廓线进行了研究。结果表明,在对流层底层有一个θe的极大值,在对流层中层(500～660hPa)θe达到其极小值。