2024年, 第43卷, 第03期　
刊出日期：2024-11-11

  

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  暴雨数值预报若干关键技术发展的回顾与思考

  张立凤

  暴雨灾害. 2024, 43(03): 243-254.

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  暴雨是导致洪涝灾害的重要天气，也是发生在我国的最主要自然灾害之一。随着高分辨率数值模式的发展，数值预报已成为暴雨预报的主要手段，然而数值预报的精度依赖于大气运动方程组的完备性、初始状态的准确性、物理过程的合理性以及计算方法的稳定性。由于大气是非线性的混沌系统，这些方面微小的误差均会产生预报结果的很大不确定性。因此，提升暴雨数值预报水平与资料同化、物理过程参数化和集合预报等技术和方法的发展密切相关，特别是产生降水的云微物理过程参数化方案在数值模式中的作用很重要。此外，为改进和完善数值模式，预报结果的评估方法研究也是暴雨数值预报技术研究不可缺少的重要内容。本文主要回顾了暴雨数值预报若干关键技术的发展，重点介绍了四维集合变分同化方法、云微物理参数化方案、集合预报模式扰动的后向动能散射方法，并提出了基于动能谱分析的模式结果评估方法，最后凝练出了这几个方面未来研究的方向。
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  青藏高原东侧复杂地形区极端降水研究进展

  陈权亮, 刘皓, 胡淼, 葛非, 李扬

  暴雨灾害. 2024, 43(03): 255-265.

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  青藏高原东侧地形地貌多变，海拔高度起伏剧烈，陡峭而复杂地形下极端降水带来的气象灾害与地质次生灾害直接威胁着高原与下游地区，且这种独特的地形与地理位置，为极端降水的研究带来了巨大挑战。围绕青藏高原东侧复杂地形区极端降水，对近10 a降水数据观测分析新方法、极端降水气候演变特征和协同机制、云-降水物理特征及预报模拟和气候预估等方面取得的新进展进行了回顾，并就高原复杂地形区极端降水研究今后值得关注和思考的科学问题，从机器学习方法与多源降水数据结合以及高原地区降水资料的适用性研究、极端降水的气候变化特征与大气环流异常的机理研究、高原地区的云宏观特征和云微物理特征研究、气候模式历史模拟性能的评估及对未来极端降水模拟的预估研究等方面进行了展望。
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  对流风暴大气不稳定机制研究的若干问题

  郑永光, 黄振强, 陈炯, 王美慧

  暴雨灾害. 2024, 43(03): 266-275.

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  大气不稳定是强对流天气发生的必要条件之一，具有复杂性。首先简要回顾了气块假设，给出了该假设的应用局限性，比如气块在对流风暴中的强上升运动必然会导致环境大气气压和涡度的变化等；然后梳理了大气的静力不稳定、对称不稳定以及其他多种类型不稳定的概念，重点总结了条件不稳定、湿绝对不稳定和条件对称不稳定的判据及其与对流风暴发生发展的关系，同时澄清了一些错误认识。判别条件不稳定最有效的方法是对气块作有限虚拟位移、使用对流有效位能(CAPE)来判别。CAPE和对流抑制能量的计算对抬升气块的温湿状况较为敏感，并需要进行虚温订正；最优CAPE值较地表CAPE具有更好的代表性。在强垂直风切变、低CAPE环境中，由于旋转导致的动力扰动气压梯度的加速作用对强对流风暴的发展至关重要；对流不稳定不一定对应于条件不稳定。条件对称不稳定的方便判别方法是使用饱和湿地转位势涡度，文中进一步总结了该不稳定所致的中尺度雨带特征。
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  应用GRIST模式对“23·7”华北极端降水的模拟试验

  陈湉茹, 张祎, 孙溦, 李妮娜, 刘鸿波, 徐幼平

  暴雨灾害. 2024, 43(03): 276-287.

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  全球-区域一体化预测系统(Global-Regional Integrated forecast SysTem,GRIST)的变网格公里尺度非静力模式(以下简称GRIST模式)兼具全球和区域模式的特点，可在无需侧边界条件下进行中期时间尺度预报，有望在局部区域达到与高分辨率的区域模式预报接近的效果。为了检验该模式对极端天气事件的模拟能力，以2023年7月29日—8月2日华北地区特大暴雨过程(以下简称“23·7”极端降水)为例，通过回报试验对GRIST变网格模式对“23·7”极端降水的模拟能力进行了评估；同时利用CMPA降水资料和ERA5再分析资料，采用空间相关系数、TS和BIAS评分等客观分析指标，将国内外GRIST变网格模式对极端降水的模拟效果与目前国内外5种主要业务模式即ECMWF、CMA-GFS全球模式和CMA-MESO、CMA-SH、CMA-BJ区域模式的预报效果进行了比较。结果表明：(1) GRIST及5种业务模式均能模拟或预报出“23·7”极端降水过程的发生。GRIST对该过程中降水最强时段(7月30日08:00—8月1日08:00，北京时，下同)的模拟效果最佳，与观测降水的空间相关系数最高可达0.85，各量级降水的TS评分均达区域模式的预报水平。(2) GRIST模式能准确模拟“23·7”极端降水过程的大尺度环流特征，包括西太平洋副热带高压的位置和范围、北向的水汽输送等，对于表征局地环流演变特征的风暴相对螺旋度的分布和强度也有较好的模拟效果。(3) GRIST模式对不同尺度环流形势的准确模拟，有助于其对降水落区和降水演变特征的精准刻画。
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  同化ECMWF短时预报场对区域中尺度模式预报的影响研究

  何邓新, 赖安伟, 张文, 康兆萍, 王俊超, 王珊珊, 郭英莲, 马鹤翟, 王志斌

  暴雨灾害. 2024, 43(03): 288-298.

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  全球数值天气预报模式的预报场常作为背景场驱动区域中尺度天气模式业务系统，其数据质量对区域模式的预报结果具有重要的影响。华中区域中尺度业务模式使用美国环境预报中心的全球预报场(NCEP GFS)作为背景场，其预报精度有待提高。为提高模式的短期预报能力，提出一种利用三维变分方法同化高质量欧洲中期天气预报中心(ECMWF)细网格预报场改善模式初始场的方法，将NCEP GFS预报场作为背景场，同化ECMWF三维格点预报要素，开展个例和批量同化试验。首先，利用探空观测对NCEP GFS和ECMWF的12 h预报产品进行误差特征统计，ECMWF 12 h细网格预报的温度、水平风场、相对湿度的均方根误差都小于NCEP GFS预报场，因此对其进行同化是可行的。然后，对2021年8月11—13日的强降水个例进行不同分辨率的ECMWF预报场同化敏感性试验。最后，基于不同敏感性试验的结果，选择1°×1°的ECMWF预报场对2021年8月进行批量同化试验。结果如下：(1) 2021年8月11—13日的强降水个例同化预报试验表明，要素场预报误差得到了较为显著的改善，尤其是在模式低层；对12～36 h、36～60 h、60～84 h累积降水的TS评分具有一定的改善能力，尤其是暴雨量级。(2)不同分辨率的ECMWF预报场同化敏感性试验表明ECMWF预报场1°×1°的预报效果要优于0.5°×0.5°和0.25°×0.25°。(3) 2021年8月的批量试验结果显示，同化ECMWF 12 h 1°×1°预报要素后，12 h、36 h和60 h预报的温度、湿度和风场在垂直方向上比控制试验均方根误差有所降低，降水TS评分提高明显，特别是50 mm暴雨降水TS评分，提升了13.33%，可有效改善华中区域数值天气预报系统对强降水的预报能力。
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  河南一次伴有龙卷的多阶段强对流天气形成机制分析

  杨慧, 张一平, 崔丽曼, 张璞, 史一丛, 李可

  暴雨灾害. 2024, 43(03): 299-312.

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  利用常规观测资料以及区域自动站、卫星、新一代天气雷达和ERA5再分析等高时空分辨率资料，对2022年6月13日河南一次伴有局地龙卷的多阶段强对流过程(以下简称“6.13”过程)的环流形势、中尺度系统演变特征进行了分析，并探讨了该过程不同阶段对流触发维持机制以及濮阳局地龙卷的雷达监测特征。结果表明：(1)这次东北冷涡槽后西北气流形势下大范围强对流天气具有影响范围广、持续时间长、灾害天气种类多的特点。(2)雷达监测到该过程强对流系统分3个阶段相继经过河南，各阶段强回波均持续8～9 h，移速30～50 km·h-1，强对流系统以多单体为主，受西北气流引导自西北向东南方向移动且落区有重叠。(3)河南上空始终维持强条件不稳定层结和中等到强的垂直风切变是“6.13”过程多阶段强对流天气长时间维持的重要原因。第一阶段河南本地强对流主要是由风场日变化、局地冷空气活动和地形分布共同作用形成的边界层辐合线或辐合中心触发；第二、三阶段强对流则由前期或同期周边区域强烈发展的地面中尺度雷暴高压伴随的阵风锋(出流边界)触发。(4)濮阳县局地龙卷由发展迅速的超级单体产生，该单体回波生成后12 min出现钩状回波和中尺度气旋性涡旋、18 min出现龙卷涡旋特征(TVS)，且钩状回波和中尺度气旋性涡旋较龙卷发生有6 min的提前量。
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  桂林“5.22”极端强降雨过程的观测分析

  翟丽萍, 梁依玲, 周云霞, 屈梅芳, 黄晴, 黄荣

  暴雨灾害. 2024, 43(03): 313-321.

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  2023年5月22日凌晨至上午，桂林市区北部发生极端强降雨，1 h和3 h雨量均突破当地历史记录，导致严重城市内涝。利用常规观测、地面加密自动站、多普勒天气雷达以及ERA5再分析等资料对此次强降雨过程进行分析。结果表明：(1)过程发生在副热带高压边缘，受低层切变线和地面冷锋南下影响，持续增强的西南急流为极端强降雨提供充足的水汽和能量；(2)强降雨回波由线状对流演变，线状对流与地面冷空气适时相遇，移向和形态发生改变，同时其西侧不断发展的新生单体加入形成“列车效应”，导致极端降雨产生，且降雨回波呈现低质心高效率的特征；(3)弱冷空气适时入侵，增强对流降雨并加强冷池出流，在其前沿的暖湿区域中触发新生对流，有利于强降雨的发展和持续；(4)对流单体在东移过程中通过云桥合并和云体扩大发展两种方式合并形成新的云团，并迅速发展，使降雨增强，对流单体之间的相互作用和合并是强降雨持续和加强的主要机制；(5)国内多家业务模式均低估此次过程雨强，预报降雨中心存在偏差，主要原因是模式预报地面冷空气影响时间出现偏差。
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  一次冰雹过程的多源资料观测特征分析

  宋薇, 邱晓滨, 王兆宇, 陈超

  暴雨灾害. 2024, 43(03): 322-331.

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  为认识降雹不同阶段对流系统的回波、微物理参量和热动力演变特征，利用多普勒天气雷达、激光雨滴谱仪、微波辐射计、自动气象观测站等观测资料，对2017年7月9日天津地区一次冰雹天气的回波特征、雨滴谱差异、温湿度及水汽变化进行研究。结果表明：(1) 850 hPa切变线东侧的暖湿气流与500 h Pa冷空气叠加，有利于不稳定能量积累及对流天气触发。降雹临近时，环境大气不稳定性显著增强。(2)冰雹云发展演变阶段观测到两次地面降雹，均发生在对流单体合并加强过程中。(3)降雹时段，粒子最大直径、质量加权平均直径和中值体积直径达到峰值，中大滴对降水雨强的贡献率达94.56%，该时段平均谱谱宽最大；降雹后，直径小于1.0 mm的小滴对雨强贡献率增大，在不超过1.0 mm的粒子区间平均谱呈双峰特征，第一峰和第二峰分别出现在0.3 mm、0.6 mm附近。(4)降雹前水汽出现缓慢持续积累，积分水汽、液态水含量在降雹前1 h出现明显跃增，低层逆温的存在使高层干冷、低层暖湿的现象更为明显；降雹结束后整层大气水汽有所回落。
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  南岭地区一次高架雷暴冰雹过程双偏振特征分析

  袁韬, 唐明晖, 陈伟, 冯盼盼, 杨湘婧, 汤宇

  暴雨灾害. 2024, 43(03): 332-341.

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  2023年3月22—23日南岭地区郴州发生了一次高架雷暴冰雹过程，降雹范围广、冰雹直径达20 mm，在高架对流中鲜见。为增强对此类冰雹过程的预报预警能力，利用常规气象观测数据、SA波段双偏振雷达产品，对此次过程的天气形势、双偏振雷达回波特征进行分析，结果表明：（1）此次过程发生在地面锋线北侧冷区内，属于典型的高架雷暴，降雹落区位于地面锋面北侧140 km处，20 mm直径大冰雹由超级单体风暴造成。（2）导致郴州南部出现大冰雹的风暴可分为初生、发展跃增、降雹、减弱消亡阶段。风暴发展跃增阶段的强回波中心迅速增高且垂直累积液态水含量（VIL）跃增，差分反射率因子(Z_DR)柱伸至0℃层以上4～5 km，上升气流强劲，有利于冰雹发展；降雹阶段强回波中心迅速降低，弱回波区（WER）消失，Z_DR柱高度明显下降，下降融化的冰雹表现为Z_DR和差分传播相移率（KDP）向着地面方向逐渐增大，KDP足位置与降雹落区对应较好。（3）大冰雹的三体散射（TBSS）特征表现为根部Z_DR值较大，随着径向距离增加，Z_DR值迅速减小，相关系数（CC）明显偏低；大冰雹的旁瓣回波特征表现为低Z_DR、低CC，以上双偏振特征为大冰雹预警的关键关注点。
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  2016—2021年长江流域PM_2.5变化特征及主要影响因素分析

  成勤, 王清龙, 岳岩裕, 湛甜, 王凯

  暴雨灾害. 2024, 43(03): 342-351.

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  研究长江流域PM_2.5浓度变化特征和主要影响因素，可为优化流域大气环境协同治理政策提供参考。利用2016—2021年长江流域110个地市级以上城市国控站点PM_2.5浓度数据，应用Theil-Sen趋势分析和Mann-Kendall统计检验方法，分析了PM_2.5浓度时空变化特征，并基于环境气象评估指数（EMI），定量分析了“十三五”期间（2016—2020，下同）和“十四五”开局之年（2021）气象条件和减排措施对PM_2.5浓度变化的相对贡献，结果表明：（1） 2016—2021年长江流域PM_2.5浓度分布空间差异大，高值区位于岷沱江南部、汉江流域东部至洞庭湖流域东部，低值区位于金沙江流域上中游。（2）“十三五”期间长江流域主要城市PM_2.5浓度逐年下降，年变率达-3.62μg·m-3·a-1。2021年长江流域约四成区域PM_2.5浓度增大，主要分布在长江流域上游和洞庭湖流域。（3）长江流域上游城市PM_2.5变化受气象条件影响较大，中游和下游城市受排放影响较大。（4）“十三五”期间气象条件变化和减排措施对PM_2.5浓度上升的贡献率分别为-16.54%和-14.00%，气象条件变化和减排措施均有利于PM_2.5浓度下降。与上一年相比，“十四五”开局之年减排措施总体有利于PM_2.5浓度下降（贡献率为-5.84%），但不利气象条件（贡献率为4.49%）抵消了部分减排效果，使得PM_2.5浓度降幅较小。
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  江西局地短时强降水的天气学分型研究

  周芳, 张瑛, 陈翔翔, 肖潇

  暴雨灾害. 2024, 43(03): 352-362.

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  利用1998—2019年4—9月常规高空地面观测和江西省93个国家气象观测站1 h雨量资料，对筛选出的江西204次局地短时强降水过程，研究其天气学类型、各类型的探空平均和物理量特征，并建立了短时强降水概念模型。结果表明：江西局地短时强降水可分为槽前型、槽后型、热带系统型、副高边缘型和副高控制型五种类型。其中槽前型最多，占总数的48%，常发生在高空槽前、中低层切变线附近，地面冷锋、静止锋或低压倒槽中。热带系统型发生次多，占总数的19.1%，又可分为热带气旋类和东风波类，热带系统的结构、移动路径等对短时强降水落区影响大。副高边缘型分为副高西、南、北边缘型，短时强降水常发生在副高588 dagpm线边缘、低层切变线、辐合线附近。副高控制型占总数的5.5%，强降水发生在副高控制江西全省，500 hPa江南北部或东部有中心温度低于-4℃的冷槽影响的背景下，强降水多产生于地面地形辐合线上、高温区内或山脉迎风坡。槽后型最少，占总数4.4%，发生在槽后西北气流下、低空急流出口区及辐合区及地面辐合线上。
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  基于风雨综合指数的安徽省台风灾害房屋风险评估方法

  宋阿伟, 田红, 王胜, 刘前, 谢五三, 唐为安, 戴娟, 丁小俊, 吴蓉

  暴雨灾害. 2024, 43(03): 363-370.

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  台风致灾因子具有多重性，相对于其他灾种其风险评估更加复杂。采用安徽省81个国家气象站及1 035个区域气象站台风过程逐日降水量、最大风速资料，构建台风风雨综合指数；利用台风风雨综合指数及孕灾环境影响系数，开展台风致灾危险性评估；基于自然灾害风险系统理论，综合致灾危险性、承灾体暴露度和脆弱性信息，评估安徽省台风灾害房屋风险。结果表明：影响安徽省台风年均个数为1.9个，持续天数以2～4 d居多；台风降水南部多于北部、山区多于平原。台风致灾高危险区位于皖南山区和大别山区，较高危险区位于江淮之间东部，低危险区位于沿淮淮北大部及江淮之间西北部。台风灾害房屋高及较高风险区主要分布在大别山区、江淮之间东部及皖南山区，这些区域海拔总体较高，台风过境易引发山洪地质灾害，加之房屋脆弱性较高，房屋倒塌及损毁风险高；中等风险区位于沿淮至江淮之间、江南部分地区，呈零星分布；较低和低风险区位于淮河以北中西部、沿江部分地区及城市主城区。利用全省各县区台风造成的房屋倒损数据，从空间一致性及散点相关对区划结果进行验证得到，区划结果与灾损具有高度的空间一致性，二者散点相关通过0.01的显著性水平检验，安徽省台风灾害房屋风险区划结果与实际情况基本吻合。