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doi: 10.11676/qxxb2023.20220079
摘要:
受高人为排放和不利天气条件共同作用，中国秋、冬季霾事件频发，具有影响范围大、程度重、持续时间长的特点。为对离散的地面站观测形成有效补充，本研究充分利用卫星大范围监测优势，依据云、冰雪、霾、亮/暗地表散射及发射特性不同波长的依赖性，建立了基于多通道信息组合的霾区快速判识方法。通过引入空气分子散射订正，有效消除此前霾判识工作中大角度条件下的误判，极大缩小了阈值的变化范围，为霾区的自动识别奠定了基础。将该判识方法应用于中国风云三号D星（FY-3D）搭载的中分辨率光谱成像仪（MEdium-Resolution Spectral Imager，MERSI），实现了霾区自动判识。通过与2020年10月—2021年2月秋、冬季地面气象站天气现象记录为霾以及地面环境监测站点中PM2.5小时平均浓度大于75 μg/m3的数据进行对比，结果表明：FY-3D的霾判识结果与天气现象记录结果的一致率为91.1%，与PM2.5表征结果的一致率为85.6%。气象观测中霾识别依靠的是大气消光能力，卫星霾判识也是通过气溶胶的消光特性来实现，因此两者特征更为一致。
受高人为排放和不利天气条件共同作用，中国秋、冬季霾事件频发，具有影响范围大、程度重、持续时间长的特点。为对离散的地面站观测形成有效补充，本研究充分利用卫星大范围监测优势，依据云、冰雪、霾、亮/暗地表散射及发射特性不同波长的依赖性，建立了基于多通道信息组合的霾区快速判识方法。通过引入空气分子散射订正，有效消除此前霾判识工作中大角度条件下的误判，极大缩小了阈值的变化范围，为霾区的自动识别奠定了基础。将该判识方法应用于中国风云三号D星（FY-3D）搭载的中分辨率光谱成像仪（MEdium-Resolution Spectral Imager，MERSI），实现了霾区自动判识。通过与2020年10月—2021年2月秋、冬季地面气象站天气现象记录为霾以及地面环境监测站点中PM2.5小时平均浓度大于75 μg/m3的数据进行对比，结果表明：FY-3D的霾判识结果与天气现象记录结果的一致率为91.1%，与PM2.5表征结果的一致率为85.6%。气象观测中霾识别依靠的是大气消光能力，卫星霾判识也是通过气溶胶的消光特性来实现，因此两者特征更为一致。
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doi: 10.11676/qxxb2023.20220094
摘要:
利用ERA5逐日再分析资料集，探究了冬季（12月至次年2月）大尺度阻塞与东亚寒潮的关系，发现近年来冬季大尺度阻塞与寒潮频次的年际相关有增强趋势，其中乌拉尔山大尺度阻塞与寒潮频次的年际相关最为显著，鄂霍次克海大尺度阻塞与寒潮频次的相关最弱。选取乌拉尔山和贝加尔湖区域大尺度阻塞后10 d内有寒潮爆发和无寒潮爆发的事件进一步统计分析，发现乌拉尔山区域发生大尺度阻塞时，阻塞后有（无）寒潮的事件在中高纬度行星波向平流层上传加强（减弱），导致平流层极涡减弱（显著加强）。波活动响应的主要贡献来自于行星纬向1波。而（50°—70°N ，90°—110°E）位势高度在阻塞发生后逐渐加强（减弱），最终导致寒潮爆发（未爆发）。贝加尔湖区域发生大尺度阻塞时的情况与乌拉尔山区域基本一致，但1990—2019年阻塞后有寒潮事件时行星纬向2波比纬向1波起更重要的作用。
利用ERA5逐日再分析资料集，探究了冬季（12月至次年2月）大尺度阻塞与东亚寒潮的关系，发现近年来冬季大尺度阻塞与寒潮频次的年际相关有增强趋势，其中乌拉尔山大尺度阻塞与寒潮频次的年际相关最为显著，鄂霍次克海大尺度阻塞与寒潮频次的相关最弱。选取乌拉尔山和贝加尔湖区域大尺度阻塞后10 d内有寒潮爆发和无寒潮爆发的事件进一步统计分析，发现乌拉尔山区域发生大尺度阻塞时，阻塞后有（无）寒潮的事件在中高纬度行星波向平流层上传加强（减弱），导致平流层极涡减弱（显著加强）。波活动响应的主要贡献来自于行星纬向1波。而（50°—70°N ，90°—110°E）位势高度在阻塞发生后逐渐加强（减弱），最终导致寒潮爆发（未爆发）。贝加尔湖区域发生大尺度阻塞时的情况与乌拉尔山区域基本一致，但1990—2019年阻塞后有寒潮事件时行星纬向2波比纬向1波起更重要的作用。
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doi: 10.11676/qxxb2023.20220066
摘要:
为提升现有业务系统的降水临近预报（0—2 h）能力，以业务应用为目标，基于中国气象局强对流天气短时临近预报系统——SWAN （Severe Weather Automatic Nowcasting）开展降水临近预报算法改进和应用评估研究。首先使用分钟雨量数据，采用分雨团的雷达-雨量站降水订正技术，提高降水的实况订正频率，提升定量降水估计格点场的准确率；再通过基于光流法的回波运动矢量反演技术优化改进回波运动矢量；最终将改进后的定量降水估计格点场和外推矢量相结合进行降水临近预报。通过对2021年7月全国1 km分辨率回波和降水临近预报检验评估和个例分析发现：（1）改进的基于光流法的回波运动矢量反演技术可以捕捉不同天气尺度下的回波运动规律，反演结果具有较好的一致性和平滑性，可以提高外推的准确率。（2）新的降水临近预报子系统和现有SWAN系统相比，在0—1 h预报中，TS评分相对提高50%以上，Bias更趋近于1。在1—2 h预报中，除了20 mm/h的强降水以外，TS评分相对提升约20%，Bias下降1—3。新的降水临近预报子系统基于SWAN算法标准开发接口实现，运行效率满足业务需求，预报性能得到明显提升，具备业务应用的潜力。
为提升现有业务系统的降水临近预报（0—2 h）能力，以业务应用为目标，基于中国气象局强对流天气短时临近预报系统——SWAN （Severe Weather Automatic Nowcasting）开展降水临近预报算法改进和应用评估研究。首先使用分钟雨量数据，采用分雨团的雷达-雨量站降水订正技术，提高降水的实况订正频率，提升定量降水估计格点场的准确率；再通过基于光流法的回波运动矢量反演技术优化改进回波运动矢量；最终将改进后的定量降水估计格点场和外推矢量相结合进行降水临近预报。通过对2021年7月全国1 km分辨率回波和降水临近预报检验评估和个例分析发现：（1）改进的基于光流法的回波运动矢量反演技术可以捕捉不同天气尺度下的回波运动规律，反演结果具有较好的一致性和平滑性，可以提高外推的准确率。（2）新的降水临近预报子系统和现有SWAN系统相比，在0—1 h预报中，TS评分相对提高50%以上，Bias更趋近于1。在1—2 h预报中，除了20 mm/h的强降水以外，TS评分相对提升约20%，Bias下降1—3。新的降水临近预报子系统基于SWAN算法标准开发接口实现，运行效率满足业务需求，预报性能得到明显提升，具备业务应用的潜力。
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doi: 10.11676/qxxb2023.20220070
摘要:
基于济南双偏振雷达探测资料，并辅以降水现象仪雨滴谱资料和常规实况观测资料，对2021年8月1日山东一次飑线过程的双偏振特征和降水滴谱特征进行了分析，得到以下结论：飑线前侧为宽阔的倾斜上升气流区，低层为强下沉气流区，前侧上升气流区不断有新生单体激发发展，新生单体与主体回波合并发展，飑线后侧单体减弱，在这种较快的循环过程中飑线得以发展、维持、快速前进。前侧新生发展中的单体以少许偏大的液态粒子为主，与主体回波合并发展，具有较高的ZDR柱和KDP柱，液态粒子浓度迅速上升。主体回波后侧冰相粒子下降到湿球0℃层之下出现明显的融化导致ZDR和KDP均增大，底层KDP增大更加明显，以高浓度的液态粒子为主，导致强降水。强降水最明显的滴谱特征是粒子浓度高，直径2 mm以下粒子占比较高，降水开始增强时直径1—3 mm的粒子对降水贡献较大且有特大粒子出现，降水最强阶段直径2—4 mm的粒子对降水贡献较大。飑线主体回波低层双偏振参量和雨滴谱存在较好的对应关系, 随着降水增强，ZDR减小而KDP增大，粒子浓度明显升高而直径6 mm以上粒子浓度明显降低。
基于济南双偏振雷达探测资料，并辅以降水现象仪雨滴谱资料和常规实况观测资料，对2021年8月1日山东一次飑线过程的双偏振特征和降水滴谱特征进行了分析，得到以下结论：飑线前侧为宽阔的倾斜上升气流区，低层为强下沉气流区，前侧上升气流区不断有新生单体激发发展，新生单体与主体回波合并发展，飑线后侧单体减弱，在这种较快的循环过程中飑线得以发展、维持、快速前进。前侧新生发展中的单体以少许偏大的液态粒子为主，与主体回波合并发展，具有较高的ZDR柱和KDP柱，液态粒子浓度迅速上升。主体回波后侧冰相粒子下降到湿球0℃层之下出现明显的融化导致ZDR和KDP均增大，底层KDP增大更加明显，以高浓度的液态粒子为主，导致强降水。强降水最明显的滴谱特征是粒子浓度高，直径2 mm以下粒子占比较高，降水开始增强时直径1—3 mm的粒子对降水贡献较大且有特大粒子出现，降水最强阶段直径2—4 mm的粒子对降水贡献较大。飑线主体回波低层双偏振参量和雨滴谱存在较好的对应关系, 随着降水增强，ZDR减小而KDP增大，粒子浓度明显升高而直径6 mm以上粒子浓度明显降低。
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doi: 10.11676/qxxb2023.20220081
摘要:
为了实现对中国东部地区极端强降水的临近预报、预警，基于具有物理约束功能的PhyDNet构建了融合雷达反射率因子和分钟级降水观测资料的融合降水临近预报模型PhyDNet-RP，预测江苏省及其上游地区未来3 h降水量，对比和探究了PhyDNet-RP、INCA（交叉相关外推+中尺度模式融合）、PhyDNet-P（仅包含降水资料）和UNet-RP（融合因子与PhyDNet-RP相同，但采用UNet模型）4种临近预报方法及对强降水增强过程的预测能力。结果表明：（1）与INCA相比，深度学习方法能更好地体现强降水增强过程的发展和演变，（2）对比PhyDNet-P和PhyDNet-RP模拟结果发现，在深度学习模型输入资料中增加雷达反射率因子可以更好地再现强降水区的形状和移动特征，（3）UNet-RP能够再现降水区的形状和移动，但不能定量降水强度。4种方法中，PhyDNet-RP预报效果最优，说明在模型输入资料中叠加具有不同功能属性的通道因子对预测效果具有正贡献，为深度学习的可解释性提供了一定支撑。
为了实现对中国东部地区极端强降水的临近预报、预警，基于具有物理约束功能的PhyDNet构建了融合雷达反射率因子和分钟级降水观测资料的融合降水临近预报模型PhyDNet-RP，预测江苏省及其上游地区未来3 h降水量，对比和探究了PhyDNet-RP、INCA（交叉相关外推+中尺度模式融合）、PhyDNet-P（仅包含降水资料）和UNet-RP（融合因子与PhyDNet-RP相同，但采用UNet模型）4种临近预报方法及对强降水增强过程的预测能力。结果表明：（1）与INCA相比，深度学习方法能更好地体现强降水增强过程的发展和演变，（2）对比PhyDNet-P和PhyDNet-RP模拟结果发现，在深度学习模型输入资料中增加雷达反射率因子可以更好地再现强降水区的形状和移动特征，（3）UNet-RP能够再现降水区的形状和移动，但不能定量降水强度。4种方法中，PhyDNet-RP预报效果最优，说明在模型输入资料中叠加具有不同功能属性的通道因子对预测效果具有正贡献，为深度学习的可解释性提供了一定支撑。
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doi: 10.11676/qxxb2023.20220026
摘要:
相对于台风路径预报，数值模式对于台风强度的预报能力仍有较大不足。为进一步降低台风强度预报误差，提升防台减灾能力，利用2018—2019年ECMWF集合预报数据，在偏相关分析及共线性检验的基础上建立了由台风初始强度、初始场误差项、集合平均变化项以及集合离散度项构成的西北太平洋台风强度预报方程。利用2020年数据进行预报效果的对比检验得出以下结论：由预报方程得到台风强度的预报误差在各预报时效均小于集合预报中不同统计量的预报产品，其中，24 h预报的均方根误差较ECMWF集合预报最大值、平均值分别减少34.36%和14.58%，较确定性模式预报减小20.38%。72 h预报较集合平均及最大值的均方根误差分别减小25.68%和12.91%，较确定性模式预报减小11.13%。在台风个例的对比分析中，预报方程的预报效果同样优于ECMWF集合预报及确定性模式预报，与实况最为接近，且在快速增强的台风预报中有更好的表现。基于集合预报的台风强度预报方程能够定量地从集合预报中提取关键信息生成更为准确的预报结果，可以为西北太平洋台风强度预报提供参考。
相对于台风路径预报，数值模式对于台风强度的预报能力仍有较大不足。为进一步降低台风强度预报误差，提升防台减灾能力，利用2018—2019年ECMWF集合预报数据，在偏相关分析及共线性检验的基础上建立了由台风初始强度、初始场误差项、集合平均变化项以及集合离散度项构成的西北太平洋台风强度预报方程。利用2020年数据进行预报效果的对比检验得出以下结论：由预报方程得到台风强度的预报误差在各预报时效均小于集合预报中不同统计量的预报产品，其中，24 h预报的均方根误差较ECMWF集合预报最大值、平均值分别减少34.36%和14.58%，较确定性模式预报减小20.38%。72 h预报较集合平均及最大值的均方根误差分别减小25.68%和12.91%，较确定性模式预报减小11.13%。在台风个例的对比分析中，预报方程的预报效果同样优于ECMWF集合预报及确定性模式预报，与实况最为接近，且在快速增强的台风预报中有更好的表现。基于集合预报的台风强度预报方程能够定量地从集合预报中提取关键信息生成更为准确的预报结果，可以为西北太平洋台风强度预报提供参考。
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doi: 10.11676/qxxb2023.20220093
摘要:
通过结合全球降水测量卫星（GPM）反演算法中用到的0℃层亮带模型以及米散射计算，生成了固态、液态以及混合相态3种降水情况下的散射函数查算表；通过与GPM实测数据的对比，验证了查算表的精度，表明散射计算的最大偏差小于0.5 dB。基于该查算表，完成了星载Ku波段雷达到S波段雷达的频率修正。对散射函数的分析表明：Ku波段到S波段的频率修正取决于相态以及谱参数（${D}_{\rm m}$ ）。其中，液态降水的频率修正量以负为主，最大不超过−3 dB。混合相态降水的频率修正量随着0℃层亮带高度的不同差异非常明显。固态降水的频率修正在不存在0℃层亮带时均为正，存在0℃层亮带时则随着温度的变化而显著变化。该方法可用于实现星、地不同波段雷达之间的频率修正，为星载雷达探测精度的一致性检验提供有效支撑。
通过结合全球降水测量卫星（GPM）反演算法中用到的0℃层亮带模型以及米散射计算，生成了固态、液态以及混合相态3种降水情况下的散射函数查算表；通过与GPM实测数据的对比，验证了查算表的精度，表明散射计算的最大偏差小于0.5 dB。基于该查算表，完成了星载Ku波段雷达到S波段雷达的频率修正。对散射函数的分析表明：Ku波段到S波段的频率修正取决于相态以及谱参数（
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doi: 10.11676/qxxb2023.20220064
摘要:
动力统计结合是提高天气、气候预报水平的重要途径之一，关键问题是如何将数值模式与历史资料进行有效结合；相似预报这一传统方法与动力统计的结合是未来提高天气、气候预报水平的一个重要方向，尽管其原理目前仍停留在相似假设基础上且缺乏坚实的物理基础。文中从准确模式的初值问题出发，提出准确模式初值扰动概念，进而发展了动力统计相似集合预报（Dynamical Statistical Analog Ensemble Forecast，DSAEF）理论。DSAEF理论不仅回答了为什么可以进行相似预报，同时还指出了如何进行相似预报，即其原理是利用准确模式来做预报，并采用集合预报的方式实现预报。基于 DSAEF 理论，建立了登陆台风降水动力统计相似集合预报DSAEF_LTP（Landfalling Typhoon Precipitation，LTP）模型，该模型包括4个步骤：台风路径预报、广义初值构建、初值相似性判别和台风降水集合，其中广义初值由影响台风降水的物理因子所构成。DSAEF_LTP模型具有可持续发展特性—可通过引入新因子或改善模型参数来改进模型的性能；目前该模型发布了广义初值包含台风路径、登陆季节和台风强度3个物理因子的1.0版和在此基础上改进了“相似区域”和“集合方案”的1.1版。该模型的性能提升很快，已完成的最新版本（1.1版）3次大样本预报试验均显示， 与ECMWF、GRAPES、GFS和SMS-WARMS（上海区域模式）对比，对≥100 mm和≥250 mm台风过程降水预报的TS评分，DSAEF_LTP模型（V1.1）排名第1。今后，围绕广义初值不断改善，研究引入更多影响登陆台风降水的物理因子，DSAEF_LTP 模型的发展前景广阔。
动力统计结合是提高天气、气候预报水平的重要途径之一，关键问题是如何将数值模式与历史资料进行有效结合；相似预报这一传统方法与动力统计的结合是未来提高天气、气候预报水平的一个重要方向，尽管其原理目前仍停留在相似假设基础上且缺乏坚实的物理基础。文中从准确模式的初值问题出发，提出准确模式初值扰动概念，进而发展了动力统计相似集合预报（Dynamical Statistical Analog Ensemble Forecast，DSAEF）理论。DSAEF理论不仅回答了为什么可以进行相似预报，同时还指出了如何进行相似预报，即其原理是利用准确模式来做预报，并采用集合预报的方式实现预报。基于 DSAEF 理论，建立了登陆台风降水动力统计相似集合预报DSAEF_LTP（Landfalling Typhoon Precipitation，LTP）模型，该模型包括4个步骤：台风路径预报、广义初值构建、初值相似性判别和台风降水集合，其中广义初值由影响台风降水的物理因子所构成。DSAEF_LTP模型具有可持续发展特性—可通过引入新因子或改善模型参数来改进模型的性能；目前该模型发布了广义初值包含台风路径、登陆季节和台风强度3个物理因子的1.0版和在此基础上改进了“相似区域”和“集合方案”的1.1版。该模型的性能提升很快，已完成的最新版本（1.1版）3次大样本预报试验均显示， 与ECMWF、GRAPES、GFS和SMS-WARMS（上海区域模式）对比，对≥100 mm和≥250 mm台风过程降水预报的TS评分，DSAEF_LTP模型（V1.1）排名第1。今后，围绕广义初值不断改善，研究引入更多影响登陆台风降水的物理因子，DSAEF_LTP 模型的发展前景广阔。
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doi: 10.11676/qxxb2023.20220075
摘要:
利用海温和多种大气环流再分析资料以及中国逐日降水站点观测数据，通过滤波、合成等方法对2016和2020年江淮流域梅雨期降水的准双周振荡特征进行了对比分析。结果表明，这两年江淮流域准双周振荡降水均异常偏多，但2016年的降水准双周振荡强度及低频异常降水较2020年更为显著。中国南海和西太平洋对流层低层向西北方向移动的低频反气旋以及中高纬度对流层中高层随西风急流向东南方向传播的低频气旋是引起2016年江淮流域降水准双周振荡的主要原因。2020年江淮流域降水的准双周振荡受到日本南部向西南方向移动的低频气旋、菲律宾海向西北方向移动的低频反气旋以及中高纬度地区随极涡西向旋转而西移的低频气旋的共同影响。中国南海和热带西太平洋以及热带印度洋的持续海温正异常通过海-气相互作用激发并维持了2016年中国南海与西太平洋上空异常对流活动以及大气环流系统的准双周振荡。2020年黑潮及其延伸区和西北太平洋海温正异常通过海-气相互作用激发了该区域异常低频气旋反气旋交替生成和移出，调控西北太平洋副热带高压的进退，进而影响江淮流域降水的准双周振荡。在2016和2020年，对流层低层异常反气旋有利于海温的升高，海温正异常进一步激发大气低层异常气旋性环流，而异常气旋性环流会导致洋面变冷出现海温负异常，海温负异常又会促进异常反气旋环流的发展，通过这种准双周尺度上的海-气相互作用，对流层低层的大气准双周振荡信号可持续地向江淮地区传播，从而影响江淮流域梅雨期降水的准双周振荡。
利用海温和多种大气环流再分析资料以及中国逐日降水站点观测数据，通过滤波、合成等方法对2016和2020年江淮流域梅雨期降水的准双周振荡特征进行了对比分析。结果表明，这两年江淮流域准双周振荡降水均异常偏多，但2016年的降水准双周振荡强度及低频异常降水较2020年更为显著。中国南海和西太平洋对流层低层向西北方向移动的低频反气旋以及中高纬度对流层中高层随西风急流向东南方向传播的低频气旋是引起2016年江淮流域降水准双周振荡的主要原因。2020年江淮流域降水的准双周振荡受到日本南部向西南方向移动的低频气旋、菲律宾海向西北方向移动的低频反气旋以及中高纬度地区随极涡西向旋转而西移的低频气旋的共同影响。中国南海和热带西太平洋以及热带印度洋的持续海温正异常通过海-气相互作用激发并维持了2016年中国南海与西太平洋上空异常对流活动以及大气环流系统的准双周振荡。2020年黑潮及其延伸区和西北太平洋海温正异常通过海-气相互作用激发了该区域异常低频气旋反气旋交替生成和移出，调控西北太平洋副热带高压的进退，进而影响江淮流域降水的准双周振荡。在2016和2020年，对流层低层异常反气旋有利于海温的升高，海温正异常进一步激发大气低层异常气旋性环流，而异常气旋性环流会导致洋面变冷出现海温负异常，海温负异常又会促进异常反气旋环流的发展，通过这种准双周尺度上的海-气相互作用，对流层低层的大气准双周振荡信号可持续地向江淮地区传播，从而影响江淮流域梅雨期降水的准双周振荡。
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doi: 10.11676/qxxb2023.20220068
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利用松花江流域100站降水资料、NCEP/NCAR再分析资料、哈得来中心海温资料等，运用多种统计方法和数值模拟分析了1975—2020年松花江流域暖季（5—9月）降水的年代际变化特征及其与北大西洋和热带印度洋海温的关系。研究表明，松花江流域暖季降水具有明显的年代际变化特征，20世纪90年代中后期发生了明显的年代际转变，由多雨阶段转为少雨阶段。年代际尺度上，暖季北大西洋马蹄型（north Atlantic horseshoe，NAH）海温模态和印度洋海盆一致型（Indian Ocean Basin，IOB）海温模态分别与同期松花江流域降水呈显著的负相关和正相关关系，相关系数分别为−0.77和0.68。20世纪90年代中期之前，NAH模态负位相的海温异常在欧亚中高纬度地区激发纬向波列，将异常波能量传递到东北亚地区，在日本海至贝加尔湖地区产生异常气旋式环流；同时，IOB模态正位相的海温异常通过激发开尔文波，引起中国南海到孟加拉湾地区异常反气旋式环流，该异常反气旋式环流在东亚沿海激发出太平洋-日本型（PJ）波列，使得松花江流域出现异常气旋式环流。两者的共同作用使北太平洋水汽输送至松花江流域，有利于松花江流域降水偏多；20世纪90年代中期之后，NAH（IOB）模态由负位相（正位相）转为正位相（负位相），在NAH正位相和IOB负位相的协同影响下，松花江流域出现异常反气旋式环流，导致该区域降水偏少。
利用松花江流域100站降水资料、NCEP/NCAR再分析资料、哈得来中心海温资料等，运用多种统计方法和数值模拟分析了1975—2020年松花江流域暖季（5—9月）降水的年代际变化特征及其与北大西洋和热带印度洋海温的关系。研究表明，松花江流域暖季降水具有明显的年代际变化特征，20世纪90年代中后期发生了明显的年代际转变，由多雨阶段转为少雨阶段。年代际尺度上，暖季北大西洋马蹄型（north Atlantic horseshoe，NAH）海温模态和印度洋海盆一致型（Indian Ocean Basin，IOB）海温模态分别与同期松花江流域降水呈显著的负相关和正相关关系，相关系数分别为−0.77和0.68。20世纪90年代中期之前，NAH模态负位相的海温异常在欧亚中高纬度地区激发纬向波列，将异常波能量传递到东北亚地区，在日本海至贝加尔湖地区产生异常气旋式环流；同时，IOB模态正位相的海温异常通过激发开尔文波，引起中国南海到孟加拉湾地区异常反气旋式环流，该异常反气旋式环流在东亚沿海激发出太平洋-日本型（PJ）波列，使得松花江流域出现异常气旋式环流。两者的共同作用使北太平洋水汽输送至松花江流域，有利于松花江流域降水偏多；20世纪90年代中期之后，NAH（IOB）模态由负位相（正位相）转为正位相（负位相），在NAH正位相和IOB负位相的协同影响下，松花江流域出现异常反气旋式环流，导致该区域降水偏少。
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doi: 10.11676/qxxb2023.20220120
摘要:
基于中国自主研发的全球-区域一体化预测系统（GRIST）模式，分析了其在夏季气候回测试验中的东亚地区夏季降水气候特征，重点关注季节内尺度的变化。通过与格点融合分析数据（CMPA）、卫星观测数据（GPM）及两个全球气候模式（CAM5和SPCAM5）结果进行比较，检验其模拟性能并探究模式间的差异。结果表明，GRIST模式能较好地模拟出西北太平洋及中国东部地区季节内降水变化及其演变过程，但模拟的降水变化强度和雨量与观测相比偏高。进一步探究其内部影响，发现小时尺度视热源Q1、视水汽汇Q2和大尺度垂直速度等在垂直剖面上随时间的变化皆与模式降水的演变对应。模式能准确地再现雨带和副高脊线的位置及其向北推进过程，并能基本抓住大气季节内振荡（ISO）经向北传特征。但ISO传播强度、周期等较观测存在较大差异。这可能与纬向风移动路径较远、持续时间较长有关。
基于中国自主研发的全球-区域一体化预测系统（GRIST）模式，分析了其在夏季气候回测试验中的东亚地区夏季降水气候特征，重点关注季节内尺度的变化。通过与格点融合分析数据（CMPA）、卫星观测数据（GPM）及两个全球气候模式（CAM5和SPCAM5）结果进行比较，检验其模拟性能并探究模式间的差异。结果表明，GRIST模式能较好地模拟出西北太平洋及中国东部地区季节内降水变化及其演变过程，但模拟的降水变化强度和雨量与观测相比偏高。进一步探究其内部影响，发现小时尺度视热源Q1、视水汽汇Q2和大尺度垂直速度等在垂直剖面上随时间的变化皆与模式降水的演变对应。模式能准确地再现雨带和副高脊线的位置及其向北推进过程，并能基本抓住大气季节内振荡（ISO）经向北传特征。但ISO传播强度、周期等较观测存在较大差异。这可能与纬向风移动路径较远、持续时间较长有关。
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doi: 10.11676/qxxb2023.20220050
摘要:
利用多源观测资料，对2021年4月30日发生在黄淮地区的一次强对流过程中由不同类型风暴系统造成的极端对流大风进行了探讨。研究表明，此次强对流过程发生在东北冷涡背景下的强风垂直切变和层结不稳定环境中，地面气旋及锋面触发了初始对流，在之后近10 h的传播过程中经历了组织化发展、孤立风暴新生、发展、合并与重组等不同阶段。期间，由两种不同类型风暴产生了特征相异的对流性大风：第一阶段，以江苏淮安站为代表，苏中极端对流性大风（36.2 m/s）是由强发展的超级单体风暴引发的下击暴流所致。对流风暴低层呈现出明显的钩状回波特征，对应深厚的具有显著气旋性旋转的中气旋，在地面极端大风临近时刻，中气旋存在同时向上和向下拉伸、水平尺度快速收缩过程。贯穿整个风暴的下沉气流位于风暴钩状回波后侧，这支强下沉气流至地面附近迅速向外辐散，伴随风暴内强反射率核快速下降，导致淮安产生时、空尺度小且空间分布显著不连续的极端大风。第二阶段，以江苏南通地区为代表，苏东南地区极端大风的发展过程涉及多尺度天气系统的相互作用。线形对流系统前部存在明显的阵风锋，造成较大范围10级以上的地面大风；南通通州湾极端大风（47.9 m/s）发生在阵风锋后侧，其形成一方面是由于线形对流风暴造成的强冷池与地面冷锋相叠加，形成更强的气压梯度，另一方面与地面中尺度气旋入海过程中的快速发展以及风暴后侧倾斜向前的下沉气流导致的高空风动量下传有关。
利用多源观测资料，对2021年4月30日发生在黄淮地区的一次强对流过程中由不同类型风暴系统造成的极端对流大风进行了探讨。研究表明，此次强对流过程发生在东北冷涡背景下的强风垂直切变和层结不稳定环境中，地面气旋及锋面触发了初始对流，在之后近10 h的传播过程中经历了组织化发展、孤立风暴新生、发展、合并与重组等不同阶段。期间，由两种不同类型风暴产生了特征相异的对流性大风：第一阶段，以江苏淮安站为代表，苏中极端对流性大风（36.2 m/s）是由强发展的超级单体风暴引发的下击暴流所致。对流风暴低层呈现出明显的钩状回波特征，对应深厚的具有显著气旋性旋转的中气旋，在地面极端大风临近时刻，中气旋存在同时向上和向下拉伸、水平尺度快速收缩过程。贯穿整个风暴的下沉气流位于风暴钩状回波后侧，这支强下沉气流至地面附近迅速向外辐散，伴随风暴内强反射率核快速下降，导致淮安产生时、空尺度小且空间分布显著不连续的极端大风。第二阶段，以江苏南通地区为代表，苏东南地区极端大风的发展过程涉及多尺度天气系统的相互作用。线形对流系统前部存在明显的阵风锋，造成较大范围10级以上的地面大风；南通通州湾极端大风（47.9 m/s）发生在阵风锋后侧，其形成一方面是由于线形对流风暴造成的强冷池与地面冷锋相叠加，形成更强的气压梯度，另一方面与地面中尺度气旋入海过程中的快速发展以及风暴后侧倾斜向前的下沉气流导致的高空风动量下传有关。
摘要:
2023, 81(1): 1-18.
doi: 10.11676/qxxb2023.20220014
摘要:
利用实况资料和ERA5再分析资料对“21.7”河南极端暴雨过程的锋生作用、大气非绝热加热和水汽净收支进行了深入分析，揭示此次过程天气尺度系统发展维持机制。结果表明：本次极端暴雨过程中，河南位于西北太平洋副热带高压（副高）和大陆高压之间的鞍型场中，低层辐合高层辐散的配置有利于500 hPa低压系统的发展和维持；锋生作用主要发生在对流层低层且与$ {\theta }_{\rm{se}} $ 密集区有较好的对应关系，水平散度项和水平变形项起主导作用，两者的贡献基本相当；视热源$\left\langle{Q_1}\right\rangle $ 和视水汽汇$\left\langle{Q_2}\right\rangle $ 水平分布与强降雨落区较为吻合，二者的垂直分布有明显差异，Q1最强加热作用在对流层中高层，而Q2垂直分布较为均匀但强度明显小于Q1，Q1中位温垂直输送项起主导作用，而Q2中比湿水平平流项发挥着主导作用，这表明本次河南极端暴雨中，区域性强凝结潜热的释放对降水有正反馈作用。伴随来自台风烟花（2106）北侧偏东气流的不断加强西进，强风速切变及地形抬升引发异常强盛的边界层水汽辐合，总水汽收支主要受到东西向水汽净流入的主导，偏东路径边界层极强的水汽输送对极端暴雨过程的维持和加强起到十分关键的作用。
利用实况资料和ERA5再分析资料对“21.7”河南极端暴雨过程的锋生作用、大气非绝热加热和水汽净收支进行了深入分析，揭示此次过程天气尺度系统发展维持机制。结果表明：本次极端暴雨过程中，河南位于西北太平洋副热带高压（副高）和大陆高压之间的鞍型场中，低层辐合高层辐散的配置有利于500 hPa低压系统的发展和维持；锋生作用主要发生在对流层低层且与
2023, 81(1): 19-39.
doi: 10.11676/qxxb2023.20220023
摘要:
2019年8月16日沈阳市区受伴有低空γ中尺度涡旋的强对流系统影响，发生了1951年有观测记录以来的最大小时降水（102 mm）。为了提高对此类涡旋所致强降水天气的认识和预报能力，综合利用多源观测和ERA5再分析资料，对此次过程中低空γ中尺度涡旋的观测特征、形成原因和对强降水的影响机制开展研究。此次过程期间，500 hPa沈阳位于东北冷涡东南侧，850 hPa以下低空位于“利奇马”台风残涡西侧的偏北气流水汽输送带内，16日午后沈阳市区具有低层大气气温廓线接近干绝热递减率、较低抬升凝结高度和逐渐加强的风垂直切变等环境条件特征；风廓线雷达资料显示降水前0—6 km风矢量差最大达17 m/s，有利于较浅薄中尺度涡旋对发生。16时前后，沈阳市区内γ中尺度辐合风场首先触发局地风暴，随后有对流风暴群移入沈阳，在局地风暴具有反气旋式旋转处合并。合并风暴在初期产生强降水后，回波顶降低、降水强度减小，低空出现了生命期约30 min的γ中尺度涡旋对，更是出现罕见的具有辐合特征的反气旋式涡旋加强的现象，伴有低空涡旋的风暴再次加强并导致后期更强的降水。相比中国中气旋统计特征，本次低空浅薄涡旋生命期较短、尺度小、移速慢，产生了非常强的垂直涡度，但涡旋厚度小于中气旋。涡旋出现后所有5 min降水量超过10 mm的自动气象站均出现在中尺度涡旋对之间的区域，更是导致了自从1951年沈阳有观测记录以来的最大小时降水量。涡旋的旋转强度、伸展高度以及两个涡旋之间的距离表征了强降水的强度和范围。本次过程中的合并风暴具有暖云低质心回波特征，前期局地风暴降水使得近地面空气湿度升高、减弱了蒸发作用，使得后期降水具有更高效率，配合低空涡旋在近地面形成上升气流同时促进雨滴增长和碰并过程，进而增强雨强；强烈旋转的涡旋造成近地面强上升气流，有利于风暴再次发展，进而使得降水持续更长时间。低空反气旋式涡旋生成加强的原因是：冷涡风暴低空准线状的出流边界形成由北指向南的水平涡管，在降水初期下沉气流向下的扭曲作用下，近地面生成初始涡旋对；由于环境风切变矢量随高度逆时针旋转，更有利于反气旋式涡旋加强，合并后风暴内的强上升气流的拉伸作用也进一步加强了反气旋。最后给出了本次低空γ中尺度涡旋的形成机制和导致暴雨的物理模型。
2019年8月16日沈阳市区受伴有低空γ中尺度涡旋的强对流系统影响，发生了1951年有观测记录以来的最大小时降水（102 mm）。为了提高对此类涡旋所致强降水天气的认识和预报能力，综合利用多源观测和ERA5再分析资料，对此次过程中低空γ中尺度涡旋的观测特征、形成原因和对强降水的影响机制开展研究。此次过程期间，500 hPa沈阳位于东北冷涡东南侧，850 hPa以下低空位于“利奇马”台风残涡西侧的偏北气流水汽输送带内，16日午后沈阳市区具有低层大气气温廓线接近干绝热递减率、较低抬升凝结高度和逐渐加强的风垂直切变等环境条件特征；风廓线雷达资料显示降水前0—6 km风矢量差最大达17 m/s，有利于较浅薄中尺度涡旋对发生。16时前后，沈阳市区内γ中尺度辐合风场首先触发局地风暴，随后有对流风暴群移入沈阳，在局地风暴具有反气旋式旋转处合并。合并风暴在初期产生强降水后，回波顶降低、降水强度减小，低空出现了生命期约30 min的γ中尺度涡旋对，更是出现罕见的具有辐合特征的反气旋式涡旋加强的现象，伴有低空涡旋的风暴再次加强并导致后期更强的降水。相比中国中气旋统计特征，本次低空浅薄涡旋生命期较短、尺度小、移速慢，产生了非常强的垂直涡度，但涡旋厚度小于中气旋。涡旋出现后所有5 min降水量超过10 mm的自动气象站均出现在中尺度涡旋对之间的区域，更是导致了自从1951年沈阳有观测记录以来的最大小时降水量。涡旋的旋转强度、伸展高度以及两个涡旋之间的距离表征了强降水的强度和范围。本次过程中的合并风暴具有暖云低质心回波特征，前期局地风暴降水使得近地面空气湿度升高、减弱了蒸发作用，使得后期降水具有更高效率，配合低空涡旋在近地面形成上升气流同时促进雨滴增长和碰并过程，进而增强雨强；强烈旋转的涡旋造成近地面强上升气流，有利于风暴再次发展，进而使得降水持续更长时间。低空反气旋式涡旋生成加强的原因是：冷涡风暴低空准线状的出流边界形成由北指向南的水平涡管，在降水初期下沉气流向下的扭曲作用下，近地面生成初始涡旋对；由于环境风切变矢量随高度逆时针旋转，更有利于反气旋式涡旋加强，合并后风暴内的强上升气流的拉伸作用也进一步加强了反气旋。最后给出了本次低空γ中尺度涡旋的形成机制和导致暴雨的物理模型。
2023, 81(1): 40-57.
doi: 10.11676/qxxb2023.20220024
摘要:
为了提高对弓形回波致灾大风环境演变和致灾机理的认识，综合利用多源观测和ERA5再分析资料，研究了2020年6月25日华北平原夜间弓形回波的风暴环境演变特征及地面致灾大风的成因机制。结果表明：此次过程发生在高空冷涡背景下，华北平原处于中层干冷气流与低层西南暖湿气流叠加区域，因此有利于强对流天气的发生；对流风暴演变可归结为“超级单体-弓形回波-逗点回波”三个阶段，风暴环境逐渐从中等强度的对流有效位能和深层风垂直切变向弱的对流有效位能和强的风垂直切变演变；超级单体阶段，探空曲线呈“X”型分布，负浮力效应为地面大风的产生做主要贡献，动量下传和冷池密度流的作用为辅；弓形回波阶段，由于低层暖平流和地面辐射降温的共同作用，近地面出现较强逆温，850—500 hPa垂直温度直减率增大，负浮力、动量下传和冷池密度流作用均较前一阶段明显加强，导致地面13级致灾大风的形成；逗点回波阶段，850—700 hPa的干层减弱，负浮力作用与超级单体阶段相当，动量下传和冷池密度流作用与弓形回波阶段相当，造成地面大风的形成。最后给出本次弓形回波环境演变和致灾机理的物理模型。
为了提高对弓形回波致灾大风环境演变和致灾机理的认识，综合利用多源观测和ERA5再分析资料，研究了2020年6月25日华北平原夜间弓形回波的风暴环境演变特征及地面致灾大风的成因机制。结果表明：此次过程发生在高空冷涡背景下，华北平原处于中层干冷气流与低层西南暖湿气流叠加区域，因此有利于强对流天气的发生；对流风暴演变可归结为“超级单体-弓形回波-逗点回波”三个阶段，风暴环境逐渐从中等强度的对流有效位能和深层风垂直切变向弱的对流有效位能和强的风垂直切变演变；超级单体阶段，探空曲线呈“X”型分布，负浮力效应为地面大风的产生做主要贡献，动量下传和冷池密度流的作用为辅；弓形回波阶段，由于低层暖平流和地面辐射降温的共同作用，近地面出现较强逆温，850—500 hPa垂直温度直减率增大，负浮力、动量下传和冷池密度流作用均较前一阶段明显加强，导致地面13级致灾大风的形成；逗点回波阶段，850—700 hPa的干层减弱，负浮力作用与超级单体阶段相当，动量下传和冷池密度流作用与弓形回波阶段相当，造成地面大风的形成。最后给出本次弓形回波环境演变和致灾机理的物理模型。
摘要:
2017年5月7日，在弱天气尺度强迫下，广州发生了暖区特大暴雨，局地发展迅速，降水强度极端，多家业务模式出现了漏报情况。为了探究此次降水过程模式预报的不确定性，采用条件非线性最优参数扰动（Conditional Nonlinear Optimal Perturbation related to Parameters，CNOP-P）方法筛选出最能体现中小尺度系统非线性误差增长特征的关键物理参数，以此构造CNOP-P-RP模式扰动方案，并基于CMA-Meso模式进行对流尺度集合预报试验，最后探究了CNOP-P关键参数影响局地对流发生、发展不同阶段的物理机理。结果显示，不同降水阶段的CNOP-P敏感参数主要与垂直扩散、云雨自动转换或其他水成物向雨滴的转换有关。与业务上常用的随机物理倾向扰动（Stochastically Perturbed Parameterization Tendencies，SPPT）方案相比，在本次降水过程中，基于CNOP-P-RP方案构造的集合预报试验具有更高的降水和地面要素的概率预报技巧，集合预报系统可靠性也占优。进一步分析发现，垂直扩散不确定性导致的山前温度梯度和地面冷池的变化在对流触发和暴雨发展中起重要作用。7日00—04时（北京时，下同），花都强降水中心附近垂直扩散的增强使热量、动量和水汽的垂直输送加强，由此造成的雪、霰粒子融化增多是降水量增大的主要原因，说明该阶段雨滴的形成虽以云水的凝结碰并为主，但冰相粒子的作用不容忽视；7日04—08时，随着水汽输送和上升运动增强，更活跃的暖雨过程主导了增城强降水中心降水量的增大。该研究初步证明CNOP-P-RP方案在刻画对流尺度模式不确定性方面的可行性，可为华南暖区暴雨预报的改进提供一定参考。
2017年5月7日，在弱天气尺度强迫下，广州发生了暖区特大暴雨，局地发展迅速，降水强度极端，多家业务模式出现了漏报情况。为了探究此次降水过程模式预报的不确定性，采用条件非线性最优参数扰动（Conditional Nonlinear Optimal Perturbation related to Parameters，CNOP-P）方法筛选出最能体现中小尺度系统非线性误差增长特征的关键物理参数，以此构造CNOP-P-RP模式扰动方案，并基于CMA-Meso模式进行对流尺度集合预报试验，最后探究了CNOP-P关键参数影响局地对流发生、发展不同阶段的物理机理。结果显示，不同降水阶段的CNOP-P敏感参数主要与垂直扩散、云雨自动转换或其他水成物向雨滴的转换有关。与业务上常用的随机物理倾向扰动（Stochastically Perturbed Parameterization Tendencies，SPPT）方案相比，在本次降水过程中，基于CNOP-P-RP方案构造的集合预报试验具有更高的降水和地面要素的概率预报技巧，集合预报系统可靠性也占优。进一步分析发现，垂直扩散不确定性导致的山前温度梯度和地面冷池的变化在对流触发和暴雨发展中起重要作用。7日00—04时（北京时，下同），花都强降水中心附近垂直扩散的增强使热量、动量和水汽的垂直输送加强，由此造成的雪、霰粒子融化增多是降水量增大的主要原因，说明该阶段雨滴的形成虽以云水的凝结碰并为主，但冰相粒子的作用不容忽视；7日04—08时，随着水汽输送和上升运动增强，更活跃的暖雨过程主导了增城强降水中心降水量的增大。该研究初步证明CNOP-P-RP方案在刻画对流尺度模式不确定性方面的可行性，可为华南暖区暴雨预报的改进提供一定参考。
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doi: 10.11676/qxxb2023.20220182
摘要:
大气数值模式离散垂直动量方程时，一般而言气压梯度力和重力不易维持严格的静力平衡关系。[目的]为精确平衡数值离散的垂直气压梯度力和重力，[资料和方法]基于高精度多矩约束有限体积方法，引入完全平衡数值公式，即以满足静力平衡关系的热力学参考态对重力源项进行数值离散构造，发展了适用于非静力大气的完全平衡多矩约束有限体积方法。[结果]一维标准数值试验表明完全平衡多矩约束有限体积方法能在较粗糙的计算网格点上保持静力平衡参考态的数值计算误差为计算机的舍入误差，即单精度（10^(-6)）和双精度（10^(-14)），在具有小量级扰动的初始条件下，完全平衡多矩约束有限体积方法能较好地模拟扰动的传播，二维非静力热泡试验进一步表明它能够准确模拟非静力大气垂直运动。[结论]数值试验结果验证了所发展方法的完全平衡属性和非静力大气模式的适用性，这为非静力大气模式发展提供了良好参考价值。
大气数值模式离散垂直动量方程时，一般而言气压梯度力和重力不易维持严格的静力平衡关系。[目的]为精确平衡数值离散的垂直气压梯度力和重力，[资料和方法]基于高精度多矩约束有限体积方法，引入完全平衡数值公式，即以满足静力平衡关系的热力学参考态对重力源项进行数值离散构造，发展了适用于非静力大气的完全平衡多矩约束有限体积方法。[结果]一维标准数值试验表明完全平衡多矩约束有限体积方法能在较粗糙的计算网格点上保持静力平衡参考态的数值计算误差为计算机的舍入误差，即单精度（10^(-6)）和双精度（10^(-14)），在具有小量级扰动的初始条件下，完全平衡多矩约束有限体积方法能较好地模拟扰动的传播，二维非静力热泡试验进一步表明它能够准确模拟非静力大气垂直运动。[结论]数值试验结果验证了所发展方法的完全平衡属性和非静力大气模式的适用性，这为非静力大气模式发展提供了良好参考价值。
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doi: 10.11676/qxxb2023.20230001
摘要:
[目的]本研究将一套自主研发的包含对流参数化、宏观云凝结、云微观物理参数化在内的湿物理过程(简称PhysCN)引入GRIST全球模式。[资料和方法]通过AMIP类型10年连续积分考察了引入后的新方案较原有方案(简称PhysC)对模拟全球气候基本态的影响。[结果]结果表明,PhysCN更真实地重现了热带降水的气候分布特征和季节变化。相比于PhysC,PhysCN减少了赤道ITCZ、热带太平洋和印度洋上空的虚假降水,并改善了双ITCZ偏差。PhysCN在热带对流层顶附近和中高纬度地区形成了比PhysC更多的冰云,增强了长波云辐射效应。但另一方面,由于单冰云微物理方案中采用一个变量类别考虑所有冰相粒子,使中高纬低层云冰比湿比PhysC中更多。宏观云凝结中采用基于冰面相对湿度的方法诊断冰云量,使低云更厚更密实,减弱了短波云辐射效应,也使全球净辐射收支偏差大于PhysC。[结论]本研究证明了该湿物理方案在GRIST全球模式中的稳定性与合理性,但也展示出冰云诊断和云微物理参数化的协调性有待进一步改进,从而改善模式气候净辐射收支。
[目的]本研究将一套自主研发的包含对流参数化、宏观云凝结、云微观物理参数化在内的湿物理过程(简称PhysCN)引入GRIST全球模式。[资料和方法]通过AMIP类型10年连续积分考察了引入后的新方案较原有方案(简称PhysC)对模拟全球气候基本态的影响。[结果]结果表明,PhysCN更真实地重现了热带降水的气候分布特征和季节变化。相比于PhysC,PhysCN减少了赤道ITCZ、热带太平洋和印度洋上空的虚假降水,并改善了双ITCZ偏差。PhysCN在热带对流层顶附近和中高纬度地区形成了比PhysC更多的冰云,增强了长波云辐射效应。但另一方面,由于单冰云微物理方案中采用一个变量类别考虑所有冰相粒子,使中高纬低层云冰比湿比PhysC中更多。宏观云凝结中采用基于冰面相对湿度的方法诊断冰云量,使低云更厚更密实,减弱了短波云辐射效应,也使全球净辐射收支偏差大于PhysC。[结论]本研究证明了该湿物理方案在GRIST全球模式中的稳定性与合理性,但也展示出冰云诊断和云微物理参数化的协调性有待进一步改进,从而改善模式气候净辐射收支。
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doi: 10.11676/qxxb2023.20220139
摘要:
利用CMA全球集合预报（CMA-GEPS）业务系统2020年6月1日至2021年5月31日一整年的500 hPa位势高度场（H500）预报数据，诊断评估了CMA-GEPS在北半球地区误差增长及预报性能的尺度依赖特征。本文使用谱滤波方法实现H500不同尺度（包括行星尺度、天气尺度与次天气尺度）分量的分离。从集合平均误差-离散度关系来看，在预报前期（108 h之前），CMA-GEPS集合平均误差小于集合离散度，存在过度发散的问题，主要是由天气尺度分量离散度过大导致；在预报后期（108 h之后），CMA-GEPS集合平均误差大于集合离散度，离散度偏小，是由行星尺度与天气尺度分量离散度不足共同引起。采用Dalcher和Kalnay（1987）修订的误差增长模型对H500集合平均预报误差增长特征进行诊断分析，发现CMA-GEPS误差增长过程合理，初始误差在次天气尺度上增长最快，行星尺度上增长最慢；就绝对（相对）误差而言，模式误差对预报误差的影响随空间尺度的增加而增大（减小）。此外，将使用1989至2018年共计30年的ERA-Interim再分析逐日数据得到的气候态分布作为参考预报，通过连续分级概率预报技巧评分（Continuously Ranked Probability Skill Score，CRPSS）检验了H500及其不同尺度分量的概率预报技巧。结果表明，行星尺度分量概率预报技巧最高，次天气尺度分量最小，未经滤波的H500预报技巧位于行星尺度与天气尺度分量预报技巧之间。上述诊断结果可为CMA-GEPS改进方向提供一定的客观依据。
利用CMA全球集合预报（CMA-GEPS）业务系统2020年6月1日至2021年5月31日一整年的500 hPa位势高度场（H500）预报数据，诊断评估了CMA-GEPS在北半球地区误差增长及预报性能的尺度依赖特征。本文使用谱滤波方法实现H500不同尺度（包括行星尺度、天气尺度与次天气尺度）分量的分离。从集合平均误差-离散度关系来看，在预报前期（108 h之前），CMA-GEPS集合平均误差小于集合离散度，存在过度发散的问题，主要是由天气尺度分量离散度过大导致；在预报后期（108 h之后），CMA-GEPS集合平均误差大于集合离散度，离散度偏小，是由行星尺度与天气尺度分量离散度不足共同引起。采用Dalcher和Kalnay（1987）修订的误差增长模型对H500集合平均预报误差增长特征进行诊断分析，发现CMA-GEPS误差增长过程合理，初始误差在次天气尺度上增长最快，行星尺度上增长最慢；就绝对（相对）误差而言，模式误差对预报误差的影响随空间尺度的增加而增大（减小）。此外，将使用1989至2018年共计30年的ERA-Interim再分析逐日数据得到的气候态分布作为参考预报，通过连续分级概率预报技巧评分（Continuously Ranked Probability Skill Score，CRPSS）检验了H500及其不同尺度分量的概率预报技巧。结果表明，行星尺度分量概率预报技巧最高，次天气尺度分量最小，未经滤波的H500预报技巧位于行星尺度与天气尺度分量预报技巧之间。上述诊断结果可为CMA-GEPS改进方向提供一定的客观依据。
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doi: 10.11676/qxxb2023.20220181
摘要:
[目的]星载毫米波雷达衰减严重,而不同云降水类型中所包含的云雨粒子微物理特性差异较大,其所造成的衰减影响差异也较大。[资料和方法]基于WRF模式模拟的不同云降水场景,利用星载毫米波雷达模拟器仿真得到衰减后的回波,并对云中粒子的衰减特性进行敏感性分析,说明引起衰减不确定性的重要影响因素。[结果和结论]结果表明,仿真得到的衰减后回波与云廓线雷达(CPR)实测回波一致性较好,回波结构和强度近似,平均反射率因子廓线差异均在20%以内,衰减估计结果可靠有效。通过对衰减系数K进行敏感性分析发现,云雨粒子均对粒子谱分布中的含水量W最为敏感,中值体积直径D0的影响也较大,其变化可能引起雨滴衰减系数的平均相对误差达25%左右；雪和霰受密度参数a、b的影响大于斜率参数Λ,a引起的不确定性在25%以内。在相同滴谱参数的情况下,冰态和液态造成衰减系数的差异达90%左右。考虑到衰减对相态的高度敏感性,将基于相态分类的K-W关系应用于CPR实测个例衰减订正中,订正后的回波与波段校正后的星载双频降雨雷达(DPR)Ka波段探测回波强度接近,衰减订正的不确定性主要来自于液水含量反演结果与实际情况之间的差异。
[目的]星载毫米波雷达衰减严重,而不同云降水类型中所包含的云雨粒子微物理特性差异较大,其所造成的衰减影响差异也较大。[资料和方法]基于WRF模式模拟的不同云降水场景,利用星载毫米波雷达模拟器仿真得到衰减后的回波,并对云中粒子的衰减特性进行敏感性分析,说明引起衰减不确定性的重要影响因素。[结果和结论]结果表明,仿真得到的衰减后回波与云廓线雷达(CPR)实测回波一致性较好,回波结构和强度近似,平均反射率因子廓线差异均在20%以内,衰减估计结果可靠有效。通过对衰减系数K进行敏感性分析发现,云雨粒子均对粒子谱分布中的含水量W最为敏感,中值体积直径D0的影响也较大,其变化可能引起雨滴衰减系数的平均相对误差达25%左右；雪和霰受密度参数a、b的影响大于斜率参数Λ,a引起的不确定性在25%以内。在相同滴谱参数的情况下,冰态和液态造成衰减系数的差异达90%左右。考虑到衰减对相态的高度敏感性,将基于相态分类的K-W关系应用于CPR实测个例衰减订正中,订正后的回波与波段校正后的星载双频降雨雷达(DPR)Ka波段探测回波强度接近,衰减订正的不确定性主要来自于液水含量反演结果与实际情况之间的差异。
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doi: 10.11676/qxxb2023.20220122
摘要:
不适温度能增加人群心脑血管疾病的死亡这一现象已达成共识，但是天气预报在不利温度-死亡暴露反应关系中的调节作用及经济价值尚未见报道。故本研究以北京地区气象环境和逐日心脑血管疾病死亡数据为依据，对2006年至2016年北京市气象台对公众发布温度预报数据进行准确性检验，利用分布滞后模型构建了准确预报、高估和低估时温度与北京市心脑血管疾病死亡的暴露反应关系，并以主观预估为基准评估了天气预报的健康效应，最后运用调整后的人力资本法估算了天气预报在减少心脑血管疾病健康风险方面的经济价值。结果发现，11年间北京市气象台所发布的白天最高气温的准确率明显提升，以偏差不超过2℃为划分依据的准确率由60%提升至84%；暴露反应关系的研究表明准确预报时不利温度所造成的最大单日相对风险有所降低；基于人们将依据前一日实际温度形成主观预估温度的假设，发现2006年至2016年期间主观预估的准确率基本保持稳定；根据天气预报和主观预估之间的差异，识别出北京市天气预报所减少的心脑血管疾病单日最大超额死亡人数在2006年至2016年期间呈现出上升趋势，每年减少的人数在114~457人之间；经济学评估发现北京市温度预报对心脑血管疾病健康影响的经济收益由2006年的1.21亿元上升至2016年的11.31亿元。
不适温度能增加人群心脑血管疾病的死亡这一现象已达成共识，但是天气预报在不利温度-死亡暴露反应关系中的调节作用及经济价值尚未见报道。故本研究以北京地区气象环境和逐日心脑血管疾病死亡数据为依据，对2006年至2016年北京市气象台对公众发布温度预报数据进行准确性检验，利用分布滞后模型构建了准确预报、高估和低估时温度与北京市心脑血管疾病死亡的暴露反应关系，并以主观预估为基准评估了天气预报的健康效应，最后运用调整后的人力资本法估算了天气预报在减少心脑血管疾病健康风险方面的经济价值。结果发现，11年间北京市气象台所发布的白天最高气温的准确率明显提升，以偏差不超过2℃为划分依据的准确率由60%提升至84%；暴露反应关系的研究表明准确预报时不利温度所造成的最大单日相对风险有所降低；基于人们将依据前一日实际温度形成主观预估温度的假设，发现2006年至2016年期间主观预估的准确率基本保持稳定；根据天气预报和主观预估之间的差异，识别出北京市天气预报所减少的心脑血管疾病单日最大超额死亡人数在2006年至2016年期间呈现出上升趋势，每年减少的人数在114~457人之间；经济学评估发现北京市温度预报对心脑血管疾病健康影响的经济收益由2006年的1.21亿元上升至2016年的11.31亿元。
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doi: 10.11676/qxxb2023.20220146
摘要:
2019年4月23日浙江南部发生一次明显的超级单体分裂过程,为研究超级单体风暴分裂特征,利用多部雷达构成的双雷达三维风场反演组网技术,结合雷达基本产品、风廓线雷达及探空资料对此次分裂过程做了分析。该超级单体风暴在较强的垂直风切变环境下(地面—500hPa大于15m/s)发生,形成于飑线主体弓形回波前端,具有明显的三体散射特征且持续时间较长。分裂从初始风暴的北侧中层开始,然后迅速向上下伸展,左移超级单体具有明显中反气旋涡旋结构,呈现由悬垂、强回波柱、强上升气流配合构成的典型超级单体结构,与右移超级单体无论在形态、还是流场结构上都形成近似镜像对称的状态。在两者即将分离时,两风暴均出现了降雹,对应强下沉气流。在新风暴分裂形成的发展阶段其垂直廓线中最大垂直速度和最大负散度值均在加大,而对应时段原风暴这两个物理量数值减少；两个风暴整个分裂过程正负涡度数值均一同逐渐加大,气旋—反气旋涡旋的旋转程度变大趋势一致。低层垂直风切变矢量随高度逆时针旋转,分裂的左移反气旋超级单体加强发展,右移的气旋式超级单体受到一定抑制,与理论研究结果相一致。此次个例雷达反演的风场特征与径向速度图相吻合,反演风场基本可靠,为直观理解超级单体风暴分裂的动力学特征提供了进一步参考。
2019年4月23日浙江南部发生一次明显的超级单体分裂过程,为研究超级单体风暴分裂特征,利用多部雷达构成的双雷达三维风场反演组网技术,结合雷达基本产品、风廓线雷达及探空资料对此次分裂过程做了分析。该超级单体风暴在较强的垂直风切变环境下(地面—500hPa大于15m/s)发生,形成于飑线主体弓形回波前端,具有明显的三体散射特征且持续时间较长。分裂从初始风暴的北侧中层开始,然后迅速向上下伸展,左移超级单体具有明显中反气旋涡旋结构,呈现由悬垂、强回波柱、强上升气流配合构成的典型超级单体结构,与右移超级单体无论在形态、还是流场结构上都形成近似镜像对称的状态。在两者即将分离时,两风暴均出现了降雹,对应强下沉气流。在新风暴分裂形成的发展阶段其垂直廓线中最大垂直速度和最大负散度值均在加大,而对应时段原风暴这两个物理量数值减少；两个风暴整个分裂过程正负涡度数值均一同逐渐加大,气旋—反气旋涡旋的旋转程度变大趋势一致。低层垂直风切变矢量随高度逆时针旋转,分裂的左移反气旋超级单体加强发展,右移的气旋式超级单体受到一定抑制,与理论研究结果相一致。此次个例雷达反演的风场特征与径向速度图相吻合,反演风场基本可靠,为直观理解超级单体风暴分裂的动力学特征提供了进一步参考。
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doi: 10.11676/qxxb2023.20220185
摘要:
[资料和方法]利用1961~2018年中国2400多站的地面台站常规观测降水数据,[目的]探讨了不同分布型El Ni?o事件对中国东部地区降水持续性结构的影响,进一步分析了不同区域上持续性降水变化的原因。[结果]东部型El Ni?o事件中的北异常雨带主要是由于短持续性降水频率和强度同步增加而形成的,短持续性降水对该区域内降水异常的贡献率超过80%；南异常雨带形成的原因则是长持续性降水频率和累计降水日数比例同步增加。中部型El Ni?o事件中的异常雨带形成最主要的原因是短持续性降水量异常增加,其贡献占比约为60%,其次是长持续性降水占比约为24%；短持续性降水的增加主要表现为频率增加和强度增大,而长持续性降水增加主要发生在雨带南部,是频率和累计日数比例同时增加的结果。[结论]两类El Ni?o事件次年夏季,中国东部地区短持续性降水的变化对总降水量异常变化的贡献最大,在长江流域长持续性降水的增强对总降水量增加也有重要作用；异常雨带形成的最主要原因是短持续性和长持续性降水频率的明显增加。
[资料和方法]利用1961~2018年中国2400多站的地面台站常规观测降水数据,[目的]探讨了不同分布型El Ni?o事件对中国东部地区降水持续性结构的影响,进一步分析了不同区域上持续性降水变化的原因。[结果]东部型El Ni?o事件中的北异常雨带主要是由于短持续性降水频率和强度同步增加而形成的,短持续性降水对该区域内降水异常的贡献率超过80%；南异常雨带形成的原因则是长持续性降水频率和累计降水日数比例同步增加。中部型El Ni?o事件中的异常雨带形成最主要的原因是短持续性降水量异常增加,其贡献占比约为60%,其次是长持续性降水占比约为24%；短持续性降水的增加主要表现为频率增加和强度增大,而长持续性降水增加主要发生在雨带南部,是频率和累计日数比例同时增加的结果。[结论]两类El Ni?o事件次年夏季,中国东部地区短持续性降水的变化对总降水量异常变化的贡献最大,在长江流域长持续性降水的增强对总降水量增加也有重要作用；异常雨带形成的最主要原因是短持续性和长持续性降水频率的明显增加。
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doi: 10.11676/qxxb2023.20220107
摘要:
[资料和方法]利用CMPAS多源融合降水数据和ERA5再分析产品,基于面向对象的诊断评估方法(MODE),量化雨带空间特征信息,挑选出较大范围的雨带,再按照雨带走向不同将其分为纬向型和经向型。[目的]将江淮流域雨带按照其空间型态进行分类,分析了江淮流域不同空间型雨带的降水和环流特征。 [结论]对比不同空间型雨带的降水时空特征发现,大范围雨带多呈西南－东北走向,降水量、降水频率的日变化表现为夜间主峰值,午后次峰值的双峰特征,降水强度则为夜间至凌晨的单峰特征。纬向型雨带表现为西南－东北向,在暖季随时间自南向北推进,降水集中在6月中下旬至7月中上旬,对应着江淮梅雨期降水,强降水的发生频率高,雨区面积大,雨带的降水量、降水频率及降水强度的日变化特征同大范围雨带基本一致。经向型雨带降水在8月季风间歇期发生的频次较高,多为影响范围较小的降水过程,降水量、降水频率日变化为午后单峰特征,降水强度也是午后较夜间更大。进一步对比两类不同空间型雨带对应的环流特征发现：两类雨带降水都对应中高层暖、低层冷的温度异常垂直结构，风场的异常环流在高层为反气旋性，在低层为气旋性。但是纬向型暖异常南北两侧温度梯度较大；而经向型东西两侧的梯度较大。纬向型位于高层反气旋的中心，高层辐散提供了上升需要的动力条件，低层西南风异常提供了丰沛的水汽，有利于形成大范围的降水。经向型位于高层反气旋的后部，低层风场主要为东南风和东北风异常，形成经向度较大降水空间分布，辐合上升的局地性较强，强降水中心较为分散。
[资料和方法]利用CMPAS多源融合降水数据和ERA5再分析产品,基于面向对象的诊断评估方法(MODE),量化雨带空间特征信息,挑选出较大范围的雨带,再按照雨带走向不同将其分为纬向型和经向型。[目的]将江淮流域雨带按照其空间型态进行分类,分析了江淮流域不同空间型雨带的降水和环流特征。 [结论]对比不同空间型雨带的降水时空特征发现,大范围雨带多呈西南－东北走向,降水量、降水频率的日变化表现为夜间主峰值,午后次峰值的双峰特征,降水强度则为夜间至凌晨的单峰特征。纬向型雨带表现为西南－东北向,在暖季随时间自南向北推进,降水集中在6月中下旬至7月中上旬,对应着江淮梅雨期降水,强降水的发生频率高,雨区面积大,雨带的降水量、降水频率及降水强度的日变化特征同大范围雨带基本一致。经向型雨带降水在8月季风间歇期发生的频次较高,多为影响范围较小的降水过程,降水量、降水频率日变化为午后单峰特征,降水强度也是午后较夜间更大。进一步对比两类不同空间型雨带对应的环流特征发现：两类雨带降水都对应中高层暖、低层冷的温度异常垂直结构，风场的异常环流在高层为反气旋性，在低层为气旋性。但是纬向型暖异常南北两侧温度梯度较大；而经向型东西两侧的梯度较大。纬向型位于高层反气旋的中心，高层辐散提供了上升需要的动力条件，低层西南风异常提供了丰沛的水汽，有利于形成大范围的降水。经向型位于高层反气旋的后部，低层风场主要为东南风和东北风异常，形成经向度较大降水空间分布，辐合上升的局地性较强，强降水中心较为分散。
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doi: 10.11676/qxxb2023.20220110
摘要:
[目的]为了解青藏高原黑碳气溶胶的长期演变特征及来源，[资料和方法]使用1994年7月至2017年7月共24年的中国瓦里关全球大气本底站等效黑碳浓度地面观测数据、1994年8月至2004年6月的风向风速地面观测数据，美国国家环境预测中心/国家大气研究中心全球再分析气象数据，分析了青藏高原中国瓦里关全球大气本底站测量的等效黑碳浓度的长期演变特征及输送特征。在此基础上利用拉格朗日混合单粒子轨道模型、浓度权重轨迹分析方法分析了黑碳污染气团的区域输送路径及潜在来源。[结果][结论]分析结果表明，瓦里关站的等效黑碳浓度在24年间先增后减，在2012年达到浓度高值，随后减小。24年月平均浓度最大值出现在4月，最低值出现在11月。等效黑碳浓度的日变化特征在不同季节表现不同，春夏秋均为双峰特征，峰值出现在凌晨和午后，冬季日变化较为平缓。等效黑碳浓度与风向密切相关，年均浓度最高值出现在东-东北风向，次高值出现在东风向。通过浓度权重轨迹方法对黑碳污染气团的潜在来源分析可以看出，污染物主要来自瓦里关站点的西南和东南部地区。
[目的]为了解青藏高原黑碳气溶胶的长期演变特征及来源，[资料和方法]使用1994年7月至2017年7月共24年的中国瓦里关全球大气本底站等效黑碳浓度地面观测数据、1994年8月至2004年6月的风向风速地面观测数据，美国国家环境预测中心/国家大气研究中心全球再分析气象数据，分析了青藏高原中国瓦里关全球大气本底站测量的等效黑碳浓度的长期演变特征及输送特征。在此基础上利用拉格朗日混合单粒子轨道模型、浓度权重轨迹分析方法分析了黑碳污染气团的区域输送路径及潜在来源。[结果][结论]分析结果表明，瓦里关站的等效黑碳浓度在24年间先增后减，在2012年达到浓度高值，随后减小。24年月平均浓度最大值出现在4月，最低值出现在11月。等效黑碳浓度的日变化特征在不同季节表现不同，春夏秋均为双峰特征，峰值出现在凌晨和午后，冬季日变化较为平缓。等效黑碳浓度与风向密切相关，年均浓度最高值出现在东-东北风向，次高值出现在东风向。通过浓度权重轨迹方法对黑碳污染气团的潜在来源分析可以看出，污染物主要来自瓦里关站点的西南和东南部地区。
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doi: 10.11676/qxxb2023.20220148
摘要:
[资料和方法]针对长江下游典型涝年1999年、2016年和2020年，通过全域功率谱分析和Lanczos滤波的方法，提取准双周振荡（QBWO）分量；并采用再分析资料进行同位相合成，[目的]揭示不同典型涝年共性特征及其各自关键影响因子。[结果]结果表明：（1）1999年、2016年和2020年是长江下游地区最为典型的涝年年份，存在10-20d显著QBWO周期，且6-7月更为明显。（2）中高纬地区高层低频环流沿着波列状扰动，有利于“两脊一槽”大尺度背景的维持和下游扰动增强，引起长江下游地区低频垂直运动变化，进而造成降水异常。低纬地区QBWO是长江下游低频另一来源，低层低频涡旋以10°N为轴对称分布，低频辐散风由南海指向长江下游地区，热带对流活动低频变化可形成通过低频大气环流影响长江下游降水异常。高低纬低频大气环流配合热源强迫存在相向运动，叠加低频水汽强烈辐合，为长江下游地区降水异常偏多提供有利条件。（3）三个长江下游典型涝年降水分布特征及其关键影响因子存在不同。1999年，西北太平洋上低频反气旋环流偏强偏西，辐散风由南海指向长江下游地区，低频水汽来源为孟加拉湾和中国南海地区。2016年，对流层低层南北低频环流系统耦合带呈现东北-西南走向，低纬对流活动旺盛，向北传播的大气热源加热作用更强。2020年，中高纬地区垂直环流更完整，西北太平洋的东南水汽输送成为主要水汽来源。[结论]研究结果对认识长江下游地区夏季降水异常变化有重要意义。
[资料和方法]针对长江下游典型涝年1999年、2016年和2020年，通过全域功率谱分析和Lanczos滤波的方法，提取准双周振荡（QBWO）分量；并采用再分析资料进行同位相合成，[目的]揭示不同典型涝年共性特征及其各自关键影响因子。[结果]结果表明：（1）1999年、2016年和2020年是长江下游地区最为典型的涝年年份，存在10-20d显著QBWO周期，且6-7月更为明显。（2）中高纬地区高层低频环流沿着波列状扰动，有利于“两脊一槽”大尺度背景的维持和下游扰动增强，引起长江下游地区低频垂直运动变化，进而造成降水异常。低纬地区QBWO是长江下游低频另一来源，低层低频涡旋以10°N为轴对称分布，低频辐散风由南海指向长江下游地区，热带对流活动低频变化可形成通过低频大气环流影响长江下游降水异常。高低纬低频大气环流配合热源强迫存在相向运动，叠加低频水汽强烈辐合，为长江下游地区降水异常偏多提供有利条件。（3）三个长江下游典型涝年降水分布特征及其关键影响因子存在不同。1999年，西北太平洋上低频反气旋环流偏强偏西，辐散风由南海指向长江下游地区，低频水汽来源为孟加拉湾和中国南海地区。2016年，对流层低层南北低频环流系统耦合带呈现东北-西南走向，低纬对流活动旺盛，向北传播的大气热源加热作用更强。2020年，中高纬地区垂直环流更完整，西北太平洋的东南水汽输送成为主要水汽来源。[结论]研究结果对认识长江下游地区夏季降水异常变化有重要意义。
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doi: 10.11676/qxxb2023.20220156
摘要:
强对流天气诱发地局地暴雨往往造成城市内涝, 带来的经济损失巨大,严重影响人民生命财产安全。为加强城市内涝预警能力,提高内涝预报精度,改善风险空间描述,急切需要研发高精度、高时空城市降水监测产品。本研究基于深圳市1部S波段双偏振雷达和2部X波段双偏相控阵雷达观测,研发了深圳市S波段双偏振雷达和X波段双偏相控阵雷达定量降水估计(QPE)组网拼图系统。该系统主要包含以下4个模块：(1)非气象雷达观测的识别与去除；(2)复合平面扫描仰角信息计算；(3)S和X 波段雷达单站降水率计算；和(4)S波段和 X波段雷达降水拼图。基于新研发的S波段和X波段雷达定量降水估计拼图系统,产生时间分辨率1分钟、空间分辨率30米的 QPE 产品,并以自动站观测降雨为标准,与深圳市目前业QPE 产品进行对比分析。结果表明,使用新研发的降水拼图系统产生的QPE 产品,在精度和稳定性上要优于深圳市目前业务中产生的QPE产品。
强对流天气诱发地局地暴雨往往造成城市内涝, 带来的经济损失巨大,严重影响人民生命财产安全。为加强城市内涝预警能力,提高内涝预报精度,改善风险空间描述,急切需要研发高精度、高时空城市降水监测产品。本研究基于深圳市1部S波段双偏振雷达和2部X波段双偏相控阵雷达观测,研发了深圳市S波段双偏振雷达和X波段双偏相控阵雷达定量降水估计(QPE)组网拼图系统。该系统主要包含以下4个模块：(1)非气象雷达观测的识别与去除；(2)复合平面扫描仰角信息计算；(3)S和X 波段雷达单站降水率计算；和(4)S波段和 X波段雷达降水拼图。基于新研发的S波段和X波段雷达定量降水估计拼图系统,产生时间分辨率1分钟、空间分辨率30米的 QPE 产品,并以自动站观测降雨为标准,与深圳市目前业QPE 产品进行对比分析。结果表明,使用新研发的降水拼图系统产生的QPE 产品,在精度和稳定性上要优于深圳市目前业务中产生的QPE产品。
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doi: 10.11676/qxxb2023.20220114
摘要:
基于序列均一性多元分析(MASH)和CLIMATOL两种均一化方法,对1960-2021年中国573个气象站逐月蒸发皿蒸发量(PE)观测数据进行非均一化检验与订正,通过对比两种方法检测到的非均一性台站数、断点数、订正幅度等,定量评估均一化结果的不确定性。基于等权重的集合均一化逐月PE序列数据集揭示近60年我国年、季节PE时空演变特征。结果表明：MASH和CLIMATOL均能有效检测出逐月PE序列中的非均一性断点,且前者检测到非均一性台站较少、断点数较多但订正幅度较小。集合均一化序列表明：订正后1960-2021年春季、夏季、年PE全国大部分台站呈下降趋势,分别占比81.7%,80.8%和80.3%,而冬季和秋季57.1%和60.4%台站呈上升趋势。冬季在东北、青藏高原东部、华南、西南(云南除外)呈上升趋势；春季除华东沿海、陕西南部、川渝北部及湖北西部等地区外,其他大部分均呈下降趋势；夏季大部分地区呈下降趋势特别华北以南的东部地区；秋季除东北西北部、新疆西北部、及内蒙古中部延伸至青藏高原东部一带呈下降趋势外,其他地区呈上升趋势；年PE在新疆西北部、内蒙古中部、山东、河北南部及河南、云南中部等地区呈下降趋势。1960-2021年全国平均冬季和秋季PE分别呈0.27mm/10a和1.10mm/10a的微弱上升趋势,春季、夏季、年PE则分别呈-8.38mm/10a、-9.83mm/10a、-16.83mm/10a的显著下降趋势。相对于原始序列,冬季和夏季变化趋势趋弱,而春季、秋季和年则趋强。季节、年PE变化趋势范围均趋小,下降或上升速率大于10mm/10a(30mm/10a)的站点数量均有所减少,显示大尺度变化趋势的空间一致性趋好。春季、秋季、冬季及全年PE分别在1977年、2018年和2020年、2020年及1972年存在突变,而夏季不存在突变。
基于序列均一性多元分析(MASH)和CLIMATOL两种均一化方法,对1960-2021年中国573个气象站逐月蒸发皿蒸发量(PE)观测数据进行非均一化检验与订正,通过对比两种方法检测到的非均一性台站数、断点数、订正幅度等,定量评估均一化结果的不确定性。基于等权重的集合均一化逐月PE序列数据集揭示近60年我国年、季节PE时空演变特征。结果表明：MASH和CLIMATOL均能有效检测出逐月PE序列中的非均一性断点,且前者检测到非均一性台站较少、断点数较多但订正幅度较小。集合均一化序列表明：订正后1960-2021年春季、夏季、年PE全国大部分台站呈下降趋势,分别占比81.7%,80.8%和80.3%,而冬季和秋季57.1%和60.4%台站呈上升趋势。冬季在东北、青藏高原东部、华南、西南(云南除外)呈上升趋势；春季除华东沿海、陕西南部、川渝北部及湖北西部等地区外,其他大部分均呈下降趋势；夏季大部分地区呈下降趋势特别华北以南的东部地区；秋季除东北西北部、新疆西北部、及内蒙古中部延伸至青藏高原东部一带呈下降趋势外,其他地区呈上升趋势；年PE在新疆西北部、内蒙古中部、山东、河北南部及河南、云南中部等地区呈下降趋势。1960-2021年全国平均冬季和秋季PE分别呈0.27mm/10a和1.10mm/10a的微弱上升趋势,春季、夏季、年PE则分别呈-8.38mm/10a、-9.83mm/10a、-16.83mm/10a的显著下降趋势。相对于原始序列,冬季和夏季变化趋势趋弱,而春季、秋季和年则趋强。季节、年PE变化趋势范围均趋小,下降或上升速率大于10mm/10a(30mm/10a)的站点数量均有所减少,显示大尺度变化趋势的空间一致性趋好。春季、秋季、冬季及全年PE分别在1977年、2018年和2020年、2020年及1972年存在突变,而夏季不存在突变。
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doi: 10.11676/qxxb2023.20220069
摘要:
GRAPES-CUACE大气化学模式是国内研发的气溶胶过程模拟和评估重要工具，但目前还没有配套的大气化学天气耦合同化分析系统。本文在CMA-MESO三维变分分析的基础上建立了区域化学天气耦合的同化系统，该系统把变量之间不相关的PM2.5和PM2.5-10作为控制变量，采用模型化的背景误差协方差，初步实现气溶胶观测PM2.5和PM10的同化分析。论文通过气溶胶单站理想试验验证耦合同化系统设计的合理性，并针对2016年12月的重污染过程进行GTS传输的常规观测与气溶胶PM2.5和PM10观测资料同化试验。分析结果表明大气化学天气耦合同化系统可对气溶胶观测和天气变量观测同时进行极小化分析，大气化学变量和天气变量分析场互不影响。气溶胶观测资料的同化合理修正大气化学背景场，PM2.5和PM10变量分析场更接近观测。搭建的区域化学天气耦合同化系统能为GRAPES-CUACE大气化学模式提供更准确的化学初始场。
GRAPES-CUACE大气化学模式是国内研发的气溶胶过程模拟和评估重要工具，但目前还没有配套的大气化学天气耦合同化分析系统。本文在CMA-MESO三维变分分析的基础上建立了区域化学天气耦合的同化系统，该系统把变量之间不相关的PM2.5和PM2.5-10作为控制变量，采用模型化的背景误差协方差，初步实现气溶胶观测PM2.5和PM10的同化分析。论文通过气溶胶单站理想试验验证耦合同化系统设计的合理性，并针对2016年12月的重污染过程进行GTS传输的常规观测与气溶胶PM2.5和PM10观测资料同化试验。分析结果表明大气化学天气耦合同化系统可对气溶胶观测和天气变量观测同时进行极小化分析，大气化学变量和天气变量分析场互不影响。气溶胶观测资料的同化合理修正大气化学背景场，PM2.5和PM10变量分析场更接近观测。搭建的区域化学天气耦合同化系统能为GRAPES-CUACE大气化学模式提供更准确的化学初始场。
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doi: 10.11676/qxxb2023.20220116
摘要:
利用观测数据和最大熵增（Maximum Entropy Production，MEP）模型，估算了京津冀地区小汤山、顺义和武清三个站点的地表感热通量和潜热通量。模型的输入量为地表净辐射、地表温度以及地表比湿，其中地表温度和地表比湿分别通过地表向上、向下长波辐射和相对湿度估算得到。将MEP模型计算结果与涡动相关（Eddy Covariance，EC）观测得到的感热通量和潜热通量进行比较，验证评估MEP模型。此外，将MEP模型计算结果与另一种简化计算方法（M20模型）以及7种再分析资料（包括：NCEP/NCAR、NCEP-DOE、MERRA2、ERA-5、ERA- Interim、JRA55、CRA）得到的日平均地表感热和潜热通量进行比较，对比分析它们在京津冀地区计算地表感热和潜热通量的准确度。结果表明：MEP模型计算出的地表潜热通量和感热通量与涡动相关观测结果较为接近，具有相似的日变化、月变化和季节变化特征。相比M20方法和再分析资料，MEP模型的计算结果与观测符合的更好，具有更小的均方根误差和平均偏差。因此，最大熵增模型在京津冀地区计算地表热通量的准确度和可信度较高，在该地区具有较好的适用性。
利用观测数据和最大熵增（Maximum Entropy Production，MEP）模型，估算了京津冀地区小汤山、顺义和武清三个站点的地表感热通量和潜热通量。模型的输入量为地表净辐射、地表温度以及地表比湿，其中地表温度和地表比湿分别通过地表向上、向下长波辐射和相对湿度估算得到。将MEP模型计算结果与涡动相关（Eddy Covariance，EC）观测得到的感热通量和潜热通量进行比较，验证评估MEP模型。此外，将MEP模型计算结果与另一种简化计算方法（M20模型）以及7种再分析资料（包括：NCEP/NCAR、NCEP-DOE、MERRA2、ERA-5、ERA- Interim、JRA55、CRA）得到的日平均地表感热和潜热通量进行比较，对比分析它们在京津冀地区计算地表感热和潜热通量的准确度。结果表明：MEP模型计算出的地表潜热通量和感热通量与涡动相关观测结果较为接近，具有相似的日变化、月变化和季节变化特征。相比M20方法和再分析资料，MEP模型的计算结果与观测符合的更好，具有更小的均方根误差和平均偏差。因此，最大熵增模型在京津冀地区计算地表热通量的准确度和可信度较高，在该地区具有较好的适用性。
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doi: 10.11676/qxxb2023.20220087
摘要:
[目的]大气逆温层会阻碍空气垂直运动的发展，传统上只能利用地基无线电探空资料进行监测和分析。星载高光谱红外大气探测可以反演晴空区大气温湿度廓线，为大气逆温层监测提供了一种可能的技术手段。为探索国产卫星监测逆温层的方法和途径，[资料和方法]本文基于风云三号D卫星装载的红外高光谱大气探测仪（FY-3D/HIRAS）观测资料，利用RTTOV快速辐射传输模式，模拟了不同逆温强度、不同逆温层顶高度对HIRAS红外通道观测亮温的影响。 [结果]结果表明，在780-1000cm-1窗区光谱内的精细谱线对应的通道对逆温层最为敏感，与参考通道（926.875cm-1）的亮温差可以用于大气逆温层识别。文章定义了逆温强度敏感性指数和逆温层顶高度敏感性指数，模拟结果表明，强吸收（784.375cm-1, 798.750cm-1）、中吸收（803.125cm-1, 852.500cm-1）、弱吸收（840.000cm-1,871.250cm-1）通道的逆温强度敏感性指数分别为0.49、0.48、0.30，逆温层顶高度敏感性指数分别为0.045、0.036、0.018，基于强吸收通道观测亮温可以反演获得逆温强度和逆温层顶高度信息，且通道亮温与逆温强度的相关性高于逆温层顶高度。[结论]研究结果验证了利用红外高光谱通道亮温数据研究逆温层结构的可行性，为后续逆温特征的反演工作提供了依据和参考。
[目的]大气逆温层会阻碍空气垂直运动的发展，传统上只能利用地基无线电探空资料进行监测和分析。星载高光谱红外大气探测可以反演晴空区大气温湿度廓线，为大气逆温层监测提供了一种可能的技术手段。为探索国产卫星监测逆温层的方法和途径，[资料和方法]本文基于风云三号D卫星装载的红外高光谱大气探测仪（FY-3D/HIRAS）观测资料，利用RTTOV快速辐射传输模式，模拟了不同逆温强度、不同逆温层顶高度对HIRAS红外通道观测亮温的影响。 [结果]结果表明，在780-1000cm-1窗区光谱内的精细谱线对应的通道对逆温层最为敏感，与参考通道（926.875cm-1）的亮温差可以用于大气逆温层识别。文章定义了逆温强度敏感性指数和逆温层顶高度敏感性指数，模拟结果表明，强吸收（784.375cm-1, 798.750cm-1）、中吸收（803.125cm-1, 852.500cm-1）、弱吸收（840.000cm-1,871.250cm-1）通道的逆温强度敏感性指数分别为0.49、0.48、0.30，逆温层顶高度敏感性指数分别为0.045、0.036、0.018，基于强吸收通道观测亮温可以反演获得逆温强度和逆温层顶高度信息，且通道亮温与逆温强度的相关性高于逆温层顶高度。[结论]研究结果验证了利用红外高光谱通道亮温数据研究逆温层结构的可行性，为后续逆温特征的反演工作提供了依据和参考。
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doi: 10.11676/qxxb2023.20220126
摘要:
[目的]为提高东北地区雷暴大风的分析和预报能力，[资料和方法]本文基于2017-2021年东北地区自动气象站、闪电定位仪、葵花8号卫星综合判识雷暴大风天气，利用ERA5再分析资料计算东北冷涡中心和半径等特征参量，研究东北地区雷暴大风的气候特征及其与东北冷涡（简称“冷涡”）的关系。[结果]结果表明：（1）东北地区雷暴大风集中出现在蒙古高原至大兴安岭以西、东北平原和辽宁沿海。冷涡导致的雷暴大风占总体雷暴大风的50.6%，辽河平原是冷涡雷暴大风最高发区域。雷暴大风午后发生频率最高，冷涡雷暴大风在夜间和上午比例更高。（2）一小时雷暴大风出现的站次数普遍小于10站次，大于10站次的区域性雷暴大风个例中，更多的与冷涡有关。（3）对于冷涡雷暴大风而言，90.9%的雷暴大风出现在冷涡的东南和西南象限，发生于冷涡外围的雷暴大风多于冷涡本体。冷涡本体雷暴大风的频率随着与冷涡中心距离的增加而升高，峰值出现在冷涡东南方向0.8—1.0个冷涡半径的范围内。冷涡外围雷暴大风出现频率随着距离的增加而减小，峰值出现在冷涡东南方向1—2冷涡半径的范围内。（4）导致雷暴大风的冷涡中心集中位于45—55°N、111—128°E，其中导致区域性雷暴大风的冷涡中心集中在116°E和122°E处，呈经向分布。造成区域性雷暴大风的冷涡中心和最外围环流的位势高度均低于造成局地雷暴大风的冷涡，春秋季节差异更明显；而冷涡半径在盛夏略高于导致局地雷暴大风冷涡，在春季和秋季则反之。[结论]以上研究证明东北冷涡是导致东北地区雷暴大风最主要的天气系统，总结的冷涡不同象限处雷暴大风的空间分布和产生区域性雷暴大风的冷涡特征，可为提高东北冷涡雷暴大风预报预警服务能力提供参考。
[目的]为提高东北地区雷暴大风的分析和预报能力，[资料和方法]本文基于2017-2021年东北地区自动气象站、闪电定位仪、葵花8号卫星综合判识雷暴大风天气，利用ERA5再分析资料计算东北冷涡中心和半径等特征参量，研究东北地区雷暴大风的气候特征及其与东北冷涡（简称“冷涡”）的关系。[结果]结果表明：（1）东北地区雷暴大风集中出现在蒙古高原至大兴安岭以西、东北平原和辽宁沿海。冷涡导致的雷暴大风占总体雷暴大风的50.6%，辽河平原是冷涡雷暴大风最高发区域。雷暴大风午后发生频率最高，冷涡雷暴大风在夜间和上午比例更高。（2）一小时雷暴大风出现的站次数普遍小于10站次，大于10站次的区域性雷暴大风个例中，更多的与冷涡有关。（3）对于冷涡雷暴大风而言，90.9%的雷暴大风出现在冷涡的东南和西南象限，发生于冷涡外围的雷暴大风多于冷涡本体。冷涡本体雷暴大风的频率随着与冷涡中心距离的增加而升高，峰值出现在冷涡东南方向0.8—1.0个冷涡半径的范围内。冷涡外围雷暴大风出现频率随着距离的增加而减小，峰值出现在冷涡东南方向1—2冷涡半径的范围内。（4）导致雷暴大风的冷涡中心集中位于45—55°N、111—128°E，其中导致区域性雷暴大风的冷涡中心集中在116°E和122°E处，呈经向分布。造成区域性雷暴大风的冷涡中心和最外围环流的位势高度均低于造成局地雷暴大风的冷涡，春秋季节差异更明显；而冷涡半径在盛夏略高于导致局地雷暴大风冷涡，在春季和秋季则反之。[结论]以上研究证明东北冷涡是导致东北地区雷暴大风最主要的天气系统，总结的冷涡不同象限处雷暴大风的空间分布和产生区域性雷暴大风的冷涡特征，可为提高东北冷涡雷暴大风预报预警服务能力提供参考。
