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中国大范围雷暴大风事件(Derechos)研究Ⅰ:时空分布、环境背景和对流系统形态特征
陈晓欣, 俞小鼎, 王秀明
当前状态:  doi: 10.11676/qxxb2021.067
摘要(37) HTML(4) PDF(25)
摘要:
基于2002—2019年高空、地面常规观测资料,卫星云图,部分新一代天气雷达单站资料以及2009年以后的中国雷达拼图资料,采用个例筛选与统计、动态合成分析、层次聚类和雷达图分析等方法,对发生在中国的大范围雷暴大风事件(Derechos)的时空分布、环境背景和对流系统形态特征进行了分析。结果表明:(1)Derechos事件主要发生在华北、华东、江南和华南地区,高频区有明显的季节变化,春季到夏季先向北移动后向南移动;Derechos事件主要发生在3—8月,6月频率最高,8月最低;造成Derechos的对流风暴多在正午前后生成,而Derechos事件多开始于午后到前半夜。(2)中国Derechos事件环境参数主要特征为:对流有效位能(CAPE)分布50%分位(中位数)为1420 J/kg,代表深层风垂直切变的0—6 km风矢量差50%分位数为18.0 m/s,对流下沉气流有效位能(DCAPE)的50%分位值为1090 J/kg。(3)Derechos事件环流背景的天气流型配置分为副高边缘型、弱槽型、高空干冷平流强迫型和强槽型,强槽型出现的频次最高,高空干冷平流强迫型出现的频次最低。(4)Derechos事件中最强对流大风产生时段的对流系统形态统计显示,出现频率由高到低分别为飑线,多单体风暴簇,超级单体或超级单体复合体。
基于逐时观测的1971—2010年中国大陆雷暴气候特征
张恒进, 郑永光
当前状态:  doi: 10.11676/qxxb2022.004
摘要(49) HTML(15) PDF(21)
摘要:
目前尚没有研究给出中国大陆长时间序列的小时分辨率雷暴气候特征。基于1971—2010年全国796个国家级基本基准站逐时雷暴观测数据,给出中国逐时雷暴的时空演变和持续时间等气候分布特征,获得了一些新的事实。中国总体年平均雷暴时数与雷暴日数空间分布形态较为接近,但年平均雷暴日数高值区的青藏高原地区不同,其年平均雷暴时数较小,表明其对流活动持续时间比平原地区更短;还发现,年平均雷暴日数和时数高值区的年相对变率明显小于低值区。在四个季节中,冬季雷暴时数最少,且多发于前半夜,夜雷暴在全天雷暴时数中的占比最高;而夏季夜雷暴时数在四季中最多,但其在全天雷暴时数中的占比最低;而四川盆地夜雷暴全年都很显著。各个站点雷暴时数日变化峰值以下午最多,上午最少,前半夜多于后半夜。对于以胡焕庸线为界以南以东地区,受东亚夏季风影响,雷暴日的平均雷暴发生时数不低于3 h,而该线以北以西地区则显著小于3 h。对于不同的雷暴持续时数,中国总体和各个区域持续2 h的雷暴时数为最多。中国总体和各个区域雷暴时数的年代际变化整体呈现递减趋势,但2000 年以来,夜间雷暴时数明显增加。中国总体雷暴时数的明显减少主要归因于下午时段雷暴时数的明显减少,2000 年以来中国总体雷暴时数的增加趋势是由于夜间时段雷暴时数增加而导致。
“CMA北京模式”中三种不同阵风诊断方案在北京地区大风预报中的评估
全继萍, 李青春, 仲跻芹, 张舒婷, 陈敏, 张鑫宇, 祁妙
当前状态:  doi: 10.11676/qxxb2022.001
摘要(45) HTML(7) PDF(15)
摘要:
数值预报模式是阵风预报的重要途径之一,对“中国气象局北京快速更新循环数值预报系统(简称CMA北京模式)”中AFWA、UPP、IUM三种阵风诊断方案在北京地区大风预报中的性能进行了分析评估。两次大风过程的分析以及各季节大风预报的批量试验检验结果显示:三种方案的阵风预报存在明显差异,IUM方案的阵风预报能力优势明显。IUM方案对冷空气大风和雷暴大风预警都有较好的指示意义。其对2020年3月18日冷空气大风过程中大风起始时间、大风区位置和演变、以及过程极大风速均有较好的预报效果,对2020年8月2日雷暴大风过程中大风区范围预报偏大且位置存在偏差,但对大风预警的指示意义最强。IUM方案的阵风风速预报整体偏强,但对各个季节达到或超过5级阵风的等级预报较为准确。总体而言,IUM方案对北京地区大风预报性能较好,基于该方案制作的阵风预报产品可为大风预报提供有力支撑。
数值天气预报多要素深度学习融合订正方法
张延彪, 陈明轩, 韩雷, 宋林烨, 杨璐
当前状态:  doi: 10.11676/qxxb2021.066
摘要(135) HTML(10) PDF(35)
摘要:
数值天气预报作为现代天气预报的主流技术方法,近年来不断朝着精细化方向发展,但预报误差至今仍无法避免。文中在CU-Net模型中引入稠密卷积模块形成数值预报要素偏差订正模型Dense-CUnet,在此基础上进一步融合多种气象要素和地形特征构建了Fuse-CUnet模型,开展不同模型的偏差订正试验和对比分析。以均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)作为评分标准,通过与ECMWF原始预报结果、ANO方法订正结果以及CU-Net方法订正结果进行对比,证明Dense-CUnet模型可有效改进数值预报订正效果,融合多个要素的Fuse-CUnet模型能使订正效果有更大提升。
中国东部夏季季节内降水异常及其伴随的热带和中高纬度大气环流演变特征
陆晓娟, 房佳蓓, 杨修群, 胡海波
当前状态:  doi: 10.11676/qxxb2022.003
摘要(52) HTML(14) PDF(15)
摘要:
利用1981—2020年夏季(5—8月)CPC(Climate Prediction Center)逐日降水资料、NCEP/NCAR逐日再分析资料以及NOAA的向外长波辐射资料,通过经验正交函数(EOF)分解、超前滞后合成等方法,分析了中国东部夏季季节内降水异常的主要模态(即南方型和江淮型降水异常)及其伴随的热带和中高纬度大气季节内振荡(ISO)信号演变特征,初步讨论了中国东部夏季季节内降水异常的成因。结果表明:(1)南方型降水异常事件在早、中、晚夏发生次数接近,江淮型降水异常事件主要发生在中夏。(2)早夏南方型降水异常主要表现为长江以南降水异常,中、晚夏长江以北的降水异常也比较明显。(3)南方型降水异常的形成受到热带和中高纬度大气季节内振荡的共同影响,热带大气对流信号传播携带的暖湿气流输送与中高纬度大气罗斯贝波列传播伴随的冷空气活动在南方地区形成水汽辐合,有利于降水异常的发展维持。且热带和中高纬度大气季节内振荡信号受海表温度、副热带高压和西风急流季节内变化的调节。从早夏、中夏到晚夏,热带大气季节内振荡的源地和传播路径均发生变化,中高纬度对流层高层罗斯贝波列的传播路径和强度也有差别。(4)江淮型降水异常主要表现为长江中下游和华南沿海降水异常反相变化,并伴随着西太平洋副热带高压的西伸东退。热带从赤道西太平洋北传和西北传的异常对流信号,以及中高纬度乌拉尔山阻塞高压与鄂霍次克海阻塞高压在季节内尺度上的协同变化,是造成江淮型降水异常的主要原因。
IPCC AR6报告关于不同类型干旱变化研究的新进展与启示
王晨鹏, 黄萌田, 翟盘茂
当前状态:  doi: 10.11676/qxxb2022.017
摘要(75) HTML(3) PDF(7)
摘要:
本文基于IPCC第一工作组(WGI)第六次评估报告(AR6),从干旱的定义和类型、干旱的驱动因素、监测到的干旱变化、干旱的归因以及预估5个方面进行了分析和总结。IPCC评估指出:(1)在全球变暖的背景下,监测到的气象和农业干旱的变化在全球尺度上并不显著,但干旱频发区域呈现不同程度的增加趋势。这种增加的趋势表明,人为气候变化在加剧区域干旱中的作用不容忽视。在气象干旱的变化趋势归因中,对人类活动影响的认识信度仍然不高;(2)在农业干旱和生态干旱方面,大部分区域能够归因于人类活动引起的变化(中等-高信度;在水文干旱变化中,除人为引起的气候变化外,水资源管理和土地利用也是局地影响的重要因素(中等信度)。(3)在未来的干旱预估中,全球更多的区域将经历更严重更频繁的干旱事件,农业和生态干旱也将随着温升水平的增加而变得频繁和强烈。(4)在对不同类型干旱的变化评估中,重点涉及了大气蒸发需求(AED)这一关键变量。AED的变化不仅是对气候变暖的直接响应,而且作为干旱变化的驱动因子,影响植被的生理过程,同时AED的变化也是对蒸散发变化的一种反馈。在未来气候变化不断加剧背景下,不同类型的干旱间的相互作用将变得更为复杂。未来中国干旱的研究和业务应深入探究不同类型干旱变化中的联系;基于多元数据和多重证据的支撑,加强跨学科研究以及干旱变化与局地人类活动影响和植被生态反馈的综合研究。
河套地区典型干线的形成及其在对流触发中的作用
张一平, 俞小鼎, 王迪, 郝晓珍, 王金兰
当前状态:  doi: 10.11676/qxxb2022.009
摘要(48) HTML(8) PDF(16)
摘要:
利用高空、加密地面、EC-ERA5(0.25º×0.25º)再分析和FY2系列静止气象卫星云图(可见光星下点分辨率1.25 km,红外5 km)等资料,对黄河河套地区3次典型干线的形成及其在对流触发中的作用进行了详细分析。结果表明:⑴ 3次干线触发对流出现在中高纬度高空槽东移诱发蒙古气旋发展的背景下,高低空系统配置为前倾槽、高空西北气流及其携带的冷平流叠加在低层河套暖区之上,为大范围强对流天气提供了有利的环境条件;⑵ 3次干线均为蒙古气旋形势下黄土高原西高东低缓坡地形特有的现象,具有显著地域特征,长约600—800 km、宽约80—100 km的显著干线呈北东北—南西南走向,与河套区域内海拔1300 m等高线走向基本吻合。受近于干绝热的下沉增温及高原西部下垫面非绝加热快速增温减湿影响,在河套西部形成干热空气,其与东部暖湿气团在河套地区交汇是导致干线形成的主要原因之一;⑶ 干线具有明显日变化特征,白天干线以西加热快,干线向东移动;夜间到凌晨干线西侧辐射降温快于东侧,干线向西后退。干线最强时段出现在14时前后,干、湿两侧露点差达10 ℃/(100 km)或以上,且伴有明显的偏西风和偏南风汇合(辐合)流场;⑷ 在干线及伴随的汇合(辐合)流场的作用下, 13—14时(北京时)初始对流在干线附近生成,随后在干线湿侧附近加强,形成明显的线状对流云带,在高空偏西气流引导下,对流云带东移发展并逐渐远离干线,在河套东部有利的环境条件下,线状对流云带继续东移并扩展至地面干线以东约500 km的范围内,导致陕西中北部和华北部分地区出现大范围雷暴大风、局地冰雹甚至龙卷等强对流天气。根据河套地区3次典型干线共同特征,给出了河套地区干线形成和强对流易发区的天气学模型,为今后同类形势下干线触发对流天气分析和预报提供参考和借鉴。
2019年冬季北京海陀山局地环流特征及机理分析
王倩倩, 权建农, 程志刚, 张曼, 薛海乐, 伍永学
当前状态:  doi: 10.11676/qxxb2022.005
摘要(42) HTML(7) PDF(20)
摘要:
海陀山作为北京冬(残)奥会的主要室外赛场之一,其复杂的地形对风场的精细化预报提出了严峻的挑战,亟需开展加密的风场观测提高对复杂地形下局地环流特征及其影响机理的认识,并为提升赛区精细化预报与服务提供数据支撑。基于2019年度海陀山的观测试验,利用加密自动气象站、测风激光雷达、涡动相关仪、云高仪等多源数据,对海陀山风场的水平分布、垂直结构、山谷风转换时间和不同背景风场影响下的局地环流特征进行了统计分析;从地形动力、热力和背景风场三个方面探讨了海陀山局地环流的影响机理。结果表明:弱背景风场下,海陀山局地环流特征显著,以热力驱动的山谷风环流为主导,并叠加了背景气流过山的影响。低海拔(1650 m以下)站点,山风和谷风表现为近乎相反的方向;而在中(1650—1800 m)高(1800 m以上)海拔的山脊或山峰附近的站点,山风和谷风均以偏西气流为主。中低海拔站点的谷风明显强于山风,高海拔站点则相反;而在强西北背景风影响下,海陀山局地环流特征消失,整个山谷风向趋于与背景风一致,昼夜风向的差异较小,山谷中风速随海拔高度降低而减小。
全球风云三号D星MERSI/NDVI产品质量评估
王圆圆, 李贵才
当前状态:  doi: 10.11676/qxxb2022.007
摘要(43) HTML(9) PDF(8)
摘要:
MERSI/NDVI是风云三号D星的一个关键业务产品,深入了解其质量状况对推广产品应用、改进产品算法都具有重要意义。文中针对业务化运行后的全球MERSI/NDVI产品(2019年5月至2020年12月),以同期Terra MODIS/NDVI产品(MOD13A2)为参考,通过空间格局和时间序列的对比、APU(准确度Accuracy,精密度Precision,不确定性Uncertainty)指标计算以及回归分析等手段,评估MERSI/NDVI数据质量和可用性。结果显示,MERSI/NDVI和MODIS/NDVI在空间分布和时序特征方面具有较高一致性,但MERSI/NDVI有对高值低估、低值高估的倾向,故动态范围略窄;在全球平均水平上,MERSI/NDVI比MODIS/NDVI系统性偏低0.02—0,PU值为0.06—0.08,MERSI/NDVI与MODIS/NDVI的差别由小到大的顺序大致为:裸土荒漠、稀疏灌丛和草地、密闭灌丛与农田、除常绿阔叶林以外的森林、常绿阔叶林;以MODIS/NDVI为自变量、MERSI/NDVI为因变量的线性回归模型精度较高(R2:0.91—0.95,RMSE:0.048—0.068),回归系数具有一定的时间变化(斜率:0.87—0.94,截距:0.02—0.04)。本研究是首次对风云三号D星MERSI/NDVI产品开展近乎全样本的对比检验,证明该产品基本可以替代MODIS/NDVI在全球开展物候信息提取、植被长势监测等应用。
北京1841年以来均一化最高和最低气温日值序列的构建
司鹏, 郭军, 赵煜飞, 王冀, 曹丽娟, 王敏, 王琪, 冯婧
当前状态:  doi: 10.11676/qxxb2022.008
摘要(47) HTML(3) PDF(12)
摘要:
长期连续的日值观测资料是研究百年来极端气候事件及其变化特征的重要基础支撑。目前中外由于缺乏可靠的逐日百年尺度气候资料,使得20世纪50年代以前的极端气候变化规律仍然没有得到很好的认识。基于国家气象信息中心收集整理的日最高和最低气温观测资料,构建北京1841—2019年气温日值序列。首先,通过数据质量控制剔除原始基础资料中因人工观测、仪器故障及数字化过程造成的错误数据;其次,采用标准化序列法对北京气象观测站1951年以前的日最高和最低气温序列进行了插补;最后,利用惩罚最大t检验(PMT)和惩罚最大F检验(PMFT)对插补后的日值序列进行均一性检验,并采用分位数匹配法(QM)对检验得到的因迁站和仪器变更导致的统计显著断点进行订正,由此建立了北京百年均一化气温日值序列。分析表明,构建的北京百年逐日气温序列的年代变化特点与美国伯克利地球研发中心的月平均地表温度数据(Berkeley Earth-Monthly)、英国东英格利亚大学气候研究中心的全球月平均地表温度数据(CRUTS4.03)以及美国国家气候资料中心的全球历史气候数据(GHCNV3)具有一致性。从趋势变化来看,基于构建的逐日最高和最低气温序列统计得到1911—2019年北京地区年平均气温升高趋势为0.154±0.018℃/(10 a)(95%不确定性水平估计),与中国区域气温趋势变化幅度基本一致。从而在一定程度上说明构建的北京百年尺度日最高和最低气温序列能够为极端气候变化领域提供新的基础数据。
西南山区5—8月产生突发性暴雨事件的中尺度对流系统的时空分布特征
王婧羽, 崔春光, 陈杨瑞雪, 王晓芳
当前状态:  doi: 10.11676/qxxb2022.006
摘要(51) HTML(12) PDF(23)
摘要:
利用逐小时的风云静止卫星TBB资料和国家级地面站降水观测,根据中尺度对流系统(MCS)的逐时云顶覆盖范围是否包含突发性暴雨事件,识别出2010—2018年5—8月与中国西南山区突发性暴雨事件相关的中尺度对流系统(AHR-MCS),并得到其统计特征。结果表明,该地区AHR-MCS在7月出现最频繁,存在四川盆地(SR-A)、湖南西部(SR-B)、广西北部(SR-C)和贵州西南部(SR-D)四个不连续的频发区。经向扰动环流、整层水汽通量的异常辐合、低层更强的暖湿气流及其引起的偏强对流层低层垂直风切变(6—8月)是AHR-MCS出现和维持的有利条件。AHR-MCS是西南山区内生命史更长的那部分中尺度对流系统,主要移动方向偏东,但位置偏西(东)的SR-A、SR-D(SR-B、SR-C)频发区域内向东偏南(东偏北)方向移动的更多。成熟时,SR-A的发展高度更低,面积更小,SR-B和SR-C的云顶面积更大而SR-D则云顶高度更高。AHR-MCS的日变化呈现明显的单峰结构,夜间20-23时(北京时)达到峰值,其中生命史越长的生成(成熟)峰值出现时间越晚。对于不同频发区,SR-A和SR-D也是单峰结构,但由于受大地形的热力影响前者生成(成熟)峰值明显晚于后者6(8)个小时;其余两个区域则呈现多峰结构。AHR-MCS对应的最大小时降水更易出现在发展阶段,与最低TBB出现的时间对应关系更好,早于成熟时;位置则多分布在相对于对流云团形心的第I、III象限;不仅容易出现在TBB低值区(低于−51℃)还常出现在TBB的梯度大值区(超过0.4℃/km),且两者占比相当。
冷涡背景下辽宁龙卷气候特征和环境条件
才奎志, 姚秀萍, 孙晓巍, 程攀
当前状态:  doi: 10.11676/qxxb2021.063
摘要(38) HTML(5) PDF(15)
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为了研究冷涡与辽宁龙卷的关系,揭示冷涡背景下辽宁龙卷发生的特征。利用1951—2020年辽宁省龙卷观测和灾情数据以及欧洲中期天气预报中心ERA5大气再分析资料,收集整理冷涡背景下辽宁龙卷个例,对比冷涡背景下EF2—4级(EF2+)和EF0—1级(EF1-)龙卷物理量参数的差异。结果表明:(1)冷涡背景下辽宁龙卷主要出现在辽宁沿海地区和中部、北部平原。冷涡背景下辽宁龙卷主要发生在冷涡东南和西南象限,易出现在冷涡增强阶段。龙卷与冷涡中心平均距离近900 km,冷涡越强,龙卷出现位置离冷涡中心越远,反之越近。(2)1951—2020年冷涡背景下辽宁龙卷个数接近总样本的50%,龙卷个数与冷涡日数呈正相关;冷涡背景下辽宁龙卷发生位置与冷涡中心的距离具有明显的月变化,8月距离达到最近。(3)对比冷涡背景下EF2—4级(EF2+)和EF0—1级(EF1-)龙卷,EF2+龙卷比EF1-龙卷大气热力和动力学环境参数的强度分别高出40%和65%以上。对比冷涡背景下辽宁龙卷和热带气旋龙卷发现,冷涡龙卷的对流有效位能是热带气旋龙卷的3倍左右,但风暴相对螺旋度只有热带气旋龙卷的1/2。(4)能量螺旋度和龙卷参数可区分冷涡背景下辽宁龙卷等级,远低于美国龙卷综合参数阈值。可见,冷涡强度、位置和辽宁龙卷的产生关系密切,冷涡背景下EF2—4级(EF2+)龙卷物理量参数明显大于EF0—1级(EF1-)龙卷,冷涡背景下辽宁龙卷与热带气旋龙卷的热力、动力学环境参数有较大差异,调整能量螺旋度和龙卷参数阈值标准,可以提高冷涡背景下辽宁强龙卷发生的命中率。
栏目
2021年第6期
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论文
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面向精细化的气象服务需求,为做到对云贵高原锋面系统变化的精准把控,深入认知其动态演变规律,基于50 a(1971—2020年)逐日台站观测资料,提出了一种利用线性拟合近似判定云贵高原地面锋线的方法,并通过综合分析锋线位置和锋线周边气象要素的空间分布和时间变化特征以及长持续锋线事件的锋线位置、走向变化,系统揭示了云贵高原锋线的移动特征,展现了云贵高原准“静”止锋的“动”态特征。结果表明,冷性锋线集中在102.5°—105°E,最大降温区在锋线东侧,暖性锋线集中在104.5°—105.75°E,最大升温区位于锋线西侧;锋线附近气象要素的变化与锋线的移动紧密相关,西进的锋线一般会伴随锋线附近的降温、升压和日照减少,东退的锋线则相反;根据长持续锋线事件的连续演变过程,可将锋线事件区分为静止、西移和东移3类,静止型出现次数最多,西移型可连续快速推进并伴随锋线南部的顺时针摆动,东移型出现频次较低且移速相对较慢。上述结果通过对云贵高原锋线,特别是其动态特征的客观定量描述,为该地区在锋线影响下各气象要素的精细化预报提供了重要参考。
摘要:
为了建立一个应用于区域数值预报的四维变分资料同化(4DVar)系统,在近期开发的扰动预报模式GRAPES_PF基础上,开发完善增量四维变分同化系统框架。该框架中暂不包含物理过程(长短波辐射、边界层过程、对流参数化和云微物理等)。对比业务使用的GRAPES 3DVar系统,增加了温度控制变量。将无量纲Exner气压与流函数的线性风压平衡方程直接在地形追随垂直坐标面上求解,且通过广义共轭余差法(GCR)求解扰动亥姆霍兹(Helmholtz)伴随方程。利用人造“探空”资料对2015年10月台风“彩虹”进行了理想数值试验。试验结果表明,所开发的扰动四维变分同化框架得到了预期的结果,即同化更多资料并反复受到模式约束的四维变分同化系统能有效改善初值质量,进而改善区域数值预报。建立的区域四维变分同化框架合理可行,为进一步发展包含完整物理过程的区域四维变分同化系统奠定了研究基础。
摘要:
基于雷达资料快速更新四维变分同化(RR4DVar)技术和三维数值云模式发展的快速更新雷达四维变分分析系统(VDRAS),通过在系统中加入地面自动气象站观测资料的同化方法,对发生在北京地区的10个强对流过程开展了地面资料同化的高分辨率模拟分析和检验评估,并与已经业务使用的地面资料融合方法进行对比。研究结果发现,地面观测资料同化使边界层1 km高度以下的分析场改善最为明显,风速和风向的均方根误差分别平均降低0.1 m/s和7.2°,温度的均方根误差降低0.2℃。模式最低层100 m高度的风速均方根误差降低0.5 m/s,风速的误差随高度上升逐渐增大。模式最低层风向的均方根误差降低15.5°,温度的均方根误差降低0.4℃,且1.5 km高度以下的温度偏差都减小。区域内地面10 m高风速的均方根误差平均降低0.2 m/s,风向的均方根误差降低10.8°,地面2 m气温的偏差也降低。随着预报时效的延长,地面温度和风场的误差不断增大,但地面资料同化方法在一定程度上可以提高1 h内地面气象要素的预报效果。对2019年5月17日北京地区局地强对流新生和增强过程的详细分析表明,地面自动气象站观测资料的同化方法相对于融合,可以通过更细致准确地分析低层大气的热动力特征,改善低层气象要素的预报效果。在此基础上,通过探究对流单体的局地触发机理发现,海风锋辐合线与城市的相互作用一定程度上影响了对流的局地新生和发展,该同化方法可以进一步提高北京地区局地突发强对流的临近数值预报能力。
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预估校正半隐式半拉格朗日方案及其在GRAPES_GFS模式中的应用*
张红亮, 沈学顺, 苏勇
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摘要(9) [PDF 2838KB](4)
摘要:
GRAPES_GFS(Global Regional Assimilation and Prediction System_ global Forecast System)采用的是传统的二时间层半隐式半拉格朗日时间积分方案(SISL)。拉格朗日平流速度和非线性项需要采用时间外插进行计算,在急流轴附近等梯度大值区会造成计算不稳定,甚至积分中断现象。【方法】本文通过构造预估-校正半隐式半拉格朗日时间积分方案(SISL/P-C),【目的】减少时间外插的影响;半隐式系数由原来的0.72减小到0.55,构造准二阶精度的时间积分方案。【资料】理想试验和实际资料试验证明【结果】【结论】新的方案可以改善GRAPES_GFS的精确性、稳定性和质量守恒性。0.25°水平分辨率下积分时间步长可以由300 s 增加到450 s,模式总体计算效率提高20%。
结合中尺度模式物理约束的雷达回波临近外推预报方法研究
孙泓川, 吴海英, 曾明剑, 程丛兰
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摘要(8) [PDF 2097KB](0)
摘要:
研究设计了一种结合中尺度模式物理约束的雷达回波临近智能外推预报方法,该方法在外推预报时效(0-2h)内即利用中尺度高分辨率模式信息对外推进行约束。首先将模式风场和雷达回波轨迹风场融合成融合风场,然后利用融合风场光流外推形成动力约束外推;并在此基础上利用模式诊断产品和雷达历史资料通过投票回归器集成多种深度学习算法构建回波强度频率分布的预测模型,最终基于预测模型结果利用降水频率匹配订正技术对外推预测的原始回波强度进行订正形成物理约 束外推方法。通过2个典型个例,以及2年主汛期的长期检验对原始光流法、动力约束外推方法和物理约束外推方法进行综合评估,结果表明:动力约束外推通过改善光流法回波在边缘的堆积扭曲从而改进了预报性能,物理约束外推通过基于模式信息预测的回波频率分布调整回波强度实现回波的增强和减弱来改善预报性能,随着时效增加改善越来越明显,整体而言物理约束外推是其中最优的方案。
气候模式分辨率对气溶胶气候效应数值结果的影响
郜倩倩, 刘煜, 郭增元, 彭艳玉
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摘要(40) [PDF 4249KB](13)
摘要:
气候模式分辨率作为影响模式模拟结果的重要因素,其对气溶胶与云相互作用的影响还尚未全面认识。[模式和方法]利用公共大气模块CAM5.3在三种分辨率(2°、1°、0.5°)下,分别采用2000年和1850年气溶胶排放情景进行试验,[目的1]检验提高分辨率是否能改进气候模式的模拟能力,[目的2]分析不同分辨率下气溶胶气候效应的异同,探索模式分辨率对气溶胶气候效应数值结果的影响。[结果]通过观测资料与模式结果对比发现,提高分辨率可以明显改进模式对总云量、云短波辐射强迫,0.5°分辨率模拟结果与观测更接近,其它变量并无明显改善。在不同分辨率下,全球平均的气溶胶气候效应较为一致,总云量、云水路径和云长波辐射强迫均增加,云短波辐射强迫加强,而云顶的云滴有效半径、地面气温和降水均减少。不同分辨率下气溶胶增加引起的光学厚度、云水路径、地面温度、云短波和长波辐射强迫的变化的纬向平均分布形势相似但大小存在差异;而降水和云量变化的纬向分布形势与大小均存在较大差异,在区域尺度上的变化还存在较大的不确定性。全球平均而言, 0.5°分辨率下气溶胶的间接辐射强迫AIF相比1°分辨率下的结果减少了2.5%,相比2°分辨率下的结果减少了6.4%。[结论]提高模式分辨率可以部分改进模式模拟能力,同时,气溶胶的间接效应随着模式分辨率的提高而减弱。但气溶胶引起的云量、降水的变化在不同分辨率下差异较大,存在较大不确定性。
C波段双偏振雷达降水估计的误差分析与建模
唐佳琪, 寇蕾蕾, 蒋银丰, 楚志刚, 陈爱军
当前状态:  doi: 2022.016
摘要(14) [PDF 5983KB](7)
摘要:

[目的]双线偏振雷达定量降水估计精度受多种因素影响,为了更好地应用双偏振雷达估计降水并进一步提高降雨估测精度,需对雷达降水估计进行误差分析和建模。[资料和方法]基于2015-2016年南京信息工程大学C波段双偏振雷达、雨滴谱仪观测资料,以及南京地区雨量计数据,统计分析雷达估测降水的误差分布,分离雨量计代表性误差,并对随机误差和系统误差量化建模。首先对双偏振雷达数据进行预处理,并利用雨滴谱仪数据拟合测雨方程,通过对R(ZH), R(ZH,ZDR), R(KDP), R(KDP,ZDR)四个测雨公式反演结果与雨量计对比,分析每个测雨公式在不同降水强度时的估测性能。随后,利用雨量计数据估计空间相关函数,计算并分离由于雷达和雨量计空间不匹配造成的雨量计代表性误差,并分析测量误差和参数误差在雷达降水估计误差中的比重。基于雷达降水估计误差属性及分布规律,建立随机误差和系统误差量化模型。最后,基于四个测雨公式性能和误差分析,提出一种优化组合的双偏振雷达降水估计算法。[结果和结论]结果表明,R(ZH)和R(ZH,ZDR)在弱降水时性能较好,当降雨阈值大于2.5mm/h时,KDP的优势得以突显。由于空间不匹配造成的雨量计代表性误差不容忽视,在雷达分辨单元较大时进行定量降水估计需剔除点面误差。将雷达降水估计误差按照系统误差和随机误差进行建模,发现雷达近地面降水的系统误差和降雨强度成正比,呈线性函数形式,而双指数模型更好地表示随机误差分布。基于不同雷达测雨公式性能提出的优化组合降水算法在准确度和稳定性等方面优于单个测雨公式。

环境因子对黄土高原典型农田生态系统Bowen比的影响研究
任雪塬, 张强, 岳平, 杨金虎, 王胜
当前状态:
摘要(24) [PDF 1746KB](4)
摘要:
[目的]Bowen比能够综合反映陆面气候状态的物理特性,是有效刻画生态系统水热分配的关键参数之一。[资料和方法]本研究利用安装在定西和庆阳的涡动相关系统开展了黄土高原半干旱和半湿润农田生态系统能量分配特征观测试验,研究了生态环境因子对Bowen比的影响机理,揭示了干、湿条件下生理生态因子对水热交换的响应规律。[结果]结果表明,处于半干旱区的定西年内感热通量是可利用能量的主要消耗项,即使在降水较为集中的季风期,其Bowen比依旧在1附近波动。对于半湿润地区的庆阳而言,夏季潜热通量在能量分配中占主导地位(Bowen比平均值为0.71),其余三季感热在能量分配中起支配作用(Bowen比在1.15-5.85)。从影响陆面水热交换的气象因子来看,Bowen比随饱和水汽压差()的增大而增大,随降水量和土壤湿度的增加显著减小。干旱条件下,Bowen比与半湿润区的相关性高(R2=0.44),湿润条件下,则与半干旱区的VPD相关性更好(R2=0.38),且生长季半干旱区的Bowen比为半湿润区的1.5倍。半湿润区干、湿条件下降水量与Bowen比均显著相关,干旱条件下R2达到0.79;但半干旱区仅在干旱条件下降水量与Bowen比存在显著的相关性()。土壤含水量(SWC)在半湿润区与Bowen比的相关性更显著,且干旱条件下Bowen比随SWC的减小而增大的幅度更大。从影响生长季Bowen比的生态因子来看,Priestley-Taylor系数()与Bowen比之间满足幂函数规律,在黄土高原农田生态系统具有显著的相关性,半湿润区和半干旱区分别为0.62和0.72。另外,黄土高原农田生态系统Bowen比随NDVI的增大而减小,半湿润区二者关系更显著(),但半干旱区Bowen比对NDVI变化的响应更迅速。Gs与Bowen比之间呈负指数关系,半干旱区Bowen比随Gs的增大而减小的趋势比半湿润区更明显。[结论]该研究对揭示黄土高原典型农田生态系统陆面特征及改进陆面过程参数化关系具有重要参考意义。
GRAPES_GFS全球数值预报系统中的台风初始化
瞿安祥
当前状态:
摘要(14) [PDF 2077KB](2)
摘要:
本文在GRAPES_GFS-4DVar系统基础上,参照BDA方法,建立了一个全球模式台风初始化方案。该方案通过4DVar同化窗口吸收诊断处理后的1h间隔台风中心定位及中心气压信息,利用模式动力物理约束产生台风环流。同时,考虑到模式对台风的分辨能力,中心气压数据误差采用动态调整技术。2016年西北太平洋22个台风的试验表明,新方案不仅可以促进初始场中台风环流的生成,还可以显著减小GRAPES-GFS系统的台风路径和强度预报平均误差,具有业务应用前景。
边界层辐合线触发深厚湿对流的研究进展
苏爱芳, 郑永光
当前状态:
摘要(23) [PDF 2154KB](17)
摘要:
边界层辐合线(BLCL)是指存在于边界层内的线状气流汇合带,被认为是深厚湿对流主要触发系统。BLCL有多种类型,其触发对流作用非常复杂,本文就BLCL(不包括冷锋)与对流触发的统计研究、其导致的局地温湿扰动对触发对流的影响和BLCL对流触发机制等方面的国内外研究进行了系统总结回顾。已有的研究结果表明,不同天气系统背景、不同地区BLCL的类型、表现形式不同,其触发深厚湿对流的概率、与对流风暴的位置、时间的相关性也有所不同。BLCL能否触发对流还与大气环境条件、BLCL与其它动力学过程相互作用过程有关。在一定的对流有利条件下,局地温湿扰动不仅对BLCL的强度产生影响,还可以通过影响BLCL附近大气层结状态的分布,进而影响到对流能否被触发。BLCL与环境动力和热力相互作用产生的局地变化使对流触发机制变得更加复杂。最后,本文就边界层辐合线对流触发作用研究中需要关注的问题进行了讨论,建议未来基于精细的观测资料和数值模拟试验针对不同区域、不同类型的BLCL的对流触发特征和机制开展系统研究。
四川盆地与周边地区的降水垂直结构和宏微观差异研究
李剑婕, 郑佳锋
当前状态:
摘要(49) [PDF 3487KB](19)
摘要:
[目的]为进一步认识地形对降水的影响,[资料与方法]利用2014年3月?2020年12月GPM星载双频雷达DPR资料,研究了四川盆地C1及邻近山地C2和高原东坡C3三个子地区降水的垂直结构及宏微观特征和差异。[结论]结果表明:(1)GPM/DPR和地面雨滴谱仪表现出较好的一致性。(2)降水样本总数表现为C1>C3>C2,层性降水频次远高于对流降水。(3)两类降水的降水顶高度均表现为C3>C2>C1。对于层性降水,C1能够发展到最强,垂直厚度最大、雨滴谱最宽。降水顶向下,回波强度、雨滴谱和降水强度均增加。零度层以上,C3回波增强最快;零度层以下,C1回波达到最强,降水强度增强最快。(4)对于对流降水,C2和C3弱对流的回波较强、垂直尺度较大,粒径较小而数浓度较高。C1强对流的回波较强、垂直尺度较大,大粒子数浓度更高。降水顶往下,回波强度和降水强度均增强,降水强度廓线斜率最大的子地区从C2转为C1,至近地面前斜率均为0。粒径和数浓度变化较复杂,C1以凝结和碰并占主导,C2和C3的凝结和碰并、蒸发和破碎都重要。(5)当近地面产生较小降水强度时,粒子的增长多发生在降水顶向下0.5–2 km;随后蒸发和破碎效应增强,尤其是C1。当近地面降水强度进一步增强时,凝结和碰并占主导。
基于云依赖背景场误差协方差的雷达资料同化及对降雨预报影响研究
陈娴雅, 陈耀登
当前状态:
摘要(50) [PDF 3408KB](16)
摘要:
[目的]传统变分同化方法中使用各向同性和均质的背景场误差协方差,忽略了背景场误差协方差的天气系统依赖性,而在变分框架下引入集合流依赖的背景场误差协方差还需要额外的集合预报。为在变分同化中引入更合理的背景场误差协方差,通过引入云指数构建“云依赖”背景场误差协方差,提出了一种云依赖背景场误差协方差的同化方案,并应用于雷达等多源观测资料同化。[资料和方法]基于云依赖背景场误差协方差的资料同化方案,开展了一系列单点观测试验、梅雨期批量循环同化预报试验以及降雨个例详细诊断分析。[结果]从单点观测试验看出,云依赖背景场误差协方差可以实时动态地调整各格点背景场误差,使分析增量具有明显的各向异性和云雨特征的依赖性;批量循环同化与预报试验表明采用云依赖背景场误差协方差的雷达同化可以稳定提高降水预报能力,对大量级降水评分的改善尤为明显;强对流暴雨过程的诊断进一步表明,云依赖背景场误差协方差的应用改进了动力、热力、水汽和水凝物场的预报。[结论]基于云依赖背景场误差协方差的同化方案,能在变分同化框架下引入更符合实时天气特征的背景场误差协方差信息,为更好地同化高分辨率雷达资料提供了基础,有效提高了降雨预报的效果。
使用先进技术微波探测仪观测对云液态水路径算法进行对比
董嫦娇, 翁富忠
当前状态:
摘要(25) [PDF 2629KB](3)
摘要:
云液态水路径是气候分析和天气系统应用的重要参数,可以从卫星观测反演获得。目前,微波探测仪器的云液态水算法基于23.8和31.4GHz两个低频通道。使用先进技术微波探测仪(ATMS)观测数据,比较物理和经验算法反演出的云液态水路径。结果表明,经验算法和物理算法都可以描述云液态水在全球的分布,但是在高纬度地区数值差异较大。物理反演结果与卫星可见光云图中的云分布更为一致。在高纬度地区,经验算法受季节影响较大。灵敏度分析结果表明,物理算法误差受云层温度、海面温度和海面风速的影响。云层温度的不确定性可能是云液态水路径反演误差的主要来源。海面温度误差影响高云液态水路径的反演,风速对低云液态水路径的影响比高液态水路径影响更大。
长三角梅汛期降水与大气环流季节内演变的关系及延伸期预报
马悦, 信飞, 卢楚翰
当前状态:
摘要(33) [PDF 4871KB](9)
摘要:
基于1981—2020年长三角地区62个国家基本气象站的逐日降水量资料及NCEP/NCAR全球大气逐日再分析资料,分析了长三角地区梅汛期降水与前期大气环流季节内协同演变的关系,在此基础上利用改进的时空投影方法(STPM)构建了针对该地区梅汛期降水的延伸期预报模型。结果表明:(1)长三角地区梅汛期降水存在显著的10~80d季节内振荡,且振荡强度有明显的空间差异和年际变化,降水量越多、对应的季节内振荡越强。(2)梅汛期降水发生前15~10d大气环流发生季节内调整,热带低频对流活跃并出现经向传播,在西北太平洋、长江流域至黄淮-日本海的对流层低层(高层)激发反气旋(气旋)-气旋(反气旋)-反气旋(气旋)的低频波列,建立起低层辐合、高层辐散的环流配置,长三角地区对流增强;大气低频响应导致南压高压季节内南北振荡和东西进退明显,西太平洋副热带高压在长三角东南侧稳定维持,上述低、中和高纬环流的季节内动态协同演变共同促进了该地区梅汛期低频降水的发生。(3)将影响梅汛期降水的前期大气环流季节内动态演变过程作为预报因子,基于STPM方法训练得到长三角梅汛期降水的延伸期逐候预报模型,近10年的独立回报评估显示该模型对梅汛期未来10~25d降水有较高的预报技巧。