气象学报

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2022-02期封面+目录

2022, 80(2).

摘要(144) PDF(67)

摘要:

边界层辐合线触发深厚湿对流研究进展

苏爱芳, 郑永光, 张宁, 王迪, 俞小鼎

2022, 80(2): 177-189. doi: 10.11676/qxxb2022.013

摘要(723) HTML (138) PDF(383)

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的主要触发系统，有多种类型，其触发对流作用非常复杂。文中就BLCL（不包括冷锋）触发对流事件的统计研究、其导致的局地温湿扰动对触发对流的影响、BLCL对流触发机制等方面的中外研究进行了系统回顾总结。已有研究结果表明，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、时间的相关也有所不同。BLCL能否触发对流还与大气环境条件、BLCL与其他动力学过程相互作用有关。在一定的对流环境条件下，局地温湿扰动不仅对BLCL的强度产生影响，而且还可以通过影响BLCL附近大气层结状态的分布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。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。

长江三角洲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

2022, 80(2): 190-204. doi: 10.11676/qxxb2022.002

摘要(474) HTML (129) PDF(182)

摘要:
基于1981—2020年长江三角洲（简称长三角）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—80 d季节内振荡，且振荡强度有明显的空间差异和年际变化，降水量越大对应的季节内振荡越强。（2）梅汛期降水发生前15—10天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亚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、中和高纬度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—25 d降水有较高的预报技巧。

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, 刘艳霞, 程志刚, 贺婧姝, 任涛, 陈绍婕

2022, 80(2): 205-223. doi: 10.11676/qxxb2022.012

摘要(518) HTML (77) PDF(204)

摘要:
为进一步认识地形对降水的影响，利用2014年3月—2020年12月全球降水测量卫星（GPM）星载双频雷达（DPR）探测资料研究了四川盆地（C1）及邻近山地（C2）和高原东坡（C3）降水的垂直结构及宏微观特征和差异。结果表明：（1）GPM/DPR与地面雨滴谱仪的测量结果有较好的一致性。（2）降水样本总数为C1>C3>C2，层性云降水频次远高于对流云降水。（3）两类降水的降水顶高度均为C3>C2>C1。层性云降水，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大。0℃层以上，C3回波增强最快；0℃层以下，C1回波达到最强，降水强度增强最快。（4）对于对流云降水，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以下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，凝结和碰并作用占主导。

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

2022, 80(2): 224-242. doi: 10.11676/qxxb2022.016

摘要(301) HTML (137) PDF(139)

摘要:
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。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（Z_H）、R（Z_H，Z_DR）、R（K_DP）、R（K_DP，Z_DR） 4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4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。结果表明，R（Z_H）和R（Z_H，Z_DR）在弱降水时性能较好，当雨强阈值大于2.5 mm/h时，K_DP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雨强成正比，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。

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, 孟德明

2022, 80(2): 243-256. doi: 10.11676/qxxb2022.011

摘要(387) HTML (75) PDF(118)

摘要:
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。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。从单点观测试验看，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对云雨特征的依赖；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资料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；对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。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。

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

2022, 80(2): 257-268. doi: 10.11676/qxxb2022.020

摘要(361) HTML (126) PDF(145)

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—2 h）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，随着时效延长改善越来越明显，整体而言物理约束外推是其中最优的方案。

CMA-GFS全球预报系统中的台风初始化

瞿安祥, 麻素红, 张进, 刘艳

2022, 80(2): 269-279. doi: 10.11676/qxxb2022.014

摘要(624) HTML (127) PDF(79)

摘要:
在CMA-GFS（CMA Global Forecast System）全球四维变分资料同化系统（4DVar）基础上，参照BDA（Bogus Data Assimilation）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1 h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CMA-GFS全球预报系统的台风路径和强度预报平均误差，具有业务应用前景。

预估-校正的半隐式半拉格朗日时间积分方案及其在CMA-GFS模式中的应用

张红亮, 沈学顺, 苏勇

2022, 80(2): 280-288. doi: 10.11676/qxxb2022.021

摘要(249) HTML (73) PDF(77)

摘要:
CMA-GFS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。文中通过构造预估-校正半隐式半拉格朗日时间积分方案（SISL/P-C），以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。理想试验和实际资料试验证明新方案可以改善CMA-GFS的精确度、稳定性和质量守恒。0.25°水平分辨率下积分时间步长可以由300 s 增大到450 s，模式总体计算效率提高20%。

冬奥延庆赛区风的预报技巧比较分析

熊敏诠, 冯文, 刘凑华

2022, 80(2): 289-303. doi: 10.11676/qxxb2022.018

摘要(196) HTML (41) PDF(88)

摘要:
为了提高2 min平均的10 m风预报精度，开展了多种建模和检验方法比较。根据欧洲数值中心集合预报系统产品及北京海陀山的5个测站资料，使用一元回归、岭回归、神经网络、粒子群-神经网络等方法建模，进行2021年2月逐日的未来3天6 h间隔预报误差订正，并从多个角度分析预报精度差异。结果为：（1）系统误差、预报准确率检验表明，建模订正后的预报误差均明显减小。（2）频率关系图揭示，回归法在弱风区（大概率事件）有较好的订正能力，神经网络法在不同风速区都有正向的订正效果。（3）大风过程预报的对比显示，建模方法能有效订正风向的预报。

环境及生态因子对黄土高原典型农田生态系统鲍恩比的影响研究

任雪塬, 张强, 岳平, 杨金虎, 王胜

2022, 80(2): 304-321. doi: 10.11676/qxxb2022.015

摘要(213) HTML (41) PDF(56)

摘要:
鲍恩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。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鲍恩比的影响机理，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，其鲍恩比依旧在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（鲍恩比平均为0.71），其余三季感热在能量分配中起支配作用（鲍恩比为1.15—5.85）。从影响陆面水热交换的气象因子来看，鲍恩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大而显著减小。干旱条件下，鲍恩比与半湿润区饱和水汽压差的相关更高（R²=0.44）；湿润条件下，则与半干旱区的饱和水汽压差相关更好（R²=0.38），且生长季半干旱区的鲍恩比为半湿润区的1.5倍。半湿润区干、湿条件下降水量与鲍恩比均显著相关，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鲍恩比存在显著的相关（R²=0.40）。土壤含水量在半湿润区与鲍恩比的相关更显著，且干旱条件下鲍恩比随土壤含水量的降低而增大的幅度更大。从影响生长季鲍恩比的生态因子来看，Priestley-Taylor系数与鲍恩比满足幂函数规律，在黄土高原农田生态系统具有显著的相关，半湿润区和半干旱区R²分别为0.62和0.72。另外，黄土高原农田生态系统鲍恩比随归一化植被指数的增大而减小，半湿润区二者关系更显著（R²=0.40），但半干旱区鲍恩比对归一化植被指数变化的响应更迅速。冠层气孔导度与鲍恩比呈负指数关系，半干旱区鲍恩比随冠层气孔导度的增大而减小的趋势比半湿润区更明显。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。

近30年塔里木盆地浮尘天气及持续浮尘滞空的气候特征

孟露, 赵天良, 何清, 杨兴华, 买买提艾力·买买提依明, 杨帆, 周成龙, 霍文, 王敏仲, 潘红林, 杨婕

2022, 80(2): 322-333. doi: 10.11676/qxxb2022.022

摘要(250) HTML (91) PDF(111)

摘要:
塔里木盆地沙尘天气具有独特的持续浮尘滞空区域特征。目前塔里木盆地浮尘天气的气候学特征认知依然停留在1990年，亟待认知近30年塔里木盆地浮尘天气的变化特征。因此，利用1991—2020年塔里木盆地27个观测站浮尘天气观测资料，分析塔里木盆地近30年浮尘天气的时、空变化特征，并给出盆地持续浮尘天气的频次分布，以加深对塔里木盆地浮尘“滞空”变化特征的认识。近30年（1991—2020年）塔里木盆地浮尘日数年际变化趋势呈“V”型特征，即1991—2011年浮尘天气呈现整体下降趋势，但2012年以来反转为上升趋势。塔里木盆地南部皮山—和田—策勒—民丰一线地区维持一个浮尘天气频发区的极值中心，且进入21世纪以来，盆地南部这一浮尘天气频发区的极值中心东移至民丰地区，中心值为152 d。塔里木盆地浮尘天气具有独特的区域特征，近30年盆地持续2 d及其以上的浮尘天气占浮尘日总数的64.25%。塔里木盆地南部和田与策勒等地，甚至出现持续30 d以上的月时间尺度持续性极端浮尘事件。给出了一个值得关注的塔里木盆地浮尘“滞空”的沙尘气候特征。

先进技术微波探测仪（ATMS）云液态水路径算法评估

董嫦娇, 翁富忠

2022, 80(2): 334-348. doi: 10.11676/qxxb2022.010

摘要(361) HTML (44) PDF(78)

摘要:
云液态水路径是气候和天气系统分析的重要参数，可以从卫星观测资料反演获得。目前，基于卫星微波探测仪器观测资料的云水算法可由23.8和31.4 GHz两个通道产生。本研究使用先进技术微波探测仪（ATMS）观测数据，对物理和经验两种算法反演出的云液态水路径进行验证评估。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洋面上的分布，但是在中纬度地区数值差异较大。物理反演结果与再分析资料以及卫星可见光云图中的云分布更为一致。在中高纬度地区，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液态水路径的反演，风速对低液态水路径的影响比高液态水路径更大。

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2022年第80卷第2期

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