气象学报

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2022-05期封面+目录

2022, 80(5).

摘要(63) PDF(49)

摘要:

深度学习技术在智能网格天气预报中的应用进展与挑战

杨绚, 代刊, 朱跃建

2022, 80(5): 649-667. doi: 10.11676/qxxb2022.051

摘要(608) HTML (185) PDF(314)

摘要:
中国智能网格天气预报已初步建立0—30 d涵盖基本气象要素的无缝隙气象预报业务体系。近年深度学习技术兴起，给不同领域带来前所未有的变革。同样，深度学习的非线性映射能力、海量信息提取能力、时空建模能力等优势为进一步提升智能网格预报的准确性和精细化水平提供了新的思路和方法。越来越多的研究将深度学习技术应用于智能网格预报的各个方面，包括数值预报订正和解释应用、集合天气预报、相似集合、统计降尺度、纯数据驱动的预报模型和极端天气预报等，并展示出良好的应用潜力。然而，目前深度学习技术在天气预报领域的应用仍处于起步阶段，将其引入智能网格预报业务体系还面临诸多挑战，主要包括算法的选择、算法的数据基础、多源数据融合以及模型的可解释性、可信度、可用性和工程化等。通过回顾近年来深度学习技术在智能网格预报中的应用进展和前景，同时对面临的挑战与应对进行探讨，将有利于促进深度学习技术在天气客观预报领域更好、更稳定的发展。

北大西洋多年代际振荡（AMO）对南海夏季风撤退年代际变率的影响及可能机理

宋成玉, 汪靖, 柳艳菊, 李巧萍, 丁一汇, 沈新勇

2022, 80(5): 668-684. doi: 10.11676/qxxb2022.050

摘要(253) HTML (42) PDF(79)

摘要:
基于美国国家海洋和大气管理局（NOAA）物理科学实验室（PSL）和科罗拉多大学环境科学研究所（CIRES）重建的NOAA-CIRES 20th再分析数据和国际综合海洋大气数据集（ICOADS）的全球月海表温度数据（ERSST），并结合数值试验分析了南海夏季风撤退的年代际变率特征及北大西洋多年代际振荡（AMO）对其产生的影响。结果表明，南海夏季风撤退时间具有明显的年代际变率，南海夏季风撤退偏晚（早）年代中国南海及其附近区域上空有显著的气旋性（反气旋性）环流异常，降水偏多（少）。进一步研究发现，AMO与南海夏季风撤退年代际变率呈显著正相关，即AMO为正位相时，南海夏季风撤退偏晚；AMO为负位相时，南海夏季风撤退偏早。北大西洋海温升高（即AMO位于正位相），从海洋释放更多的热通量到大气，导致北大西洋上空对流层的对流活动明显增强，通过海-气相互作用激发北大西洋上空的波活动异常，进而影响与东北亚关键区域大气环流变化密切相关的中纬度欧亚遥相关波列的形成和传播，引起东北亚关键区的正位势高度异常和明显的下沉运动，并在其对流层低层产生辐散运动，能量伴随着偏北的辐散风气流传播至中国南海及邻近区域辐合上升，进一步加强了南海区域的气旋性环流异常，使得南海夏季风撤退偏晚。AMO负位相时，异常情况与之大致相反，使得南海夏季风撤退偏早。

中国降水的年代际变化及全球变暖、太平洋年代际振荡、大西洋多年代际振荡对其的相对贡献

杜佳玉, 陶丽, 许承宇

2022, 80(5): 685-700. doi: 10.11676/qxxb2022.055

摘要(196) HTML (72) PDF(73)

摘要:
虽然中国降水以年际变化为主，但可利用奇异谱分析辨析出10—20 a、20—50 a 年代际变化的显著性区域以及>50 a 的长期趋势的显著性区域。本研究通过奇异值分解、多元线性回归等方法探究了1934—2018年不同海洋模态对6—8月（夏季）和12月—翌年2月（冬季）中国陆地降水趋势以及年代际振荡的相对贡献。通过对中国降水及中低纬度地区海温进行奇异值分解发现，不论冬夏，影响中国降水的主要模态是全球变暖，其次是太平洋年代际振荡。利用多元线性回归模型定量评估全球变暖、太平洋年代际振荡、大西洋多年代际振荡对中国不同区域降水的方差贡献及各因子的相对贡献，结果表明：夏季，三者可以解释西北和华北大约30%的年代际降水，其中全球变暖的相对贡献最大、太平洋年代际振荡次之；冬季，三者可以解释东北42%、西北和华北30%左右的年代际降水，东北和西北以全球变暖的相对贡献为主、大西洋多年代际振荡为辅，华北仍以全球变暖的影响为主、太平洋年代际振荡为辅。

厄尔尼诺次年夏季中国地区云的变化特征及其与降水的关系

彭艳玉, 刘煜, 郜倩倩

2022, 80(5): 701-720. doi: 10.11676/qxxb2022.049

摘要(219) HTML (55) PDF(68)

摘要:
基于1961—2010年中国地面台站和卫星观测等多种数据，对不同类型厄尔尼诺事件次年夏季中国地区云的变化特征和不同类型降水的变化特征进行了分析，探讨云的变化特征与总降水异常的复杂联系。结果表明：站点数据中，厄尔尼诺事件次年夏季总云量和低云量的异常与降水异常分布形势大致相同；积雨云、雨层云和层积云等低云的出现频率有所增加。云量与降水异常在全国范围内表现出显著的正相关；通过显著性检验的正相关站点，云量与降水异常的线性关系也通过了显著性检验，总云量和低云量与降水的增加比例分别接近1:3和1:1。卫星观测数据中，厄尔尼诺事件次年夏季高云量、深对流云量、光学厚度和云水路径的变化与站点降水异常基本呈正相关；黄河以南地区总降水的变化主要来源于对流降水的异常，其贡献比例高达80%。中国东部地区低云对降水具有很好的指示作用；厄尔尼诺事件次年夏季南方地区总降水的异常主要来自对流降水的变化；对流降水异常增加与深对流云的异常增多有关。厄尔尼诺事件的发生使得次年夏季中国季风区对流活动增强，对流云云量增多，云层增厚，云顶向上发展，故而对流降水增加，异常雨带形成。

基于自动识别的近三十年华北地区冬季冷锋活动异常及其可能成因

秦育婧, 冯梦茹, 卢楚翰, 何书雅, 李丽平, 胡春丽

2022, 80(5): 721-731. doi: 10.11676/qxxb2022.057

摘要(125) HTML (23) PDF(33)

摘要:
利用1989—2018年ERA5再分析资料，使用适用于欧亚大陆的冷锋两步客观识别算法，得到冬季冷锋活动数据集。在此基础上，分析了近30年来华北地区冬季冷锋的活动特征，并讨论了冷锋活动异常的可能成因。结果表明：（1）华北地区是东亚大陆上冬季冷锋频数最多、活动最强的区域，且华北地区冷锋活动强度有明显的年际变化；（2）华北地区冷锋活动强年，从北大西洋到欧亚大陆上空存在一个明显的欧亚遥相关（EU）波列正位相，华北地区上空500 hPa为负位势高度异常，表明东亚大槽增强，相应的西伯利亚高压偏强；（3）欧亚大陆北部边缘海区为异常暖平流时，华北地区冷空气活动增强，冷锋活动也增强；（4）大西洋北部的海面温度（SST）异常可能通过激发对流层中、上层的罗斯贝波，该罗斯贝波向东传播经欧洲—西西伯利亚传至中国华北地区，从而影响华北地区的冷锋活动强度。

基于多种探测资料对华北中部一次回流暴雪过程的分析

钤伟妙, 罗亚丽, 曹越, 张晓, 车少静

2022, 80(5): 732-747. doi: 10.11676/qxxb2022.052

摘要(266) HTML (49) PDF(99)

摘要:
2020年1月5日07时至6日04时（北京时，下同）华北中部出现一次回流暴雪天气，过程最大降雪量15.5 mm。文中应用ERA5再分析和多种高分辨率观测资料分析了此次暴雪的大尺度天气背景和本地动、热力状况，探讨了暴雪落区、强度演变和降雪微物理特征及成因。结果表明，受河套地区地面倒槽和东北平原高压影响，900 hPa以下东北气流（被称为“回流”）自东北平原经渤海抵达华北平原，早于降雪7 h开始影响华北中部，受太行山阻挡在华北平原形成浅薄的近地面中尺度辐合线，对应暴雪落区；暴雪落区位于500 hPa高空槽前、700 hPa南北走向切变线东侧，850 hPa受西南低涡外围东南气流影响。降雪前1 h石家庄市观测到800 m以下转为东北风，1 km以下气温迅速下降至−5—−1℃，形成“冷垫”；暴雪区上空700 hPa附近低空急流较降雪早2 h出现，随后急流变厚、向下伸展至2 km高度，其下部暖湿空气沿“冷垫”爬升触发降雪，急流风速增至极值（19 m/s）和急流指数达峰值（约8）与大于1 mm/h强降雪时段重合，此时700 hPa上下为上升运动和水汽输送的大值中心。本次降雪粒子直径多为0.35—0.55 mm，降雪强度与粒子数浓度呈线性正相关；降雪云层位于1.3—5.5 km高度，大致以3 km （约−10℃）为分界线，下层为冰雪混合层，上层为冰雪层，冰雪层相对湿度与地面雪花粒子浓度及降雪强度呈正相关。基于雨滴谱仪探测资料反演的地面反射率因子与降雪强度拟合关系为Z=149.85R^1.14。

副热带高压背景下极端短时强降水的双偏振相控阵雷达观测分析

潘佳文, 彭婕, 魏鸣, 郑秀云, 吴伟杰, 高珊, 吴举秀, 蔡菁

2022, 80(5): 748-764. doi: 10.11676/qxxb2022.060

摘要(396) HTML (36) PDF(210)

摘要:
为了研究副热带高压（副高）背景下极端短时强降水系统的动力和云物理结构特征，利用厦门X波段双偏振相控阵雷达观测数据，采用多普勒雷达风场反演技术并结合高精度的地形数据，对2021年8月11日发生在厦门地区的一次极端短时强降水事件进行了分析。研究表明：（1）这次过程发生在副高控制之下，具有弱天气尺度强迫特征。地面辐合线促进了线状对流系统的形成，其后向传播过程导致了局地极端强降水的发生。（2）对流系统的中层存在大粒子累积区，大粒子的下泻导致雨强增大。倾斜上升（下沉）气流的配置使得大粒子的下泻不会影响上升气流，有利于对流系统的发展与维持。下沉气流与偏南气流相遇触发了上游对流系统的发展，形成后向传播。（3）在弱天气尺度系统背景下，局地地形对于降水系统的影响得以凸显。地形造成的低层辐合使得差分反射率因子（Z_DR）、差分传播相移率（K_DP）等双偏振参数在迎风坡处明显增大，且大值区在此处维持。更大、更浓密的降水粒子形成了极高的降雨效率。（4）暖雨过程和冰相过程在这次极端降水事件中并存，前者对雨水的形成起主导作用，冰相粒子的融化加速了这一进程。（5）强降水时雨滴的破碎和碰并趋于平衡，雨强的增大取决于雨滴浓度的升高。因此，K_DP可作为判断雨强是否增大的指标。（6） Z_DR柱与K_DP柱的演变对于地面雨强的变化具有预示性，特别是在持续降水过程中，Z_DR（K_DP）柱的再度发展预示着降水系统的再次增强。

高分辨率卫星对“21·7”河南特大暴雨监测能力分析

刘松楠, 汪君, 王会军

2022, 80(5): 765-776. doi: 10.11676/qxxb2022.053

摘要(257) HTML (53) PDF(111)

摘要:
2021年7月20日河南中北部突降暴雨，造成至少302人遇难，这类极端降水事件会对社会经济发展和人类生产、生活造成较大的影响，因此，准确监测这类暴雨事件至关重要。采用定性和定量方法综合评定了主流的10种高分辨率卫星降水产品（CMORPH-Raw、CMORPH-RT、PERSIANN-CCS、GPM IMERG-Early、GPM IMERG-Late、GSMaP-Now、GSMaP-NRT、FY-2F、FY-2G和FY-2H）在本次极端暴雨事件中的适用性，并分析了这10种产品对不同级别降水的监测能力。结果表明，这10种卫星降水产品均可以较为准确地再现出暴雨中心位于河南中北部的空间分布特征，但是所有卫星降水产品均较大程度低估了暴雨中心的降水量。随着降水等级的升高，各类卫星降水产品的命中率下降，TS评分降低，误报率升高。CMORPH-RT 对于暴雨量的捕捉能力强于CMORPH-Raw，且对暴雨过程的捕捉能力也更强；GPM IMERG-Late的准确度较GPM IMERG-Early有较大提高；相比于GSMaP-Now降水产品，GSMaP-NRT的准确度较高；PERSIANN-CCS和FY-2F的效果较差，不能捕捉此次极端暴雨事件。对本次暴雨事件而言，CMORPH-RT的效果最好，可以准确捕捉暴雨中心而且量值也与观测最为接近；融合红外和被动微波信息的卫星降水效果优于仅使用红外信息的降水产品，而且卫星反演算法和融合被动微波数据的多少对卫星降水的准确度有较大影响。

GCOM-W AMSR2资料在CMA_GFS 四维变分中的同化应用

肖弘毅, 韩威, 白一泓

2022, 80(5): 777-790. doi: 10.11676/qxxb2022.058

摘要(143) HTML (67) PDF(38)

摘要:
卫星微波仪器的辐射率资料，由于兼具卫星观测的全天空优势和微波观测的全天候特性，成为数值天气预报系统同化的日益重要的角色。微波成像仪作为被动微波辐射计的重要一类，其在数值预报中的应用潜力亟待进一步的检验和更充分的挖掘。针对全球水循环变化观测卫星GCOM-W上搭载的第2代先进微波扫描辐射计AMSR2的10个通道，建立了半径200 km的稀疏化方案；研发了包含9项检验的质量控制方案，对于污染低频通道观测的太阳耀光现象和无线电信号干扰等因素进行屏蔽；设计基于经典预报因子的偏差订正方案，对仪器系统偏差进行有效的校正；采用基于变分同化后验估计的观测误差统计，克服了观测误差难以准确估计的问题。通过以上方法，GCOM-W AMSR2共有10个通道辐射率资料在中国自主研发的全球/区域同化预报系统（CMA_GFS，原名为GRAPES_GFS）3.0版的四维变分同化系统（4DVar）中实现了直接同化应用。1个月的批量试验证明，同化GCOM-W AMSR2后，CMA_GFS湿度分析场得到了一定的改进，各量级定量降水中期预报评分有所提高，同时，GCOM-W AMSR2辐射率直接同化对CMA_GFS南半球和赤道地区预报有明显正贡献。研究证实AMSR2能够很好地弥补常规观测资料稀疏区的资料匮乏，发挥水汽敏感特性，改进湿度分析和降水预报的技巧。

适用S波段多普勒天气雷达的径向速度自动退模糊方法

韩颂雨, 刘永生, 骆阳, 杨明, 罗昌荣

2022, 80(5): 791-805. doi: 10.11676/qxxb2022.059

摘要(250) HTML (26) PDF(58)

摘要:
径向速度模糊问题限制了雷达速度资料的广泛应用，针对退速度模糊中孤立回波或被距离折叠隔离的回波出现模糊、受杂点干扰影响以及大多算法往往将径向直线作为初始参考等问题，提出了一种新的自动退模糊方法：（1）通过查找0速交界点插值得到两条0速线以进行正、负速度区域的大致分区；正、负分区后，分区域段识别杂点干扰区与非杂点干扰区；对杂点干扰区，逐点判断其是否满足模糊特征条件，对非杂点干扰区，识别模糊边界以圈定模糊区域块进行退模糊，并做遗留点的逐点扫尾退模糊处理。（2）对于未能确定0速线的情况，使用上层记录的0速线信息或搜索符合条件的径向直线0速线。（3）对于仍未能确定0速线的情况，用逐点判断的方法退模糊。利用S波段雷达观测的飑线、冰雹、强台风等事件11个个例3407个速度模糊体扫资料对该算法进行了验证，总体速度退模糊准确率高于98%。利用0速线确定正负分区、识别模糊区域块以及在逐点判断中考虑扩展邻域搜索，有助于孤立回波及被距离折叠隔离回波的退模糊处理，该方法比业务方法更有效， 2018年3月4日冰雹个例的速度退模糊准确率高于业务方法10%。对杂点干扰区使用逐点判断方法可正确退去模糊区，使其免受杂点影响。综合考虑上层0速线信息及图像中有助于确定0速线的相关信息，经严格把关和检验，确保0速线的准确性，有益于退速度模糊处理。

夏季青藏高原北部对流层臭氧垂直分布的观测研究

孙宇婷, 郑向东, 卞建春, 张金强, 白志宣

2022, 80(5): 806-818. doi: 10.11676/qxxb2022.054

摘要(147) HTML (34) PDF(39)

摘要:
对流层臭氧垂直分布变化对气候环境有重要的影响，然而观测数据一直较为稀缺。利用2016年7月下旬—8月青海省格尔木市对流层臭氧探空观测资料开展夏季青藏高原北部对流层臭氧垂直分布变化特征及其形成机制的大气背景研究。结果表明，在大气背景的转换下对流层臭氧垂直分布整体上呈现高（低）臭氧与低（高）水汽和高（低）位势涡度的对应。除7月25—27日高空低压槽过境导致的平流层向下输送使对流层臭氧浓度升高明显外，阻塞暖高压反气旋和源自青藏高原主体地区的强对流天气过境也对对流层臭氧分布有影响：阻塞暖高压在观测点东北部形成后导致7月31日至8月8日格尔木对流层连续出现罕见东风，但对流层臭氧浓度仅在8月2日因东北—西南方向反气旋切变而出现较高值，其中6 km高度以下则因为东风输送而出现高臭氧、高比湿的污染性气团；强对流天气过境影响使得8月12—14日10 km高度以上出现臭氧最低值和比湿最高值。与西宁历史夏季（1996年7—8月初）臭氧探空测值比较，格尔木对流层臭氧浓度8月偏低，该特征与季风影响青藏高原纬度最高地区所在月份一致。与林芝（2014年7月）、那曲（2011年7月末—8月中旬）和拉萨（1998年8月）历史夏季臭氧探空测值比较发现，纬度效应对青藏高原地区对流层臭氧浓度有影响。

中亚费尔干纳盆地灌溉气候效应的数值模拟研究

张学珍, 刘欣睿, 严建武, 丁娜娜

2022, 80(5): 819-834. doi: 10.11676/qxxb2022.056

摘要(156) HTML (23) PDF(27)

摘要:
中亚地处干旱气候区，农业生产高度依赖灌溉，然而灌溉对当地气候影响的认识还较为薄弱。为此，针对多雨（2009年）、少雨（2008年）及正常（2007年）年景下中亚典型农业区—费尔干纳盆地暖季（5—9月）的气候，利用嵌入灌溉过程参数化方案并更新土壤参数的WRF模式，分别进行了考虑灌溉过程（称为IRRG试验）与不考虑灌溉过程（称为NATU试验）的模拟试验，并通过对比IRRG与NATU试验之差揭示了灌溉对区域气候的影响。研究发现：（1）灌溉致使暖季地面潜热增加（79.2 W/m²）、感热减少（−61.3 W/m²），日均气温降低1.7℃，空气比湿升高2 g/kg（约为NATU的36%），因5—6月为雨季，7—8月为旱季，故7—8月的灌溉量大，冷湿效应略强于5—6月；（2）冷湿效应主要出现在灌溉区域，降温达2℃，增湿达2.4 g/kg，灌区外甚微，同时从地面到高层大气，冷湿效应越来越弱，在约500 hPa（距地面约4000 m）以上冷湿效应消失；（3）在盆地中央平原地区，因灌溉而致空气湿度上升产生的潜在增雨效应与地面冷却产生的对流抑制作用相互抵消，灌溉与无灌溉情景下当地降水无显著差异；灌溉可导致盆地南、北两侧山区降水增加（约0.6 mm/d）；（4）不同年景之间灌溉量差异主要出现在5—6月，少雨年比多雨年灌溉量多20 mm/月，日均气温降幅偏大0.3℃，空气比湿增幅偏大0.5 g/kg，但山区降水增幅偏小0.6 mm/d。

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2022年第80卷第5期

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