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2022年 第80卷  第4期

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论文
摘要:
基于1980—2018年罗格斯大学全球积雪实验室积雪面积、英国气象局哈得来中心海温、欧洲中期天气预报中心(ECMWF)第5代再分析(ERA-5)土壤湿度、美国国家环境预报中心和美国国家大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析、美国国家海洋大气管理局(NOAA)气候预测中心降水(CMAP)和全球降水气候计划降水(GPCP)等数据,采用相关、合成和回归等分析方法,分析了前期青藏高原积雪和厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)年际尺度变化对南海夏季风强度及降水的协同影响。结果表明:在年际尺度上,青藏高原积雪、ENSO与南海夏季风变率有密切关系,当青藏高原春季积雪西部偏多且东部偏少时,夏季高原西部对流层温度偏低,在高原上空产生异常下沉气流并向外辐散,引起中国南海地区对流层中低层为异常下沉气流。另外,赤道中东太平洋海温异常偏高则会使夏季印度洋海温异常偏高,对流层温度偏高,在西北太平洋产生东北风异常,加强西北太平洋和中国南海上空的反气旋性环流异常。在青藏高原积雪和ENSO共同影响下,夏季850 hPa中国南海上空反气旋异常进一步加强,南海夏季风强度减弱,降水减少。
摘要:
利用1980—2020年中国753站逐日降水资料、NCEP/NCAR大气再分析资料以及哈得来中心的海表温度资料和实时多变量Madden-Julian振荡( MJO)指数,研究了MJO在印度洋地区(1—3位相)活跃日数对长江流域夏季降水日数的影响。结果表明两者存在显著的统计联系,在MJO活跃日数偏多的年份,MJO相关的西北太平洋反气旋环流异常有利于向长江中下游地区输送水汽,进而导致长江流域中下游范围内降水日数的增加,且这种影响主要体现在降水等级为大雨(25 mm/d)及以上强度的日数上。进一步研究发现,MJO在印度洋活跃日数与长江中下游夏季降水日数的关系存在年代际变化,两者显著的联系仅出现在2000年之后,之前的时段两者联系则较弱。这种关系的转变可能与印度洋海表温度变率减弱的背景有关,印度洋海洋年际变率变弱导致其对于长江中下游地区的影响减弱,进而使得MJO的调控作用凸显出来。夏季季节平均的印度洋MJO活跃日数可以对长江中下游的大雨以上的降水日数产生影响,且两者的关系在大约2000年之后变得尤为显著。
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尚未全面认识。利用公共大气模型CAM5.3在3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,检验提高分辨率是否能改进气候模式的模拟能力,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模拟结果的影响。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、云短波辐射强迫的模拟能力,0.5°分辨率下模拟结果与观测更接近,其他变量并无明显改善。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、云水路径均增加,云短波和长波辐射强迫均加强,而云顶的云滴有效半径和降水均减小,地面气温降低。不同分辨率下,气溶胶增加引起的气溶胶光学厚度、云水路径、地面温度、云短波和长波辐射强迫变化的纬向平均分布相似但大小存在差异;而降水和云量变化的纬向分布与大小均存在较大差异,在区域尺度上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相比1°分辨率下的结果降低了2.5%,相比2°分辨率下的结果降低了6.4%。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,存在较大的不确定性。
摘要:
为研究不同陆面模式对中国区域土壤温度的模拟效果,基于中国气象局陆面数据同化系统(CMA Land Data Assimilation System,CLDAS)大气驱动数据分别驱动Noah和Noah-MP陆面模式进行中国区域土壤温度的模拟(简称:CLDAS_Noah和CLDAS_Noah-MP试验),使用2010—2018年中国气象局2380个土壤温度观测站点10和40 cm观测数据以及美国全球陆面数据同化系统(The Global Land Data Assimilation System,GLDAS)驱动的Noah模式(GLDAS_Noah试验)模拟的土壤温度结果,从空间分布、季节、分区等角度进行了评估,实现了不同驱动数据相同陆面模式和相同驱动数据不同陆面模式的对比分析。结果表明: GLDAS_Noah、CLDAS_Noah和CLDAS_Noah-MP试验均能合理模拟出中国区域土壤温度空间分布,但在量级上有一定差异,主要表现在中国东北、新疆、青藏高原等积雪区。对于相同陆面模式不同驱动数据,均方根误差显示CLDAS_Noah试验在季节与分区上均优于GLDAS_Noah试验,间接表明CLDAS大气驱动数据优于GLDAS大气驱动数据,且大气驱动数据是提高土壤温度模拟精度的重要因素之一;对于相同驱动数据不同陆面模式,总体上CLDAS_Noah-MP试验棋拟效果优于CLDAS_Noah试验,其中CLDAS_Noah试验模拟的10和40 cm深度土壤温度在冬季积雪区误差明显大于CLDAS_Noah-MP试验,可能与Noah-MP模式改进了积雪方案有关,但10和40 cm深度下CLDAS_Noah-MP试验在东北、华北、青藏高原地区对春季土壤温度模拟误差明显大于CLDAS_Noah试验,可能与Noah-MP模式融雪方案有关。总之,本研究对于后续开展土壤温度多模式集成、土壤温度站点资料同化,最终研制中国区域高质量土壤温度数据集具有一定的参考意义。
摘要:
精细尺度降水的临近预报对于提升现代城市内涝和山洪地质灾害预警能力具有重要意义。深度学习作为一种新兴方法,在挖掘数据内部特征及物理规律方面更具优势,近年来在天气雷达图像领域的应用已初见成效。为进一步提升精细尺度降水的临近预报能力,基于深度学习网络模型RainNet,研究建立了两种滚动预报方式,开展了京津冀地区1 km分辨率精细尺度降水滚动式临近预报试验和对比分析。 试验结果表明:与传统基于交叉相关的外推预报相比,深度学习网络模型RainNet总体可以明显改进降水1 h临近预报的绝对误差和相关系数;两个RainNet相结合的滚动预报方式对1.04 mm/(10 min)及以下阈值降水,在10—50 min预报性能一致优于传统的交叉相关外推预报。深度学习模型对降水消亡过程的时、空演变趋势刻画更好,尤其更适用于降水消亡过程的临近预报。采用两个RainNet模型相结合的滚动式预报方式优于单一模型滚动预报方式。
摘要:
利用2018—2020年经偏振升级改造后的广州S波段双偏振雷达(CINRAD/SAD)82892个体扫的0.5°仰角数据,以及雷达100 km探测范围内1109个雨量站共计538560个分钟雨量数据,分别构建了单参量、三参量雷达定量降水估测(QPE)深度学习网络架构(Z-Rnet、KDP-Rnet、Pol-Rnet),并以KDP=0.5°/km为阈值分别训练得到大雨、小雨、总体等9个定量降水估测模型。在常用的均方误差作为损失函数的基础上,对不同降水强度采用不同权重提出了自定义损失函数,并利用比率偏差、相对偏差、均方差、平均绝对误差和平均相对误差作为评价指标对模型进行评估。通过对以积层混合云为主、以对流云为主和以层状云为主的3次降水过程的模型验证结果表明,利用深度学习训练的模型有较好的定量降水估测效果,区分雨强的小雨、大雨模型比不区分雨强的总体模型的效果要好。采用自定义损失函数模型效果更好,其均方差、平均绝对误差和平均相对误差分别较采用传统均方误差损失函数提升了8.62%、12.52%、16.34%。自定义损失函数中,采用ZH-ZDR-KDP三参量网络架构训练得到的定量降水估测模型效果最好,其均方差、平均绝对误差和平均相对误差分别较采用ZH的单参量Z-Rnet架构提升6.82%、8.43%、7.22%;较采用KDP的单参量KDP-Rnet架构提升12.33%、17.61%、17.26%。
摘要:
差分反射率($ {Z}_{\mathrm{D}\mathrm{R}} $)弧表示超级单体风暴中前侧入流区域弧状的${Z}_{\mathrm{D}\mathrm{R}}$大值区,差分相移率($ {K}_{\mathrm{D}\mathrm{P}} $)足则表示风暴核心顺切变方向$ {K}_{\mathrm{D}\mathrm{P}} $大值区。超级单体风暴中的$ {Z}_{\mathrm{D}\mathrm{R}} $弧及$ {Z}_{\mathrm{D}\mathrm{R}} $弧-$ {K}_{\mathrm{D}\mathrm{P}} $足分离特征已被证实为风暴中粒子“分选机制”的重要示踪因子,并且$ {Z}_{\mathrm{D}\mathrm{R}} $弧和$ {K}_{\mathrm{D}\mathrm{P}} $足质心连线和分离角与低层入流和风暴相对螺旋度相关较好。为快速识别$ {K}_{\mathrm{D}\mathrm{P}} $足及$ {Z}_{\mathrm{D}\mathrm{R}} $弧并提取$ {Z}_{\mathrm{D}\mathrm{R}} $弧-$ {K}_{\mathrm{D}\mathrm{P}} $足分离特征,运用其指示意义提升极端大风和冰雹的预报能力。基于经典概念模型和机器学习方法,利用华东地区S波段双偏振雷达探测资料,进行了$ {K}_{\mathrm{D}\mathrm{P}} $足和$ {Z}_{\mathrm{D}\mathrm{R}} $弧的自动识别算法设计,并计算了$ {Z}_{\mathrm{D}\mathrm{R}} $${\text -}{K}_{\mathrm{D}\mathrm{P}} $足质心距离和分离角。而后针对华东地区4次超级单体风暴过程,结合地面自动观测资料验证了$ {K}_{\mathrm{D}\mathrm{P}} $足及$ {Z}_{\mathrm{D}\mathrm{R}} $弧识别结果及定量化计算效果。结果显示:设计的方法能够准确识别出超级单体风暴中的$ {K}_{\mathrm{D}\mathrm{P}} $足和$ {Z}_{\mathrm{D}\mathrm{R}} $弧,$ {Z}_{\mathrm{D}\mathrm{R}} $${\text -}{K}_{\mathrm{D}\mathrm{P}} $足质心距离和分离角的变化也可在一定程度上指示极端大风的发生。
摘要:
为了研究江苏地区下击暴流的结构特征,利用常规天气资料、雷达探测资料、自动气象站观测资料和ERA5再分析资料等,选取2007—2018年江苏地区19个典型下击暴流过程进行统计分析。结果表明:江苏下击暴流的分布呈北多南少,以湿下击暴流为主,7月是下击暴流的高发月份,孤立风暴型下击暴流具有弱的天气尺度强迫和上干下湿的结构,风暴移速较慢,飑线镶嵌型下击暴流具有很强的天气尺度强迫特征,风暴移速较快。下击暴流影响期间地面温度变化剧烈,温度降低伴随有明显风速增大过程。统计显示,产生下击暴流风暴的环境温度平均垂直递减率为6.8℃/km,能够保证负浮力的维持,干冷空气被中层辐合气流夹卷进入风暴内进一步加强了下沉气流,使得下击暴流得以维持和加强。下击暴流的初生阶段,强反射率因子核心和中层径向辐合出现在下击暴流发生前20—30 min,成熟阶段,强反射率因子核心高度有明显降低,低层呈辐散结构。
摘要:
生成于东部平原地区的江淮切变线和西部青藏高原地区的高原切变线,都处在东亚副热带相同纬度带上。为深化对地形高度迥异的江淮切变线和高原切变线的认识与理解,基于ERA-interim再分析资料和合成分析方法,从切变线与暴雨关系、切变线三维结构特征、切变线附近风场与环流特征以及切变线结构演变中的热力机制等方面对二者进行对比研究。结果表明:(1)江淮切变线分为暖切变线、冷切变线、准静止切变线和低涡切变线4类,高原切变线分为高原横切变线和高原竖切变线2类。江淮切变线与高原切变线均与暴雨关系密切,夏季,有近70%的江淮切变线会产生暴雨,暖切变线暴雨对江淮地区切变线暴雨的雨量贡献最大,低涡切变线暴雨的降水强度最大但发生频率较低;近60%的高原横切变线给高原主体地区带来暴雨,超过55%的竖切变线造成高原东侧及其邻近地区暴雨。(2)江淮切变线与高原切变线均为边界层系统,特征层次分别位于850 hPa和500 hPa。时空尺度上,江淮冷切变线和高原横切变线水平尺度分别可达1000 km和2000 km,垂直伸展厚度分别可达5 km和2 km,生命期分别可达48 h和96 h;江淮切变线和高原横切变线在垂直方向上均有从低到高向北倾斜的特征。(3)江淮冷切变线与高原横切变线风场与环流特征存在差异,江淮冷切变线北侧为东北风,南侧为西南风;高原横切变线东、西两段风场有所不同,其西段类似于江淮冷切变线,东段在不同发展阶段风场有明显变化。(4)江淮冷切变线与高原横切变线的动力结构和热力结构存在差异。动力结构上,二者均位于正涡度带内,正涡度中心强度都在强盛阶段达到最大。热力结构上,江淮冷切变线附近低空锋区特征明显,其西段位于暖湿区内,东段位于干冷区内;高原横切变线南侧具有明显的高温、高湿特征,切变线北侧存在锋区结构。(5)切变线附近的大气非绝热加热与高原横切变线和江淮冷切变线演变关系密切,垂直非均匀加热作用是高原横切变线和江淮冷切变线发展增强最为重要的因子。二者热力结构有差异,减弱机制不同,干冷空气的侵入会导致高原横切变线强度减弱甚至消亡,江淮冷切变线的强度减弱则与南方暖湿空气的向北侵入有关。
摘要:
为研究华南前汛期季风爆发前后闽南地区的雨滴谱特征差异,利用2018—2019年厦门站和同安站4—6月的降水现象仪资料,对比分析了季风爆发前后闽南沿海层状云和对流云的雨滴谱分布及微物理参数差异。结果表明,华南前汛期闽南沿海层状云降水占比明显高于对流云降水,但对流云降水的滴谱分布更宽,峰值粒径以上的各粒径区间粒子浓度均大于层状云降水。不论层状云或是对流云降水,2018年季风爆发后均表现为质量加权平均直径(Dm)减小,广义截距参数(Nw)增大。2019年季风爆发后Dm增大,层状云的Nw减小,对流云Nw增大。两年整体呈现相反的演变趋势。层状云的降水率(R)和液态水含量(W)的演变趋势与Nw一致,而对流云的RWDm一致。闽南沿海雨滴谱微物理参数接近于华南沿海,与华东区域相比,整体浓度更高,粒子尺度略小。Z-R关系拟合表明季风爆发前、后层状云与对流云的拟合系数、决定系数具有较大差异,其中对流云拟合效果相对更好。基于Z=300R1.4的定量降水估测对层状云降水和量级较小的对流云降水整体上存在不同程度的低估,对于量级较大的对流云降水存在高估。探讨了环流形势对雨滴谱的可能影响。结果表明绝对水汽含量可能会影响粒子数浓度,而西南风等动力条件和对流有效位能等热力条件会通过影响对流的高度和降水的微物理过程进而可能会影响雨滴谱分布。
摘要:
新一代静止气象卫星成像仪具有高时、空分辨率的优势,成像仪的云观测资料被广泛应用于气象领域的各项研究中。由于卫星的观测方式和地球曲率导致其存在视场偏差,与其他资料联合应用时需要考虑其影响。针对风云四号A星成像仪的视差问题,首先使用模拟的云顶高度和实际的卫星天顶角进行敏感性分析,结果证实云顶高度越高或者卫星天顶角越大则视差越大, 尤其对具有更高空间分辨率的成像仪,视差影响更需要被重视。随即分别使用CALIPSO云层数据和3套台风最佳路径集来检验视差订正前、后的多通道扫描辐射成像仪(AGRI)云检测产品和台风中心定位的精度,结果证明所用的视差订正方法是有效的,并指出在静止气象卫星资料的精确定量应用中,视差不可忽视。
气象科技史
摘要:
从科学(理念)和技术(器物)两个层面系统梳理了西学东渐时期西方气象科技向中国传入的过程,分析研究了西方气象科技输入对中国早期气象事业的推动及知识传播的启蒙作用。明末清初西方气象科技输入在宫廷和士大夫阶层中间产生了一定影响,但并未对中国早期气象事业和知识传播起到实质性、落地性的推动和启蒙作用。晚清民国阶段西学无论从广度或是深度,所起的作用较明末清初阶段大得多。这段历史从以开放的态度对待科学技术引进、注重科学技术本地化、先进的科学技术认识三方面带给人们启示。