气象学报

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刘莉, 张文君, 刘超

, doi: 10.11676/qxxb2023.20220080

摘要(80) HTML(13) PDF(15)

摘要:
基于哈得来中心（Hadley Centre）逐月的海表温度、海冰密集度资料以及美国国家环境预报中心/国家大气研究中心（NCEP/NCAR）的大气环流再分析资料，分析了1950—2020年秋季（8—10月）东西伯利亚—波弗特海（East Siberian-Beaufort，EsCB）海冰年代际变化的时空特征，并阐述了大西洋多年代际振荡（Atlantic Multidecadal Oscillation，AMO）对EsCB海冰年代际变率的可能调制作用。结果表明，EsCB是秋季北极海冰年代际变化最主要的区域，该区海冰密集度年代际变率可占其异常总方差的40%以上。进一步研究发现，AMO对秋季EsCB海冰存在明显的调制作用，AMO正位相时，北大西洋正海温异常激发向极传播的大气罗斯贝波列，有利于北极中部出现高压异常，相应的大气绝热下沉运动使得对流层低层出现明显的升温，从而有利于EsCB海冰的融化。与此同时，地表增温和EsCB海冰消融会引起局地云量的增多、大气向下长波辐射的增加，这反过来又使得地表气温升高，这种地表气温-云-长波辐射的正反馈过程有利于年代际海冰信号的长时间维持。耦合模式的北大西洋“起搏器”试验可以很好地再现观测中AMO调制EsCB秋季海冰的物理过程，进一步佐证了本研究的结论。

广州“5.7”暴雨预报的模式不确定性研究

陈黛雅, 沈学顺, 霍振华

, doi: 10.11676/qxxb2023.20220047

摘要(88) HTML(13) PDF(38)

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了重要作用。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。

北半球夏季季节内振荡年代际变化对西北太平洋群发台风突变减少的影响

张可, 方娟, 丛春华

, doi: 10.11676/qxxb2023.20220044

摘要(60) HTML(12) PDF(25)

摘要:
利用台风最佳路径、Bimodal intraseasonal oscillation（bimodal ISO）指数和全球逐日向外长波辐射数据，研究了北半球夏季季节内振荡（Boreal summer intraseasonal oscillation，BSISO）年代际变化造成1996/1997年后西北太平洋群发台风突变减少的可能机制。分析显示，仅有包含3个及以上个数台风成员的“MTC3”群发出现了突变减少，此类台风更倾向在传播速度较慢、低频对流维持时间较长的BSISO活跃位相内出现，对次季节信号强度的要求相对较低。1996/1997年后，BSISO东传范围减小、周期延长、对流活跃位相日数缩短，导致西北太平洋长时间连续维持对流抑制位相，低频对流在145°E以东海域的强度减弱。当偏西海域有先导台风活动时，它向东南侧激发的罗斯贝波频散波列在（5°—20°N，145°—165°E ）海域因没有低频对流耦合而快速消散，导致MTC3群发台风年代际突变减少。

河南“21.7”极端暴雨过程天气尺度系统发展维持机制分析

齐道日娜, 王秀明, 俞小鼎, 张军辉

, doi: 10.11676/qxxb2023.20220014

摘要(157) HTML(18) PDF(63)

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〈Q₁〉和视水汽汇〈Q₂〉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。

江苏四类低温事件致灾因子与基于影响的低温风险时空分布对比研究

汪宁, 谢志清, 高苹, 李昕, 张灵玲, 苗茜

, doi: 10.11676/qxxb2023.20220058

摘要(63) HTML(8) PDF(19)

摘要:
利用1961—2020年江苏省70个气象观测站数据，分析了4类低温事件（寒潮、霜冻、低温阴雨寡照和冰冻）的时空分布特征，建立4类低温灾害危险性评估指标和综合危险性指标，结合人口、经济（GDP）两类承灾体的暴露度和脆弱性指数，建立了低温灾害风险评估模型，评估了江苏省低温灾害影响人口和GDP的风险等级及其空间分布。结果表明：（1）1961—2020年江苏省寒潮、霜冻和低温阴雨寡照事件发生数较多，冰冻事件发生数较少；研究时段内4种低温事件发生日数呈交替出现或多灾种同期多发的特征，1961—1980年寒潮和霜冻事件发生日均较多，2001—2020年低温阴雨寡照和冰冻事件同期多发。（2）江苏省中、南部寒潮频次较多，年平均累积降温幅度较大；霜冻日数北多南少，极端最低气温北部明显较低；低温阴雨寡照日数从西南到东北递减，南部降水偏多，北部过程平均温度较低；江苏西北、西南地区冰冻日数均较多，与降水空间分布一致。（3）江苏北部为寒潮和霜冻灾害高危险区，霜冻危险性呈纬向带状分布，低温阴雨寡照高危险区域集中在西南部；冰冻高危险区在南部和北部均有出现。低温综合危险性在北部和西南部较高，中部和东南部较低。（4）低温对人口和GDP的风险等级具有空间差异，由于承灾体的空间非连续性打破了气象条件的连续性分布，导致低温灾害对不同承灾体所产生的可能风险在空间分布上产生差异。

中国南方降水及其极端事件的动力-统计相结合的延伸期预报

张可越, 李娟, 徐邦琪, 朱志伟

, doi: 10.11676/qxxb2023.20220061

摘要(129) HTML(16) PDF(40)

摘要:
延伸期预报是无缝隙预测系统中的薄弱环节，如何提高灾害天气过程的延伸期预报技巧是国际热点及前沿问题。本研究基于2005年12月—2014年8月的观测/再分析资料，通过奇异值分解方法，揭示了与中国南方低频降水变化高度耦合的热带对流和中纬度波列信号。利用中国气象局参加国际次季节至季节预报计划模式（BCC-CPS-S2Sv2模式，简称BCC S2S模式）的回报数据，对中国南方低频降水异常场进行统计降尺度，构建了一套动力-统计相结合的延伸期降水预测模型。独立预测时段（2014年12月—2019年8月）的结果表明，BCC S2S模式可以提前10—15 d预报中国南方大部分区域的异常降水；提前15—20 d以上预报时，动力-统计结合预报模型对冬季（夏季）华南沿海地区（长江以北地区）的降水时间演变、降水空间分布及极端强降水事件的预报技巧均优于BCC S2S模式。文中提出的思路和方法可广泛应用于其他区域气象要素和极端天气事件的延伸期预报。

基于弱耦合资料同化的冬季北大西洋涛动年际变率预测

李斐斐, 徐彩艳

, doi: 10.11676/qxxb2023.20220062

摘要(44) HTML(7) PDF(6)

摘要:
北大西洋涛动作为冬季北大西洋地区大气环流的主模态之一，其年际变率对全球许多地区气候变率具有重要影响，但目前其预测技巧并不高。采用降维投影四维变分同化方法，在耦合模式中建立了基于全球大气资料的弱耦合资料同化系统，直接同化月平均再分析资料，并进行了年代际后报试验。结果表明，通过耦合资料同化的手段，可以显著提升耦合模式对冬季北大西洋涛动年际变率及其相关的欧洲北部、美国东部、欧亚大陆北部的冬季近地面温度年际变率的后报效果，相关系数均超过0.05显著水平的t检验。该后报效果的改进主要与在耦合同化过程中通过耦合模式中自由发展的海-气相互作用将大气的观测信息储存在耦合模式的海洋分量中，改进了冬季北大西洋地区海表温度“三极”型分布的时空变率及其时间序列的后报效果有关。该研究强调了耦合模式初始状态的准确度对提升冬季北大西洋涛动年际变率的后报技巧具有重要作用。

冷涡背景下华北平原一次弓形回波致灾大风过程分析

许长义, 章丽娜, 肖现, 王彦

, doi: 10.11676/qxxb2023.20220024

摘要(398) HTML(20) PDF(71)

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。

基于阵风系数模型的百米级阵风客观预报算法研究

杨璐, 王晓丽, 宋林烨, 陈明轩, 秦睿, 曹伟华, 吴剑坤

, doi: 10.11676/qxxb2023.20220052

摘要(98) HTML(10) PDF(38)

摘要:
京津冀地区经济和文化的快速发展对冬季地面瞬时强风预报要求越来越高。正确估计和预测冬季地面瞬时强风，尤其是复杂地形条件下的阵风高分辨率格点精准预报，对于提升重大活动服务保障、首都及周边地区城市安全运行及防灾减灾能力等方面都具有重要意义。本研究基于京津冀长时间序列的实况观测资料，建立了阵风系数与稳定风速、风向、地形高度各要素之间的关系模型，并结合客观统计分析方法、阵风观测数据融合技术、格点偏差订正技术，发展了一种既保留模式物理参数特征和阵风局地气候特征，又发挥格点偏差订正技术的阵风客观预报方法。冬奥赛事期间批量检验和个例分析结果表明，基于阵风系数格点模型和模式后处理订正技术得到的百米级分辨率、分钟级更新的阵风客观预报产品，24 h预报时效内张家口赛区和延庆赛区考核站平均绝对误差分别在2.3 m/s和3.0 m/s以下，延庆赛区8级以上大风，阵风风速预报评分超过0.5，解决了复杂山地数值模式阵风预报误差大、几乎无法业务应用的瓶颈问题，满足冬奥重大活动保障现场服务要求。

海陀山冬奥气象综合观测平台及研究进展

王倩倩, 陈羿辰, 程志刚, 于波, 常晨, 张曼, 李思腾, 罗丽, 伍永学, 潘昱冰, 李炬, 张京江, 廖志恒, 窦有俊, 权建农

, doi: 10.11676/qxxb2023.20220029

摘要(100) HTML(22) PDF(48)

摘要:
气象保障是历届冬奥会成功举办的最重要条件之一。延庆赛区（位于延庆海陀山区）地形复杂、山高坡陡、垂直落差大，因而观测难度大、气象数据稀少，成为影响赛区精细化预报的核心因素，对冬奥气象服务提出了严峻挑战。为此，北京市气象局组织开展了冬奥海陀山综合气象观测，针对该区复杂地形和多尺度气象影响系统构建了包含中、小、微尺度的三维立体实时综合观测平台，观测要素涵盖了三维风场、温湿度场、云和能见度、近地面湍流与辐射等。综合观测将提高对复杂山区高影响天气特征和机理的认知，为改进和提高预报模式提供数据支撑。文章系统介绍了海陀山冬奥气象综合观测平台的科学目标、观测布局、观测内容、以及观测平台在降雪过程中的初步应用，最后阐述了基于该观测进一步开展的研究计划。

基于机器学习的中国冬季气温异常影响因子分析及模型估算

武玮辰, 魏凤英, 王亚强, 朱恩达

, doi: 10.11676/qxxb2023.20220078

摘要(95) HTML(12) PDF(31)

摘要:
使用1951—2021年160个中国国家级气象观测站冬季平均气温及多项大气环流及海温等指数，用机器学习方法研究影响中国冬季气温异常的大气环流及海温等外强迫因子，并建立估算拟合模型，评价筛选出的影响因子组合对中国冬季气温异常分布的贡献。使用最小绝对收缩和选择算子（Lasso）算法提取与冬季气温异常相关的影响因子。为体现特征因子之间非线性关系，使用泰勒公式对筛选后的特征进行多项式增广。使用最小二乘梯度提升决策树（LS-GBDT）算法对筛选出的特征因子与冬季气温异常之间的非线性关系进行估算拟合。结果表明，机器学习方法能够对影响冬季气温异常的特征因子进行合理筛选与重要性分析，建立的估算模型在一定程度上体现了气候系统特征因子与冬季气温异常变化之间的非线性联系。本研究为了解中国冬季气温异常分布的影响因素及其模拟与估算提供了新方法和途径。

2019年8月16日沈阳极端降水事件的低空γ中尺度涡旋观测特征和机理分析

杨磊, 郑永光, 袁子鹏, 袁潮, 蒋超, 陈宇

, doi: 10.11676/qxxb2023.20220023

摘要(161) HTML(31) PDF(58)

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强小时降水（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、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，回波顶高降低、降水强度减小，低空出现了生命史约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史较短、尺度小、移速慢、产生了非常强的垂直涡度，但涡旋厚度薄于中气旋。涡旋出现后所有5 min降水量超过10 mm的自动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强小时降水量。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增湿、减少了蒸发作用，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。

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