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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
, doi: 10.11676/qxxb2021.067
摘要(45) HTML(7) PDF(26)
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
, doi: 10.11676/qxxb2022.004
摘要(50) HTML(15) PDF(22)
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
, doi: 10.11676/qxxb2022.001
摘要(46) HTML(8) 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
, doi: 10.11676/qxxb2021.066
摘要(136) HTML(10) PDF(36)
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
, doi: 10.11676/qxxb2022.003
摘要(53) 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
, doi: 10.11676/qxxb2022.017
摘要(89) 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
, doi: 10.11676/qxxb2022.009
摘要(49) 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
, 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
, 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
, 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
, doi: 10.11676/qxxb2022.006
摘要(52) 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
, doi: 10.11676/qxxb2021.063
摘要(38) HTML(5) PDF(15)
摘要:
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。