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基于深度学习的融合降水临近预报方法及其在中国东部地区的应用研究
庄潇然, 郑玉, 王亚强, 康志明, 闵锦忠, 李杨
, doi: 10.11676/qxxb2023.20220081
摘要:
[目的]为了实现对中国东部地区极端强降水的临近预报预警,[资料和方法]基于具有物理约束功能的PhyDNet构建了融合雷达反射率因子和分钟级降水观测的融合降水临近预报模型PhyDNet-RP,能够预测江苏及其上游地区未来3h的降水量,通过对比PhyDNet-RP、INCA(交叉相关外推加中尺度模式融合)、PhyDNet-P(仅包含降水输入)和UNet-RP(输入因子与PhyDNet-RP相同,但采用UNet模型)四种临近预报方法验证,并重点讨论了四种方法对强降水增强过程的预测能力。[结果]结果表明:(1)与INCA相比,深度学习方法能更好地体现强降水增强过程中的发展和演变过程,(2)对比PhyDNet-P和PhyDNet-RP发现在深度学习模型输入端增加雷达反射率因子可以更好地体现强降水的形态和移动特征,(3)UNet-RP能够体现降水的形态和移动,但不能刻画降水强度。[结论]总得来说,PhyDNet-RP预报效果最优,说明在模型输入端叠加具有不同功能属性的通道因子对预测效果具有正贡献,这为深度学习的可解释性提供了一定参照。
一种星载降水测量雷达和地基天气雷达的频率修正方法
吴琼, 仰美霖, 陈林, 尹红刚, 商建, 谷松岩
, doi: 10.11676/qxxb2023.20220093
摘要:
通过结合GPM反演算法中用到的亮带模型以及Mie散射计算,生成了固态、液态以及混合相态三种降水情况下的散射函数查找表;通过与GPM实测数据的对比,验证了查找表的精度,表明散射计算的最大偏差小于0.5dB。基于该查找表,完成了星载Ku波段雷达到S波段雷达的频率修正。对散射函数的分析表明Ku波段到S波段的频率修正取决于相态、亮带以及谱参数D_m。其中,液态降水的频率修正量以负值为主,最大不超过-3dB。混合相态降水的频率修正量随着亮带高度的不同差异非常明显。固态降水的频率修正在不存在亮带时均为正值,存在亮带时,则随着温度的变化而显著变化。本文提出的方法可用于实现星地不同波段雷达之间的频率修正,为星地雷达的匹配和对比提供有效支撑。
2016与2020年江淮流域梅雨期降水准双周振荡特征的对比分析
钟倩媚, 马静, 王璐
, doi: 10.11676/qxxb2023.20220075
摘要:
利用海温和多种大气环流再分析资料以及中国逐日降水站点观测数据,通过滤波、合成等方法对2016年和2020年江淮流域梅雨期降水的准双周振荡特征进行了对比分析。结果表明,这两年江淮流域准双周振荡降水均异常偏多,但2016年的降水准双周振荡强度及低频异常降水较2020年更为显著。南海和西太平洋对流层低层向西北方向移动的低频反气旋以及中高纬度对流层中高层随西风急流向东南方向传播的低频气旋是引起2016年江淮流域降水准双周振荡的主要原因。2020年江淮流域降水的准双周振荡受到日本南部向西南方向移动的低频气旋、菲律宾海向西北方向移动的低频反气旋以及中高纬地区随极涡西向旋转而西移的低频气旋的共同影响。南海和热带西太平洋以及热带印度洋的持续海温暖异常通过海气相互作用激发并维持了2016年南海与西太平洋上空异常对流活动以及大气环流系统的准双周振荡。2020年黑潮及其延伸区和西北太平洋海温暖异常通过海气相互作用激发了该区域异常低频气旋反气旋交替生成和移出,调控西北太平洋副热带高压的进退,进而影响江淮流域降水的准双周振荡。在2016和2020年,对流层低层异常反气旋有利于海温的升高,海温正异常进一步激发大气低层异常气旋性环流,而异常气旋性环流会导致洋面变冷出现海温负异常,海温负异常又会促进异常反气旋环流的发展,通过这种准双周尺度上的海气相互作用,对流层低层的大气准双周振荡信号可持续地向江淮地区传播,从而影响江淮流域梅雨期降水的准双周振荡。
北半球中高纬度阻塞对东亚寒潮影响过程中平流层和对流层的相互作用
黄雯菁, 王蕾
, doi: 10.11676/qxxb2023.20220094
摘要:
利用ERA5逐日再分析资料集,发现近年来冬季(12月至次年2月)大尺度阻塞与寒潮频次的年际相关性有增加趋势,其中乌拉尔山大尺度阻塞与寒潮频次的年际相关性最为显著,鄂霍茨克海大尺度阻塞与寒潮频次的相关性最弱。选取乌拉尔山和贝加尔湖区域大尺度阻塞后10日内有寒潮爆发和没有寒潮爆发的事件进行进一步统计分析,发现乌拉尔山区域发生大尺度阻塞时,阻塞后有(无)寒潮的事件在阻塞发生前10天内,中高纬行星波向平流层上传加强(减弱),导致平流层极涡减弱(显著加强)。波活动响应的主要贡献来自于纬向1波。而90°-110°E、50°-70°N位势高度在阻塞发生后逐渐加强(减弱),最终导致寒潮爆发(未爆发)。贝加尔湖区域发生大尺度阻塞时的情况与乌拉尔山区域基本一致,但值得一提的是1990-2019时间段阻塞后有寒潮事件时行星纬向2波比纬向1波起着更为重要的作用。
基于FY-3 MERSI多光谱通道的霾判识研究*
高玲, 张兴赢, 吴荣华, 张碧辉
, doi: 10.11676/qxxb2023.20220079
摘要:
受高人为排放和不利天气条件共同作用,我国秋冬季霾事件频发,具有影响范围大、程度重、持续时间长的特点。为对离散的地面站点观测形成有效补充,本研究充分利用卫星大范围监测优势,依据云、冰雪、霾、亮/暗地表散射及发射特性不同波长依赖性,建立了基于多通道信息组合的霾区快速判识方法。通过引入空气分子散射订正,有效消除此前霾判识工作中大角度条件下的误判,极大缩小了阈值的变化范围,为霾区的自动识别奠定了基础。将该判识方法应用于我国风云三号(FY-3)卫星搭载的中分辨率光谱成像仪(MEdium-Resolution Spectral Imager,MERSI)上,实现了霾区的自动判识。通过与2020.10月- 2021.2月秋冬季地面气象站点中天气现象标记为霾以及地面环境监测站点中PM2.5超过75 μg/m3的数据进行对比,检验结果表明:FY-3D的霾判识结果与地面气象站点的一致性为91.1%,与环境监测站点的一致性略低,为85.6%。由于气象观测中的霾识别依靠是大气的消光能力,卫星霾判识也是通过气溶胶的消光特性来实现,因此两者特征也更为一致。
山东一次飑线双偏振结构与地面降水滴谱特征分析
郭飞燕, 刁秀广, 马艳, 王宁
, doi: 10.11676/qxxb2023.20220070
摘要:
基于济南双偏振雷达资料,并辅以降水现象仪雨滴谱资料和常规实况资料, 对2021年8月1日山东一次飑线过程双偏振特征和降水滴谱特征进行了分析,得出以下结论:飑线前侧为宽阔的倾斜上升气流区,低层为强下沉气流区,前侧上升气流区不断有新生单体激发发展,新生单体与主体回波合并发展,飑线后侧单体减弱,在这种较快的循环过程中飑线得以发展、维持、快速前行。前侧新生发展中的单体以少许偏大的液态粒子为主,与主体回波合并发展,具有较高的ZDR柱和KDP柱,液态粒子浓度迅速增大。主体回波后侧,冰相粒子下降到湿球0℃层之下出现明显的融化导致ZDR和KDP均增大,底层KDP增大更加明显,以高浓度的液态粒子为主,导致强降水。强降水最明显的滴谱特征是粒子浓度高,2mm以下粒子占比较高,降水开始增强时1-3mm的粒子对降水贡献较大且有特大粒子干扰,降水最强阶段2-4mm的粒子对降水贡献较大。飑线主体回波低层双偏振参量和雨滴谱存在较好的对应关系, 随着降水增强,ZDR减小而KDP增大,粒子浓度明显增高而6mm以上粒子明显减少。
一次强对流过程中两种不同类型风暴导致的极端对流大风分析
吴海英, 孙继松, 慕瑞琪, 庄潇然, 吕润清, 安礼政
, doi: 10.11676/qxxb2023.20220050
摘要:
利用多源观测资料,对2021年4月30日发生在黄淮地区的一次强对流过程中由不同类型风暴系统造成的极端对流大风进行了探讨。研究表明,此次强对流过程发生在东北冷涡背景下的强垂直风切变和层结不稳定环境中,地面气旋及锋面触发了初始对流,在其之后近10h的传播过程中经历了组织化发展、孤立风暴新生发展、合并与重组等不同阶段。期间,由两种不同类型风暴产生了特征相异的对流性大风:第一阶段,以江苏淮安站为代表,苏中极端对流性大风(36.2m/s)是由强烈发展的超级单体风暴引发的下击暴流所致。对流风暴低层呈现出明显的钩状回波结构特征,对应深厚的具有显著气旋性旋转的中气旋,在地面极端大风临近时刻,中气旋存在同时向上和向下拉伸、水平尺度快速收缩过程。贯穿整个风暴的下沉气流位于风暴钩状结构后侧,这支强下沉气流至地面附近迅速向外辐散,伴随风暴内强反射率核快速下降的特征,导致淮安产生时空尺度小且空间分布显著不连续的极端大风。第二阶段,以江苏南通地区为代表,苏东南地区极端大风的发展过程涉及多尺度天气系统的相互作用。线型对流系统前部存在明显的阵风锋,造成较大范围10级以上的地面大风;南通通州湾极端大风(47.9m/s)发生在阵风锋后侧,其形成一方面是由于线型对流风暴造成的强冷池与地面冷锋相叠加,形成更强的气压梯度,另一方面与地面中尺度气旋入海过程中的强烈发展以及风暴后侧倾斜向前的下沉气流导致的高空风动量下传机制有关。
北大西洋和热带印度洋海温的协同作用对松花江流域暖季降水年代际变化的影响
李永生, 陈晨, 李忠贤, 班晋, 赵佳莹
, doi: 10.11676/qxxb2023.20220068
摘要:
本文利用松花江流域100站降水资料、NCEP/NCAR再分析资料、Hadley中心海温资料等,运用多种统计方法和数值模拟,分析了1975–2020年松花江流域暖季(5-9月)降水的年代际变化特征及其与北大西洋和热带印度洋海温的关系。研究表明,松花江流域暖季降水具有明显的年代际变化特征,在1990s中后期发生明显的年代际转变,由多雨阶段转为少雨阶段。在年代际尺度上,暖季北大西洋马蹄型(north Atlantic horseshoe,NAH)海温模态和印度洋海盆一致型(Indian Ocean Basin,IOB)海温模态分别与同期松花江流域降水呈现显著的负相关和正相关关系,相关系数分别为-0.77和0.68。1990s中期之前,NAH模态负位相的海温异常,在欧亚中高纬地区激发纬向波列,将异常波能量传递到东北亚地区,在日本海至贝加尔湖地区产生异常气旋式环流;同时,IOB模态正位相的海温异常,通过激发Kelvin波,引起南海到孟加拉湾地区异常反气旋式环流。该异常反气旋式环流在东亚沿海激发PJ波列,使得松花江流域出现异常气旋式环流。两者的共同作用使得北太平洋水汽输送至松花江流域,有利于松花江流域降水偏多;在1990s中期之后,NAH(IOB)模态由负位相(正位相)转为正位相(负位相),在NAH正位相和IOB负位相的协同影响下,松花江流域出现异常反气旋式环流,导致降水偏少。
GNSS/PWV与风云四号A星GIIRS水汽廓线融合应用研究
杜明斌, 梁宏, 吴春强, 曹云昌, 郭巍, 唐玉琪, 岳彩军
, doi: 10.11676/qxxb2022.070
摘要:

我国新一代地球静止气象卫星风云四号A(FY-4A)星搭载的干涉式大气垂直探测仪(Geostationary Interferometric Infrared Sounder, GIIRS)以红外高光谱干涉分光方式探测三维大气温湿结构,取得了在静止轨道上探测大气的突破性进展。地基GNSS(Global Navigation Satellite System)是一种连续监测大气可降水量(Precipitable Water Vapor, PWV)的有效手段,基于2018年6-8月的全国地基GNSS站监测的PWV和FY-4A/GIIRS水汽廓线的业务产品以及常规无线电探空资料,开展GNSS/PWV与FY-4A/GIIRS水汽廓线快速融合应用,以提高用卫星资料反演大气水汽廓线的精度。结果表明:与常规无线电探空相比,FY-4A/GIIRS水汽廓线产品在大气低层均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)为4.5 g/kg,700 hPa为2.4 g/kg,500 hPa以上因水汽含量较少RSME小于1.5 g/kg。利用GNSS/PWV与FY-4A/GIIRS水汽廓线融合后,FY-4A/GIIRS水汽廓线误差整层RMSE减少20%,从近地层到600 hPa RMSE平均减少20-25%,尤其是850-700 hPa改善最明显,极大改善了卫星水汽反演资料的可用性。通过对一次多系统影响的暴雨天气过程应用分析表明,GNSS/PWV和FY-4A/GIIRS融合产品可获得高时空密度的大气水汽廓线,对强降水的临近预报有非常重要的支撑作用。

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:
利用台风最佳路径、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(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及以上个数台风成员的“MTC3”群发台风出现了突变减少现象,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,导致西太地区普遍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,它向东南侧引起的Rossby频散波列在145-165°E、5-20°N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“7.20”极端暴雨过程发展维持机制的初步分析
齐道日娜, 王秀明, 俞小鼎, 张军辉
, doi: 10.11676/qxxb2023.20220014
摘要:
本文利用实况资料和ERA5再分析资料对“7?20”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θse密集区有较好对应关系,水平散度项和水平变形项起主导作用,两者贡献基本相当;视热源 和视水汽汇 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,区域性强烈的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,强烈的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。
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(324) PDF(46)
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垂直风切变向弱的对流有效位能和强的垂直风切变演变;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提供主要贡献,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垂直温度直减率加大,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。
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:
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的状况。为了探究此次降水过程中的模式不确定性,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GRAPES_Meso模式进行对流尺度集合预报试验,最后探究了CNOP-P型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型敏感参数主要和垂直扩散、云雨自动转换或其他水凝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着重要作用。7日00—04时,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多的主要原因,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加强,更活跃的暖雨过程主导了增城强降水中心降水量的增多。该研究初步证明了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。
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:
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。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。由于动力预测模式对调控区域降水的大尺度异常信号(热带对流和中纬度波列)有稳定且较高的预测能力,采用中国气象局参加国际次季节至季节预报项目的模式(BCC-CPS-S2Sv2模式,简称BCC S2S模式)预报数据,对中国南方的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天预报出中国南方大部分区域的异常降水;然而,提前15?20天以上的预报中,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。本研究提供了一种新的延伸期预报思路和尝试,该方法对于其他区域气象要素和极端天气事件的延伸期预报具有应用前景。
准平直长路径与多折向路径东移高原涡的环境场特征
郁淑华, 高文良, 彭骏
, doi: 10.11676/qxxb2022.067
摘要:

利用1998~2018年NCEP/NCAR 全球可使用最终分析数据、大气观测资料、青藏高原低涡切变线年鉴,采用合成方法比较分析了准平直长路径和多折向路径东移高原涡的环境场特征以及探讨了低涡折向的主导因素。结果表明: 准平直长路径涡、多折向路径涡长时间活动的共同环境场特征是有明显影响低涡活动的天气系统, 副高位于高原涡西南方,高原涡以北上空伴有东、西段急流;使低涡有正渦度平流输入,高原涡上空为辐散区,高空高位涡下传到低渦。它们环境场特征差异是明显的,主要是多折向路径涡伴有较强的热带低压活动,是在副高、西风带天气系统、热带低压相互作用的环流背景下,高原涡东移受阻而折向的; 准平直长路径涡是在西折向路径涡强,造成了准平直长路径涡的正渦度平流、位涡、斜圧性、高空辐散比多折向路径涡强。多折风带天气系统为主导的环流背景下向东移动的; 准平直长路径涡受冷空气、西南气流与高空锋区的影响比多向路径涡造成折向的主导因素是环境场条件使低涡在减弱、东移受阻的情况下,高空高位涡中心在低涡西部上空,高位涡下传的使低渦加强的强正位渦异常区出现在低渦西部,低渦移向低渦加強的区域,造成低渦折向。

S2S模式对四川汛期侯尺度降水预测技巧评估和误差订正
庞轶舒, 马振峰, 郑然, 肖颖, 马晓慧
, doi: 10.11676/qxxb2022.068
摘要:

本文针对四川汛期候降水距平百分率(PAP),采用距平相关系数(ACC)、时间相关系数(TCC)、符号一致率(SCR)和趋势异常综合评分(PS) 4种预测评分方法对S2S计划中10个模式的预测技巧进行检验评估,并在误差分析的基础上提出“正负概率异常订正”方案对各模式侯PAP预测结果进行订正。结果表明,随着预测时效增加,多数模式的预测技巧快速降低,模式间预测技巧的差距缩小。至第10天左右,各模式进入低技巧时段,预测技巧随时效变化的幅度减小,各模式仅对降水趋势异常有一定预测能力,其中BoM明显高于其他模式。这主要是因为除BoM模式外的其他模式对降水年际变化幅度都存在低估,PAP异常偏差为-33%~-18%,不随预测时效发生太大变化,但空间分布不均。经过误差订正后各模式的ACC和SCR有所提高,PS有效提高,并且在次季节尺度的订正效果优于天气尺度。经过订正后,各模式在次季节尺度的平均PS评分均高于76.8,且66.7%的模式PS评分在79.2和80.2之间,超过业务评分标准(72)近8分。这种订正效果在4年的独立样本检验中也得到验证。

中国北方冬季降水的多源资料产品评估和融合优化
潘旸, 谷军霞, 师春香, 王正
, doi: 10.11676/qxxb2022.069
摘要:

考察不同来源降水产品在中国北方冬季(特别是固态降水)的精度水平和可用性,利用2019年12月-2020年2月美国CMORPH和IMERGE卫星反演降水、日本GSMaP、中国气象局雷达QPE、CMA-MESO模式预报以及地面观测插值等不同来源分析的降水产品,以地面站观测逐小时降水量数据为基准,从KGE评分、相关系数、平均误差和均方根误差等精度统计指标以及命中率(FOD)、虚警率(FAR)和TS评分等降水事件发生角度开展评估,结果表明:中国区域单源降水产品中地面插值分析产品对冬季降水描述精度水平最高也最稳定,但存在明显的系统偏低;其次是雷达QPE和IMERG卫星产品,对中国北方偏南部地区的降水有一定描述能力,但对北方高纬度地区固态降水的反应能力较差;卫星产品中IMERG精度水平最高,CMORPH则基本没有反演能力;CMA-MSEO模式产品虽然误差较大但与地面站点观测的降水特别是固态降水有较高相关,明显优于雷达和IMERG、GSMaP等卫星产品。采用BMA技术融合雷达、模式、卫星降水形成优化背景场,评估逐步引入不同的数据源对融合降水在冬季的精度水平影响,引入IMERG卫星和CMA-MESO模式产品均能提升高分辨率融合产品的质量,其中模式产品的改进效果最显著。

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:
把握冬季气温异常变化趋势是进行短期气候预测的重要前提。已有的基于统计学方法对冬季气温进行气候诊断的研究只考虑了单一特征因子与冬季气温的关系,无法考虑特征因子之间的联系。因此在本文使用1951-2021年我国160站冬季平均气温及多项大气环流及海温等指数,以新颖的机器学习方法为工具,研究影响我国冬季气温异常趋势变化与大气环流及外强迫因子之间的关系。首先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,其优势是可以同时提取多个特征因子,这样不仅考虑每个特征因子与冬季气温的关系,还可以考虑了特征因子之间的联系;其次,为体现特征因子之间非线性关系,使用泰勒公式对原始特征进行了多项式特征增广;最后,为进一步拟合筛选出来的特征因子之间的非线性关系,使用最小二乘梯度提升决策树(LS-GBDT)算法对冬季气温进行估算拟合,并分别在训练样本和测试样本对比试验效果。最后的结果验证我们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,在独立样本上的距平符号一致率和空间相关系数分别达到73%和39%,从而再现了大气环流﹑海温等外强迫因子与冬季气温异常变化的联系。估算拟合结果显示,利用机器学习对大量可能影响冬季气温异常因子的所有组合进行筛选,可以寻找出以往研究尚未发现的例如热带南大西洋海温指数、850hpa太平洋信风指数等可能影响冬季气温的新因子。尽管目前还不能完全从物理机制上给予解释,但为研究我国冬季气温异常变化模拟与估算提供了新途径。
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:
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。本文采用降维投影四维变分的同化方法,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,相关系数均至少通过了95%的信度检验。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。本文的重要意义在于,强调了耦合模式初始状态的准确性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。
东西伯利亚-波弗特海海冰多年代际变率及其与北大西洋多年代际涛动的联系
刘莉, 张文君, 刘超
, doi: 10.11676/qxxb2023.20220080
摘要:
基于哈德莱中心(Hadley Centre)逐月的海表温度(sea surface temperature,SST)、海冰密集度(sea ice concentration,SIC)资料以及美国国家环境预测中心/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年期间秋季(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,该地SIC年代际变率可占SIC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,在AMO正位相,北大西洋暖海温异常激发向极传播的大气Rossby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增温,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,进一步佐证了本文结论。
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:

摘要 [目的]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。[资料和方法]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。[结果]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 m/s以下,延庆赛区8级以上大风,阵风风速预报评分为0.5以上,[结论]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。

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分析
杨磊, 郑永光
, doi: 10.11676/qxxb2023.20220023
摘要(102) PDF(31)
摘要:

2019年8月16日沈阳市区受伴有低空γ中尺度涡旋特征的降水系统影响,出现1951年有观测以来最强的小时降水量(102mm)。[目的]为了提高由于此类涡旋导致的暴雨分析和预报能力,[资料和方法]本文综合利用多源观测和ERA5再分析资料,对本次过程的低空γ中尺度涡旋的观测特征、形成原因及在暴雨形成期间起到的作用进行分析。[结果]结果表明:本次过程期间,500hPa沈阳位于东北冷涡前侧,低空位于“利奇马”台风残涡西侧水汽输送带内,16日午后沈阳市区具有近地面接近干绝热递减率、较低LCL和逐渐加强的垂直风切变的环境特征。傍晚沈阳市区内的γ中尺度辐合风场首先触发局地风暴,随后冷涡风暴进入沈阳,风暴群在局地风暴具有反气旋式旋转处合并。合并后的风暴加强本次极端降水事件,低空出现生命史约30分钟的γ中尺度涡旋对,随后出现罕见的辐合反气旋式涡旋加强的现象。相比我国中气旋统计特征,本次低空浅薄涡旋生命史短、尺度小、移速慢并产生强垂直涡度。涡旋出现后所有5分钟降水量超过10mm的自动气象站均出现在涡旋对之间的区域,更是出现了自从1951年有观测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可以表征强降水的强度和范围。极端降水事件需要强的雨强和长降水时间,本次过程中的合并风暴具有暖云低质心回波特征,前期局地风暴降水也导致地面温度露点差减小,可确保高降水效率,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;涡旋强烈旋转造成近地面上升气流,有利于风暴再次发展,进而延长降水时间。本次低空反气旋式涡旋出现及加强的原因可能是:冷涡风暴低空准线型的出流边界形成由北指向南的水平涡管,在初期降水下沉气流的向下扭曲作用下,近地面出现中尺度涡旋对;由于环境风切变矢量随高度逆时针旋转,更有利于反气旋式风暴加强,和理论研究一致,另外本次反气旋更靠近合并风暴内的强上升气流区域,也可在其拉伸作用下加强。[结论]最后本文也归纳了本次低空γ中尺度涡旋的形成机制和暴雨模型,为今后做好此类天气分析和预报研究提供参考。

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[1]
汪宁, 谢志清, 高苹, 李昕, 张灵玲, 苗茜
, doi: 10.11676/qxxb2023.20220058
摘要:

[资料和方法]利用1961-2020年江苏省70个气象观测站数据,分析了四类低温事件的时空分布特征,建立四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,[目的]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][结论]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;研究时段内四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。

海陀山冬奥气象综合观测平台及研究进展
, doi: 10.11676/qxxb2023.20220029
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、数据评估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。

华北地区秋冬季气溶胶污染与不同类型降水的关系研究
肖之盛, 缪育聪, 朱少斌, 于扬, 杜晓惠, 车慧正
, doi: 10.11676/qxxb2022.066
摘要:

气溶胶对降水的影响具有很大的不确定性,正确理解和认识气溶胶对不同类型降水的影响对提高天气预报的准确性和全球气候变化具有重要意义。利用GPM-DPR卫星资料和MERRA-2再分析资料分析了气溶胶污染与华北地区2014-2020a秋冬季对流降水和层状降水的关系。结果表明:与清洁状况相比,气溶胶污染状况下对流降水的降水强度有所增强,雨顶高度更高。在污染状态下对流降水具有粒径更小但数量更多的降水粒子,潜热加热率也更高。气溶胶污染与层状降水的降水强度、雨顶高度等宏观特征没有明显相关关系。层状降水相比对流降水更容易受到大气水汽条件和垂直上升运动的影响。 因此,在气象条件主导降水的情况下,气溶胶污染对华北地区层状降水的影响很难通过GPM-DPR数据和MERRA-2数据观测到。

淮北地区不同类型暴雨雨滴谱特征及其Z-R关系研究
张庆池, 刘端阳, 武艳, 吕翔, 朱丽, 刘子贺
, doi: 10.11676/qxxb2022.025
摘要:

选取2017-2020年淮北地区夏季雨滴谱观测资料对低槽型、副高边缘型、冷涡影响型和台风型四种类型暴雨雨滴谱分布进行分析。研究表明淮北地区降水发生频率主要以层状云为主,而对总降水的贡献率大的却是对流降水。不同类型暴雨微物理量同样存在差异,低槽型、台风型数浓度较大,副高边缘型和冷涡影响型各种特征直径相比其他两类较大。分析不同尺度雨滴粒子与雨强的关系,小雨滴数浓度占比超过60%,但对雨强起主要贡献是中粒子,不同类型暴雨的差异主要是由小雨滴和大雨滴对雨强贡献率的差异造成的;并且随着雨强的增大,小雨滴的贡献率逐渐减小,大雨滴增加。不同雨强档下的雨滴谱分布基本呈单峰分布,随着雨强增大各尺度档粒子数浓度增加,谱宽增大,斜率逐渐减小;当雨强增大时质量平均半径Dm-标准化参数lgNw 分布趋于集中, Dm和 lgNw的平均值分别为是1.15mm和3.79 ;通过Gamma分布拟合发现,低槽型和台风型暴雨谱分布参数的平均值和标准差大于另外两类;除标准化参数的偏度为负值外,其余各参数偏度均为正值;不同类型暴雨谱型-斜率u-A及反射率因子-雨强Z-R略有差异,本文得出淮北地区总体降水的Z-R关系为Z=167.4R^1.42。相比之下,目前雷达系统采用的标准关系式将低估淮北地区暴雨降水,尤其对低槽型和台风型暴雨时误差较大。

地闪三维随机模型的改进及多上行先导的数值模拟研究
林雨荷, 谭涌波, 余骏皓, 樊佳乐
, doi: 10.11676/qxxb2022.065
摘要:

【目的】为了探讨地闪连接过程中多上行先导的起始与发展,【资料和方法】考虑到光学观测事实及雷暴电场环境,本研究在已有多上行先导三维随机参数化方案的基础上,植入背景电场模块并改进上、下行先导模块。基于新模型开展大量敏感性试验,【结果】结果如下:(1)新模型模拟的下行先导形态多样、分支数大幅减少,能更好地再现多样的地闪连接过程。(2)在孤立建筑物情况下,上行先导长度、闪击距离以及触发多上行先导的次数与建筑物高度正相关。(3)随着建筑物增高,同一次地闪中首个始发的上行先导与后续始发的上行先导间的起始时间差整体呈现上升趋势。【结论】初步研究表明:建筑物高度对触发多上行先导的影响显著;此外,受到建筑物高度及正负先导发展情况的影响,低矮建筑物触发的多上行先导几乎同时起始,而高建筑物上允许首个始发的上行先导优先发展一定长度后再始发后续上行先导。

热带气旋大风风圈半径非对称性特征及成因简析
于玲玲, 麦健华, 程正泉
, doi: 10.11676/qxxb2022.064
摘要:

[目的]为进一步完善热带气旋(TC)大风风圈的分析和预报业务,[资料和方法]利用中央气象台(NMC)发布的TC报文资料、ERA5再分析资料,研究了2015年6月30日至2020年12月31日时段内的TC最大强度时的7级、10级和12级风圈的非对称性特征及成因。统计结果表明:[结果]TC的7级风圈半径非对称性最大,10级次之,12级最小;非对称分布TC的7级、10级和12级风圈最大半径大多分布在NE、SE和NW象限;同一TC的7级和10级风圈最大半径大多分布在相同的象限。将7级风圈单一象限分布TC与多象限分布TC各按象限分布分成四类,分析四类7级风圈单一象限分布TC的生成季节、地面10m风特征及风圈非对称分布的成因发现:[结论]各类TC具有明显的季节性特征;地面10m风场呈不对称分布;风圈非对称分布与西太副高、西南气流及地面冷高压等天气系统与TC之间相互作用造成的各象限位势高度梯度非对称分布密切相关。

冰雹形成过程及人工防雹研究综述
姚展予, 屠琦, 安琳, 汪会, 李集明, 贾烁, 赵洁云, 姚振东
, doi: 10.11676/qxxb2022.061
摘要:

冰雹作为一种短时强灾害性天气过程,常给农业、建筑、电力、交通甚至生命财产等造成严重影响,人工防雹也因此受到人们的广泛关注。本文首先介绍了冰雹形成机理和雹云物理研究,然后围绕人工防雹机理、防雹技术、防雹科学试验及防雹效果评估这四个方面的研究进行了综述,旨在从理论和实践上深入了解人工防雹工作的国内外进展,增进对人工防雹科学问题的认知,从而为促进我国人工防雹理论研究和技术进步提供借鉴。研究表明:(1)“累积带理论”和“循环增长理论”是冰雹形成的最常见理论,限于早期的雷达观测技术和缺乏完整的冰雹数值模式,早期认知的冰雹形成机理存在一定的局限性。(2)雹胚一般分为冻滴胚和霰胚,冻滴胚由过冷雨滴冻结形成,霰胚则是冰晶、雪花撞冻增长而成。冰雹云中哪种雹胚占优势,主要看云底温度高低。雹云的发展依赖于水汽条件、动力不稳定条件、垂直风切变等关键因子。(3)人工防雹主要遵循“播撒防雹”和“爆炸防雹”两条技术路线,“利益竞争”和“早期降雨”是常见的六种防雹原理假说中最广泛被用来作为防雹作业设计依据的两种播撒防雹理论。(4)人工防雹技术上,多采用通过飞机、地面火箭、地面燃烧炉等向云中播撒人工冰核,或通过地面高炮向云中发射含人工冰核的炮弹等方式,影响冰雹的生长过程从而达到抑制或削弱冰雹增长的目的。(5)大量外场试验证明人工防雹效果有较大的地域差异,需因地制宜地根据各地冰雹云特征及其降雹特点,制定和发展本地适用的人工防雹技术体系。(6)人工防雹效果检验仍然是制约人工防雹技术发展的一个瓶颈问题,目前常用的统计检验、物理检验和数值模拟检验技术方法均需要进一步的改进和完善。由于雹云变化迅速、降雹过程短促,人工防雹技术实施的时效性以及防雹效果评估仍存在较大的困难。今后应更多地借助多种探测设备进行冰雹云的精细化探测,开展有科学设计的人工防雹外场综合试验,运用统计检验、物理检验和数值模拟相结合的综合检验技术方法评估防雹效果,推动人工防雹事业更进一步发展。

冷涡背景下一次微型超级单体龙卷的雷达特征和物理过程探究
袁潮, 李得勤
, doi: 10.11676/qxxb2022.063
摘要:

2019年8月16日渤海湾北部沿岸出现了一次冷涡背景下的EF1级龙卷。利用营口S波段双偏振多普勒天气雷达观测资料、5min间隔的地面自动气象站观测资料、盘锦风廓线雷达资料及ERA5再分析资料,研究了该龙卷风暴产生的环境条件、龙卷风暴结构特征及龙卷形成的可能物理过程。结果表明:此次龙卷过程发生在500 hPa冷涡主体控制下,低空位于“利奇马”台风残涡西侧水汽输送带内,环境条件表现为弱的垂直风切变和强低层热力不稳定。营口双偏振雷达位于龙卷发生地15 km处,探测到产生龙卷的微超级单体钩状回波、下降的反射率核心(DRC)、弱回波洞(WEH)、龙卷残片特征(TDS)等结构。旧雷暴阵风锋出流向西传播,而营口附近海风锋缓慢东移,两条边界层辐合线相遇加强,在水平切变不稳定的作用下,辐合线上有γ中尺度涡旋形成。辐合线相遇造成的辐合抬升,低层强热力不稳定导致的环境正浮力以及中层中气旋扰动低压共同作用产生强烈上升气流,γ中尺度涡旋与上升气流叠置,强拉伸作用增强了垂直涡度,可能为形成低层微尺度气旋(misocyclone)的关键机制。misocyclone的最大旋转速度与最小直径相耦合对应龙卷生成,中层中气旋与misocyclone相互扯离对应龙卷消亡。

安徽省区域性强浓雾气候特征及影响因子
, doi: 10.11676/qxxb2022.062
摘要:

根据强浓雾发生的同步性,可将安徽分为5个不同区域。为了解安徽区域性强浓雾的演变规律及成因,首先利用1980-2019年安徽省68个资料完整的国家级气象观测站08时能见度、相对湿度和天气现象资料,探讨了各区域区域性强浓雾的判定标准,建立各区域40 a的区域性强浓雾日时序资料,分析了区域性强浓雾的年际和年代际变化趋势;然后利用2016-2019年77个国家级气象观测站逐时资料分析了不同区域区域性强浓雾的年变化、日变化及持续时间分布等特征;最后,探讨了冬季区域性强浓雾年际变化的成因。结果表明:(1)1980-2019年,沿淮淮北3个区域区域性强浓雾日数都有先升后降的变化趋势,转折点在2006/2007年;1980-2007年区域性强浓雾日数呈明显的上升趋势,应归因于气溶胶粒子增多。年代际比较,各区域区域性强浓雾日数都是20世纪90年代或21世纪最初10年最多,21世纪第2个10年最少;各区域区域性强浓雾出现日数年际变化大,最少的年份0-1 d,最多年份可超过10 d。(2)2016-2019年,各区域年均区域性强浓雾日数14-17 d,主要集中在仲秋到仲春;持续1 h的强浓雾日占比最高,持续3 h的样本是另一个峰值;淮河以北2个区域年均区域性强浓雾日数最多、且持续时间达到3 h的区域性强浓雾占比最高。(3)淮河以北冬季区域性强浓雾日数与降水日数、降水量、相对湿度和08时气温均有较为显著的正相关,而与风速和小风日数相关不显著;沿江地区冬季区域性强浓雾日数主要受地面风速影响;而江南冬季强浓雾日数与各地面因子均无明显相关。(4)以1月为例,各区域区域性强浓雾天数都与纬向环流指数呈正相关,沿淮淮北3个区域区域性强浓雾天数都与东亚槽位置呈正相关,而与东亚大槽强度相关不明显。说明纬向型环流、东亚槽位置偏东有助于安徽沿淮淮北形成强浓雾。进一步分析发现,雾多的1月海平面气压中40°N以北的1030 hPa线位置偏东(如在120°E以东),近地层偏东风较强,地面湿度偏高。