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中国气象局2013年 第24卷 第6期
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2013, 24(6): 641-655
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摘要:
经过近60年的发展，我国短期气候预测技术和方法也有了长足进步。近年来，一些新的预报技术和机理认识不断应用于短期气候预测业务。ARGO海洋观测资料的使用大大提高了业务模式的预测技巧，新一代气候预测模式系统已经投入准业务化运行，研发了多种模式降尺度释用技术，多模式气候预测产品解释应用集成系统 (MODES) 和动力-统计结合的季节预测系统 (FODAS) 逐渐应用于业务中，大气季节内振荡 (MJO) 逐步在延伸期预报中得到应用。近年来，对全球海洋、北极海冰、欧亚积雪、南半球环流系统对东亚季风影响的新认识也不断引入到短期气候预测业务中。这些新技术和新认识的应用极大提高了我国短期气候预测的业务能力。
经过近60年的发展，我国短期气候预测技术和方法也有了长足进步。近年来，一些新的预报技术和机理认识不断应用于短期气候预测业务。ARGO海洋观测资料的使用大大提高了业务模式的预测技巧，新一代气候预测模式系统已经投入准业务化运行，研发了多种模式降尺度释用技术，多模式气候预测产品解释应用集成系统 (MODES) 和动力-统计结合的季节预测系统 (FODAS) 逐渐应用于业务中，大气季节内振荡 (MJO) 逐步在延伸期预报中得到应用。近年来，对全球海洋、北极海冰、欧亚积雪、南半球环流系统对东亚季风影响的新认识也不断引入到短期气候预测业务中。这些新技术和新认识的应用极大提高了我国短期气候预测的业务能力。
2013, 24(6): 656-665
摘要:
汛期降水预测是短期气候预测的重要内容之一，也是难点之一。近20年来，动力-统计相结合的预测方法在解决这一复杂的科学难题方面取得了一定进展。该文系统地介绍了近年来国家级气候预测业务中关于动力-统计客观定量化预测的原理、最优因子订正和异常因子订正两类预测方案，及动力-统计集成的中国季节降水预测系统 (FODAS1.0)。2009—2012年的汛期降水预测中，动力-统计客观定量化预测方法4年平均PS评分为73，距平相关系数为0.16，体现了较高的预报技巧。但该方法仍存在不足，需通过加强气候因子与降水之间关系的诊断分析、完善短期气候模式的物理过程、改进参数化方案及研发有针对性的区域气候模式等手段，进一步提高模式本身的预报技巧，使动力-统计预测方法在汛期降水预测中发挥更大作用。
汛期降水预测是短期气候预测的重要内容之一，也是难点之一。近20年来，动力-统计相结合的预测方法在解决这一复杂的科学难题方面取得了一定进展。该文系统地介绍了近年来国家级气候预测业务中关于动力-统计客观定量化预测的原理、最优因子订正和异常因子订正两类预测方案，及动力-统计集成的中国季节降水预测系统 (FODAS1.0)。2009—2012年的汛期降水预测中，动力-统计客观定量化预测方法4年平均PS评分为73，距平相关系数为0.16，体现了较高的预报技巧。但该方法仍存在不足，需通过加强气候因子与降水之间关系的诊断分析、完善短期气候模式的物理过程、改进参数化方案及研发有针对性的区域气候模式等手段，进一步提高模式本身的预报技巧，使动力-统计预测方法在汛期降水预测中发挥更大作用。
2013, 24(6): 666-676
摘要:
气候监测诊断是了解气候系统变化及其成因的重要手段。经过二十多年的发展，目前国家气候中心建立了一套多时间、多空间尺度的气候系统监测诊断业务系统，并且在业务应用中不断发展和完善。同时，加强了关键异常信号及其对我国气候异常的影响机理的研究，在海温、冰雪、土壤温湿度、大气低频振动、北极涛动、季风、平流层异常等对我国气候影响的监测诊断等方面提出一些新理论、新技术和新方法，并在业务中得以应用。本文回顾了近20年来我国气候监测诊断业务的发展历程，介绍了我国气候监测诊断业务的技术现状，重点总结了近些年来在实时气候监测诊断业务中发展和应用的一些新技术和气候异常机理。
气候监测诊断是了解气候系统变化及其成因的重要手段。经过二十多年的发展，目前国家气候中心建立了一套多时间、多空间尺度的气候系统监测诊断业务系统，并且在业务应用中不断发展和完善。同时，加强了关键异常信号及其对我国气候异常的影响机理的研究，在海温、冰雪、土壤温湿度、大气低频振动、北极涛动、季风、平流层异常等对我国气候影响的监测诊断等方面提出一些新理论、新技术和新方法，并在业务中得以应用。本文回顾了近20年来我国气候监测诊断业务的发展历程，介绍了我国气候监测诊断业务的技术现状，重点总结了近些年来在实时气候监测诊断业务中发展和应用的一些新技术和气候异常机理。
2013, 24(6): 677-685
摘要:
多模式集合和降尺度技术是提升模式预测能力的有效工具。该文对国家气候中心多模式解释应用集成预测 (MODES) 技术与业务应用现状进行了综合介绍。MODES采用欧洲中期天气预报中心、东京气候中心、美国国家环境预报中心和中国气象局国家气候中心4个气候业务季节预测模式输出场，利用EOF迭代、变形的典型相关分析、最优子集回归和高相关回归集成4种统计降尺度方法以及等权平均、经典超级集合等集成方法进行全国月及季节降水和气温预测。目前对MODES进行了夏季回报检验和约1年的实时业务应用。回报检验和业务应用表明，MODES对气温有较好的预测能力 (月预测平均PS评分为76)，对降水有一定预测技巧 (月预测平均PS评分为68)，具有短期气候预测业务应用价值。
多模式集合和降尺度技术是提升模式预测能力的有效工具。该文对国家气候中心多模式解释应用集成预测 (MODES) 技术与业务应用现状进行了综合介绍。MODES采用欧洲中期天气预报中心、东京气候中心、美国国家环境预报中心和中国气象局国家气候中心4个气候业务季节预测模式输出场，利用EOF迭代、变形的典型相关分析、最优子集回归和高相关回归集成4种统计降尺度方法以及等权平均、经典超级集合等集成方法进行全国月及季节降水和气温预测。目前对MODES进行了夏季回报检验和约1年的实时业务应用。回报检验和业务应用表明，MODES对气温有较好的预测能力 (月预测平均PS评分为76)，对降水有一定预测技巧 (月预测平均PS评分为68)，具有短期气候预测业务应用价值。
2013, 24(6): 686-694
摘要:
基于延伸期过程性天气气候事件预报评估的特点，结合实际科研和业务工作的需求，提出了一种适用于延伸期过程预报的检验方法 (简称PPS方法)。该方法参考了常用的预报评分方法准则，借鉴了命中率、假警报率、欧式距离和动态时间弯曲距离等评估检验方法。利用命中率、假警报率和该方法对实际预报中可能出现的有漏报没有空报和既有漏报也有空报这两类情况的多个实例进行对比分析，表明该方法既能考虑大气随着时间的延长预报效果急剧降低的特性，也考虑了相似时间序列度量不精确匹配和形变的问题。利用该方法对1999—2010年冬季冷空气过程业务预报进行检验，结果表明：该方法能清晰表征延伸期预报时段内冷空气过程预报的准确程度，真实反映了目前延伸期预报准确率较低的现状，有较好的适用性。同时，该方法也适用于其他延伸期过程事件预报的评分，具有较好的应用前景。
基于延伸期过程性天气气候事件预报评估的特点，结合实际科研和业务工作的需求，提出了一种适用于延伸期过程预报的检验方法 (简称PPS方法)。该方法参考了常用的预报评分方法准则，借鉴了命中率、假警报率、欧式距离和动态时间弯曲距离等评估检验方法。利用命中率、假警报率和该方法对实际预报中可能出现的有漏报没有空报和既有漏报也有空报这两类情况的多个实例进行对比分析，表明该方法既能考虑大气随着时间的延长预报效果急剧降低的特性，也考虑了相似时间序列度量不精确匹配和形变的问题。利用该方法对1999—2010年冬季冷空气过程业务预报进行检验，结果表明：该方法能清晰表征延伸期预报时段内冷空气过程预报的准确程度，真实反映了目前延伸期预报准确率较低的现状，有较好的适用性。同时，该方法也适用于其他延伸期过程事件预报的评分，具有较好的应用前景。
2013, 24(6): 695-703
摘要:
基于逐日气象干旱指数，构建了可以反映某一时段内气象旱涝强度的标准化阶段气象旱涝强度指数 (staged meteorological drought intensity index, ISD) 和阶段气象旱涝时间分布状态的标准化阶段气象旱涝空间分布差异指数 (staged meteorological drought discrepancy index, ISDD)。以构建昆明月尺度的ISD和ISDD为例说明了阶段气象旱涝指数的构建方法，通过对不同时段降水距平百分率、ISD, ISDD和标准降水指数 (standardized precipitation index, ISP) 的对比分析，结合降水及逐日气象干旱指数 (multi-scale standardized precipitation index, IMSP) 的演变，验证了ISD和ISDD的有效性。对于任一站点的不同时间尺度，两个指数可以在日尺度到年尺度乃至更大的时间尺度上进行计算，通过Boltzmann函数来构建ISD和ISDD的方法具有很好的拓展应用性，其他气象干旱指数也可以采用该方法来构建阶段干旱指数。
基于逐日气象干旱指数，构建了可以反映某一时段内气象旱涝强度的标准化阶段气象旱涝强度指数 (staged meteorological drought intensity index, ISD) 和阶段气象旱涝时间分布状态的标准化阶段气象旱涝空间分布差异指数 (staged meteorological drought discrepancy index, ISDD)。以构建昆明月尺度的ISD和ISDD为例说明了阶段气象旱涝指数的构建方法，通过对不同时段降水距平百分率、ISD, ISDD和标准降水指数 (standardized precipitation index, ISP) 的对比分析，结合降水及逐日气象干旱指数 (multi-scale standardized precipitation index, IMSP) 的演变，验证了ISD和ISDD的有效性。对于任一站点的不同时间尺度，两个指数可以在日尺度到年尺度乃至更大的时间尺度上进行计算，通过Boltzmann函数来构建ISD和ISDD的方法具有很好的拓展应用性，其他气象干旱指数也可以采用该方法来构建阶段干旱指数。
2013, 24(6): 704-713
摘要:
利用常规天气、地面危险天气报、自动站加密、NCEP/NCAR再分析资料等，对2011年7月12—20日持续9 d的华北冷涡过程阶段性特征进行分析。结果表明：冷涡过程降水主要分布在内蒙古东北部、华北和东北南部，发展阶段对流性强，多雷暴大风和冰雹，水汽来源于西南和东南气流，850 hPa上有强暖温度脊，高空急流较完整；减弱阶段以短时强降水为主，水汽来源于偏东气流；两阶段700 hPa以下为斜压，上升运动区主要位于东侧；发展阶段500 hPa为干区，南侧存在干空气侵入和θe梯度；减弱阶段整层相对湿度较大，θe锋区及不稳定度减弱。中层冷平流及中高层正涡度平流随高度增强是冷涡发展的主要因子，冷涡减弱是由低层冷平流进入冷涡中心、中层冷平流及中高层正涡度平流减弱共同影响所致。
利用常规天气、地面危险天气报、自动站加密、NCEP/NCAR再分析资料等，对2011年7月12—20日持续9 d的华北冷涡过程阶段性特征进行分析。结果表明：冷涡过程降水主要分布在内蒙古东北部、华北和东北南部，发展阶段对流性强，多雷暴大风和冰雹，水汽来源于西南和东南气流，850 hPa上有强暖温度脊，高空急流较完整；减弱阶段以短时强降水为主，水汽来源于偏东气流；两阶段700 hPa以下为斜压，上升运动区主要位于东侧；发展阶段500 hPa为干区，南侧存在干空气侵入和θe梯度；减弱阶段整层相对湿度较大，θe锋区及不稳定度减弱。中层冷平流及中高层正涡度平流随高度增强是冷涡发展的主要因子，冷涡减弱是由低层冷平流进入冷涡中心、中层冷平流及中高层正涡度平流减弱共同影响所致。
2013, 24(6): 714-722
摘要:
该文给出了热带气旋暖心垂直倾斜度参数FTC-VGP(TC vertical gradient parameter) 的定义。使用卫星微波遥感的温度垂直分布以及热带气旋最佳路径数据等资料，对2009—2011年典型热带气旋的暖心垂直倾斜度进行计算，并研究其与气旋强度变化的关系。结果表明：暖心垂直倾斜度参数FTC-VGP变化与气旋自身强度变化有较好的对应性，该参数的变化能够明显地指示气旋强度增强、减弱以及强度突变, 能够指示环境场变化 (冷空气侵入) 等；其与气旋强度变化的周期不同，在强度增强或减弱阶段，倾斜度参数是经过快速适应性调整才完成了对热带气旋变化过程的贡献。因此，FTC-VGP参数的计算和研究结果实现了对于热带气旋内部三维结构特征的定量描述，可以准确把握热带气旋强度和变化趋势，并对热带气旋的监测、预报具有一定业务参考价值。
该文给出了热带气旋暖心垂直倾斜度参数FTC-VGP(TC vertical gradient parameter) 的定义。使用卫星微波遥感的温度垂直分布以及热带气旋最佳路径数据等资料，对2009—2011年典型热带气旋的暖心垂直倾斜度进行计算，并研究其与气旋强度变化的关系。结果表明：暖心垂直倾斜度参数FTC-VGP变化与气旋自身强度变化有较好的对应性，该参数的变化能够明显地指示气旋强度增强、减弱以及强度突变, 能够指示环境场变化 (冷空气侵入) 等；其与气旋强度变化的周期不同，在强度增强或减弱阶段，倾斜度参数是经过快速适应性调整才完成了对热带气旋变化过程的贡献。因此，FTC-VGP参数的计算和研究结果实现了对于热带气旋内部三维结构特征的定量描述，可以准确把握热带气旋强度和变化趋势，并对热带气旋的监测、预报具有一定业务参考价值。
2013, 24(6): 723-730
摘要:
2011年6—9月在中国气象局河北固城生态试验站借助大型电动式防雨棚及人工灌溉, 开展水分影响夏玉米生长发育的田间试验。首先进行夏玉米叶片光合作用日变化和光合作用光响应曲线的观测，然后利用不同模型拟合光响应曲线确定最适模型并提取光合特征参数，探讨土壤水分条件对不同生育时期夏玉米叶片光合特性的影响规律。结果表明：土壤水份适宜时，玉米抽雄期的光合能力最强，重度干旱时，抽雄期的光合能力降低幅度也最大，其次为乳熟期、拔节期；直角双曲线修正模型最适合描述干旱环境下的玉米光合能力光响应过程，轻度干旱使各生育时期光饱和点及最大净光合速率下降，而对光补偿点量子效率和光补偿点的影响不明显; 重度干旱下各生育时期光饱和点、最大净光合速率较轻度干旱又进一步下降，同时各生育时期光补偿点量子效率也有明显下降，而光补偿点明显上升，表明玉米叶片的强光利用能力对干旱敏感，而它的弱光利用能力对干旱响应较迟钝。
2011年6—9月在中国气象局河北固城生态试验站借助大型电动式防雨棚及人工灌溉, 开展水分影响夏玉米生长发育的田间试验。首先进行夏玉米叶片光合作用日变化和光合作用光响应曲线的观测，然后利用不同模型拟合光响应曲线确定最适模型并提取光合特征参数，探讨土壤水分条件对不同生育时期夏玉米叶片光合特性的影响规律。结果表明：土壤水份适宜时，玉米抽雄期的光合能力最强，重度干旱时，抽雄期的光合能力降低幅度也最大，其次为乳熟期、拔节期；直角双曲线修正模型最适合描述干旱环境下的玉米光合能力光响应过程，轻度干旱使各生育时期光饱和点及最大净光合速率下降，而对光补偿点量子效率和光补偿点的影响不明显; 重度干旱下各生育时期光饱和点、最大净光合速率较轻度干旱又进一步下降，同时各生育时期光补偿点量子效率也有明显下降，而光补偿点明显上升，表明玉米叶片的强光利用能力对干旱敏感，而它的弱光利用能力对干旱响应较迟钝。
2013, 24(6): 731-740
摘要:
采用一种基于相似误差的模式后处理方法，对2011年10月18日—2012年1月5日WRF模式24 h预报的陕西延长风电场风速进行误差订正。该方法通过寻找与当前预报相似的历史预报来进行误差订正，克服了一般基于时间顺序的误差订正方法的不足，即不能处理由于天气系统的剧烈转变引起的预报误差的快速变化。相似误差订正方法减小了预报的均方根误差和中心均方根误差，相对原始预报分别减小9%和10%左右。该方法不仅可以减小系统误差，还可以减小随机误差，从而提高预报准确率。同时，订正结果相对原始预报具有更好的Taylor图模态相关。相似误差订正方法对风能预报敏感区的订正效果更为显著，均方根误差和中心均方根误差分别减小了12%和22%左右。该方法尤其适用于基于风能模式预报的风速误差订正，同时该方法对其他的预测系统和预报变量也有很好的应用潜力。
采用一种基于相似误差的模式后处理方法，对2011年10月18日—2012年1月5日WRF模式24 h预报的陕西延长风电场风速进行误差订正。该方法通过寻找与当前预报相似的历史预报来进行误差订正，克服了一般基于时间顺序的误差订正方法的不足，即不能处理由于天气系统的剧烈转变引起的预报误差的快速变化。相似误差订正方法减小了预报的均方根误差和中心均方根误差，相对原始预报分别减小9%和10%左右。该方法不仅可以减小系统误差，还可以减小随机误差，从而提高预报准确率。同时，订正结果相对原始预报具有更好的Taylor图模态相关。相似误差订正方法对风能预报敏感区的订正效果更为显著，均方根误差和中心均方根误差分别减小了12%和22%左右。该方法尤其适用于基于风能模式预报的风速误差订正，同时该方法对其他的预测系统和预报变量也有很好的应用潜力。
2013, 24(6): 741-752
摘要:
利用地面加密观测资料、多普勒天气雷达回波强度、卫星云图TBB资料和NCEP 1°×1°分析资料，应用滤波和广义位涡理论, 对2012年6月1—2日云南省中部的首场切变冷锋型暴雨天气过程进行诊断分析。结果表明：中尺度天气系统是该次暴雨产生的直接原因, 强降水均发生在云顶亮温等值线梯度较大一侧，回波强度空间分布不均匀，回波发展高度较低，但回波结构致密，低质心，以液态降水粒子为主，因此降水分布不均匀，但降水效率高；水汽源地为孟加拉湾；低层水汽通量辐合带与冷锋、切变线、中尺度辐合线以及β中尺度低涡位置有较好的对应关系；700 hPa，850 hPa水汽通量强辐合区中心位置叠加时，其所在区域地面降水增强；强降水区域上空中低层广义湿位涡的正异常现象体现了降水区中低层高水汽集中特征；单站上空低层的广义湿位涡正异常增加时，地面降水强度增加，反之减小；800 hPa广义湿位涡正异常区对地面降水分布有一定指示作用，但暴雨中心与广义湿位涡强中心并不完全重合。
利用地面加密观测资料、多普勒天气雷达回波强度、卫星云图TBB资料和NCEP 1°×1°分析资料，应用滤波和广义位涡理论, 对2012年6月1—2日云南省中部的首场切变冷锋型暴雨天气过程进行诊断分析。结果表明：中尺度天气系统是该次暴雨产生的直接原因, 强降水均发生在云顶亮温等值线梯度较大一侧，回波强度空间分布不均匀，回波发展高度较低，但回波结构致密，低质心，以液态降水粒子为主，因此降水分布不均匀，但降水效率高；水汽源地为孟加拉湾；低层水汽通量辐合带与冷锋、切变线、中尺度辐合线以及β中尺度低涡位置有较好的对应关系；700 hPa，850 hPa水汽通量强辐合区中心位置叠加时，其所在区域地面降水增强；强降水区域上空中低层广义湿位涡的正异常现象体现了降水区中低层高水汽集中特征；单站上空低层的广义湿位涡正异常增加时，地面降水强度增加，反之减小；800 hPa广义湿位涡正异常区对地面降水分布有一定指示作用，但暴雨中心与广义湿位涡强中心并不完全重合。
2013, 24(6): 753-760
摘要:
为满足国家级气象数值模式业务系统对高性能计算资源不断增长的需求，提供规模更大、性能更优的高性能计算支撑平台，在高性能计算系统引进工作中开展了基于气象数值模式应用的高性能计算系统性能评测技术研究。该文将行业标准与实际业务应用相结合，设计了高性能计算系统性能评测方案，建立了中国气象局气象行业高性能计算系统性能评测模型。共选取10个测试程序，分别对单节点性能、网络性能和加速比等8个指标进行了测试和量化评分，并对主要测试结果中具有代表性的气象要素场进行了物理意义合理性检查。评测结果表明：评测方案设计合理，评测模型研究取得较好效果，保障了高性能计算系统引进工作顺利完成。
为满足国家级气象数值模式业务系统对高性能计算资源不断增长的需求，提供规模更大、性能更优的高性能计算支撑平台，在高性能计算系统引进工作中开展了基于气象数值模式应用的高性能计算系统性能评测技术研究。该文将行业标准与实际业务应用相结合，设计了高性能计算系统性能评测方案，建立了中国气象局气象行业高性能计算系统性能评测模型。共选取10个测试程序，分别对单节点性能、网络性能和加速比等8个指标进行了测试和量化评分，并对主要测试结果中具有代表性的气象要素场进行了物理意义合理性检查。评测结果表明：评测方案设计合理，评测模型研究取得较好效果，保障了高性能计算系统引进工作顺利完成。
2013, 24(6): 761-768
摘要:
气象业务的发展和社会需求的增长，对广域宽带网络系统提出更高要求，不但要求传输的数据量大，时效性强，而且要求其可靠性高。目前各省级气象局的宽带网可靠性设计，大都采用降级备份，无法做到双链路自动切换、无缝备份，难以满足气象业务7×24 h从不间断的实际需求，网络可靠性有待进一步提高。该文提出一种基于双向转发检测 (BFD) 和策略路由技术的网络可靠性设计方案，应用该方案不仅使网络结构和带宽有大幅提升，还能实现业务分流、链路冗余和故障自动切换，提高气象宽带网的可靠性水平。该方案经严格测试后，已依托广东省气象宽带网得以实现并投入业务运行，效果良好。同时，该设计对其他省级气象网络建设有一定参考价值。
气象业务的发展和社会需求的增长，对广域宽带网络系统提出更高要求，不但要求传输的数据量大，时效性强，而且要求其可靠性高。目前各省级气象局的宽带网可靠性设计，大都采用降级备份，无法做到双链路自动切换、无缝备份，难以满足气象业务7×24 h从不间断的实际需求，网络可靠性有待进一步提高。该文提出一种基于双向转发检测 (BFD) 和策略路由技术的网络可靠性设计方案，应用该方案不仅使网络结构和带宽有大幅提升，还能实现业务分流、链路冗余和故障自动切换，提高气象宽带网的可靠性水平。该方案经严格测试后，已依托广东省气象宽带网得以实现并投入业务运行，效果良好。同时，该设计对其他省级气象网络建设有一定参考价值。
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