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中国气象局2018年 第29卷 第6期
摘要
PDF 625KB
2018, 29(6): 641-656.
DOI: 10.11898/1001-7313.20180601
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摘要:
农业气象业务技术是开展农业气象服务的基础和前提，因此，农业气象业务技术的研发一直是国家级农业气象业务服务的核心工作。近年来，国家级农业气象业务技术已逐步迈向精细化、定量化，涵盖了农业气象监测评价、作物产量预报、农业气象灾害监测评估与影响预报、农用天气预报、农林病虫害发生发展气象等级预报等诸多领域。随着农业气象业务技术的发展，支撑农业气象服务的客观产品更加丰富和多样化，既有站点产品，又有格点产品，涵盖了日、周、月、季、年等不同时间尺度。以农业气象指标、数理统计模型、作物生长模拟、卫星遥感、地理信息系统、大数据等技术为核心的国家级农业气象业务平台（CAgMSS）已成为全国农业气象业务系统的重要品牌。面向现代农业发展对气象服务日益增长的需求，精细化、精准化的农业气象灾害监测与风险评估技术、作物长势评估与产量预报综合集成技术、农业应对气候变化技术以及农业气象大数据挖掘与人工智能技术将是未来国家级农业气象业务技术发展的重点。
农业气象业务技术是开展农业气象服务的基础和前提，因此，农业气象业务技术的研发一直是国家级农业气象业务服务的核心工作。近年来，国家级农业气象业务技术已逐步迈向精细化、定量化，涵盖了农业气象监测评价、作物产量预报、农业气象灾害监测评估与影响预报、农用天气预报、农林病虫害发生发展气象等级预报等诸多领域。随着农业气象业务技术的发展，支撑农业气象服务的客观产品更加丰富和多样化，既有站点产品，又有格点产品，涵盖了日、周、月、季、年等不同时间尺度。以农业气象指标、数理统计模型、作物生长模拟、卫星遥感、地理信息系统、大数据等技术为核心的国家级农业气象业务平台（CAgMSS）已成为全国农业气象业务系统的重要品牌。面向现代农业发展对气象服务日益增长的需求，精细化、精准化的农业气象灾害监测与风险评估技术、作物长势评估与产量预报综合集成技术、农业应对气候变化技术以及农业气象大数据挖掘与人工智能技术将是未来国家级农业气象业务技术发展的重点。
2018, 29(6): 657-666.
DOI: 10.11898/1001-7313.20180602
摘要:
构建早稻雨洗花灾害指标及适于早稻产量估算的灾损评估模型，对开展早稻雨洗花灾害监测、损失评估、灾害保险等具有重要意义。该文以江西省早稻为研究对象，利用1981-2015年14个水稻气象观测站逐日气象资料和农业气象观测资料，筛选出基于早稻抽穗扬花期间过程降水量、最大降水量、降水日数及实际产量的雨洗花灾害样本78个，在此基础上，利用相关分析、正态分布以及主成分回归法，建立了雨洗花灾害指标和灾损评估模型，并对其进行验证。结果表明：抽穗扬花期降水对雨洗花灾害形成有显著影响，其主要影响时段为抽穗扬花普遍期前后5 d内，关键时段为抽穗扬花普遍期前后3 d内。日降水量40 mm可作为早稻抽穗扬花期雨洗花灾害临界指标。以该指标为基础，统计日降水量不低于40 mm的降水日数及其对应的累积降水量，当累积降水量为40~170 mm时，为轻度雨洗花灾害，早稻一般减产小于15%，平均减产10%；当累积降水量不小于170 mm时，为重度雨洗花灾害，早稻一般减产不低于15%，平均减产22%。指标验证结果与历史实际灾害发生情况有较好的一致性。雨洗花灾损评估模型检验结果表明：雨洗花年模拟产量与实际产量吻合度较高，平均相对模拟误差为4.3%，78.0%的资料相对误差在5%以内，可利用该模型对雨洗花年的早稻减产率进行模拟和预测。
构建早稻雨洗花灾害指标及适于早稻产量估算的灾损评估模型，对开展早稻雨洗花灾害监测、损失评估、灾害保险等具有重要意义。该文以江西省早稻为研究对象，利用1981-2015年14个水稻气象观测站逐日气象资料和农业气象观测资料，筛选出基于早稻抽穗扬花期间过程降水量、最大降水量、降水日数及实际产量的雨洗花灾害样本78个，在此基础上，利用相关分析、正态分布以及主成分回归法，建立了雨洗花灾害指标和灾损评估模型，并对其进行验证。结果表明：抽穗扬花期降水对雨洗花灾害形成有显著影响，其主要影响时段为抽穗扬花普遍期前后5 d内，关键时段为抽穗扬花普遍期前后3 d内。日降水量40 mm可作为早稻抽穗扬花期雨洗花灾害临界指标。以该指标为基础，统计日降水量不低于40 mm的降水日数及其对应的累积降水量，当累积降水量为40~170 mm时，为轻度雨洗花灾害，早稻一般减产小于15%，平均减产10%；当累积降水量不小于170 mm时，为重度雨洗花灾害，早稻一般减产不低于15%，平均减产22%。指标验证结果与历史实际灾害发生情况有较好的一致性。雨洗花灾损评估模型检验结果表明：雨洗花年模拟产量与实际产量吻合度较高，平均相对模拟误差为4.3%，78.0%的资料相对误差在5%以内，可利用该模型对雨洗花年的早稻减产率进行模拟和预测。
2018, 29(6): 667-679.
DOI: 10.11898/1001-7313.20180603
摘要:
通过对比星载DPR雷达与地基CINRAD雷达的降雨测量值，评估星地雷达联合应用的潜力。为了提高对比的准确性，在尽可能高的时空分辨率下，以几何匹配与格点匹配相结合的方式，提取星地雷达降水样本数据。2015年6月30日降水过程的对比分析结果表明：泰州、常州CINRAD雷达反射率因子在两站中分剖面的平均值偏差0.94 dB，地基雷达之间有很好的一致性；在DPR雷达与常州、泰州CINRAD雷达同时覆盖的降雨区域，星地之间雷达反射率因子的平均值偏差分别为-1.2 dB和-1.6 dB，显示星地雷达也有较好的一致性；现有DPR雷达陆上衰减订正算法在缩小星地雷达偏差方面起到一定作用，平均订正量0.4 dB，只要回波覆盖充分，匹配样本的高度以及其到地基雷达的距离对对比结果没有明显影响，而衰减订正和匹配样本区回波覆盖率是影响星地雷达对比结果的重要因素。
通过对比星载DPR雷达与地基CINRAD雷达的降雨测量值，评估星地雷达联合应用的潜力。为了提高对比的准确性，在尽可能高的时空分辨率下，以几何匹配与格点匹配相结合的方式，提取星地雷达降水样本数据。2015年6月30日降水过程的对比分析结果表明：泰州、常州CINRAD雷达反射率因子在两站中分剖面的平均值偏差0.94 dB，地基雷达之间有很好的一致性；在DPR雷达与常州、泰州CINRAD雷达同时覆盖的降雨区域，星地之间雷达反射率因子的平均值偏差分别为-1.2 dB和-1.6 dB，显示星地雷达也有较好的一致性；现有DPR雷达陆上衰减订正算法在缩小星地雷达偏差方面起到一定作用，平均订正量0.4 dB，只要回波覆盖充分，匹配样本的高度以及其到地基雷达的距离对对比结果没有明显影响，而衰减订正和匹配样本区回波覆盖率是影响星地雷达对比结果的重要因素。
2018, 29(6): 680-689.
DOI: 10.11898/1001-7313.20180604
摘要:
基于北京市观象台雷达基数据和加密自动气象站数据，利用支持向量机算法建立了雷暴大风天气的有效识别模型。首先确立了9个用于识别雷暴大风的预报因子：回波顶高、最大反射率因子、最大反射率因子所在高度、垂直积分液态水含量、垂直积分液态水含量随时间变率、垂直积分液态水含量密度、雷暴大风发生前最大反射率因子下降高度、风暴移动速度、速度谱宽。通过计算各预报因子在大风和非大风样本中的概率分布，得到对应的各项预报因子雷暴大风的隶属度，利用得到的隶属度函数对样本进行归一化处理。确立核函数和模型参数，利用支持向量机建立雷暴大风天气的提前识别和临近预警模型。通过对北京2017年7月7日飑线和2012年5月19日块状回波引起的灾害大风典型个例的识别效果检验，得到两个个例预测的命中率、误判率和临界成功指数分别为92.0%，22.1%，73.0%和99.1%，40.5%，59.2%，对于提高雷暴大风预警预报的准确率有一定帮助。
基于北京市观象台雷达基数据和加密自动气象站数据，利用支持向量机算法建立了雷暴大风天气的有效识别模型。首先确立了9个用于识别雷暴大风的预报因子：回波顶高、最大反射率因子、最大反射率因子所在高度、垂直积分液态水含量、垂直积分液态水含量随时间变率、垂直积分液态水含量密度、雷暴大风发生前最大反射率因子下降高度、风暴移动速度、速度谱宽。通过计算各预报因子在大风和非大风样本中的概率分布，得到对应的各项预报因子雷暴大风的隶属度，利用得到的隶属度函数对样本进行归一化处理。确立核函数和模型参数，利用支持向量机建立雷暴大风天气的提前识别和临近预警模型。通过对北京2017年7月7日飑线和2012年5月19日块状回波引起的灾害大风典型个例的识别效果检验，得到两个个例预测的命中率、误判率和临界成功指数分别为92.0%，22.1%，73.0%和99.1%，40.5%，59.2%，对于提高雷暴大风预警预报的准确率有一定帮助。
2018, 29(6): 690-700.
DOI: 10.11898/1001-7313.20180605
摘要:
基于谱分析原理提出了雷达回波强度面积谱的概念及算法，利用宁夏银川多普勒天气雷达回波资料，分析了不同性质降水云的雷达回波强度面积谱，并根据不同性质降水云雷达回波强度面积谱特征，提出了基于雷达回波强度面积谱识别降水云类型的方法，利用强回波面积（回波强度不小于40 dBZ的回波面积）占总回波面积百分比和基本降水回波面积（回波强度不小于20 dBZ的回波面积）占总回波面积百分比作为降水云类型判别的主要因子，提炼出基于雷达回波强度面积谱特征参数的层状云、积层混合云、对流云等不同类型降水云的判别指标，建立了基于雷达回波的降水云类型自动判识模型。利用该模型对2016-2017年6次强降水过程进行了降水云类型判别试验，模型准确判别出6次强降水过程中2次为对流云降水、4次为混合云降水，判别结果较好地反映了降水云类型，验证了判识方法的可行性。
基于谱分析原理提出了雷达回波强度面积谱的概念及算法，利用宁夏银川多普勒天气雷达回波资料，分析了不同性质降水云的雷达回波强度面积谱，并根据不同性质降水云雷达回波强度面积谱特征，提出了基于雷达回波强度面积谱识别降水云类型的方法，利用强回波面积（回波强度不小于40 dBZ的回波面积）占总回波面积百分比和基本降水回波面积（回波强度不小于20 dBZ的回波面积）占总回波面积百分比作为降水云类型判别的主要因子，提炼出基于雷达回波强度面积谱特征参数的层状云、积层混合云、对流云等不同类型降水云的判别指标，建立了基于雷达回波的降水云类型自动判识模型。利用该模型对2016-2017年6次强降水过程进行了降水云类型判别试验，模型准确判别出6次强降水过程中2次为对流云降水、4次为混合云降水，判别结果较好地反映了降水云类型，验证了判识方法的可行性。
2018, 29(6): 701-709.
DOI: 10.11898/1001-7313.20180606
摘要:
基于全视野数字图像的能见度估算方法是将全视野图像大气透射率与大气能见度通过曲线拟合方法建立联系，得到估算模型进行能见度估算。首先通过历史全视野图像和对应时刻的大气能见度建立样本数据集，再利用暗原色先验理论获取全视野图像大气透射率，通过多项式拟合方法建立离散样本数据集中大气透射率与对应时刻大气能见度的关系，即全视野图像能见度估算模型，最终将所需估算时刻的数字图像输入估算模型进行能见度估算，得到大气能见度数值。结果表明：建立的基于全视野数字图像能见度估算模型在环境光照均匀时大气能见度估算值与能见度实测值有较好的一致性，可作为前向散射仪的补充观测方法，弥补其采样存在的局限性。
基于全视野数字图像的能见度估算方法是将全视野图像大气透射率与大气能见度通过曲线拟合方法建立联系，得到估算模型进行能见度估算。首先通过历史全视野图像和对应时刻的大气能见度建立样本数据集，再利用暗原色先验理论获取全视野图像大气透射率，通过多项式拟合方法建立离散样本数据集中大气透射率与对应时刻大气能见度的关系，即全视野图像能见度估算模型，最终将所需估算时刻的数字图像输入估算模型进行能见度估算，得到大气能见度数值。结果表明：建立的基于全视野数字图像能见度估算模型在环境光照均匀时大气能见度估算值与能见度实测值有较好的一致性，可作为前向散射仪的补充观测方法，弥补其采样存在的局限性。
2018, 29(6): 710-723.
DOI: 10.11898/1001-7313.20180607
摘要:
以美国NCEP FNL分析数据和我国GRAPES_GFS预报数据为背景场，对2016年7月1日-2017年6月30日北京探空站的L波段秒级探空位势高度（探空高度）从观测余差、平均偏差、标准偏差、概率密度分布、峰度系数、偏度系数、相关系数和均方根误差等参数进行误差分析。根据分析结果对探空高度进行质量标识，并根据质量标识的结果再次求解参数，评估质量标识效果。结果表明：探空高度质量较好，无论是基于NCEP FNL还是GRA-PES_GFS，探空高度的误差基本在±5 dagpm以内。探测高层的观测余差平均偏差和标准偏差表明基于GRAPES_GFS的评估优于NCEP FNL的评估。单一个例选取的可疑点和错误点阈值具有误差特征、自适应的特点。
以美国NCEP FNL分析数据和我国GRAPES_GFS预报数据为背景场，对2016年7月1日-2017年6月30日北京探空站的L波段秒级探空位势高度（探空高度）从观测余差、平均偏差、标准偏差、概率密度分布、峰度系数、偏度系数、相关系数和均方根误差等参数进行误差分析。根据分析结果对探空高度进行质量标识，并根据质量标识的结果再次求解参数，评估质量标识效果。结果表明：探空高度质量较好，无论是基于NCEP FNL还是GRA-PES_GFS，探空高度的误差基本在±5 dagpm以内。探测高层的观测余差平均偏差和标准偏差表明基于GRAPES_GFS的评估优于NCEP FNL的评估。单一个例选取的可疑点和错误点阈值具有误差特征、自适应的特点。
2018, 29(6): 724-736.
DOI: 10.11898/1001-7313.20180608
摘要:
目前，国内外对于地基微波辐射计的探测能力多从温湿廓线等二级产品级进行考察，其误差包含反演算法和硬件系统两部分的贡献，不易区分。为直接考察硬件系统的观测性能，试验将评估对象前移，直接对一级亮温数据进行比对分析。利用2016年1月-2018年3月中国气象局大气探测试验基地4台地基微波辐射计和业务探空的同址观测数据，以探空数据输入MonoRTM辐射传输模型得到的正演亮温为参考，考察不同天气、不同季节微波辐射计的探测准确性。结果表明：国产与进口设备观测亮温的准确性相当。4台地基微波辐射计实测亮温与模拟亮温相关性较好，相关系数基本超过0.9，均达到0.001显著性水平。晴空条件下，实测亮温较模拟亮温均方根误差平均为2.08~3.75 K；德国辐射计亮温偏差最小，各通道平均偏差为1.08 K，均方根误差平均为2.08 K。亮温偏差在冬季最小，夏季达到最大。建议提高定标准确度并进行质量控制以确保亮温准确性，谨慎使用降水期间辐射计的观测数据。
目前，国内外对于地基微波辐射计的探测能力多从温湿廓线等二级产品级进行考察，其误差包含反演算法和硬件系统两部分的贡献，不易区分。为直接考察硬件系统的观测性能，试验将评估对象前移，直接对一级亮温数据进行比对分析。利用2016年1月-2018年3月中国气象局大气探测试验基地4台地基微波辐射计和业务探空的同址观测数据，以探空数据输入MonoRTM辐射传输模型得到的正演亮温为参考，考察不同天气、不同季节微波辐射计的探测准确性。结果表明：国产与进口设备观测亮温的准确性相当。4台地基微波辐射计实测亮温与模拟亮温相关性较好，相关系数基本超过0.9，均达到0.001显著性水平。晴空条件下，实测亮温较模拟亮温均方根误差平均为2.08~3.75 K；德国辐射计亮温偏差最小，各通道平均偏差为1.08 K，均方根误差平均为2.08 K。亮温偏差在冬季最小，夏季达到最大。建议提高定标准确度并进行质量控制以确保亮温准确性，谨慎使用降水期间辐射计的观测数据。
2018, 29(6): 737-747.
DOI: 10.11898/1001-7313.20180609
摘要:
基于ASD（automated statistical downscaling）统计降尺度模型提供的多元线性回归和岭回归两种统计降尺度方法，采用RCP4.5（representative concentration pathways 4.5）和RCP8.5情景下全球气候模式MPI-ESM-LR输出的预报因子数据、NCEP/NCAR再分析数据和秦岭山地周边10个气象站观测数据，评估两种统计降尺度方法在秦岭山地的适用性及预估秦岭山地未来3个时期（2006-2040年、2041-2070年和2071-2100年）的平均气温和降水。结果表明：率定期和验证期内，两种统计降尺度方法均可以较好地模拟研究区域的平均气温和降水的变化特征，且多元线性回归的模拟效果优于岭回归。在未来气候情景下，两种统计降尺度方法预估的研究区域平均气温均呈明显上升趋势，气温增幅随辐射强迫增加而增大。降水方面，21世纪未来3个时期降水均呈不明显减少趋势，但季节分配发生变化。综合考虑两种统计降尺度方法在秦岭山地对平均气温和降水的模拟效果和情景预估结果，认为多元线性回归降尺度方法更适用于秦岭山地气候变化的降尺度预估研究。
基于ASD（automated statistical downscaling）统计降尺度模型提供的多元线性回归和岭回归两种统计降尺度方法，采用RCP4.5（representative concentration pathways 4.5）和RCP8.5情景下全球气候模式MPI-ESM-LR输出的预报因子数据、NCEP/NCAR再分析数据和秦岭山地周边10个气象站观测数据，评估两种统计降尺度方法在秦岭山地的适用性及预估秦岭山地未来3个时期（2006-2040年、2041-2070年和2071-2100年）的平均气温和降水。结果表明：率定期和验证期内，两种统计降尺度方法均可以较好地模拟研究区域的平均气温和降水的变化特征，且多元线性回归的模拟效果优于岭回归。在未来气候情景下，两种统计降尺度方法预估的研究区域平均气温均呈明显上升趋势，气温增幅随辐射强迫增加而增大。降水方面，21世纪未来3个时期降水均呈不明显减少趋势，但季节分配发生变化。综合考虑两种统计降尺度方法在秦岭山地对平均气温和降水的模拟效果和情景预估结果，认为多元线性回归降尺度方法更适用于秦岭山地气候变化的降尺度预估研究。
2018, 29(6): 748-758.
DOI: 10.11898/1001-7313.20180610
摘要:
2015年7月22日福建西部山区经历了一次罕见的极端降水过程，6 h降水量高达254.9 mm，24 h最大降水量达295.5 mm。利用常规天气资料、自动气象站、卫星云图、风廓线雷达以及多普勒天气雷达资料，分析此次过程的中尺度对流系统的环境条件及结构演变特征。分析表明：低空季风槽北抬减弱后的切变和高空高压之间的南北向槽缓慢向东北移动是此次强降雨的主要影响系统，不稳定能量加大、抬升凝结高度和自由对流高度低、大气可降水量大及中等到弱的垂直风切变形成有利于中尺度对流系统发展的环境条件。中尺度对流系统在发展过程中结构发生改变，由线状对流伴随层云（TL/AS）的结构转变为静止后向建立的中尺度对流系统，极端降水出现在静止后向传播阶段。高空冷空气入侵，低空西南急流加强并伴风速辐合，冷暖空气交汇导致中尺度对流系统加强发展，边界层西南气流在有利的喇叭口地形作用下加强抬升，北上受到山脉阻挡形成小涡旋，西北侧对流单体移入后不断加强，对流单体的移动方向和传播方向相反，中尺度对流系统形成静止后向传播，产生列车效应，出现极端降水。
2015年7月22日福建西部山区经历了一次罕见的极端降水过程，6 h降水量高达254.9 mm，24 h最大降水量达295.5 mm。利用常规天气资料、自动气象站、卫星云图、风廓线雷达以及多普勒天气雷达资料，分析此次过程的中尺度对流系统的环境条件及结构演变特征。分析表明：低空季风槽北抬减弱后的切变和高空高压之间的南北向槽缓慢向东北移动是此次强降雨的主要影响系统，不稳定能量加大、抬升凝结高度和自由对流高度低、大气可降水量大及中等到弱的垂直风切变形成有利于中尺度对流系统发展的环境条件。中尺度对流系统在发展过程中结构发生改变，由线状对流伴随层云（TL/AS）的结构转变为静止后向建立的中尺度对流系统，极端降水出现在静止后向传播阶段。高空冷空气入侵，低空西南急流加强并伴风速辐合，冷暖空气交汇导致中尺度对流系统加强发展，边界层西南气流在有利的喇叭口地形作用下加强抬升，北上受到山脉阻挡形成小涡旋，西北侧对流单体移入后不断加强，对流单体的移动方向和传播方向相反，中尺度对流系统形成静止后向传播，产生列车效应，出现极端降水。
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