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中国气象局2021年 第32卷 第1期
摘要
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2021, 32(1): 1-11.
DOI: 10.11898/1001-7313.20210101
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摘要:
当前，人工智能迎来第3次发展浪潮并在多个领域大数据分析中取得巨大成功，这为人工智能技术与数值天气预报结合提供了契机。已有大量研究尝试将人工智能技术用于数值天气预报的初值生成、预报和产品应用过程中，涉及观测资料预处理、资料同化、模式积分、后处理以及高性能计算，通过误差估计、参数估计和局部代理等手段使预报结果，得到改进且计算速度大幅提升，展示出良好的应用前景，一些神经网络模型也表现出纯数据驱动预报的可能性，在短时强对流天气、降水以及气候预测中已有较为理想的应用实例。然而，人工智能技术在数值天气预报中的应用与发展仍面临一些挑战，主要包括深度学习的弱解释性、不确定性分析以及两者的耦合等，除了应对这些挑战，未来两者的深度结合还需要在理论指导下的人工智能模型设计、高时空分辨率人工智能预报模型设计以及使用更多新型人工智能技术等方面深入探索。
当前，人工智能迎来第3次发展浪潮并在多个领域大数据分析中取得巨大成功，这为人工智能技术与数值天气预报结合提供了契机。已有大量研究尝试将人工智能技术用于数值天气预报的初值生成、预报和产品应用过程中，涉及观测资料预处理、资料同化、模式积分、后处理以及高性能计算，通过误差估计、参数估计和局部代理等手段使预报结果，得到改进且计算速度大幅提升，展示出良好的应用前景，一些神经网络模型也表现出纯数据驱动预报的可能性，在短时强对流天气、降水以及气候预测中已有较为理想的应用实例。然而，人工智能技术在数值天气预报中的应用与发展仍面临一些挑战，主要包括深度学习的弱解释性、不确定性分析以及两者的耦合等，除了应对这些挑战，未来两者的深度结合还需要在理论指导下的人工智能模型设计、高时空分辨率人工智能预报模型设计以及使用更多新型人工智能技术等方面深入探索。
2021, 32(1): 12-24.
DOI: 10.11898/1001-7313.20210102
摘要:
冬季降水无论对地面的生产生活还是对高空飞机航行都可能造成严重灾害，降水相态预报的准确性决定了冬季降水预报的成功，该文系统回顾了近几十年降水相态预报取得的成果。降水相态预报方法大致分为3类：第1类是基于观测或数值天气预报建立的指标以及回归方程，其中某些方法高度依赖数值天气预报模式准确率；第2类是基于数值天气预报模式的微物理方案法和集合预报法；第3类是基于观测和数值预报产品的人工智能预报法。近年来降水相态模式预报产品准确率不断提高，成为降水相态预报中一个重要的产品支撑。但如何将降水相态形成机制的微物理研究成果用于改善数值预报模式降水相态预报的技巧，以及如何利用人工智能等技术提高降水相态预报的准确率等方面还需要不断努力。
冬季降水无论对地面的生产生活还是对高空飞机航行都可能造成严重灾害，降水相态预报的准确性决定了冬季降水预报的成功，该文系统回顾了近几十年降水相态预报取得的成果。降水相态预报方法大致分为3类：第1类是基于观测或数值天气预报建立的指标以及回归方程，其中某些方法高度依赖数值天气预报模式准确率；第2类是基于数值天气预报模式的微物理方案法和集合预报法；第3类是基于观测和数值预报产品的人工智能预报法。近年来降水相态模式预报产品准确率不断提高，成为降水相态预报中一个重要的产品支撑。但如何将降水相态形成机制的微物理研究成果用于改善数值预报模式降水相态预报的技巧，以及如何利用人工智能等技术提高降水相态预报的准确率等方面还需要不断努力。
2021, 32(1): 25-37.
DOI: 10.11898/1001-7313.20210103
摘要:
以中国北方苹果主产区为研究对象，利用1981—2018年气象资料、1981—2017年苹果干旱灾情历史资料和发育期资料，在构建干旱指数（DI）的基础上，以历史灾情反演、灾害样本重建和历史灾害过程解析为主线，采用独立样本T检验、Kolmogorov-Smirnov（K-S）检验、累积概率反函数值等方法，构建适用于中国北方苹果主产区的苹果干旱等级指标体系，并在此基础上开展苹果干旱危险性评价。结果表明：构建的干旱指数（DI）能有效表征苹果干旱灾害，同一等级苹果不同发育期干旱指标阈值从大到小依次为果树萌动-萌芽期、萌芽-盛花期和盛花-成熟期，苹果危险性从大到小依次为萌芽-盛花期、果树萌动-萌芽期和盛花-成熟期，渤海湾产区及黄土高原产区北部是苹果干旱的高危险区域。基于历史灾情资料加工与再分析的苹果干旱等级指标体系构建方法可为经济林果气象灾害研究提供新思路，研究结果可为中国北方苹果干旱防灾减损气象服务、灾害保险提供基础支撑。
以中国北方苹果主产区为研究对象，利用1981—2018年气象资料、1981—2017年苹果干旱灾情历史资料和发育期资料，在构建干旱指数（DI）的基础上，以历史灾情反演、灾害样本重建和历史灾害过程解析为主线，采用独立样本T检验、Kolmogorov-Smirnov（K-S）检验、累积概率反函数值等方法，构建适用于中国北方苹果主产区的苹果干旱等级指标体系，并在此基础上开展苹果干旱危险性评价。结果表明：构建的干旱指数（DI）能有效表征苹果干旱灾害，同一等级苹果不同发育期干旱指标阈值从大到小依次为果树萌动-萌芽期、萌芽-盛花期和盛花-成熟期，苹果危险性从大到小依次为萌芽-盛花期、果树萌动-萌芽期和盛花-成熟期，渤海湾产区及黄土高原产区北部是苹果干旱的高危险区域。基于历史灾情资料加工与再分析的苹果干旱等级指标体系构建方法可为经济林果气象灾害研究提供新思路，研究结果可为中国北方苹果干旱防灾减损气象服务、灾害保险提供基础支撑。
2021, 32(1): 38-51.
DOI: 10.11898/1001-7313.20210104
摘要:
以1981—2010年河南省113个气象观测站影响冬小麦生长及产量形成的主要气象因素为区划指标，利用K均值聚类算法，将河南省划分为5个农业气候生态区。根据2013—2017年地面农业气象观测数据，利用Sobol全局敏感性分析方法，各分区选择总敏感指数大于0.01的作物参数，得到9种敏感参数。以产量与叶面积指数为代价函数，采用差分进化马尔科夫链蒙特卡洛方法对敏感参数进行分区标定，并使用2018—2019年观测数据进行验证。结果表明：分区进行参数标定时，叶面积指数动态模拟精度和产量模拟精度均显著优于使用默认参数或整个研究区使用同一套优化参数时的精度，其中，使用分区调参后验平均值模拟关键生育期叶面积指数的总均方根误差为0.655，其模拟产量的均方根误差为672.016 kg·hm-2。该方法将农业气候学知识与差分进化马尔科夫链蒙特卡洛优化算法相结合，通过合理、高效地分区域标定作物模型参数，可为作物模型区域应用和模型参数调整优化提供科学依据。
以1981—2010年河南省113个气象观测站影响冬小麦生长及产量形成的主要气象因素为区划指标，利用K均值聚类算法，将河南省划分为5个农业气候生态区。根据2013—2017年地面农业气象观测数据，利用Sobol全局敏感性分析方法，各分区选择总敏感指数大于0.01的作物参数，得到9种敏感参数。以产量与叶面积指数为代价函数，采用差分进化马尔科夫链蒙特卡洛方法对敏感参数进行分区标定，并使用2018—2019年观测数据进行验证。结果表明：分区进行参数标定时，叶面积指数动态模拟精度和产量模拟精度均显著优于使用默认参数或整个研究区使用同一套优化参数时的精度，其中，使用分区调参后验平均值模拟关键生育期叶面积指数的总均方根误差为0.655，其模拟产量的均方根误差为672.016 kg·hm-2。该方法将农业气候学知识与差分进化马尔科夫链蒙特卡洛优化算法相结合，通过合理、高效地分区域标定作物模型参数，可为作物模型区域应用和模型参数调整优化提供科学依据。
2021, 32(1): 52-64.
DOI: 10.11898/1001-7313.20210105
摘要:
分别利用优化蒸散计算（PM方案）、作物系数（CC方案）和二者同时优化（PMCC方案）改进WOFOST模型，基于降水适宜年（2012年）和干旱年（2015年和2018年）在辽宁省锦州开展的玉米分期（4月20日、4月30日和5月10日）播种试验资料评价模型改进效果。结果表明：2012年，PM方案可增大潜在蒸散，CC方案在作物系数小（大）于1时使潜在蒸散减小（增大）；3个方案对叶面积指数、地上生物量和土壤湿度模拟几乎不产生影响。2015年，PM方案的拔节后叶面积指数、地上生物量、产量和土壤湿度较原模型明显减小，蒸腾速率在喇叭口期之前增大，之后减小；CC方案在喇叭口期之前蒸腾速率小于原模型，之后大于原模型，其他4个变量略大于原模型。PMCC方案的各变量模拟值介于PM方案和CC方案之间，3个播期模拟精度叶面积指数分别提高6%，21%和3%，地上生物量分别提高8%，8%和14%，产量分别提高66%，63%和66%。2018年，PMCC方案前两播期地上生物量模拟精度分别提高5%和1%，产量模拟精度分别提高32%和5%。PMCC方案可改善模型在干旱条件下的模型性能。
分别利用优化蒸散计算（PM方案）、作物系数（CC方案）和二者同时优化（PMCC方案）改进WOFOST模型，基于降水适宜年（2012年）和干旱年（2015年和2018年）在辽宁省锦州开展的玉米分期（4月20日、4月30日和5月10日）播种试验资料评价模型改进效果。结果表明：2012年，PM方案可增大潜在蒸散，CC方案在作物系数小（大）于1时使潜在蒸散减小（增大）；3个方案对叶面积指数、地上生物量和土壤湿度模拟几乎不产生影响。2015年，PM方案的拔节后叶面积指数、地上生物量、产量和土壤湿度较原模型明显减小，蒸腾速率在喇叭口期之前增大，之后减小；CC方案在喇叭口期之前蒸腾速率小于原模型，之后大于原模型，其他4个变量略大于原模型。PMCC方案的各变量模拟值介于PM方案和CC方案之间，3个播期模拟精度叶面积指数分别提高6%，21%和3%，地上生物量分别提高8%，8%和14%，产量分别提高66%，63%和66%。2018年，PMCC方案前两播期地上生物量模拟精度分别提高5%和1%，产量模拟精度分别提高32%和5%。PMCC方案可改善模型在干旱条件下的模型性能。
2021, 32(1): 65-77.
DOI: 10.11898/1001-7313.20210106
摘要:
对中国中东部3个区域大气本底观测站2015年12月—2017年12月PM10质量浓度及其化学成分空间分布与季节变化特征进行研究，结果显示：研究期间龙凤山站、临安站和金沙站平均PM10质量浓度分别为57.5，62.2 μg·m-3和57.6 μg·m-3。其中临安站和金沙站2017年PM10质量浓度较2016年有所下降，但龙凤山站有所上升。与2013年相比，临安站和金沙站平均PM10质量浓度分别降低29.3%和26.2%。临安站SO42-，NO3-和NH4+平均质量浓度分别为9.9，8.2 μg·m-3和3.7 μg·m-3，金沙站分别为10.2，6.7 μg·m-3和2.6 μg·m-3，均高于龙凤山站的5.9，4.9 μg·m-3和2.1 μg·m-3，其中龙凤山站和临安站的NO3-与SO42-质量浓度比值较高（0.9和0.8），金沙站较低（0.6）。龙凤山站的有机碳（OC）和元素碳（EC）质量浓度分别为10.1 μg·m-3和2.7 μg·m-3，临安站为6.7 μg·m-3和3.1 μg·m-3，金沙站为4.7 μg·m-3和2.3 μg·m-3，即龙凤山站OC最高，金沙站最低，3个站点的EC基本相当，临安站略高。与2013年相比，研究期间临安站SO42-，NH4+和OC分别下降38.1%，26.0%和55.6%，金沙站分别下降46.3%，51.9%和44.7%，但临安站和金沙站的NO3-分别上升12.3%和15.5%；临安站EC下降27.9%，金沙站EC上升4.5%。3个站点夏季PM10，NO3-，EC质量浓度及NO3-与SO42-质量浓度比值均最低。
对中国中东部3个区域大气本底观测站2015年12月—2017年12月PM10质量浓度及其化学成分空间分布与季节变化特征进行研究，结果显示：研究期间龙凤山站、临安站和金沙站平均PM10质量浓度分别为57.5，62.2 μg·m-3和57.6 μg·m-3。其中临安站和金沙站2017年PM10质量浓度较2016年有所下降，但龙凤山站有所上升。与2013年相比，临安站和金沙站平均PM10质量浓度分别降低29.3%和26.2%。临安站SO42-，NO3-和NH4+平均质量浓度分别为9.9，8.2 μg·m-3和3.7 μg·m-3，金沙站分别为10.2，6.7 μg·m-3和2.6 μg·m-3，均高于龙凤山站的5.9，4.9 μg·m-3和2.1 μg·m-3，其中龙凤山站和临安站的NO3-与SO42-质量浓度比值较高（0.9和0.8），金沙站较低（0.6）。龙凤山站的有机碳（OC）和元素碳（EC）质量浓度分别为10.1 μg·m-3和2.7 μg·m-3，临安站为6.7 μg·m-3和3.1 μg·m-3，金沙站为4.7 μg·m-3和2.3 μg·m-3，即龙凤山站OC最高，金沙站最低，3个站点的EC基本相当，临安站略高。与2013年相比，研究期间临安站SO42-，NH4+和OC分别下降38.1%，26.0%和55.6%，金沙站分别下降46.3%，51.9%和44.7%，但临安站和金沙站的NO3-分别上升12.3%和15.5%；临安站EC下降27.9%，金沙站EC上升4.5%。3个站点夏季PM10，NO3-，EC质量浓度及NO3-与SO42-质量浓度比值均最低。
2021, 32(1): 78-90.
DOI: 10.11898/1001-7313.20210107
摘要:
标识工作是建立深度学习数据集的关键基础，对观测数据匮乏的冰雹等灾害性天气智能预报尤为重要。选取2008—2019年重庆地区灾情报告中有准确时间的13次降雹过程（分为参照集和验证集），利用模糊逻辑算法，建立基于地面实况的降雹风暴体客观标识方法。为获取冰雹与风暴体的合理匹配，选取风暴质心与降雹地点间距离、风暴最大反射率因子、45 dBZ反射率因子最大高度、最大垂直积分液态水含量、最大回波顶高作为判别因子。对于参照集，客观标识方法正确标识7次，其中有5次标识时间与灾情报告记录时间相差在6 min以内。对于验证集，算法标识正确率为100%。为了扩大检验范围，将算法用于无准确时间的22次降雹过程，并将结果与预报员人工标识结果进行比较后发现，二者往往标识的是同一风暴体。上述结果表明：该方法在时间信息模糊的情况下可进行标识。同时发现该方法不依赖于冰雹尺寸、发生时间及风暴体生命史长度，但对初始猜测位置、风暴体识别算法较为敏感。
标识工作是建立深度学习数据集的关键基础，对观测数据匮乏的冰雹等灾害性天气智能预报尤为重要。选取2008—2019年重庆地区灾情报告中有准确时间的13次降雹过程（分为参照集和验证集），利用模糊逻辑算法，建立基于地面实况的降雹风暴体客观标识方法。为获取冰雹与风暴体的合理匹配，选取风暴质心与降雹地点间距离、风暴最大反射率因子、45 dBZ反射率因子最大高度、最大垂直积分液态水含量、最大回波顶高作为判别因子。对于参照集，客观标识方法正确标识7次，其中有5次标识时间与灾情报告记录时间相差在6 min以内。对于验证集，算法标识正确率为100%。为了扩大检验范围，将算法用于无准确时间的22次降雹过程，并将结果与预报员人工标识结果进行比较后发现，二者往往标识的是同一风暴体。上述结果表明：该方法在时间信息模糊的情况下可进行标识。同时发现该方法不依赖于冰雹尺寸、发生时间及风暴体生命史长度，但对初始猜测位置、风暴体识别算法较为敏感。
2021, 32(1): 91-101.
DOI: 10.11898/1001-7313.20210108
摘要:
双偏振雷达是研究降水微物理过程的重要探测设备，为研究我国东部沿海地区冬季降水的微物理特性，选取2019—2020年不同天气背景下（包含相态转换）影响上海的冬季降水过程，基于上海南汇WSR-88D双偏振雷达资料，采用准垂直廓线（QVP）方法反演3次降水过程的反射率因子ZH、差分反射率ZDR和相关系数ρhv的高度-时间廓线。基于QVP，结合探空、再分析资料、地面自动气象站和雨滴谱数据，分析过程时段内融化层高度变化、云中粒子微物理特征，同时借助云雷达观测比对QVP方法的实际效果。结果表明：QVP方法反演的廓线可以体现贝吉龙过程的发生以及融化层高度的变化，并能够有效区分过程时段内的凇附和聚合过程。与此同时，对于非连续性或非均匀性质的降水系统，有针对性地选择方位利用QVP方法进行处理可准确获取重点关注区域降水云系中的微物理过程变化。综上所述，QVP方法反演的高度-时间廓线能够用于降水相态的快速诊断及降水粒子从空中到地面演变的微物理过程分析，为冬季降水相态短时临近预报提供依据。
双偏振雷达是研究降水微物理过程的重要探测设备，为研究我国东部沿海地区冬季降水的微物理特性，选取2019—2020年不同天气背景下（包含相态转换）影响上海的冬季降水过程，基于上海南汇WSR-88D双偏振雷达资料，采用准垂直廓线（QVP）方法反演3次降水过程的反射率因子ZH、差分反射率ZDR和相关系数ρhv的高度-时间廓线。基于QVP，结合探空、再分析资料、地面自动气象站和雨滴谱数据，分析过程时段内融化层高度变化、云中粒子微物理特征，同时借助云雷达观测比对QVP方法的实际效果。结果表明：QVP方法反演的廓线可以体现贝吉龙过程的发生以及融化层高度的变化，并能够有效区分过程时段内的凇附和聚合过程。与此同时，对于非连续性或非均匀性质的降水系统，有针对性地选择方位利用QVP方法进行处理可准确获取重点关注区域降水云系中的微物理过程变化。综上所述，QVP方法反演的高度-时间廓线能够用于降水相态的快速诊断及降水粒子从空中到地面演变的微物理过程分析，为冬季降水相态短时临近预报提供依据。
2021, 32(1): 102-114.
DOI: 10.11898/1001-7313.20210109
摘要:
该文提出一种从相对风暴的径向速度图中自动识别中层径向辐合特征的算法，即相对风暴中层径向辐合特征自动识别算法。算法首先识别出单仰角径向速度图上每个径向的正-负速度段，并按照一定规则对其进行配对，形成径向辐合段；然后在二维锥面上做水平相关分析得到二维径向辐合块，再对二维辐合块进行垂直相关分析，形成风暴的三维径向辐合体，计算其强度、厚度、中心高度等重要特征参数。利用2013年8月18日和2018年8月7日两次非典型“正-负速度区域对”径向辐合特征的飑线雷达资料对该算法进行测试，结果表明：径向辐合特征在相对风暴的径向速度图上的识别效果较原始径向速度场更优。统计分析特征参数与飑线大风的相关性表明：平均径向辐合强度、最大径向辐合强度、厚度与风速之间有较好的线性相关性，且均为正相关，其中平均径向辐合强度与风速之间的相关系数最大，达到0.79。通过算法识别的径向辐合特征可以提前约30 min预警飑线大风。
该文提出一种从相对风暴的径向速度图中自动识别中层径向辐合特征的算法，即相对风暴中层径向辐合特征自动识别算法。算法首先识别出单仰角径向速度图上每个径向的正-负速度段，并按照一定规则对其进行配对，形成径向辐合段；然后在二维锥面上做水平相关分析得到二维径向辐合块，再对二维辐合块进行垂直相关分析，形成风暴的三维径向辐合体，计算其强度、厚度、中心高度等重要特征参数。利用2013年8月18日和2018年8月7日两次非典型“正-负速度区域对”径向辐合特征的飑线雷达资料对该算法进行测试，结果表明：径向辐合特征在相对风暴的径向速度图上的识别效果较原始径向速度场更优。统计分析特征参数与飑线大风的相关性表明：平均径向辐合强度、最大径向辐合强度、厚度与风速之间有较好的线性相关性，且均为正相关，其中平均径向辐合强度与风速之间的相关系数最大，达到0.79。通过算法识别的径向辐合特征可以提前约30 min预警飑线大风。
2021, 32(1): 115-128.
DOI: 10.11898/1001-7313.20210110
摘要:
针对我国华南前汛期（4—6月）降水，基于国家气候中心第2代月动力延伸模式（DERF2.0）结果，利用非参数百分位映射方法将模式预测结果转化为概率预报，并进行概率订正。分别选用交叉建模与独立样本建模两种订正方法，并利用偏差、偏差百分率、时间相关系数、均方根误差等统计方法检验订正效果。结果表明：订正方法对预报技巧的改善与起报时间无显著相关，且具有误差稳定性，其订正效果受预报误差影响较小；与订正前模式预测降水落区的范围和平均强度相比，订正后结果与观测更接近；按百分位区间统计的不同强度降水订正预报均有明显改进；预测时段的订正效果与回报时段的订正效果基本一致。
针对我国华南前汛期（4—6月）降水，基于国家气候中心第2代月动力延伸模式（DERF2.0）结果，利用非参数百分位映射方法将模式预测结果转化为概率预报，并进行概率订正。分别选用交叉建模与独立样本建模两种订正方法，并利用偏差、偏差百分率、时间相关系数、均方根误差等统计方法检验订正效果。结果表明：订正方法对预报技巧的改善与起报时间无显著相关，且具有误差稳定性，其订正效果受预报误差影响较小；与订正前模式预测降水落区的范围和平均强度相比，订正后结果与观测更接近；按百分位区间统计的不同强度降水订正预报均有明显改进；预测时段的订正效果与回报时段的订正效果基本一致。
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