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中国气象局2023年 第34卷 第1期
摘要
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2023, 34(1): 1-14.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230101
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摘要:
在气候变化背景下，中国玉米生产遭受的高温危害日益加剧。基于已有研究成果和实际灾情，从高温热害的概念及分类出发，对玉米高温热害的危害机理、气象成因、致灾指标、时空分布、防御对策等方面进行系统归纳阐述，并对未来玉米高温热害研究方向进行展望。中国玉米高温热害分为延迟型、障碍型、生长不良型和混合型4类，高温降低玉米花粉活力抑制散粉，缩短灌浆时间，导致玉米产量及品质降低。中国玉米种植区高温热害天气主要由环流异常引起，致灾指标包括生理生化指标及气象学指标等，但目前尚无统一标准。近10年中国玉米高温热害发生强度及频次增大，春玉米高温热害在北方玉米区的松辽平原、西南玉米区的东北部风险较高，夏玉米高温热害在河北省东南部、河南省大部以及山东省西部频发。采取适当的防御对策能减轻高温热害对玉米的不利影响。未来的研究应在综合动态的玉米高温热害指标体系、高温热害灾损模拟及风险评估与区划、高温热害精细化监测预警服务系统等方面重点突破。
在气候变化背景下，中国玉米生产遭受的高温危害日益加剧。基于已有研究成果和实际灾情，从高温热害的概念及分类出发，对玉米高温热害的危害机理、气象成因、致灾指标、时空分布、防御对策等方面进行系统归纳阐述，并对未来玉米高温热害研究方向进行展望。中国玉米高温热害分为延迟型、障碍型、生长不良型和混合型4类，高温降低玉米花粉活力抑制散粉，缩短灌浆时间，导致玉米产量及品质降低。中国玉米种植区高温热害天气主要由环流异常引起，致灾指标包括生理生化指标及气象学指标等，但目前尚无统一标准。近10年中国玉米高温热害发生强度及频次增大，春玉米高温热害在北方玉米区的松辽平原、西南玉米区的东北部风险较高，夏玉米高温热害在河北省东南部、河南省大部以及山东省西部频发。采取适当的防御对策能减轻高温热害对玉米的不利影响。未来的研究应在综合动态的玉米高温热害指标体系、高温热害灾损模拟及风险评估与区划、高温热害精细化监测预警服务系统等方面重点突破。
2023, 34(1): 15-26.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230102
摘要:
持续发展和优化切线性模式的线性化物理过程，保持与非线性模式一致是改善四维变分同化（4DVar）分析和预报效果的有效方法之一。目前业务系统的CMA-GFS模式采用基于Charney-Phillips（C-P）跳点的边界层参数化方案，而CMA-GFS 4DVar系统中采用基于Lorenz跳点的边界层线性化方案。为改善CMA-GFS 4DVar系统的边界层分析和预报效果，基于C-P跳点的边界层参数化方案研发了新边界层线性化方案，并通过对方案中地表热量通量和水汽通量扰动、自由大气的理查逊系数扰动、边界层的热量和动量交换系数扰动等进行更加精细地规约化约束，在确保CMA-GFS切线性和伴随模式稳定运行的情况下，减少线性化过程对切线性模式预报精度的影响。切线性近似试验检验表明：相较于原方案，新边界层线性化方案可以减少边界层位温和比湿的相对误差，最大可减少10%。批量4DVar循环同化试验表明：新边界层线性化方案可以有效改善切线性模式对低层位温、风场和比湿扰动的预报精度，减少4DVar内外循环目标泛函的相对差异，并提高700 hPa位势高度的可预报时效。
持续发展和优化切线性模式的线性化物理过程，保持与非线性模式一致是改善四维变分同化（4DVar）分析和预报效果的有效方法之一。目前业务系统的CMA-GFS模式采用基于Charney-Phillips（C-P）跳点的边界层参数化方案，而CMA-GFS 4DVar系统中采用基于Lorenz跳点的边界层线性化方案。为改善CMA-GFS 4DVar系统的边界层分析和预报效果，基于C-P跳点的边界层参数化方案研发了新边界层线性化方案，并通过对方案中地表热量通量和水汽通量扰动、自由大气的理查逊系数扰动、边界层的热量和动量交换系数扰动等进行更加精细地规约化约束，在确保CMA-GFS切线性和伴随模式稳定运行的情况下，减少线性化过程对切线性模式预报精度的影响。切线性近似试验检验表明：相较于原方案，新边界层线性化方案可以减少边界层位温和比湿的相对误差，最大可减少10%。批量4DVar循环同化试验表明：新边界层线性化方案可以有效改善切线性模式对低层位温、风场和比湿扰动的预报精度，减少4DVar内外循环目标泛函的相对差异，并提高700 hPa位势高度的可预报时效。
2023, 34(1): 27-38.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230103
摘要:
基于国家气候中心气候系统模式1.1版本（BCC_CSM1.1m）的历史回报数据，利用时间相关系数和均方根误差等确定性技巧评分，对西伯利亚高压、阿留申低压、东亚冬季风3种东亚地区冬季典型环流系统的预报技巧进行检验评估，并通过时间序列分析和空间相关系数等方法，分析东亚地区冬季典型环流系统的可预报性来源。结果表明：由于模式对热带海洋和北太平洋海平面气压的预测偏差小、对欧亚大陆的预测偏差大，模式对阿留申低压、东亚冬季风的预测技巧高于西伯利亚高压。进一步分析表明：厄尔尼诺和南方涛动（ENSO）是阿留申低压和东亚冬季风的重要可预报性来源，而土壤温度是西伯利亚高压的重要可预报性来源，并受ENSO调制。此外，东亚冬季风的预报技巧也受到西伯利亚高压预报技巧的制约。
基于国家气候中心气候系统模式1.1版本（BCC_CSM1.1m）的历史回报数据，利用时间相关系数和均方根误差等确定性技巧评分，对西伯利亚高压、阿留申低压、东亚冬季风3种东亚地区冬季典型环流系统的预报技巧进行检验评估，并通过时间序列分析和空间相关系数等方法，分析东亚地区冬季典型环流系统的可预报性来源。结果表明：由于模式对热带海洋和北太平洋海平面气压的预测偏差小、对欧亚大陆的预测偏差大，模式对阿留申低压、东亚冬季风的预测技巧高于西伯利亚高压。进一步分析表明：厄尔尼诺和南方涛动（ENSO）是阿留申低压和东亚冬季风的重要可预报性来源，而土壤温度是西伯利亚高压的重要可预报性来源，并受ENSO调制。此外，东亚冬季风的预报技巧也受到西伯利亚高压预报技巧的制约。
2023, 34(1): 39-51.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230104
摘要:
在新疆天山大地形背景下，实现了中国气象局研发的高分辨率气候业务预测系统CMA-CPSv3（China Meteorological Administration-Climate Prediction System version 3）在天山北坡经济带的本地化应用，分别评估控制预报、传统集合平均预报以及改进后的最优概率阈值集合方法（deterministic ensemble forecast using a probabilistic threshold，DEFPT）对该区域次季节-季节降水的预测水平。评估结果表明：基于CMA-CPSv3预测系统的DEFPT方法可以提升天山北坡次季节-季节尺度1~5 mm阈值降水落区以及持续性的预测效果，优于传统集合平均预报和控制预报。从2016年7月29日—8月2日、2017年6月7—12日以及2020年7月8—12日时段发生在天山北坡的降水事件个例分析结果看，不论从降水落区、降水异常还是降水持续性，DEFPT集合预报在天山北坡西部和南部均有更好的效果，但在天山北坡东部和北部预测能力相对略低，这与该区域水汽的预报偏差增大有关。
在新疆天山大地形背景下，实现了中国气象局研发的高分辨率气候业务预测系统CMA-CPSv3（China Meteorological Administration-Climate Prediction System version 3）在天山北坡经济带的本地化应用，分别评估控制预报、传统集合平均预报以及改进后的最优概率阈值集合方法（deterministic ensemble forecast using a probabilistic threshold，DEFPT）对该区域次季节-季节降水的预测水平。评估结果表明：基于CMA-CPSv3预测系统的DEFPT方法可以提升天山北坡次季节-季节尺度1~5 mm阈值降水落区以及持续性的预测效果，优于传统集合平均预报和控制预报。从2016年7月29日—8月2日、2017年6月7—12日以及2020年7月8—12日时段发生在天山北坡的降水事件个例分析结果看，不论从降水落区、降水异常还是降水持续性，DEFPT集合预报在天山北坡西部和南部均有更好的效果，但在天山北坡东部和北部预测能力相对略低，这与该区域水汽的预报偏差增大有关。
2023, 34(1): 52-64.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230105
摘要:
往返式平漂探空观测（以下简称平漂探空）可实现对流层至平流层低层大气温度廓线垂直探测以及平流层低层内持续4 h的水平温度分布探测。该文介绍利用平漂探空试验数据对风云3号气象卫星D星（FY-3D）反演温度数据的检验评估算法，基于该算法和2021年3—9月长江中下游平漂探空试验数据完成对卫星反演大气温度数据的检验。结果显示：FY-3D卫星反演的温度数据准确度总体较高，与平漂探空上升段数据平均绝对偏差约为1.34℃，与下降段数据平均绝对偏差约为1.93℃；卫星反演的100 hPa以上和850 hPa以下温度误差分别偏大0.59℃和0.33℃；卫星反演平流层温度准确度低于温度廓线，平均绝对偏差约为3.92℃；与平漂探空数据相比，卫星大气温度廓线分辨率较低、趋势较平滑，无法显示大气温度垂直分布和平流层温度水平分布的细节特征。
往返式平漂探空观测（以下简称平漂探空）可实现对流层至平流层低层大气温度廓线垂直探测以及平流层低层内持续4 h的水平温度分布探测。该文介绍利用平漂探空试验数据对风云3号气象卫星D星（FY-3D）反演温度数据的检验评估算法，基于该算法和2021年3—9月长江中下游平漂探空试验数据完成对卫星反演大气温度数据的检验。结果显示：FY-3D卫星反演的温度数据准确度总体较高，与平漂探空上升段数据平均绝对偏差约为1.34℃，与下降段数据平均绝对偏差约为1.93℃；卫星反演的100 hPa以上和850 hPa以下温度误差分别偏大0.59℃和0.33℃；卫星反演平流层温度准确度低于温度廓线，平均绝对偏差约为3.92℃；与平漂探空数据相比，卫星大气温度廓线分辨率较低、趋势较平滑，无法显示大气温度垂直分布和平流层温度水平分布的细节特征。
2023, 34(1): 65-77.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230106
摘要:
选取2021年6月28日山西省临汾市隰县一次高炮防雹作业过程, 利用隰县X波段相控阵双偏振雷达数据分析作业前后强对流云变化的现象和机理。高炮防雹作业后冰雹云单体的宏观特征、动力和微物理的垂直结构均出现短时间明显变化。高炮防雹作业后1 min 55 dBZ顶高急剧下降约2 km至0℃层以下, 水平反射率因子ZH的强回波垂直结构在0℃层断裂, 径向速度散度显示单体前部和后部的辐合带减弱、消失, 差分反射率ZDR在近地面增大, ZDR柱消失, 差分相移率KDP在中低层增大, 共极化相关系数ρhv从0℃层到近地面表现为0.94~0.96的柱状区, 单体核心上部的过冷水小范围中心消失, 0℃层以下由雨夹雹、霰、湿雪及各种雨的混合柱状分布转为低层大雨。这些短时间的明显变化现象支持爆炸防雹理论。
选取2021年6月28日山西省临汾市隰县一次高炮防雹作业过程, 利用隰县X波段相控阵双偏振雷达数据分析作业前后强对流云变化的现象和机理。高炮防雹作业后冰雹云单体的宏观特征、动力和微物理的垂直结构均出现短时间明显变化。高炮防雹作业后1 min 55 dBZ顶高急剧下降约2 km至0℃层以下, 水平反射率因子ZH的强回波垂直结构在0℃层断裂, 径向速度散度显示单体前部和后部的辐合带减弱、消失, 差分反射率ZDR在近地面增大, ZDR柱消失, 差分相移率KDP在中低层增大, 共极化相关系数ρhv从0℃层到近地面表现为0.94~0.96的柱状区, 单体核心上部的过冷水小范围中心消失, 0℃层以下由雨夹雹、霰、湿雪及各种雨的混合柱状分布转为低层大雨。这些短时间的明显变化现象支持爆炸防雹理论。
2023, 34(1): 78-90.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230107
摘要:
无人机为大气探测的重要平台, 为克服固定翼起飞降落条件要求高和旋翼机飞行航时短的问题, 中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测实验室自主研制了一款新型复合翼无人机。为检验其在近地面探测大气温湿度的能力, 于2020年7月28日—8月6日及2021年8月1—6日, 在内蒙古自治区正镶白旗无人机综合验证基地开展了两期无人机搭载不同传感器探测温湿度的比对试验。结果显示:机载自动站与GPS探空仪所测温度绝对偏差为2.00℃~2.35℃, 系统偏差可订正;两者所测相对湿度绝对偏差为4.28%;2021年搭载维萨拉温湿探头, 测量对比表明维萨拉温湿探头与GPS探空仪测量结果一致性较好, 机载自动站与两者差异较大。飞行探测试验表明:长航时复合翼无人机在近地面大气层探空方面机动性强, 与常规旋翼无人机相比, 可获取更大垂直与水平范围的气象要素信息。
无人机为大气探测的重要平台, 为克服固定翼起飞降落条件要求高和旋翼机飞行航时短的问题, 中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测实验室自主研制了一款新型复合翼无人机。为检验其在近地面探测大气温湿度的能力, 于2020年7月28日—8月6日及2021年8月1—6日, 在内蒙古自治区正镶白旗无人机综合验证基地开展了两期无人机搭载不同传感器探测温湿度的比对试验。结果显示:机载自动站与GPS探空仪所测温度绝对偏差为2.00℃~2.35℃, 系统偏差可订正;两者所测相对湿度绝对偏差为4.28%;2021年搭载维萨拉温湿探头, 测量对比表明维萨拉温湿探头与GPS探空仪测量结果一致性较好, 机载自动站与两者差异较大。飞行探测试验表明:长航时复合翼无人机在近地面大气层探空方面机动性强, 与常规旋翼无人机相比, 可获取更大垂直与水平范围的气象要素信息。
2023, 34(1): 91-103.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230108
摘要:
结合夜间灯光数据、高程数据及地表分类数据, 提出一种针对山地城市郊区背景划分的方法, 并采用城乡二分法定量评估2001—2020年重庆市主城都市区热岛效应时空变化特征。结果显示传统缓冲区法和综合缓冲区法提取的郊区背景存在明显差异。利用传统缓冲区法提取郊区背景估算的热岛存在大量假热岛像元, 导致传统缓冲区法估算的热岛面积明显大于综合缓冲区法。综合缓冲区法估算结果表明:主城都市区热岛主要分布在中心城区、长寿区、涪陵区以及各区县驻地附近, 冷岛分布在东南部高海拔地区及中心城区部分山脉处。2001—2020年主城都市区热岛面积占比随时间呈波动上升趋势, 且具有明显的季节变化特征, 夏季最强、冬季最弱。
结合夜间灯光数据、高程数据及地表分类数据, 提出一种针对山地城市郊区背景划分的方法, 并采用城乡二分法定量评估2001—2020年重庆市主城都市区热岛效应时空变化特征。结果显示传统缓冲区法和综合缓冲区法提取的郊区背景存在明显差异。利用传统缓冲区法提取郊区背景估算的热岛存在大量假热岛像元, 导致传统缓冲区法估算的热岛面积明显大于综合缓冲区法。综合缓冲区法估算结果表明:主城都市区热岛主要分布在中心城区、长寿区、涪陵区以及各区县驻地附近, 冷岛分布在东南部高海拔地区及中心城区部分山脉处。2001—2020年主城都市区热岛面积占比随时间呈波动上升趋势, 且具有明显的季节变化特征, 夏季最强、冬季最弱。
2023, 34(1): 104-116.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230109
摘要:
利用欧洲中期天气预报中心ERA5再分析数据, 统计1979—2020年辽宁省42个温带气旋龙卷环境背景和物理量参数特征, 结果表明:辽宁省温带气旋龙卷多发于温带气旋中心的西南、东南象限, 与冷锋前暖区相对应, 主要分布在辽河平原中西部及渤海湾沿岸, 强龙卷(EF2及以上级别)占比为28.6%。风暴相对螺旋度和对流有效位能的大值区出现在气旋西南—东南象限, 呈带状分布, 龙卷风暴主要分布于风暴相对螺旋度大值区西北侧、对流有效位能大值区的顶端的强梯度区附近。强龙卷参数最大值达0.7, 其大值区与EF2及以上级别龙卷相对应。地面冷锋和干线是温带气旋龙卷的关键触发系统, 对比近气旋中心和冷锋尾部湿度垂直分布, 后者所表现的高层强干侵入导致风暴产生更强的冷池, 过强的下沉气流可能是龙卷产生的不利因素。温带气旋龙卷多分布于高空急流左侧气流的分流区内, 对应高空强辐散区。0~3 km垂直温度递减率大值区与气旋中心附近的弱龙卷高发区有较好对应关系。
利用欧洲中期天气预报中心ERA5再分析数据, 统计1979—2020年辽宁省42个温带气旋龙卷环境背景和物理量参数特征, 结果表明:辽宁省温带气旋龙卷多发于温带气旋中心的西南、东南象限, 与冷锋前暖区相对应, 主要分布在辽河平原中西部及渤海湾沿岸, 强龙卷(EF2及以上级别)占比为28.6%。风暴相对螺旋度和对流有效位能的大值区出现在气旋西南—东南象限, 呈带状分布, 龙卷风暴主要分布于风暴相对螺旋度大值区西北侧、对流有效位能大值区的顶端的强梯度区附近。强龙卷参数最大值达0.7, 其大值区与EF2及以上级别龙卷相对应。地面冷锋和干线是温带气旋龙卷的关键触发系统, 对比近气旋中心和冷锋尾部湿度垂直分布, 后者所表现的高层强干侵入导致风暴产生更强的冷池, 过强的下沉气流可能是龙卷产生的不利因素。温带气旋龙卷多分布于高空急流左侧气流的分流区内, 对应高空强辐散区。0~3 km垂直温度递减率大值区与气旋中心附近的弱龙卷高发区有较好对应关系。
2023, 34(1): 117-128.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230110
摘要:
在重大活动、突发气象灾害以及汛期会商服务等特定时空气象保障过程中, 采用各单位逐一汇报及展示专业产品或系统等传统方式, 形成的产品及系统深度专业, 但无法互动且运行协同不足, 影响实时保障服务效益。气象综合指挥平台充分利用现有气象业务数字化成果, 面向气象保障服务的时空及可视化需求, 采用混合存储、接口服务以及图层组件发布等技术, 实现多源数据的标准化处理、功能集约建设以及图层渲染等组件松耦合发布, 首次在气象保障服务中接入空间天气、风云四号气象卫星高分辨率数据、秒级观测以及百米融合实况等数据及产品, 实现气象产品全在线服务与中国气象局电视会商、云会商系统音视频信号的同步实时调度, 为实时气象保障调度指挥提供服务支撑。该平台集成113种气象产品, 发布1106个图层服务, 成功完成2022年北京冬奥会和冬残奥会等国家重大气象保障工作, 未来可为各类气象保障系统开发及专题气象保障服务提供支撑应用。
在重大活动、突发气象灾害以及汛期会商服务等特定时空气象保障过程中, 采用各单位逐一汇报及展示专业产品或系统等传统方式, 形成的产品及系统深度专业, 但无法互动且运行协同不足, 影响实时保障服务效益。气象综合指挥平台充分利用现有气象业务数字化成果, 面向气象保障服务的时空及可视化需求, 采用混合存储、接口服务以及图层组件发布等技术, 实现多源数据的标准化处理、功能集约建设以及图层渲染等组件松耦合发布, 首次在气象保障服务中接入空间天气、风云四号气象卫星高分辨率数据、秒级观测以及百米融合实况等数据及产品, 实现气象产品全在线服务与中国气象局电视会商、云会商系统音视频信号的同步实时调度, 为实时气象保障调度指挥提供服务支撑。该平台集成113种气象产品, 发布1106个图层服务, 成功完成2022年北京冬奥会和冬残奥会等国家重大气象保障工作, 未来可为各类气象保障系统开发及专题气象保障服务提供支撑应用。
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