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中国气象局2011年 第22卷 第5期
2011, 22(5): 513-524
摘要
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摘要:
采用全国160站1951—2009年月降水和气温资料，分析了短期气候预测业务评分办法中六级要素概率时空分布特征，并以1月、7月为代表获得了不同地区、不同级别降水和气温异常发生频率。结果表明：降水和气温的六级异常分布存在显著空间不均匀性和年代际变化特征，1980—2009年，北方降水在1月出现特少、特多等级和7月出现特少、偏少等级的概率较大，南方降水出现6个等级的概率基本相同；全国气温在1月和7月出现正常略低、正常略高和偏高等级的概率较大。1980—2009年与1951—1979年相比，全国1月降水为特多、偏多等级和7月降水为偏少等级的站数明显增加，全国1月气温为正常略高、偏高和特高等级的站数明显增加，呈明显的年代际变化特征。
采用全国160站1951—2009年月降水和气温资料，分析了短期气候预测业务评分办法中六级要素概率时空分布特征，并以1月、7月为代表获得了不同地区、不同级别降水和气温异常发生频率。结果表明：降水和气温的六级异常分布存在显著空间不均匀性和年代际变化特征，1980—2009年，北方降水在1月出现特少、特多等级和7月出现特少、偏少等级的概率较大，南方降水出现6个等级的概率基本相同；全国气温在1月和7月出现正常略低、正常略高和偏高等级的概率较大。1980—2009年与1951—1979年相比，全国1月降水为特多、偏多等级和7月降水为偏少等级的站数明显增加，全国1月气温为正常略高、偏高和特高等级的站数明显增加，呈明显的年代际变化特征。
2011, 22(5): 525-536
摘要:
利用地面加密自动站、天津塘沽多普勒雷达、FY-2C静止卫星以及NCEP/NCAR再分析资料，对2008年6月25日下午天津地区一次罕见大冰雹过程风暴系统发展演变、结构特征和形成原因进行了观测分析和诊断研究。结果表明：此次大冰雹过程是在华北冷涡背景下，前倾结构的高空槽使高层干冷空气叠加在低层暖湿空气上，导致不稳定层结发展。中尺度对流系统由3个β-中尺度对流云团先后2次合并而成的α-中尺度对流系统，呈近似圆形结构。风雹发生前，天津地区大气层结呈现出强的对流性不稳定；700 hPa与近地面之间的风速差达到20 m/s，0~3 km垂直风切变明显增大；当上述有利的热力和动力条件形成后，在地面辐合线和干冷空气侵入的触发机制下，就造成了本次大冰雹过程。同时，由多单体合并而成的超级单体风暴，在其发展成熟阶段，多普勒雷达图上呈现出弓型回波、低层弱回波区和中高层悬垂回波区及三体散射结构；塘沽地区降雹前，垂直液态水含量出现一次明显的跃增。
利用地面加密自动站、天津塘沽多普勒雷达、FY-2C静止卫星以及NCEP/NCAR再分析资料，对2008年6月25日下午天津地区一次罕见大冰雹过程风暴系统发展演变、结构特征和形成原因进行了观测分析和诊断研究。结果表明：此次大冰雹过程是在华北冷涡背景下，前倾结构的高空槽使高层干冷空气叠加在低层暖湿空气上，导致不稳定层结发展。中尺度对流系统由3个β-中尺度对流云团先后2次合并而成的α-中尺度对流系统，呈近似圆形结构。风雹发生前，天津地区大气层结呈现出强的对流性不稳定；700 hPa与近地面之间的风速差达到20 m/s，0~3 km垂直风切变明显增大；当上述有利的热力和动力条件形成后，在地面辐合线和干冷空气侵入的触发机制下，就造成了本次大冰雹过程。同时，由多单体合并而成的超级单体风暴，在其发展成熟阶段，多普勒雷达图上呈现出弓型回波、低层弱回波区和中高层悬垂回波区及三体散射结构；塘沽地区降雹前，垂直液态水含量出现一次明显的跃增。
2011, 22(5): 537-548
摘要:
以河南省冬小麦干旱为例，探讨了农业气象灾害保险风险评估与区划方法。首先，在构建冬小麦不同生育期干旱指数的基础上，结合农业保险的特征和精细化、专业化的需求，从气象因子、作物产量以及社会经济水平的角度选用干旱风险度、易损性指数、产量风险指数、抗灾性能指数4个指标对致灾因子、承灾体易损性、灾损风险、防灾减灾能力4个方面进行分析和评估。然后将上述4个保险风险评估指标细化到县级，采用聚类分析方法，对河南省冬小麦干旱进行了气象指数保险风险区划和政策性保险风险区划。两种区划结果表明：除豫西高风险区的个别县互相重合外，其余各县所属风险区有较大差别。因此，针对不同的保险特点和需求，需要采用不同的区划指标和方法，才能推行区域农业保险，更好地实行差别保险费率。
以河南省冬小麦干旱为例，探讨了农业气象灾害保险风险评估与区划方法。首先，在构建冬小麦不同生育期干旱指数的基础上，结合农业保险的特征和精细化、专业化的需求，从气象因子、作物产量以及社会经济水平的角度选用干旱风险度、易损性指数、产量风险指数、抗灾性能指数4个指标对致灾因子、承灾体易损性、灾损风险、防灾减灾能力4个方面进行分析和评估。然后将上述4个保险风险评估指标细化到县级，采用聚类分析方法，对河南省冬小麦干旱进行了气象指数保险风险区划和政策性保险风险区划。两种区划结果表明：除豫西高风险区的个别县互相重合外，其余各县所属风险区有较大差别。因此，针对不同的保险特点和需求，需要采用不同的区划指标和方法，才能推行区域农业保险，更好地实行差别保险费率。
2011, 22(5): 549-557
摘要:
冬小麦是我国的主要粮食作物之一，河北、山东、河南三省是我国的冬小麦主产区。利用1978—2008年冀、鲁、豫三省的历史气象资料和冬小麦产量数据，分别建立了三省冬小麦趋势产量和气象产量模型，趋势产量模型的复相关系数超过0.90，气象产量模型均通过0.05的显著性检验。将区域气候模式PRECIS输出的基准气候条件下的格点资料回代到冬小麦气象产量模型，以验证区域气候模式的可用性。利用区域气候模式输出的A2和B2情景下三省的格点资料和三省冬小麦气象产量模型，估算得到了三省2012—2050年的冬小麦气象产量，结果表明：无论在A2还是B2情景下，河北和河南两省冬小麦气象产量均表现出以减产为主、山东省冬小麦气象产量以增产为主的趋势。
冬小麦是我国的主要粮食作物之一，河北、山东、河南三省是我国的冬小麦主产区。利用1978—2008年冀、鲁、豫三省的历史气象资料和冬小麦产量数据，分别建立了三省冬小麦趋势产量和气象产量模型，趋势产量模型的复相关系数超过0.90，气象产量模型均通过0.05的显著性检验。将区域气候模式PRECIS输出的基准气候条件下的格点资料回代到冬小麦气象产量模型，以验证区域气候模式的可用性。利用区域气候模式输出的A2和B2情景下三省的格点资料和三省冬小麦气象产量模型，估算得到了三省2012—2050年的冬小麦气象产量，结果表明：无论在A2还是B2情景下，河北和河南两省冬小麦气象产量均表现出以减产为主、山东省冬小麦气象产量以增产为主的趋势。
2011, 22(5): 558-566
摘要:
在降水客观分区的基础上，对华北及周边地区进行夏季降水预报。利用2006—2008年的6—8月T213资料和相应时段的实况资料，通过概率回归降水等级方案建模，对2009年和2010年6—8月进行了试报。结果表明：分区建模的降水预报与单站建模预报相比，TS评分在不同时效、不同量级上均有提高，并且在空报和漏报上有较大改善，特别是大量级降水预报改善明显。从因子分析上看，分区建模较单站建模所选因子更丰富，利用了模式产品的有用信息，因此做出了更好的预报。分区建模与模式降水预报的对比分析表明：分区建模的降水预报效果好于模式直接降水预报，空报现象改善明显。
在降水客观分区的基础上，对华北及周边地区进行夏季降水预报。利用2006—2008年的6—8月T213资料和相应时段的实况资料，通过概率回归降水等级方案建模，对2009年和2010年6—8月进行了试报。结果表明：分区建模的降水预报与单站建模预报相比，TS评分在不同时效、不同量级上均有提高，并且在空报和漏报上有较大改善，特别是大量级降水预报改善明显。从因子分析上看，分区建模较单站建模所选因子更丰富，利用了模式产品的有用信息，因此做出了更好的预报。分区建模与模式降水预报的对比分析表明：分区建模的降水预报效果好于模式直接降水预报，空报现象改善明显。
2011, 22(5): 567-576
摘要:
根据Nozaki计算混合层厚度的经验参数化方法，利用部分时段的北京、黑龙江龙凤山、浙江临安、新疆阿勒泰、海南三亚、青海西宁、云南腾冲7个站的地面常规气象观测资料，计算14：00(北京时) 的混合层厚度，并与短期的臭氧探空资料中的Vaisala RS-80气象探空仪观测资料 (位温廓线和折射系数梯度) 分别确定的混合层厚度作对比分析。结果表明：由气象探空资料位温廓线和折射系数梯度分别确定的混合层厚度一致性很好，同时用这两种方法可以较为准确地确定混合层厚度。Nozaki方法可以较好地揭示混合层厚度日变化特征；但是当混合层厚度大于2000 m时，该方法计算值偏小，而小于1000 m时稍偏大；该方法计算值在北方站点 (北京、龙凤山、阿勒泰、西宁) 偏高，南方站点 (三亚、临安、腾冲) 偏低，而且计算值在无云时误差较大，多云时误差较小。
根据Nozaki计算混合层厚度的经验参数化方法，利用部分时段的北京、黑龙江龙凤山、浙江临安、新疆阿勒泰、海南三亚、青海西宁、云南腾冲7个站的地面常规气象观测资料，计算14：00(北京时) 的混合层厚度，并与短期的臭氧探空资料中的Vaisala RS-80气象探空仪观测资料 (位温廓线和折射系数梯度) 分别确定的混合层厚度作对比分析。结果表明：由气象探空资料位温廓线和折射系数梯度分别确定的混合层厚度一致性很好，同时用这两种方法可以较为准确地确定混合层厚度。Nozaki方法可以较好地揭示混合层厚度日变化特征；但是当混合层厚度大于2000 m时，该方法计算值偏小，而小于1000 m时稍偏大；该方法计算值在北方站点 (北京、龙凤山、阿勒泰、西宁) 偏高，南方站点 (三亚、临安、腾冲) 偏低，而且计算值在无云时误差较大，多云时误差较小。
2011, 22(5): 577-583
摘要:
该文介绍了单颗粒黑碳测量仪的观测原理，该仪器利用红外波段的连续激光束对黑碳粒子加热并使之燃烧，通过粒子发出的散射光信号和黑碳粒子燃烧时发出的光信号，来分析每一个黑碳粒子的特性，并通过两种信号的时间差判断黑碳粒子的混合状态。其原理有别于传统的黑碳气溶胶观测方法，可以提供单个黑碳气溶胶粒子特性信息。2009年12月使用单颗粒黑碳测量仪在天津市武清地区进行了为期近1个月的观测。结果表明：粒径为50~500 nm的气溶胶粒子中，黑碳气溶胶粒子占57.2%，平均数浓度为1504 cm-3，黑碳气溶胶粒子的平均质量浓度为8.15 μg/m3，包衣较厚的混合型黑碳气溶胶粒子占黑碳气溶胶粒子的51.5%。
该文介绍了单颗粒黑碳测量仪的观测原理，该仪器利用红外波段的连续激光束对黑碳粒子加热并使之燃烧，通过粒子发出的散射光信号和黑碳粒子燃烧时发出的光信号，来分析每一个黑碳粒子的特性，并通过两种信号的时间差判断黑碳粒子的混合状态。其原理有别于传统的黑碳气溶胶观测方法，可以提供单个黑碳气溶胶粒子特性信息。2009年12月使用单颗粒黑碳测量仪在天津市武清地区进行了为期近1个月的观测。结果表明：粒径为50~500 nm的气溶胶粒子中，黑碳气溶胶粒子占57.2%，平均数浓度为1504 cm-3，黑碳气溶胶粒子的平均质量浓度为8.15 μg/m3，包衣较厚的混合型黑碳气溶胶粒子占黑碳气溶胶粒子的51.5%。
2011, 22(5): 584-589
摘要:
Nelder-Mead Simplex (NMS) 算法是一种查找多元函数局地最小值的无微分算法，在现代科学计算中得到广泛应用，该文提出了一种对NMS算法的改进方法。改进后，大大简化了其计算过程，提高了该算法的收敛速度。利用改进后的算法对陆面过程参数进行了拟合计算，结果表明：改进的NMS算法对非线性公式具有非常高的拟合精度，可将其应用于气象学上非线性问题计算或非线性方程组求解。
Nelder-Mead Simplex (NMS) 算法是一种查找多元函数局地最小值的无微分算法，在现代科学计算中得到广泛应用，该文提出了一种对NMS算法的改进方法。改进后，大大简化了其计算过程，提高了该算法的收敛速度。利用改进后的算法对陆面过程参数进行了拟合计算，结果表明：改进的NMS算法对非线性公式具有非常高的拟合精度，可将其应用于气象学上非线性问题计算或非线性方程组求解。
2011, 22(5): 590-596
摘要:
2010年6—10月在天津与江苏地区开展了国内首次Ku/Ka频段星载降水测量雷达机载校飞试验。此次校飞试验获得了宝贵的机载雷达观测数据和地面、海面同步观测数据，目前已开展了外定标、数据对比与衰减订正等工作。该文给出了天津校飞试验中Ka频段降水测量雷达实测结果，对Ka频段降水测量雷达资料与天津地区S波段地基多普勒雷达资料进行了详细的对比分析，有利于更好地了解Ka频段降水测量雷达仪器本身的性能及其探测降水的能力；利用由GPS探空资料、地基多通道微波辐射计观测亮温结合微波辐射传输模式得到的雷达路径积分衰减量，对Ka频段降水测量雷达进行了衰减订正，为继续开展降水反演工作奠定了基础。
2010年6—10月在天津与江苏地区开展了国内首次Ku/Ka频段星载降水测量雷达机载校飞试验。此次校飞试验获得了宝贵的机载雷达观测数据和地面、海面同步观测数据，目前已开展了外定标、数据对比与衰减订正等工作。该文给出了天津校飞试验中Ka频段降水测量雷达实测结果，对Ka频段降水测量雷达资料与天津地区S波段地基多普勒雷达资料进行了详细的对比分析，有利于更好地了解Ka频段降水测量雷达仪器本身的性能及其探测降水的能力；利用由GPS探空资料、地基多通道微波辐射计观测亮温结合微波辐射传输模式得到的雷达路径积分衰减量，对Ka频段降水测量雷达进行了衰减订正，为继续开展降水反演工作奠定了基础。
2011, 22(5): 597-603
摘要:
从Scorer的背风波发生理论条件出发，首先考虑3层均匀干空气，利用WRF模式模拟出干空气条件下的小振幅拦截背风波动，波动主要发生在2~5 km的高度范围，波长为8 km左右，这与之前的观测和模拟结果相一致。分析表明：形成平稳背风波动过程中，存在能量波包向下游传播的性质，各位置振动的强度会发生周期性的增强和衰减。引入水汽进行的敏感性试验表明：随着水汽增多，背风波动的波长会增加，且波动传播中所能达到的最大垂直速度有变小趋势。
从Scorer的背风波发生理论条件出发，首先考虑3层均匀干空气，利用WRF模式模拟出干空气条件下的小振幅拦截背风波动，波动主要发生在2~5 km的高度范围，波长为8 km左右，这与之前的观测和模拟结果相一致。分析表明：形成平稳背风波动过程中，存在能量波包向下游传播的性质，各位置振动的强度会发生周期性的增强和衰减。引入水汽进行的敏感性试验表明：随着水汽增多，背风波动的波长会增加，且波动传播中所能达到的最大垂直速度有变小趋势。
2011, 22(5): 604-611
摘要:
基于长江中下游地区2000—2008年湖北、湖南、江西、安徽、江苏、浙江6个省的洪涝灾情资料 (由于上海市洪涝灾情较轻未列入分析范围)，运用灰色关联度法对该区域各省每年洪涝受灾情况进行量化，建立洪涝综合灾情指数。基于该指数，采用信息扩散理论评估模型对该区的洪涝灾害进行风险性评估，结果表明：各省洪涝灾害风险差异明显；该地区洪涝中灾频发，几乎1~2年就会遭遇其危害，安徽、湖北以及湖南发生大灾的可能性最大；江苏、浙江次之；江西遭遇大灾的概率相对较小。这一评估结果与近9年实际洪涝灾情统计资料相吻合，说明所用评估模型在处理不完备信息方面确有优势，可以推广应用。
基于长江中下游地区2000—2008年湖北、湖南、江西、安徽、江苏、浙江6个省的洪涝灾情资料 (由于上海市洪涝灾情较轻未列入分析范围)，运用灰色关联度法对该区域各省每年洪涝受灾情况进行量化，建立洪涝综合灾情指数。基于该指数，采用信息扩散理论评估模型对该区的洪涝灾害进行风险性评估，结果表明：各省洪涝灾害风险差异明显；该地区洪涝中灾频发，几乎1~2年就会遭遇其危害，安徽、湖北以及湖南发生大灾的可能性最大；江苏、浙江次之；江西遭遇大灾的概率相对较小。这一评估结果与近9年实际洪涝灾情统计资料相吻合，说明所用评估模型在处理不完备信息方面确有优势，可以推广应用。
2011, 22(5): 612-620
摘要:
北京地区冰雹灾害风险区划主要依据“风险=概率×损失”的风险评估方程来计算风险值，不单纯依靠极端天气及气候事件的概率统计来做区划。首先利用灰色关联模型将北京地区近30年 (1980—2009年) 的冰雹灾害历史灾情资料进行灾损评估，评估结果以关联度归一化值及高斯变换值的方式分别用于时间序列分析及风险值估算。然后采用启发式分割算法 (BG算法) 对灾情数值进行时间序列分析，分析发现：1997年为不平稳结点，1997年前后的灾情数值从平稳性上应分属两个不同的时间序列。以1997年后的期望偏差作为变异系数。在灾损评估结果的基础上进行关联度归一化值在0~1范围内10个等间距的雹灾频次统计，依据统计结果计算北京地区冰雹灾害的平均风险值并用该值来制定冰雹风险等级标准。最后利用风险评估方程计算历次雹灾的风险值，结合风险等级标准完成北京地区冰雹灾害风险区划。区划结果显示：北京地区冰雹灾害的高风险区域主要分布在北京城市中心地区、密云县城及平谷区等几个人口稠密地区，而山区及山前迎风坡地带尽管降雹频次高，冰雹灾害风险却相对较少。
北京地区冰雹灾害风险区划主要依据“风险=概率×损失”的风险评估方程来计算风险值，不单纯依靠极端天气及气候事件的概率统计来做区划。首先利用灰色关联模型将北京地区近30年 (1980—2009年) 的冰雹灾害历史灾情资料进行灾损评估，评估结果以关联度归一化值及高斯变换值的方式分别用于时间序列分析及风险值估算。然后采用启发式分割算法 (BG算法) 对灾情数值进行时间序列分析，分析发现：1997年为不平稳结点，1997年前后的灾情数值从平稳性上应分属两个不同的时间序列。以1997年后的期望偏差作为变异系数。在灾损评估结果的基础上进行关联度归一化值在0~1范围内10个等间距的雹灾频次统计，依据统计结果计算北京地区冰雹灾害的平均风险值并用该值来制定冰雹风险等级标准。最后利用风险评估方程计算历次雹灾的风险值，结合风险等级标准完成北京地区冰雹灾害风险区划。区划结果显示：北京地区冰雹灾害的高风险区域主要分布在北京城市中心地区、密云县城及平谷区等几个人口稠密地区，而山区及山前迎风坡地带尽管降雹频次高，冰雹灾害风险却相对较少。
2011, 22(5): 621-630
摘要:
中尺度灾害天气分析与预报系统 (Meso-Weather Analysis and Forecasting System，简称MWAFS) 是集成了国家重大科研项目产出的有关中尺度灾害天气研究成果以及气象行业关键的业务产品，综合应用计算机网络、地理信息系统、数据库以及气象专业分析模型等信息处理技术建立的一个能快速、有效地监测、分析与预测中尺度灾害天气的应用平台。MWAFS系统由数据接收处理、产品生成和综合分析显示3个子系统组成。其综合分析显示子系统基于WebGIS技术，融合了气象信息分析和显示方法，实现了重要场所天气状况的精确定位和表达，以及多时空气象资料的综合分析和叠加显示；显示系统采用了C/S和B/S两种体系架构，既可满足个人用户进行个性化的操作与分析，又可实现远程用户通过浏览器快速浏览和调用MWAFS系统产品。此外，系统建立了自动化的后台数据管理机制、作业调度流程和方便灵活的数据接口，易于本地化使用。
中尺度灾害天气分析与预报系统 (Meso-Weather Analysis and Forecasting System，简称MWAFS) 是集成了国家重大科研项目产出的有关中尺度灾害天气研究成果以及气象行业关键的业务产品，综合应用计算机网络、地理信息系统、数据库以及气象专业分析模型等信息处理技术建立的一个能快速、有效地监测、分析与预测中尺度灾害天气的应用平台。MWAFS系统由数据接收处理、产品生成和综合分析显示3个子系统组成。其综合分析显示子系统基于WebGIS技术，融合了气象信息分析和显示方法，实现了重要场所天气状况的精确定位和表达，以及多时空气象资料的综合分析和叠加显示；显示系统采用了C/S和B/S两种体系架构，既可满足个人用户进行个性化的操作与分析，又可实现远程用户通过浏览器快速浏览和调用MWAFS系统产品。此外，系统建立了自动化的后台数据管理机制、作业调度流程和方便灵活的数据接口，易于本地化使用。
2011, 22(5): 631-640
摘要:
通过分析当前农业气象业务服务发展与变化的需求, 农业气象业务系统架构、数据管理、产品制作等方面仍然存在不统一、不规范的问题，应用先进的软件设计模式与开发技术，该文提出了农业气象业务服务系统采用的以策略模式为主、工厂方法模式为辅的设计方式，以适应运行时用户不同功能选择和功能不断扩充的需求，提高软件的复用效率, 进一步形成通用、规范的应用系统，实现资源共享、集约化的系统设计模式。文章重点讨论了该模式下的总体框架模型、数据控制模型、数据服务模型、数据组件封装模型、插件管理与专业模块复用模型几方面的关键技术, 并通过基于ArcMap的农业气象评价系统和Oracle的农业气象数据库应用系统研发的两个实例，说明以动态库插件技术和数据组件封装技术的开发与业务应用效果。
通过分析当前农业气象业务服务发展与变化的需求, 农业气象业务系统架构、数据管理、产品制作等方面仍然存在不统一、不规范的问题，应用先进的软件设计模式与开发技术，该文提出了农业气象业务服务系统采用的以策略模式为主、工厂方法模式为辅的设计方式，以适应运行时用户不同功能选择和功能不断扩充的需求，提高软件的复用效率, 进一步形成通用、规范的应用系统，实现资源共享、集约化的系统设计模式。文章重点讨论了该模式下的总体框架模型、数据控制模型、数据服务模型、数据组件封装模型、插件管理与专业模块复用模型几方面的关键技术, 并通过基于ArcMap的农业气象评价系统和Oracle的农业气象数据库应用系统研发的两个实例，说明以动态库插件技术和数据组件封装技术的开发与业务应用效果。
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