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中国气象局2013年 第24卷 第5期
2013, 24(5): 513-520
摘要
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摘要:
从气候监测诊断、气候预测、气候系统模式、气候评价与灾害风险管理、气候变化业务和气候业务平台等角度，系统概述了我国现代气候业务现状。提出了以气候监测和动力学诊断为基础，以提升气候服务、气候风险管理和应对气候变化能力为目标，以发展客观化气候预测技术和定量化气候评估方法为核心的现代气候业务概念。分析了国际气候业务发展趋势及我国气候业务的差距，明确了加强气候系统基本变量监测、提高气候系统模式分辨率和改进物理过程、发展第2代短期气候预测系统、研发气象灾害风险评估方法并建立中国气候服务系统 (CFCS) 等发展任务。
从气候监测诊断、气候预测、气候系统模式、气候评价与灾害风险管理、气候变化业务和气候业务平台等角度，系统概述了我国现代气候业务现状。提出了以气候监测和动力学诊断为基础，以提升气候服务、气候风险管理和应对气候变化能力为目标，以发展客观化气候预测技术和定量化气候评估方法为核心的现代气候业务概念。分析了国际气候业务发展趋势及我国气候业务的差距，明确了加强气候系统基本变量监测、提高气候系统模式分辨率和改进物理过程、发展第2代短期气候预测系统、研发气象灾害风险评估方法并建立中国气候服务系统 (CFCS) 等发展任务。
2013, 24(5): 521-532
摘要:
从短期气候预测关注的外强迫信号角度出发，回顾了国内外在海温异常对东亚夏季风和我国汛期降水影响机理方面的主要研究进展，重点评述了热带太平洋ENSO循环、热带印度洋全区一致型海温模态、热带印度洋海温异常偶极子、南印度洋偶极子和北大西洋海温三极子模态的年际变化及其对东亚夏季风年际变率的影响。从研究成果在短期气候预测业务中应用的角度，重点关注海温异常和东亚夏季风年际变率以及我国汛期降水多雨带位置的关系，总结了海温异常作为外强迫信号对我国汛期降水预测的指示意义以及汛期降水预测的难度。最后指出气候预测业务对东亚夏季风影响的机理研究和动力气候模式发展方面的需求。
从短期气候预测关注的外强迫信号角度出发，回顾了国内外在海温异常对东亚夏季风和我国汛期降水影响机理方面的主要研究进展，重点评述了热带太平洋ENSO循环、热带印度洋全区一致型海温模态、热带印度洋海温异常偶极子、南印度洋偶极子和北大西洋海温三极子模态的年际变化及其对东亚夏季风年际变率的影响。从研究成果在短期气候预测业务中应用的角度，重点关注海温异常和东亚夏季风年际变率以及我国汛期降水多雨带位置的关系，总结了海温异常作为外强迫信号对我国汛期降水预测的指示意义以及汛期降水预测的难度。最后指出气候预测业务对东亚夏季风影响的机理研究和动力气候模式发展方面的需求。
2013, 24(5): 533-543
摘要:
该文简要介绍了国家气候中心短期气候预测模式系统的研发成果，并侧重于从海洋资料同化系统、陆面资料同化系统、月动力延伸预测模式系统、季节气候预测模式系统4个方面介绍了第2代短期气候预测模式系统的业务化进展。第2代海洋资料同化系统已初步建成，其对温盐的同化效果总体上优于第1代同化系统；陆面资料同化系统正在研发中，目前已完成其中的多源降水融合子系统的业务建设工作，可为陆面分量提供实时的大气降水强迫分析场；第2代月动力延伸预测系统基于国家气候中心大气环流模式BCC_AGCM2.2建立，已于2012年8月进入准业务运行阶段；第2代季节预测模式系统基于国家气候中心气候系统模式BCC_CSM1.1(m) 建立，将于2013年底投入准业务运行。初步评估表明：第2代月动力延伸预测模式系统和季节气候预测模式系统分别对候、旬、月和季节、年际时间尺度的气候变率体现出了一定的预测能力，其对降水、气温、环流等要素的预测技巧总体上要高于第1代预测系统。
该文简要介绍了国家气候中心短期气候预测模式系统的研发成果，并侧重于从海洋资料同化系统、陆面资料同化系统、月动力延伸预测模式系统、季节气候预测模式系统4个方面介绍了第2代短期气候预测模式系统的业务化进展。第2代海洋资料同化系统已初步建成，其对温盐的同化效果总体上优于第1代同化系统；陆面资料同化系统正在研发中，目前已完成其中的多源降水融合子系统的业务建设工作，可为陆面分量提供实时的大气降水强迫分析场；第2代月动力延伸预测系统基于国家气候中心大气环流模式BCC_AGCM2.2建立，已于2012年8月进入准业务运行阶段；第2代季节预测模式系统基于国家气候中心气候系统模式BCC_CSM1.1(m) 建立，将于2013年底投入准业务运行。初步评估表明：第2代月动力延伸预测模式系统和季节气候预测模式系统分别对候、旬、月和季节、年际时间尺度的气候变率体现出了一定的预测能力，其对降水、气温、环流等要素的预测技巧总体上要高于第1代预测系统。
2013, 24(5): 544-553
摘要:
为考察概率密度匹配法 (PDF方法) 对中国区域卫星反演降水产品系统误差订正的适用性，基于逐日和逐时我国地面观测降水量资料，引入PDF方法，分别对逐日0.25°×0.25°水平分辨率和逐时0.1°×0.1°水平分辨率的CMORPH (Climate Prediction Center Morphing Technique) 卫星降水产品的系统误差进行订正。在分析CMORPH卫星降水产品误差特征的基础上，根据两种资料不同的时空分辨率和误差特点，调整概率密度匹配时选取样本的时间和空间范围，设计相应的订正方案。评估结果表明: PDF方法订正后, 两种分辨率卫星降水资料在中国区域系统误差均显著减小，达到了理想的订正效果。在我国站点稀疏的西部地区，订正后的CMORPH卫星降水产品仍保持卫星观测的降水空间分布，降水量也明显接近于地面观测降水量。可见，PDF方法是中国区域卫星反演降水产品系统误差订正的一种有效方法。
为考察概率密度匹配法 (PDF方法) 对中国区域卫星反演降水产品系统误差订正的适用性，基于逐日和逐时我国地面观测降水量资料，引入PDF方法，分别对逐日0.25°×0.25°水平分辨率和逐时0.1°×0.1°水平分辨率的CMORPH (Climate Prediction Center Morphing Technique) 卫星降水产品的系统误差进行订正。在分析CMORPH卫星降水产品误差特征的基础上，根据两种资料不同的时空分辨率和误差特点，调整概率密度匹配时选取样本的时间和空间范围，设计相应的订正方案。评估结果表明: PDF方法订正后, 两种分辨率卫星降水资料在中国区域系统误差均显著减小，达到了理想的订正效果。在我国站点稀疏的西部地区，订正后的CMORPH卫星降水产品仍保持卫星观测的降水空间分布，降水量也明显接近于地面观测降水量。可见，PDF方法是中国区域卫星反演降水产品系统误差订正的一种有效方法。
2013, 24(5): 554-564
摘要:
该文比较了不同站点分布情况下我国江淮地区梅雨期降水基本空间型态，发现较高分辨率的站点分布能得到更细化的空间型态。1979—2010年我国江淮地区梅雨期降水基本空间型态主要包括南部型、长江型和江淮型。年际变化上，梅雨期降水的南北反位相特征更加明显；而长江型梅雨期降水较其他两个型态而言相对独立。回归分析表明，3种降水型态所对应的东亚夏季风环流子系统的位置、季风经圈环流及梅雨期水汽输送等均存在明显差别，其中东亚太平洋遥相关型 (EAP) 和欧亚遥相关型 (EU) 对南部型降水有显著影响。1979年以来，前期赤道东太平洋海温主要影响我国长江流域和江南地区梅雨期降水，而江淮型梅雨期降水与热带海温没有显著的相关关系。
该文比较了不同站点分布情况下我国江淮地区梅雨期降水基本空间型态，发现较高分辨率的站点分布能得到更细化的空间型态。1979—2010年我国江淮地区梅雨期降水基本空间型态主要包括南部型、长江型和江淮型。年际变化上，梅雨期降水的南北反位相特征更加明显；而长江型梅雨期降水较其他两个型态而言相对独立。回归分析表明，3种降水型态所对应的东亚夏季风环流子系统的位置、季风经圈环流及梅雨期水汽输送等均存在明显差别，其中东亚太平洋遥相关型 (EAP) 和欧亚遥相关型 (EU) 对南部型降水有显著影响。1979年以来，前期赤道东太平洋海温主要影响我国长江流域和江南地区梅雨期降水，而江淮型梅雨期降水与热带海温没有显著的相关关系。
2013, 24(5): 565-575
摘要:
利用1951—2011年广西夏季降水站点资料和NCEP/NACR等多种再分析资料，通过相关分析、经验模态分解、统计检验分析了广西夏季降水的多时间尺度特征及其影响因子，利用多元线性回归方法对夏季降水进行拟合和预测试验。结果显示：广西夏季降水具有多时间尺度特征，不同时间尺度对应着环流因子不同时间尺度的分量；在准2年尺度上，主要影响因子为季风槽、低空急流、高空急流、贝加尔湖高度场、南印度洋东部海温。利用对广西夏季降水影响显著的环流因子本征模态函数分量和多元线性回归方法拟合夏季降水，相关系数为0.73，表明广西夏季降水是环流因子多时间尺度共同作用的结果。利用前期冬季南印度洋东部海温异常本征模态函数作为前兆因子预报广西夏季降水，6个独立样本检验显示预测与实况趋势一致，该工作可供利用多时间尺度信息进行区域气候预测参考。
利用1951—2011年广西夏季降水站点资料和NCEP/NACR等多种再分析资料，通过相关分析、经验模态分解、统计检验分析了广西夏季降水的多时间尺度特征及其影响因子，利用多元线性回归方法对夏季降水进行拟合和预测试验。结果显示：广西夏季降水具有多时间尺度特征，不同时间尺度对应着环流因子不同时间尺度的分量；在准2年尺度上，主要影响因子为季风槽、低空急流、高空急流、贝加尔湖高度场、南印度洋东部海温。利用对广西夏季降水影响显著的环流因子本征模态函数分量和多元线性回归方法拟合夏季降水，相关系数为0.73，表明广西夏季降水是环流因子多时间尺度共同作用的结果。利用前期冬季南印度洋东部海温异常本征模态函数作为前兆因子预报广西夏季降水，6个独立样本检验显示预测与实况趋势一致，该工作可供利用多时间尺度信息进行区域气候预测参考。
2013, 24(5): 576-584
摘要:
利用湖北咸宁站2008年6月1日—2012年8月1日地基微波辐射计观测数据反演的相对湿度、大气液态水含量、大气水汽总量、大气层结曲线，对比分析了短时暴雨与一般降水过程发生前微波辐射计观测资料反映的特征，研究微波辐射计观测资料在短时暴雨潜势预报中的应用。结果表明:当大气液态水含量从1 mm左右急增至约20 mm、大气水汽总量从60~70 mm急增到90 mm以上之后，如果0~6 km整层相对湿度均接近饱和或达到饱和状态，且在800~950 hPa附近存在逆温层，最大K指数超过35℃，最大TT指数 (Thei-Tornqvist指数) 达到或超过40℃，那么未来3 h或6 h内发生短时暴雨的几率大。
利用湖北咸宁站2008年6月1日—2012年8月1日地基微波辐射计观测数据反演的相对湿度、大气液态水含量、大气水汽总量、大气层结曲线，对比分析了短时暴雨与一般降水过程发生前微波辐射计观测资料反映的特征，研究微波辐射计观测资料在短时暴雨潜势预报中的应用。结果表明:当大气液态水含量从1 mm左右急增至约20 mm、大气水汽总量从60~70 mm急增到90 mm以上之后，如果0~6 km整层相对湿度均接近饱和或达到饱和状态，且在800~950 hPa附近存在逆温层，最大K指数超过35℃，最大TT指数 (Thei-Tornqvist指数) 达到或超过40℃，那么未来3 h或6 h内发生短时暴雨的几率大。
2013, 24(5): 585-594
摘要:
利用闪电先导二维随机模式对风力发电机遭受雷击情况进行模拟，分析表明：随着下行先导初始位置相对风力发电机水平偏移距离不断增加，雷击风力发电机概率不断减小，偏右500 m时减至4%，且雷击部位多为叶片，叶片姿态不同，雷击特点存在一定差异。当风力发电机1号扇叶转动45°时，扇叶上产生的上行先导长度达221 m，高于平均值10.3%，且各个扇叶间的竞争关系较明显。对风力发电机叶片姿态不同、偏移下行先导不同距离时的雷击概率进行模拟，得出下行梯级先导相对于风力发电机水平偏右300 m以及偏左300 m以内时，扇叶处于15°~45°之间遭受的雷击概率略高，而偏右500 m时其雷击概率明显偏高。由整体随机性分析可知，当风力发电机处于15°~45°时，遭受雷击危害的概率相对较大。
利用闪电先导二维随机模式对风力发电机遭受雷击情况进行模拟，分析表明：随着下行先导初始位置相对风力发电机水平偏移距离不断增加，雷击风力发电机概率不断减小，偏右500 m时减至4%，且雷击部位多为叶片，叶片姿态不同，雷击特点存在一定差异。当风力发电机1号扇叶转动45°时，扇叶上产生的上行先导长度达221 m，高于平均值10.3%，且各个扇叶间的竞争关系较明显。对风力发电机叶片姿态不同、偏移下行先导不同距离时的雷击概率进行模拟，得出下行梯级先导相对于风力发电机水平偏右300 m以及偏左300 m以内时，扇叶处于15°~45°之间遭受的雷击概率略高，而偏右500 m时其雷击概率明显偏高。由整体随机性分析可知，当风力发电机处于15°~45°时，遭受雷击危害的概率相对较大。
2013, 24(5): 595-605
摘要:
根据琼州海峡两岸2个梯度塔和1部车载风廓线雷达共同获取的强台风纳沙 (1117) 实测风速资料，分析强台风纳沙影响期间大风特性，发现以下观测事实和变化规律：位于台风移动路径右侧的测风站，其风向呈顺时针方向旋转，台风眼区经过的测风站，其最大风速接近35 m·s-1，且风向旋转超过180°，台风外围大风区经过的测风站其最大风速达到30 m·s-1，风向旋转73°；大风风切变过程可用对数函数和指数函数拟合，对数函数和指数函数对光滑下垫面的拟合效果更好，且对数函数拟合效果要略优于指数函数；阵风系数随风速增大而减小，但风速达到6级以后，阵风系数不随风速大小产生趋势变化，阵风系数与下垫面粗糙度有关，在粗糙下垫面上阵风系数会偏大；大风阵风系数随高度变化可用指数函数来描述，且对来自光滑下垫面的近地层大风阵风系数拟合效果更好。该观测个例的大风风切变指数与GB/T 18710—2002的推荐值存在差异——粗糙下垫面的大风风切变指数大于标准推荐值，而来自光滑下垫面的大风风切变指数则小于GB/T 18710—2002的推荐值。
根据琼州海峡两岸2个梯度塔和1部车载风廓线雷达共同获取的强台风纳沙 (1117) 实测风速资料，分析强台风纳沙影响期间大风特性，发现以下观测事实和变化规律：位于台风移动路径右侧的测风站，其风向呈顺时针方向旋转，台风眼区经过的测风站，其最大风速接近35 m·s-1，且风向旋转超过180°，台风外围大风区经过的测风站其最大风速达到30 m·s-1，风向旋转73°；大风风切变过程可用对数函数和指数函数拟合，对数函数和指数函数对光滑下垫面的拟合效果更好，且对数函数拟合效果要略优于指数函数；阵风系数随风速增大而减小，但风速达到6级以后，阵风系数不随风速大小产生趋势变化，阵风系数与下垫面粗糙度有关，在粗糙下垫面上阵风系数会偏大；大风阵风系数随高度变化可用指数函数来描述，且对来自光滑下垫面的近地层大风阵风系数拟合效果更好。该观测个例的大风风切变指数与GB/T 18710—2002的推荐值存在差异——粗糙下垫面的大风风切变指数大于标准推荐值，而来自光滑下垫面的大风风切变指数则小于GB/T 18710—2002的推荐值。
2013, 24(5): 606-616
摘要:
利用多模式超级集合预报法，以欧洲中期天气预报中心、日本气象厅、德国气象局、中国气象局和中国空军气象中心共5个决定性7 d预报产品为集合成员，对2010年8月500 hPa高度场和850 hPa温度场分别进行固定训练期和滑动训练期超级集合预报。采用均方根误差和相关系数对超级集合预报、单一模式预报和简单集合平均预报进行对比检验，同时对各预报结果的均方根误差空间分布进行对比分析。结果表明：超级集合预报在所有预报结果中最佳，且滑动集合预报对8月后期时段预报要略好于固定集合预报，两者预报效果均好于参与集合预报的各模式，也好于集合平均预报。但随着预报时效的延长，集合平均预报的优势也随之提升。从预报结果均方根误差的空间分布可知，多模式超级集合预报相比于单一模式预报效果提高的区域，500 hPa位势高度场主要位于印度半岛、印度洋、青藏高原及以西地区，而850 hPa温度场则主要位于蒙古、青藏高原、中国新疆及以西地区。
利用多模式超级集合预报法，以欧洲中期天气预报中心、日本气象厅、德国气象局、中国气象局和中国空军气象中心共5个决定性7 d预报产品为集合成员，对2010年8月500 hPa高度场和850 hPa温度场分别进行固定训练期和滑动训练期超级集合预报。采用均方根误差和相关系数对超级集合预报、单一模式预报和简单集合平均预报进行对比检验，同时对各预报结果的均方根误差空间分布进行对比分析。结果表明：超级集合预报在所有预报结果中最佳，且滑动集合预报对8月后期时段预报要略好于固定集合预报，两者预报效果均好于参与集合预报的各模式，也好于集合平均预报。但随着预报时效的延长，集合平均预报的优势也随之提升。从预报结果均方根误差的空间分布可知，多模式超级集合预报相比于单一模式预报效果提高的区域，500 hPa位势高度场主要位于印度半岛、印度洋、青藏高原及以西地区，而850 hPa温度场则主要位于蒙古、青藏高原、中国新疆及以西地区。
2013, 24(5): 617-624
摘要:
为认识和提高光合有效辐射 (波长为400~700 nm) 的测量精度，对国内外5种常用的光合有效辐射表的灵敏度、余弦响应、非线性、温度依赖性、光谱响应等性能进行了测试和分析。结果表明: 5种光合有效辐射表 (简称光合表) 的非线性误差均在1%以内; 3种光合表 (PAR LITE，LI-190和FS-PR) 的余弦误差均小于10%，温度系数均小于0.3%/℃，2种光合表 (TRT-5和HSC-FPH-1) 的余弦误差明显偏大，温度系数小于0.5%/℃。2种光合表 (PAR LITE和LI-190) 的光谱响应曲线接近于理想光谱，而其余3种光合表与理想光谱曲线偏离较大。在自然光下的一致性比对测量结果显示，5种光合表测量的辐射量与标准值的误差均在5%以内，但综合评价后认为，3种光合表 (PAR LITE，LI-190和FS-PR) 的性能明显优于其他2种光合表 (TRT-5和HSC-FPH-1)。该结果可为气象观测业务选型提供参考。
为认识和提高光合有效辐射 (波长为400~700 nm) 的测量精度，对国内外5种常用的光合有效辐射表的灵敏度、余弦响应、非线性、温度依赖性、光谱响应等性能进行了测试和分析。结果表明: 5种光合有效辐射表 (简称光合表) 的非线性误差均在1%以内; 3种光合表 (PAR LITE，LI-190和FS-PR) 的余弦误差均小于10%，温度系数均小于0.3%/℃，2种光合表 (TRT-5和HSC-FPH-1) 的余弦误差明显偏大，温度系数小于0.5%/℃。2种光合表 (PAR LITE和LI-190) 的光谱响应曲线接近于理想光谱，而其余3种光合表与理想光谱曲线偏离较大。在自然光下的一致性比对测量结果显示，5种光合表测量的辐射量与标准值的误差均在5%以内，但综合评价后认为，3种光合表 (PAR LITE，LI-190和FS-PR) 的性能明显优于其他2种光合表 (TRT-5和HSC-FPH-1)。该结果可为气象观测业务选型提供参考。
2013, 24(5): 625-630
摘要:
通过开展湖北省九宫山风电场短期风电功率预报方法的研究，以不断提高预报准确率，为风电场提供更有价值的预报服务，该文利用MM5耦合CALMET模式模拟风电场风速资料，采用物理法和动力统计法探讨风电场各种情况下预报应用效果。结果表明：模拟风速释用订正能有效降低风速预报误差，但难以修正预报趋势；动力统计法更适用于九宫山风电场的复杂山区地形，可能由于该方法能自发适应风电场地理位置；采用实测数据建立的风电功率预报模型优于理论风电功率模型，这也与风机实际运行环境会影响风机输出功率有关。
通过开展湖北省九宫山风电场短期风电功率预报方法的研究，以不断提高预报准确率，为风电场提供更有价值的预报服务，该文利用MM5耦合CALMET模式模拟风电场风速资料，采用物理法和动力统计法探讨风电场各种情况下预报应用效果。结果表明：模拟风速释用订正能有效降低风速预报误差，但难以修正预报趋势；动力统计法更适用于九宫山风电场的复杂山区地形，可能由于该方法能自发适应风电场地理位置；采用实测数据建立的风电功率预报模型优于理论风电功率模型，这也与风机实际运行环境会影响风机输出功率有关。
2013, 24(5): 631-640
摘要:
气候信息交互显示与分析平台 (CIPAS) 设计为面向气候监测、诊断、预测等基础业务支撑系统。CIPAS设计了面向气候业务应用的集约化基础数据环境，内容涵盖全时间序列的地面常规观测、指数资料、再分析资料以及数值预报产品等，并提供基于要素、层次、时间、范围、种类等查询参数的统一、简单的访问接口 (API)；CIPAS设计采用多层次分布式架构并形成轻量级客户端，而客户端则采用组件化和插件化设计方法，涵盖数据、图形、分析处理、版面制图、配置管理等核心组件，形成可扩展和组装的基础业务功能模块及二次开发接口，并以工具箱的形式提供各种气候业务分析能力，如EOF，SVD等诊断分析工具。该文重点对CIPAS的建设原则、总体框架、主要功能、运行流程等设计进行详细介绍，并对平台实现所涉及的若干关键技术问题进行深入分析。CIPAS初步具备了气候资料综合检索、多维显示、统计诊断分析产品生成等综合业务功能，其建设成果在国家级和试点省份的试用显示其较好的业务应用能力与发展前景。
气候信息交互显示与分析平台 (CIPAS) 设计为面向气候监测、诊断、预测等基础业务支撑系统。CIPAS设计了面向气候业务应用的集约化基础数据环境，内容涵盖全时间序列的地面常规观测、指数资料、再分析资料以及数值预报产品等，并提供基于要素、层次、时间、范围、种类等查询参数的统一、简单的访问接口 (API)；CIPAS设计采用多层次分布式架构并形成轻量级客户端，而客户端则采用组件化和插件化设计方法，涵盖数据、图形、分析处理、版面制图、配置管理等核心组件，形成可扩展和组装的基础业务功能模块及二次开发接口，并以工具箱的形式提供各种气候业务分析能力，如EOF，SVD等诊断分析工具。该文重点对CIPAS的建设原则、总体框架、主要功能、运行流程等设计进行详细介绍，并对平台实现所涉及的若干关键技术问题进行深入分析。CIPAS初步具备了气候资料综合检索、多维显示、统计诊断分析产品生成等综合业务功能，其建设成果在国家级和试点省份的试用显示其较好的业务应用能力与发展前景。
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