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中国气象局2016年 第27卷 第6期
摘要
PDF 1097KB
2016, 27(6): 641-653.
DOI: 10.11898/1001-7313.20160601
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摘要:
热带大气低频振荡 (MJO) 和北半球夏季季节内振荡 (BSISO) 对全球范围天气气候事件有重要影响，是次季节-季节 (S2S) 预报最主要的可预报性来源之一。国家气候中心 (BCC) 基于我国完全自主的T639全球分析场数据、风云三号气象卫星射出长波辐射 (OLR) 资料以及BCC第2代大气环流模式系统的实时预报，发展了MJO实时监测预测一体化业务技术，建立了ISV/MJO监测预测业务系统 (IMPRESS1.0)，已投入实时业务运行，在全国气象业务系统得到应用。该文着重介绍该系统提供的MJO和BSISO指数监测预测数据和图形产品，并描述了这些业务产品在2015年对MJO典型个例的实时监测预测应用情况。监测分析和预报检验表明，基于我国自主资料的监测结果能够较为准确地表征MJO和BSISO指数的振荡和演变过程，该系统对MJO和BSISO事件分别至少具备16 d和10 d左右的预报技巧。因此，基于IMPRESS1.0的MJO/BSISO监测预测一体化业务产品可为制作延伸期预报提供重要的参考依据。
热带大气低频振荡 (MJO) 和北半球夏季季节内振荡 (BSISO) 对全球范围天气气候事件有重要影响，是次季节-季节 (S2S) 预报最主要的可预报性来源之一。国家气候中心 (BCC) 基于我国完全自主的T639全球分析场数据、风云三号气象卫星射出长波辐射 (OLR) 资料以及BCC第2代大气环流模式系统的实时预报，发展了MJO实时监测预测一体化业务技术，建立了ISV/MJO监测预测业务系统 (IMPRESS1.0)，已投入实时业务运行，在全国气象业务系统得到应用。该文着重介绍该系统提供的MJO和BSISO指数监测预测数据和图形产品，并描述了这些业务产品在2015年对MJO典型个例的实时监测预测应用情况。监测分析和预报检验表明，基于我国自主资料的监测结果能够较为准确地表征MJO和BSISO指数的振荡和演变过程，该系统对MJO和BSISO事件分别至少具备16 d和10 d左右的预报技巧。因此，基于IMPRESS1.0的MJO/BSISO监测预测一体化业务产品可为制作延伸期预报提供重要的参考依据。
2016, 27(6): 654-665.
DOI: 10.11898/1001-7313.20160602
摘要:
选取2014年11月6—11日一次典型污染过程，以北京城区为重点关注的目标区域，基于印痕分析技术判别对该区域影响较大的敏感源区，设计重点区域减排试验和敏感源区逐日动态减排试验，利用区域化学传输模式WRF-Chem进行模拟对比。结果显示：上述两种方案对源强较高的减排当地PM2.5浓度降低均有明显的改善作用，且在传输作用下会辐射影响到下游地区；但仅就目标区域而言，敏感源区减排方案的减排效率要远远高于重点区域减排方案。为了验证基于敏感源分析的动态减排方法的适用性，进一步开展了不同季节以及不同背景浓度的个例模拟。结果表明：基于敏感源区分析结果制定动态逐日减排措施，可降低削减成本、提高减排效率，以达到最具经济环境效益的减排效果。
选取2014年11月6—11日一次典型污染过程，以北京城区为重点关注的目标区域，基于印痕分析技术判别对该区域影响较大的敏感源区，设计重点区域减排试验和敏感源区逐日动态减排试验，利用区域化学传输模式WRF-Chem进行模拟对比。结果显示：上述两种方案对源强较高的减排当地PM2.5浓度降低均有明显的改善作用，且在传输作用下会辐射影响到下游地区；但仅就目标区域而言，敏感源区减排方案的减排效率要远远高于重点区域减排方案。为了验证基于敏感源分析的动态减排方法的适用性，进一步开展了不同季节以及不同背景浓度的个例模拟。结果表明：基于敏感源区分析结果制定动态逐日减排措施，可降低削减成本、提高减排效率，以达到最具经济环境效益的减排效果。
2016, 27(6): 666-675.
DOI: 10.11898/1001-7313.20160603
摘要:
如何在长时间积分的过程中保证模式大气的质量守恒是数值模式动力框架面临的基本问题之一，对于半拉格朗日动力框架来说, 在理论上要满足质量守恒面临着诸多的困难，质量订正方案不失为一种简单可行的选择。中国气象局数值预报中心的GRAPES_GFS (Global-Regional Assimilation and PrEdiction System, Global Forecast System) 在长时间积分过程中质量损失问题较为明显，该研究工作借鉴C-CAM (Climate-Community Atmosphere Model) 中对地面气压进行订正控制模式质量守恒的思路，在GRAPES_GFS中开发了一种对每个网格内的质量按照不同权重系数进行调整、控制模式大气总质量守恒的算法。经过一系列的试验，验证了该方法在GRAPES_GFS中的可行性，在保证模式质量守恒的情况下可有效减小高度场的预报偏差，缓解模式预报结果中天气系统偏弱的问题，在实际业务预报中有一定应用价值。
如何在长时间积分的过程中保证模式大气的质量守恒是数值模式动力框架面临的基本问题之一，对于半拉格朗日动力框架来说, 在理论上要满足质量守恒面临着诸多的困难，质量订正方案不失为一种简单可行的选择。中国气象局数值预报中心的GRAPES_GFS (Global-Regional Assimilation and PrEdiction System, Global Forecast System) 在长时间积分过程中质量损失问题较为明显，该研究工作借鉴C-CAM (Climate-Community Atmosphere Model) 中对地面气压进行订正控制模式质量守恒的思路，在GRAPES_GFS中开发了一种对每个网格内的质量按照不同权重系数进行调整、控制模式大气总质量守恒的算法。经过一系列的试验，验证了该方法在GRAPES_GFS中的可行性，在保证模式质量守恒的情况下可有效减小高度场的预报偏差，缓解模式预报结果中天气系统偏弱的问题，在实际业务预报中有一定应用价值。
2016, 27(6): 676-687.
DOI: 10.11898/1001-7313.20160604
摘要:
利用欧洲中期天气预报中心 (ECMWF)、美国大气环境预报中心 (NCEP) 集合预报系统 (EPS) 降水量预报资料，CMORPH (NOAA Climate Prediction Center Morphing Method) 卫星与全国3万个自动气象站降水量融合资料，基于技巧评分、ROC (relative operating characteristic) 分析等方法，对比两个集合预报系统对秦岭及周边地区的降水预报性能。结果表明:两个系统均能较好表现降水量的空间形态，对于不同量级降水，ECMWF集合预报系统0~240 h控制及扰动预报优于NCEP集合预报系统，但NCEP集合预报系统264~360 h预报时效整体表现更好; ECMWF集合预报系统0~120 h大雨集合平均优于NCEP集合预报系统，两个系统集合平均的预报技巧整体低于其控制及扰动成员预报，这种现象ECMWF集合预报系统表现更为显著; ECMWF集合预报系统降水预报概率优于NCEP集合预报系统。ROC分析显示，随着预报概率的增大，ECMWF集合预报系统在命中率略微下降的情况下，显著减小了空报率，NCEP集合预报系统则表现出高空报、高命中率。
利用欧洲中期天气预报中心 (ECMWF)、美国大气环境预报中心 (NCEP) 集合预报系统 (EPS) 降水量预报资料，CMORPH (NOAA Climate Prediction Center Morphing Method) 卫星与全国3万个自动气象站降水量融合资料，基于技巧评分、ROC (relative operating characteristic) 分析等方法，对比两个集合预报系统对秦岭及周边地区的降水预报性能。结果表明:两个系统均能较好表现降水量的空间形态，对于不同量级降水，ECMWF集合预报系统0~240 h控制及扰动预报优于NCEP集合预报系统，但NCEP集合预报系统264~360 h预报时效整体表现更好; ECMWF集合预报系统0~120 h大雨集合平均优于NCEP集合预报系统，两个系统集合平均的预报技巧整体低于其控制及扰动成员预报，这种现象ECMWF集合预报系统表现更为显著; ECMWF集合预报系统降水预报概率优于NCEP集合预报系统。ROC分析显示，随着预报概率的增大，ECMWF集合预报系统在命中率略微下降的情况下，显著减小了空报率，NCEP集合预报系统则表现出高空报、高命中率。
2016, 27(6): 688-697.
DOI: 10.11898/1001-7313.20160605
摘要:
以NCEP/NCAR每日4次的GFS (Global Forecast System) 再分析资料驱动大气三维输送模式FLEXPART (Flexible Particle Model), 借助于拉格朗日水汽输送和源区识别技术, 在考虑了空气块输送过程中的比湿变化基础上, 诊断三江源区大气的水汽来源、输送途径及其空间结构特征。结果表明:夏季三江源区短时输送 (6 d内) 的水汽主要来自于青藏高原以及其西北侧陆地区域, 而更长时间 (8~10 d) 的来源可追踪到阿拉伯海和孟加拉湾等远距离海洋区域; 水汽输送通道主要有两支, 第1支为沿着索马里海到阿拉伯海的跨赤道水汽输送, 第2支为在西风控制下从中亚乃至西亚地区向三江源区的输送。定量分析亦显示:6月青藏高原西侧的水汽输送贡献最大, 7月阿拉伯海成为了主要水汽来源, 8月阿拉伯海水汽输送贡献减小。
以NCEP/NCAR每日4次的GFS (Global Forecast System) 再分析资料驱动大气三维输送模式FLEXPART (Flexible Particle Model), 借助于拉格朗日水汽输送和源区识别技术, 在考虑了空气块输送过程中的比湿变化基础上, 诊断三江源区大气的水汽来源、输送途径及其空间结构特征。结果表明:夏季三江源区短时输送 (6 d内) 的水汽主要来自于青藏高原以及其西北侧陆地区域, 而更长时间 (8~10 d) 的来源可追踪到阿拉伯海和孟加拉湾等远距离海洋区域; 水汽输送通道主要有两支, 第1支为沿着索马里海到阿拉伯海的跨赤道水汽输送, 第2支为在西风控制下从中亚乃至西亚地区向三江源区的输送。定量分析亦显示:6月青藏高原西侧的水汽输送贡献最大, 7月阿拉伯海成为了主要水汽来源, 8月阿拉伯海水汽输送贡献减小。
2016, 27(6): 698-708.
DOI: 10.11898/1001-7313.20160606
摘要:
卫星大气探测仪器的正演模拟是卫星资料同化和定量遥感的基础, 同CO2吸收通道相比, 目前红外水汽探测通道的亮温正演模拟误差较大。利用国际上通用的TIGR (thermodynamic initial guess retrieval database) 43廓线库作为训练样本, NESDIS (national environment satellite, data and information service) 35廓线库作为独立检验样本, 对水汽廓线按照整层大气水汽总量为阈值进行分组训练, 基于RTTOV (radiative transfer for TOVS) 模型训练获得风云三号气象卫星红外分光计的正演回归系数并模拟计算观测亮温。以0.045 kg·m-2作阈值进行分组训练为例, 结果表明:该方法可有效改进水汽通道亮温的正演精度, 特别是对低水汽含量廓线的模拟精度改进比较明显, 最大可达0.17 K。进一步分析表明:分组训练方法改进水汽通道辐射模拟精度的原因是提高了水汽光学厚度的计算精度。
卫星大气探测仪器的正演模拟是卫星资料同化和定量遥感的基础, 同CO2吸收通道相比, 目前红外水汽探测通道的亮温正演模拟误差较大。利用国际上通用的TIGR (thermodynamic initial guess retrieval database) 43廓线库作为训练样本, NESDIS (national environment satellite, data and information service) 35廓线库作为独立检验样本, 对水汽廓线按照整层大气水汽总量为阈值进行分组训练, 基于RTTOV (radiative transfer for TOVS) 模型训练获得风云三号气象卫星红外分光计的正演回归系数并模拟计算观测亮温。以0.045 kg·m-2作阈值进行分组训练为例, 结果表明:该方法可有效改进水汽通道亮温的正演精度, 特别是对低水汽含量廓线的模拟精度改进比较明显, 最大可达0.17 K。进一步分析表明:分组训练方法改进水汽通道辐射模拟精度的原因是提高了水汽光学厚度的计算精度。
2016, 27(6): 709-715.
DOI: 10.11898/1001-7313.20160607
摘要:
2010年11月5日发射的风云三号B星 (FY-3B) 是我国第2代极轨气象卫星的第2颗星。其上装载的微波湿度计 (MWHS) 在183 GHz水汽吸收线设计了3个大气探测通道，在大气窗区150 GHz设置了双极化通道。该文主要对FY-3B微波湿度计系统进行介绍，分析其在轨5年的性能，对仪器在轨关键性能参数进行了长时间序列分析，结果表明：仪器各通道灵敏度均优于0.4 K，其中通道1，2，4，5的灵敏度优于0.3 K，定标精度稳定在0.3~0.55 K，未出现恶化现象, 同类型在轨载荷星下点处匹配数据交叉比对，相关系数优于96%。分析表明，该仪器在轨性能和数据质量均优于FY-3A微波湿度计。同时，利用微波湿度计实测数据，着重分析2015年6—7月若干台风的生成、演化、增强和消亡的整个过程，并对台风区域强降雨监测进行分析。
2010年11月5日发射的风云三号B星 (FY-3B) 是我国第2代极轨气象卫星的第2颗星。其上装载的微波湿度计 (MWHS) 在183 GHz水汽吸收线设计了3个大气探测通道，在大气窗区150 GHz设置了双极化通道。该文主要对FY-3B微波湿度计系统进行介绍，分析其在轨5年的性能，对仪器在轨关键性能参数进行了长时间序列分析，结果表明：仪器各通道灵敏度均优于0.4 K，其中通道1，2，4，5的灵敏度优于0.3 K，定标精度稳定在0.3~0.55 K，未出现恶化现象, 同类型在轨载荷星下点处匹配数据交叉比对，相关系数优于96%。分析表明，该仪器在轨性能和数据质量均优于FY-3A微波湿度计。同时，利用微波湿度计实测数据，着重分析2015年6—7月若干台风的生成、演化、增强和消亡的整个过程，并对台风区域强降雨监测进行分析。
2016, 27(6): 716-724.
DOI: 10.11898/1001-7313.20160608
摘要:
2010—2014年夏季广州野外雷电试验基地采用了两种引雷火箭开展人工引雷试验，通过对25次经典人工触发闪电电流资料的分析，进一步证实了当火箭携带铜线时先驱电流脉冲 (precursor current pulse) 为双极性振荡型，火箭携带钢丝时先驱电流脉冲为单极性，其中单极性脉冲电流峰值、10%~90%上升时间、波形宽度和转移电荷量的几何平均值分别为26 A，0.33 μs，2.3 μs，27 μC，双极性脉冲相应的波形参数几何平均值分别为67 A，0.24 μs，2.1 μs，54 μC。双极性脉冲电流峰值的几何平均值接近是单极性的2.6倍，而波形持续时间和上升时间的几何平均值与单极性相近。利用传输线模型，模拟铜线通道底部电流波形呈双极性振荡型，而钢丝通道底部电流波形呈单极性，这与实际测量的结果比较一致，推测这两种电流波形可能是传输线特性阻抗不同所导致，在传输线顶端由先导起始放电产生的电流脉冲应为单极性。
2010—2014年夏季广州野外雷电试验基地采用了两种引雷火箭开展人工引雷试验，通过对25次经典人工触发闪电电流资料的分析，进一步证实了当火箭携带铜线时先驱电流脉冲 (precursor current pulse) 为双极性振荡型，火箭携带钢丝时先驱电流脉冲为单极性，其中单极性脉冲电流峰值、10%~90%上升时间、波形宽度和转移电荷量的几何平均值分别为26 A，0.33 μs，2.3 μs，27 μC，双极性脉冲相应的波形参数几何平均值分别为67 A，0.24 μs，2.1 μs，54 μC。双极性脉冲电流峰值的几何平均值接近是单极性的2.6倍，而波形持续时间和上升时间的几何平均值与单极性相近。利用传输线模型，模拟铜线通道底部电流波形呈双极性振荡型，而钢丝通道底部电流波形呈单极性，这与实际测量的结果比较一致，推测这两种电流波形可能是传输线特性阻抗不同所导致，在传输线顶端由先导起始放电产生的电流脉冲应为单极性。
2016, 27(6): 725-733.
DOI: 10.11898/1001-7313.20160609
摘要:
提出了一种基于线支持区域的闪电通道识别算法 (LLSR)，该算法首先应用对比度拉伸和高斯匹配滤波方法对闪电通道图像进行预处理，以增强闪电通道的对比度；然后自动检测出包含闪电通道的线支持区域，并用最小外接矩形包含这些区域；最后在各个矩形区域内分别使用最大类间方差Otsu阈值法进行分割，得到闪电通道识别结果。试验结果表明:LLSR具有良好的局部特性和自适应性，它不仅能自动提取低对比度闪电图像的通道，还能自动提取具有复杂背景闪电图像的通道，自动提取结果在视觉上与人眼观测结果一致。且定量评估结果表明:LLSR相比传统算法具有更好的分割精度。
提出了一种基于线支持区域的闪电通道识别算法 (LLSR)，该算法首先应用对比度拉伸和高斯匹配滤波方法对闪电通道图像进行预处理，以增强闪电通道的对比度；然后自动检测出包含闪电通道的线支持区域，并用最小外接矩形包含这些区域；最后在各个矩形区域内分别使用最大类间方差Otsu阈值法进行分割，得到闪电通道识别结果。试验结果表明:LLSR具有良好的局部特性和自适应性，它不仅能自动提取低对比度闪电图像的通道，还能自动提取具有复杂背景闪电图像的通道，自动提取结果在视觉上与人眼观测结果一致。且定量评估结果表明:LLSR相比传统算法具有更好的分割精度。
2016, 27(6): 734-740.
DOI: 10.11898/1001-7313.20160610
摘要:
利用2011—2012年4—10月安徽省黄山山顶和山底两个站点同时采集的雨滴谱数据，共选取17个降水个例，将17个降水个例分为对流云降水和层云降水，对不同高度和不同云系降水雨滴谱特征分析得出以下结论：对于不同云系的降水，山顶平均雨滴数浓度大于山底，平均峰值直径和平均质量半数直径在下落过程中均增加，平均雨强和平均雷达反射率因子变化幅度较小。不同云系的雨滴在下落过程中，雨滴谱谱宽变化较小，但雨滴谱均从M-P (Marshall-Palmer) 分布转向了Gamma分布。降水粒子在下落过程中，大部分通道的数浓度均出现损失，最大损失超过50%，随着粒子尺度增加损失逐渐减少，大粒子数浓度在降落时有所增加，增加幅度为10%左右，降水粒子的碰并和蒸发过程很可能是造成降水粒子下落过程中滴谱变化的两个主要原因。
利用2011—2012年4—10月安徽省黄山山顶和山底两个站点同时采集的雨滴谱数据，共选取17个降水个例，将17个降水个例分为对流云降水和层云降水，对不同高度和不同云系降水雨滴谱特征分析得出以下结论：对于不同云系的降水，山顶平均雨滴数浓度大于山底，平均峰值直径和平均质量半数直径在下落过程中均增加，平均雨强和平均雷达反射率因子变化幅度较小。不同云系的雨滴在下落过程中，雨滴谱谱宽变化较小，但雨滴谱均从M-P (Marshall-Palmer) 分布转向了Gamma分布。降水粒子在下落过程中，大部分通道的数浓度均出现损失，最大损失超过50%，随着粒子尺度增加损失逐渐减少，大粒子数浓度在降落时有所增加，增加幅度为10%左右，降水粒子的碰并和蒸发过程很可能是造成降水粒子下落过程中滴谱变化的两个主要原因。
2016, 27(6): 741-749.
DOI: 10.11898/1001-7313.20160611
摘要:
利用位势高度场资料，针对500 hPa高空槽线天气系统，以天气学定义及其图形学特征分析为基础，在保持天气动力学理论约束的同时，提出基于位势高度梯度进行槽线天气系统自动分析的方法。面向各级气象台站的天气预报业务，利用气象信息综合分析系统 (MICAPS) 第4类位势高度格点数据资料，经过梯度计算、垂线确定、方向划分、邻域对比、节点初选、噪声判别、分类滤除、聚类分析、轴向平均等步骤，解决了一系列相关技术问题，完成了西风槽和横槽两类槽线系统自动分析的程序开发。近年宁夏寒潮强降温等过程的分析试验表明，该算法稳定可靠，中高纬度地区槽线分析能力更强，运行效率进一步提高。
利用位势高度场资料，针对500 hPa高空槽线天气系统，以天气学定义及其图形学特征分析为基础，在保持天气动力学理论约束的同时，提出基于位势高度梯度进行槽线天气系统自动分析的方法。面向各级气象台站的天气预报业务，利用气象信息综合分析系统 (MICAPS) 第4类位势高度格点数据资料，经过梯度计算、垂线确定、方向划分、邻域对比、节点初选、噪声判别、分类滤除、聚类分析、轴向平均等步骤，解决了一系列相关技术问题，完成了西风槽和横槽两类槽线系统自动分析的程序开发。近年宁夏寒潮强降温等过程的分析试验表明，该算法稳定可靠，中高纬度地区槽线分析能力更强，运行效率进一步提高。
2016, 27(6): 750-758.
DOI: 10.11898/1001-7313.20160612
摘要:
依据政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 第5次评估报告以及国内相关科学研究成果，使用最新的观测资料凝练了对全球气候变化的有关认识；从极端天气气候事件和气候承载力角度，分析了气候变化给我国带来的气候风险。研究发现:1961—2015年我国平均高温日数增加了28.4%，暴雨日数增加了8.2%。21世纪以来，登陆我国热带气旋的强度明显增加。在全球气候变暖的背景下，我国气候承载力将发生明显变化，未来面临的气候风险将加大。因此，保障我国气候安全，需要科学认识气候，提高气候风险意识; 主动适应气候，提高应对极端事件能力；努力保护气候，减缓气候变化的影响。
依据政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 第5次评估报告以及国内相关科学研究成果，使用最新的观测资料凝练了对全球气候变化的有关认识；从极端天气气候事件和气候承载力角度，分析了气候变化给我国带来的气候风险。研究发现:1961—2015年我国平均高温日数增加了28.4%，暴雨日数增加了8.2%。21世纪以来，登陆我国热带气旋的强度明显增加。在全球气候变暖的背景下，我国气候承载力将发生明显变化，未来面临的气候风险将加大。因此，保障我国气候安全，需要科学认识气候，提高气候风险意识; 主动适应气候，提高应对极端事件能力；努力保护气候，减缓气候变化的影响。
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