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中国气象局2018年 第29卷 第3期
摘要
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2018, 29(3): 257-269.
DOI: 10.11898/1001-7313.20180301
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摘要:
为了进一步提高国家气象中心区域模式台风数值预报系统（GRAPES_TYM）的预报能力，2016年对模式参考大气廓线以及涡旋初始化方案进行了改进：由模式初始场水平方向平均的一维参考大气代替原来的等温大气，涡旋初始化方案取消了原涡旋重定位并将涡旋强度调整半径由原来的12°减小到4°。对2014—2016年的生命史超过3 d的所有台风进行了回算，路径及近地面最大风速统计误差分析表明：参考大气的改进可以减小模式对台风预报路径预报的系统北偏和平均路径误差，尤其是140°E以东的转向台风。涡旋初始化方案中强度调整半径的减小会进一步减小模式预报路径的北偏趋势，从而进一步减小平均误差。同业务系统预报结果相比，改进后的GRAPES_TYM（包括参考大气和涡旋初始化）可以使平均路径误差分别减小10%（24 h），12%（48 h），16%（72 h），14%（96 h）以及15%（120 h）。同美国NCEP全球模式路径预报相比，GRAPES_TYM在西行、西北行登陆我国的台风路径预报有一定优势。
为了进一步提高国家气象中心区域模式台风数值预报系统（GRAPES_TYM）的预报能力，2016年对模式参考大气廓线以及涡旋初始化方案进行了改进：由模式初始场水平方向平均的一维参考大气代替原来的等温大气，涡旋初始化方案取消了原涡旋重定位并将涡旋强度调整半径由原来的12°减小到4°。对2014—2016年的生命史超过3 d的所有台风进行了回算，路径及近地面最大风速统计误差分析表明：参考大气的改进可以减小模式对台风预报路径预报的系统北偏和平均路径误差，尤其是140°E以东的转向台风。涡旋初始化方案中强度调整半径的减小会进一步减小模式预报路径的北偏趋势，从而进一步减小平均误差。同业务系统预报结果相比，改进后的GRAPES_TYM（包括参考大气和涡旋初始化）可以使平均路径误差分别减小10%（24 h），12%（48 h），16%（72 h），14%（96 h）以及15%（120 h）。同美国NCEP全球模式路径预报相比，GRAPES_TYM在西行、西北行登陆我国的台风路径预报有一定优势。
2018, 29(3): 270-281.
DOI: 10.11898/1001-7313.20180302
摘要:
冰雹是常见的天气现象之一，天气雷达是探测冰雹的一种强有力工具。多普勒天气雷达网除体扫模式的局限外，复杂的山地地形对雷达波束造成的遮挡，对于雷达探测冰雹天气现象的不利影响非常大。针对雹云回波的垂直结构特征，考虑0℃、-20℃层高度和回波强中心高度几个关键参数，分析雷达探测雹云的区域覆盖能力。以位于低纬度高原的云南省C波段多普勒天气雷达网为对象，分析其探测雹云的覆盖情况，并按探测效果进行了区域分型。与实际降雹天气的对比表明，该评估方法衡量雹云探测范围较合理；云南多普勒天气雷达网雹云适合探测区约占全省面积的75%，约2%的面积部分遮挡，0.2%被完全遮挡，遮挡比较严重的区域主要位于昭通东北部和临沧东北部。云南省规划的9部雷达全部业务化运行后，理论上90%的地面降雹区能被雷达有效监测和识别，约有3%的地面冰雹区只有当雹云发展到8 km以上才能被识别，约6%只能探测8 km高度以下的回波，可能导致漏判、误判，约8.5%面积为冰雹识别的盲区。
冰雹是常见的天气现象之一，天气雷达是探测冰雹的一种强有力工具。多普勒天气雷达网除体扫模式的局限外，复杂的山地地形对雷达波束造成的遮挡，对于雷达探测冰雹天气现象的不利影响非常大。针对雹云回波的垂直结构特征，考虑0℃、-20℃层高度和回波强中心高度几个关键参数，分析雷达探测雹云的区域覆盖能力。以位于低纬度高原的云南省C波段多普勒天气雷达网为对象，分析其探测雹云的覆盖情况，并按探测效果进行了区域分型。与实际降雹天气的对比表明，该评估方法衡量雹云探测范围较合理；云南多普勒天气雷达网雹云适合探测区约占全省面积的75%，约2%的面积部分遮挡，0.2%被完全遮挡，遮挡比较严重的区域主要位于昭通东北部和临沧东北部。云南省规划的9部雷达全部业务化运行后，理论上90%的地面降雹区能被雷达有效监测和识别，约有3%的地面冰雹区只有当雹云发展到8 km以上才能被识别，约6%只能探测8 km高度以下的回波，可能导致漏判、误判，约8.5%面积为冰雹识别的盲区。
2018, 29(3): 282-295.
DOI: 10.11898/1001-7313.20180303
摘要:
利用探空数据和毫米波云雷达数据，对在大气探测试验基地同址观测的国内外3种型号地基微波辐射计进行1年（2016年10月—2017年9月）的比对分析，重点分析不同型号地基微波辐射计在晴空和云天下温、湿观测性能特征。结果表明：3种型号地基微波辐射计温度与探空相关系数均超过0.98，达到0.01显著性水平；晴空条件下，德国及国产地基微波辐射计温度平均误差均在±1℃以内（前者为负偏差，后者为正偏差），误差较小，美国地基微波辐射计系统偏差约为-1.8℃；3种型号地基微波辐射计均方根误差随高度递增，整体均方根误差以德国地基微波辐射计2.2℃为最小，美国地基微波辐射计3.8℃为最大；在有云条件下，3种型号地基微波辐射计平均误差分布较晴空条件下无明显变化，均方根误差较晴空条件有约增加0.5℃。3种型号地基微波辐射计均呈晴空相对湿度误差小于云天误差，低空误差小于中高空误差的特点；晴空条件下，美国与国产地基微波辐射计相对湿度均方根误差分别为15%和18%左右，小于德国地基微波辐射计；云天条件下3种型号微波辐射计均方根误差均较大（26%左右）。
利用探空数据和毫米波云雷达数据，对在大气探测试验基地同址观测的国内外3种型号地基微波辐射计进行1年（2016年10月—2017年9月）的比对分析，重点分析不同型号地基微波辐射计在晴空和云天下温、湿观测性能特征。结果表明：3种型号地基微波辐射计温度与探空相关系数均超过0.98，达到0.01显著性水平；晴空条件下，德国及国产地基微波辐射计温度平均误差均在±1℃以内（前者为负偏差，后者为正偏差），误差较小，美国地基微波辐射计系统偏差约为-1.8℃；3种型号地基微波辐射计均方根误差随高度递增，整体均方根误差以德国地基微波辐射计2.2℃为最小，美国地基微波辐射计3.8℃为最大；在有云条件下，3种型号地基微波辐射计平均误差分布较晴空条件下无明显变化，均方根误差较晴空条件有约增加0.5℃。3种型号地基微波辐射计均呈晴空相对湿度误差小于云天误差，低空误差小于中高空误差的特点；晴空条件下，美国与国产地基微波辐射计相对湿度均方根误差分别为15%和18%左右，小于德国地基微波辐射计；云天条件下3种型号微波辐射计均方根误差均较大（26%左右）。
2018, 29(3): 296-306.
DOI: 10.11898/1001-7313.20180304
摘要:
我国有近200部地基多普勒天气雷达，已经积累了近20年的观测数据，这些数据对雷达气候学研究非常重要。但由于不同雷达的标定误差不同，雷达之间存在观测值不一致性的现象（与美国的地基雷达类似），有的反射率因子差异超过了3 dB。这种不一致影响了多雷达联合降水估计的精度和雷达组网临近预报的效果。为此，采用筛选比较法对地基雷达与TRMM/PR（Tropical Rainfall Measuring Mission/Precipitation Radar）进行空间匹配和异常数据剔除，以TRMM/PR为参照计算并订正地基雷达偏差。对2013年5—9月长江下游7部S波段雷达数据订正后，结果表明：订正后7部雷达之间的平均反射率因子差异从1.8 dB降至0.5 dB，任意两部雷达之间的差异均小于1.0 dB，多雷达的观测一致性和空间连续性有明显改善。与传统的几何匹配法比较，筛选比较法订正结果相对稳定，不存在过量订正的问题。
我国有近200部地基多普勒天气雷达，已经积累了近20年的观测数据，这些数据对雷达气候学研究非常重要。但由于不同雷达的标定误差不同，雷达之间存在观测值不一致性的现象（与美国的地基雷达类似），有的反射率因子差异超过了3 dB。这种不一致影响了多雷达联合降水估计的精度和雷达组网临近预报的效果。为此，采用筛选比较法对地基雷达与TRMM/PR（Tropical Rainfall Measuring Mission/Precipitation Radar）进行空间匹配和异常数据剔除，以TRMM/PR为参照计算并订正地基雷达偏差。对2013年5—9月长江下游7部S波段雷达数据订正后，结果表明：订正后7部雷达之间的平均反射率因子差异从1.8 dB降至0.5 dB，任意两部雷达之间的差异均小于1.0 dB，多雷达的观测一致性和空间连续性有明显改善。与传统的几何匹配法比较，筛选比较法订正结果相对稳定，不存在过量订正的问题。
2018, 29(3): 307-320.
DOI: 10.11898/1001-7313.20180305
摘要:
利用WRF-Chem模拟了2012年7月20日一次四川盆地暴雨降水过程，并基于控制试验设置填充四川盆地地形的敏感性试验。利用大气动力-热力学和云降水物理学对两试验差异进行诊断分析，与敏感性试验相比，控制试验虽然延迟强降水出现时间，却增强了降水强度。研究表明：偏南气流自南向北经过盆地时，在四川盆地南部形成正涡度扰动中心，延迟水汽、能量到达盆地北部的时间，使强降水出现时间偏晚；地形高度及动力差异使控制试验近地面累积大量水汽、能量，低层能量到达盆地北部迎风坡后受地形抬升与正涡度扰动共同作用激发了强烈的对流；控制试验中，盆地北部大气强烈对流运动及其携带盆地内大量水汽有利于云系的垂直发展，雨滴、雪晶、霰粒子质量浓度明显增大，使降水强度增强至大暴雨量级。
利用WRF-Chem模拟了2012年7月20日一次四川盆地暴雨降水过程，并基于控制试验设置填充四川盆地地形的敏感性试验。利用大气动力-热力学和云降水物理学对两试验差异进行诊断分析，与敏感性试验相比，控制试验虽然延迟强降水出现时间，却增强了降水强度。研究表明：偏南气流自南向北经过盆地时，在四川盆地南部形成正涡度扰动中心，延迟水汽、能量到达盆地北部的时间，使强降水出现时间偏晚；地形高度及动力差异使控制试验近地面累积大量水汽、能量，低层能量到达盆地北部迎风坡后受地形抬升与正涡度扰动共同作用激发了强烈的对流；控制试验中，盆地北部大气强烈对流运动及其携带盆地内大量水汽有利于云系的垂直发展，雨滴、雪晶、霰粒子质量浓度明显增大，使降水强度增强至大暴雨量级。
2018, 29(3): 321-332.
DOI: 10.11898/1001-7313.20180306
摘要:
为探讨模式产品预报不一致性问题，利用2015年11月—2016年10月业务中常用的GQEC，GQJP及T639模式的12 h降水、2 m温度网格产品，采用跳跃指数定量计算方法，研究了产品在不同区域内跳跃指数变化与预报不一致性问题。结果表明：产品多日平均跳跃指数随预报时效延长而增大；长时效预报比短时效预报跳跃频率大、预报不一致性也大；对比两种要素可知，降水的跳跃指数比温度大，跳跃频率高，预报不一致性大；对比不同模式发现，GQEC不仅跳跃指数值小，且跳跃频率低，预报不一致性小，GQJP虽然跳跃指数值小于T639，但其跳跃频率更高，预报一致性较T639低；产品跳跃频率存在季节差异，夏季降水和温度预报跳跃频率最高而冬季最低，夏季预报不一致性最大。研究还发现：基于跳跃指数的预报不一致性特征与选取的区域大小密切相关，区域越大，跳跃指数和预报不一致性越小；区域内跳跃指数分布特征与地理位置和地形等有关。
为探讨模式产品预报不一致性问题，利用2015年11月—2016年10月业务中常用的GQEC，GQJP及T639模式的12 h降水、2 m温度网格产品，采用跳跃指数定量计算方法，研究了产品在不同区域内跳跃指数变化与预报不一致性问题。结果表明：产品多日平均跳跃指数随预报时效延长而增大；长时效预报比短时效预报跳跃频率大、预报不一致性也大；对比两种要素可知，降水的跳跃指数比温度大，跳跃频率高，预报不一致性大；对比不同模式发现，GQEC不仅跳跃指数值小，且跳跃频率低，预报不一致性小，GQJP虽然跳跃指数值小于T639，但其跳跃频率更高，预报一致性较T639低；产品跳跃频率存在季节差异，夏季降水和温度预报跳跃频率最高而冬季最低，夏季预报不一致性最大。研究还发现：基于跳跃指数的预报不一致性特征与选取的区域大小密切相关，区域越大，跳跃指数和预报不一致性越小；区域内跳跃指数分布特征与地理位置和地形等有关。
2018, 29(3): 333-343.
DOI: 10.11898/1001-7313.20180307
摘要:
利用NCAR/UCAR CAM5.1模式研究气溶胶对东亚冬季风的影响。模式从1991—2010年运行20年，取2001—2010年冬季的结果。模式结果可以较好地再现东亚冬季风的主要特征。试验结果表明：气溶胶增加使我国东南部地区和东北亚地区（35°~55°N，115°~150°E）冬季风减弱，同时，造成我国东南部地区降水减少。其中，热源热汇的变化和无辐散风减弱为主要原因。气溶胶增加改变了大气热源的分布，造成在我国东南部地区热源减弱，热汇加强；我国东北地区热汇减弱，日本列岛热源加强；气溶胶增加使这些区域全位能的产生减弱，消耗加强。同时，凝结潜热的变化主要影响热源和热汇，其中大尺度过程产生的凝结潜热变化起主要作用。在我国东南部和东北亚地区辐散风动能向全位能的转换增加，造成辐散风减弱。故该区域辐散风向无辐散风的转换减弱，导致无辐散风减弱，最终造成东亚冬季风减弱。
利用NCAR/UCAR CAM5.1模式研究气溶胶对东亚冬季风的影响。模式从1991—2010年运行20年，取2001—2010年冬季的结果。模式结果可以较好地再现东亚冬季风的主要特征。试验结果表明：气溶胶增加使我国东南部地区和东北亚地区（35°~55°N，115°~150°E）冬季风减弱，同时，造成我国东南部地区降水减少。其中，热源热汇的变化和无辐散风减弱为主要原因。气溶胶增加改变了大气热源的分布，造成在我国东南部地区热源减弱，热汇加强；我国东北地区热汇减弱，日本列岛热源加强；气溶胶增加使这些区域全位能的产生减弱，消耗加强。同时，凝结潜热的变化主要影响热源和热汇，其中大尺度过程产生的凝结潜热变化起主要作用。在我国东南部和东北亚地区辐散风动能向全位能的转换增加，造成辐散风减弱。故该区域辐散风向无辐散风的转换减弱，导致无辐散风减弱，最终造成东亚冬季风减弱。
2018, 29(3): 344-353.
DOI: 10.11898/1001-7313.20180308
摘要:
基于最大相关最小冗余度算法和随机森林回归算法，该文提出一种对欧洲中期天气预报中心（ECMWF）集合预报产品进行暴雨预报的释用方法。该方法采用最大相关最小冗余度算法，对ECMWF集合预报的51个成员进行筛选，选取若干个与预报对象相关性最大、相互间冗余度最小的成员作为随机森林回归算法的输入因子。利用ECMWF集合预报降水量平均值对建模样本进行分类，使预报模型的建模样本更具有针对性。通过2012年4月—2015年12月的交叉独立样本试验预报和2016年1—9月的业务预报试验的统计结果表明：该释用方法的暴雨预报TS和ETS评分，均比采用ECMWF集合预报产品51个成员降水量预报进行插值后取平均值的释用方法分别提高了0.07和0.05以上，显示了较好的数值预报产品释用效果。
基于最大相关最小冗余度算法和随机森林回归算法，该文提出一种对欧洲中期天气预报中心（ECMWF）集合预报产品进行暴雨预报的释用方法。该方法采用最大相关最小冗余度算法，对ECMWF集合预报的51个成员进行筛选，选取若干个与预报对象相关性最大、相互间冗余度最小的成员作为随机森林回归算法的输入因子。利用ECMWF集合预报降水量平均值对建模样本进行分类，使预报模型的建模样本更具有针对性。通过2012年4月—2015年12月的交叉独立样本试验预报和2016年1—9月的业务预报试验的统计结果表明：该释用方法的暴雨预报TS和ETS评分，均比采用ECMWF集合预报产品51个成员降水量预报进行插值后取平均值的释用方法分别提高了0.07和0.05以上，显示了较好的数值预报产品释用效果。
2018, 29(3): 354-363.
DOI: 10.11898/1001-7313.20180309
摘要:
利用2011年1月—2013年3月在贵州开展导线覆冰自动观测试验获取的观测资料，分析了覆冰过程演变及其气象条件变化特征，提出一次完整的导线覆冰过程包括覆冰开始、增长、维持、减弱、消融5个阶段，并得到覆冰过程的气象条件判别指标；基于导线覆冰理论模型的改进并结合气象条件判别，建立了基于过程判别的雨雾凇导线覆冰气象模式，应用该模式对观测获取的多个导线覆冰过程进行数值模拟检验。结果表明：模式能够模拟自然环境下覆冰的增长，并能够正确模拟出覆冰的减弱、消融，模拟过程覆冰质量变化的最大相对误差小于20%。该模式具有较完整的理论基础和计算方案，主要以常规气象观测要素为输入，能够计算输出覆冰全过程逐小时覆冰质量、覆冰厚度及覆冰密度变化，具有较大的应用前景。
利用2011年1月—2013年3月在贵州开展导线覆冰自动观测试验获取的观测资料，分析了覆冰过程演变及其气象条件变化特征，提出一次完整的导线覆冰过程包括覆冰开始、增长、维持、减弱、消融5个阶段，并得到覆冰过程的气象条件判别指标；基于导线覆冰理论模型的改进并结合气象条件判别，建立了基于过程判别的雨雾凇导线覆冰气象模式，应用该模式对观测获取的多个导线覆冰过程进行数值模拟检验。结果表明：模式能够模拟自然环境下覆冰的增长，并能够正确模拟出覆冰的减弱、消融，模拟过程覆冰质量变化的最大相对误差小于20%。该模式具有较完整的理论基础和计算方案，主要以常规气象观测要素为输入，能够计算输出覆冰全过程逐小时覆冰质量、覆冰厚度及覆冰密度变化，具有较大的应用前景。
2018, 29(3): 364-373.
DOI: 10.11898/1001-7313.20180310
摘要:
基于闪电低频电场探测阵列（LFEDA）所获得的全闪三维定位数据，研究了2015年8月15日14：30—16：10广州一次雷暴过程中具有明显始发脉冲的闪电初始放电特征及放电规律。结果表明：212例近距离云闪和地闪中，32例闪电由窄偶极性放电事件（NBE）始发，占15%；180例闪电由初始击穿脉冲（定义初始击穿脉冲簇的首个脉冲为FIBP）始发，占85%。作为始发的窄偶极性放电事件（INBE），其相对孤立且具有较大的相对幅度，INBE与后续闪电的第1个脉冲的时间间隔为7 ms，幅度比为3.5，远大于FIBP相对应的时间间隔0.6 ms和幅度比0.8，INBE后多跟随传统的IBP脉冲。多数正极性INBE与FIBP对应初始向上发展的闪电，而负极性对应初始向下发展的闪电。INBE始发闪电前15 ms的平均发展速度随始发高度的增大而减小，快于FIBP，这与INBE具有更快的速度相关。估计的INBE速度为4.7×107 m·s-1，FIBP速度为1.5×107 m·s-1，两者速度差异也体现在脉冲上升时间方面，INBE具有更快的上升沿。
基于闪电低频电场探测阵列（LFEDA）所获得的全闪三维定位数据，研究了2015年8月15日14：30—16：10广州一次雷暴过程中具有明显始发脉冲的闪电初始放电特征及放电规律。结果表明：212例近距离云闪和地闪中，32例闪电由窄偶极性放电事件（NBE）始发，占15%；180例闪电由初始击穿脉冲（定义初始击穿脉冲簇的首个脉冲为FIBP）始发，占85%。作为始发的窄偶极性放电事件（INBE），其相对孤立且具有较大的相对幅度，INBE与后续闪电的第1个脉冲的时间间隔为7 ms，幅度比为3.5，远大于FIBP相对应的时间间隔0.6 ms和幅度比0.8，INBE后多跟随传统的IBP脉冲。多数正极性INBE与FIBP对应初始向上发展的闪电，而负极性对应初始向下发展的闪电。INBE始发闪电前15 ms的平均发展速度随始发高度的增大而减小，快于FIBP，这与INBE具有更快的速度相关。估计的INBE速度为4.7×107 m·s-1，FIBP速度为1.5×107 m·s-1，两者速度差异也体现在脉冲上升时间方面，INBE具有更快的上升沿。
2018, 29(3): 374-384.
DOI: 10.11898/1001-7313.20180311
摘要:
为了定量探究雷暴云内电荷水平分布形式对闪电类型和先导传播行为的影响，建立了典型雷暴云电荷结构模型，引入控制电荷水平分布的参数，利用改进的随机放电参数化方案，开展二维高分辨率模拟试验。结果表明：主正电荷区电荷水平分布不均匀且向中心聚集时，产生的闪电类型多为正地闪和正极性云闪，随着电荷水平分布趋于均匀，闪电类型转变为负地闪；主负电荷区电荷水平分布趋于均匀时，闪电类型由负地闪向正极性云闪再向正地闪转变；闪电先导传播特征有较大差异，电荷分布密集不均匀时，先导被束缚在电荷高密度中心，主要在电荷区内发展，当电荷分布单一均匀时，先导能穿出电荷区并水平延伸十几至二十多千米。分析两个电荷区之间的电位分布发现，电荷区电荷水平分布趋于均匀时，位势线向电荷密度中心集中，整个位势阱水平延展，闪电触发点的初始电位值有较大差异，有利于闪电类型和先导传播行为的改变。
为了定量探究雷暴云内电荷水平分布形式对闪电类型和先导传播行为的影响，建立了典型雷暴云电荷结构模型，引入控制电荷水平分布的参数，利用改进的随机放电参数化方案，开展二维高分辨率模拟试验。结果表明：主正电荷区电荷水平分布不均匀且向中心聚集时，产生的闪电类型多为正地闪和正极性云闪，随着电荷水平分布趋于均匀，闪电类型转变为负地闪；主负电荷区电荷水平分布趋于均匀时，闪电类型由负地闪向正极性云闪再向正地闪转变；闪电先导传播特征有较大差异，电荷分布密集不均匀时，先导被束缚在电荷高密度中心，主要在电荷区内发展，当电荷分布单一均匀时，先导能穿出电荷区并水平延伸十几至二十多千米。分析两个电荷区之间的电位分布发现，电荷区电荷水平分布趋于均匀时，位势线向电荷密度中心集中，整个位势阱水平延展，闪电触发点的初始电位值有较大差异，有利于闪电类型和先导传播行为的改变。
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