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中国气象局2020年 第31卷 第1期
摘要
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2020, 31(1): 1-12.
DOI: 10.11898/1001-7313.20200101
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摘要:
气候变暖背景下，中国地面风速在过去几十年整体呈减弱趋势，对风能资源开发产生了显著影响。近50年来，中国地面风速平均减小速率为0.10~0.22 m·s-1/（10 a），但存在明显的季节、区域和风速段差异。作为地面风的主要驱动力，对流层低层气压梯度力整体呈减弱趋势，这主要是全球变暖背景下欧亚大陆与西太平洋之间以及欧亚大陆高/低纬度地区之间的热力差异减弱所致。东亚季风的年代际变化特征和地面风速变化密切相关，其变率受到不同时间和空间尺度气候因子的影响，其中西伯利亚高压减弱是东亚冬季风减弱的主要因素，而东亚夏季风的年代际减弱主要是由于太平洋年代际振荡与北大西洋多年代尺度振荡分别向暖/冷相位的转换。研究表明：未来随着温室气体排放量增加，中国地面风速减弱趋势将更显著，这将促进低风速风电技术的发展和中低纬度地区风能开发。
气候变暖背景下，中国地面风速在过去几十年整体呈减弱趋势，对风能资源开发产生了显著影响。近50年来，中国地面风速平均减小速率为0.10~0.22 m·s-1/（10 a），但存在明显的季节、区域和风速段差异。作为地面风的主要驱动力，对流层低层气压梯度力整体呈减弱趋势，这主要是全球变暖背景下欧亚大陆与西太平洋之间以及欧亚大陆高/低纬度地区之间的热力差异减弱所致。东亚季风的年代际变化特征和地面风速变化密切相关，其变率受到不同时间和空间尺度气候因子的影响，其中西伯利亚高压减弱是东亚冬季风减弱的主要因素，而东亚夏季风的年代际减弱主要是由于太平洋年代际振荡与北大西洋多年代尺度振荡分别向暖/冷相位的转换。研究表明：未来随着温室气体排放量增加，中国地面风速减弱趋势将更显著，这将促进低风速风电技术的发展和中低纬度地区风能开发。
2020, 31(1): 13-26.
DOI: 10.11898/1001-7313.20200102
摘要:
根据我国不同气候区特点对2017年9月1日—2018年8月31日的COSMIC，Metop-A和FY-3C掩星折射率进行质量控制，结果表明：3种掩星折射率的双权重平均值和标准差较接近，整体均随高度呈递减变化；4个气候区的双权重平均值和标准差有差异，亚热带季风气候区相比其他3个气候区偏大。COSMIC相对探空观测在5 km以下为负偏差，亚热带季风气候区偏差较大，FY-3C亚热带季风气候区2 km以下为正偏差，2~6 km为负偏差，6 km以上为正偏差，整体在2 N以内。利用不同气候区的质量控制标准筛选出错误数据和可疑数据，经统计确定掩星与探空折射率的相关系数阈值为0.44。1 km以下掩星自适应质量控制中错误数据占比为5%~10%，1 km以上在5%以内，3种掩星较为接近。引入探空观测参考后，Metop-A掩星在高原山地气候区的错误数据较多，其他约为6%。质量控制前，掩星折射率与探空的相关系数相对较小，质量控制后，相关系数得到提高，多在0.9以上，效果较好，掩星数据质量得到了改善。
根据我国不同气候区特点对2017年9月1日—2018年8月31日的COSMIC，Metop-A和FY-3C掩星折射率进行质量控制，结果表明：3种掩星折射率的双权重平均值和标准差较接近，整体均随高度呈递减变化；4个气候区的双权重平均值和标准差有差异，亚热带季风气候区相比其他3个气候区偏大。COSMIC相对探空观测在5 km以下为负偏差，亚热带季风气候区偏差较大，FY-3C亚热带季风气候区2 km以下为正偏差，2~6 km为负偏差，6 km以上为正偏差，整体在2 N以内。利用不同气候区的质量控制标准筛选出错误数据和可疑数据，经统计确定掩星与探空折射率的相关系数阈值为0.44。1 km以下掩星自适应质量控制中错误数据占比为5%~10%，1 km以上在5%以内，3种掩星较为接近。引入探空观测参考后，Metop-A掩星在高原山地气候区的错误数据较多，其他约为6%。质量控制前，掩星折射率与探空的相关系数相对较小，质量控制后，相关系数得到提高，多在0.9以上，效果较好，掩星数据质量得到了改善。
2020, 31(1): 27-41.
DOI: 10.11898/1001-7313.20200103
摘要:
为了提高GRAPES_3 km（Global/Regional Assimilation and Prediction System）模式在2018年平昌冬奥会气象服务中的预报能力，采用一阶自适应的卡尔曼滤波方法对GRAPES_3 km模式的2 m气温、2 m相对湿度和10 m风开展偏差订正。结果表明：偏差订正方法明显提高了地面要素的预报效果，其中2 m气温的均方根误差整体减小到2℃左右，站点订正改善率为10%~60%；10 m风速的均方根误差减小到2 m·s-1左右，站点订正改善率为10%~45%；2 m相对湿度减小到20%以下，站点订正改善率为0~20%。与韩国气象厅LDAPS（Local Data Assimilation and Prediction System）及美国宇航局NU-WRF（NASA-Unified WRF）模式相比，GRAPES_3 km模式的风速预报表现更为优异，各站点整体预报效果明显优于LDAPS和NU-WRF模式。偏差订正方法可有效改善模式在复杂地形条件下的预报能力，是提高精细化预报准确率的重要手段。
为了提高GRAPES_3 km（Global/Regional Assimilation and Prediction System）模式在2018年平昌冬奥会气象服务中的预报能力，采用一阶自适应的卡尔曼滤波方法对GRAPES_3 km模式的2 m气温、2 m相对湿度和10 m风开展偏差订正。结果表明：偏差订正方法明显提高了地面要素的预报效果，其中2 m气温的均方根误差整体减小到2℃左右，站点订正改善率为10%~60%；10 m风速的均方根误差减小到2 m·s-1左右，站点订正改善率为10%~45%；2 m相对湿度减小到20%以下，站点订正改善率为0~20%。与韩国气象厅LDAPS（Local Data Assimilation and Prediction System）及美国宇航局NU-WRF（NASA-Unified WRF）模式相比，GRAPES_3 km模式的风速预报表现更为优异，各站点整体预报效果明显优于LDAPS和NU-WRF模式。偏差订正方法可有效改善模式在复杂地形条件下的预报能力，是提高精细化预报准确率的重要手段。
2020, 31(1): 42-51.
DOI: 10.11898/1001-7313.20200104
摘要:
以江西早稻为例，利用1981—2016年气象资料、早稻高温热害灾情史料和生育期资料，构建历史早稻高温热害样本集合，在Kolmogorov-Smirnov（K-S）分布拟合检验的基础上，采用信息扩散方法计算得到早稻高温热害总样本和不同持续日数（3~5 d，6~8 d和8 d以上）不同等级（轻度、中度、重度）热害在早稻抽穗期前后的发生概率。结果表明：早稻高温热害起始于抽穗前6 d至抽穗后20 d，抽穗扬花期发生概率最高，随着早稻进入乳熟期高温热害发生概率逐渐降低。早稻抽穗扬花期持续3~5 d早稻高温热害以轻度、中度为主，5 d以上中度、重度高温热害发生概率为98.77%；随着早稻进入乳熟期，高温热害以中度和轻度为主，重度高温热害概率显著降低。早稻轻度高温热害的主要致灾时段为抽穗至灌浆中期，中度高温热害的主要致灾时段为抽穗至灌浆中前期，而重度高温热害的主要致灾时段为孕穗期至灌浆初期。
以江西早稻为例，利用1981—2016年气象资料、早稻高温热害灾情史料和生育期资料，构建历史早稻高温热害样本集合，在Kolmogorov-Smirnov（K-S）分布拟合检验的基础上，采用信息扩散方法计算得到早稻高温热害总样本和不同持续日数（3~5 d，6~8 d和8 d以上）不同等级（轻度、中度、重度）热害在早稻抽穗期前后的发生概率。结果表明：早稻高温热害起始于抽穗前6 d至抽穗后20 d，抽穗扬花期发生概率最高，随着早稻进入乳熟期高温热害发生概率逐渐降低。早稻抽穗扬花期持续3~5 d早稻高温热害以轻度、中度为主，5 d以上中度、重度高温热害发生概率为98.77%；随着早稻进入乳熟期，高温热害以中度和轻度为主，重度高温热害概率显著降低。早稻轻度高温热害的主要致灾时段为抽穗至灌浆中期，中度高温热害的主要致灾时段为抽穗至灌浆中前期，而重度高温热害的主要致灾时段为孕穗期至灌浆初期。
2020, 31(1): 52-62.
DOI: 10.11898/1001-7313.20200105
摘要:
高光谱遥感技术监测作物含水量是了解作物生长状况的重要技术。为实现夏玉米不同生育期叶片和冠层含水量的快速、精细化、无损监测，本文基于2014年和2015年的6—10月华北夏玉米不同生育期不同灌水量干旱模拟试验数据构建了植被水分指数（WI，MSI，GVMI）、复比指数（WNV和WCG）和红边反射率曲线面积（Darea）的夏玉米冠层等效水厚度（EWTC）和叶片可燃物含水量（FMC）的反演模型。结果表明：6个指标反演夏玉米三叶期的EWTC模型均未达到0.05显著性水平，三叶期后各指标反演EWTC模型均达到0.01的显著性水平，且总体而言模型精度从高到低为抽雄期、拔节期、灌浆期、成熟期和七叶期。6个指标反演七叶期和拔节期的FMC均达到0.01显著性水平。因此，同一光谱指标反演夏玉米不同生育期叶片和冠层含水量的精度差异较大。光谱指标反演夏玉米叶片和冠层含水量指标的精度与夏玉米生育期有很大关系，进而提出了夏玉米不同生育期含水量反演模型。研究结果可为准确模拟夏玉米不同生育期含水量提供技术支撑。
高光谱遥感技术监测作物含水量是了解作物生长状况的重要技术。为实现夏玉米不同生育期叶片和冠层含水量的快速、精细化、无损监测，本文基于2014年和2015年的6—10月华北夏玉米不同生育期不同灌水量干旱模拟试验数据构建了植被水分指数（WI，MSI，GVMI）、复比指数（WNV和WCG）和红边反射率曲线面积（Darea）的夏玉米冠层等效水厚度（EWTC）和叶片可燃物含水量（FMC）的反演模型。结果表明：6个指标反演夏玉米三叶期的EWTC模型均未达到0.05显著性水平，三叶期后各指标反演EWTC模型均达到0.01的显著性水平，且总体而言模型精度从高到低为抽雄期、拔节期、灌浆期、成熟期和七叶期。6个指标反演七叶期和拔节期的FMC均达到0.01显著性水平。因此，同一光谱指标反演夏玉米不同生育期叶片和冠层含水量的精度差异较大。光谱指标反演夏玉米叶片和冠层含水量指标的精度与夏玉米生育期有很大关系，进而提出了夏玉米不同生育期含水量反演模型。研究结果可为准确模拟夏玉米不同生育期含水量提供技术支撑。
2020, 31(1): 63-73.
DOI: 10.11898/1001-7313.20200106
摘要:
以我国北方苹果主产省为研究区域，基于研究区域内1981—2016年144个气象站点逐日气象数据，结合苹果生育期数据，以干旱指数作为苹果农业干旱指标，明确了研究区域内苹果干旱的空间分布特征及时间变化趋势，结合小波分析方法，揭示了北方苹果干旱发生的周期性规律。结果表明：苹果各生育阶段降水量整体呈由西北向东南增加的趋势，干旱指数空间分布特征呈由西北向东南降低的趋势，苹果花芽萌动-盛花生育阶段干旱程度最大。干旱指数近36年果树萌动-花芽萌动生育阶段呈上升趋势，平均为3.90/（10 a），花芽萌动-盛花、盛花-成熟以及成熟-落叶生育阶段均呈下降趋势，平均值分别为-3.14/（10 a），-0.01/（10 a）和-1.65/（10 a）。苹果不同生育阶段干旱存在3种不同尺度的变化周期，其中花芽萌动-盛花生育阶段发生干旱的周期最短，最小周期为2年。
以我国北方苹果主产省为研究区域，基于研究区域内1981—2016年144个气象站点逐日气象数据，结合苹果生育期数据，以干旱指数作为苹果农业干旱指标，明确了研究区域内苹果干旱的空间分布特征及时间变化趋势，结合小波分析方法，揭示了北方苹果干旱发生的周期性规律。结果表明：苹果各生育阶段降水量整体呈由西北向东南增加的趋势，干旱指数空间分布特征呈由西北向东南降低的趋势，苹果花芽萌动-盛花生育阶段干旱程度最大。干旱指数近36年果树萌动-花芽萌动生育阶段呈上升趋势，平均为3.90/（10 a），花芽萌动-盛花、盛花-成熟以及成熟-落叶生育阶段均呈下降趋势，平均值分别为-3.14/（10 a），-0.01/（10 a）和-1.65/（10 a）。苹果不同生育阶段干旱存在3种不同尺度的变化周期，其中花芽萌动-盛花生育阶段发生干旱的周期最短，最小周期为2年。
2020, 31(1): 74-82.
DOI: 10.11898/1001-7313.20200107
摘要:
对作物产量进行分离是分析气象因子对产量影响的重要步骤之一。以1985—2018年江苏省24个县（市）水稻统计产量为基础，分别采用3年滑动平均法、5年滑动平均法、五点二次平滑法、二次指数平滑法、HP滤波法和年际增量法对作物产量进行分离。从趋势产量与气象产量两方面比较6种方法的一致性与差异性，将分离出的气象产量与典型年增减产记录对比，选出更能准确捕获气象因子导致产量变异的方法，利用气象因子与产量关系的合理性对选定的方法进行检验。结果表明：就趋势产量拟合而言，前5种方法（年际增量法不能模拟趋势产量）均能较好地拟合趋势产量，与研究区域的趋势产量的一致性相关系数绝大多数为较好和极好等级范围；就气象产量而言，HP滤波法和年际增量法分离气象产量的合理性较差，标准差明显大于其他方法。综合看，3年滑动平均法与五点二次平滑法更具有普适性，可以捕获整个地区绝大多数典型年份气象因子带来的产量变化。
对作物产量进行分离是分析气象因子对产量影响的重要步骤之一。以1985—2018年江苏省24个县（市）水稻统计产量为基础，分别采用3年滑动平均法、5年滑动平均法、五点二次平滑法、二次指数平滑法、HP滤波法和年际增量法对作物产量进行分离。从趋势产量与气象产量两方面比较6种方法的一致性与差异性，将分离出的气象产量与典型年增减产记录对比，选出更能准确捕获气象因子导致产量变异的方法，利用气象因子与产量关系的合理性对选定的方法进行检验。结果表明：就趋势产量拟合而言，前5种方法（年际增量法不能模拟趋势产量）均能较好地拟合趋势产量，与研究区域的趋势产量的一致性相关系数绝大多数为较好和极好等级范围；就气象产量而言，HP滤波法和年际增量法分离气象产量的合理性较差，标准差明显大于其他方法。综合看，3年滑动平均法与五点二次平滑法更具有普适性，可以捕获整个地区绝大多数典型年份气象因子带来的产量变化。
2020, 31(1): 83-94.
DOI: 10.11898/1001-7313.20200108
摘要:
为揭示干旱对夏玉米根冠生长及产量形成的影响，2013—2015年在山东夏津、山西运城和河北固城开展夏玉米水分胁迫控制试验，研究不同干旱条件下玉米根冠及产量的变化，厘定干旱敏感时段及临界阈值。结果表明：同一干旱程度，影响玉米地上干物重、产量的关键时段为拔节-抽雄期，抽雄期最敏感，影响根系、根冠比的关键时段为出苗-拔节期，拔节期最敏感。不同干旱程度，在快速失墒阶段，不同生育时段的地上干物重、根干重、根冠比均呈下降趋势，分别较对照减少11.7%~67.8%，35.2%~85.8%和15%~62%；干旱维持阶段与快速失墒阶段相比，地上干物重呈持续下降趋势，较对照减少24.3%~89.7%，根干重、根冠比呈上升趋势或无明显差异，分别较对照减少9.7%~80.8%，9.6%~62%。出苗-拔节期，土壤相对湿度60%~62%为玉米地上部生长及形成合理根冠比的临界阈值；出苗-七叶期，土壤相对湿度51%~60%利于根系生长。土壤相对湿度62%为影响玉米产量的临界阈值，土壤相对湿度31%~40%，出现在拔节、抽雄等敏感期，玉米减产七成以上。土壤相对湿度50%~60%持续时间少于8 d，复水后根冠可迅速恢复生长，但对产量仍有一定程度的影响，减产1.4%~6.6%。
为揭示干旱对夏玉米根冠生长及产量形成的影响，2013—2015年在山东夏津、山西运城和河北固城开展夏玉米水分胁迫控制试验，研究不同干旱条件下玉米根冠及产量的变化，厘定干旱敏感时段及临界阈值。结果表明：同一干旱程度，影响玉米地上干物重、产量的关键时段为拔节-抽雄期，抽雄期最敏感，影响根系、根冠比的关键时段为出苗-拔节期，拔节期最敏感。不同干旱程度，在快速失墒阶段，不同生育时段的地上干物重、根干重、根冠比均呈下降趋势，分别较对照减少11.7%~67.8%，35.2%~85.8%和15%~62%；干旱维持阶段与快速失墒阶段相比，地上干物重呈持续下降趋势，较对照减少24.3%~89.7%，根干重、根冠比呈上升趋势或无明显差异，分别较对照减少9.7%~80.8%，9.6%~62%。出苗-拔节期，土壤相对湿度60%~62%为玉米地上部生长及形成合理根冠比的临界阈值；出苗-七叶期，土壤相对湿度51%~60%利于根系生长。土壤相对湿度62%为影响玉米产量的临界阈值，土壤相对湿度31%~40%，出现在拔节、抽雄等敏感期，玉米减产七成以上。土壤相对湿度50%~60%持续时间少于8 d，复水后根冠可迅速恢复生长，但对产量仍有一定程度的影响，减产1.4%~6.6%。
2020, 31(1): 95-104.
DOI: 10.11898/1001-7313.20200109
摘要:
干旱是黑龙江省农业生产中的主要自然灾害之一，影响大豆生长发育和产量形成。利用1981—2017年黑龙江省32个农业气象观测站土壤水分资料和26个站大豆生育期资料，采用中国气象局2018年发布的气象行业大豆干旱等级中大豆干旱指标，分析黑龙江省5个区域大豆各生育期干旱发生频率、强度和干旱风险指数的时空变化特征，并对黑龙江大豆干旱风险进行评估与分区。结果表明：大豆轻旱发生频率高于重旱和特旱，西区为干旱多发区域，中区次之，其他区域相对少发；中区干旱发生强度最高，西区次之，北区最低，东区、北区和中区大豆三真叶至鼓粒期干旱发生强度高于前期和后期，而西区和南区在大豆鼓粒至成熟期干旱发生强度高于前期；西区干旱风险最高，中区次之，北区最低，大豆开花-结荚期干旱风险最高，播种-出苗期最低，干旱中等以上风险区域集中在松嫩平原西部和三江平原西南部，其他大部地区为次低或低风险区。
干旱是黑龙江省农业生产中的主要自然灾害之一，影响大豆生长发育和产量形成。利用1981—2017年黑龙江省32个农业气象观测站土壤水分资料和26个站大豆生育期资料，采用中国气象局2018年发布的气象行业大豆干旱等级中大豆干旱指标，分析黑龙江省5个区域大豆各生育期干旱发生频率、强度和干旱风险指数的时空变化特征，并对黑龙江大豆干旱风险进行评估与分区。结果表明：大豆轻旱发生频率高于重旱和特旱，西区为干旱多发区域，中区次之，其他区域相对少发；中区干旱发生强度最高，西区次之，北区最低，东区、北区和中区大豆三真叶至鼓粒期干旱发生强度高于前期和后期，而西区和南区在大豆鼓粒至成熟期干旱发生强度高于前期；西区干旱风险最高，中区次之，北区最低，大豆开花-结荚期干旱风险最高，播种-出苗期最低，干旱中等以上风险区域集中在松嫩平原西部和三江平原西南部，其他大部地区为次低或低风险区。
2020, 31(1): 105-116.
DOI: 10.11898/1001-7313.20200110
摘要:
利用MODIS火点、土地类型、植被覆盖、生物质载荷和排放因子等数据产品，开发了露天生物质燃烧排放模型，并将其嵌入空气质量模式WRF-CUACE，通过敏感性试验定量评估了露天生物质燃烧对中国地面PM2.5浓度的影响。研究设计了3种模拟方案，比较模式评估结果发现修订后的方案能更好地模拟PM2.5浓度。结果表明：2014年10月露天生物质燃烧主要集中在我国东北、华南和西南地区，其对PM2.5月平均浓度的贡献达30~60 μg·m-3，局地甚至超过100 μg·m-3；华北、华东和华南地区生物质燃烧对PM2.5月平均浓度的贡献达5~20 μg·m-3。从相对贡献看，东北大部分地区生物质燃烧对地面PM2.5浓度的贡献超过50%，华南地区达20%~50%，西南局部地区甚至超过60%；华北、华中以及华东地区相对较低，平均相对贡献达10%~20%。生物质燃烧越严重的地区，其产生的PM2.5中二次气溶胶的贡献占比越小，反之亦然。
利用MODIS火点、土地类型、植被覆盖、生物质载荷和排放因子等数据产品，开发了露天生物质燃烧排放模型，并将其嵌入空气质量模式WRF-CUACE，通过敏感性试验定量评估了露天生物质燃烧对中国地面PM2.5浓度的影响。研究设计了3种模拟方案，比较模式评估结果发现修订后的方案能更好地模拟PM2.5浓度。结果表明：2014年10月露天生物质燃烧主要集中在我国东北、华南和西南地区，其对PM2.5月平均浓度的贡献达30~60 μg·m-3，局地甚至超过100 μg·m-3；华北、华东和华南地区生物质燃烧对PM2.5月平均浓度的贡献达5~20 μg·m-3。从相对贡献看，东北大部分地区生物质燃烧对地面PM2.5浓度的贡献超过50%，华南地区达20%~50%，西南局部地区甚至超过60%；华北、华中以及华东地区相对较低，平均相对贡献达10%~20%。生物质燃烧越严重的地区，其产生的PM2.5中二次气溶胶的贡献占比越小，反之亦然。
2020, 31(1): 117-128.
DOI: 10.11898/1001-7313.20200111
摘要:
利用2015—2017年夏季南京地区的雨滴谱数据，对南京在梅雨开始前、梅雨期及梅雨结束后3个不同时段降水的宏微观特征进行分析发现：梅雨开始前对流活动强度偏弱，但对流降水的雨滴平均质量加权直径、分钟级强降水频率和逐小时累积短时强降水的频率为3个时段中最高；天气尺度强迫提供的有利于降水的持续性条件、弱对流强度下充分的凝结过程及微物理相关过程对云粒子的损耗偏弱，是有利于该时段大雨滴形成和降水效率提高的重要因素。梅雨结束后，高温高湿环境易产生剧烈对流活动，导致对流降水的大尺度雨滴样本比例及分钟级极端降水发生频率位于3个时段的首位。层云降水时，梅雨期降水频率、降水率及雨滴尺度平均值均位于首位，小尺度雨滴样本比例最低；有利天气尺度强迫条件下的充分碰并作用是主要原因之一。不同时段雨滴谱谱形参数（μ）与斜率（Λ）之间的二项式关系式的差异与μ的取值有关。
利用2015—2017年夏季南京地区的雨滴谱数据，对南京在梅雨开始前、梅雨期及梅雨结束后3个不同时段降水的宏微观特征进行分析发现：梅雨开始前对流活动强度偏弱，但对流降水的雨滴平均质量加权直径、分钟级强降水频率和逐小时累积短时强降水的频率为3个时段中最高；天气尺度强迫提供的有利于降水的持续性条件、弱对流强度下充分的凝结过程及微物理相关过程对云粒子的损耗偏弱，是有利于该时段大雨滴形成和降水效率提高的重要因素。梅雨结束后，高温高湿环境易产生剧烈对流活动，导致对流降水的大尺度雨滴样本比例及分钟级极端降水发生频率位于3个时段的首位。层云降水时，梅雨期降水频率、降水率及雨滴尺度平均值均位于首位，小尺度雨滴样本比例最低；有利天气尺度强迫条件下的充分碰并作用是主要原因之一。不同时段雨滴谱谱形参数（μ）与斜率（Λ）之间的二项式关系式的差异与μ的取值有关。
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