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中国气象局2020年 第31卷 第6期
摘要
PDF 642KB
2020, 31(6): 641-652.
DOI: 10.11898/1001-7313.20200601
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摘要:
降水资源是植物生长发育和产量形成的主要水分来源，植物通过吸收土壤中的水分维持正常生长发育，降水不仅影响自然植物物种分布，也影响植物生产力。由于未考虑植物冠层对降水的截留作用，在水资源评估和农田水分平衡研究中往往高估降水作用，因此，讨论降水截留在水文生态学和农业气象学中均有重要意义。该文系统介绍降水截留的观测方法，包括间接测量法中各分量测定方法、直接测量法详细过程及应用各种方法需注意的问题；系统回顾有关森林和农作物对降水截留的研究成果；探讨在植物对降水截留研究中存在的主要问题：对截留概念的理解不同导致截留测定结果差异显著，没有完善的方法导致测定结果准确性不足，植物种植密度不同导致截留差异，降水强度不同导致截留差异，风速、植物形态结构、叶片表面特性等因素也会影响降水截留的大小。降水过程中植物叶面蒸发问题、降雪的截留问题、风的影响、研究尺度、研究方法以及综合模拟模型将是未来研究的重点和难点。
降水资源是植物生长发育和产量形成的主要水分来源，植物通过吸收土壤中的水分维持正常生长发育，降水不仅影响自然植物物种分布，也影响植物生产力。由于未考虑植物冠层对降水的截留作用，在水资源评估和农田水分平衡研究中往往高估降水作用，因此，讨论降水截留在水文生态学和农业气象学中均有重要意义。该文系统介绍降水截留的观测方法，包括间接测量法中各分量测定方法、直接测量法详细过程及应用各种方法需注意的问题；系统回顾有关森林和农作物对降水截留的研究成果；探讨在植物对降水截留研究中存在的主要问题：对截留概念的理解不同导致截留测定结果差异显著，没有完善的方法导致测定结果准确性不足，植物种植密度不同导致截留差异，降水强度不同导致截留差异，风速、植物形态结构、叶片表面特性等因素也会影响降水截留的大小。降水过程中植物叶面蒸发问题、降雪的截留问题、风的影响、研究尺度、研究方法以及综合模拟模型将是未来研究的重点和难点。
2020, 31(6): 653-667.
DOI: 10.11898/1001-7313.20200602
摘要:
为评估不同要素对东亚季风区准双周振荡的表征能力，对大气向外长波辐射（OLR）、500 hPa位势涡度、850 hPa相对涡度、850 hPa风场和750 hPa比湿等要素的准双周振荡特征进行对比，发现各要素均能很好反映东亚季风区明显的准双周振荡时空特征。OLR及500 hPa位势涡度、850 hPa相对涡度、850 hPa纬向风表征的准双周振荡呈明显的西北向传播特征，500 hPa位势涡度、850 hPa相对涡度、850 hPa纬向风北传更强，北传速度更快。850 hPa经向风的准双周振荡呈明显西移特征，北传弱，北传速度最慢。而750 hPa比湿准双周振荡呈东南向传播。不同要素准双周振荡的强度略有差异，其中750 hPa比湿与其他要素的差异大。总体而言，750 hPa比湿不能较好地表现出东亚季风区准双周振荡活动特征，而其余要素能很好地表征东亚季风区大气准双周振荡，其中500 hPa位势涡度和850 hPa相对涡度准双周振荡特征一致性高。
为评估不同要素对东亚季风区准双周振荡的表征能力，对大气向外长波辐射（OLR）、500 hPa位势涡度、850 hPa相对涡度、850 hPa风场和750 hPa比湿等要素的准双周振荡特征进行对比，发现各要素均能很好反映东亚季风区明显的准双周振荡时空特征。OLR及500 hPa位势涡度、850 hPa相对涡度、850 hPa纬向风表征的准双周振荡呈明显的西北向传播特征，500 hPa位势涡度、850 hPa相对涡度、850 hPa纬向风北传更强，北传速度更快。850 hPa经向风的准双周振荡呈明显西移特征，北传弱，北传速度最慢。而750 hPa比湿准双周振荡呈东南向传播。不同要素准双周振荡的强度略有差异，其中750 hPa比湿与其他要素的差异大。总体而言，750 hPa比湿不能较好地表现出东亚季风区准双周振荡活动特征，而其余要素能很好地表征东亚季风区大气准双周振荡，其中500 hPa位势涡度和850 hPa相对涡度准双周振荡特征一致性高。
2020, 31(6): 668-680.
DOI: 10.11898/1001-7313.20200603
摘要:
为综合不同模式对不同量级降水的预报优势，设计一种全球模式与区域模式结合的降水分级最优化权重集成预报算法，集成经最优TS评分订正法（optimal threat score，OTS）订正后的欧洲中期天气预报中心降水预报产品（以下简称EC-OTS）和华东区域中尺度模式降水预报产品（以下简称SMS-OTS）。以泛长江区域（23°~39°N，101°~123°E）为研究范围，基于2018年不同降水量级的TS评分最优化确定SMS-OTS和EC-OTS在不同降水量级时的最优权重系数以及最优集成方案，并以2019年降水数据为独立样本进行预报试验。结果表明：对于最优权重系数，EC-OTS在低降水量级权重较大，随着降水量级的加大，SMS-OTS的权重也逐渐加大；最优集成方案为初始集成降水量预报取SMS-OTS，集成运算迭代3次；集成预报在几乎所有预报时效、所有降水量级的TS评分均高于EC-OTS和SMS-OTS，其平均绝对误差略小于EC-OTS，显著小于SMS-OTS；集成预报12 h累积降水预报的TS评分较省级预报员主观预报高-0.009~0.041，24 h累积降水预报的TS评分较国家气象中心预报员主观预报高0.009~0.023。
为综合不同模式对不同量级降水的预报优势，设计一种全球模式与区域模式结合的降水分级最优化权重集成预报算法，集成经最优TS评分订正法（optimal threat score，OTS）订正后的欧洲中期天气预报中心降水预报产品（以下简称EC-OTS）和华东区域中尺度模式降水预报产品（以下简称SMS-OTS）。以泛长江区域（23°~39°N，101°~123°E）为研究范围，基于2018年不同降水量级的TS评分最优化确定SMS-OTS和EC-OTS在不同降水量级时的最优权重系数以及最优集成方案，并以2019年降水数据为独立样本进行预报试验。结果表明：对于最优权重系数，EC-OTS在低降水量级权重较大，随着降水量级的加大，SMS-OTS的权重也逐渐加大；最优集成方案为初始集成降水量预报取SMS-OTS，集成运算迭代3次；集成预报在几乎所有预报时效、所有降水量级的TS评分均高于EC-OTS和SMS-OTS，其平均绝对误差略小于EC-OTS，显著小于SMS-OTS；集成预报12 h累积降水预报的TS评分较省级预报员主观预报高-0.009~0.041，24 h累积降水预报的TS评分较国家气象中心预报员主观预报高0.009~0.023。
2020, 31(6): 681-693.
DOI: 10.11898/1001-7313.20200604
摘要:
利用2019年4—9月高时空分辨率的长沙机场阵列天气雷达资料开展三维变分（three-dimensional variational data assimilation，3DVAR）风场反演研究。为验证该算法的反演效果，选取外场试验中10次降水过程，在阵列天气雷达的三维精细探测区内，采用阵列天气雷达合成风场和1部L波段边界层风廓线雷达产品作为参考值对阵列反演风场进行验证评估。结果表明：在稳定性降水条件下，阵列反演风场与阵列合成风场、风廓线雷达产品的结果较为一致；在对流性降水条件下，由于不均匀性会造成风廓线测风精度下降，风廓线雷达产品与阵列反演风场和阵列合成风场差异较大。阵列反演风场与阵列合成风场在稳定性、对流性降水条件下水平风速相对偏差分别低于19%，29%，水平风向差分别低于14.92°，26.35°，稳定性降水条件下阵列反演风场更优，误差在可接受范围内。两种算法得到的风场结构符合各类天气系统的基本特征，水平风场空间分布和风速、风向非常接近。
利用2019年4—9月高时空分辨率的长沙机场阵列天气雷达资料开展三维变分（three-dimensional variational data assimilation，3DVAR）风场反演研究。为验证该算法的反演效果，选取外场试验中10次降水过程，在阵列天气雷达的三维精细探测区内，采用阵列天气雷达合成风场和1部L波段边界层风廓线雷达产品作为参考值对阵列反演风场进行验证评估。结果表明：在稳定性降水条件下，阵列反演风场与阵列合成风场、风廓线雷达产品的结果较为一致；在对流性降水条件下，由于不均匀性会造成风廓线测风精度下降，风廓线雷达产品与阵列反演风场和阵列合成风场差异较大。阵列反演风场与阵列合成风场在稳定性、对流性降水条件下水平风速相对偏差分别低于19%，29%，水平风向差分别低于14.92°，26.35°，稳定性降水条件下阵列反演风场更优，误差在可接受范围内。两种算法得到的风场结构符合各类天气系统的基本特征，水平风场空间分布和风速、风向非常接近。
2020, 31(6): 694-705.
DOI: 10.11898/1001-7313.20200605
摘要:
北京MST（mesosphere-stratosphere-troposphere，中间层-平流层-对流层）雷达是我国“子午工程”一期中探测大气动力结构的独特大型设备。雷达自2011年建成以来，已获取较好的大气风场数据，但在其他要素提取方面仍有改进需求。从噪声电平估算与目标回波识别这两个关键步骤改进雷达原始功率谱密度处理算法，以期得到更准确的大气要素信息。在噪声电平估算方面，提出应用对数-线性拟合方案快速实现客观分析法，与二分法方案差值的标准差为0.43 dB，表明对数-线性拟合方案能兼顾时效性与准确性。改进后的数据处理算法能够精确识别目标回波。利用改进算法处理2012年1—12月数据结果与雷达、探空以及ERA5再分析数据进行比较，各高度纬向风与探空测值的均方根误差均为2~3 m·s-1，优于雷达产品和探空测值均方根误差（3~4 m·s-1），信噪比、谱宽和垂直速度质量也有明显提高，表明改进算法可靠、有效且相对易于实现。
北京MST（mesosphere-stratosphere-troposphere，中间层-平流层-对流层）雷达是我国“子午工程”一期中探测大气动力结构的独特大型设备。雷达自2011年建成以来，已获取较好的大气风场数据，但在其他要素提取方面仍有改进需求。从噪声电平估算与目标回波识别这两个关键步骤改进雷达原始功率谱密度处理算法，以期得到更准确的大气要素信息。在噪声电平估算方面，提出应用对数-线性拟合方案快速实现客观分析法，与二分法方案差值的标准差为0.43 dB，表明对数-线性拟合方案能兼顾时效性与准确性。改进后的数据处理算法能够精确识别目标回波。利用改进算法处理2012年1—12月数据结果与雷达、探空以及ERA5再分析数据进行比较，各高度纬向风与探空测值的均方根误差均为2~3 m·s-1，优于雷达产品和探空测值均方根误差（3~4 m·s-1），信噪比、谱宽和垂直速度质量也有明显提高，表明改进算法可靠、有效且相对易于实现。
2020, 31(6): 706-718.
DOI: 10.11898/1001-7313.20200606
摘要:
2018年9月17日台风山竹（1822）外围螺旋雨带中发生EF2级龙卷。在高湿度、高不稳定、强垂直风切变的环流背景下，龙卷在台风外围雨带上微型超级单体右后侧钩状回波顶端的弱回波区中发展起来。具有高时空分辨率的广州X波段双极化相控阵雷达，不仅观测到超级单体的发展过程，还呈现出龙卷涡旋演变特征：单体风暴尾端在右后方入流加强作用下，逐渐形成钩状回波形态，此时对流层中低层2~3 km高度附近的中气旋强度率先达到最大，随着旋转强度进一步加强和旋转中心高度逐步下降，低层强旋转特征越来越明显，当低层旋转速度达到峰值（超过21 m·s-1），旋转直径收缩到1 km范围，地面出现EF2级以上龙卷，旋转速度对区域出现清晰的弱回波龙卷眼区特征。X波段双极化相控阵雷达在龙卷观测中优势显著，弥补了多普勒天气雷达观测的不足。
2020, 31(6): 719-728.
DOI: 10.11898/1001-7313.20200607
摘要:
利用2017—2019年中国气象局大气探测试验基地Ka波段云雷达资料，结合地面自动气象站、激光云高仪资料，从强度、速度、线性退极化比以及晴空回波高度等方面，分析晴空回波垂直结构和变化特征。基于激光和微波对粒子半径和数密度散射的差异，区分云和晴空回波。结果表明：Ka波段云雷达探测到的晴空回波在边界层主要包含层状湍流回波和点状昆虫回波，且回波顶高在3000 m以内。晴空回波强度和高度具有明显的季节和日变化特征，冬季回波顶高较低，夏季回波顶高较高，与地面气温具有很好的相关性，每年的1，2，11，12月几乎没有晴空回波，而7月和8月回波顶平均高度最高。晴空回波反射率因子为-40~-15 dBZ，其中层状湍流回波反射率因子概率密度峰值处反射率因子为-35 dBZ，点状昆虫回波反射率因子概率密度峰值处反射率因子为-30 dBZ。晴空回波垂直移动速度为-1.5~+0.5 m·s-1，整体呈下沉运动。层状湍流回波线性退极化比较点状昆虫回波稍大，一般为-10~-5 dB，点状昆虫回波线性退极化比一般为-15~-8 dB。
利用2017—2019年中国气象局大气探测试验基地Ka波段云雷达资料，结合地面自动气象站、激光云高仪资料，从强度、速度、线性退极化比以及晴空回波高度等方面，分析晴空回波垂直结构和变化特征。基于激光和微波对粒子半径和数密度散射的差异，区分云和晴空回波。结果表明：Ka波段云雷达探测到的晴空回波在边界层主要包含层状湍流回波和点状昆虫回波，且回波顶高在3000 m以内。晴空回波强度和高度具有明显的季节和日变化特征，冬季回波顶高较低，夏季回波顶高较高，与地面气温具有很好的相关性，每年的1，2，11，12月几乎没有晴空回波，而7月和8月回波顶平均高度最高。晴空回波反射率因子为-40~-15 dBZ，其中层状湍流回波反射率因子概率密度峰值处反射率因子为-35 dBZ，点状昆虫回波反射率因子概率密度峰值处反射率因子为-30 dBZ。晴空回波垂直移动速度为-1.5~+0.5 m·s-1，整体呈下沉运动。层状湍流回波线性退极化比较点状昆虫回波稍大，一般为-10~-5 dB，点状昆虫回波线性退极化比一般为-15~-8 dB。
2020, 31(6): 729-739.
DOI: 10.11898/1001-7313.20200608
摘要:
国家卫星气象中心FY-3C/VIRR（visible and infrared radiometer，可见光红外扫描辐射计）海表温度产品在云检测产品的基础上，采用多通道MCSST（multichannel SST）算法进行晴空区海温反演。该文详细介绍了海表温度产品算法、产品设计、质量控制及质量检验方法。FY-3C/VIRR海表温度产品包括5 min段原始投影海温和5 km全球等经纬度投影海温。设计逐像元的海温质量标识，将海温像元分为优、良、差3个等级，用户可根据应用目标选择海温的质量等级。与日最优插值海温OISST（optimum interpolation SST）相比，FY-3C/VIRR 2015年1月—2019年12月的5 min段海温质量检验结果表明：质量等级为优的海温，白天和夜间的偏差分别为-0.18℃和-0.06℃，均方根误差分别为0.85℃和0.8℃；白天海温均方根误差有季节性波动，夏季有的月份均方根误差大于1℃（如2015年7月、2016年7月和2019年7月）；在海温回归系数不变的条件下，夜间海温偏差的季节性波动与星上黑体温度相关显著。从一级数据质量、定位、业务运行状况等方面讨论引起海表温度产品异常的原因，为FY-3C/VIRR历史数据定位、定标和产品重处理及用户应用提供重要的参考信息。
国家卫星气象中心FY-3C/VIRR（visible and infrared radiometer，可见光红外扫描辐射计）海表温度产品在云检测产品的基础上，采用多通道MCSST（multichannel SST）算法进行晴空区海温反演。该文详细介绍了海表温度产品算法、产品设计、质量控制及质量检验方法。FY-3C/VIRR海表温度产品包括5 min段原始投影海温和5 km全球等经纬度投影海温。设计逐像元的海温质量标识，将海温像元分为优、良、差3个等级，用户可根据应用目标选择海温的质量等级。与日最优插值海温OISST（optimum interpolation SST）相比，FY-3C/VIRR 2015年1月—2019年12月的5 min段海温质量检验结果表明：质量等级为优的海温，白天和夜间的偏差分别为-0.18℃和-0.06℃，均方根误差分别为0.85℃和0.8℃；白天海温均方根误差有季节性波动，夏季有的月份均方根误差大于1℃（如2015年7月、2016年7月和2019年7月）；在海温回归系数不变的条件下，夜间海温偏差的季节性波动与星上黑体温度相关显著。从一级数据质量、定位、业务运行状况等方面讨论引起海表温度产品异常的原因，为FY-3C/VIRR历史数据定位、定标和产品重处理及用户应用提供重要的参考信息。
2020, 31(6): 740-748.
DOI: 10.11898/1001-7313.20200609
摘要:
为实现对地闪过程中多上行先导现象的模拟，在已有三维随机放电参数化方案基础上，植入多先导始发与发展模块以建立高建筑群多上行先导模型，利用电场并行计算技术提高模拟效率。将新模型应用于实际地闪模拟并就统计数据与先导形态特征同观测数据进行对比。结果表明：上行未连接先导长度为12~709 m，起始高度为360~600 m，距连接点水平距离为255~1026 m，距下行先导最近分支的距离为326~589 m，与观测统计结果具有较高的一致性；形态上再现了实际地闪个例F1215中上行未连接先导始发时间早，通道笔直的特点，也能够模拟下行先导与单上行先导头部、单上行先导侧面、多上行先导中连接先导头部、多上行先导中连接先导侧面4种已有观测记录的连接情况，为后续研究提供基础模型。分析模拟结果初步得出结论：最高的广州塔能够对附近一定范围建筑起保护作用且能吸引较远处的下行先导分支；多先导的始发与最后一跳的连接受地面高建筑物群分布、高度以及下行先导位置综合影响。
为实现对地闪过程中多上行先导现象的模拟，在已有三维随机放电参数化方案基础上，植入多先导始发与发展模块以建立高建筑群多上行先导模型，利用电场并行计算技术提高模拟效率。将新模型应用于实际地闪模拟并就统计数据与先导形态特征同观测数据进行对比。结果表明：上行未连接先导长度为12~709 m，起始高度为360~600 m，距连接点水平距离为255~1026 m，距下行先导最近分支的距离为326~589 m，与观测统计结果具有较高的一致性；形态上再现了实际地闪个例F1215中上行未连接先导始发时间早，通道笔直的特点，也能够模拟下行先导与单上行先导头部、单上行先导侧面、多上行先导中连接先导头部、多上行先导中连接先导侧面4种已有观测记录的连接情况，为后续研究提供基础模型。分析模拟结果初步得出结论：最高的广州塔能够对附近一定范围建筑起保护作用且能吸引较远处的下行先导分支；多先导的始发与最后一跳的连接受地面高建筑物群分布、高度以及下行先导位置综合影响。
2020, 31(6): 749-758.
DOI: 10.11898/1001-7313.20200610
摘要:
玉米作为一种重要的粮食作物，其产量对于国家粮食安全的影响至关重要。该文结合遥感与地面实测气温数据，基于地表温度与气温具有显著的线性相关关系，构建我国夏玉米主产区高温热害评估模型，并对该模型进行精度检验。结果表明：平原区域日平均气温的模拟结果决定系数在0.8以上，达到0.001显著性水平，均方根误差在1.8℃左右的小范围内波动；平原区域精度略高，山区精度略低（均方根误差为2.4℃）。利用该模型对2008—2018年黄淮海夏玉米主产区高温热害进行评估，发现2017年和2018年夏玉米受高温热害影响最严重，高温热害区主要分布在河北省东南部、河南省大部以及山东省西部，该结果与实际情况相符。
玉米作为一种重要的粮食作物，其产量对于国家粮食安全的影响至关重要。该文结合遥感与地面实测气温数据，基于地表温度与气温具有显著的线性相关关系，构建我国夏玉米主产区高温热害评估模型，并对该模型进行精度检验。结果表明：平原区域日平均气温的模拟结果决定系数在0.8以上，达到0.001显著性水平，均方根误差在1.8℃左右的小范围内波动；平原区域精度略高，山区精度略低（均方根误差为2.4℃）。利用该模型对2008—2018年黄淮海夏玉米主产区高温热害进行评估，发现2017年和2018年夏玉米受高温热害影响最严重，高温热害区主要分布在河北省东南部、河南省大部以及山东省西部，该结果与实际情况相符。
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