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2017年  第28卷  第5期

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2017年第5期封面及目次
2017, 28(5)
摘要:
2017年第5期封面及目次
综述
MICAPS4预报业务系统建设进展与未来发展
高嵩, 毕宝贵, 李月安, 王若曈, 代刊
2017, 28(5): 513-531, DOI: 10.11898/1001-7313.20170501
摘要:
以精细化预报为标志的现代天气预报业务对高时空分辨率气象数据的应用提出了更高的需求,而传统的预报分析制作系统MICAPS3(Meteorological Information Comprehensive Analysis and Processing System Version 3)无法满足符合大数据特征的实时预报相关的数据应用。同时,模式预报和集合预报应用已在各专业预报领域中发挥越来越重要的作用,网格预报产品正在涵盖全部的预报业务流程,而MICAPS3无法提供便捷高效的支撑。为解决上述问题,国家气象中心启动了MICAPS4建设,一方面建立了基于大数据的气象实时预报应用技术体系,解决了气象大数据处理、存储、分析和显示效率的关键技术难题;另一方面搭建了多个满足不同复杂预报业务需求的专业化版本。MICAPS4将信息化技术与预报技术、预报业务流程紧密结合,解决了现代化预报方法的平台化集成应用与精细化预报制作的关键技术难题,基于MICAPS4基础框架的多个专业版在中央气象台和部分省级气象台进行业务化应用推广。基于CIMISS(China Integrated Meteorological Information Sharing System)-MICAPS4的海量数据存储环境,极大减轻了系统部署和本地化工作量,显著提升了数据解析及数据存储访问效率。
论著
2014年7月14日高原低涡降水过程观测分析
赵平, 袁溢
2017, 28(5): 532-543, DOI: 10.11898/1001-7313.20170502
摘要:
利用第三次青藏高原大气科学试验的多种雷达、雨滴谱仪以及MODIS卫星观测资料、常规气象站地面和高空观测资料,针对2014年7月14日发生在青藏高原中部那曲地区的一次降水过程,研究了降水的时空变化特征,触发不同阶段降水的天气尺度和中尺度环流系统以及相关的云降水物理特征。从降水演变特征看,这次降水过程包括3个阶段,即发生在下午的强降水阶段和夜间的两个弱降水阶段。从影响系统看,下午的降水主要由天气尺度的高原低涡发展引起,此时那曲位于低涡中心前部的中尺度辐合线上;发生在晚上的降水主要与高原低涡前部的暖湿东南气流爬越地形有关,东南气流为产生降水提供了有利的水汽、大气不稳定和浅薄的动力抬升条件。从云降水微物理特征看,高原低涡降水初期,低涡前部的上升运动深厚,对流发展明显,而后期的对流性减弱。东南气流爬坡引起的地形降水表现出层状云降水的特征,高原低涡降水的雨滴谱分布较宽(0.3~4.9 mm),而夜间降水过程的雨滴谱分布较窄(0.3~2.1 mm)。
基于重组降水集合预报的洪水概率预报
赵琳娜, 刘莹, 包红军, 王彬雁, 白雪梅, 李潇濛, 杨瑞雯, 李依瞳
2017, 28(5): 544-554, DOI: 10.11898/1001-7313.20170503
摘要:
采用条件亚正态模型方法,生成了具有包含不同可能性的降水集合预报。为了保持各子流域降水集合预报变量之间的空间相关性,采用集合预报重组方法对降水集合预报进行重新排列。使用重组后的降水集合预报驱动水文模型,实现了淮河上游大坡岭-息县、淮河上游息县-王家坝和汝河-洪河上游3个子流域的12次洪水过程的洪水概率预报,并对1988年9月7日和1991年7月31日两次洪水概率预报进行个例分析。结果表明:相对于单一确定性预报,通过条件亚正态分布模型生成降水集合预报后,再经过Schaake洗牌法空间相关性重新组合的降水集合预报,捕捉洪峰出现时间和流量的能力更强。对洪水概率预报来说,降水概率预报更能达到对未来的水文事件进行最大可能估计的目的,并尽可能综合了降水预报不确定性因素,同时也说明维持变量原有的空间相关特征对于降水概率预报具有重要意义。
闪电初始预击穿过程辐射脉冲特征及电流模型
武斌, 张广庶, 文军, 张彤, 李亚珺, 王彦辉
2017, 28(5): 555-567, DOI: 10.11898/1001-7313.20170504
摘要:
利用2012年青海大通地区高精度闪电三维辐射源定位结果和宽带电场脉冲波形同步数据,基于3种改进的传输线模型和粒子群优化算法,拟合发生在不同距离上不同类型闪电初始预击穿过程的双极性脉冲波形结构,反演初始流光通道内电流波形和特征参数,对比分析3种模型对初始预击穿过程和梯级先导双极性脉冲波形的拟合效果,统计分析4类闪电初始预击穿脉冲的物理特征。结果表明:3种改进的传输线模型均能较好地拟合出双极性脉冲结构,且MTLE模型更合理。负地闪的初始预击穿过程和梯级先导过程呈现出相同的传输特征,即均以梯级形式发展,且拟合物理参量也较为接近。初始流光向上的路径长度大于初始流光向下的路径长度,初始流光向上击穿进入上部正电荷区的路径上中和的总电荷量和总垂直偶极矩远大于初始流光向下的路径上中和的总电荷量和总垂直偶极矩。
暴雨和雹暴个例中闪电特征对比
王婷波, 郑栋, 周康辉, 张义军, 徐良韬
2017, 28(5): 568-578, DOI: 10.11898/1001-7313.20170505
摘要:
暴雨与雹暴过程中对应的闪电活动特征显著不同,为了对比这两类对流过程中的闪电活动特征差异,该文选取了两种比较有代表性的雷暴个例——暴雨过程和雹暴过程,利用全闪(包括云闪与地闪)定位数据,分析了两者闪电活动特征以及闪电活动与对流降水之间的关系。研究发现:暴雨过程中地闪频次和正地闪比例均低于雹暴过程;相对于暴雨过程,雹暴过程的主正电荷区放电高度更高,主正电荷区所处的温度偏低;暴雨过程中,总闪频次与对流降水量、总闪频次与对流降水强度的相关性均优于雹暴过程。总体而言,雹暴过程中闪电活动特征及其与降水的关系更为复杂,这可能与雹暴过程具有更为复杂的动力和冰相过程有关。
集成物理统计模型在南海夏季风预测中的应用
郑彬, 李春晖, 林爱兰, 谷德军, 何超
2017, 28(5): 579-588, DOI: 10.11898/1001-7313.20170506
摘要:
利用影响南海夏季风年际变化的主要气候现象厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation,ENSO)和对流层准两年振荡(Tropospheric Biennial Oscillation,TBO)相关的气候因子,提出了以过程判别函数确定物理过程的持续性,建立年际尺度的集成物理统计预测模型,而非年际尺度变率由经验统计模型预测,二者相结合,发展了集成物理-经验统计预测模型。经验模型在拟合时段的回报结果很好,但在独立样本预测时效果明显降低,其中预测评分(PS)降低了23%,距平相关系数(ACC)降低了63%;相比之下,集成物理-经验统计预测模型在独立样本预测时比经验模型有更好的预测结果(PS评分提高了9.5%,ACC提高了75%),且预测结果相对稳定。此外,集成物理-经验统计预测模型对南海夏季风降水的空间分布也有一定预测能力。
夏季区域极涡异常对塔里木河流域降水的影响
李红军, 马玉芬
2017, 28(5): 589-599, DOI: 10.11898/1001-7313.20170507
摘要:
采用1961-2015年夏季大西洋-欧洲极涡面积指数和塔里木河流域43个站降水资料,研究该区域极涡面积异常对该流域降水的影响。结果表明:两者年际变化呈显著的反位相关系;在极涡面积异常偏小(大)年,西风急流在西亚和中亚减弱(增强),在东亚则相反;500 hPa欧洲中部和贝加尔湖地区的高压脊偏强(偏弱),东亚低压槽偏弱(偏强),中亚经向环流增强(减弱);700 hPa塔里木河流域天气扰动活跃(不活跃),东风和西南风(西北风)的水汽输送增强,西部和北部等主要降水区水汽辐合(辐散),该流域降水偏多(偏少)。在极涡面积异常偏小年的夏季,塔里木河流域水平风场和垂直运动从高纬度到低纬度的经向变化分布与大西洋-欧洲区相似,大西洋-欧洲极涡区与塔里木河流域之间存在西北-东南的环流异常分布,大西洋-欧洲极涡面积异常可能通过该环流异常分布影响塔里木河流域及周边风场、水汽输送和垂直运动,进而影响到该流域降水。
风廓线雷达资料对华南区域模式预报的影响
邓华, 廖菲, 张旭斌, 时洋
2017, 28(5): 600-610, DOI: 10.11898/1001-7313.20170508
摘要:
设计基于GRAPES_Meso的不同试验模拟2014年3月28日-4月8日的广东前汛期降水过程,评估风廓线资料对同化和预报的影响。对资料同化后分析增量的分析表明:相比同化时仅使用自动气象站资料,风廓线雷达资料对1000 hPa到850 hPa纬向风增量均有贡献,在850 hPa,700 hPa高度以上贡献迅速减小。应用3个试验的预报结果计算探空站、风廓线雷达站预报值与观测值的11 d均方根误差发现,同化加入风廓线雷达资料对各预报要素的改善在850 hPa高度最明显,其中风速预报误差显著降低,为0.7 m·s-1。此外,风廓线雷达资料对700 hPa风速预报有一定改善,而在925 hPa高度模拟效果反而降低。通过对2014年3月30日12:00(世界时)的个例分析发现,同化加入风廓线雷达资料的风速预报均方根误差在大雨级别以上的降水落区更大,其原因还有待于进一步研究。
基于多种边界层方案的天津PM2.5集合预报试验
蔡子颖, 姚青, 韩素芹, 郝天依, 刘敬乐
2017, 28(5): 611-620, DOI: 10.11898/1001-7313.20170509
摘要:
基于大气化学模式WRF/Chem采用4种边界层方案(YSU,BL,MYJ和MYN3)模拟2015年全年天津地区细颗粒物质量浓度演变趋势,分析不同边界层方案对天津地区PM2.5质量浓度模拟和预报的影响,并构建多种边界层方案的集合预报产品,以期提高天津地区PM2.5质量浓度预报效果。结果表明:大气化学模式的4种边界层方案在空气质量模拟中均有较好的适用性,PM2.5模拟值与观测值相关系数达到0.76左右,晴空和大风天气BL方案表现较优,阴天和小风天气YSU和MYJ方案表现优于其他两种方案,综合所有过程没有任何单一方案具有显著优势。基于上述原因,该文开展多种边界层方案的天津空气质量集合预报试验,经过对2015年全年模拟值分析,多边界层方案和多气溶胶机制扰动的集合预报可以减小PM2.5质量浓度预报的相对误差和均方根误差,降低重污染天气预报的漏报率,提升空气质量等级预报能力,在计算资源得到保证的基础上,是一种可以提升数值模式PM2.5质量浓度预报能力的有效手段。
业务系统
遥感大数据分布式技术研究与实现
罗敬宁, 刘立葳
2017, 28(5): 621-631, DOI: 10.11898/1001-7313.20170510
摘要:
面向卫星遥感海量数据,针对其数据量的急速增长,对数据分析、价值挖掘提出了全新的挑战,引入驱动大数据应用的分布式模式,建立了适应卫星遥感大数据的网格模型,打破了数据的时空割裂和限制,数据可以作为整体进行存储、计算和应用,模型设计的网格、时间片、物理层的基本结构,可以保证未来云计算的实施。该文提出了基于希尔伯特曲线的网格散列算法,以此建立的分布式系统具有优异的并行读写性能和良好的负载均衡能力;遥感大数据分布式系统,实现了数据的高速分布式并行读写,支持数据的精确时空匹配和动态获取,整个系统的扩展能力可以达到线性增长,系统基于通用软硬件平台实施,实现卫星遥感大数据灵活、按需和简便的应用。
中国气象局S2S数据归档中心设计及关键技术
肖华东, 孙婧, 孙朝阳, 聂元丁, 赵春燕, 郭锋, 常飚, 张新诺, 刘立明
2017, 28(5): 632-640, DOI: 10.11898/1001-7313.20170511
摘要:
中国气象局S2S(Sub-seasonal to Seasonal)数据归档中心建设是中国气象局承担世界气象组织(WMO)的世界天气研究计划(WWRP)和世界气候研究计划(WCRP)任务,由国家气象信息中心负责设计和实现。该文介绍了S2S数据归档中心建设中涉及的数据交换、数据检查及处理、数据归档存储及数据服务门户全流程系统设计和实现。针对各业务中心生产的S2S数据配置差异较大造成数据交换、同步较难这一问题,采用基于FTP(file transfer protocol)的数据推送和基于ECMWF(European Center for Medium-range Weather Forecasts)WebAPI主动数据下载相结合的方式,说明数据交换、同步方法和策略。由于S2S数据量巨大难以高效管理服务,已设计统一的数据组织形式和存储规则,实现根据数据检索条件解析获取数据存储位置,提供便捷的数据检索下载服务。自2015年11月15日中国气象局S2S数据门户系统对外开放,目前数据门户系统已有超过18个国家的300个用户注册并下载数据。