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中国气象局2011年 第22卷 第1期
2011, 22(1): 1-11
摘要
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摘要:
短期气候预测依据大气科学原理，运用气候动力学、统计学等手段，在研究气候异常成因的基础上对未来气候趋势进行预测。虽然目前我国短期气候预测的水平还不高，但短期气候预测是国家经济发展和防灾减灾的迫切需求，提高预测准确率是气象科研和业务人员的重要任务。该文从海洋、积雪等外强迫信号及大气环流大尺度变动等大气内部特性等角度概述了短期气候预测的物理基础，简要回顾了近60年来我国短期气候预测的发展历程，并介绍了作者近十几年来研制短期气候预测客观统计学及统计与动力学相结合预测模型的主要思路。
短期气候预测依据大气科学原理，运用气候动力学、统计学等手段，在研究气候异常成因的基础上对未来气候趋势进行预测。虽然目前我国短期气候预测的水平还不高，但短期气候预测是国家经济发展和防灾减灾的迫切需求，提高预测准确率是气象科研和业务人员的重要任务。该文从海洋、积雪等外强迫信号及大气环流大尺度变动等大气内部特性等角度概述了短期气候预测的物理基础，简要回顾了近60年来我国短期气候预测的发展历程，并介绍了作者近十几年来研制短期气候预测客观统计学及统计与动力学相结合预测模型的主要思路。
2011, 22(1): 12-22
摘要:
新疆位于半干旱地区，2007年7月13—18日新疆沿天山一带多站出现暴雨。利用每分钟与小时降水资料、常规地面与高空观测资料、NCEP 1°×1°再分析资料、静止卫星云图资料与雷达资料进行分析，重点考察2007年7月16—17日乌鲁木齐暴雨过程 (7·17暴雨) 的天气尺度及中尺度特征，并与1996年同期暴雨过程以及我国东部暴雨过程进行对比。结果表明：该降水是一次大尺度斜压过程，中亚低涡是该暴雨过程的主要影响系统，但其位置、形态与强度均不同于1996年过程；干冷空气侵入加强了大气的对流性不稳定，对暴雨的加强和发展起重要作用；该暴雨过程的水汽主要来自于青藏高原东部—甘肃西部一线以及南疆北部；该暴雨过程中有明显的γ-中尺度对流雨团发生，径向速度辐合可能是γ-中尺度对流雨团的重要触发机制。
新疆位于半干旱地区，2007年7月13—18日新疆沿天山一带多站出现暴雨。利用每分钟与小时降水资料、常规地面与高空观测资料、NCEP 1°×1°再分析资料、静止卫星云图资料与雷达资料进行分析，重点考察2007年7月16—17日乌鲁木齐暴雨过程 (7·17暴雨) 的天气尺度及中尺度特征，并与1996年同期暴雨过程以及我国东部暴雨过程进行对比。结果表明：该降水是一次大尺度斜压过程，中亚低涡是该暴雨过程的主要影响系统，但其位置、形态与强度均不同于1996年过程；干冷空气侵入加强了大气的对流性不稳定，对暴雨的加强和发展起重要作用；该暴雨过程的水汽主要来自于青藏高原东部—甘肃西部一线以及南疆北部；该暴雨过程中有明显的γ-中尺度对流雨团发生，径向速度辐合可能是γ-中尺度对流雨团的重要触发机制。
2011, 22(1): 23-34
摘要:
利用卫星、雷达和加密自动站等监测资料，结合VDRAS系统资料和1°×1° NCEP再分析资料，对造成黑昼和暴雨的中尺度对流系统的空间、热动力结构特征和发生、发展及维持原因进行了分析。结果表明：2004—2009年渤海西岸圆形α-中尺度对流系统有别于南方，其中只有16%可发展为中尺度复合体；黑昼现象是影响系统的特殊性所致。突发性暴雨的制造者是α-中尺度对流系统西端不断新生的β-中尺度对流系统，其发生、发展、维持与边界层内冷池外流、对流层低层 (1.3~2.4 km) 侵入的西北气流与西南气流形成的辐合线或交汇线有密切关系。α-中尺度对流系统的上升速度中心在500 hPa附近，多个β-中尺度对流系统分别具有独自的垂直气流和弱边界层环流。α-中尺度对流系统内部扰动温度呈下负上正的垂直分布，促使了不稳定层结趋于稳定；冷池呈东厚西薄的楔形结构，有利于β-中尺度对流系统发展维持。
利用卫星、雷达和加密自动站等监测资料，结合VDRAS系统资料和1°×1° NCEP再分析资料，对造成黑昼和暴雨的中尺度对流系统的空间、热动力结构特征和发生、发展及维持原因进行了分析。结果表明：2004—2009年渤海西岸圆形α-中尺度对流系统有别于南方，其中只有16%可发展为中尺度复合体；黑昼现象是影响系统的特殊性所致。突发性暴雨的制造者是α-中尺度对流系统西端不断新生的β-中尺度对流系统，其发生、发展、维持与边界层内冷池外流、对流层低层 (1.3~2.4 km) 侵入的西北气流与西南气流形成的辐合线或交汇线有密切关系。α-中尺度对流系统的上升速度中心在500 hPa附近，多个β-中尺度对流系统分别具有独自的垂直气流和弱边界层环流。α-中尺度对流系统内部扰动温度呈下负上正的垂直分布，促使了不稳定层结趋于稳定；冷池呈东厚西薄的楔形结构，有利于β-中尺度对流系统发展维持。
2011, 22(1): 35-45
摘要:
该文利用国家卫星气象中心1998—2008年NOAA卫星的存档数据，在再定标和精定位等数据再处理基础上，利用自行研发的云检测算法及云量计算方法，生成空间分辨率为0.01°×0.01°、时间尺度为10年的逐日云量数据，并利用ISCCP和地面观测数据对计算得到的云参数进行数据质量评估。评估结果显示：利用NOAA数据的抽样云检测结果与ISCCP-DX数据相比，晴空像元检测率具有0.70左右的一致性；有云像元检测率具有60%左右的一致性。卫星计算的总云量与地面观测总云量间的月平均相关系数大于0.70。
该文利用国家卫星气象中心1998—2008年NOAA卫星的存档数据，在再定标和精定位等数据再处理基础上，利用自行研发的云检测算法及云量计算方法，生成空间分辨率为0.01°×0.01°、时间尺度为10年的逐日云量数据，并利用ISCCP和地面观测数据对计算得到的云参数进行数据质量评估。评估结果显示：利用NOAA数据的抽样云检测结果与ISCCP-DX数据相比，晴空像元检测率具有0.70左右的一致性；有云像元检测率具有60%左右的一致性。卫星计算的总云量与地面观测总云量间的月平均相关系数大于0.70。
2011, 22(1): 46-56
摘要:
该文介绍了利用搭载在FY-3A卫星上的中分辨率光谱成像仪 (MERSI) 的近红外 (NIR) 通道反演大气水汽总量 (PWV) 的方法。根据预先建立的查找表，大气水汽总量可以通过水汽通道与窗区通道的卫星测值相比反演得到。对MERSI近红外水汽通道灵敏度进行估算，结果表明：处于吸收带两翼的905 nm和980 nm通道对不同水汽量的敏感性表现比较接近，对较大水汽含量最为敏感；当水汽较弱时，强吸收的940 nm通道非常敏感。基于这3个通道对水汽含量敏感性的不同表现，采用3个通道水汽总量的加权平均值作为PWV产品的最终反演值。文中设计了水汽总量业务算法反演流程，并基于FY-3A/MERSI最新观测资料进行晴空大气水汽总量的业务处理生成试验，顺利生成MERSI单轨道水汽总量产品及日拼图中国区域产品和全球产品，同时生成多天合成产品，产品反映出MERSI具有较好的近红外水汽探测能力。将卫星反演结果与探空数据进行初步比对检验，显示卫星反演值有20%~30%系统性偏低，需要进一步改进反演查找表。
该文介绍了利用搭载在FY-3A卫星上的中分辨率光谱成像仪 (MERSI) 的近红外 (NIR) 通道反演大气水汽总量 (PWV) 的方法。根据预先建立的查找表，大气水汽总量可以通过水汽通道与窗区通道的卫星测值相比反演得到。对MERSI近红外水汽通道灵敏度进行估算，结果表明：处于吸收带两翼的905 nm和980 nm通道对不同水汽量的敏感性表现比较接近，对较大水汽含量最为敏感；当水汽较弱时，强吸收的940 nm通道非常敏感。基于这3个通道对水汽含量敏感性的不同表现，采用3个通道水汽总量的加权平均值作为PWV产品的最终反演值。文中设计了水汽总量业务算法反演流程，并基于FY-3A/MERSI最新观测资料进行晴空大气水汽总量的业务处理生成试验，顺利生成MERSI单轨道水汽总量产品及日拼图中国区域产品和全球产品，同时生成多天合成产品，产品反映出MERSI具有较好的近红外水汽探测能力。将卫星反演结果与探空数据进行初步比对检验，显示卫星反演值有20%~30%系统性偏低，需要进一步改进反演查找表。
2011, 22(1): 57-65
摘要:
利用NCAR提供的第5代全球大气环流模式CAM3.1探讨了春季西太平洋副热带地区海表面温度对我国江南春雨的影响。数值试验结果表明：春季西太平洋副热带地区海表面温度升高可引起同期东亚—西太平洋副热带纬向海陆热力差异减弱，进而引起3—4月青藏高原东南侧的低涡强度减弱，该低涡与西太平洋副热带高压之间的位势梯度减小，中低纬度西太平洋副热带高压强度减弱，其北侧的850 hPa西南风强度相应减弱，因此西南暖湿气流输送也随之减弱，造成江南地区的水汽通量辐合强度明显减弱，这种环流分布状况将不利于出现较强的江南春雨，导致江南春雨强度明显减小。
利用NCAR提供的第5代全球大气环流模式CAM3.1探讨了春季西太平洋副热带地区海表面温度对我国江南春雨的影响。数值试验结果表明：春季西太平洋副热带地区海表面温度升高可引起同期东亚—西太平洋副热带纬向海陆热力差异减弱，进而引起3—4月青藏高原东南侧的低涡强度减弱，该低涡与西太平洋副热带高压之间的位势梯度减小，中低纬度西太平洋副热带高压强度减弱，其北侧的850 hPa西南风强度相应减弱，因此西南暖湿气流输送也随之减弱，造成江南地区的水汽通量辐合强度明显减弱，这种环流分布状况将不利于出现较强的江南春雨，导致江南春雨强度明显减小。
2011, 22(1): 66-76
摘要:
利用中国气象局《热带气旋年鉴》的热带气旋大风和降水资料集，确定了明显影响我国及华东和华南地区的热带气旋个例，并研制热带气旋年频数的预测方案，使得频数预测对防灾减灾更为实用。预测因子采用相关普查的方法，从1961—2000年前期的海表温度、海平面气压及200，500 hPa和850 hPa位势高度和风场中选出，所用的资料为NOAA ER SST和NCEP/NCAR再分析资料。在相关分析的基础上，构建因子时兼顾了因子的系统性的空间结构和时间的变化，并用主成分分析方法去除因子的多重共线性；在最优子集回归建模的基础上进一步对模型进行检验和优化。模型检验和2001—2008年回报试验说明各模型均对各自热带气旋频数 (TCF) 具有较好的预测能力。
利用中国气象局《热带气旋年鉴》的热带气旋大风和降水资料集，确定了明显影响我国及华东和华南地区的热带气旋个例，并研制热带气旋年频数的预测方案，使得频数预测对防灾减灾更为实用。预测因子采用相关普查的方法，从1961—2000年前期的海表温度、海平面气压及200，500 hPa和850 hPa位势高度和风场中选出，所用的资料为NOAA ER SST和NCEP/NCAR再分析资料。在相关分析的基础上，构建因子时兼顾了因子的系统性的空间结构和时间的变化，并用主成分分析方法去除因子的多重共线性；在最优子集回归建模的基础上进一步对模型进行检验和优化。模型检验和2001—2008年回报试验说明各模型均对各自热带气旋频数 (TCF) 具有较好的预测能力。
2011, 22(1): 77-85
摘要:
针对动力气候模式对区域或更小空间尺度内的日降水预测技巧偏低的问题，应用最优子集回归 (OSR) 方法对国家气候中心业务化的月动力气候模式 (DERF) 输出的高度场、风场和海平面气压场进行降尺度处理用于降水预测，旨在提高预测准确率。1982—2006年交叉检验结果表明：OSR方法能显著提高降水预测技巧，其中11~40 d改善效果最为显著。在此基础上，应用一步法和两步法两种统计降尺度方法预测极端降水日数，交叉检验结果表明:两种方法均优于随机预测，冬季两步法预测技巧略高于一步法，夏季一步法略优于两步法。综合认为OSR，OSR结合随机天气发生器 (WG) 两种统计降尺度方法对月尺度降水或极端降水日数的预测均具有较高的技巧，可作为短期气候预测的重要参考信息。
针对动力气候模式对区域或更小空间尺度内的日降水预测技巧偏低的问题，应用最优子集回归 (OSR) 方法对国家气候中心业务化的月动力气候模式 (DERF) 输出的高度场、风场和海平面气压场进行降尺度处理用于降水预测，旨在提高预测准确率。1982—2006年交叉检验结果表明：OSR方法能显著提高降水预测技巧，其中11~40 d改善效果最为显著。在此基础上，应用一步法和两步法两种统计降尺度方法预测极端降水日数，交叉检验结果表明:两种方法均优于随机预测，冬季两步法预测技巧略高于一步法，夏季一步法略优于两步法。综合认为OSR，OSR结合随机天气发生器 (WG) 两种统计降尺度方法对月尺度降水或极端降水日数的预测均具有较高的技巧，可作为短期气候预测的重要参考信息。
2011, 22(1): 86-95
摘要:
利用1982年1月—2010年3月动力延伸预报产品及宁夏候平均气温，采用逐步回归的MOS统计方法，预报宁夏24个测站未来40 d逐候平均气温，为了对比模式直接输出结果与资料按月和按季节划分建立的MOS方法预报效果，对2009年和2010年1—3月的预报效果分别进行了对比检验。结果表明：MOS预报效果较模式直接输出有显著提高；不同时段的资料划分，不同的建模样本长度，都会使MOS预报效果产生差异。虽然利用按季节划分的资料所建立的MOS方程样本数明显多于按月划分的样本数，但由于按月划分的资料所选择的预报因子更能集中反映这一时段预报对象的相关性，物理意义更为明确，因而预报效果较好；对于同样按月划分的MOS方法而言，样本数越多，温度预报的效果越好，稳定性越强；进一步检验该方法对极端候平均气温的预报能力，出现极端气温时，该方法能够预报出气温剧烈变化的趋势和变温幅度，并随着预报时效临近逐步订正，误差值逐渐减小，预报结果可作为中期业务预报的参考。
利用1982年1月—2010年3月动力延伸预报产品及宁夏候平均气温，采用逐步回归的MOS统计方法，预报宁夏24个测站未来40 d逐候平均气温，为了对比模式直接输出结果与资料按月和按季节划分建立的MOS方法预报效果，对2009年和2010年1—3月的预报效果分别进行了对比检验。结果表明：MOS预报效果较模式直接输出有显著提高；不同时段的资料划分，不同的建模样本长度，都会使MOS预报效果产生差异。虽然利用按季节划分的资料所建立的MOS方程样本数明显多于按月划分的样本数，但由于按月划分的资料所选择的预报因子更能集中反映这一时段预报对象的相关性，物理意义更为明确，因而预报效果较好；对于同样按月划分的MOS方法而言，样本数越多，温度预报的效果越好，稳定性越强；进一步检验该方法对极端候平均气温的预报能力，出现极端气温时，该方法能够预报出气温剧烈变化的趋势和变温幅度，并随着预报时效临近逐步订正，误差值逐渐减小，预报结果可作为中期业务预报的参考。
2011, 22(1): 96-106
摘要:
通过制定一定的规则，使用贵州504个防雹炮点的冰雹观测资料及2005，2006年贵阳雷达站8次冰雹过程观测资料，使用时间窗方法间接地将风暴单体与降雹记录相联系，建立了冰雹算法校验数据库，并对降雹校验数据库的数据进行统计分析，应用探测概率、虚警率、临界成功指数来检验冰雹探测算法。强冰雹概率 (POSH) 的强冰雹探测算法的总体评估结果表明：当POSH算法的强冰雹预警阈值为30%时，在贵州地区获得最高的临界成功指数评分，但这个阈值在每次强冰雹预警时并不是都获得最佳结果。强冰雹预警阈值选择模式 (WTSM，即根据冻结层高度动态选择每天强冰雹指数的预警阈值) 在不同地区气候状况下的差异，是导致缺省的POSH算法在贵州地区应用不佳的最主要原因，这也说明对冰雹探测算法的局地性适用评估非常必要。通过对WTSM的调整，改进了原来的POSH算法。
通过制定一定的规则，使用贵州504个防雹炮点的冰雹观测资料及2005，2006年贵阳雷达站8次冰雹过程观测资料，使用时间窗方法间接地将风暴单体与降雹记录相联系，建立了冰雹算法校验数据库，并对降雹校验数据库的数据进行统计分析，应用探测概率、虚警率、临界成功指数来检验冰雹探测算法。强冰雹概率 (POSH) 的强冰雹探测算法的总体评估结果表明：当POSH算法的强冰雹预警阈值为30%时，在贵州地区获得最高的临界成功指数评分，但这个阈值在每次强冰雹预警时并不是都获得最佳结果。强冰雹预警阈值选择模式 (WTSM，即根据冻结层高度动态选择每天强冰雹指数的预警阈值) 在不同地区气候状况下的差异，是导致缺省的POSH算法在贵州地区应用不佳的最主要原因，这也说明对冰雹探测算法的局地性适用评估非常必要。通过对WTSM的调整，改进了原来的POSH算法。
2011, 22(1): 107-114
摘要:
利用汕头、珠海和湛江地面观测站2000—2008年1—5月的海雾历史观测资料和NCEP/NCAR FNL再分析资料，采用分类与回归树 (CART) 方法对海雾及其生成前24 h的海洋气象条件进行分类分析，建立了海雾决策树预报模型；并根据现有的海雾理论认识，对海雾预报规则包含的物理意义进行讨论。10次交叉检验的结果表明：采用CART方法建立的海雾决策树预报模型有较好的预报性能，对广东沿岸海雾的预报准确率总体上可达到73%以上。根据决策树预报模型建立的海雾预报判别流程，可在业务工作中直接用于有雾/无雾判别。海雾预报判别流程同时也具有明确的物理意义，能够较好地反映水汽与海表冷却条件对平流冷却雾形成的重要性，CART方法可作为海雾业务预报的有效建模工具。
利用汕头、珠海和湛江地面观测站2000—2008年1—5月的海雾历史观测资料和NCEP/NCAR FNL再分析资料，采用分类与回归树 (CART) 方法对海雾及其生成前24 h的海洋气象条件进行分类分析，建立了海雾决策树预报模型；并根据现有的海雾理论认识，对海雾预报规则包含的物理意义进行讨论。10次交叉检验的结果表明：采用CART方法建立的海雾决策树预报模型有较好的预报性能，对广东沿岸海雾的预报准确率总体上可达到73%以上。根据决策树预报模型建立的海雾预报判别流程，可在业务工作中直接用于有雾/无雾判别。海雾预报判别流程同时也具有明确的物理意义，能够较好地反映水汽与海表冷却条件对平流冷却雾形成的重要性，CART方法可作为海雾业务预报的有效建模工具。
2011, 22(1): 115-122
摘要:
由于缺乏成熟的中尺度对流系统 (MCS) 自动追踪工具，使基于静止卫星红外云图的MCS研究的深度和广度受到制约。手工目测法识别追踪MCS，工作量大且容易造成误差，无法用于长时间序列卫星云图的MCS普查。该文结合我国中尺度对流天气的特点，在重新定义MCS云团识别标准的基础上，给出了一种基于图像处理和时间序列分析技术的MCS自动识别、存储、追踪和时间序列特征统计方法。通过对2003年淮河大水期间连续时次卫星云图的MCS自动识别、追踪和特征统计，对该方法的应用效果进行了检验，结果表明:该方法不仅能对每个时次的MCS进行快速识别，同时也能对多时次的MCS进行有效追踪。
由于缺乏成熟的中尺度对流系统 (MCS) 自动追踪工具，使基于静止卫星红外云图的MCS研究的深度和广度受到制约。手工目测法识别追踪MCS，工作量大且容易造成误差，无法用于长时间序列卫星云图的MCS普查。该文结合我国中尺度对流天气的特点，在重新定义MCS云团识别标准的基础上，给出了一种基于图像处理和时间序列分析技术的MCS自动识别、存储、追踪和时间序列特征统计方法。通过对2003年淮河大水期间连续时次卫星云图的MCS自动识别、追踪和特征统计，对该方法的应用效果进行了检验，结果表明:该方法不仅能对每个时次的MCS进行快速识别，同时也能对多时次的MCS进行有效追踪。
2011, 22(1): 123-128
摘要:
该文将我国FY-2C气象卫星通道数据、地面观测数据、雷达数据融合进入LAPS (Local Analysis Prediction System) 三维数据分析系统中，获得了三维云量场分布，并采用北京地区2009年11月9日08：00(北京时，下同) 和华南地区2008年6月12日14：00个例，设计了5种试验对LAPS融合的云量场进行分析。结果表明：LAPS云分析中，地面观测对云底结构起主要订正作用，雷达观测对云中、低部信息起主要订正作用，而卫星云图数据对云顶分布订正效果显著，卫星资料是获得客观三维云量场不可或缺的数据。
该文将我国FY-2C气象卫星通道数据、地面观测数据、雷达数据融合进入LAPS (Local Analysis Prediction System) 三维数据分析系统中，获得了三维云量场分布，并采用北京地区2009年11月9日08：00(北京时，下同) 和华南地区2008年6月12日14：00个例，设计了5种试验对LAPS融合的云量场进行分析。结果表明：LAPS云分析中，地面观测对云底结构起主要订正作用，雷达观测对云中、低部信息起主要订正作用，而卫星云图数据对云顶分布订正效果显著，卫星资料是获得客观三维云量场不可或缺的数据。
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