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中国气象局2014年 第25卷 第5期
摘要
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2014, 25(5): 513-526
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摘要:
反极性电荷结构是强风暴系统中一种常见的电荷结构配置，它是强风暴中正地闪大量发生的重要原因之一，同时也往往与灾害性天气相联系。人们对云内电荷结构的认识随电场探空、多种地面观测手段的发展而深入。反极性电荷结构并非在强风暴的起始阶段就出现，而存在一个演变过程，出现在风暴发展的特定阶段。宽广强烈的上升气流被认为在反极性电荷结构的形成中起关键作用，它使得上升气流区液态水含量等微物理条件发生改变，进而影响大小粒子碰撞的起电过程，使风暴内主要起电区霰粒子荷正电，冰晶等粒子荷负电，从而形成反极性电荷结构。强风暴中气流的动力输送、风切变等也被认为是反极性电荷结构形成的可能原因。利用数值模式，在真实的气象背景场下再现强风暴的反极性电荷结构演变特征和闪电活动特征，也是研究反极性结构形成的有效途径之一。针对正地闪大量发生的强风暴开展大规模外场观测试验，并将观测结果与数值模拟相结合，将有利于理解强风暴中反极性电荷结构的形成及其与闪电活动特征的关系。
反极性电荷结构是强风暴系统中一种常见的电荷结构配置，它是强风暴中正地闪大量发生的重要原因之一，同时也往往与灾害性天气相联系。人们对云内电荷结构的认识随电场探空、多种地面观测手段的发展而深入。反极性电荷结构并非在强风暴的起始阶段就出现，而存在一个演变过程，出现在风暴发展的特定阶段。宽广强烈的上升气流被认为在反极性电荷结构的形成中起关键作用，它使得上升气流区液态水含量等微物理条件发生改变，进而影响大小粒子碰撞的起电过程，使风暴内主要起电区霰粒子荷正电，冰晶等粒子荷负电，从而形成反极性电荷结构。强风暴中气流的动力输送、风切变等也被认为是反极性电荷结构形成的可能原因。利用数值模式，在真实的气象背景场下再现强风暴的反极性电荷结构演变特征和闪电活动特征，也是研究反极性结构形成的有效途径之一。针对正地闪大量发生的强风暴开展大规模外场观测试验，并将观测结果与数值模拟相结合，将有利于理解强风暴中反极性电荷结构的形成及其与闪电活动特征的关系。
2014, 25(5): 527-537
摘要:
利用1948—2012年NCEP/NCAR逐日再分析风场资料，对亚洲两个热带夏季风子系统 (南亚夏季风和东亚热带夏季风) 边界进行划分。根据所得出的边界提出了亚洲两大热带夏季风子系统分界域的观点，定义偏向指数来确定两大热带夏季风子系统边界的偏向；通过对比，确定出边界在纬向上的变动较大的区域，并以确定的变动较大的纬度区域来研究亚洲两大热带夏季风分界域的变化规律；最后通过边界指标刻画出季风强度的变化情况，分析其关键环流特征。选取涡度作为边界的确定指标，边界的变动可以分为东部型、中部型、西部型。根据边界的振幅情况选取10°~17.5°N作为主要研究区域，由边界指标定义的夏季风指数得出，亚洲两大热带夏季风子系统强度的一致性变化占主导地位，其次为反相变化。
利用1948—2012年NCEP/NCAR逐日再分析风场资料，对亚洲两个热带夏季风子系统 (南亚夏季风和东亚热带夏季风) 边界进行划分。根据所得出的边界提出了亚洲两大热带夏季风子系统分界域的观点，定义偏向指数来确定两大热带夏季风子系统边界的偏向；通过对比，确定出边界在纬向上的变动较大的区域，并以确定的变动较大的纬度区域来研究亚洲两大热带夏季风分界域的变化规律；最后通过边界指标刻画出季风强度的变化情况，分析其关键环流特征。选取涡度作为边界的确定指标，边界的变动可以分为东部型、中部型、西部型。根据边界的振幅情况选取10°~17.5°N作为主要研究区域，由边界指标定义的夏季风指数得出，亚洲两大热带夏季风子系统强度的一致性变化占主导地位，其次为反相变化。
2014, 25(5): 538-549
摘要:
基于地面加密观测资料、FY-2E静止气象卫星观测资料和NCEP分析资料，选取2010—2012年华北区域内27次冰雹过程，按大气环流背景、主要影响系统和云系的云型特征等将其分为冷涡云系尾部型、低涡槽前型和偏北气流控制型3种类型。分析结果表明：3种天气型下冰雹对流云系特征存在差异，但90%以上的冰雹过程发生在对流云团的快速发展阶段中，降雹集中出现于准圆形或椭圆形对流云团边缘或带状对流云系的传播前沿区域，对应于云顶亮温梯度的大值区。在掌握背景环境的前提下，综合分析红外图像中对流系统的发展演变、水汽图像暗带和暗区变化等信息，对冰雹的监测和预警有一定的参考价值。定量统计分析表明，大的亮温梯度值 (不低于8 ℃/0.05°) 是辅助判断冰雹能否发生的重要参量，而当冰雹云同时具备低云顶亮温和大亮温梯度的情况下，更有利于大于10 mm大冰雹的发生。
基于地面加密观测资料、FY-2E静止气象卫星观测资料和NCEP分析资料，选取2010—2012年华北区域内27次冰雹过程，按大气环流背景、主要影响系统和云系的云型特征等将其分为冷涡云系尾部型、低涡槽前型和偏北气流控制型3种类型。分析结果表明：3种天气型下冰雹对流云系特征存在差异，但90%以上的冰雹过程发生在对流云团的快速发展阶段中，降雹集中出现于准圆形或椭圆形对流云团边缘或带状对流云系的传播前沿区域，对应于云顶亮温梯度的大值区。在掌握背景环境的前提下，综合分析红外图像中对流系统的发展演变、水汽图像暗带和暗区变化等信息，对冰雹的监测和预警有一定的参考价值。定量统计分析表明，大的亮温梯度值 (不低于8 ℃/0.05°) 是辅助判断冰雹能否发生的重要参量，而当冰雹云同时具备低云顶亮温和大亮温梯度的情况下，更有利于大于10 mm大冰雹的发生。
2014, 25(5): 550-558
摘要:
近几年，我国西南地区干旱频繁发生，严重影响农业生产。为了探讨干旱和水稻产量之间关系的复杂性，采用中国气象局国家气象信息中心提供的西南地区348个站气象数据，计算了西南地区干旱的变化趋势，并利用2000—2011年贵州省县级水稻产量资料分析了干旱对水稻单产的影响，探讨了干旱、水资源灌溉以及水稻产量之间的关系。结果表明：1951—2012年西南地区降水量平均减少16.9 mm/10 a，特别是8—10月降水量明显减少。同时，西南地区干旱日数呈上升趋势，平均增加3.3 d/10 a。对比水稻产量发现，当累计干旱日数少于40 d时，干旱对水稻产量一般不会造成影响；当累计干旱日数超过86 d时，干旱造成水稻减产20%~73%，这意味着当累计干旱日数超过3个月时，江河塘库蓄水将受到影响，进而影响水稻的灌溉，造成水稻严重减产；当累计干旱日数为40~86 d时，水稻减产一般少于20%，但地区差异较大。
近几年，我国西南地区干旱频繁发生，严重影响农业生产。为了探讨干旱和水稻产量之间关系的复杂性，采用中国气象局国家气象信息中心提供的西南地区348个站气象数据，计算了西南地区干旱的变化趋势，并利用2000—2011年贵州省县级水稻产量资料分析了干旱对水稻单产的影响，探讨了干旱、水资源灌溉以及水稻产量之间的关系。结果表明：1951—2012年西南地区降水量平均减少16.9 mm/10 a，特别是8—10月降水量明显减少。同时，西南地区干旱日数呈上升趋势，平均增加3.3 d/10 a。对比水稻产量发现，当累计干旱日数少于40 d时，干旱对水稻产量一般不会造成影响；当累计干旱日数超过86 d时，干旱造成水稻减产20%~73%，这意味着当累计干旱日数超过3个月时，江河塘库蓄水将受到影响，进而影响水稻的灌溉，造成水稻严重减产；当累计干旱日数为40~86 d时，水稻减产一般少于20%，但地区差异较大。
2014, 25(5): 559-569
摘要:
利用2008—2012年北京城区平均5 km的高密度自动气象站逐时观测数据，分析了北京城区近地面比湿、风向和风速的时空精细分布特征，初步探究了城市下垫面对局地气象要素的影响机制。研究表明：夏季白天北京城区为干岛，冬季城区表现为弱湿岛特征。受城市效应的影响，北京城区与郊区比湿日变化有明显差异。近地面10 m风受到地形、城市和季节性盛行风的共同影响。当气流经过城区时有明显的绕流现象。夏季05：00—10：00 (北京时，下同)，受山风、弱的夏季偏南风和城市热岛共同作用，气流向城市中心辐合。冬季15：00—19:00，受季节盛行风偏北气流和谷风偏南气流的共同作用，在城区形成一条西北—东南走向的辐合线。对风速研究发现：城市粗糙下垫面使北京城区风速减小，二环路和三环路之间存在一条“n”状的风速小值带。由此可见，除已开展较多研究的城市热岛效应外，北京城市效应对近地面湿度和风场亦有显著影响。
利用2008—2012年北京城区平均5 km的高密度自动气象站逐时观测数据，分析了北京城区近地面比湿、风向和风速的时空精细分布特征，初步探究了城市下垫面对局地气象要素的影响机制。研究表明：夏季白天北京城区为干岛，冬季城区表现为弱湿岛特征。受城市效应的影响，北京城区与郊区比湿日变化有明显差异。近地面10 m风受到地形、城市和季节性盛行风的共同影响。当气流经过城区时有明显的绕流现象。夏季05：00—10：00 (北京时，下同)，受山风、弱的夏季偏南风和城市热岛共同作用，气流向城市中心辐合。冬季15：00—19:00，受季节盛行风偏北气流和谷风偏南气流的共同作用，在城区形成一条西北—东南走向的辐合线。对风速研究发现：城市粗糙下垫面使北京城区风速减小，二环路和三环路之间存在一条“n”状的风速小值带。由此可见，除已开展较多研究的城市热岛效应外，北京城市效应对近地面湿度和风场亦有显著影响。
2014, 25(5): 570-580
摘要:
在降水条件下，风廓线雷达返回信号是湍流信号和降水信号的叠加，其功率谱数据中通常会出现双峰结构。该文通过双高斯拟合方法区分大气湍流信号功率谱和降水信号功率谱，去除大气湍流对降水信号谱的影响，反演得到较为精确的雨滴谱分布。研究表明:在风廓线雷达估算雨滴谱的过程中，双高斯拟合可将两峰有效分离，利用处理后的降水谱反演得到的雨滴谱均呈指数分布。选取北京延庆地区2006年和2012年具有代表性的降水资料，对比反演得到的不同强度和不同类型降雨的雨滴谱资料显示，这种估算雨滴谱的方法可行且可靠，利用双高斯拟合将双峰分离，可以达到风廓线雷达数据质量控制的目的，对于风廓线雷达在更为复杂的天气条件下应用具有借鉴意义。
在降水条件下，风廓线雷达返回信号是湍流信号和降水信号的叠加，其功率谱数据中通常会出现双峰结构。该文通过双高斯拟合方法区分大气湍流信号功率谱和降水信号功率谱，去除大气湍流对降水信号谱的影响，反演得到较为精确的雨滴谱分布。研究表明:在风廓线雷达估算雨滴谱的过程中，双高斯拟合可将两峰有效分离，利用处理后的降水谱反演得到的雨滴谱均呈指数分布。选取北京延庆地区2006年和2012年具有代表性的降水资料，对比反演得到的不同强度和不同类型降雨的雨滴谱资料显示，这种估算雨滴谱的方法可行且可靠，利用双高斯拟合将双峰分离，可以达到风廓线雷达数据质量控制的目的，对于风廓线雷达在更为复杂的天气条件下应用具有借鉴意义。
2014, 25(5): 581-591
摘要:
随着多核计算技术的发展，基于多核处理器的集群系统逐渐成为主流架构。为适应这种既有分布式又有共享内存的硬件体系架构，使用MPI与OpenMP混合编程模型，可以实现节点间和节点内两级并行，利用消息传递与共享并行处理两种编程方式，MPI用于节点间通信，OpenMP用于节点内并行计算。该文采用MPI与OpenMP混合并行模型，使用区域分解并行和循环并行两种方法，对GRAPES全球模式进行MPI与OpenMP混合并行方案设计和优化。试验结果表明：MPI与OpenMP混合并行方法可以在MPI并行的基础上提高模式的并行度，在计算核数相同的情况下，4个线程内的MPI与OpenMP混合并行方案比单一MPI方案效果好，但在线程数量大于4时，并行效果显著下降。
随着多核计算技术的发展，基于多核处理器的集群系统逐渐成为主流架构。为适应这种既有分布式又有共享内存的硬件体系架构，使用MPI与OpenMP混合编程模型，可以实现节点间和节点内两级并行，利用消息传递与共享并行处理两种编程方式，MPI用于节点间通信，OpenMP用于节点内并行计算。该文采用MPI与OpenMP混合并行模型，使用区域分解并行和循环并行两种方法，对GRAPES全球模式进行MPI与OpenMP混合并行方案设计和优化。试验结果表明：MPI与OpenMP混合并行方法可以在MPI并行的基础上提高模式的并行度，在计算核数相同的情况下，4个线程内的MPI与OpenMP混合并行方案比单一MPI方案效果好，但在线程数量大于4时，并行效果显著下降。
2014, 25(5): 592-599
摘要:
针对风云二号气象卫星区域扫描模式下姿态求解问题，提出了分别基于区域观测图像、姿态预报和粗-精姿态关系模型3种不同的卫星姿态求解方法，并分析了它们的适用条件。利用FY-2E卫星获取的2013年7月8—14日的图像进行模拟分析，姿态计算结果表明：利用基于区域观测图像方法求解的姿态对区域观测云图进行定位，误差保持在2.5个红外像元以内，该方法适用于连续区域观测情况；利用基于预报的姿态求解方法对未来24 h内区域观测云图进行定位，平均误差达到1个红外像元，该方法适用于临时启动区域观测时前24 h的区域云图定位。利用粗-精姿态关系模型方法求解的姿态对区域观测云图进行定位，最大误差为4.9个红外像元，前24 h平均误差为3.6个红外像元，该方法可以在无精姿态数据时对区域观测图像进行应急定位。
针对风云二号气象卫星区域扫描模式下姿态求解问题，提出了分别基于区域观测图像、姿态预报和粗-精姿态关系模型3种不同的卫星姿态求解方法，并分析了它们的适用条件。利用FY-2E卫星获取的2013年7月8—14日的图像进行模拟分析，姿态计算结果表明：利用基于区域观测图像方法求解的姿态对区域观测云图进行定位，误差保持在2.5个红外像元以内，该方法适用于连续区域观测情况；利用基于预报的姿态求解方法对未来24 h内区域观测云图进行定位，平均误差达到1个红外像元，该方法适用于临时启动区域观测时前24 h的区域云图定位。利用粗-精姿态关系模型方法求解的姿态对区域观测云图进行定位，最大误差为4.9个红外像元，前24 h平均误差为3.6个红外像元，该方法可以在无精姿态数据时对区域观测图像进行应急定位。
2014, 25(5): 600-609
摘要:
卫星短波红外CO2遥感获得大气低层CO2浓度信息，已成为目前国际热点研究领域。结合气候变化及碳源、汇观测需求，利用高精度大气辐射传输模式研究了高光谱分辨率、高精度CO2探测目标的可实现性。针对高光谱CO2探测器光栅分光、阵列探测器特点，分析了光谱分辨率、光谱采样率等关键技术指标对CO2探测的可能影响；基于辐射敏感度因子分析了不同探测精度要求下的信噪比需求。结果表明：高光谱CO2探测器首先应具有足够高的光谱分辨率，以便从太阳反射连续谱段中分辨出CO2吸收线；为保证CO2光谱的准确性，光谱仪所用探测器面元应该保证光谱采样率大于2；尽管探测边界层内CO2浓度1%变化所要求的信噪比难以达到，但探测整层大气CO2浓度1%的变化所需要的信噪比是可以实现的。
卫星短波红外CO2遥感获得大气低层CO2浓度信息，已成为目前国际热点研究领域。结合气候变化及碳源、汇观测需求，利用高精度大气辐射传输模式研究了高光谱分辨率、高精度CO2探测目标的可实现性。针对高光谱CO2探测器光栅分光、阵列探测器特点，分析了光谱分辨率、光谱采样率等关键技术指标对CO2探测的可能影响；基于辐射敏感度因子分析了不同探测精度要求下的信噪比需求。结果表明：高光谱CO2探测器首先应具有足够高的光谱分辨率，以便从太阳反射连续谱段中分辨出CO2吸收线；为保证CO2光谱的准确性，光谱仪所用探测器面元应该保证光谱采样率大于2；尽管探测边界层内CO2浓度1%变化所要求的信噪比难以达到，但探测整层大气CO2浓度1%的变化所需要的信噪比是可以实现的。
2014, 25(5): 610-617
摘要:
双光路能见度测量系统是一种基于CCD (Charge-Coupled Device) 数字摄像和光在大气中衰减理论的能见度测量系统，首先设置远、近两个固定距离的特性相同的目标光源和背景装置，然后通过CCD拍摄所设置的目标光源和背景，拍摄的图像由1394数据线和图像采集卡传输到计算机，通过数字图像处理获取目标光源和背景的灰度信息，最终利用相应的算法计算能见度。试验表明：双光路能见度测量系统和透射式能见度仪对比偏差随能见度的升高而升高，而与前向散射式能见度仪对比偏差随能见度的升高有小幅降低，通过白天和夜晚数据对比可知，白天太阳光的影响已基本消除。
双光路能见度测量系统是一种基于CCD (Charge-Coupled Device) 数字摄像和光在大气中衰减理论的能见度测量系统，首先设置远、近两个固定距离的特性相同的目标光源和背景装置，然后通过CCD拍摄所设置的目标光源和背景，拍摄的图像由1394数据线和图像采集卡传输到计算机，通过数字图像处理获取目标光源和背景的灰度信息，最终利用相应的算法计算能见度。试验表明：双光路能见度测量系统和透射式能见度仪对比偏差随能见度的升高而升高，而与前向散射式能见度仪对比偏差随能见度的升高有小幅降低，通过白天和夜晚数据对比可知，白天太阳光的影响已基本消除。
2014, 25(5): 618-628
摘要:
云计算技术使用分布式的计算技术实现了并行计算的计算能力和计算效率，解决了单机服务器计算能力低的问题。基于长序列历史资料所计算得出的气候标准值对于气象领域实时业务、准实时业务及科学研究中均具有重要的意义。由于长序列历史资料数据量大、运算逻辑较复杂，在传统单节点计算平台上进行整编计算耗时非常长。该文基于Hadoop分布式计算框架搭建了集群模式的云计算平台，以长序列历史资料作为源数据，基于MapReduce计算模型实现了部分整编算法，提高计算时效。同时，由于数据源本身具有文件个数多、单个文件小等特点，对数据源存储形式及数据文件大小进行改造，分别利用SequenceFile方式及文本文件合并方式对同一种场景进行计算时效对比测试，分别测试了10个文件合并、100个文件合并两种情况，使时效性得到了更大程度的提升。
云计算技术使用分布式的计算技术实现了并行计算的计算能力和计算效率，解决了单机服务器计算能力低的问题。基于长序列历史资料所计算得出的气候标准值对于气象领域实时业务、准实时业务及科学研究中均具有重要的意义。由于长序列历史资料数据量大、运算逻辑较复杂，在传统单节点计算平台上进行整编计算耗时非常长。该文基于Hadoop分布式计算框架搭建了集群模式的云计算平台，以长序列历史资料作为源数据，基于MapReduce计算模型实现了部分整编算法，提高计算时效。同时，由于数据源本身具有文件个数多、单个文件小等特点，对数据源存储形式及数据文件大小进行改造，分别利用SequenceFile方式及文本文件合并方式对同一种场景进行计算时效对比测试，分别测试了10个文件合并、100个文件合并两种情况，使时效性得到了更大程度的提升。
2014, 25(5): 629-637
摘要:
为满足气象实时资料传输中大量气象数据小文件的高时效传输需求，对其中的数据传输服务进行优化，提出一种基于实时网络状况的自适应数据传输优化方法。该方法采用优化网络传输协议并使用文件压缩技术，通过获取网络传输线路上的实时参数，实时调整压缩参数和网络传输参数以优化传输性能。在自适应压缩时，通过试验分析和归纳，确立了气象数据小文件标准为文件小于50 KB；根据网络实时状况，设计了基于实时网络状况自适应调整压缩等级的算法。在自适应传输参数调优中，研究了TCP缓冲区大小和TCP并发连接数在GridFTP协议中的重要性，针对实时网络状况，分别设计了自适应调整TCP缓冲区大小和TCP并发连接数的算法，算法提升传输性能65%。对以上提出各自适应参数调整算法进行试验验证表明，融合压缩和网络传输的自适应调优方法能显著提升气象小数据文件的传输性能近500倍。
为满足气象实时资料传输中大量气象数据小文件的高时效传输需求，对其中的数据传输服务进行优化，提出一种基于实时网络状况的自适应数据传输优化方法。该方法采用优化网络传输协议并使用文件压缩技术，通过获取网络传输线路上的实时参数，实时调整压缩参数和网络传输参数以优化传输性能。在自适应压缩时，通过试验分析和归纳，确立了气象数据小文件标准为文件小于50 KB；根据网络实时状况，设计了基于实时网络状况自适应调整压缩等级的算法。在自适应传输参数调优中，研究了TCP缓冲区大小和TCP并发连接数在GridFTP协议中的重要性，针对实时网络状况，分别设计了自适应调整TCP缓冲区大小和TCP并发连接数的算法，算法提升传输性能65%。对以上提出各自适应参数调整算法进行试验验证表明，融合压缩和网络传输的自适应调优方法能显著提升气象小数据文件的传输性能近500倍。
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