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中国气象局2016年 第27卷 第3期
摘要
PDF 794KB
2016, 27(3): 257-272.
DOI: 10.11898/1001-7313.20160301
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摘要:
基于雷达资料快速更新四维变分同化 (RR4DVar) 技术和三维数值云模式，初步研发了一个针对对流尺度数值模拟的快速更新雷达四维变分分析系统。系统通过对京津冀6部多普勒天气雷达资料进行RR4DVar同化，并融合5 min自动气象站观测和中尺度数值模式结果，可快速分析得到12~18 min更新的低层大气三维动力、热力场的对流尺度结构特征。针对2009年7月22日发生在京津冀的一次强风暴个例，通过一系列敏感性试验，并利用局地加密资料进行检验对比，表明有效的雷达资料RR4DVar同化及自动气象站和中尺度模式资料融合方案、恰当的中尺度背景场设置和动力约束方法是获得合理结果的关键。研究也表明：恰当的系统配置能够模拟出与对流生消发展密切相关的近风暴环境特征，包括低层入流、垂直风切变、低层辐合上升和暖舌等，以及风暴自身形成的冷池、出流等与风暴演变密切相关的对流尺度结构。
基于雷达资料快速更新四维变分同化 (RR4DVar) 技术和三维数值云模式，初步研发了一个针对对流尺度数值模拟的快速更新雷达四维变分分析系统。系统通过对京津冀6部多普勒天气雷达资料进行RR4DVar同化，并融合5 min自动气象站观测和中尺度数值模式结果，可快速分析得到12~18 min更新的低层大气三维动力、热力场的对流尺度结构特征。针对2009年7月22日发生在京津冀的一次强风暴个例，通过一系列敏感性试验，并利用局地加密资料进行检验对比，表明有效的雷达资料RR4DVar同化及自动气象站和中尺度模式资料融合方案、恰当的中尺度背景场设置和动力约束方法是获得合理结果的关键。研究也表明：恰当的系统配置能够模拟出与对流生消发展密切相关的近风暴环境特征，包括低层入流、垂直风切变、低层辐合上升和暖舌等，以及风暴自身形成的冷池、出流等与风暴演变密切相关的对流尺度结构。
2016, 27(3): 273-284.
DOI: 10.11898/1001-7313.20160302
摘要:
利用代表南海夏季风季节内振荡特征的850 hPa纬向风EOF分解的前两个主成分，定义南海夏季风季节内振荡指数，并利用美国国家环境预测中心第2代气候预报系统 (NCEP Climate Forecast System Version 2, NCEP/CFSv2) 提供的1982—2009年逐日回算预报场计算了南海夏季风季节内振荡指数的预报值，用于我国南方地区持续性强降水的预报试验。试验结果表明：利用南海夏季风季节内振荡实时监测指数与模式直接预报降水量相结合的统计动力延伸预报方法，能够有效提高季节内降水分量的预报效果。同时，该方法能够避免末端数据损失，修正了对模式预报降水直接进行带通滤波而导致的负相关现象，并起到消除模式系统误差的作用。
利用代表南海夏季风季节内振荡特征的850 hPa纬向风EOF分解的前两个主成分，定义南海夏季风季节内振荡指数，并利用美国国家环境预测中心第2代气候预报系统 (NCEP Climate Forecast System Version 2, NCEP/CFSv2) 提供的1982—2009年逐日回算预报场计算了南海夏季风季节内振荡指数的预报值，用于我国南方地区持续性强降水的预报试验。试验结果表明：利用南海夏季风季节内振荡实时监测指数与模式直接预报降水量相结合的统计动力延伸预报方法，能够有效提高季节内降水分量的预报效果。同时，该方法能够避免末端数据损失，修正了对模式预报降水直接进行带通滤波而导致的负相关现象，并起到消除模式系统误差的作用。
2016, 27(3): 285-292.
DOI: 10.11898/1001-7313.20160303
摘要:
利用国家气候中心第2代季节气候预测模式BCC_CSM1.1(m) 的1991—2010年每年2月起报的历史回算资料集，考察模式对于5个夏季风指数的预测能力，并通过发展基于经验正交函数分解与相似分析的EOF-相似误差订正方法，对5个夏季风指数的模式预测进行再修正。交叉检验和独立样本检验结果表明：该模式对1991—2010年东亚夏季风指数与西北太平洋夏季风指数预测技巧较高；EOF-相似误差订正方法适用于模式预测技巧较低的指数，这些指数经订正后预测效果均有不同程度改进，而预测技巧较高的夏季风指数经订正后改进效果不明显；在交叉检验中，线性部分订正多优于非线性部分订正效果，而对于独立试报的年份，非线性部分订正多优于线性部分订正效果，显示出良好的应用前景。
利用国家气候中心第2代季节气候预测模式BCC_CSM1.1(m) 的1991—2010年每年2月起报的历史回算资料集，考察模式对于5个夏季风指数的预测能力，并通过发展基于经验正交函数分解与相似分析的EOF-相似误差订正方法，对5个夏季风指数的模式预测进行再修正。交叉检验和独立样本检验结果表明：该模式对1991—2010年东亚夏季风指数与西北太平洋夏季风指数预测技巧较高；EOF-相似误差订正方法适用于模式预测技巧较低的指数，这些指数经订正后预测效果均有不同程度改进，而预测技巧较高的夏季风指数经订正后改进效果不明显；在交叉检验中，线性部分订正多优于非线性部分订正效果，而对于独立试报的年份，非线性部分订正多优于线性部分订正效果，显示出良好的应用前景。
2016, 27(3): 293-302.
DOI: 10.11898/1001-7313.20160304
摘要:
采用1958—2011年NCEP/NCAR再分析资料以及ERSST海温资料，分析热带西太平洋夏季对流10~30 d振荡对南海夏季风的影响。在年际变化尺度上，热带西北太平洋夏季10~30 d振荡强度指数 (TWPI) 与南海夏季风强度有很好的正相关关系。在TWPI增强年份，海温主要呈El Niño分布，南海周边区域增强的异常西风产生强的正涡度切变，导致异常气旋性环流，为季风槽的增强提供了热量和水汽，从而增强南海夏季风强度。反之，在TWPI减弱年份，海温主要呈La Niña分布，南海夏季风强度减弱。在不同的年代际背景下，垂直切变和水汽-对流的总体变化是影响TWPI总体变化的重要因子，但不能影响南海夏季风强度的总体变化。海陆热力对比的总体变化是导致南海夏季风强度总体变化的主要影响因素。
采用1958—2011年NCEP/NCAR再分析资料以及ERSST海温资料，分析热带西太平洋夏季对流10~30 d振荡对南海夏季风的影响。在年际变化尺度上，热带西北太平洋夏季10~30 d振荡强度指数 (TWPI) 与南海夏季风强度有很好的正相关关系。在TWPI增强年份，海温主要呈El Niño分布，南海周边区域增强的异常西风产生强的正涡度切变，导致异常气旋性环流，为季风槽的增强提供了热量和水汽，从而增强南海夏季风强度。反之，在TWPI减弱年份，海温主要呈La Niña分布，南海夏季风强度减弱。在不同的年代际背景下，垂直切变和水汽-对流的总体变化是影响TWPI总体变化的重要因子，但不能影响南海夏季风强度的总体变化。海陆热力对比的总体变化是导致南海夏季风强度总体变化的主要影响因素。
2016, 27(3): 303-311.
DOI: 10.11898/1001-7313.20160305
摘要:
基于2008年9月—2010年9月河北固城生态与农业气象试验站多轴差分吸收光谱仪 (multi-axis differential optical absorption spectroscopy, MAX-DOAS) 获得的太阳散射光谱观测，反演计算该地区NO2对流层柱浓度，分析其季节、日变化特征以及不同来源输送的影响，并与同期NO2地面观测资料和卫星产品进行对比分析。发现固城站NO2对流层柱浓度冬高 (5.14×1016 cm-2) 夏低 (1.28×1016 cm-2)；日变化形态在四季均呈现中午低、傍晚高的特征，且冬季最明显。与北京城市区域同期的观测相比，冬季固城站观测值略低，而在春、夏季则偏低较显著。地面风玫瑰图分析显示，来自SW, SSW, NE方向及ENE方向的污染输送对其贡献最大。与地面、卫星NO2观测的对比表明，MAX-DOAS反演的NO2柱浓度与地面观测浓度具有一致的季节和日变化特征，卫星反演的NO2对流层柱浓度产品在华北平原农村地区存在系统性低估。
基于2008年9月—2010年9月河北固城生态与农业气象试验站多轴差分吸收光谱仪 (multi-axis differential optical absorption spectroscopy, MAX-DOAS) 获得的太阳散射光谱观测，反演计算该地区NO2对流层柱浓度，分析其季节、日变化特征以及不同来源输送的影响，并与同期NO2地面观测资料和卫星产品进行对比分析。发现固城站NO2对流层柱浓度冬高 (5.14×1016 cm-2) 夏低 (1.28×1016 cm-2)；日变化形态在四季均呈现中午低、傍晚高的特征，且冬季最明显。与北京城市区域同期的观测相比，冬季固城站观测值略低，而在春、夏季则偏低较显著。地面风玫瑰图分析显示，来自SW, SSW, NE方向及ENE方向的污染输送对其贡献最大。与地面、卫星NO2观测的对比表明，MAX-DOAS反演的NO2柱浓度与地面观测浓度具有一致的季节和日变化特征，卫星反演的NO2对流层柱浓度产品在华北平原农村地区存在系统性低估。
2016, 27(3): 312-322.
DOI: 10.11898/1001-7313.20160306
摘要:
不同于体扫雷达探测降水系统，垂直指向雷达可探测降水云中粒子垂直演变的微物理过程。C波段调频连续波垂直指向雷达 (C-FMCW) 采用收发分置天线，数据垂直分辨率达15~30 m，时间分辨率达2~3 s，利用其2013年6—8月在安徽定远探测数据对降水云垂直结构特征及亮带中融化微物理过程进行研究。6次降水过程共计46 h中的39.1%数据具有清晰的亮带结构特征，期间降水占地面总降水量的15%；江淮雨季层状云、对流云和混合性降水系统中均出现零度层亮带，层状云中亮带长时间维持，对流降水系统移出后减弱阶段的亮带结构稳定，混合降水系统中的对流扰动加强冲破了亮带结构。以融化层中最大回波强度Zp所在高度进行融化层的粒子碰并增长和破碎减弱分层分析，上半层融化过程主要表现为碰并增长，下半层则是粒子破碎减弱。剔除了介电常数、下降速度引起的粒子浓度改变影响后，层状云和对流降水后期的回波强度加强表明融化增长程度接近，后者略强，混合降水云的融化增长最强。
不同于体扫雷达探测降水系统，垂直指向雷达可探测降水云中粒子垂直演变的微物理过程。C波段调频连续波垂直指向雷达 (C-FMCW) 采用收发分置天线，数据垂直分辨率达15~30 m，时间分辨率达2~3 s，利用其2013年6—8月在安徽定远探测数据对降水云垂直结构特征及亮带中融化微物理过程进行研究。6次降水过程共计46 h中的39.1%数据具有清晰的亮带结构特征，期间降水占地面总降水量的15%；江淮雨季层状云、对流云和混合性降水系统中均出现零度层亮带，层状云中亮带长时间维持，对流降水系统移出后减弱阶段的亮带结构稳定，混合降水系统中的对流扰动加强冲破了亮带结构。以融化层中最大回波强度Zp所在高度进行融化层的粒子碰并增长和破碎减弱分层分析，上半层融化过程主要表现为碰并增长，下半层则是粒子破碎减弱。剔除了介电常数、下降速度引起的粒子浓度改变影响后，层状云和对流降水后期的回波强度加强表明融化增长程度接近，后者略强，混合降水云的融化增长最强。
2016, 27(3): 323-333.
DOI: 10.11898/1001-7313.20160307
摘要:
利用北京延庆站风廓线雷达水平风廓线资料进行大气温度平流的反演，详细分析2014年11月15日夜间冷空气入侵过程，并统计分析2015年9—11月6次冷空气入侵过程，同T639L60模式的预报风场及温度平流预报产品进行对比。结果表明：在一定预报时效内 (约6~12 h)，风廓线雷达获取的水平风廓线与模式给出的预报风场有较好的一致性；由风廓线雷达反演的温度平流与模式给出的温度平流量级相同，温度平流属性一致；风廓线雷达6 min完成1次垂直高度分辨率为120 m的探测，高时空分辨率使风廓线雷达获取的温度平流较T639L60模式更能反映大气温度平流的细节。
利用北京延庆站风廓线雷达水平风廓线资料进行大气温度平流的反演，详细分析2014年11月15日夜间冷空气入侵过程，并统计分析2015年9—11月6次冷空气入侵过程，同T639L60模式的预报风场及温度平流预报产品进行对比。结果表明：在一定预报时效内 (约6~12 h)，风廓线雷达获取的水平风廓线与模式给出的预报风场有较好的一致性；由风廓线雷达反演的温度平流与模式给出的温度平流量级相同，温度平流属性一致；风廓线雷达6 min完成1次垂直高度分辨率为120 m的探测，高时空分辨率使风廓线雷达获取的温度平流较T639L60模式更能反映大气温度平流的细节。
2016, 27(3): 334-341.
DOI: 10.11898/1001-7313.20160308
摘要:
利用常规观测、珠江三角洲区域自动气象站、广州多普勒天气雷达、深圳机场风廓线雷达及NCEP/NCAR等资料对2015年5月11日下午发生在深圳宝安机场附近的一次龙卷天气过程进行分析。结果表明：这次龙卷发生在500 hPa槽前、850 hPa切变线南侧以及地面冷锋的暖区一侧，上干冷、下暖湿的结构加剧了条件不稳定，环境对流有效位能很大，风垂直切变强，水汽丰富；产生龙卷的回波快速演变为逗点回波，出现钩状回波，龙卷发生在钩状回波内侧的弱回波区附近；与之对应的中气旋旋转速度不断加大，半径减小，并向低层发展。
利用常规观测、珠江三角洲区域自动气象站、广州多普勒天气雷达、深圳机场风廓线雷达及NCEP/NCAR等资料对2015年5月11日下午发生在深圳宝安机场附近的一次龙卷天气过程进行分析。结果表明：这次龙卷发生在500 hPa槽前、850 hPa切变线南侧以及地面冷锋的暖区一侧，上干冷、下暖湿的结构加剧了条件不稳定，环境对流有效位能很大，风垂直切变强，水汽丰富；产生龙卷的回波快速演变为逗点回波，出现钩状回波，龙卷发生在钩状回波内侧的弱回波区附近；与之对应的中气旋旋转速度不断加大，半径减小，并向低层发展。
2016, 27(3): 342-351.
DOI: 10.11898/1001-7313.20160309
摘要:
应用河北省石家庄新乐CINRAD-SA雷达资料对2006—2008年河北省中南部地区262个站雷暴大风的雷达回波特征进行统计。分析发现, 雷暴大风的主要雷达回波特征有弓形回波、阵风锋和径向速度大值区，出现其中一个或多个特征均可发布雷暴大风预警。根据以上雷达回波特征能够对66%的雷暴大风发布预警，34%的雷暴大风仅仅依据雷达资料无法预警，其中孤立块状回波占39%，带状回波占61%。弓形回波仅占雷暴大风的19.8%，能够观测到的阵风锋回波仅占16.8%，65.3%的雷暴大风观测到径向速度大值区，径向速度大值区是雷暴大风最重要的雷达回波特征。径向速度大值区的形成一般早于弓形回波和阵风锋回波，依据径向速度大值区可更早发布雷暴大风预警。
应用河北省石家庄新乐CINRAD-SA雷达资料对2006—2008年河北省中南部地区262个站雷暴大风的雷达回波特征进行统计。分析发现, 雷暴大风的主要雷达回波特征有弓形回波、阵风锋和径向速度大值区，出现其中一个或多个特征均可发布雷暴大风预警。根据以上雷达回波特征能够对66%的雷暴大风发布预警，34%的雷暴大风仅仅依据雷达资料无法预警，其中孤立块状回波占39%，带状回波占61%。弓形回波仅占雷暴大风的19.8%，能够观测到的阵风锋回波仅占16.8%，65.3%的雷暴大风观测到径向速度大值区，径向速度大值区是雷暴大风最重要的雷达回波特征。径向速度大值区的形成一般早于弓形回波和阵风锋回波，依据径向速度大值区可更早发布雷暴大风预警。
2016, 27(3): 352-360.
DOI: 10.11898/1001-7313.20160310
摘要:
根据年平均寒积温水平，将东北地区的玉米冷害分成4个区域。在分析各冷害区域年寒积温距平与年减产率关系的基础上，确定东北地区各地无冷害影响年、一般冷害年、严重冷害年的年寒积温距平指标。将危险度、脆弱度和暴露度作为冷害风险的评估因子，建立了冷害风险评估指标体系，并应用层次分析法对各指标赋予权重。建立了冷害危险度与年平均寒积温的回归方程，利用地理因子构建了年平均寒积温空间格点化模型，应用地理信息系统推算东北地区玉米冷害危险度，由危险度、脆弱度和暴露度得到我国东北地区玉米冷害风险指数，并开展风险评估。结果表明：东北地区的玉米冷害风险空间分布呈北侧和南部低、东部中等、西部高，松嫩平原东北部和西北部以及吉林省中北部主要为较高或高风险区，三江平原主要为中等风险区，黑龙江省北部、吉林省东南部和辽宁省主要为较低或低风险区。
根据年平均寒积温水平，将东北地区的玉米冷害分成4个区域。在分析各冷害区域年寒积温距平与年减产率关系的基础上，确定东北地区各地无冷害影响年、一般冷害年、严重冷害年的年寒积温距平指标。将危险度、脆弱度和暴露度作为冷害风险的评估因子，建立了冷害风险评估指标体系，并应用层次分析法对各指标赋予权重。建立了冷害危险度与年平均寒积温的回归方程，利用地理因子构建了年平均寒积温空间格点化模型，应用地理信息系统推算东北地区玉米冷害危险度，由危险度、脆弱度和暴露度得到我国东北地区玉米冷害风险指数，并开展风险评估。结果表明：东北地区的玉米冷害风险空间分布呈北侧和南部低、东部中等、西部高，松嫩平原东北部和西北部以及吉林省中北部主要为较高或高风险区，三江平原主要为中等风险区，黑龙江省北部、吉林省东南部和辽宁省主要为较低或低风险区。
2016, 27(3): 361-369.
DOI: 10.11898/1001-7313.20160311
摘要:
考虑到下行负极性地闪过程中大多上行正先导发展时不分叉的观测事实，基于已有的闪电先导二维随机模式，改变上行正先导的模拟方案，使其发展时不产生分叉，并对雷击高建筑物过程中下行先导与上行连接先导 (upward connecting leader，UCL) 之间头部-头部连接和头部-侧面连接 (侧击) 的两种形态进行模拟。以高度为440 m的建筑物为例，通过改变下行先导始发点 (高度为1000 m) 与高建筑物的水平距离，模拟高建筑物上雷击过程中先导之间的连接过程，结果表明：当下行先导始发点与高建筑物的水平距离从0增加到700 m时，UCL的长度呈持续增大趋势，UCL受侧击的概率总体上呈先增大后减小的趋势 (在距离为500 m时达到最大值58%)，侧击时UCL连接点以上的部分占整个UCL长度的比例总体呈持续增大趋势 (13%~49%)。
考虑到下行负极性地闪过程中大多上行正先导发展时不分叉的观测事实，基于已有的闪电先导二维随机模式，改变上行正先导的模拟方案，使其发展时不产生分叉，并对雷击高建筑物过程中下行先导与上行连接先导 (upward connecting leader，UCL) 之间头部-头部连接和头部-侧面连接 (侧击) 的两种形态进行模拟。以高度为440 m的建筑物为例，通过改变下行先导始发点 (高度为1000 m) 与高建筑物的水平距离，模拟高建筑物上雷击过程中先导之间的连接过程，结果表明：当下行先导始发点与高建筑物的水平距离从0增加到700 m时，UCL的长度呈持续增大趋势，UCL受侧击的概率总体上呈先增大后减小的趋势 (在距离为500 m时达到最大值58%)，侧击时UCL连接点以上的部分占整个UCL长度的比例总体呈持续增大趋势 (13%~49%)。
2016, 27(3): 370-379.
DOI: 10.11898/1001-7313.20160312
摘要:
为了确定现有相对湿度自动观测与人工观测数据是否具有可比较性以及它们之间的偏差情况，利用全国保留人工观测的8个国家基准气候站2007—2013年的自动与人工观测相对湿度的整点资料进行比对分析，结果表明：自动气象站相对湿度的观测结果系统性低于人工观测结果，且随着相对湿度增加，两者系统偏差增大，系统偏差为-5.69%~-0.1%，标准偏差为2.02%~4.71%；夏季自动观测与人工观测相对湿度的差异最大且与环境风速有关，在低风速下自动观测与人工观测差异较大，随着风速增大，差异逐渐减小；气温对相对湿度观测也有一定影响；两类观测逐小时数据未见明显的时间差异；自动观测与人工观测相对湿度偏差，清晨相对湿度较高时高湿地区台站偏差较大，下午相对湿度低时偏差较小。
为了确定现有相对湿度自动观测与人工观测数据是否具有可比较性以及它们之间的偏差情况，利用全国保留人工观测的8个国家基准气候站2007—2013年的自动与人工观测相对湿度的整点资料进行比对分析，结果表明：自动气象站相对湿度的观测结果系统性低于人工观测结果，且随着相对湿度增加，两者系统偏差增大，系统偏差为-5.69%~-0.1%，标准偏差为2.02%~4.71%；夏季自动观测与人工观测相对湿度的差异最大且与环境风速有关，在低风速下自动观测与人工观测差异较大，随着风速增大，差异逐渐减小；气温对相对湿度观测也有一定影响；两类观测逐小时数据未见明显的时间差异；自动观测与人工观测相对湿度偏差，清晨相对湿度较高时高湿地区台站偏差较大，下午相对湿度低时偏差较小。
2016, 27(3): 380-384.
DOI: 10.11898/1001-7313.20160313
摘要:
利用CRTM (Community Radiative Transfer Model) 快速辐射传输模式对NOAA-K系列卫星的AMSU-A通道亮温进行正演模拟，重点研究云粒子类型、云高、云厚度等云参数对微波亮温模拟的影响。结果表明：改变云粒子类型时，云水和雨水对模拟亮温影响较大，模拟亮温值比晴空高1 K；霰、雪、冰、雹等固态粒子对模拟亮温的影响较小，模拟亮温值略低于晴空无云情况；云层光学厚度较大时，各通道亮温受云层影响的情况取决于权重函数峰值高度和云顶高度的配置；多个高度存在云时，若最上层云较厚 (2 km)，光学厚度大，相应通道亮温取决于最上层云，较低层云对亮温不产生影响；云层变薄，光学厚度减小，高度低于云层或略高于云顶的通道亮温随云层厚度的变化明显，若通道高度远高于云顶，云层厚度的变化对于其亮温模拟的影响很小。
利用CRTM (Community Radiative Transfer Model) 快速辐射传输模式对NOAA-K系列卫星的AMSU-A通道亮温进行正演模拟，重点研究云粒子类型、云高、云厚度等云参数对微波亮温模拟的影响。结果表明：改变云粒子类型时，云水和雨水对模拟亮温影响较大，模拟亮温值比晴空高1 K；霰、雪、冰、雹等固态粒子对模拟亮温的影响较小，模拟亮温值略低于晴空无云情况；云层光学厚度较大时，各通道亮温受云层影响的情况取决于权重函数峰值高度和云顶高度的配置；多个高度存在云时，若最上层云较厚 (2 km)，光学厚度大，相应通道亮温取决于最上层云，较低层云对亮温不产生影响；云层变薄，光学厚度减小，高度低于云层或略高于云顶的通道亮温随云层厚度的变化明显，若通道高度远高于云顶，云层厚度的变化对于其亮温模拟的影响很小。
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