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中国气象局2017年 第28卷 第4期
摘要
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2017, 28(4): 385-398.
DOI: 10.11898/1001-7313.20170401
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摘要:
该文研发了基于CREST V2.1分布式水文模型的暴雨致洪预报系统，应用中国气象局降水业务产品，开展全国0.125°×0.125°的逐日洪水预报和区域30"×30"的逐时洪水预报。其中，全国洪水预报以松花江、辽河、海河、黄河、淮河、长江、东南诸河、珠江、西南诸河和西北诸河十大水资源分区的典型流域为研究对象，区域洪水预报以淮河流域为研究对象。以模拟和观测流量之间的效率系数为目标函数，采用SCE-UA方法分别对全国和区域洪水预报模型的参数分流域进行率定。评估参数率定前后模型对效率系数、相关系数和相对偏差的改进程度，并对参数率定后的模型进行检验。结果表明：率定后的模型能够重现控制水文站的实测洪水过程，与率定前相比，效率系数和相对偏差有显著改进，相关系数有较大改进。系统符合业务需求，具有较好的预报精度和时效性，具备业务应用能力。
该文研发了基于CREST V2.1分布式水文模型的暴雨致洪预报系统，应用中国气象局降水业务产品，开展全国0.125°×0.125°的逐日洪水预报和区域30"×30"的逐时洪水预报。其中，全国洪水预报以松花江、辽河、海河、黄河、淮河、长江、东南诸河、珠江、西南诸河和西北诸河十大水资源分区的典型流域为研究对象，区域洪水预报以淮河流域为研究对象。以模拟和观测流量之间的效率系数为目标函数，采用SCE-UA方法分别对全国和区域洪水预报模型的参数分流域进行率定。评估参数率定前后模型对效率系数、相关系数和相对偏差的改进程度，并对参数率定后的模型进行检验。结果表明：率定后的模型能够重现控制水文站的实测洪水过程，与率定前相比，效率系数和相对偏差有显著改进，相关系数有较大改进。系统符合业务需求，具有较好的预报精度和时效性，具备业务应用能力。
2017, 28(4): 399-413.
DOI: 10.11898/1001-7313.20170402
摘要:
基于WRF中尺度模式，采用集合卡尔曼滤波方法同化中国岸基多普勒天气雷达径向速度资料，对2015年登陆台风彩虹（1522）进行数值试验。从台风强度、路径、结构等方面验证了同化效果，并对不同区域雷达观测资料的同化敏感性进行讨论。试验结果表明：在同化窗内同化分析场台风位置误差相比未同化平均减小15 km，最多时刻减小38 km，同化资料时次越多，确定性预报路径误差越小。同化雷达资料后较好地反映出台风彩虹（1522）近海加强过程，台风中心最低气压同化分析和预报误差相比未同化最大减小超过25 hPa，台风眼的尺度、眼墙处对流非对称结构相比未同化与观测更加接近。试验还表明：台风内核100 km范围内的雷达观测对同化效果影响最大，仅同化这部分资料（约占总量的20%）各方面效果与同化全部资料相近，而仅同化100 km以外资料效果明显不及同化所有资料。仅同化台风内核雷达观测资料可以在不影响同化效果的前提下，使集合同化计算机时减小为原来的1/3，该策略可为台风实际业务预报提供一定参考。
基于WRF中尺度模式，采用集合卡尔曼滤波方法同化中国岸基多普勒天气雷达径向速度资料，对2015年登陆台风彩虹（1522）进行数值试验。从台风强度、路径、结构等方面验证了同化效果，并对不同区域雷达观测资料的同化敏感性进行讨论。试验结果表明：在同化窗内同化分析场台风位置误差相比未同化平均减小15 km，最多时刻减小38 km，同化资料时次越多，确定性预报路径误差越小。同化雷达资料后较好地反映出台风彩虹（1522）近海加强过程，台风中心最低气压同化分析和预报误差相比未同化最大减小超过25 hPa，台风眼的尺度、眼墙处对流非对称结构相比未同化与观测更加接近。试验还表明：台风内核100 km范围内的雷达观测对同化效果影响最大，仅同化这部分资料（约占总量的20%）各方面效果与同化全部资料相近，而仅同化100 km以外资料效果明显不及同化所有资料。仅同化台风内核雷达观测资料可以在不影响同化效果的前提下，使集合同化计算机时减小为原来的1/3，该策略可为台风实际业务预报提供一定参考。
2017, 28(4): 414-426.
DOI: 10.11898/1001-7313.20170403
摘要:
基于LMA三维闪电定位数据，对2004年10月5日发生于美国新墨西哥州的一次超级单体过程的闪电初始及其尺度特征进行研究，提出闪电初始阶段自动判别及其特征参量提取方法，并给出参量分布特征。结果显示：闪电初始阶段上行负先导（下行负先导）的持续时间中值为13.5 ms（7.5 ms），三维位移中值为1.4 km（1.0 km），三维平均位移速度中值为9.2×104 m·s-1（1.2×105 m·s-1），上行负先导速度随时间递减，下行反之，二者与垂直方向夹角的中值分别为40°和54°。表征闪电尺度的闪电凸壳面积和闪电总长度的概率密度呈负幂函数分布，在小值方向分布更为集中。闪电水平延展距离中值为6.1 km，垂直延展距离中值为4.3 km，约83%的闪电其水平延展距离大于垂直延展距离；闪电的持续时间中值为271.0 ms。分析发现，以水平延展为主的闪电起始高度分布峰值位于8.5 km，以垂直延展为主的闪电起始高度分布峰值位于11 km。闪电初始阶段位移方向越接近水平，对应闪电垂直延展越小，说明闪电初始段的传播方向对于闪电垂直延展具有重要影响。
基于LMA三维闪电定位数据，对2004年10月5日发生于美国新墨西哥州的一次超级单体过程的闪电初始及其尺度特征进行研究，提出闪电初始阶段自动判别及其特征参量提取方法，并给出参量分布特征。结果显示：闪电初始阶段上行负先导（下行负先导）的持续时间中值为13.5 ms（7.5 ms），三维位移中值为1.4 km（1.0 km），三维平均位移速度中值为9.2×104 m·s-1（1.2×105 m·s-1），上行负先导速度随时间递减，下行反之，二者与垂直方向夹角的中值分别为40°和54°。表征闪电尺度的闪电凸壳面积和闪电总长度的概率密度呈负幂函数分布，在小值方向分布更为集中。闪电水平延展距离中值为6.1 km，垂直延展距离中值为4.3 km，约83%的闪电其水平延展距离大于垂直延展距离；闪电的持续时间中值为271.0 ms。分析发现，以水平延展为主的闪电起始高度分布峰值位于8.5 km，以垂直延展为主的闪电起始高度分布峰值位于11 km。闪电初始阶段位移方向越接近水平，对应闪电垂直延展越小，说明闪电初始段的传播方向对于闪电垂直延展具有重要影响。
2017, 28(4): 427-435.
DOI: 10.11898/1001-7313.20170404
摘要:
利用2010—2012年对流层臭氧（O3）及其多种前体物的卫星遥感资料和全球水汽再分析资料，研究东亚区域O3及其前体物的时空分布，以及在中国东部（分为南、北两部分）相关性的季节变化。结果表明：东亚区域NO2与CO的对流层柱含量均表现为冬季高、夏季低的时空变化形式。O3对流层柱含量夏季达到峰值，冬季为谷值。中国东部的北部与南部地区O3与NO2均在夏秋季呈正相关，冬春季呈负相关。夏季大部分地区NOx的光化学循环反应对O3生成有积极的促进作用，冬季大部分地区O3的光化学循环生成受到抑制。O3与CO在北部地区夏秋季和南部地区夏季正相关性最大，无论是在北部还是南部地区，O3与CO的相关性在轻污染情况下最大，而在重污染和背景情况下较小，表明重污染气团向下风方的输送更有利于O3的光化学生成。O3与水汽在北部和南部地区的多数时间均呈较显著的正相关性，而在南部地区夏季和北部地区冬季具有较大的负相关性，反映出不同的环流形式、气团来源及伴随的天气条件变化对O3分布的影响。
利用2010—2012年对流层臭氧（O3）及其多种前体物的卫星遥感资料和全球水汽再分析资料，研究东亚区域O3及其前体物的时空分布，以及在中国东部（分为南、北两部分）相关性的季节变化。结果表明：东亚区域NO2与CO的对流层柱含量均表现为冬季高、夏季低的时空变化形式。O3对流层柱含量夏季达到峰值，冬季为谷值。中国东部的北部与南部地区O3与NO2均在夏秋季呈正相关，冬春季呈负相关。夏季大部分地区NOx的光化学循环反应对O3生成有积极的促进作用，冬季大部分地区O3的光化学循环生成受到抑制。O3与CO在北部地区夏秋季和南部地区夏季正相关性最大，无论是在北部还是南部地区，O3与CO的相关性在轻污染情况下最大，而在重污染和背景情况下较小，表明重污染气团向下风方的输送更有利于O3的光化学生成。O3与水汽在北部和南部地区的多数时间均呈较显著的正相关性，而在南部地区夏季和北部地区冬季具有较大的负相关性，反映出不同的环流形式、气团来源及伴随的天气条件变化对O3分布的影响。
2017, 28(4): 436-446.
DOI: 10.11898/1001-7313.20170405
摘要:
利用2014年夏季在河北饶阳开展的“华北区域光化学立体试验”观测得到气溶胶辐射特性，根据三波长角散射浊度仪Aurora 4000测量获取的前向角散射系数（10°~90°）和后向散射系数，提出了一种基于浊度仪直接测量的气溶胶角散射系数和改进的HG相函数近似获取气溶胶散射相函数、不对称因子的拟合估算方法。分析了2014年6月16日—8月18日夏季观测试验期间河北饶阳地区大气气溶胶细粒子（PM2.5）在635 nm，525 nm，450 nm 3个波段的不对称因子、相函数等的变化特征。结果表明：用改进的HG相函数近似能够较好地拟合河北饶阳实际观测的PM2.5的气溶胶散射相函数。拟合得到河北饶阳地区观测期间干气溶胶细粒子在3个波段的平均不对称因子（g）分别为0.53±0.04（635 nm），0.57±0.05（525 nm）和0.57±0.07（450 nm）。
2017, 28(4): 447-457.
DOI: 10.11898/1001-7313.20170406
摘要:
衰减对回波的影响是雷达探测中的一项重要课题，常用订正方法还有很大提升空间。由于垂直指向雷达观测的功率谱数据包含了非常丰富的微物理及动力信息，该文尝试在功率谱层面对衰减影响机理进行深入讨论，以期改进衰减订正方法。对2014—2016年广东阳江和广东龙门获取的Ka波段毫米波雷达、C波段调频连续波雷达、Ku波段微雨雷达功率谱数据进行对比表明：3部雷达功率谱谱型基本一致，具有一定可靠性。米散射效应反映在功率谱上即经过某一速度后回波强度谱密度的陡降，当降水下落末速度达临界速度时，会对衰减量的计算造成影响。雷达波长越短，受衰减影响越大，衰减对功率谱的影响表现为谱的整体下移，最终导致回波强度小于真值。对于对流云降水，单纯使用经验订正公式获得的结果可能与真实值相差很大，此时需要考虑降水粒子谱分布，在功率谱层面上对订正进一步改善。
衰减对回波的影响是雷达探测中的一项重要课题，常用订正方法还有很大提升空间。由于垂直指向雷达观测的功率谱数据包含了非常丰富的微物理及动力信息，该文尝试在功率谱层面对衰减影响机理进行深入讨论，以期改进衰减订正方法。对2014—2016年广东阳江和广东龙门获取的Ka波段毫米波雷达、C波段调频连续波雷达、Ku波段微雨雷达功率谱数据进行对比表明：3部雷达功率谱谱型基本一致，具有一定可靠性。米散射效应反映在功率谱上即经过某一速度后回波强度谱密度的陡降，当降水下落末速度达临界速度时，会对衰减量的计算造成影响。雷达波长越短，受衰减影响越大，衰减对功率谱的影响表现为谱的整体下移，最终导致回波强度小于真值。对于对流云降水，单纯使用经验订正公式获得的结果可能与真实值相差很大，此时需要考虑降水粒子谱分布，在功率谱层面上对订正进一步改善。
2017, 28(4): 458-469.
DOI: 10.11898/1001-7313.20170407
摘要:
应用1959—2008年夏季（6—8月）NCEP/NCAR月平均500 hPa高度场、海表温度再分析资料及ERA-40气候指数、国家气候中心74项环流特征量等资料，经普查得到6个影响陕西夏季降水的主要因子，分别是西太平洋副热带高压强度指数、赤道平流层准两年振荡指数、低层越赤道气流指数、大气角动量指数、赤道太平洋海温、赤道500 hPa高度。将这些主要因子的年际增量、距平与陕西夏季降水的相关性及其所建立的预测模型进行对比分析，结果表明：因子年际增量具有明显的信号放大作用，增量因子的相关系数平均比距平相关系数高0.1左右；主要因子和夏季降水存在各自的长周期变化，造成其相关性不稳定，经过增量变换后，可以有效滤掉长周期变化，提高因子质量和预测模型的稳定性。前一年秋季赤道中东太平洋海温增量分布与陕西夏季降水相关密切，当该区域出现正增量分布时，当年夏季（6—8月）700 hPa西太平洋副热带高压位置偏北、偏西，形成陕西夏季多雨的环流形势；反之，当该区域出现负增量分布时，当年夏季700 hPa副热带高压位置异常偏东，形成陕西干旱少雨的环流形势。
应用1959—2008年夏季（6—8月）NCEP/NCAR月平均500 hPa高度场、海表温度再分析资料及ERA-40气候指数、国家气候中心74项环流特征量等资料，经普查得到6个影响陕西夏季降水的主要因子，分别是西太平洋副热带高压强度指数、赤道平流层准两年振荡指数、低层越赤道气流指数、大气角动量指数、赤道太平洋海温、赤道500 hPa高度。将这些主要因子的年际增量、距平与陕西夏季降水的相关性及其所建立的预测模型进行对比分析，结果表明：因子年际增量具有明显的信号放大作用，增量因子的相关系数平均比距平相关系数高0.1左右；主要因子和夏季降水存在各自的长周期变化，造成其相关性不稳定，经过增量变换后，可以有效滤掉长周期变化，提高因子质量和预测模型的稳定性。前一年秋季赤道中东太平洋海温增量分布与陕西夏季降水相关密切，当该区域出现正增量分布时，当年夏季（6—8月）700 hPa西太平洋副热带高压位置偏北、偏西，形成陕西夏季多雨的环流形势；反之，当该区域出现负增量分布时，当年夏季700 hPa副热带高压位置异常偏东，形成陕西干旱少雨的环流形势。
2017, 28(4): 470-480.
DOI: 10.11898/1001-7313.20170408
摘要:
利用Lamb-Jenkinson大气环流分型方法，对西江流域1971—2015年逐日平均850 hPa和500 hPa高度场进行环流客观分型，分析流域降水天气环流型出现概率及主导环流型变化特征，探讨主导环流型对西江流域总面雨量和子流域面雨量的贡献率及环流型配置与降水的关系。结果表明：当850 hPa为西南风型、500 hPa为西风型时，流域出现降水天气的概率最大；850 hPa气旋型和500 hPa西风型对年总面雨量和各子流域面雨量的贡献率均为最大，且对东部子流域面雨量的贡献率大于西部子流域，850 hPa南风型与500 hPa反气旋型的环流配置是西部子流域秋季降水偏多的主导环流型配置；春季850 hPa气旋型与500 hPa西风型、夏季850 hPa气旋型与500 hPa西风型、秋季850 hPa南风型与500 hPa反气旋型、冬季850 hPa西南风型与500 hPa西风型的环流配置时，出现强降水天气的概率分别为18.7%，21.1%，4.0%和2.0%，即夏季最大，其次为春季，冬季最小。近45年，850 hPa气旋型、500 hPa西风型对流域年总面雨量的贡献率呈增加趋势，是西江流域面雨量呈偏多趋势的主导环流型。
利用Lamb-Jenkinson大气环流分型方法，对西江流域1971—2015年逐日平均850 hPa和500 hPa高度场进行环流客观分型，分析流域降水天气环流型出现概率及主导环流型变化特征，探讨主导环流型对西江流域总面雨量和子流域面雨量的贡献率及环流型配置与降水的关系。结果表明：当850 hPa为西南风型、500 hPa为西风型时，流域出现降水天气的概率最大；850 hPa气旋型和500 hPa西风型对年总面雨量和各子流域面雨量的贡献率均为最大，且对东部子流域面雨量的贡献率大于西部子流域，850 hPa南风型与500 hPa反气旋型的环流配置是西部子流域秋季降水偏多的主导环流型配置；春季850 hPa气旋型与500 hPa西风型、夏季850 hPa气旋型与500 hPa西风型、秋季850 hPa南风型与500 hPa反气旋型、冬季850 hPa西南风型与500 hPa西风型的环流配置时，出现强降水天气的概率分别为18.7%，21.1%，4.0%和2.0%，即夏季最大，其次为春季，冬季最小。近45年，850 hPa气旋型、500 hPa西风型对流域年总面雨量的贡献率呈增加趋势，是西江流域面雨量呈偏多趋势的主导环流型。
2017, 28(4): 481-492.
DOI: 10.11898/1001-7313.20170409
摘要:
利用华南地区观测站1981—2010年的总曝辐量数据及日照时数数据，对该地区太阳能资源的丰富程度和稳定程度进行评估。结果表明：华南地区总体太阳能资源价值呈现为海南最高，广东其次，广西最低。华南地区最佳倾斜面太阳总辐射年曝辐量为1291 kW·h·m-2，比水平面高3%，总体处于资源丰富等级以上。稳定度评估结果表明：华南地区大部分面积处于稳定等级以上，其中海南2/3以上的面积处于很稳定的等级。结合地形数据和土地覆盖数据，分别以90 m×90 m和1 km×1 km的分辨率对华南地区太阳能资源的开发适宜性进行区划和可利用潜力进行分析，结果显示：90 m×90 m分辨率下可开发利用的Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ类地区的面积占华南地区总面积的80%以上，但其中裸地和灌木、草地仅占总面积的13.9%，而耕地和林地所占面积比例超过60%。受数据分辨率及获取年代差异的影响，1 km×1 km分辨率下太阳能开发适宜性区划结果与90 m×90 m分辨率的结果不尽相同，从而导致开发潜力也存在较大差异，在制定太阳能开发规划时应根据实际工程规模选择合理的数据。
利用华南地区观测站1981—2010年的总曝辐量数据及日照时数数据，对该地区太阳能资源的丰富程度和稳定程度进行评估。结果表明：华南地区总体太阳能资源价值呈现为海南最高，广东其次，广西最低。华南地区最佳倾斜面太阳总辐射年曝辐量为1291 kW·h·m-2，比水平面高3%，总体处于资源丰富等级以上。稳定度评估结果表明：华南地区大部分面积处于稳定等级以上，其中海南2/3以上的面积处于很稳定的等级。结合地形数据和土地覆盖数据，分别以90 m×90 m和1 km×1 km的分辨率对华南地区太阳能资源的开发适宜性进行区划和可利用潜力进行分析，结果显示：90 m×90 m分辨率下可开发利用的Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ类地区的面积占华南地区总面积的80%以上，但其中裸地和灌木、草地仅占总面积的13.9%，而耕地和林地所占面积比例超过60%。受数据分辨率及获取年代差异的影响，1 km×1 km分辨率下太阳能开发适宜性区划结果与90 m×90 m分辨率的结果不尽相同，从而导致开发潜力也存在较大差异，在制定太阳能开发规划时应根据实际工程规模选择合理的数据。
2017, 28(4): 493-503.
DOI: 10.11898/1001-7313.20170410
摘要:
利用华北平原47个农业气象观测站1986—2010年冬小麦的品种、发育期观测资料和同期气象数据，基于常用的发育期模型，对两种参数化方案下品种变化对发育期影响的特征进行研究。其中参数化方案1采用固定的三基点温度，参数化方案2通过循环优化得到三基点温度。结果表明：在华北平原冬小麦品种变化频繁的情况下，两种参数化方案均能较好地对返青-抽穗期与抽穗-成熟期的模拟过程进行参数化；两种参数化方案均认为品种变化使返青-抽穗期和抽穗-成熟期日数有延长趋势，但不同参数化方案的趋势值存在较大差异，且参数化方案1模拟的趋势值总是高于参数化方案2。此外，不同的参数化方案也会使模拟的趋势值在区域上的分布规律发生变化。研究表明：不同参数化方案的使用会对模拟结果产生明显影响，因此，在量化品种变化对发育期影响时，需关注不同参数化方案对结果的影响，以及由此带来的不确定性。
利用华北平原47个农业气象观测站1986—2010年冬小麦的品种、发育期观测资料和同期气象数据，基于常用的发育期模型，对两种参数化方案下品种变化对发育期影响的特征进行研究。其中参数化方案1采用固定的三基点温度，参数化方案2通过循环优化得到三基点温度。结果表明：在华北平原冬小麦品种变化频繁的情况下，两种参数化方案均能较好地对返青-抽穗期与抽穗-成熟期的模拟过程进行参数化；两种参数化方案均认为品种变化使返青-抽穗期和抽穗-成熟期日数有延长趋势，但不同参数化方案的趋势值存在较大差异，且参数化方案1模拟的趋势值总是高于参数化方案2。此外，不同的参数化方案也会使模拟的趋势值在区域上的分布规律发生变化。研究表明：不同参数化方案的使用会对模拟结果产生明显影响，因此，在量化品种变化对发育期影响时，需关注不同参数化方案对结果的影响，以及由此带来的不确定性。
2017, 28(4): 504-512.
DOI: 10.11898/1001-7313.20170411
摘要:
利用1979—2013年内蒙古73个旗县气象站资料、历史干旱资料、马铃薯产量数据和社会属性数据等，通过内蒙古中西部和东部地区全生育期的降水负距平百分率与相对气象产量二者建立的回归方程，结合农业干旱等级和降水距平百分率气象干旱等级国家标准，得到了马铃薯轻旱、中旱和重旱的等级指标，确定了干旱致灾因子的危险性，结合承灾体的脆弱性、孕灾环境的暴露性和地区的防灾减灾能力的评价指标体系，利用地理信息系统（GIS）的空间分析功能，对内蒙古马铃薯干旱风险进行评估与区划。研究结果表明：高风险区主要分布在鄂尔多斯市东北部、呼和浩特市南部和北部、乌兰察布市大部和锡林郭勒盟南部地区，所占面积比例为19.1%；中风险区主要分布在呼和浩特市部分地区、赤峰市中部和南部、通辽市西北部、兴安盟东北部、呼伦贝尔市北部地区，所占面积比例为20.1%；干旱较低风险区主要分布在赤峰市西部和北部、通辽市东南部、兴安盟西南部、呼伦贝尔市东南部地区，分布区域面积最大，所占比例为41.0%；低风险区主要分布在灌溉区域，包括河套灌区和辽河流域，所占面积比例为19.8%。
利用1979—2013年内蒙古73个旗县气象站资料、历史干旱资料、马铃薯产量数据和社会属性数据等，通过内蒙古中西部和东部地区全生育期的降水负距平百分率与相对气象产量二者建立的回归方程，结合农业干旱等级和降水距平百分率气象干旱等级国家标准，得到了马铃薯轻旱、中旱和重旱的等级指标，确定了干旱致灾因子的危险性，结合承灾体的脆弱性、孕灾环境的暴露性和地区的防灾减灾能力的评价指标体系，利用地理信息系统（GIS）的空间分析功能，对内蒙古马铃薯干旱风险进行评估与区划。研究结果表明：高风险区主要分布在鄂尔多斯市东北部、呼和浩特市南部和北部、乌兰察布市大部和锡林郭勒盟南部地区，所占面积比例为19.1%；中风险区主要分布在呼和浩特市部分地区、赤峰市中部和南部、通辽市西北部、兴安盟东北部、呼伦贝尔市北部地区，所占面积比例为20.1%；干旱较低风险区主要分布在赤峰市西部和北部、通辽市东南部、兴安盟西南部、呼伦贝尔市东南部地区，分布区域面积最大，所占比例为41.0%；低风险区主要分布在灌溉区域，包括河套灌区和辽河流域，所占面积比例为19.8%。
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