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中国气象局2019年 第30卷 第1期
摘要
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2019, 30(1): 1-12.
DOI: 10.11898/1001-7313.20190101
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摘要:
阵列天气雷达是分布式、高度协同的相控阵天气雷达。阵列天气雷达至少包括3个相控阵收发子阵（简称收发子阵），通过增加收发子阵而扩大探测区域。每3个相邻的收发子阵一组协同扫描，保证3个相邻收发子阵在同一个空间点的数据时差小于2 s，从而保证径向速度合成正确的流场。采用相控阵多波束扫描技术，4个发射波束和64个接收波束覆盖0°~90°仰角，机械扫描覆盖360°方位，整个体扫时间为12 s，为多普勒天气雷达整个体扫时间的1/30。阵列天气雷达通过金属球进行了强度、波束宽度、方位、仰角的定标。阵列天气雷达在长沙机场布设试验，成功获取了精细的风场和回波强度数据，可为更精细、更完整揭示小尺度天气系统变化规律提供新工具。
阵列天气雷达是分布式、高度协同的相控阵天气雷达。阵列天气雷达至少包括3个相控阵收发子阵（简称收发子阵），通过增加收发子阵而扩大探测区域。每3个相邻的收发子阵一组协同扫描，保证3个相邻收发子阵在同一个空间点的数据时差小于2 s，从而保证径向速度合成正确的流场。采用相控阵多波束扫描技术，4个发射波束和64个接收波束覆盖0°~90°仰角，机械扫描覆盖360°方位，整个体扫时间为12 s，为多普勒天气雷达整个体扫时间的1/30。阵列天气雷达通过金属球进行了强度、波束宽度、方位、仰角的定标。阵列天气雷达在长沙机场布设试验，成功获取了精细的风场和回波强度数据，可为更精细、更完整揭示小尺度天气系统变化规律提供新工具。
2019, 30(1): 13-24.
DOI: 10.11898/1001-7313.20190102
摘要:
构建春玉米冷害指标是冷害研究的基础，对我国春玉米安全生产和品种布局具有重要参考意义。以我国东北三省春玉米为研究对象，以具有明确生物学意义的热量指数为春玉米冷害指示因子，利用气象资料、春玉米生育期资料和冷害灾情资料，计算春玉米不同生育阶段平均热量指数，建立春玉米冷害样本序列，基于K-S分布拟合检验和95%置信区间上限阈值的方法，厘定春玉米冷害指标阈值，构建我国东北春玉米不同生育阶段冷害指标，并采用独立的春玉米冷害灾情样本验证指标的合理性。研究结果表明：东北三省春玉米冷害指标在生殖生长和营养生长与生殖生长并进期热量指数的阈值较高，营养生长期略低；指标验证结果与历史灾情记录完全吻合的比率为80.0%，完全吻合和相差1级的比率为100%，且各灾害程度验证得到的准确率均高于75%。
构建春玉米冷害指标是冷害研究的基础，对我国春玉米安全生产和品种布局具有重要参考意义。以我国东北三省春玉米为研究对象，以具有明确生物学意义的热量指数为春玉米冷害指示因子，利用气象资料、春玉米生育期资料和冷害灾情资料，计算春玉米不同生育阶段平均热量指数，建立春玉米冷害样本序列，基于K-S分布拟合检验和95%置信区间上限阈值的方法，厘定春玉米冷害指标阈值，构建我国东北春玉米不同生育阶段冷害指标，并采用独立的春玉米冷害灾情样本验证指标的合理性。研究结果表明：东北三省春玉米冷害指标在生殖生长和营养生长与生殖生长并进期热量指数的阈值较高，营养生长期略低；指标验证结果与历史灾情记录完全吻合的比率为80.0%，完全吻合和相差1级的比率为100%，且各灾害程度验证得到的准确率均高于75%。
2019, 30(1): 25-34.
DOI: 10.11898/1001-7313.20190103
摘要:
利用土壤相对湿度数据和县级春玉米单产数据，在气象干旱指数SWAP（standardized weighted average of precipitation）的基础上，研究我国东北地区春玉米受干旱影响的界限指标，结果表明：SWAP在春玉米播种-出苗期低于-0.9，出苗-拔节期低于-1.0，拔节-抽穗期低于-1.2，抽穗-乳熟期低于-0.7时，土壤相对湿度偏低，即气象干旱一般为中旱时，不利于春玉米生长。以此构建春玉米干旱指数，对比我国东北地区春玉米干旱指数与省级农作物干旱受灾面积的关系，发现两者相关关系显著，尤其在典型干旱年份，两者对应关系更好，说明构建的东北地区春玉米干旱指数能够较好地反映干旱对春玉米的实际影响。利用东北地区县级春玉米单产数据对春玉米干旱指数进行等级划分，划分结果可为东北地区春玉米防旱减灾和安全生产提供参考。
利用土壤相对湿度数据和县级春玉米单产数据，在气象干旱指数SWAP（standardized weighted average of precipitation）的基础上，研究我国东北地区春玉米受干旱影响的界限指标，结果表明：SWAP在春玉米播种-出苗期低于-0.9，出苗-拔节期低于-1.0，拔节-抽穗期低于-1.2，抽穗-乳熟期低于-0.7时，土壤相对湿度偏低，即气象干旱一般为中旱时，不利于春玉米生长。以此构建春玉米干旱指数，对比我国东北地区春玉米干旱指数与省级农作物干旱受灾面积的关系，发现两者相关关系显著，尤其在典型干旱年份，两者对应关系更好，说明构建的东北地区春玉米干旱指数能够较好地反映干旱对春玉米的实际影响。利用东北地区县级春玉米单产数据对春玉米干旱指数进行等级划分，划分结果可为东北地区春玉米防旱减灾和安全生产提供参考。
2019, 30(1): 35-48.
DOI: 10.11898/1001-7313.20190104
摘要:
以湖南晚稻为研究对象，基于1961—2010年双季晚稻种植区68个气象站的降水资料、17个农业气象观测站的生育期观测资料，采用历史灾情反演方法，构建晚稻大田生长期3个生育时段、3个洪涝等级的洪涝灾害样本125个，应用Q-Q图拟合、W检验和t分布区间估计方法，计算晚稻分生育期（移栽-分蘖期、拔节-孕穗期、抽穗-成熟期）不同洪涝致灾等级（轻、中、重）的过程降水量临界值，构建晚稻洪涝过程等级指标，并进行独立样本验证检验；应用M-K检验等方法分析1961—2010年湖南晚稻洪涝的时空演变特征。结果表明：指标验证与历史记录有较高一致性；同一洪涝等级的指标阈值从大到小依次为抽穗-成熟期、拔节-孕穗期、移栽-分蘖期；20世纪60年代和90年代是湖南晚稻洪涝发生最严重的年代，总洪涝次数在1994年发生突变；晚稻轻涝在抽穗-成熟期发生率最高，中涝和重涝在拔节-孕穗期发生率最高；总洪涝的高发地区位于郴州、岳阳地区；随年代推移，晚稻各等级洪涝和总洪涝高发区均呈现由北向南的变化。
以湖南晚稻为研究对象，基于1961—2010年双季晚稻种植区68个气象站的降水资料、17个农业气象观测站的生育期观测资料，采用历史灾情反演方法，构建晚稻大田生长期3个生育时段、3个洪涝等级的洪涝灾害样本125个，应用Q-Q图拟合、W检验和t分布区间估计方法，计算晚稻分生育期（移栽-分蘖期、拔节-孕穗期、抽穗-成熟期）不同洪涝致灾等级（轻、中、重）的过程降水量临界值，构建晚稻洪涝过程等级指标，并进行独立样本验证检验；应用M-K检验等方法分析1961—2010年湖南晚稻洪涝的时空演变特征。结果表明：指标验证与历史记录有较高一致性；同一洪涝等级的指标阈值从大到小依次为抽穗-成熟期、拔节-孕穗期、移栽-分蘖期；20世纪60年代和90年代是湖南晚稻洪涝发生最严重的年代，总洪涝次数在1994年发生突变；晚稻轻涝在抽穗-成熟期发生率最高，中涝和重涝在拔节-孕穗期发生率最高；总洪涝的高发地区位于郴州、岳阳地区；随年代推移，晚稻各等级洪涝和总洪涝高发区均呈现由北向南的变化。
2019, 30(1): 49-60.
DOI: 10.11898/1001-7313.20190105
摘要:
为了将格点观测融合产品用于模式预报产品的滚动订正中，获得精准的预报效果，使用国家气象信息中心HRCLDAS（High Resolution China Meteorological Administration Land Data Assimilation System）业务系统产生的高频次格点风场融合产品作为实况资料，采用两种风场模型和8种格点误差订正方案，对模式风预报产品进行订正预报试验，试验选择欧洲中期天气预报中心10 m风预报产品的2017年1月1日—2月28日以及2017年6月1日—7月31日两个时间段，进行了预报模拟试验，对8种格点误差订正方案的订正结果进行检验，同时将订正场插值到站点，使用国家级2400个地面气象站风场资料进行站点检验，结果表明：无论从格点还是站点检验的平均绝对偏差、准确率、绝对偏差分布频率结果看，采用基于模式和实况因子的全格点滑动建模订正方案具有最佳的订正效果。
为了将格点观测融合产品用于模式预报产品的滚动订正中，获得精准的预报效果，使用国家气象信息中心HRCLDAS（High Resolution China Meteorological Administration Land Data Assimilation System）业务系统产生的高频次格点风场融合产品作为实况资料，采用两种风场模型和8种格点误差订正方案，对模式风预报产品进行订正预报试验，试验选择欧洲中期天气预报中心10 m风预报产品的2017年1月1日—2月28日以及2017年6月1日—7月31日两个时间段，进行了预报模拟试验，对8种格点误差订正方案的订正结果进行检验，同时将订正场插值到站点，使用国家级2400个地面气象站风场资料进行站点检验，结果表明：无论从格点还是站点检验的平均绝对偏差、准确率、绝对偏差分布频率结果看，采用基于模式和实况因子的全格点滑动建模订正方案具有最佳的订正效果。
2019, 30(1): 61-69.
DOI: 10.11898/1001-7313.20190106
摘要:
该文将循环神经网络（recurrent neural network，RNN）应用于雷达临近预报。使用预测循环神经网络（predictive RNN）架构，利用雷达历史组合反射率因子建模，给出雷达组合反射率因子未来1 h的预报结果。预测循环神经网络的核心是在长短时记忆单元（long short-term memory，LSTM）中增加时空记忆模块，能够提取雷达回波不同尺度的空间特征，配合循环神经网络架构，可以有效解决反射率因子预测问题。北京大兴雷达和广州雷达长时间序列的独立检验结果和2个强对流天气个例检验结果表明：该方法和传统的基于交叉相关法的1 h雷达外推临近预报相比，在20 dBZ和30 dBZ检验项目内，临界成功指数（CSI）可以提升0.15~0.30，命中率（POD）提高0.15~0.25，虚警率（FAR）降低0.15~0.20，该方法对反射率因子强度变化有一定预报能力。
该文将循环神经网络（recurrent neural network，RNN）应用于雷达临近预报。使用预测循环神经网络（predictive RNN）架构，利用雷达历史组合反射率因子建模，给出雷达组合反射率因子未来1 h的预报结果。预测循环神经网络的核心是在长短时记忆单元（long short-term memory，LSTM）中增加时空记忆模块，能够提取雷达回波不同尺度的空间特征，配合循环神经网络架构，可以有效解决反射率因子预测问题。北京大兴雷达和广州雷达长时间序列的独立检验结果和2个强对流天气个例检验结果表明：该方法和传统的基于交叉相关法的1 h雷达外推临近预报相比，在20 dBZ和30 dBZ检验项目内，临界成功指数（CSI）可以提升0.15~0.30，命中率（POD）提高0.15~0.25，虚警率（FAR）降低0.15~0.20，该方法对反射率因子强度变化有一定预报能力。
2019, 30(1): 70-81.
DOI: 10.11898/1001-7313.20190107
摘要:
复杂地形区域风场模拟的准确率一直是风能研究领域的难点和重点。WRF模式是目前风能评估领域应用最广泛的天气数值模式之一，但该模式在复杂地形区域存在对平原、山谷风速高估且对山顶风速低估的系统性误差，并有研究建立次网格地形方案以订正误差。而次网格地形方案在不同水平分辨率下常出现错误的修正结果，该文基于高精度地形高程数据分析了方案失效的主要原因，发现其方程组中判断山体形态特征的阈值-20在过低和过高水平分辨率下均失去参考性。针对这一原因，将方案中影响关键参数Ct的地形高度算子与模式水平分辨率进行拟合，形成地形高度算子与水平分辨率相依赖的线性关系，获得不同分辨率下更适合的山体形态阈值。通过与自动气象站10 m风速对比分析了修正前后WRF对低层风速的模拟效果，结果显示：修正后的次网格地形方案能够分别在较低和较高分辨率下，部分矫正原方案错误的订正结果，使低层风速模拟更接近实况。修正后的次网格地形方案可为复杂地形区域开展高分辨率风场模拟提供参考。
复杂地形区域风场模拟的准确率一直是风能研究领域的难点和重点。WRF模式是目前风能评估领域应用最广泛的天气数值模式之一，但该模式在复杂地形区域存在对平原、山谷风速高估且对山顶风速低估的系统性误差，并有研究建立次网格地形方案以订正误差。而次网格地形方案在不同水平分辨率下常出现错误的修正结果，该文基于高精度地形高程数据分析了方案失效的主要原因，发现其方程组中判断山体形态特征的阈值-20在过低和过高水平分辨率下均失去参考性。针对这一原因，将方案中影响关键参数Ct的地形高度算子与模式水平分辨率进行拟合，形成地形高度算子与水平分辨率相依赖的线性关系，获得不同分辨率下更适合的山体形态阈值。通过与自动气象站10 m风速对比分析了修正前后WRF对低层风速的模拟效果，结果显示：修正后的次网格地形方案能够分别在较低和较高分辨率下，部分矫正原方案错误的订正结果，使低层风速模拟更接近实况。修正后的次网格地形方案可为复杂地形区域开展高分辨率风场模拟提供参考。
2019, 30(1): 82-92.
DOI: 10.11898/1001-7313.20190108
摘要:
利用ACTIVE（aerosol and chemical transport in tropical convection）试验资料，取2006年1月20日澳大利亚北部达尔文岛附近发生的一次飑线强对流天气的AE17航次和2006年1月27日无对流天气的AE21航次飞行路径中的探测资料，对澳大利亚达尔文地区夏季风盛行期间发生的有无强对流发生时O3和CO浓度垂直分布变化进行对比，考察强对流性天气发生对O3和CO浓度垂直输送作用。深对流云内强烈的垂直上升运动将O3和CO等化学气体携带输送至对流层上部并在对流层顶堆积，从而在对流层上部产生浓度峰值。当有强对流发生，飞机进入对流云上层时，O3浓度和CO浓度升高，O3和CO浓度变率增大，在对流层上部浓度出现峰值；当飞机飞出对流云时，O3和CO浓度相对较低，在对流云外出现谷值。在无对流发生的条件下O3和CO浓度相对较小，浓度变率也较小，无峰值产生。分析表明：O3和CO浓度分布不仅与强对流的垂直输送作用关系密切，且与气象要素垂直和水平分布以及动力输送过程密切相关。
利用ACTIVE（aerosol and chemical transport in tropical convection）试验资料，取2006年1月20日澳大利亚北部达尔文岛附近发生的一次飑线强对流天气的AE17航次和2006年1月27日无对流天气的AE21航次飞行路径中的探测资料，对澳大利亚达尔文地区夏季风盛行期间发生的有无强对流发生时O3和CO浓度垂直分布变化进行对比，考察强对流性天气发生对O3和CO浓度垂直输送作用。深对流云内强烈的垂直上升运动将O3和CO等化学气体携带输送至对流层上部并在对流层顶堆积，从而在对流层上部产生浓度峰值。当有强对流发生，飞机进入对流云上层时，O3浓度和CO浓度升高，O3和CO浓度变率增大，在对流层上部浓度出现峰值；当飞机飞出对流云时，O3和CO浓度相对较低，在对流云外出现谷值。在无对流发生的条件下O3和CO浓度相对较小，浓度变率也较小，无峰值产生。分析表明：O3和CO浓度分布不仅与强对流的垂直输送作用关系密切，且与气象要素垂直和水平分布以及动力输送过程密切相关。
2019, 30(1): 93-104.
DOI: 10.11898/1001-7313.20190109
摘要:
利用1981—2016年我国地面气象站降水资料和NCEP/NCAR再分析资料，通过小波分析、合成分析、Butterworth滤波等方法，定义了适用于四川盆地的持续性强降水，对降水和大气15~30 d低频振荡特征进行详细分析，可为该地延伸期预报提供参考。结果表明：该地降水具有15~30 d和30~60 d低频振荡特征，其中以15~30 d振荡为主。降水期间各高度层和各纬度带低频系统具有垂直斜压性，在三维空间上相互配合，形成有利于降水产生的低频环流形势。低层和中层南北气流汇合于四川盆地形成辐合区，高层表现为北风南下。低层低纬度气旋在西太平洋生成并逐渐向西北移动至南海、华南，带来暖湿气流，中高纬度贝加尔湖东南侧生成气旋并向东移动至鄂霍次克海附近，加强北风输送。中层中高纬度欧亚大陆低压中心向东南方移动，降水时到达蒙古，并分裂小槽传播至下游，在日本海加强，高压中心紧随其后到达乌拉尔山。降水期间四川盆地上空高层为辐散区，有利于中低层辐合上升运动的维持。
利用1981—2016年我国地面气象站降水资料和NCEP/NCAR再分析资料，通过小波分析、合成分析、Butterworth滤波等方法，定义了适用于四川盆地的持续性强降水，对降水和大气15~30 d低频振荡特征进行详细分析，可为该地延伸期预报提供参考。结果表明：该地降水具有15~30 d和30~60 d低频振荡特征，其中以15~30 d振荡为主。降水期间各高度层和各纬度带低频系统具有垂直斜压性，在三维空间上相互配合，形成有利于降水产生的低频环流形势。低层和中层南北气流汇合于四川盆地形成辐合区，高层表现为北风南下。低层低纬度气旋在西太平洋生成并逐渐向西北移动至南海、华南，带来暖湿气流，中高纬度贝加尔湖东南侧生成气旋并向东移动至鄂霍次克海附近，加强北风输送。中层中高纬度欧亚大陆低压中心向东南方移动，降水时到达蒙古，并分裂小槽传播至下游，在日本海加强，高压中心紧随其后到达乌拉尔山。降水期间四川盆地上空高层为辐散区，有利于中低层辐合上升运动的维持。
2019, 30(1): 105-116.
DOI: 10.11898/1001-7313.20190110
摘要:
为探究闪电放电后电荷重置方案中异极性电荷植入法对雷暴云放电效应的影响，利用已有的三维雷暴云起放电模式，结合2011年8月12日发生在南京地区一次典型的雷暴个例，通过控制倍数改变闪电通道感应电荷量进行大量敏感性试验。模拟结果表明：闪电通道感应电荷量对空间电荷结构分布和云闪通道长度有明显影响。通道感应电荷量增加，即空间异极性电荷堆增多，加大空间电荷结构复杂程度；云闪通道在发展过程中难以穿越与自身极性相同的电荷堆，导致短通道云闪频次增加。通道感应电荷累积总量相同，不同闪电通道感应电荷量下云闪频次与通道电荷平均累积量呈负相关，即通道感应电荷平均累积量增大，云闪频次减少。而地闪频次、类型与通道感应电荷量相关性不明显。
为探究闪电放电后电荷重置方案中异极性电荷植入法对雷暴云放电效应的影响，利用已有的三维雷暴云起放电模式，结合2011年8月12日发生在南京地区一次典型的雷暴个例，通过控制倍数改变闪电通道感应电荷量进行大量敏感性试验。模拟结果表明：闪电通道感应电荷量对空间电荷结构分布和云闪通道长度有明显影响。通道感应电荷量增加，即空间异极性电荷堆增多，加大空间电荷结构复杂程度；云闪通道在发展过程中难以穿越与自身极性相同的电荷堆，导致短通道云闪频次增加。通道感应电荷累积总量相同，不同闪电通道感应电荷量下云闪频次与通道电荷平均累积量呈负相关，即通道感应电荷平均累积量增大，云闪频次减少。而地闪频次、类型与通道感应电荷量相关性不明显。
2019, 30(1): 117-128.
DOI: 10.11898/1001-7313.20190111
摘要:
利用1990，1994，2000，2005，2011，2013年夏季北京地区Landsat卫星资料、2009年数字高程资料计算气象站周边景观指标参数，结果表明：土地利用类型、气象站周边景观指数、建筑物高度及天空可视因子等参数能对气象探测环境的结构配置信息以数字化方式呈现。此外，景观指标参数和气象要素相关分析表明：对气温变化影响较大的景观指标参数主要有城镇面积、水体面积、最大斑块指数、最大斑块占城镇面积比例、蔓延度指数、平均分维数和天空可视因子。对绝对湿度影响较大的景观指标参数为城镇面积、水体面积、最大斑块指数、最大斑块占城镇面积比例、蔓延度指数、聚集度指数和天空可视因子。对小风占比影响较大的景观指标参数仅为水体面积、最大斑块指数和最大斑块占城镇面积比例。基于以上统计结果，提出了一套对探测环境进行评估的方法——景观指标评估法。利用该方法对北京市15个国家级地面气象观测站进行评估，结果表明：周围环境对观测资料影响程度最小的站为怀柔站；环境影响最大的站为丰台站、朝阳站。
利用1990，1994，2000，2005，2011，2013年夏季北京地区Landsat卫星资料、2009年数字高程资料计算气象站周边景观指标参数，结果表明：土地利用类型、气象站周边景观指数、建筑物高度及天空可视因子等参数能对气象探测环境的结构配置信息以数字化方式呈现。此外，景观指标参数和气象要素相关分析表明：对气温变化影响较大的景观指标参数主要有城镇面积、水体面积、最大斑块指数、最大斑块占城镇面积比例、蔓延度指数、平均分维数和天空可视因子。对绝对湿度影响较大的景观指标参数为城镇面积、水体面积、最大斑块指数、最大斑块占城镇面积比例、蔓延度指数、聚集度指数和天空可视因子。对小风占比影响较大的景观指标参数仅为水体面积、最大斑块指数和最大斑块占城镇面积比例。基于以上统计结果，提出了一套对探测环境进行评估的方法——景观指标评估法。利用该方法对北京市15个国家级地面气象观测站进行评估，结果表明：周围环境对观测资料影响程度最小的站为怀柔站；环境影响最大的站为丰台站、朝阳站。
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