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中国气象局2019年 第30卷 第4期
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2019, 30(4): 385-400.
DOI: 10.11898/1001-7313.20190401
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汛期内我国中东部地区的雨季是东亚夏季风推进过程中的重要产物，主要包括华南前汛期、梅雨、华北雨季和华西秋雨等，各地雨季决定了我国中东部地区汛期的旱涝布局和旱涝演变，是我国汛期预测和服务的重点。该文回顾了4个雨季特征及影响因子方面的研究进展，在此基础上梳理物理概念预测模型。研究显示：海温异常是影响各区域雨季的重要先兆信号，但不同雨季的年际和年代际变化特征不同，海温作为外强迫信号的影响程度和时空形式也有差异。利用热带太平洋东西海温差指标能更好地解释华南前汛期降水的年际变化。而与梅雨的年际变化分量相关联的海温关键区主要分布于热带，与年代际或多年代际变化分量相联系的海温关键区则来自中高纬度。华北雨季降水的强弱不仅与ENSO循环的位相有关，更多受到ENSO演变速率的影响。而影响华西秋雨的海温关键区随着年代际背景的变化发生了改变，需要重新诊断和建模。
汛期内我国中东部地区的雨季是东亚夏季风推进过程中的重要产物，主要包括华南前汛期、梅雨、华北雨季和华西秋雨等，各地雨季决定了我国中东部地区汛期的旱涝布局和旱涝演变，是我国汛期预测和服务的重点。该文回顾了4个雨季特征及影响因子方面的研究进展，在此基础上梳理物理概念预测模型。研究显示：海温异常是影响各区域雨季的重要先兆信号，但不同雨季的年际和年代际变化特征不同，海温作为外强迫信号的影响程度和时空形式也有差异。利用热带太平洋东西海温差指标能更好地解释华南前汛期降水的年际变化。而与梅雨的年际变化分量相关联的海温关键区主要分布于热带，与年代际或多年代际变化分量相联系的海温关键区则来自中高纬度。华北雨季降水的强弱不仅与ENSO循环的位相有关，更多受到ENSO演变速率的影响。而影响华西秋雨的海温关键区随着年代际背景的变化发生了改变，需要重新诊断和建模。
2019, 30(4): 401-415.
DOI: 10.11898/1001-7313.20190402
摘要:
东亚夏季风次季节（10~90 d）变化是中国夏季持续性强降水、高温热浪等高影响天气事件的重要环流载体，处于天气预报上限和气候季节预测下限之间的预报过渡区。研究表明：东亚夏季风次季节变化是东亚夏季风的固有物理特征，它和季节进程之间的时间锁相关系是东亚夏季风次季节变化潜在可预报性的重要来源。东亚夏季风次季节变化与Madden-Julian振荡（MJO）存在显著差异，试图通过MJO来预测东亚夏季风次季节变化的不确定性较大。东亚夏季风次季节预测的另一重要来源是下垫面外强迫，包括欧亚大陆春季积雪、中国东部春季土壤湿度和厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）事件。此外，去趋势偏-交叉相关分析统计方法能够分析东亚夏季风多因子和多时间尺度问题。目前，亟需解决的科学问题包括：东亚夏季风次季节模态的客观定量描述、造成东亚夏季风次季节模态年际变化的关键物理过程、不同外强迫因子对东亚夏季风次季节模态的共同影响。
东亚夏季风次季节（10~90 d）变化是中国夏季持续性强降水、高温热浪等高影响天气事件的重要环流载体，处于天气预报上限和气候季节预测下限之间的预报过渡区。研究表明：东亚夏季风次季节变化是东亚夏季风的固有物理特征，它和季节进程之间的时间锁相关系是东亚夏季风次季节变化潜在可预报性的重要来源。东亚夏季风次季节变化与Madden-Julian振荡（MJO）存在显著差异，试图通过MJO来预测东亚夏季风次季节变化的不确定性较大。东亚夏季风次季节预测的另一重要来源是下垫面外强迫，包括欧亚大陆春季积雪、中国东部春季土壤湿度和厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）事件。此外，去趋势偏-交叉相关分析统计方法能够分析东亚夏季风多因子和多时间尺度问题。目前，亟需解决的科学问题包括：东亚夏季风次季节模态的客观定量描述、造成东亚夏季风次季节模态年际变化的关键物理过程、不同外强迫因子对东亚夏季风次季节模态的共同影响。
2019, 30(4): 416-430.
DOI: 10.11898/1001-7313.20190403
摘要:
10~30 d延伸期的可预报性既依赖于初始条件，也与缓变的下垫面有关，寻找延伸期时段内可预报性较高的低频特征，识别延伸期的可预报性来源及影响的物理机制是提高延伸期预报水平的关键。近年延伸期可预报性来源、热带大气季节内振荡监测预测和影响等领域的研究取得较大进展，提出和应用了动力统计相结合以及大气低频信号释用等新的延伸期预报方法。对延伸期可预报性来源及其与初值和外强迫异常的关系分析表明，海气相互作用能提高亚洲和西太平洋区域延伸期时段大气环流和要素的可预报性。热带大气季节内振荡、平流层爆发性增温以及各种次季节尺度的海气、陆气耦合作用和大气响应均为延伸期预报提供了重要的可预报性来源。由于数值模式延伸期时段的预报性能与实际业务需求还存在一定距离，基于动力统计相结合和物理统计的延伸期预报方法被广泛应用于业务预报，表现出一定的预报技巧。
10~30 d延伸期的可预报性既依赖于初始条件，也与缓变的下垫面有关，寻找延伸期时段内可预报性较高的低频特征，识别延伸期的可预报性来源及影响的物理机制是提高延伸期预报水平的关键。近年延伸期可预报性来源、热带大气季节内振荡监测预测和影响等领域的研究取得较大进展，提出和应用了动力统计相结合以及大气低频信号释用等新的延伸期预报方法。对延伸期可预报性来源及其与初值和外强迫异常的关系分析表明，海气相互作用能提高亚洲和西太平洋区域延伸期时段大气环流和要素的可预报性。热带大气季节内振荡、平流层爆发性增温以及各种次季节尺度的海气、陆气耦合作用和大气响应均为延伸期预报提供了重要的可预报性来源。由于数值模式延伸期时段的预报性能与实际业务需求还存在一定距离，基于动力统计相结合和物理统计的延伸期预报方法被广泛应用于业务预报，表现出一定的预报技巧。
2019, 30(4): 431-442.
DOI: 10.11898/1001-7313.20190404
摘要:
利用NCEP/NCAR再分析资料，通过合成分析和相关分析，研究了2010年、2013年及2016年夏季江淮地区高温事件发生时，大气环流异常的主要特征及其与北极冷异常的可能联系。结果表明：这3年江淮地区夏季高温事件发生频次明显偏高，期间江淮地区500 hPa位势高度为正异常，对流层中低层平均温度为暖异常，整个对流层和平流层纬向风减弱；而北极500 hPa高度为负异常，对流层中低层平均温度异常偏冷，纬向风明显加强。因此，江淮地区高温事件与对流层纬向风存在密切联系，在东亚中低纬度地区呈负相关，而在北极呈正相关。东亚中低纬度地区对流层西风减弱抑制对流活动，地面吸收太阳短波辐射增加，进而有利于高温事件发生。
利用NCEP/NCAR再分析资料，通过合成分析和相关分析，研究了2010年、2013年及2016年夏季江淮地区高温事件发生时，大气环流异常的主要特征及其与北极冷异常的可能联系。结果表明：这3年江淮地区夏季高温事件发生频次明显偏高，期间江淮地区500 hPa位势高度为正异常，对流层中低层平均温度为暖异常，整个对流层和平流层纬向风减弱；而北极500 hPa高度为负异常，对流层中低层平均温度异常偏冷，纬向风明显加强。因此，江淮地区高温事件与对流层纬向风存在密切联系，在东亚中低纬度地区呈负相关，而在北极呈正相关。东亚中低纬度地区对流层西风减弱抑制对流活动，地面吸收太阳短波辐射增加，进而有利于高温事件发生。
2019, 30(4): 443-455.
DOI: 10.11898/1001-7313.20190405
摘要:
将中国气象科学研究院（CAMS）混合双参数云微物理方案用于中尺度天气模式WRF，开展了对2013年超强台风天兔（1319）的模拟，通过与台风最佳路径、强度及热带降雨测量卫星（TRMM）资料对比，分析CAMS云微物理方案在模拟台风中的适用性及云微物理过程对模拟台风天兔的影响机制。设计了3组敏感性试验：修改雪粒子质量和落速系数（EXP1），采用海洋性云滴参数（EXP2），同时修改雪粒子质量和落速系数并采用海洋性云滴参数（EXP3）。结果表明：EXP1和EXP3由于霰碰并雪速率的增加及减小的雪下落通量，导致雪含量显著降低，同时也减少了整体冰相物的含量；EXP2和EXP3模拟的台风眼区对流有效位能快速减小，再现了前期台风的快速增强过程，路径偏差也最小；各试验模拟的小时降水率总体偏强，EXP3的降水空间分布与实况更接近，明显降低雪粒子含量，并一定程度上改善模拟的台风路径、强度及降水分布等。该结果不但可为改进适用于台风的云微物理参数化方案提供思路，也可加深云微物理过程对台风影响的认识。
将中国气象科学研究院（CAMS）混合双参数云微物理方案用于中尺度天气模式WRF，开展了对2013年超强台风天兔（1319）的模拟，通过与台风最佳路径、强度及热带降雨测量卫星（TRMM）资料对比，分析CAMS云微物理方案在模拟台风中的适用性及云微物理过程对模拟台风天兔的影响机制。设计了3组敏感性试验：修改雪粒子质量和落速系数（EXP1），采用海洋性云滴参数（EXP2），同时修改雪粒子质量和落速系数并采用海洋性云滴参数（EXP3）。结果表明：EXP1和EXP3由于霰碰并雪速率的增加及减小的雪下落通量，导致雪含量显著降低，同时也减少了整体冰相物的含量；EXP2和EXP3模拟的台风眼区对流有效位能快速减小，再现了前期台风的快速增强过程，路径偏差也最小；各试验模拟的小时降水率总体偏强，EXP3的降水空间分布与实况更接近，明显降低雪粒子含量，并一定程度上改善模拟的台风路径、强度及降水分布等。该结果不但可为改进适用于台风的云微物理参数化方案提供思路，也可加深云微物理过程对台风影响的认识。
2019, 30(4): 456-466.
DOI: 10.11898/1001-7313.20190406
摘要:
采用三维变分混合同化方法对双台风菲特（1323）和丹娜丝（1324）、天鹅（0907）和莫拉克（0908）进行数值模拟，并在此基础上，采用移除双台风中任一台风和增强或减弱任一台风的方法，对双台风的相互作用进行了敏感性试验。结果表明：台风丹娜丝的作用导致台风菲特路径偏南，移速偏慢；台风菲特的作用导致台风丹娜丝路径偏北，移速变化不大。双台风相互作用使台风菲特和丹娜丝强度发生变化。在台风菲特强盛阶段强度更强，减弱消亡阶段强度更弱。2013年10月6-9日我国华东地区出现的强降水主要受台风菲特影响，台风丹娜丝使降水强度增强、强降水中心位置偏南。双台风相互作用使台风天鹅移向偏南，移速偏快，但台风天鹅对台风莫拉克的移向、移速影响不大；台风天鹅路径盘旋曲折，每次移向的变化都与台风莫拉克有关；台风天鹅打转程度与台风莫拉克的强度呈正相关，双台风间存在涡度、水汽通量等的相互影响及输送机制。
采用三维变分混合同化方法对双台风菲特（1323）和丹娜丝（1324）、天鹅（0907）和莫拉克（0908）进行数值模拟，并在此基础上，采用移除双台风中任一台风和增强或减弱任一台风的方法，对双台风的相互作用进行了敏感性试验。结果表明：台风丹娜丝的作用导致台风菲特路径偏南，移速偏慢；台风菲特的作用导致台风丹娜丝路径偏北，移速变化不大。双台风相互作用使台风菲特和丹娜丝强度发生变化。在台风菲特强盛阶段强度更强，减弱消亡阶段强度更弱。2013年10月6-9日我国华东地区出现的强降水主要受台风菲特影响，台风丹娜丝使降水强度增强、强降水中心位置偏南。双台风相互作用使台风天鹅移向偏南，移速偏快，但台风天鹅对台风莫拉克的移向、移速影响不大；台风天鹅路径盘旋曲折，每次移向的变化都与台风莫拉克有关；台风天鹅打转程度与台风莫拉克的强度呈正相关，双台风间存在涡度、水汽通量等的相互影响及输送机制。
2019, 30(4): 467-478.
DOI: 10.11898/1001-7313.20190407
摘要:
华北平原是我国主要农作物产区，田间秸秆焚烧现象普遍存在，选取秋收季节（2014年10月）分析了秸秆燃烧的排放特征，利用区域化学传输模型WRF-Chem模拟研究了燃烧排放对气态前体物及其氧化产物的影响，以及最终导致的PM2.5中硫酸盐、硝酸盐和铵盐的变化。研究表明：2014年秋收季节，河南和山东等省份的秸秆燃烧排放会在东南风的输送作用下影响京津冀地区；秸秆燃烧排放大量挥发性有机物（VOCs），导致火点源及周边地区大气中主要氧化剂浓度上升，提升了区域大气氧化能力；当携带大量VOCs的秸秆燃烧烟羽与以化石燃料排放为主的城市气团相混合时，大气氧化性增强会加速城市地区人为源排放的NOx和SO2等气态前体物的氧化过程，提高硫酸盐和硝酸盐的形成速率、促进二次无机气溶胶的生成。
华北平原是我国主要农作物产区，田间秸秆焚烧现象普遍存在，选取秋收季节（2014年10月）分析了秸秆燃烧的排放特征，利用区域化学传输模型WRF-Chem模拟研究了燃烧排放对气态前体物及其氧化产物的影响，以及最终导致的PM2.5中硫酸盐、硝酸盐和铵盐的变化。研究表明：2014年秋收季节，河南和山东等省份的秸秆燃烧排放会在东南风的输送作用下影响京津冀地区；秸秆燃烧排放大量挥发性有机物（VOCs），导致火点源及周边地区大气中主要氧化剂浓度上升，提升了区域大气氧化能力；当携带大量VOCs的秸秆燃烧烟羽与以化石燃料排放为主的城市气团相混合时，大气氧化性增强会加速城市地区人为源排放的NOx和SO2等气态前体物的氧化过程，提高硫酸盐和硝酸盐的形成速率、促进二次无机气溶胶的生成。
2019, 30(4): 479-490.
DOI: 10.11898/1001-7313.20190408
摘要:
雨滴谱的垂直变化特征对于认识降水过程、改进模式和雷达定量估计降水等具有重要意义。利用2016年6月1日-9月30日雨量筒、微雨雷达（micro rain radar，简称MRR）和PARSIVEL雨滴谱仪连续4个月的观测数据，在对比3种仪器观测结果的基础上，研究了层状云降水不同降水强度下微物理特征量和雨滴谱垂直演变特征。结果表明：MRR与PARSIVEL雨滴谱仪观测降水强度相关性较好，且两种仪器观测的雨滴谱在中等粒子段（0.5~2.5 mm）表现出较好的一致性，而对于小粒子段（雨滴直径小于0.5 mm）PARSIVEL雨滴谱仪观测的数浓度明显低于MRR。对于弱降水（降水强度R ≤ 0.2 mm·h-1），液水含量和降水强度随高度降低减小，雨滴在下落过程中蒸发明显。对于较强降水（R>2 mm·h-1），随高度降低，雷达反射率因子增大，小滴数浓度减小的同时大滴数浓度增加明显，雨滴下落过程碰并作用明显。所有高度直径不超过0.5 mm的小滴对数浓度贡献均为最大。高层雨滴直径不小于1 mm的小粒子对降水强度的贡献可达50%，小粒子对降水强度贡献随高度降低减小。
雨滴谱的垂直变化特征对于认识降水过程、改进模式和雷达定量估计降水等具有重要意义。利用2016年6月1日-9月30日雨量筒、微雨雷达（micro rain radar，简称MRR）和PARSIVEL雨滴谱仪连续4个月的观测数据，在对比3种仪器观测结果的基础上，研究了层状云降水不同降水强度下微物理特征量和雨滴谱垂直演变特征。结果表明：MRR与PARSIVEL雨滴谱仪观测降水强度相关性较好，且两种仪器观测的雨滴谱在中等粒子段（0.5~2.5 mm）表现出较好的一致性，而对于小粒子段（雨滴直径小于0.5 mm）PARSIVEL雨滴谱仪观测的数浓度明显低于MRR。对于弱降水（降水强度R ≤ 0.2 mm·h-1），液水含量和降水强度随高度降低减小，雨滴在下落过程中蒸发明显。对于较强降水（R>2 mm·h-1），随高度降低，雷达反射率因子增大，小滴数浓度减小的同时大滴数浓度增加明显，雨滴下落过程碰并作用明显。所有高度直径不超过0.5 mm的小滴对数浓度贡献均为最大。高层雨滴直径不小于1 mm的小粒子对降水强度的贡献可达50%，小粒子对降水强度贡献随高度降低减小。
2019, 30(4): 491-501.
DOI: 10.11898/1001-7313.20190409
摘要:
利用2014年6月-2017年9月的秒级探空资料，选取四川地区5个代表性站点研究重力波在对流层（2~10 km）和平流层（18~25 km）的时空特征。选取结果表明：重力波能量在四川地区各个高度均存在明显的季节变化，冬季强，夏季弱；在对流层由于地形影响，川西和川北高原地区的能量小于其他地区。垂直波长没有明显的时空变化，在对流层和平流层分别集中分布于1.5~3 km和1.5~3.5 km；水平波长则差别较大，分别分布于0~300 km和100~700 km，平均值分别为100 km和350 km。重力波固有频率在对流层有较大的区域差异，表现为在四川西北部的高原地区固有频率平均值为3f（f为地转参数），其他地区则仅为2.4f；平流层则没有明显的差异存在，均约为2f。四川地区重力波的垂直传播方向特征基本相同，在对流层约有50%的波动向上传播，平流层则有90%以上的波动向上传播。水平传播则存在明显的不确定性，特别是对流层；平流层水平传播方向存在明显的季节变化，表现为夏季重力波多向偏东方向传播，而其他季节则向偏西方向传播。
利用2014年6月-2017年9月的秒级探空资料，选取四川地区5个代表性站点研究重力波在对流层（2~10 km）和平流层（18~25 km）的时空特征。选取结果表明：重力波能量在四川地区各个高度均存在明显的季节变化，冬季强，夏季弱；在对流层由于地形影响，川西和川北高原地区的能量小于其他地区。垂直波长没有明显的时空变化，在对流层和平流层分别集中分布于1.5~3 km和1.5~3.5 km；水平波长则差别较大，分别分布于0~300 km和100~700 km，平均值分别为100 km和350 km。重力波固有频率在对流层有较大的区域差异，表现为在四川西北部的高原地区固有频率平均值为3f（f为地转参数），其他地区则仅为2.4f；平流层则没有明显的差异存在，均约为2f。四川地区重力波的垂直传播方向特征基本相同，在对流层约有50%的波动向上传播，平流层则有90%以上的波动向上传播。水平传播则存在明显的不确定性，特别是对流层；平流层水平传播方向存在明显的季节变化，表现为夏季重力波多向偏东方向传播，而其他季节则向偏西方向传播。
2019, 30(4): 502-512.
DOI: 10.11898/1001-7313.20190410
摘要:
开展气象数值模式在神威·太湖之光系统的移植与优化，对研究模式与新型计算架构的适应性有重要意义。该文以BCCAGCM模式为研究对象，将其移植到神威·太湖之光全国产异构众核计算系统，进行性能分析，对模式动力框架和物理过程计算结构进行调整，将计算核心段采用OpenACC技术进行众核加速优化，大量代码进行算法重构。结果表明：各核心段计算效率基本达到未优化的3倍左右，最高可达14倍左右，将各核心段集成，形成异构众核集成版本，可正确、稳定运行，计算误差合理。在不同并行规模，采用从核对模式整体计算进行加速效果比较稳定，基本保持在1.9倍，26000核并行规模动力试验并行效率约70%，其他试验约为57%。
开展气象数值模式在神威·太湖之光系统的移植与优化，对研究模式与新型计算架构的适应性有重要意义。该文以BCCAGCM模式为研究对象，将其移植到神威·太湖之光全国产异构众核计算系统，进行性能分析，对模式动力框架和物理过程计算结构进行调整，将计算核心段采用OpenACC技术进行众核加速优化，大量代码进行算法重构。结果表明：各核心段计算效率基本达到未优化的3倍左右，最高可达14倍左右，将各核心段集成，形成异构众核集成版本，可正确、稳定运行，计算误差合理。在不同并行规模，采用从核对模式整体计算进行加速效果比较稳定，基本保持在1.9倍，26000核并行规模动力试验并行效率约70%，其他试验约为57%。
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