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中国气象局2020年 第31卷 第5期
摘要
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2020, 31(5): 513-526.
DOI: 10.11898/1001-7313.20200501
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摘要:
利用自动气象站资料、FY-2G卫星TBB（black body temperature）产品、多普勒雷达组网资料和NCEP FNL分析资料对超强台风利奇马（1909）极端强降雨观测特征、热动力结构演变和水汽输送进行分析。结果表明：此次台风大暴雨覆盖华东大部，极端强降雨区（过程雨量超过350 mm）位于浙江东部和山东中部，21个国家级气象站突破日雨量历史极值；副热带高压、台风和西风槽相互作用以及华东沿海强劲东南风急流为台风利奇马（1909）长时间维持与强降雨发生提供了有利的环境条件。浙江东部极端强降雨主要由发展极为强盛的台风本体产生，垂直深厚涡旋系统强烈的上升运动和台风眼墙区密实的深对流系统导致雨强大且降雨集中；而山东中部极端强降雨则与台风非对称结构演变和冷空气侵入密切相关。倒槽锋生、台风北侧3条螺旋雨带北移汇入及地形迎风坡处的列车效应导致山东中部远距离暴雨发生，随着500 hPa干冷空气从低层不断侵入，在台风西侧118°E附近形成向西倾斜的假相当位温锋区，暖湿气流爬升引发第2阶段稳定性降雨。
2020, 31(5): 527-542.
DOI: 10.11898/1001-7313.20200502
摘要:
基于欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）集合预报系统的降水相态产品（precipitation type，PTYPE），分别以HSS评分最优、TS评分最优和频率偏差最优为标准，运用最优概率阈值法，生成雨、雨夹雪、雪和冻雨4类降水相态的确定性预报产品，并与ECMWF集合预报系统控制成员及细网格模式确定性预报进行对比。最优概率阈值显示：3种最优标准下，不同相态降水最优概率阈值不同，但冻雨和降雪最优概率阈值均最大，为40%~80%，雨夹雪最优概率阈值最小，约为10%，三者最优概率阈值均随预报时效延长而减小；降雨最优概率阈值为7%~25%，随预报时效延长而增大。对比检验结果显示：最优概率阈值法明显提高了降水相态预报能力，且以HSS评分最优时预报效果最佳；最优概率阈值法有效减小冻雨空报，同时显著改善降雨和降雪预报的频率偏差和TS评分，对雨夹雪预报改进效果有限。
基于欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）集合预报系统的降水相态产品（precipitation type，PTYPE），分别以HSS评分最优、TS评分最优和频率偏差最优为标准，运用最优概率阈值法，生成雨、雨夹雪、雪和冻雨4类降水相态的确定性预报产品，并与ECMWF集合预报系统控制成员及细网格模式确定性预报进行对比。最优概率阈值显示：3种最优标准下，不同相态降水最优概率阈值不同，但冻雨和降雪最优概率阈值均最大，为40%~80%，雨夹雪最优概率阈值最小，约为10%，三者最优概率阈值均随预报时效延长而减小；降雨最优概率阈值为7%~25%，随预报时效延长而增大。对比检验结果显示：最优概率阈值法明显提高了降水相态预报能力，且以HSS评分最优时预报效果最佳；最优概率阈值法有效减小冻雨空报，同时显著改善降雨和降雪预报的频率偏差和TS评分，对雨夹雪预报改进效果有限。
2020, 31(5): 543-555.
DOI: 10.11898/1001-7313.20200503
摘要:
运用WRF模式（Weather Research and Forecasting Model，天气研究和预报模式）和WRFDA同化（WRF Data Assimilation，WRF资料同化）系统，探究采用物理滤波初始化四维变分同化方法提高数值预报在临近预报时效的预报能力的可能性。通过采用12 min同化窗，在不显著增加计算量的情况下，得到更协调的模式初始场，从而提高模式预报能力。选取2018年8月华北地区17个降水个例进行研究，结果表明：采用物理滤波初始化四维变分同化技术能够明显改进模式短时临近降水预报能力，明显提高对大量级降水预报的ETS评分，6 h累积降水大于25.0 mm量级的ETS评分由0.125提高到0.190，且6 h累积降水大于60.0 mm量级的ETS评分由0.016提高到0.081。研究还表明：同化雷达风场通过改进初始动力场使次网格尺度降水过程（积云参数化）快速响应，可提高短时临近时段的降水预报能力。
运用WRF模式（Weather Research and Forecasting Model，天气研究和预报模式）和WRFDA同化（WRF Data Assimilation，WRF资料同化）系统，探究采用物理滤波初始化四维变分同化方法提高数值预报在临近预报时效的预报能力的可能性。通过采用12 min同化窗，在不显著增加计算量的情况下，得到更协调的模式初始场，从而提高模式预报能力。选取2018年8月华北地区17个降水个例进行研究，结果表明：采用物理滤波初始化四维变分同化技术能够明显改进模式短时临近降水预报能力，明显提高对大量级降水预报的ETS评分，6 h累积降水大于25.0 mm量级的ETS评分由0.125提高到0.190，且6 h累积降水大于60.0 mm量级的ETS评分由0.016提高到0.081。研究还表明：同化雷达风场通过改进初始动力场使次网格尺度降水过程（积云参数化）快速响应，可提高短时临近时段的降水预报能力。
2020, 31(5): 556-569.
DOI: 10.11898/1001-7313.20200504
摘要:
2007年3月3—5日和2016年5月2—3日有两个气旋（简称C304和C502）在江淮流域生成后，以相似路径影响东北地区，但发展强度不同。利用常规观测资料和NCEP FNL分析资料，通过对涡度平流、温度平流、湿位势涡度及锋生函数等物理量进行诊断并结合高、低空环流形势对两个气旋发展动力机制进行对比分析，结果表明：C304低空温度平流在气旋发展初期起主要作用，高空正涡度平流为地面气旋发展提供高空辐散场，地面气旋中心上空垂直上升运动增强，对流层低层斜压性明显，气旋性涡度增加主要在对流层下层，低空斜压强迫是主要发展机制；C502低空温度平流弱，斜压性不明显，高空正涡度平流促使高空闭合环流发展，对流层上层有高湿位涡舌发展下垂并与对流层下层正湿位涡柱耦合贯通，垂直上升运动分布在地面气旋中心两侧，高空位涡下传是主要发展机制。两个气旋发生发展在对流层上层两支急流共存、急流非纬向性反气旋性弯曲环流形势下，对流层低层为气旋式环流背景。
2007年3月3—5日和2016年5月2—3日有两个气旋（简称C304和C502）在江淮流域生成后，以相似路径影响东北地区，但发展强度不同。利用常规观测资料和NCEP FNL分析资料，通过对涡度平流、温度平流、湿位势涡度及锋生函数等物理量进行诊断并结合高、低空环流形势对两个气旋发展动力机制进行对比分析，结果表明：C304低空温度平流在气旋发展初期起主要作用，高空正涡度平流为地面气旋发展提供高空辐散场，地面气旋中心上空垂直上升运动增强，对流层低层斜压性明显，气旋性涡度增加主要在对流层下层，低空斜压强迫是主要发展机制；C502低空温度平流弱，斜压性不明显，高空正涡度平流促使高空闭合环流发展，对流层上层有高湿位涡舌发展下垂并与对流层下层正湿位涡柱耦合贯通，垂直上升运动分布在地面气旋中心两侧，高空位涡下传是主要发展机制。两个气旋发生发展在对流层上层两支急流共存、急流非纬向性反气旋性弯曲环流形势下，对流层低层为气旋式环流背景。
2020, 31(5): 570-582.
DOI: 10.11898/1001-7313.20200505
摘要:
影响我国夏季汛期降水异常的因子繁多，不同因子之间复杂的相互作用制约我国夏季降水季节预测水平。目前动力模式对降水预测技巧水平较低，如何开发客观统计预报方法，提高我国夏季降水预报技巧依然存在挑战。该文基于最小二乘法拟合和交叉检验方法，提出一种搜索预测因子潜在预测技巧的方法（潜在技巧分布图），并基于该方法开发预测因子自动选择器，建立中国夏季降水异常自动统计预测模型。与传统线性相关分析相比，潜在技巧分布图不受极端气候事件影响，可直观展现具有显著预测技巧的前兆信号，而预测因子自动选择器则能从潜在技巧分布图中自动筛选最优预测因子，获得逐年不同的预测因子，更符合中国夏季降水异常影响因子多样性的客观事实。在完全剔除预测当年信息的回报试验中，该预测模型对1999—2019年中国夏季汛期降水异常的历史回报技巧明显高于动力模式。通过方差订正，历史回报降水的PS评分从71.00分提高到82.10分，显示了该模型的潜在预报潜力。
影响我国夏季汛期降水异常的因子繁多，不同因子之间复杂的相互作用制约我国夏季降水季节预测水平。目前动力模式对降水预测技巧水平较低，如何开发客观统计预报方法，提高我国夏季降水预报技巧依然存在挑战。该文基于最小二乘法拟合和交叉检验方法，提出一种搜索预测因子潜在预测技巧的方法（潜在技巧分布图），并基于该方法开发预测因子自动选择器，建立中国夏季降水异常自动统计预测模型。与传统线性相关分析相比，潜在技巧分布图不受极端气候事件影响，可直观展现具有显著预测技巧的前兆信号，而预测因子自动选择器则能从潜在技巧分布图中自动筛选最优预测因子，获得逐年不同的预测因子，更符合中国夏季降水异常影响因子多样性的客观事实。在完全剔除预测当年信息的回报试验中，该预测模型对1999—2019年中国夏季汛期降水异常的历史回报技巧明显高于动力模式。通过方差订正，历史回报降水的PS评分从71.00分提高到82.10分，显示了该模型的潜在预报潜力。
2020, 31(5): 583-594.
DOI: 10.11898/1001-7313.20200506
摘要:
利用地面激光雷达、太阳光度计观测反演气溶胶光学特性参数，结合PM2.5观测数据，分析了2018年1月25—28日北京一次完整污染过程中气溶胶光学特性变化。基于观测数据，利用短波辐射传输模式计算了不同程度污染日，晴空背景下气溶胶对辐射加热率的改变程度。结果表明：清洁日（25日），PM2.5日平均质量浓度为19.00 μg·m-3，440 nm气溶胶光学厚度为0.13，单次散射反照率为0.87，整层气溶胶消光系数低于0.10 km-1，短波辐射均为增温效应；污染期间（26—27日），PM2.5日平均质量浓度为83.21 μg·m-3，气溶胶光学厚度为2.48，气溶胶散射能力增强，单次散射反照率达到0.94，气溶胶主要消光层厚度提升至3.00 km高度，消光系数平均值为0.43 km-1，气溶胶在垂直方向的变化导致气溶胶中上层（1.50~3.00 km高度）加热作用强烈，短波辐射加热率平均值达到13.89 K·d-1，而低层（1.50 km高度以内）加热作用较弱，加热率平均值仅为0.99 K·d-1。气溶胶散射能力增强导致加热作用减弱，污染日加热率对于气溶胶散射能力变化更敏感。
利用地面激光雷达、太阳光度计观测反演气溶胶光学特性参数，结合PM2.5观测数据，分析了2018年1月25—28日北京一次完整污染过程中气溶胶光学特性变化。基于观测数据，利用短波辐射传输模式计算了不同程度污染日，晴空背景下气溶胶对辐射加热率的改变程度。结果表明：清洁日（25日），PM2.5日平均质量浓度为19.00 μg·m-3，440 nm气溶胶光学厚度为0.13，单次散射反照率为0.87，整层气溶胶消光系数低于0.10 km-1，短波辐射均为增温效应；污染期间（26—27日），PM2.5日平均质量浓度为83.21 μg·m-3，气溶胶光学厚度为2.48，气溶胶散射能力增强，单次散射反照率达到0.94，气溶胶主要消光层厚度提升至3.00 km高度，消光系数平均值为0.43 km-1，气溶胶在垂直方向的变化导致气溶胶中上层（1.50~3.00 km高度）加热作用强烈，短波辐射加热率平均值达到13.89 K·d-1，而低层（1.50 km高度以内）加热作用较弱，加热率平均值仅为0.99 K·d-1。气溶胶散射能力增强导致加热作用减弱，污染日加热率对于气溶胶散射能力变化更敏感。
2020, 31(5): 595-607.
DOI: 10.11898/1001-7313.20200507
摘要:
S波段天气雷达在夜间往往能探测到大量晴空回波。根据生物随风迁飞迁徙的定向运动特征，结合L波段无线电探空数据与2018年3—10月北京S波段天气雷达数据，分析晴空回波在不同时段、不同风向下的变化，讨论晴空回波产生原因。通过天气雷达数据发现，晴空回波的反射率因子在6—8月初明显小于5月与9月，呈回波强度低谷，同时在5月与9月晴空回波高度可达2 km以上。通过与100 m，750 m和1.5 km高度的探空风向数据对比，反射率因子平均值未展现生物定向迁飞活动所导致的强度变化特征，反射率因子分布不随风向发生明显的季节性变化。与探空数据对比发现，温度垂直递减率与水平风切变大小的变化趋势与组合反射率因子变化趋势一致，认为北京地区晴空回波主要由大气边界层湍流造成。
S波段天气雷达在夜间往往能探测到大量晴空回波。根据生物随风迁飞迁徙的定向运动特征，结合L波段无线电探空数据与2018年3—10月北京S波段天气雷达数据，分析晴空回波在不同时段、不同风向下的变化，讨论晴空回波产生原因。通过天气雷达数据发现，晴空回波的反射率因子在6—8月初明显小于5月与9月，呈回波强度低谷，同时在5月与9月晴空回波高度可达2 km以上。通过与100 m，750 m和1.5 km高度的探空风向数据对比，反射率因子平均值未展现生物定向迁飞活动所导致的强度变化特征，反射率因子分布不随风向发生明显的季节性变化。与探空数据对比发现，温度垂直递减率与水平风切变大小的变化趋势与组合反射率因子变化趋势一致，认为北京地区晴空回波主要由大气边界层湍流造成。
2020, 31(5): 608-619.
DOI: 10.11898/1001-7313.20200508
摘要:
为了研究星载测雨雷达和地基雷达探测数据存在差异的本质原因，将GPM（Global Precipitation Measurement Mission）星载双频测雨雷达（dual-frequency precipitation radar，DPR）和南京信息工程大学C波段双偏振雷达（CDP）的反射率因子进行时空匹配，并基于水凝物分类定量分析两者探测的相似性和差异性。结果表明：GPM DPR与CDP探测的反射率因子整体一致性较好，经过衰减订正和波段修正，两者的相关系数约为0.86，达到0.001显著性水平，均方根误差约为3.33 dB。基于T-矩阵法拟合C和Ku波段探测不同水凝物等效反射率因子的波段修正公式，在衰减订正基础上针对不同水凝物类型的回波进行波段修正，二者探测湿雪、霰、大滴和中雨回波的相关性较好；受干雪几何形状影响，探测干雪回波的相关性较低；探测大雨和冰晶回波的相关性较差。DPR中NS和HS模式探测存在差异，DPR NS模式对强回波敏感，而DPR HS模式对弱回波敏感。
为了研究星载测雨雷达和地基雷达探测数据存在差异的本质原因，将GPM（Global Precipitation Measurement Mission）星载双频测雨雷达（dual-frequency precipitation radar，DPR）和南京信息工程大学C波段双偏振雷达（CDP）的反射率因子进行时空匹配，并基于水凝物分类定量分析两者探测的相似性和差异性。结果表明：GPM DPR与CDP探测的反射率因子整体一致性较好，经过衰减订正和波段修正，两者的相关系数约为0.86，达到0.001显著性水平，均方根误差约为3.33 dB。基于T-矩阵法拟合C和Ku波段探测不同水凝物等效反射率因子的波段修正公式，在衰减订正基础上针对不同水凝物类型的回波进行波段修正，二者探测湿雪、霰、大滴和中雨回波的相关性较好；受干雪几何形状影响，探测干雪回波的相关性较低；探测大雨和冰晶回波的相关性较差。DPR中NS和HS模式探测存在差异，DPR NS模式对强回波敏感，而DPR HS模式对弱回波敏感。
2020, 31(5): 620-630.
DOI: 10.11898/1001-7313.20200509
摘要:
近年华北地区大面积推行保护性耕作措施和作物秸秆粉碎还田，冬小麦与夏玉米一年两熟连续轮作种植，为沟金针虫创造了有利的取食和栖息环境。地处华北北部的中国气象局固城农业气象野外科学试验基地2018—2019年秋季、冬季、春季气温出现了冷暖交替，尤其最低气温显著偏高，诱发麦田沟金针虫爆发性发生为害。据春季麦田挖土调查，虫口密度最高达144头·m-2，虫口重量最重达18.764 g·m-2。58个调查点达防治指标5头·m-2占98.27%。拔节-收获期调查虫口密度孕穗期最高，拔节期次之，收获期最低。冬小麦与夏玉米禾本科作物连作种植田间虫口密度达35.3~40.4头·m-2，显著高于前茬大豆、玉米、冬小麦休闲地，且花生地、春玉米地比大豆地虫口密度高5倍多，虫口重量高10倍以上。成熟期虫害麦田测产，籽粒减产36.8%；虫口密度增加10头·m-2，籽粒减产率增加4.824%；虫口重量增加1 g·m-2，籽粒减产率增加3.871%；植株虫害率增加10%，籽粒减产率增加11.587%。
近年华北地区大面积推行保护性耕作措施和作物秸秆粉碎还田，冬小麦与夏玉米一年两熟连续轮作种植，为沟金针虫创造了有利的取食和栖息环境。地处华北北部的中国气象局固城农业气象野外科学试验基地2018—2019年秋季、冬季、春季气温出现了冷暖交替，尤其最低气温显著偏高，诱发麦田沟金针虫爆发性发生为害。据春季麦田挖土调查，虫口密度最高达144头·m-2，虫口重量最重达18.764 g·m-2。58个调查点达防治指标5头·m-2占98.27%。拔节-收获期调查虫口密度孕穗期最高，拔节期次之，收获期最低。冬小麦与夏玉米禾本科作物连作种植田间虫口密度达35.3~40.4头·m-2，显著高于前茬大豆、玉米、冬小麦休闲地，且花生地、春玉米地比大豆地虫口密度高5倍多，虫口重量高10倍以上。成熟期虫害麦田测产，籽粒减产36.8%；虫口密度增加10头·m-2，籽粒减产率增加4.824%；虫口重量增加1 g·m-2，籽粒减产率增加3.871%；植株虫害率增加10%，籽粒减产率增加11.587%。
2020, 31(5): 631-640.
DOI: 10.11898/1001-7313.20200510
摘要:
基于最大熵模型（MaxEnt）和GIS技术，提出一种薄壳山核桃气候适宜性区划方法。利用美国本土274个种植点，结合美国本土和中国云南省1981—2010年气候数据开展薄壳山核桃气候适宜性区划研究。结果表明：7月平均气温、年平均气温、30年极端最低气温、年降水量、3—5月降水量、年日照时数和4—5月日照时数为影响薄壳山核桃气候适宜性的主要气候因子。基于美国本土种植点构建的MaxEnt模型在该区域具有较高精度，但将模型直接外推用于中国云南省可靠性不足。因此，利用模拟区域和训练样本气候因子值域的偏离程度改进气候适宜性指数，并将云南省薄壳山核桃适宜性划分为最适宜、适宜、次适宜和不适宜4个等级。其中，最适宜区和适宜区分布于热量资源丰富、日照相对充足并具备较好冬季低温条件的亚热带地区和热带地区边缘。受云南省复杂地形和气候条件影响，区划结果呈现出破碎化分布。
基于最大熵模型（MaxEnt）和GIS技术，提出一种薄壳山核桃气候适宜性区划方法。利用美国本土274个种植点，结合美国本土和中国云南省1981—2010年气候数据开展薄壳山核桃气候适宜性区划研究。结果表明：7月平均气温、年平均气温、30年极端最低气温、年降水量、3—5月降水量、年日照时数和4—5月日照时数为影响薄壳山核桃气候适宜性的主要气候因子。基于美国本土种植点构建的MaxEnt模型在该区域具有较高精度，但将模型直接外推用于中国云南省可靠性不足。因此，利用模拟区域和训练样本气候因子值域的偏离程度改进气候适宜性指数，并将云南省薄壳山核桃适宜性划分为最适宜、适宜、次适宜和不适宜4个等级。其中，最适宜区和适宜区分布于热量资源丰富、日照相对充足并具备较好冬季低温条件的亚热带地区和热带地区边缘。受云南省复杂地形和气候条件影响，区划结果呈现出破碎化分布。
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