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中国气象局2021年 第32卷 第2期
摘要
PDF 642KB
2021, 32(2): 129-145.
DOI: 10.11898/1001-7313.20210201
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摘要:
茶树作为我国主要经济作物，在早春萌发时易遭受霜冻害。我国茶树春霜冻多发于长江中下游，霜冻灾害指标可按照获取方法、数据类别、气象数据的时间尺度进一步细分。在气候变化背景下，茶树春霜冻发生次数虽呈下降趋势，但其危害不可忽视；其中，江南茶区茶树春霜冻的发生频率由南向北逐渐增加，随海拔升高逐渐增大。茶树春霜冻影响评估目前多集中于江、浙、皖、赣等茶区，且逐步由定性向定量发展；风险评估主要基于自然灾害风险形成机制划分不同的风险等级。今后，完善茶树春霜冻气象指标、构建基于茶园小气候的茶树春霜冻灾害指标、阐明全国茶树春霜冻时空分布特征、开展精细化茶树春霜冻风险评估将备受关注。
茶树作为我国主要经济作物，在早春萌发时易遭受霜冻害。我国茶树春霜冻多发于长江中下游，霜冻灾害指标可按照获取方法、数据类别、气象数据的时间尺度进一步细分。在气候变化背景下，茶树春霜冻发生次数虽呈下降趋势，但其危害不可忽视；其中，江南茶区茶树春霜冻的发生频率由南向北逐渐增加，随海拔升高逐渐增大。茶树春霜冻影响评估目前多集中于江、浙、皖、赣等茶区，且逐步由定性向定量发展；风险评估主要基于自然灾害风险形成机制划分不同的风险等级。今后，完善茶树春霜冻气象指标、构建基于茶园小气候的茶树春霜冻灾害指标、阐明全国茶树春霜冻时空分布特征、开展精细化茶树春霜冻风险评估将备受关注。
2021, 32(2): 146-159.
DOI: 10.11898/1001-7313.20210202
摘要:
碘化银（AgI）类催化剂是人工影响天气外场试验和业务作业中使用最广泛的催化剂，其核化效率和核化机制在很大程度上影响催化效果。在总结美国、中国和欧洲多个国家利用云室和风洞研究AgI类催化剂的核化机制、核化阈温及成核率的室内实验成果的基础上，梳理利用室内实验成果发展的AgI数值催化模式，旨在为下一步优选新型高效AgI类催化剂和改进数值催化模式提供借鉴。AgI类催化剂核化机制包括凝华核化、接触冻结核化、凝结冻结核化和浸没冻结核化，其核化过程受大气温湿条件、催化剂粒子大小、成分等多种因素影响，并与催化剂粒子的燃烧溶液法、燃烧焰剂法和爆炸法等发生方式有关。目前国内外使用的AgI类催化剂含有不同成分，有多种催化剂粒子产生方式，催化剂粒子的核化机制和成核率有很大差异。将来应重点基于高性能云室和风洞，分析不同催化剂配方的核化机制和成核率，优选新型高效催化剂，改进AgI数值催化模式。
碘化银（AgI）类催化剂是人工影响天气外场试验和业务作业中使用最广泛的催化剂，其核化效率和核化机制在很大程度上影响催化效果。在总结美国、中国和欧洲多个国家利用云室和风洞研究AgI类催化剂的核化机制、核化阈温及成核率的室内实验成果的基础上，梳理利用室内实验成果发展的AgI数值催化模式，旨在为下一步优选新型高效AgI类催化剂和改进数值催化模式提供借鉴。AgI类催化剂核化机制包括凝华核化、接触冻结核化、凝结冻结核化和浸没冻结核化，其核化过程受大气温湿条件、催化剂粒子大小、成分等多种因素影响，并与催化剂粒子的燃烧溶液法、燃烧焰剂法和爆炸法等发生方式有关。目前国内外使用的AgI类催化剂含有不同成分，有多种催化剂粒子产生方式，催化剂粒子的核化机制和成核率有很大差异。将来应重点基于高性能云室和风洞，分析不同催化剂配方的核化机制和成核率，优选新型高效催化剂，改进AgI数值催化模式。
2021, 32(2): 160-174.
DOI: 10.11898/1001-7313.20210203
摘要:
基于1958—2018年中国北方冬小麦主产区8个主产省（市）小麦蚜虫发生面积、防治面积和小麦播种面积、产量损失、561个气象站点逐日气象资料和典型农业气象站小麦发育期资料，采用相关分析、主成分分析和回归分析等方法，构建华北、黄淮及苏皖地区小麦蚜虫分区域的气候致灾指数。以小麦蚜虫年代际气候致灾指数所划分不同致灾等级发生频次作为小麦蚜虫气候危险性指标，采用小麦蚜虫发生面积率作为脆弱性指标，防治面积与发生面积比值作为防灾减灾能力指标，综合评估小麦蚜虫气候风险趋势。结果表明：北方冬小麦主产区小麦蚜虫气候危险性呈增加态势，年代际差异明显；小麦蚜虫发生脆弱性随年代变化也呈逐步加重态势；小麦蚜虫防灾减灾能力总体呈逐步增强趋势，20世纪90年代提升显著；90年代起小麦蚜虫气候风险逐步加重，高风险范围逐渐扩大，华北、黄淮分别于21世纪初、2011—2018年风险等级达最高；小麦蚜虫气候风险高的区域主要分布在北京、天津、河北中南部大部、山东北部部分地区，较高区域分布在山东大部、河南北部等地。
基于1958—2018年中国北方冬小麦主产区8个主产省（市）小麦蚜虫发生面积、防治面积和小麦播种面积、产量损失、561个气象站点逐日气象资料和典型农业气象站小麦发育期资料，采用相关分析、主成分分析和回归分析等方法，构建华北、黄淮及苏皖地区小麦蚜虫分区域的气候致灾指数。以小麦蚜虫年代际气候致灾指数所划分不同致灾等级发生频次作为小麦蚜虫气候危险性指标，采用小麦蚜虫发生面积率作为脆弱性指标，防治面积与发生面积比值作为防灾减灾能力指标，综合评估小麦蚜虫气候风险趋势。结果表明：北方冬小麦主产区小麦蚜虫气候危险性呈增加态势，年代际差异明显；小麦蚜虫发生脆弱性随年代变化也呈逐步加重态势；小麦蚜虫防灾减灾能力总体呈逐步增强趋势，20世纪90年代提升显著；90年代起小麦蚜虫气候风险逐步加重，高风险范围逐渐扩大，华北、黄淮分别于21世纪初、2011—2018年风险等级达最高；小麦蚜虫气候风险高的区域主要分布在北京、天津、河北中南部大部、山东北部部分地区，较高区域分布在山东大部、河南北部等地。
2021, 32(2): 175-187.
DOI: 10.11898/1001-7313.20210204
摘要:
以中国北方7个苹果主产省为研究区域，基于研究区域及周边100 m范围内210个气象站1970—2019年逐日气象数据和1 km分辨率的数字高程数据，采用最小湿度法对作物系数（Kc）进行逐日估算，并利用基于样条函数插值理论的专业气象插值软件ANUSPLIN对逐日气象数据进行空间插值，计算苹果各关键生育期需水量和降水适宜度。结合苹果优势主产区地理分布确定降水适宜度阈值范围。利用相关数理统计方法明确苹果需水特征和降水适宜度时空变化特征，并对苹果全生育期降水适宜性进行评价。结果表明：苹果全年平均需水量大多数区域为500.0~800.0 mm，萌芽-幼果期、果实膨大期和着色-成熟期平均需水量占全年平均需水量的比率分别为0.186~0.282，0.392~0.562和0.159~0.282。苹果全年、萌芽-幼果期、果实膨大期和着色-成熟期降水适宜度阈值范围分别为0.49~2.07，0.25~1.70，0.54~2.25和0.46~2.65。各生育阶段降水适宜度处在阈值范围内的区域分别占85.4%，87.4%，85.6%和84.9%。苹果全生育期降水的最适宜、次适宜和不适宜区分别占研究区域的31.9%，50.6%和17.5%。
以中国北方7个苹果主产省为研究区域，基于研究区域及周边100 m范围内210个气象站1970—2019年逐日气象数据和1 km分辨率的数字高程数据，采用最小湿度法对作物系数（Kc）进行逐日估算，并利用基于样条函数插值理论的专业气象插值软件ANUSPLIN对逐日气象数据进行空间插值，计算苹果各关键生育期需水量和降水适宜度。结合苹果优势主产区地理分布确定降水适宜度阈值范围。利用相关数理统计方法明确苹果需水特征和降水适宜度时空变化特征，并对苹果全生育期降水适宜性进行评价。结果表明：苹果全年平均需水量大多数区域为500.0~800.0 mm，萌芽-幼果期、果实膨大期和着色-成熟期平均需水量占全年平均需水量的比率分别为0.186~0.282，0.392~0.562和0.159~0.282。苹果全年、萌芽-幼果期、果实膨大期和着色-成熟期降水适宜度阈值范围分别为0.49~2.07，0.25~1.70，0.54~2.25和0.46~2.65。各生育阶段降水适宜度处在阈值范围内的区域分别占85.4%，87.4%，85.6%和84.9%。苹果全生育期降水的最适宜、次适宜和不适宜区分别占研究区域的31.9%，50.6%和17.5%。
2021, 32(2): 188-199.
DOI: 10.11898/1001-7313.20210205
摘要:
使用2015—2019年6—9月08：00（北京时）我国119个探空站的大气层结和对流参数作为特征参数，基于XGBoost集成学习方法，建立短时强降水事件预报模型。同时，提出一种面向高影响天气的模型优化思路，通过使用分段权重损失函数，进行模型调优，在空报率不超过一定阈值的情况下，可提升模型预报的命中率和TS评分。设计分段权重损失函数权重敏感性试验和损失函数对比试验，选取7个区域中心探空站对比分析模型优化方法的有效性和泛化性。利用2019年6—9月全国探空数据针对短时强降水预报开展批量独立检验和个例分析，结果表明：改进后的预报模型TS评分提高0.05~0.1，命中率提高0.15以上，空报率提高0.05~0.1，表现出明显的“宁空勿漏”预报倾向，模型预报能力得到明显提升；在全国短时强降水预报试验中，预报模型命中率为0.65，空报率为0.37，漏报率为0.34，TS评分为0.47，说明该模型对短时强降水天气具有一定预报能力。
使用2015—2019年6—9月08：00（北京时）我国119个探空站的大气层结和对流参数作为特征参数，基于XGBoost集成学习方法，建立短时强降水事件预报模型。同时，提出一种面向高影响天气的模型优化思路，通过使用分段权重损失函数，进行模型调优，在空报率不超过一定阈值的情况下，可提升模型预报的命中率和TS评分。设计分段权重损失函数权重敏感性试验和损失函数对比试验，选取7个区域中心探空站对比分析模型优化方法的有效性和泛化性。利用2019年6—9月全国探空数据针对短时强降水预报开展批量独立检验和个例分析，结果表明：改进后的预报模型TS评分提高0.05~0.1，命中率提高0.15以上，空报率提高0.05~0.1，表现出明显的“宁空勿漏”预报倾向，模型预报能力得到明显提升；在全国短时强降水预报试验中，预报模型命中率为0.65，空报率为0.37，漏报率为0.34，TS评分为0.47，说明该模型对短时强降水天气具有一定预报能力。
2021, 32(2): 200-216.
DOI: 10.11898/1001-7313.20210206
摘要:
X波段双偏振雷达具有时空分辨率高、易于布网的特点，但散射特性差异和衰减影响使现有S波段雷达的相态识别和拼图算法不适用于X波段双偏振雷达。该文针对X波段相态识别及拼图产品的关键技术开展研究，提出基于准垂直剖面的融化层识别方法、基于数据质量的置信度阈值调整方法、基于统计的隶属函数参数改进方法和基于衰减程度的拼图融合方法。通过对比改进后可有效提升水凝物相态识别结果的可靠性和多雷达拼图结果的合理性。在2016年汛期北京典型个例中，融合后的X波段雷达网与当地S波段业务雷达相比能够提供更精细的回波结构和水凝物相态分布，有效缓解S波段雷达在近处探测能力降低的问题，识别的降雹区与地面观测相符。
X波段双偏振雷达具有时空分辨率高、易于布网的特点，但散射特性差异和衰减影响使现有S波段雷达的相态识别和拼图算法不适用于X波段双偏振雷达。该文针对X波段相态识别及拼图产品的关键技术开展研究，提出基于准垂直剖面的融化层识别方法、基于数据质量的置信度阈值调整方法、基于统计的隶属函数参数改进方法和基于衰减程度的拼图融合方法。通过对比改进后可有效提升水凝物相态识别结果的可靠性和多雷达拼图结果的合理性。在2016年汛期北京典型个例中，融合后的X波段雷达网与当地S波段业务雷达相比能够提供更精细的回波结构和水凝物相态分布，有效缓解S波段雷达在近处探测能力降低的问题，识别的降雹区与地面观测相符。
2021, 32(2): 217-232.
DOI: 10.11898/1001-7313.20210207
摘要:
基于S波段多普勒天气雷达基数据、北京闪电定位网全闪定位数据和北京地区降雹的人工观测结果，对比分析Gatlin和σ两种闪电跃增算法在不同配置下对北京地区2015—2018年共177次冰雹天气过程的预警效果。结果表明：不同倍数的σ算法预警结果差别很大，2σ（要求当前闪电频数变化率超过之前平均闪电频数变化率两倍标准差）在σ算法中的预警效果最佳；不同N（总闪频数变化率的数量）配置下的Gatlin算法的预警结果差别不大，其中当N=6时的预警效果最佳。2σ算法的命中率、虚警率和临界成功指数分别为80.2%，41.6%和51.1%，N=6的Gatlin算法的相应结果分别为82.5%，62.0%和35.2%。另外，详细分析了一次多单体雷暴过程和一次飑线过程中两种算法的应用情况，结果也表明Gatlin算法比2σ算法的命中率略高，但虚警率偏高很多，临界成功指数偏低。综合Gatlin算法和σ算法对冰雹预报结果评估情况，发现2σ闪电跃增算法更适于对北京冰雹天气的预警，对提升闪电数据在北京地区冰雹预报业务的可用度有一定参考价值。
基于S波段多普勒天气雷达基数据、北京闪电定位网全闪定位数据和北京地区降雹的人工观测结果，对比分析Gatlin和σ两种闪电跃增算法在不同配置下对北京地区2015—2018年共177次冰雹天气过程的预警效果。结果表明：不同倍数的σ算法预警结果差别很大，2σ（要求当前闪电频数变化率超过之前平均闪电频数变化率两倍标准差）在σ算法中的预警效果最佳；不同N（总闪频数变化率的数量）配置下的Gatlin算法的预警结果差别不大，其中当N=6时的预警效果最佳。2σ算法的命中率、虚警率和临界成功指数分别为80.2%，41.6%和51.1%，N=6的Gatlin算法的相应结果分别为82.5%，62.0%和35.2%。另外，详细分析了一次多单体雷暴过程和一次飑线过程中两种算法的应用情况，结果也表明Gatlin算法比2σ算法的命中率略高，但虚警率偏高很多，临界成功指数偏低。综合Gatlin算法和σ算法对冰雹预报结果评估情况，发现2σ闪电跃增算法更适于对北京冰雹天气的预警，对提升闪电数据在北京地区冰雹预报业务的可用度有一定参考价值。
2021, 32(2): 233-244.
DOI: 10.11898/1001-7313.20210208
摘要:
利用新建的1981—2018年区域持续性强降水个例集、1981—2018年中国逐日降水量及NCEP/NCAR全球再分析资料，运用江淮地区持续性强降水典型模态个例样本及残差神经网络（CNN），通过迁移学习分步训练建立针对江淮强降水的环流客观分型模型；并运用该模型对1981—2015年全国持续性强降水个例的环流进行客观分型，比较其与相似量（R）分型、余弦相似系数（COS）分型的效果，且对2016—2018年逐日环流进行客观识别与分型。结果表明：迁移CNN在拟合准确率达到100%后，测试集损失函数很快稳定，准确率较高，比R分型、COS分型效果好。在强降水客观分型中，迁移CNN所得各型与典型模态降水之间的相关系数远高于R分型、COS分型，其中不一致型个例分析表明迁移CNN所得各型与典型模态降水间的相关系数明显高于R分型、COS分型。在独立样本分型中，迁移CNN所得各型与典型模态降水的相关系数也均高于R分型、COS分型，且对非持续性强降水环流分型也存在一定的识别能力。
利用新建的1981—2018年区域持续性强降水个例集、1981—2018年中国逐日降水量及NCEP/NCAR全球再分析资料，运用江淮地区持续性强降水典型模态个例样本及残差神经网络（CNN），通过迁移学习分步训练建立针对江淮强降水的环流客观分型模型；并运用该模型对1981—2015年全国持续性强降水个例的环流进行客观分型，比较其与相似量（R）分型、余弦相似系数（COS）分型的效果，且对2016—2018年逐日环流进行客观识别与分型。结果表明：迁移CNN在拟合准确率达到100%后，测试集损失函数很快稳定，准确率较高，比R分型、COS分型效果好。在强降水客观分型中，迁移CNN所得各型与典型模态降水之间的相关系数远高于R分型、COS分型，其中不一致型个例分析表明迁移CNN所得各型与典型模态降水间的相关系数明显高于R分型、COS分型。在独立样本分型中，迁移CNN所得各型与典型模态降水的相关系数也均高于R分型、COS分型，且对非持续性强降水环流分型也存在一定的识别能力。
2021, 32(2): 245-256.
DOI: 10.11898/1001-7313.20210209
摘要:
利用NCEP/NCAR再分析资料检验全球气候模式CAM5.1模拟亚洲夏季风的能力，CAM5.1模式能够较好再现亚洲夏季风的基本特征。通过工业革命前（1850年）、工业革命后（2000年）温室气体排放情景的敏感性试验探讨近现代温室气体增加对亚洲夏季风的影响机制。结果显示：温室气体增加导致亚洲大部分区域地面气温增加，印度半岛中部、中南半岛和中国东部地区夏季风增强，印度半岛中部及北部、中南半岛中北部和中国东部地区夏季降水增加。分析大气能量收支和转换发现，温室气体增加通过增强大气对流凝结潜热释放的方式加强大气热源；夏季陆地为暖区，不均匀加热引起全位能增加，从而增强全位能向辐散风动能的转换和辐散风动能向无辐散风动能的转换，最终导致这些区域夏季风增强。其中，对流凝结潜热增加是温室气体增加造成大气稳定度降低、对流活动加强、对流云厚度加大、对流降水增加的结果；同时，对流降水增加是总降水增加的主要原因。
利用NCEP/NCAR再分析资料检验全球气候模式CAM5.1模拟亚洲夏季风的能力，CAM5.1模式能够较好再现亚洲夏季风的基本特征。通过工业革命前（1850年）、工业革命后（2000年）温室气体排放情景的敏感性试验探讨近现代温室气体增加对亚洲夏季风的影响机制。结果显示：温室气体增加导致亚洲大部分区域地面气温增加，印度半岛中部、中南半岛和中国东部地区夏季风增强，印度半岛中部及北部、中南半岛中北部和中国东部地区夏季降水增加。分析大气能量收支和转换发现，温室气体增加通过增强大气对流凝结潜热释放的方式加强大气热源；夏季陆地为暖区，不均匀加热引起全位能增加，从而增强全位能向辐散风动能的转换和辐散风动能向无辐散风动能的转换，最终导致这些区域夏季风增强。其中，对流凝结潜热增加是温室气体增加造成大气稳定度降低、对流活动加强、对流云厚度加大、对流降水增加的结果；同时，对流降水增加是总降水增加的主要原因。
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