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中国气象局2022年 第33卷 第1期
摘要
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2022, 33(1): 1-15.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220101
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摘要:
利用分钟降水资料、FY-4A气象卫星高分辨率资料、多普勒天气雷达资料和ERA5再分析资料对2021年“7·20”河南极端暴雨过程中尺度系统精细结构及热动力发展机制进行观测分析和诊断研究, 结果表明: 该过程发生在“两高对峙”的鞍型场弱背景下, 其主导系统为500 hPa弱低压系统和低层偏东风切变线; 极端暴雨主要由水平尺度约300 km呈近乎圆形结构中尺度对流复合体产生, 其长时间维持与内部多个中尺度对流系统的合并及外围东南侧暖湿区新生单体的持续并入有关; 郑州站小时强降水(201.9 mm· h-1)由几乎静止的低质心β中尺度弓状回波产生, 其分钟降水量持续在3~4.7 mm; 边界层风场的动力辐合触发强烈对流, 使得强降水区上空θse锋区长时间处于中性层结, 其高层辐散气流在西北太平洋副热带高压附近构成次级环流下沉支; 中层500 hPa低压区气旋式曲率附近正涡度平流和925 hPa偏东气流持续暖平流输送、低层变形场锋生作用, 以及来自华东近海边界层急流异常强盛的水汽输送是此次极端过程发展维持的热动力学成因。
利用分钟降水资料、FY-4A气象卫星高分辨率资料、多普勒天气雷达资料和ERA5再分析资料对2021年“7·20”河南极端暴雨过程中尺度系统精细结构及热动力发展机制进行观测分析和诊断研究, 结果表明: 该过程发生在“两高对峙”的鞍型场弱背景下, 其主导系统为500 hPa弱低压系统和低层偏东风切变线; 极端暴雨主要由水平尺度约300 km呈近乎圆形结构中尺度对流复合体产生, 其长时间维持与内部多个中尺度对流系统的合并及外围东南侧暖湿区新生单体的持续并入有关; 郑州站小时强降水(201.9 mm· h-1)由几乎静止的低质心β中尺度弓状回波产生, 其分钟降水量持续在3~4.7 mm; 边界层风场的动力辐合触发强烈对流, 使得强降水区上空θse锋区长时间处于中性层结, 其高层辐散气流在西北太平洋副热带高压附近构成次级环流下沉支; 中层500 hPa低压区气旋式曲率附近正涡度平流和925 hPa偏东气流持续暖平流输送、低层变形场锋生作用, 以及来自华东近海边界层急流异常强盛的水汽输送是此次极端过程发展维持的热动力学成因。
2022, 33(1): 16-28.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220102
摘要:
选取2020年3—9月深圳求雨坛的X波段双偏振相控阵雷达探测数据, 与同位置的S波段双偏振雷达进行对比。通过一定限制条件定量分析引入误差的原因, 发现反射率因子ZH和差分反射率ZDR的标定误差和随机误差较大, 其中ZH误差变化范围为-0.5~4.5 dB, ZDR误差变化范围为-0.7~0.2 dB。在上述较大误差影响下, 传统模糊逻辑相态识别方法的水凝物相态识别结果不可靠, 因此根据不同相态的雷达参量特征范围以及融化层高度建立基本结构为二叉树的决策树相态识别方法。针对上述方法的实际应用效果, 分别从水凝物相态识别结果对误差的敏感性和空间分布的合理性进行评估, 结果表明: 决策树相态识别方法的水凝物相态识别结果稳定性高于模糊逻辑相态识别方法, 且在对流云中的水凝物相态分布更加合理, 能够发挥X波段双偏振相控阵雷达在研究云内水凝物相态演变的优势。
选取2020年3—9月深圳求雨坛的X波段双偏振相控阵雷达探测数据, 与同位置的S波段双偏振雷达进行对比。通过一定限制条件定量分析引入误差的原因, 发现反射率因子ZH和差分反射率ZDR的标定误差和随机误差较大, 其中ZH误差变化范围为-0.5~4.5 dB, ZDR误差变化范围为-0.7~0.2 dB。在上述较大误差影响下, 传统模糊逻辑相态识别方法的水凝物相态识别结果不可靠, 因此根据不同相态的雷达参量特征范围以及融化层高度建立基本结构为二叉树的决策树相态识别方法。针对上述方法的实际应用效果, 分别从水凝物相态识别结果对误差的敏感性和空间分布的合理性进行评估, 结果表明: 决策树相态识别方法的水凝物相态识别结果稳定性高于模糊逻辑相态识别方法, 且在对流云中的水凝物相态分布更加合理, 能够发挥X波段双偏振相控阵雷达在研究云内水凝物相态演变的优势。
2022, 33(1): 29-42.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220103
摘要:
利用NCEP FNL分析资料、青岛降水现象仪和双偏振雷达观测资料, 对北上台风利奇马(1909)和巴威(2008)引发的局地对流性强降水微物理特征进行分析, 结果表明: 在台风外围的东南暖湿气流内, 受地形或边界层锋区触发形成的强对流单体后向传播或原地合并加强造成了局地强降水; 雨滴的质量加权平均直径(Dm)和对数归一化浓度(lgNw)分别为1.89 mm和3.86, 与典型台风降水相比平均直径更大、浓度更低, 形状参数μ和斜率Λ的μ-Λ关系也有明显不同; 随着雨强增强, 小雨滴占比下降而中到大雨滴比例明显上升, 直径1~4 mm雨滴对短时强降水的贡献超过90%;雨滴的碰并增长和对云水的聚集作用在对流性降水中占主导地位, 同时深厚的凇附过程对极端强降水的出现也起到了重要作用。
利用NCEP FNL分析资料、青岛降水现象仪和双偏振雷达观测资料, 对北上台风利奇马(1909)和巴威(2008)引发的局地对流性强降水微物理特征进行分析, 结果表明: 在台风外围的东南暖湿气流内, 受地形或边界层锋区触发形成的强对流单体后向传播或原地合并加强造成了局地强降水; 雨滴的质量加权平均直径(Dm)和对数归一化浓度(lgNw)分别为1.89 mm和3.86, 与典型台风降水相比平均直径更大、浓度更低, 形状参数μ和斜率Λ的μ-Λ关系也有明显不同; 随着雨强增强, 小雨滴占比下降而中到大雨滴比例明显上升, 直径1~4 mm雨滴对短时强降水的贡献超过90%;雨滴的碰并增长和对云水的聚集作用在对流性降水中占主导地位, 同时深厚的凇附过程对极端强降水的出现也起到了重要作用。
2022, 33(1): 43-55.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220104
摘要:
利用FY-2H, Aqua, CALIPSO(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation)和GPM(Global Preciptation Measurement)卫星产品, 对比同在浙江温岭沿海登陆且路径相似的台风利奇马(1909)和台风摩羯(1814), 分析其发展过程中云系水平、垂直结构特征以及登陆前台风三维结构特征。结果表明: 台风眼区是否可见、台风云系的螺旋明显程度、最强降水中心的形状变化、螺旋雨带区南北侧云顶高度的差异均是台风发展强弱的重要标志。台风发展成熟阶段云顶高度最大位于台风眼附近。台风登陆前, 台风越强, 单层云占比越高, 多层云占比越少; 台风越强, 光学厚度越大; 台风云系类别主要是深对流云和卷云, 成分以非定向冰为主; 螺旋雨带区云系的云底高度及厚度与台风发展强弱相关; 同一通道下高低亮温区的面积、台风的降水类型、三维降水结构中的对流柱长度和数量、垂直方向上的降水率均可作为台风发展强弱的依据。
利用FY-2H, Aqua, CALIPSO(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation)和GPM(Global Preciptation Measurement)卫星产品, 对比同在浙江温岭沿海登陆且路径相似的台风利奇马(1909)和台风摩羯(1814), 分析其发展过程中云系水平、垂直结构特征以及登陆前台风三维结构特征。结果表明: 台风眼区是否可见、台风云系的螺旋明显程度、最强降水中心的形状变化、螺旋雨带区南北侧云顶高度的差异均是台风发展强弱的重要标志。台风发展成熟阶段云顶高度最大位于台风眼附近。台风登陆前, 台风越强, 单层云占比越高, 多层云占比越少; 台风越强, 光学厚度越大; 台风云系类别主要是深对流云和卷云, 成分以非定向冰为主; 螺旋雨带区云系的云底高度及厚度与台风发展强弱相关; 同一通道下高低亮温区的面积、台风的降水类型、三维降水结构中的对流柱长度和数量、垂直方向上的降水率均可作为台风发展强弱的依据。
2022, 33(1): 56-68.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220105
摘要:
基于Yan Meng风场模型, 使用中国近海浮标观测资料, 对影响风场模拟的台风最大风速半径Rmax、压力分布常数B、粗糙度z0 3个参数进行估算试验, 结果表明: 台风中心最大风速Vmax和台风所处纬度的组合方案对估算Rmax更合理; 海面(浮标站)在z0=0.005 m, B=1.0时风速模拟效果较好。选取登陆闽北浙江、北上东海、西进南海、穿台湾岛进入台湾海峡的共19个台风过程进行模拟效果检验发现: 当中央气象台发布的Vmax < 40 m·s-1时, B=1.0, z0=0.005 m模拟的Vmax接近发布的Vmax, 非最强风速区的模拟风速与浮标站观测风速拟合较好, 发布的Vmax≥40 m·s-1时, B=1.4, z0=0.005 m模拟的Vmax接近发布的Vmax, 非最强风速区的模拟风速在B=1.0, z0=0.005 m时更合理。基于该风场模型和参数估算方案, 可重建西北太平洋历史台风风场。
基于Yan Meng风场模型, 使用中国近海浮标观测资料, 对影响风场模拟的台风最大风速半径Rmax、压力分布常数B、粗糙度z0 3个参数进行估算试验, 结果表明: 台风中心最大风速Vmax和台风所处纬度的组合方案对估算Rmax更合理; 海面(浮标站)在z0=0.005 m, B=1.0时风速模拟效果较好。选取登陆闽北浙江、北上东海、西进南海、穿台湾岛进入台湾海峡的共19个台风过程进行模拟效果检验发现: 当中央气象台发布的Vmax < 40 m·s-1时, B=1.0, z0=0.005 m模拟的Vmax接近发布的Vmax, 非最强风速区的模拟风速与浮标站观测风速拟合较好, 发布的Vmax≥40 m·s-1时, B=1.4, z0=0.005 m模拟的Vmax接近发布的Vmax, 非最强风速区的模拟风速在B=1.0, z0=0.005 m时更合理。基于该风场模型和参数估算方案, 可重建西北太平洋历史台风风场。
2022, 33(1): 69-79.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220106
摘要:
利用1998—2014年热带测雨(Tropical Rainfall Measuring Mission, TRMM)卫星上携带的闪电成像仪(lightning imaging sensor, LIS)数据, 建立西北太平洋热带气旋闪电数据集, 并研究该区域热带气旋闪电属性特征。结果表明: 热带气旋闪电各属性值均呈对数正态分布特征, 热带气旋极大值闪电更倾向于发生在海洋和热带低压强度等级。不同强度等级(热带低压、热带风暴、台风)的热带气旋闪电持续时间无明显差异, 但热带风暴强度等级的闪电空间尺度和光辐射能平均值均低于热带低压和台风。对于热带气旋的不同区域(内核、内雨带、外雨带), 内核闪电的持续时间最大、光辐射能最强, 且持续时间和光辐射能随着闪电与热带气旋中心距离的增加而逐渐减小, 外雨带达到最小值。在海陆差异方面, 热带气旋闪电在海洋上的空间尺度和光辐射能比陆地大, 而闪电持续时间无明显差异。与非热带气旋闪电相比, 热带气旋闪电的延展距离、通道面积和光辐射能均更小, 但闪电平均持续时间更长。
利用1998—2014年热带测雨(Tropical Rainfall Measuring Mission, TRMM)卫星上携带的闪电成像仪(lightning imaging sensor, LIS)数据, 建立西北太平洋热带气旋闪电数据集, 并研究该区域热带气旋闪电属性特征。结果表明: 热带气旋闪电各属性值均呈对数正态分布特征, 热带气旋极大值闪电更倾向于发生在海洋和热带低压强度等级。不同强度等级(热带低压、热带风暴、台风)的热带气旋闪电持续时间无明显差异, 但热带风暴强度等级的闪电空间尺度和光辐射能平均值均低于热带低压和台风。对于热带气旋的不同区域(内核、内雨带、外雨带), 内核闪电的持续时间最大、光辐射能最强, 且持续时间和光辐射能随着闪电与热带气旋中心距离的增加而逐渐减小, 外雨带达到最小值。在海陆差异方面, 热带气旋闪电在海洋上的空间尺度和光辐射能比陆地大, 而闪电持续时间无明显差异。与非热带气旋闪电相比, 热带气旋闪电的延展距离、通道面积和光辐射能均更小, 但闪电平均持续时间更长。
2022, 33(1): 80-91.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220107
摘要:
运用改进后的三维多先导模型, 允许高矮建筑物上均可以始发上行先导, 对多次地闪的连接过程进行模拟。结果表明: 矮建筑物始发上行先导和被击中的概率较小, 高建筑物对矮建筑物上行先导的始发具有较明确影响。建筑物间的高度差是影响上述连接过程的主要因子, 当建筑物间高度差较小时, 高建筑物对矮建筑物的屏蔽效应不明显, 下行先导通道的相对位置对矮建筑物是否优先始发上行先导存在影响; 随着建筑物间高度差的增加, 矮建筑物难以优先始发上行先导, 只在下行先导通道明显偏向矮建筑物时, 矮建筑物才可能始发上行先导, 并有一定概率与下行先导连接形成回击; 当建筑物间高度差超过某阈值后, 矮建筑物既不会始发上行先导, 更不会被击中。
运用改进后的三维多先导模型, 允许高矮建筑物上均可以始发上行先导, 对多次地闪的连接过程进行模拟。结果表明: 矮建筑物始发上行先导和被击中的概率较小, 高建筑物对矮建筑物上行先导的始发具有较明确影响。建筑物间的高度差是影响上述连接过程的主要因子, 当建筑物间高度差较小时, 高建筑物对矮建筑物的屏蔽效应不明显, 下行先导通道的相对位置对矮建筑物是否优先始发上行先导存在影响; 随着建筑物间高度差的增加, 矮建筑物难以优先始发上行先导, 只在下行先导通道明显偏向矮建筑物时, 矮建筑物才可能始发上行先导, 并有一定概率与下行先导连接形成回击; 当建筑物间高度差超过某阈值后, 矮建筑物既不会始发上行先导, 更不会被击中。
2022, 33(1): 92-103.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220108
摘要:
以中国环渤海地区葡萄主产区为研究对象, 利用1980—2019年研究区域内303个气象站逐日气象资料、葡萄发育期资料和葡萄涝渍灾情资料, 基于相对湿润度方法构建葡萄逐日涝渍指数M5i, 以历史灾情反演和灾变过程解析为主线, 采用正态分布的Lilliefors检验和t分布区间估计等方法, 构建适用于中国环渤海地区葡萄主产区的葡萄涝渍灾害等级指标体系, 利用信息扩散理论方法, 计算区域内各站点的葡萄涝渍致灾风险指数。结果表明: 构建的葡萄涝渍等级指标能够较好地反映实际受灾情况, 指标验证结果与历史记录有较高一致性; 葡萄同一发育阶段的涝渍灾害发生范围随灾害等级的加大而缩小, 不同发育阶段重度涝渍灾害发生范围随着发育进程的推进逐渐增大; 葡萄萌芽-新梢生长期和开花坐果期发生涝渍灾害的风险相对较低, 果实膨大期和着色成熟期为葡萄涝渍灾害发生的高风险时期; 葡萄涝渍灾害高风险区域主要位于山东东南部、辽宁东南部、河北东北部。
以中国环渤海地区葡萄主产区为研究对象, 利用1980—2019年研究区域内303个气象站逐日气象资料、葡萄发育期资料和葡萄涝渍灾情资料, 基于相对湿润度方法构建葡萄逐日涝渍指数M5i, 以历史灾情反演和灾变过程解析为主线, 采用正态分布的Lilliefors检验和t分布区间估计等方法, 构建适用于中国环渤海地区葡萄主产区的葡萄涝渍灾害等级指标体系, 利用信息扩散理论方法, 计算区域内各站点的葡萄涝渍致灾风险指数。结果表明: 构建的葡萄涝渍等级指标能够较好地反映实际受灾情况, 指标验证结果与历史记录有较高一致性; 葡萄同一发育阶段的涝渍灾害发生范围随灾害等级的加大而缩小, 不同发育阶段重度涝渍灾害发生范围随着发育进程的推进逐渐增大; 葡萄萌芽-新梢生长期和开花坐果期发生涝渍灾害的风险相对较低, 果实膨大期和着色成熟期为葡萄涝渍灾害发生的高风险时期; 葡萄涝渍灾害高风险区域主要位于山东东南部、辽宁东南部、河北东北部。
2022, 33(1): 104-114.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220109
摘要:
使用标准化降水蒸散指数作为农业干旱的监测指标, 以站点气象要素和大尺度环流要素为驱动变量, 建立干旱预测模型, 分析评价传统的整合移动平均自回归(ARIMA)时间序列模型以及不同深度神经网络模型(DNN)的预测效果。结果表明: DNN模型的总体预测能力优于ARIMA模型; 同基于长短期记忆网络(LSTM)提出的传统LSTM预测模型(TLSTM)相比, 改进的LSTM模型(ILSTM)通过预处理全连接层对预测因子进行非线性映射, 能够自动剔除无效信息, 提取高层次综合特征, 可使预测序列和观测序列的相关系数提升0.04~0.25, 均方根误差降低0.07~0.32, 误差绝对值的平均降低0.06~0.27;卷积神经网络(CNN)可提取影响干旱变化的大尺度环流信息, 其与ILSTM的组合深度网络模型(CLSTM)可进一步使相关系数提升0.03~0.44, 均方根误差降低0.09~0.33, 误差绝对值的平均降低0.05~0.26。CLSTM模型可应用于短期区域性干旱变化气候预测。
使用标准化降水蒸散指数作为农业干旱的监测指标, 以站点气象要素和大尺度环流要素为驱动变量, 建立干旱预测模型, 分析评价传统的整合移动平均自回归(ARIMA)时间序列模型以及不同深度神经网络模型(DNN)的预测效果。结果表明: DNN模型的总体预测能力优于ARIMA模型; 同基于长短期记忆网络(LSTM)提出的传统LSTM预测模型(TLSTM)相比, 改进的LSTM模型(ILSTM)通过预处理全连接层对预测因子进行非线性映射, 能够自动剔除无效信息, 提取高层次综合特征, 可使预测序列和观测序列的相关系数提升0.04~0.25, 均方根误差降低0.07~0.32, 误差绝对值的平均降低0.06~0.27;卷积神经网络(CNN)可提取影响干旱变化的大尺度环流信息, 其与ILSTM的组合深度网络模型(CLSTM)可进一步使相关系数提升0.03~0.44, 均方根误差降低0.09~0.33, 误差绝对值的平均降低0.05~0.26。CLSTM模型可应用于短期区域性干旱变化气候预测。
2022, 33(1): 115-128.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220110
摘要:
基于1980—2020年长江上游夏季径流量、降水和气温等资料, 采用小波分析、最优子集回归等方法, 分析径流量、降水量和气温的变化关系, 探讨引发径流量变化的前兆气候异常信号, 并构建径流量年际增量预测模型。结果表明: 径流量多寡直接取决于流域总降水量, 两者表现出显著的准两年周期振荡特征, 年际增量之间的相关系数(TCC)为0.88, 达到0.001显著性水平。流域平均气温对径流量变化影响相对较小。影响径流量变化的关键前兆气候信号为孟加拉湾冬季风、春季高原季风等8个气候特征量。所建模型在建模时段内(1981—2015年)的拟合值与观测值的TCC为0.81, 达到0.001显著性水平; 符号一致率(SCR)为77.1%, 在径流量变化异常年为100.0%;均方根误差为0.57。在2016—2020年的后报试验中, 模型预测与观测值的SCR为80.0 %, 均方根误差为0.99。经反演的预测径流量平均相对误差绝对值为19.3%。该模型对长江上游夏季径流量及其年际变化的预测准确率大于80%。
基于1980—2020年长江上游夏季径流量、降水和气温等资料, 采用小波分析、最优子集回归等方法, 分析径流量、降水量和气温的变化关系, 探讨引发径流量变化的前兆气候异常信号, 并构建径流量年际增量预测模型。结果表明: 径流量多寡直接取决于流域总降水量, 两者表现出显著的准两年周期振荡特征, 年际增量之间的相关系数(TCC)为0.88, 达到0.001显著性水平。流域平均气温对径流量变化影响相对较小。影响径流量变化的关键前兆气候信号为孟加拉湾冬季风、春季高原季风等8个气候特征量。所建模型在建模时段内(1981—2015年)的拟合值与观测值的TCC为0.81, 达到0.001显著性水平; 符号一致率(SCR)为77.1%, 在径流量变化异常年为100.0%;均方根误差为0.57。在2016—2020年的后报试验中, 模型预测与观测值的SCR为80.0 %, 均方根误差为0.99。经反演的预测径流量平均相对误差绝对值为19.3%。该模型对长江上游夏季径流量及其年际变化的预测准确率大于80%。
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