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中国气象局2022年 第33卷 第3期
摘要
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2022, 33(3): 257-269.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220301
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摘要:
为了考察辅助变量、时间滞后变量设置的重要性和神经网络中嵌入层对分类变量处理的有效性，利用2015年1月15日—2020年12月31日欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）高分辨率模式（high resolution，HRES）输出产品及中国2238个国家级地面气象站基本气象要素数据集，在全连接神经网络基础上设计4个试验，构建24 h最高气温预报神经网络模型。结果表明：加入辅助变量、时间滞后变量的特征和带有嵌入层的全连接神经网络结构的深度学习神经网络模型对HRES日最高气温预报误差均有订正效果，均方根误差降低29.72%~47.82%，温度预报准确率提高16.67%~38.89%。加入经过嵌入层处理的辅助变量后，可显著提高青藏高原中南部和西南地区东部的平均绝对偏差不超过2℃的正技巧站点比例（比仅用HRES预报因子建模分别提高21.74%和14.17%），在此基础上加入时间滞后变量显著提高上述两个地区的平均绝对偏差不超过2℃的正技巧站点比例（比仅用HRES预报因子建模分别提高40.98%和20.33%），且预报性能更加稳定。
为了考察辅助变量、时间滞后变量设置的重要性和神经网络中嵌入层对分类变量处理的有效性，利用2015年1月15日—2020年12月31日欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）高分辨率模式（high resolution，HRES）输出产品及中国2238个国家级地面气象站基本气象要素数据集，在全连接神经网络基础上设计4个试验，构建24 h最高气温预报神经网络模型。结果表明：加入辅助变量、时间滞后变量的特征和带有嵌入层的全连接神经网络结构的深度学习神经网络模型对HRES日最高气温预报误差均有订正效果，均方根误差降低29.72%~47.82%，温度预报准确率提高16.67%~38.89%。加入经过嵌入层处理的辅助变量后，可显著提高青藏高原中南部和西南地区东部的平均绝对偏差不超过2℃的正技巧站点比例（比仅用HRES预报因子建模分别提高21.74%和14.17%），在此基础上加入时间滞后变量显著提高上述两个地区的平均绝对偏差不超过2℃的正技巧站点比例（比仅用HRES预报因子建模分别提高40.98%和20.33%），且预报性能更加稳定。
2022, 33(3): 270-281.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220302
摘要:
基于2019—2020年京津冀地区不同天气系统影响下的降水过程，采用交叉相关法和光流法对快速更新多尺度分析和预报综合集成系统（Rapid-refresh Multi-Scale Analysis and Prediction System-Integration，RMAPS_IN）的降水分析产品进行0~2 h临近外推预报的批量试验。结果表明：由交叉相关法和光流法计算的两种外推矢量在大小和方向上存在一定差异，直接差异与影响降水的天气系统位置有明显的对应关系，而方向差异受地理位置的影响更明显，台风类降水呈弧形带状分布，低槽冷锋类、低涡类、气旋类、暖切变线类等几类降水均呈西北大东南小的特点；预报效果方面，总体上交叉相关法优于光流法，尤其是预报时效超过30 min以后，各种降水类型的批量检验结果显示交叉相关法的预报评分优于光流法，且预报时效越长、优势越明显，但预报时效为10 min时，光流法在低涡类、台风类、暖切变线类的空报率上优于交叉相关法。此外，基于外推的临近预报方法对京津冀地区台风类降水的预报效果最好，其次为暖切变线类、低涡类、低槽冷锋类、气旋类。
基于2019—2020年京津冀地区不同天气系统影响下的降水过程，采用交叉相关法和光流法对快速更新多尺度分析和预报综合集成系统（Rapid-refresh Multi-Scale Analysis and Prediction System-Integration，RMAPS_IN）的降水分析产品进行0~2 h临近外推预报的批量试验。结果表明：由交叉相关法和光流法计算的两种外推矢量在大小和方向上存在一定差异，直接差异与影响降水的天气系统位置有明显的对应关系，而方向差异受地理位置的影响更明显，台风类降水呈弧形带状分布，低槽冷锋类、低涡类、气旋类、暖切变线类等几类降水均呈西北大东南小的特点；预报效果方面，总体上交叉相关法优于光流法，尤其是预报时效超过30 min以后，各种降水类型的批量检验结果显示交叉相关法的预报评分优于光流法，且预报时效越长、优势越明显，但预报时效为10 min时，光流法在低涡类、台风类、暖切变线类的空报率上优于交叉相关法。此外，基于外推的临近预报方法对京津冀地区台风类降水的预报效果最好，其次为暖切变线类、低涡类、低槽冷锋类、气旋类。
2022, 33(3): 282-292.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220303
摘要:
针对气象灾害预警业务中客观描述降雨型滑坡发生不确定性的实际需求，利用2014—2020年全国滑坡数据以及多源融合降水实况分析数据，通过样本构建、模型训练、参数优化以及预报输出等关键步骤构建基于机器学习分类算法的区域降雨诱发滑坡概率预报模型，探究不同类型机器学习分类算法识别诱发滑坡的降雨过程的可行性。结果表明：在算法评估中，线性判别分析算法准确率最高且泛化能力最好，其次为逻辑回归算法，再次为最邻近算法。在预报试验中，线性判别分析、逻辑回归以及最邻近等算法能够提取并学习降雨诱发滑坡的条件特征，对诱发滑坡的降雨过程有一定识别能力，最邻近算法和逻辑回归算法的概率预报高值区范围相对较大，易造成虚警结果，线性判别分析算法对局地降雨信息的提炼较好，但线性判别分析算法在非降雨中心区域输出低值概率预报的面积偏大。
针对气象灾害预警业务中客观描述降雨型滑坡发生不确定性的实际需求，利用2014—2020年全国滑坡数据以及多源融合降水实况分析数据，通过样本构建、模型训练、参数优化以及预报输出等关键步骤构建基于机器学习分类算法的区域降雨诱发滑坡概率预报模型，探究不同类型机器学习分类算法识别诱发滑坡的降雨过程的可行性。结果表明：在算法评估中，线性判别分析算法准确率最高且泛化能力最好，其次为逻辑回归算法，再次为最邻近算法。在预报试验中，线性判别分析、逻辑回归以及最邻近等算法能够提取并学习降雨诱发滑坡的条件特征，对诱发滑坡的降雨过程有一定识别能力，最邻近算法和逻辑回归算法的概率预报高值区范围相对较大，易造成虚警结果，线性判别分析算法对局地降雨信息的提炼较好，但线性判别分析算法在非降雨中心区域输出低值概率预报的面积偏大。
2022, 33(3): 293-304.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220304
摘要:
降水是在多种天气系统和复杂物理过程共同影响下形成的，因此降水预报难度较大。由于数值预报模式的局限性，使得模式预报产品存在一定误差。为探讨更加有效的模式预报产品误差订正方法，基于奇异值分解（SVD）与机器学习（多元线性回归、套索回归、岭回归）构建订正模型，对2007—2019年4月1日—6月30日华南前汛期欧洲中期天气预报中心（EC）模式降水预报产品进行误差订正试验。结果表明：基于SVD与机器学习相结合的订正模型能有效降低EC模式降水预报产品在华南的预报误差，均方根误差最大优化率达4.2%，累计超过69%的站点得到不同程度的优化；SVD与机器学习相结合的订正模型能很好地处理因子间共线性问题，具有更好的鲁棒性；而对多个订正模型加权集成，均方根误差优化率达5.7%，累计超过77%的站点得到优化，显然加权集成方法订正效果不仅优于EC模式预报产品，也优于参与集成的任一订正模型。
降水是在多种天气系统和复杂物理过程共同影响下形成的，因此降水预报难度较大。由于数值预报模式的局限性，使得模式预报产品存在一定误差。为探讨更加有效的模式预报产品误差订正方法，基于奇异值分解（SVD）与机器学习（多元线性回归、套索回归、岭回归）构建订正模型，对2007—2019年4月1日—6月30日华南前汛期欧洲中期天气预报中心（EC）模式降水预报产品进行误差订正试验。结果表明：基于SVD与机器学习相结合的订正模型能有效降低EC模式降水预报产品在华南的预报误差，均方根误差最大优化率达4.2%，累计超过69%的站点得到不同程度的优化；SVD与机器学习相结合的订正模型能很好地处理因子间共线性问题，具有更好的鲁棒性；而对多个订正模型加权集成，均方根误差优化率达5.7%，累计超过77%的站点得到优化，显然加权集成方法订正效果不仅优于EC模式预报产品，也优于参与集成的任一订正模型。
2022, 33(3): 305-318.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220305
摘要:
2021年6月1日和6月9日黑龙江省哈尔滨尚志市及阿城区和齐齐哈尔梅里斯区分别发生双龙卷事件。利用常规气象观测、多普勒天气雷达等资料对比分析二者的多尺度特征。结果表明：两次龙卷均发生在东北冷涡的东南象限，高空急流出口区左侧，中低层偏南气流有利于暖湿气流输送和垂直运动发展。6月1日和6月9日分别以短时强降水和雷暴大风天气为主，6月1日水汽条件、垂直运动、0~1 km高度垂直风切变和抬升凝结高度更有利于产生强龙卷，且中尺度气旋维持时间更长。干线与地面辐合线为中尺度触发机制。雷暴冷池出流与中尺度暖锋形成的伪冷锋有利于龙卷的发展和维持。龙卷出现在地面伪冷锋与干线交界处的湿区一侧，冷池前沿，龙卷母云为超级单体。暖湿气流产生的入流缺口是钩状回波发展的前兆，中等到高强度的中尺度气旋在3 km高度产生并发展，5~10 min后触地，当钩状回波与中尺度气旋同时出现时龙卷产生。
2021年6月1日和6月9日黑龙江省哈尔滨尚志市及阿城区和齐齐哈尔梅里斯区分别发生双龙卷事件。利用常规气象观测、多普勒天气雷达等资料对比分析二者的多尺度特征。结果表明：两次龙卷均发生在东北冷涡的东南象限，高空急流出口区左侧，中低层偏南气流有利于暖湿气流输送和垂直运动发展。6月1日和6月9日分别以短时强降水和雷暴大风天气为主，6月1日水汽条件、垂直运动、0~1 km高度垂直风切变和抬升凝结高度更有利于产生强龙卷，且中尺度气旋维持时间更长。干线与地面辐合线为中尺度触发机制。雷暴冷池出流与中尺度暖锋形成的伪冷锋有利于龙卷的发展和维持。龙卷出现在地面伪冷锋与干线交界处的湿区一侧，冷池前沿，龙卷母云为超级单体。暖湿气流产生的入流缺口是钩状回波发展的前兆，中等到高强度的中尺度气旋在3 km高度产生并发展，5~10 min后触地，当钩状回波与中尺度气旋同时出现时龙卷产生。
2022, 33(3): 319-328.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220306
摘要:
根据1981—2021年福建省热带气旋风雨资料，采用极差标准化、相关系数客观赋权法和自然断点法建立热带气旋致灾因子危险性评估模型，评估结果表明：选择降水7个因子和大风4个因子作为评估指标体系合理；雨高危险性区域位于沿海，南平和三明地区雨危险性较低；风较高危险性区域明显窄于雨较高危险性区域，危险性等级向内陆降低远快于降水，其中罗源湾至崇武沿海因受台湾岛地形屏障保护，危险性比沿海南北部小1个等级；风雨综合致灾危险性，沿海县市皆为较高危险性区域，其中中部沿海高危险性区域小，沿海南北部大，另外登陆粤东热带气旋沿海北上滞留在闽西上空的低压云团造成闽西北部存在较高危险性区域；在热带气旋登陆影响过程中，精细化致灾因子危险性评估更具有针对性，且与灾情相符，为气象灾害决策服务提供了更有价值的参考信息。
根据1981—2021年福建省热带气旋风雨资料，采用极差标准化、相关系数客观赋权法和自然断点法建立热带气旋致灾因子危险性评估模型，评估结果表明：选择降水7个因子和大风4个因子作为评估指标体系合理；雨高危险性区域位于沿海，南平和三明地区雨危险性较低；风较高危险性区域明显窄于雨较高危险性区域，危险性等级向内陆降低远快于降水，其中罗源湾至崇武沿海因受台湾岛地形屏障保护，危险性比沿海南北部小1个等级；风雨综合致灾危险性，沿海县市皆为较高危险性区域，其中中部沿海高危险性区域小，沿海南北部大，另外登陆粤东热带气旋沿海北上滞留在闽西上空的低压云团造成闽西北部存在较高危险性区域；在热带气旋登陆影响过程中，精细化致灾因子危险性评估更具有针对性，且与灾情相符，为气象灾害决策服务提供了更有价值的参考信息。
2022, 33(3): 329-340.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220307
摘要:
利用2014—2019年中国气象局雷电野外科学试验基地广州从化人工触发闪电试验所获资料，评估粤港澳闪电定位系统(Guangdong-Hongkong-Macau Lightning Location System，GHMLLS)性能，结果表明：GHMLLS对人工触发闪电和回击的探测效率分别为96%(48/50)和88%(233/265)，回击位置定位误差的算术平均值、几何平均值和中值分别为279 m，193 m和202 m。对于触发闪电的回击过程，GHMLLS探测的回击电流峰值(ILLS)全部偏低，与通道底部雷电流峰值的直接测量结果(IDM)相比，ILLS的相对偏差平均值(中值)为-37%(-36%)，但ILLS和IDM相关系数为0.93，存在显著正相关关系(达到0.01显著性水平)；截距为0的线性拟合结果表明ILLS与IDM存在65%的比例关系，利用该系数校正ILLS，结果的相对偏差绝对值的平均值(中值)为15%(12%)。GHMLLS有对应定位记录的233次触发闪电回击中，16次定位结果为云闪，判别正确率为93%。被误判为云闪的回击的IDM更低，可用于定位的站点数量更少，定位误差更大，ILLS的精度更低。
利用2014—2019年中国气象局雷电野外科学试验基地广州从化人工触发闪电试验所获资料，评估粤港澳闪电定位系统(Guangdong-Hongkong-Macau Lightning Location System，GHMLLS)性能，结果表明：GHMLLS对人工触发闪电和回击的探测效率分别为96%(48/50)和88%(233/265)，回击位置定位误差的算术平均值、几何平均值和中值分别为279 m，193 m和202 m。对于触发闪电的回击过程，GHMLLS探测的回击电流峰值(ILLS)全部偏低，与通道底部雷电流峰值的直接测量结果(IDM)相比，ILLS的相对偏差平均值(中值)为-37%(-36%)，但ILLS和IDM相关系数为0.93，存在显著正相关关系(达到0.01显著性水平)；截距为0的线性拟合结果表明ILLS与IDM存在65%的比例关系，利用该系数校正ILLS，结果的相对偏差绝对值的平均值(中值)为15%(12%)。GHMLLS有对应定位记录的233次触发闪电回击中，16次定位结果为云闪，判别正确率为93%。被误判为云闪的回击的IDM更低，可用于定位的站点数量更少，定位误差更大，ILLS的精度更低。
2022, 33(3): 341-352.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220308
摘要:
基于中国气象科学研究院T255全球高分辨率气候系统模式(CAMS-CSM)2011—2020年多样本集合回报试验，评估模式在中国及3个典型区域地表短波辐射(downward short-wave radiation flux，DSWRF)的季节预测能力。结果表明：CAMS-CSM模式能较好预测DSWRF的季节变化特征，但春季、夏季预测强度偏弱，秋季、冬季偏强。不同季节、不同地区DSWRF异常场的预报技巧差异明显。由DSWRF异常的空间相关系数和时间相关系数可以看到，内蒙古和西北地区秋季、冬季预报技巧较高，京津冀部分地区夏季、秋季节预报技巧较低。从趋势异常综合评分指数看，中国区域超前1个月预报各季节评分均超过70分，对西北地区夏季、秋季的评分指数最高，超过80分。整体而言，高分辨率气候模式对中国区域DSWRF超前0~1个月预报有一定预测能力，尤其是太阳能资源丰富的西北地区，可为未来DSWRF短期预测及太阳能清洁能源选址等提供参考。除模式系统性偏差外，春季、夏季DSWRF预报偏差主要来源于总云量预报的模拟偏差，改进模式云微物理过程是提高DSWRF季节预测能力的重要途径。
基于中国气象科学研究院T255全球高分辨率气候系统模式(CAMS-CSM)2011—2020年多样本集合回报试验，评估模式在中国及3个典型区域地表短波辐射(downward short-wave radiation flux，DSWRF)的季节预测能力。结果表明：CAMS-CSM模式能较好预测DSWRF的季节变化特征，但春季、夏季预测强度偏弱，秋季、冬季偏强。不同季节、不同地区DSWRF异常场的预报技巧差异明显。由DSWRF异常的空间相关系数和时间相关系数可以看到，内蒙古和西北地区秋季、冬季预报技巧较高，京津冀部分地区夏季、秋季节预报技巧较低。从趋势异常综合评分指数看，中国区域超前1个月预报各季节评分均超过70分，对西北地区夏季、秋季的评分指数最高，超过80分。整体而言，高分辨率气候模式对中国区域DSWRF超前0~1个月预报有一定预测能力，尤其是太阳能资源丰富的西北地区，可为未来DSWRF短期预测及太阳能清洁能源选址等提供参考。除模式系统性偏差外，春季、夏季DSWRF预报偏差主要来源于总云量预报的模拟偏差，改进模式云微物理过程是提高DSWRF季节预测能力的重要途径。
2022, 33(3): 353-363.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220309
摘要:
基于2018年7月—2019年6月南京降水同位素观测数据和中国气象局气象观测数据，研究南京降水稳定同位素组成的变化特征，对比热带气旋降水、梅雨降水和其他降水的降水同位素组成特征，研究降水同位素组成与热带气旋移动路径关系。结果表明：南京降水氧同位素组成(δ18O)和氢同位素组成(δ2H)的变化范围分别为-16.3‰~4.0‰和-103.0‰~32.9‰，雨季降水氢氧同位素组成相对贫化，非雨季相对富集；降水氘盈余的降水加权平均值为15.5‰，表明南京降水受陆面过程影响大。从降水量权重看，热带气旋降水和梅雨降水强度大，降水氢氧同位素组成严重贫化；其他降水的强度相对较弱，降水氢氧同位素组成比较富集；受水汽源地和陆面循环等过程的综合影响，热带气旋降水氘盈余小于全球平均值(10‰)，梅雨降水氘盈余略高于全球平均值，其他降水氘盈余远高于全球平均值。登陆前仅在海洋上移动的热带气旋，降水氘盈余维持在7.5‰~8.6‰，但二次登陆的热带气旋降水氘盈余远大于10‰，可能是受到陆地蒸散过程的影响。
基于2018年7月—2019年6月南京降水同位素观测数据和中国气象局气象观测数据，研究南京降水稳定同位素组成的变化特征，对比热带气旋降水、梅雨降水和其他降水的降水同位素组成特征，研究降水同位素组成与热带气旋移动路径关系。结果表明：南京降水氧同位素组成(δ18O)和氢同位素组成(δ2H)的变化范围分别为-16.3‰~4.0‰和-103.0‰~32.9‰，雨季降水氢氧同位素组成相对贫化，非雨季相对富集；降水氘盈余的降水加权平均值为15.5‰，表明南京降水受陆面过程影响大。从降水量权重看，热带气旋降水和梅雨降水强度大，降水氢氧同位素组成严重贫化；其他降水的强度相对较弱，降水氢氧同位素组成比较富集；受水汽源地和陆面循环等过程的综合影响，热带气旋降水氘盈余小于全球平均值(10‰)，梅雨降水氘盈余略高于全球平均值，其他降水氘盈余远高于全球平均值。登陆前仅在海洋上移动的热带气旋，降水氘盈余维持在7.5‰~8.6‰，但二次登陆的热带气旋降水氘盈余远大于10‰，可能是受到陆地蒸散过程的影响。
2022, 33(3): 364-374.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220310
摘要:
利用1981—2020年5—9月气象数据与玉米产量数据，通过改进逐日降水适宜度并构建逐日气候适宜度模型，建立基于相似年逐日气象要素的作物生育期气候适宜度序列，利用气象产量与气候适宜指数建立模型，设计逐日作物产量气象影响指数以表征气象条件对作物的影响程度，基于该指数构建东北地区玉米逐日产量预报模型并分析其逐日预报准确率，用以表明该指数的准确性。结果表明：利用3个相似年预报结果加权集成综合相似年逐日作物产量气象影响指数可提高逐日预报准确率，黑龙江年尺度逐日预报准确率年际间波动小于东北其他地区。综合相似年月尺度下，随着玉米发育期的推进和实时气象数据的引入，月尺度平均预报准确率逐渐提高。东北地区玉米产量8月31日的日尺度预报准确率普遍高于7月31日；辽宁日尺度预报差异较大，但随着玉米发育期推进逐日预报产量和实际产量接近，准确率也提高。基于气象要素构建的逐日作物产量影响指数和同期气象影响指数可以定量评估不同时段气象条件对作物产量的影响程度，在一定程度上可提高农业气象业务定量化评价水平。
利用1981—2020年5—9月气象数据与玉米产量数据，通过改进逐日降水适宜度并构建逐日气候适宜度模型，建立基于相似年逐日气象要素的作物生育期气候适宜度序列，利用气象产量与气候适宜指数建立模型，设计逐日作物产量气象影响指数以表征气象条件对作物的影响程度，基于该指数构建东北地区玉米逐日产量预报模型并分析其逐日预报准确率，用以表明该指数的准确性。结果表明：利用3个相似年预报结果加权集成综合相似年逐日作物产量气象影响指数可提高逐日预报准确率，黑龙江年尺度逐日预报准确率年际间波动小于东北其他地区。综合相似年月尺度下，随着玉米发育期的推进和实时气象数据的引入，月尺度平均预报准确率逐渐提高。东北地区玉米产量8月31日的日尺度预报准确率普遍高于7月31日；辽宁日尺度预报差异较大，但随着玉米发育期推进逐日预报产量和实际产量接近，准确率也提高。基于气象要素构建的逐日作物产量影响指数和同期气象影响指数可以定量评估不同时段气象条件对作物产量的影响程度，在一定程度上可提高农业气象业务定量化评价水平。
2022, 33(3): 375-384.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220311
摘要:
叶片光合作用的准确模拟对陆地生态系统模型及全球变化对植被影响研究具有重要意义。水分是影响光合作用的重要因素，目前研究多采用土壤含水量表示，而非直接起作用的叶片含水量，这限制了光合作用的准确模拟。以玉米为研究对象，利用2014年6—10月中国气象科学研究院固城生态与农业气象试验站玉米6个水分梯度持续干旱试验数据，结合光合生化机理模型，定量研究最大羧化速率与叶片含水量的关系。结果表明：两者呈显著二次曲线关系，其拟合方程的决定系数达0.88；参数不同时，最大羧化速率的绝对值不同，但归一化后的叶片含水量修正函数与参数无关，当叶片含水量为80%左右时，其修正函数值为1，当叶片含水量降至70%左右时，其修正函数值为0。研究从叶片含水量影响方面完善了碳四植物光合生化机理模型，可为进一步提高光合作用模拟的准确性和玉米干旱监测预警提供参考。
叶片光合作用的准确模拟对陆地生态系统模型及全球变化对植被影响研究具有重要意义。水分是影响光合作用的重要因素，目前研究多采用土壤含水量表示，而非直接起作用的叶片含水量，这限制了光合作用的准确模拟。以玉米为研究对象，利用2014年6—10月中国气象科学研究院固城生态与农业气象试验站玉米6个水分梯度持续干旱试验数据，结合光合生化机理模型，定量研究最大羧化速率与叶片含水量的关系。结果表明：两者呈显著二次曲线关系，其拟合方程的决定系数达0.88；参数不同时，最大羧化速率的绝对值不同，但归一化后的叶片含水量修正函数与参数无关，当叶片含水量为80%左右时，其修正函数值为1，当叶片含水量降至70%左右时，其修正函数值为0。研究从叶片含水量影响方面完善了碳四植物光合生化机理模型，可为进一步提高光合作用模拟的准确性和玉米干旱监测预警提供参考。
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