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中国气象局2022年 第33卷 第5期
摘要
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2022, 33(5): 513-526.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220501
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摘要:
干旱是世界最严重的气象灾害, 是自然灾害中经济损失最重、影响范围最广的灾害。我国深受干旱灾害的影响, 近几十年干旱事件频繁发生, 给社会造成的不利影响和对人们生存环境的危害日趋严重。因此, 讨论全球干旱指数研究进展对于我国干旱研究及防旱抗旱工作具有重要意义。该文系统介绍全球特别是欧美等国气象干旱指数、农业干旱指数、水文干旱指数、遥感干旱指数以及综合干旱指数研究进展, 并与我国干旱指数研究情况对比。探讨我国在干旱研究领域存在的主要问题, 包括干旱指数适用性比较不足, 新的机理性干旱监测指数研究不足, 干旱预测预警研究不足。因此加强干旱机理机制研究、开展干旱监测准确性定量评估和加强数值模式在干旱预测预警中的应用是未来研究的重点和难点。
干旱是世界最严重的气象灾害, 是自然灾害中经济损失最重、影响范围最广的灾害。我国深受干旱灾害的影响, 近几十年干旱事件频繁发生, 给社会造成的不利影响和对人们生存环境的危害日趋严重。因此, 讨论全球干旱指数研究进展对于我国干旱研究及防旱抗旱工作具有重要意义。该文系统介绍全球特别是欧美等国气象干旱指数、农业干旱指数、水文干旱指数、遥感干旱指数以及综合干旱指数研究进展, 并与我国干旱指数研究情况对比。探讨我国在干旱研究领域存在的主要问题, 包括干旱指数适用性比较不足, 新的机理性干旱监测指数研究不足, 干旱预测预警研究不足。因此加强干旱机理机制研究、开展干旱监测准确性定量评估和加强数值模式在干旱预测预警中的应用是未来研究的重点和难点。
2022, 33(5): 527-540.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220502
摘要:
利用2021年3月—2022年2月ERA5再分析数据云量、云水凝物对中国气象局研发的全球数值预报系统CMA-GFS同期云量产品和由云量、云水凝物产品计算的云发生、云水凝物积分的偏差特征进行诊断评估, 初步探讨了CMA-GFS云预报偏差存在的可能原因。结果显示:CMA-GFS云量、云水凝物的分布较为合理, CMA-GFS能够描绘全球云量、云水凝物的分布特征, 并能够反映季节特征;CMA-GFS预报高云和中云的云量偏差大于低云的云量偏差, 而高云和中云的云量均方根误差较低云偏小, 说明模式高云和中云的预报稳定性优于低云;与ERA5再分析数据相比, CMA-GFS液相水凝物积分以负偏差为主, 冰相水凝物积分以正偏差为主;云量、云水凝物的偏差在不同地区成因不同, 在热带地区的偏差与对流参数化和微物理方案不协调有关, 在南北半球中高纬度地区的偏差与相对湿度偏差相关。
利用2021年3月—2022年2月ERA5再分析数据云量、云水凝物对中国气象局研发的全球数值预报系统CMA-GFS同期云量产品和由云量、云水凝物产品计算的云发生、云水凝物积分的偏差特征进行诊断评估, 初步探讨了CMA-GFS云预报偏差存在的可能原因。结果显示:CMA-GFS云量、云水凝物的分布较为合理, CMA-GFS能够描绘全球云量、云水凝物的分布特征, 并能够反映季节特征;CMA-GFS预报高云和中云的云量偏差大于低云的云量偏差, 而高云和中云的云量均方根误差较低云偏小, 说明模式高云和中云的预报稳定性优于低云;与ERA5再分析数据相比, CMA-GFS液相水凝物积分以负偏差为主, 冰相水凝物积分以正偏差为主;云量、云水凝物的偏差在不同地区成因不同, 在热带地区的偏差与对流参数化和微物理方案不协调有关, 在南北半球中高纬度地区的偏差与相对湿度偏差相关。
2022, 33(5): 541-554.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220503
摘要:
分析2019—2021年草地贪夜蛾在我国跨区域迁飞的大气环流形势和低层风动力条件, 并选取北迁进入长江流域、北迁进入东北地区、秋季向南回迁以及冬季在冬繁区扩散4次典型天气过程, 利用改进的HYSPLIT(Hybrid Single-particle Lagrangian Integrated Trajactory)模型模拟其迁飞轨迹和落点。结果表明:由于每年西北太平洋副热带高压强度、位置和西伸程度不同, 西南气流强度也不同, 影响草地贪夜蛾在我国的北迁进程, 使其经过迁飞过渡区和到达北方玉米主产区的时间存在差异。选取4次天气过程模拟草地贪夜蛾的迁飞, 其中3次过程模拟的草地贪夜蛾迁飞轨迹和降落区域得到实况监测的验证, 但模型对2022年1月26—28日西南急流天气过程下草地贪夜蛾迁飞轨迹和降落区域的模拟在贵州西部和南部、福建出现错报。HYSPLIT模型对迁飞轨迹的模拟效果较好, 但对迁飞距离、时长、落点的模拟上仍具有较大不确定性, 未来需进一步结合雷达监测等手段改进优化模型, 提高模拟预报准确率。
分析2019—2021年草地贪夜蛾在我国跨区域迁飞的大气环流形势和低层风动力条件, 并选取北迁进入长江流域、北迁进入东北地区、秋季向南回迁以及冬季在冬繁区扩散4次典型天气过程, 利用改进的HYSPLIT(Hybrid Single-particle Lagrangian Integrated Trajactory)模型模拟其迁飞轨迹和落点。结果表明:由于每年西北太平洋副热带高压强度、位置和西伸程度不同, 西南气流强度也不同, 影响草地贪夜蛾在我国的北迁进程, 使其经过迁飞过渡区和到达北方玉米主产区的时间存在差异。选取4次天气过程模拟草地贪夜蛾的迁飞, 其中3次过程模拟的草地贪夜蛾迁飞轨迹和降落区域得到实况监测的验证, 但模型对2022年1月26—28日西南急流天气过程下草地贪夜蛾迁飞轨迹和降落区域的模拟在贵州西部和南部、福建出现错报。HYSPLIT模型对迁飞轨迹的模拟效果较好, 但对迁飞距离、时长、落点的模拟上仍具有较大不确定性, 未来需进一步结合雷达监测等手段改进优化模型, 提高模拟预报准确率。
2022, 33(5): 555-567.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220504
摘要:
利用2021年2月28日机载探测资料, 结合欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料、陕西省延安站探空资料, 分析飞机发生严重积冰的天气背景和云的宏微观结构特征。此次严重积冰天气是受高空槽、低空切变线、低空急流和地面冷锋共同影响的结果。ERA5再分析资料表明:过冷水大值区主要分布于锋区前部暖侧的700 hPa至600 hPa高度。探空资料表明:飞机探测区环境温度为-9~-3℃, 温度露点差为0℃, 具有发生严重积冰的温度和湿度条件。飞机遭遇严重积冰期间环境温度为-8~-5℃, 云粒子探头观测的液态水含量平均为0.35 g·m-3, 最大为0.7 g·m-3;总水含量仪观测的液态水含量平均为0.5 g·m-3, 最大为0.85 g·m-3, 有11 min大于0.45 g·m-3;云粒子中值体积直径平均为20.3 μm, 云粒子数浓度平均为149.3 cm-3;云粒子数浓度由低层到高层呈增大趋势, 而云粒子中值体积直径变化趋势与之相反。计算表明:国王350飞机在穿云作业时, 云中过冷水含量分别高于0.04 g·m-3, 0.15 g·m-3和0.45 g·m-3时可能遭遇轻度积冰、中度积冰和严重积冰。
利用2021年2月28日机载探测资料, 结合欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料、陕西省延安站探空资料, 分析飞机发生严重积冰的天气背景和云的宏微观结构特征。此次严重积冰天气是受高空槽、低空切变线、低空急流和地面冷锋共同影响的结果。ERA5再分析资料表明:过冷水大值区主要分布于锋区前部暖侧的700 hPa至600 hPa高度。探空资料表明:飞机探测区环境温度为-9~-3℃, 温度露点差为0℃, 具有发生严重积冰的温度和湿度条件。飞机遭遇严重积冰期间环境温度为-8~-5℃, 云粒子探头观测的液态水含量平均为0.35 g·m-3, 最大为0.7 g·m-3;总水含量仪观测的液态水含量平均为0.5 g·m-3, 最大为0.85 g·m-3, 有11 min大于0.45 g·m-3;云粒子中值体积直径平均为20.3 μm, 云粒子数浓度平均为149.3 cm-3;云粒子数浓度由低层到高层呈增大趋势, 而云粒子中值体积直径变化趋势与之相反。计算表明:国王350飞机在穿云作业时, 云中过冷水含量分别高于0.04 g·m-3, 0.15 g·m-3和0.45 g·m-3时可能遭遇轻度积冰、中度积冰和严重积冰。
2022, 33(5): 568-580.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220505
摘要:
利用天津地基遥感(风廓线雷达和微波辐射计)数据及地面自动气象站数据构建地基遥感探空廓线系统(简称遥感探空廓线), 旨在弥补常规探空层结信息时空密度不足, 对2020—2021年5—9月遥感探空廓线反演结果进行模式检验, 并从中选取10次强对流过程进行个例效果评估。结果表明:反演数据与欧洲中期天气预报中心再分析数据(ERA5)比湿的平均绝对偏差为1.06 g·kg-1, 对流有效位能相关系数为0.84(达到0.01显著性水平)。10次强对流过程中强对流发生前临近时次常规探空对流有效位能平均值为322 J·kg-1, 遥感探空廓线具有分钟级时间分辨率, 能高时效性地跟踪大气状态的演变趋势, 对流发生前8 h内对流有效位能平均峰值为1451.88 J·kg-1, 与常规探空相比具备明显对流指征。研究表明:遥感探空廓线能动态描述热动力参数的配置及对流潜势的发展与释放过程, 有利于提高短时临近预报的精细化水平。
利用天津地基遥感(风廓线雷达和微波辐射计)数据及地面自动气象站数据构建地基遥感探空廓线系统(简称遥感探空廓线), 旨在弥补常规探空层结信息时空密度不足, 对2020—2021年5—9月遥感探空廓线反演结果进行模式检验, 并从中选取10次强对流过程进行个例效果评估。结果表明:反演数据与欧洲中期天气预报中心再分析数据(ERA5)比湿的平均绝对偏差为1.06 g·kg-1, 对流有效位能相关系数为0.84(达到0.01显著性水平)。10次强对流过程中强对流发生前临近时次常规探空对流有效位能平均值为322 J·kg-1, 遥感探空廓线具有分钟级时间分辨率, 能高时效性地跟踪大气状态的演变趋势, 对流发生前8 h内对流有效位能平均峰值为1451.88 J·kg-1, 与常规探空相比具备明显对流指征。研究表明:遥感探空廓线能动态描述热动力参数的配置及对流潜势的发展与释放过程, 有利于提高短时临近预报的精细化水平。
2022, 33(5): 581-593.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220506
摘要:
广州S波段双偏振天气雷达低仰角多方位存在遮挡，高仰角也存在部分遮挡。基于卷积神经网络等深度学习方法，构建垂直填补（vertical echo-filling，VEF）和水平填补（horizontal echo-filling，HEF）网络架构，基于两种架构，利用无遮挡区的反射率因子ZH、差分反射率ZDR，差传播相移率KDP构建训练集，填补遮挡区的ZH和ZDR。针对仅0.5°仰角存在遮挡的区域，基于VEF架构，利用上层多个仰角、径向、距离库的三维数据，分距离段训练垂直填补模型。针对遮挡仰角较高的区域，则基于HEF架构，利用同一仰角左右相邻的多个径向、距离库的数据，分遮挡径向训练水平填补模型。根据解释方差、平均绝对偏差和相关系数3个指标和3个个例，对模型效果进行评估。结果表明：ZH填补模型的解释方差最大为0.92，平均绝对偏差最小为1.69 dB，相关系数最高为0.96；ZDR填补模型的解释方差最大为0.92，平均绝对偏差最小为0.12 dB，相关系数最高为0.96。利用该研究构建的深度学习填补架构，可有效填补偏振雷达遮挡区域回波，提高雷达数据质量。
广州S波段双偏振天气雷达低仰角多方位存在遮挡，高仰角也存在部分遮挡。基于卷积神经网络等深度学习方法，构建垂直填补（vertical echo-filling，VEF）和水平填补（horizontal echo-filling，HEF）网络架构，基于两种架构，利用无遮挡区的反射率因子ZH、差分反射率ZDR，差传播相移率KDP构建训练集，填补遮挡区的ZH和ZDR。针对仅0.5°仰角存在遮挡的区域，基于VEF架构，利用上层多个仰角、径向、距离库的三维数据，分距离段训练垂直填补模型。针对遮挡仰角较高的区域，则基于HEF架构，利用同一仰角左右相邻的多个径向、距离库的数据，分遮挡径向训练水平填补模型。根据解释方差、平均绝对偏差和相关系数3个指标和3个个例，对模型效果进行评估。结果表明：ZH填补模型的解释方差最大为0.92，平均绝对偏差最小为1.69 dB，相关系数最高为0.96；ZDR填补模型的解释方差最大为0.92，平均绝对偏差最小为0.12 dB，相关系数最高为0.96。利用该研究构建的深度学习填补架构，可有效填补偏振雷达遮挡区域回波，提高雷达数据质量。
2022, 33(5): 594-603.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220507
摘要:
该文提出一种西北太平洋热带气旋年生成活动的客观预测模型。研究大尺度环境因子对西北太平洋热带气旋年生成频次的作用，使用最小角回归算法对初始14个预测因子进行选择和降维，将资料集分为训练集（1979—2015年）和验证集（2016—2020年），建立随机森林回归模型预测热带气旋年生成频次。分析环境因子对西北太平洋热带气旋生成位置的作用，使用逐步回归算法筛选影响显著的预测因子，建立局部泊松回归模型预测热带气旋生成空间位置的概率。结果表明：随机森林回归模型可以预测西北热带气旋频次的主要变化和趋势，揭示环境因子对西北太平洋热带气旋年生成频次的影响。局部泊松回归模型对于气旋生成位置概率有一定预测能力。利用随机森林回归模型和局部泊松回归模型模拟1979—2020年西北太平洋热带气旋生成，结果与观测基本一致，可见模型可为热带气旋危险性分析提供参考。
该文提出一种西北太平洋热带气旋年生成活动的客观预测模型。研究大尺度环境因子对西北太平洋热带气旋年生成频次的作用，使用最小角回归算法对初始14个预测因子进行选择和降维，将资料集分为训练集（1979—2015年）和验证集（2016—2020年），建立随机森林回归模型预测热带气旋年生成频次。分析环境因子对西北太平洋热带气旋生成位置的作用，使用逐步回归算法筛选影响显著的预测因子，建立局部泊松回归模型预测热带气旋生成空间位置的概率。结果表明：随机森林回归模型可以预测西北热带气旋频次的主要变化和趋势，揭示环境因子对西北太平洋热带气旋年生成频次的影响。局部泊松回归模型对于气旋生成位置概率有一定预测能力。利用随机森林回归模型和局部泊松回归模型模拟1979—2020年西北太平洋热带气旋生成，结果与观测基本一致，可见模型可为热带气旋危险性分析提供参考。
2022, 33(5): 604-616.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220508
摘要:
选取海南省海口站和屯昌站对比分析台风贝碧嘉（1816）外围云系结构和降水特征。结果表明：台风贝碧嘉（1816）影响海南岛期间，随着降水云系的发展，海口地区对流性云系发展加强，屯昌地区表现为层状云降水，两个站点雨滴谱特征存在一定的差异，海口站和屯昌站的降水均以直径小于1 mm的雨滴为主，其中屯昌站直径1~3 mm的雨滴对雨强的贡献最大；海口站雨滴数浓度随雨滴直径增大而减小，但对雨强的贡献随之增大，直径大于3 mm的雨滴对总雨强的贡献达到56.61%；海口站的特征参量曲线在时间上分布不均，表现为阵性强降水，而屯昌站的特征参量曲线起伏不大，降水比海口站小且均匀、连续；在雨滴谱演变上，海口站始终保持单峰型，屯昌站以单峰为主伴随多峰出现，当雨强增大时，两站直径1 mm范围内的雨滴数浓度随之增加，谱型迅速拓宽，大粒径雨滴出现且增多，其中海口站直径3 mm以上的雨滴端增幅更明显；两个站点雨滴谱符合Gamma分布，形状参数和斜率参数满足二项式关系。
选取海南省海口站和屯昌站对比分析台风贝碧嘉（1816）外围云系结构和降水特征。结果表明：台风贝碧嘉（1816）影响海南岛期间，随着降水云系的发展，海口地区对流性云系发展加强，屯昌地区表现为层状云降水，两个站点雨滴谱特征存在一定的差异，海口站和屯昌站的降水均以直径小于1 mm的雨滴为主，其中屯昌站直径1~3 mm的雨滴对雨强的贡献最大；海口站雨滴数浓度随雨滴直径增大而减小，但对雨强的贡献随之增大，直径大于3 mm的雨滴对总雨强的贡献达到56.61%；海口站的特征参量曲线在时间上分布不均，表现为阵性强降水，而屯昌站的特征参量曲线起伏不大，降水比海口站小且均匀、连续；在雨滴谱演变上，海口站始终保持单峰型，屯昌站以单峰为主伴随多峰出现，当雨强增大时，两站直径1 mm范围内的雨滴数浓度随之增加，谱型迅速拓宽，大粒径雨滴出现且增多，其中海口站直径3 mm以上的雨滴端增幅更明显；两个站点雨滴谱符合Gamma分布，形状参数和斜率参数满足二项式关系。
2022, 33(5): 617-627.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220509
摘要:
为保障北京气候中心（Beijing Climate Center，BCC）气候模式在第6次耦合模式比较计划（Coupled Model Intercomparison Project Phase 6，CMIP6）中的大量试验数据产品面向国内外实现共享，建立了试验数据共享平台。由于模式试验数据具有数据量大、要素种类繁多、元数据多样等特征，为提供高效的数据管理，平台采用分布式存储架构，数据通过气候模式输出重写（climate model output rewriter，CMOR）软件进行格式规范，并实现基于THREDDS（thematic real-time environmental distributed data services）的数据组织与共享。在平台建设及软件设计部署等层面，充分考虑数据安全。该平台实现BCC 3个模式约190 TB的试验数据稳定、高效共享，为国内外气候变化领域科研工作者提供获取数据的方便快捷途径与方法，成为推动我国气候模式国际应用的有力技术手段。
为保障北京气候中心（Beijing Climate Center，BCC）气候模式在第6次耦合模式比较计划（Coupled Model Intercomparison Project Phase 6，CMIP6）中的大量试验数据产品面向国内外实现共享，建立了试验数据共享平台。由于模式试验数据具有数据量大、要素种类繁多、元数据多样等特征，为提供高效的数据管理，平台采用分布式存储架构，数据通过气候模式输出重写（climate model output rewriter，CMOR）软件进行格式规范，并实现基于THREDDS（thematic real-time environmental distributed data services）的数据组织与共享。在平台建设及软件设计部署等层面，充分考虑数据安全。该平台实现BCC 3个模式约190 TB的试验数据稳定、高效共享，为国内外气候变化领域科研工作者提供获取数据的方便快捷途径与方法，成为推动我国气候模式国际应用的有力技术手段。
2022, 33(5): 628-640.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220510
摘要:
为满足我国气象灾害风险管理业务体系建立和发展的需求，有效支撑防灾减灾决策服务，设计并建设了气象灾害风险管理系统。该系统包括大数据应用、模型算法、在线分析与产品制作、综合运维等分系统，面向暴雨、台风、干旱、高温、低温等主要气象灾害，覆盖气象灾害风险管理业务的主要环节，实现灾害监测识别、影响评估、风险评估、风险预估和风险区划等功能。系统探索应用时空匹配的大数据融合、Web-GIS、空间数据分布式存储、微服务和多租户等技术。目前，系统可实现实时发布灾情监测、灾害事件识别、影响评估、风险评估、风险预估、风险区划等多类业务产品。在国家级气象业务部门的应用显示，该系统具有良好的业务能力与发展前景，有助于推进客观化、定量化、精细化气象灾害风险管理业务发展，提升防灾减灾决策服务能力。
为满足我国气象灾害风险管理业务体系建立和发展的需求，有效支撑防灾减灾决策服务，设计并建设了气象灾害风险管理系统。该系统包括大数据应用、模型算法、在线分析与产品制作、综合运维等分系统，面向暴雨、台风、干旱、高温、低温等主要气象灾害，覆盖气象灾害风险管理业务的主要环节，实现灾害监测识别、影响评估、风险评估、风险预估和风险区划等功能。系统探索应用时空匹配的大数据融合、Web-GIS、空间数据分布式存储、微服务和多租户等技术。目前，系统可实现实时发布灾情监测、灾害事件识别、影响评估、风险评估、风险预估、风险区划等多类业务产品。在国家级气象业务部门的应用显示，该系统具有良好的业务能力与发展前景，有助于推进客观化、定量化、精细化气象灾害风险管理业务发展，提升防灾减灾决策服务能力。
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