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中国气象局2022年 第33卷 第6期
摘要
PDF 783KB
2022, 33(6): 641-654.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220601
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摘要:
基于GRAPES-MESO 10 km系统，提高模式动力框架计算精度和稳定性，选择调试适合高分辨率模式的物理过程参数化方案组合，建立面向数值天气预报的全国雷达质量控制拼图系统，通过云分析系统融合全国三维组网反射率因子拼图，建立面向中小尺度系统的对流可分辨同化系统和陆面资料同化系统，实现雷达径向风、风廓线雷达、FY-4A成像仪辐射率、卫星云导风、卫星GNSSRO、地面降水观测以及近地面资料等非常规局地稠密资料的同化应用，发展快速循环技术，建立全国3 km间隔3 h的快速循环同化预报系统——CMA-MESO（GRAPES-MESO 3 km）并实现业务化运行。2020年6—9月汛期业务检验结果表明：CMA-MESO预报的近地面要素（降水、2 m温度、10 m风场）检验评分全面超越GRAPES-MESO 10 km结果；CMA-MESO的24 h累积降水TS评分略低于欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的结果，但逐3 h累积降水预报TS评分尤其是对于较大降水阈值评分明显优于ECMWF结果；同时，对于能够表征模式对降水时空精细化特征预报能力的降水频次和降水强度等检验，CMA-MESO对我国汛期的预报准确率超过了ECMWF细网格模式结果。
基于GRAPES-MESO 10 km系统，提高模式动力框架计算精度和稳定性，选择调试适合高分辨率模式的物理过程参数化方案组合，建立面向数值天气预报的全国雷达质量控制拼图系统，通过云分析系统融合全国三维组网反射率因子拼图，建立面向中小尺度系统的对流可分辨同化系统和陆面资料同化系统，实现雷达径向风、风廓线雷达、FY-4A成像仪辐射率、卫星云导风、卫星GNSSRO、地面降水观测以及近地面资料等非常规局地稠密资料的同化应用，发展快速循环技术，建立全国3 km间隔3 h的快速循环同化预报系统——CMA-MESO（GRAPES-MESO 3 km）并实现业务化运行。2020年6—9月汛期业务检验结果表明：CMA-MESO预报的近地面要素（降水、2 m温度、10 m风场）检验评分全面超越GRAPES-MESO 10 km结果；CMA-MESO的24 h累积降水TS评分略低于欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的结果，但逐3 h累积降水预报TS评分尤其是对于较大降水阈值评分明显优于ECMWF结果；同时，对于能够表征模式对降水时空精细化特征预报能力的降水频次和降水强度等检验，CMA-MESO对我国汛期的预报准确率超过了ECMWF细网格模式结果。
2022, 33(6): 655-667.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220602
摘要:
目前中国气象局全球集合预报系统（China Meteorological Administration Global Ensemble Prediction System，CMA-GEPS）利用CMA全球数值预报系统分析场计算奇异向量（ANSV），欧洲中期天气预报中心采用同化背景场计算奇异向量（FCSV），在业务流程上先于计算ANSV，可优化集合预报系统运行时间。为此，在CMA-GEPS中探索采用FCSV进行集合预报的可行性，分析ANSV和FCSV的空间分布及相似指数，进而针对夏秋季节10个个例开展采用ANSV和FCSV的全球集合预报试验，从等压面要素集合预报技巧、中国地区24 h累积降水概率预报技巧、台风路径集合预报技巧、台风中心最低海平面气压预报技巧等方面对比二者结果。结果表明：ANSV和FCSV的主要结构特征相似，两组集合预报结果相当，表明在CMA-GEPS中使用FCSV可行，可作为未来高分辨率CMA-GEPS业务系统建设的选项。
目前中国气象局全球集合预报系统（China Meteorological Administration Global Ensemble Prediction System，CMA-GEPS）利用CMA全球数值预报系统分析场计算奇异向量（ANSV），欧洲中期天气预报中心采用同化背景场计算奇异向量（FCSV），在业务流程上先于计算ANSV，可优化集合预报系统运行时间。为此，在CMA-GEPS中探索采用FCSV进行集合预报的可行性，分析ANSV和FCSV的空间分布及相似指数，进而针对夏秋季节10个个例开展采用ANSV和FCSV的全球集合预报试验，从等压面要素集合预报技巧、中国地区24 h累积降水概率预报技巧、台风路径集合预报技巧、台风中心最低海平面气压预报技巧等方面对比二者结果。结果表明：ANSV和FCSV的主要结构特征相似，两组集合预报结果相当，表明在CMA-GEPS中使用FCSV可行，可作为未来高分辨率CMA-GEPS业务系统建设的选项。
2022, 33(6): 668-681.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220603
摘要:
2021年“21·7”河南特大暴雨打破我国大陆小时气象观测纪录，该极端天气事件位列2021年中国十大天气气候事件第2位。已有研究使用气象地面站雨量观测资料对此次过程进行雨情分析和极值统计，但降水时空分布不均匀，单一来源资料存在不确定性。通过对比气象站和水文站雨量资料，分析两套业务观测系统记录“21·7”河南特大暴雨过程的异同，发现气象站和水文站雨量在时间和空间分布上具有很好的一致性，两者不同等级的累积降雨落区、逐日和逐时降雨演变趋势均一致性强，但累积雨量和雨强极值的空间分布和数值存在差异，两套资料在暴雨中心（过程雨量大于600 mm）的系统性偏差小于1%。气象站和水文站的融合资料呈现比单一资料更细致的降雨分布、更全面的演变特征。此外，基于融合资料发现累积雨量排名前3位的城市（郑州、鹤壁、新乡）均具有累积雨量大、小时雨强极强、强降雨集中、雨强突然增长的特征，鹤壁和新乡最强降雨时段分别比郑州晚26 h和28 h。
2021年“21·7”河南特大暴雨打破我国大陆小时气象观测纪录，该极端天气事件位列2021年中国十大天气气候事件第2位。已有研究使用气象地面站雨量观测资料对此次过程进行雨情分析和极值统计，但降水时空分布不均匀，单一来源资料存在不确定性。通过对比气象站和水文站雨量资料，分析两套业务观测系统记录“21·7”河南特大暴雨过程的异同，发现气象站和水文站雨量在时间和空间分布上具有很好的一致性，两者不同等级的累积降雨落区、逐日和逐时降雨演变趋势均一致性强，但累积雨量和雨强极值的空间分布和数值存在差异，两套资料在暴雨中心（过程雨量大于600 mm）的系统性偏差小于1%。气象站和水文站的融合资料呈现比单一资料更细致的降雨分布、更全面的演变特征。此外，基于融合资料发现累积雨量排名前3位的城市（郑州、鹤壁、新乡）均具有累积雨量大、小时雨强极强、强降雨集中、雨强突然增长的特征，鹤壁和新乡最强降雨时段分别比郑州晚26 h和28 h。
2022, 33(6): 682-695.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220604
摘要:
利用FY-4A静止气象卫星、FY-3D极轨气象卫星资料和ERA5再分析资料，深入分析“21·7”河南暴雨环境场及云宏微观特征，首次利用FY-4A观测研究此次事件对流云微物理特征。结果表明：“21·7”河南暴雨是一次极端强降水事件，河南省位于大陆高压和副热带高压之间的鞍型场内，有利于其上空低涡云系的发展和维持。2021年7月20日两股水汽输送交汇于河南中北部，为郑州极端降水提供了有利条件。20日14：00—16：00（北京时，下同）郑州长时间位于对流云团冷云区边界亮温梯度大值区，该时段对流发展旺盛；12：00—14：00云光学厚度跃增，且在15：00仍维持较大值，表明该时段云中液态粒子大量合并，液态水含量丰富，光学厚度峰值出现时间先于降水量峰值出现时间，FY-4A云光学厚度跃增且维持较大值对强降水出现时间及量级有重要的预警意义。对流云粒子有效半径（re）随温度（T）的增长曲线（T-re关系）表明：20日16：00河南上空的雨胚形成区最为深厚，云中不同高度的re整体维持在20~25 μm，表明云中上升气流较强，有利于地面强降水发生。
利用FY-4A静止气象卫星、FY-3D极轨气象卫星资料和ERA5再分析资料，深入分析“21·7”河南暴雨环境场及云宏微观特征，首次利用FY-4A观测研究此次事件对流云微物理特征。结果表明：“21·7”河南暴雨是一次极端强降水事件，河南省位于大陆高压和副热带高压之间的鞍型场内，有利于其上空低涡云系的发展和维持。2021年7月20日两股水汽输送交汇于河南中北部，为郑州极端降水提供了有利条件。20日14：00—16：00（北京时，下同）郑州长时间位于对流云团冷云区边界亮温梯度大值区，该时段对流发展旺盛；12：00—14：00云光学厚度跃增，且在15：00仍维持较大值，表明该时段云中液态粒子大量合并，液态水含量丰富，光学厚度峰值出现时间先于降水量峰值出现时间，FY-4A云光学厚度跃增且维持较大值对强降水出现时间及量级有重要的预警意义。对流云粒子有效半径（re）随温度（T）的增长曲线（T-re关系）表明：20日16：00河南上空的雨胚形成区最为深厚，云中不同高度的re整体维持在20~25 μm，表明云中上升气流较强，有利于地面强降水发生。
2022, 33(6): 696-710.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220605
摘要:
利用气象卫星数据和欧洲中期天气预报中心ERA5再分析数据，在开展卫星数据误差分析的基础上，研究2021年2月北美冬季风暴乌里发生的气候背景、发展演变、极涡活动对乌里的触发作用及造成极端低温和降雪的大气影响因子等。结果表明：与ERA5温度相比，FY-3D/VASS温度在北美地区100，400 hPa和850 hPa的平均绝对偏差分别为1.14℃，1.44℃和2.63℃，可满足冬季极端冷事件监测服务需求；2021年2月北美大陆冷空气活动关键区（50°~80°N，50°~150°W）西部温度较历史同期偏低4~8℃，2月上旬冷空气强度最强，温度距平百分比达70%；在东北太平洋暖高压脊引导下，极涡加强南下，极涡中心西侧横槽转竖过程中冷空气向南爆发，对流层中高层高位涡异常南伸为乌里的生成提供了高层动力强迫，低层冷空气南下和墨西哥湾沿副热带高压西侧向北输送的暖湿气流在美国南部交汇，触发了乌里低层低涡及云系的快速发展；造成强降雪的风暴乌里云系具有对流特征，冷锋云带和头部云顶亮温大部分低于-40℃，部分低于-52℃，闪电活跃。
利用气象卫星数据和欧洲中期天气预报中心ERA5再分析数据，在开展卫星数据误差分析的基础上，研究2021年2月北美冬季风暴乌里发生的气候背景、发展演变、极涡活动对乌里的触发作用及造成极端低温和降雪的大气影响因子等。结果表明：与ERA5温度相比，FY-3D/VASS温度在北美地区100，400 hPa和850 hPa的平均绝对偏差分别为1.14℃，1.44℃和2.63℃，可满足冬季极端冷事件监测服务需求；2021年2月北美大陆冷空气活动关键区（50°~80°N，50°~150°W）西部温度较历史同期偏低4~8℃，2月上旬冷空气强度最强，温度距平百分比达70%；在东北太平洋暖高压脊引导下，极涡加强南下，极涡中心西侧横槽转竖过程中冷空气向南爆发，对流层中高层高位涡异常南伸为乌里的生成提供了高层动力强迫，低层冷空气南下和墨西哥湾沿副热带高压西侧向北输送的暖湿气流在美国南部交汇，触发了乌里低层低涡及云系的快速发展；造成强降雪的风暴乌里云系具有对流特征，冷锋云带和头部云顶亮温大部分低于-40℃，部分低于-52℃，闪电活跃。
2022, 33(6): 711-723.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220606
摘要:
利用海-气-浪耦合模式和动力降尺度方法模拟并分析了2018年5月12日和7月13日两次东移进入渤海湾的中尺度对流过程，分别为入海减弱型和入海增强型。两次过程均发生在低空西南气流强盛，且地面处于暖舌控制的环境下，具有较好的水汽和能量条件。结果表明：海-气-浪耦合模式能较好地模拟减弱型过程的变化趋势，而对增强型过程的模拟效果较差，且模拟的两次过程对流强度整体偏弱；但经动力降尺度模拟后，两次过程的模拟效果均明显提升。敏感性试验对比表明：采用海-气-浪耦合模式结果为动力降尺度提供初边界条件具有一定优势，适用于入海中尺度对流过程模拟；两次过程对流系统入海前对流有效位能条件均较好，但垂直风切变条件增强型过程优于减弱型过程；对流系统入海后的冷池效应在减弱型过程中明显，而在增强型过程中强度较弱但范围较大；海洋下垫面为对流发展提供的热量和水汽输送在减弱型过程中较少，在增强型过程中明显。
利用海-气-浪耦合模式和动力降尺度方法模拟并分析了2018年5月12日和7月13日两次东移进入渤海湾的中尺度对流过程，分别为入海减弱型和入海增强型。两次过程均发生在低空西南气流强盛，且地面处于暖舌控制的环境下，具有较好的水汽和能量条件。结果表明：海-气-浪耦合模式能较好地模拟减弱型过程的变化趋势，而对增强型过程的模拟效果较差，且模拟的两次过程对流强度整体偏弱；但经动力降尺度模拟后，两次过程的模拟效果均明显提升。敏感性试验对比表明：采用海-气-浪耦合模式结果为动力降尺度提供初边界条件具有一定优势，适用于入海中尺度对流过程模拟；两次过程对流系统入海前对流有效位能条件均较好，但垂直风切变条件增强型过程优于减弱型过程；对流系统入海后的冷池效应在减弱型过程中明显，而在增强型过程中强度较弱但范围较大；海洋下垫面为对流发展提供的热量和水汽输送在减弱型过程中较少，在增强型过程中明显。
2022, 33(6): 724-735.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220607
摘要:
双偏振雷达观测特征参量（如相关系数、差分反射率等）能有效抑制地物、超折射、电磁干扰、海浪和晴空等非降水回波。在上海南汇WSR-88D双偏振雷达非降水回波识别算法基础上，对我国升级布网且纳入业务运行的CINRAD/SAD双偏振雷达数据进行算法测试、算法模块适应性改进，利用江苏、广东的双偏振雷达观测冰雹、融化层、台风降水及各种杂波个例进行算法检验评估，并在组网拼图中展示质量控制效果。结果表明：总体上算法对非降水回波的识别准确率达到95.2%，降水回波的误判率为2.6%。但对夏秋季节夜晚的大面积晴空回波算法识别准确率低于90%，有待尝试利用深度学习方法改进。
双偏振雷达观测特征参量（如相关系数、差分反射率等）能有效抑制地物、超折射、电磁干扰、海浪和晴空等非降水回波。在上海南汇WSR-88D双偏振雷达非降水回波识别算法基础上，对我国升级布网且纳入业务运行的CINRAD/SAD双偏振雷达数据进行算法测试、算法模块适应性改进，利用江苏、广东的双偏振雷达观测冰雹、融化层、台风降水及各种杂波个例进行算法检验评估，并在组网拼图中展示质量控制效果。结果表明：总体上算法对非降水回波的识别准确率达到95.2%，降水回波的误判率为2.6%。但对夏秋季节夜晚的大面积晴空回波算法识别准确率低于90%，有待尝试利用深度学习方法改进。
2022, 33(6): 736-747.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220608
摘要:
利用1991—2020年我国中北亚热带不同烤烟烟区180个国家级气象站气候因子数据，根据影响优质烟叶生长发育的气候条件，分析气候差异性，探究烟叶生长发育的气象规律，应用主成分分析计算各气候因子的权重，依据气候相似原理，对湖北省两大烟区与周边烟区采用改进的欧氏距离作为相似度量指标，并与系统聚类结果进行相似性对比。结果表明：鄂西南、鄂西北、豫西、豫南、豫中、湘西、湘中烟区基本具备了生产优质烟叶的气候条件，除降水量外，其余各气候因子在不同发育期的差值伸根期最大，旺长期次之，成熟期最小。鄂西北和陕南烟区的气候因子最为接近，鄂西南和湘西、川东南烟区的气候因子具有高度相似性，从而为不同区域间借鉴生产经验、优化烤烟种植布局和开发特色优质烟叶提供理论依据。
利用1991—2020年我国中北亚热带不同烤烟烟区180个国家级气象站气候因子数据，根据影响优质烟叶生长发育的气候条件，分析气候差异性，探究烟叶生长发育的气象规律，应用主成分分析计算各气候因子的权重，依据气候相似原理，对湖北省两大烟区与周边烟区采用改进的欧氏距离作为相似度量指标，并与系统聚类结果进行相似性对比。结果表明：鄂西南、鄂西北、豫西、豫南、豫中、湘西、湘中烟区基本具备了生产优质烟叶的气候条件，除降水量外，其余各气候因子在不同发育期的差值伸根期最大，旺长期次之，成熟期最小。鄂西北和陕南烟区的气候因子最为接近，鄂西南和湘西、川东南烟区的气候因子具有高度相似性，从而为不同区域间借鉴生产经验、优化烤烟种植布局和开发特色优质烟叶提供理论依据。
2022, 33(6): 748-758.
DOI: 10.11898/1001-7313.20220609
摘要:
采用静态箱-气相色谱法在江汉平原开展早稻、晚稻、中稻、虾稻和再生稻5种稻作类型温室气体排放监测试验，研究不同稻作模式下稻田CH4和N2O排放特征、总增温潜势及温室气体排放强度，为准确评估稻田生态系统温室气体排放提供参考依据。结果表明：CH4排放集中在水稻前期淹水阶段，排放峰值最高为虾稻（85.7 mg·m-2·h-1），较其他稻作模式高71.7%~191.5%。N2O排放峰值主要出现于中期晒田和施肥阶段，排放峰值最高为再生稻（1100.7 μg·m-2·h-1），较其他稻作模式高16.8%~654.9%。CH4累积排放量从大到小依次为虾稻、再生稻、早稻、晚稻、中稻；N2O累积排放量从大到小依次为再生稻、早稻、晚稻、中稻、虾稻；总增温潜势从大到小依次为虾稻、再生稻、早稻、晚稻、中稻；温室气体排放强度从大到小依次为虾稻、早稻、再生稻、晚稻、中稻。CH4排放占比为82.9%~99.0%，稻虾田高排放主要原因为持续淹水时间长、秸秆还田和饲料投入，探究该模式CH4减排举措最为关键；中稻由于水旱轮作，稻田温室气体排放最低，可作为低碳减排的主要稻作类型。
采用静态箱-气相色谱法在江汉平原开展早稻、晚稻、中稻、虾稻和再生稻5种稻作类型温室气体排放监测试验，研究不同稻作模式下稻田CH4和N2O排放特征、总增温潜势及温室气体排放强度，为准确评估稻田生态系统温室气体排放提供参考依据。结果表明：CH4排放集中在水稻前期淹水阶段，排放峰值最高为虾稻（85.7 mg·m-2·h-1），较其他稻作模式高71.7%~191.5%。N2O排放峰值主要出现于中期晒田和施肥阶段，排放峰值最高为再生稻（1100.7 μg·m-2·h-1），较其他稻作模式高16.8%~654.9%。CH4累积排放量从大到小依次为虾稻、再生稻、早稻、晚稻、中稻；N2O累积排放量从大到小依次为再生稻、早稻、晚稻、中稻、虾稻；总增温潜势从大到小依次为虾稻、再生稻、早稻、晚稻、中稻；温室气体排放强度从大到小依次为虾稻、早稻、再生稻、晚稻、中稻。CH4排放占比为82.9%~99.0%，稻虾田高排放主要原因为持续淹水时间长、秸秆还田和饲料投入，探究该模式CH4减排举措最为关键；中稻由于水旱轮作，稻田温室气体排放最低，可作为低碳减排的主要稻作类型。
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