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《应用气象学报》投稿模版
中国气象局2023年 第34卷 第2期
摘要
PDF 648KB
2023, 34(2): 129-141.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230201
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摘要:
利用CMA-BJ V2.0系统在2021年汛期（6—9月）华北地区预报的平均日降水量和24 h内逐时降水量，评估不同水平分辨率（3 km和9 km）在降水量、有效降水时次占比、降水强度、降水日变化等方面的预报性能。结果表明：9 km和3 km分辨率预报均可较好地反映降水量和落区，捕捉平均日降水量大于8 mm的降水区域分布特征，但降水量级的预报较观测偏大；对小时降水量和有效降水时次占比日变化的预报与观测基本一致，但对傍晚的峰值预报偏强，且多个时段空报，同时高估了小时降水量。与9 km分辨率预报相比，3 km分辨率预报对有效降水时次占比随累积降水量的变化趋势与观测更接近，对小时有效降水时次占比日变化、峰谷值出现时间的预报也与观测更接近。9 km分辨率预报对弱降水过程的预报能力更优，而3 km分辨率预报对强降水过程的预报能力更优。
利用CMA-BJ V2.0系统在2021年汛期（6—9月）华北地区预报的平均日降水量和24 h内逐时降水量，评估不同水平分辨率（3 km和9 km）在降水量、有效降水时次占比、降水强度、降水日变化等方面的预报性能。结果表明：9 km和3 km分辨率预报均可较好地反映降水量和落区，捕捉平均日降水量大于8 mm的降水区域分布特征，但降水量级的预报较观测偏大；对小时降水量和有效降水时次占比日变化的预报与观测基本一致，但对傍晚的峰值预报偏强，且多个时段空报，同时高估了小时降水量。与9 km分辨率预报相比，3 km分辨率预报对有效降水时次占比随累积降水量的变化趋势与观测更接近，对小时有效降水时次占比日变化、峰谷值出现时间的预报也与观测更接近。9 km分辨率预报对弱降水过程的预报能力更优，而3 km分辨率预报对强降水过程的预报能力更优。
2023, 34(2): 142-153.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230202
摘要:
选取2022年川渝地区发生的16个强降水个例开展对流尺度集合预报批量试验，并通过对31组初值采用不同集合成员数时的降水集合预报技巧进行检验评估和综合分析。结果表明：集合成员的降水预报技巧总体上大致相当，因而采用不同成员数时预报技巧差异也不明显；表征降水总体分布特征的Talagrand分布和预报失误概率以及表征降水概率预报技巧的相对作用特征面积随着成员数的增加而逐渐改进，但当成员数达到一定数值后继续增大成员数对预报改进不明显。总体而言，对流尺度集合预报成员数设置为16~18最适宜。
选取2022年川渝地区发生的16个强降水个例开展对流尺度集合预报批量试验，并通过对31组初值采用不同集合成员数时的降水集合预报技巧进行检验评估和综合分析。结果表明：集合成员的降水预报技巧总体上大致相当，因而采用不同成员数时预报技巧差异也不明显；表征降水总体分布特征的Talagrand分布和预报失误概率以及表征降水概率预报技巧的相对作用特征面积随着成员数的增加而逐渐改进，但当成员数达到一定数值后继续增大成员数对预报改进不明显。总体而言，对流尺度集合预报成员数设置为16~18最适宜。
2023, 34(2): 154-165.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230203
摘要:
选取2021年嫩江流域9个暴雨日，利用降水融合产品，采用CRA空间检验，对区域台风数值预报系统（CMA-TYM）和国家级智能网格指导预报（SCMOC）20：00起报的24 h降水预报产品进行检验。结果表明：CMA-TYM和SCMOC预报的最大降水量位置均偏西、偏北，CMA-TYM和SCMOC预报的降水落区均偏西，但前者偏北，后者略偏南，SCMOC预报优于CMA-TYM。误差分析表明：CMA-TYM和SCMOC预报的暴雨落区最大降水量和平均降水量比实况偏小，格点数、面积较实况偏大，但整体上，CMA-TYM预报更接近实况。CRA空间检验显示，CMA-TYM预报的降水强度和落区形态、SCMOC预报的降水落区位置和形态较接近实况，具有一定指示意义。
选取2021年嫩江流域9个暴雨日，利用降水融合产品，采用CRA空间检验，对区域台风数值预报系统（CMA-TYM）和国家级智能网格指导预报（SCMOC）20：00起报的24 h降水预报产品进行检验。结果表明：CMA-TYM和SCMOC预报的最大降水量位置均偏西、偏北，CMA-TYM和SCMOC预报的降水落区均偏西，但前者偏北，后者略偏南，SCMOC预报优于CMA-TYM。误差分析表明：CMA-TYM和SCMOC预报的暴雨落区最大降水量和平均降水量比实况偏小，格点数、面积较实况偏大，但整体上，CMA-TYM预报更接近实况。CRA空间检验显示，CMA-TYM预报的降水强度和落区形态、SCMOC预报的降水落区位置和形态较接近实况，具有一定指示意义。
2023, 34(2): 166-178.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230204
摘要:
利用联合台风预警中心（Joint Typhoon Warning Center，JTWC）最佳路径资料、逐小时降水资料和ERA5再分析资料，研究2017年5月26—31日孟加拉湾风暴与高原低涡共同影响下青藏高原一次强降水过程，结果表明：风暴和南支槽共同作用下建立的孟加拉湾至青藏高原的水汽输送带为高原低涡-切变线区域的降水提供水汽。南支槽后冷气流在青藏高原南部陡坡下沉形成冷垫，孟加拉湾偏南暖湿气流首先沿冷垫向北抬升，爬上青藏高原后向北在高原切变线附近再次抬升，增加降水区地表至对流层高层大气中的可降水量。风暴偏南风暖湿气流与青藏高原北部干冷空气交汇产生锋生，大气湿斜压性显著增长，湿等熵线密集陡立导致垂直涡度剧烈发展，有利于高原低涡加强。风暴北上过程中其高层反气旋式出流加强青藏高原槽前西南风高空急流，辐散增强有利于低层切变线发展和高原低涡东移，产生大范围强降水。高原低涡切变线与风暴水汽输送的正反馈作用，为降水区提供持续视热源和视水汽汇，有利于青藏高原降水系统的维持和发展。
利用联合台风预警中心（Joint Typhoon Warning Center，JTWC）最佳路径资料、逐小时降水资料和ERA5再分析资料，研究2017年5月26—31日孟加拉湾风暴与高原低涡共同影响下青藏高原一次强降水过程，结果表明：风暴和南支槽共同作用下建立的孟加拉湾至青藏高原的水汽输送带为高原低涡-切变线区域的降水提供水汽。南支槽后冷气流在青藏高原南部陡坡下沉形成冷垫，孟加拉湾偏南暖湿气流首先沿冷垫向北抬升，爬上青藏高原后向北在高原切变线附近再次抬升，增加降水区地表至对流层高层大气中的可降水量。风暴偏南风暖湿气流与青藏高原北部干冷空气交汇产生锋生，大气湿斜压性显著增长，湿等熵线密集陡立导致垂直涡度剧烈发展，有利于高原低涡加强。风暴北上过程中其高层反气旋式出流加强青藏高原槽前西南风高空急流，辐散增强有利于低层切变线发展和高原低涡东移，产生大范围强降水。高原低涡切变线与风暴水汽输送的正反馈作用，为降水区提供持续视热源和视水汽汇，有利于青藏高原降水系统的维持和发展。
2023, 34(2): 179-192.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230205
摘要:
利用1981—2020年中国热带气旋最佳路径数据集、中国大气再分析资料（CMA-RA）、欧洲中期天气预报中心ERA5及美国NCEP/NCAR再分析资料（NCEP-Ⅰ），对比不同资料在表征影响南海热带气旋活动环流背景的能力，探讨CMA-RA的适用性。结果表明：不同资料基本刻画出与热带气旋活动密切相关的环流特征，包括南方涛动、菲律宾至南海低层纬向风、热带低层纬向风反向分布型、菲律宾至南海中东部低层涡度、热带西太平洋垂直风切变及南海至菲律宾以东海域中层湿度。它们对南方涛动、关键区纬向风和中层湿度的刻画较相似，CMA-RA和ERA5对南方涛动、低层纬向风及其与热带气旋关系的描述一致性高，较NCEP-Ⅰ密切，但低层经向风、关键物理量差异较大。对极端年环流具有相似的表现能力，但异常程度存在差异，海平面气压、低层纬向风高度一致，以CMA-RA与ERA5最接近；中层湿度CMA-RA与ERA5接近，较NCEP-Ⅰ偏小；关键物理量差异较大。CMA-RA对南海热带气旋环流的刻画具有与ERA5和NCEP-Ⅰ相当的性能，并与ERA5一致性较高，可为相关工作提供可替换的再分析资料集。
利用1981—2020年中国热带气旋最佳路径数据集、中国大气再分析资料（CMA-RA）、欧洲中期天气预报中心ERA5及美国NCEP/NCAR再分析资料（NCEP-Ⅰ），对比不同资料在表征影响南海热带气旋活动环流背景的能力，探讨CMA-RA的适用性。结果表明：不同资料基本刻画出与热带气旋活动密切相关的环流特征，包括南方涛动、菲律宾至南海低层纬向风、热带低层纬向风反向分布型、菲律宾至南海中东部低层涡度、热带西太平洋垂直风切变及南海至菲律宾以东海域中层湿度。它们对南方涛动、关键区纬向风和中层湿度的刻画较相似，CMA-RA和ERA5对南方涛动、低层纬向风及其与热带气旋关系的描述一致性高，较NCEP-Ⅰ密切，但低层经向风、关键物理量差异较大。对极端年环流具有相似的表现能力，但异常程度存在差异，海平面气压、低层纬向风高度一致，以CMA-RA与ERA5最接近；中层湿度CMA-RA与ERA5接近，较NCEP-Ⅰ偏小；关键物理量差异较大。CMA-RA对南海热带气旋环流的刻画具有与ERA5和NCEP-Ⅰ相当的性能，并与ERA5一致性较高，可为相关工作提供可替换的再分析资料集。
2023, 34(2): 193-205.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230206
摘要:
负氧离子是评价空气新鲜和清洁程度的重要指标。利用2018—2021年福建省负氧离子观测站数据分析负氧离子浓度的时空变化特征，并采用多元线性回归方法、多元逻辑回归方法和LightGBM机器学习方法建立负氧离子浓度预测模型。结果表明：福建省负氧离子资源十分丰富，中海拔区（350~550 m）年平均负氧离子浓度最高，低海拔区次之，高海拔区最小。负氧离子浓度日变化特征呈一峰一谷型，04：00—06：00（北京时，下同）达到峰值，12：00—13：00达到谷值；中海拔区负氧离子浓度季节变化较大，季节平均浓度从大到小依次为春季、夏季、冬季、秋季，而高、低海拔区季节变化相对较小。福建省不同海拔地区负氧离子浓度与湿度、降水和能见度均呈显著正相关，负氧离子浓度与气温、风速和气压显著相关，但不同海拔地区的相关性有所不同。机器学习方法对不同海拔地区负氧离子浓度数值的拟合效果比多元线性回归方法有明显提升，对负氧离子浓度等级拟合的准确率比多元逻辑回归方法提高7%~12%，且在绝大部分等级上的准确率均高于多元逻辑回归方法。
负氧离子是评价空气新鲜和清洁程度的重要指标。利用2018—2021年福建省负氧离子观测站数据分析负氧离子浓度的时空变化特征，并采用多元线性回归方法、多元逻辑回归方法和LightGBM机器学习方法建立负氧离子浓度预测模型。结果表明：福建省负氧离子资源十分丰富，中海拔区（350~550 m）年平均负氧离子浓度最高，低海拔区次之，高海拔区最小。负氧离子浓度日变化特征呈一峰一谷型，04：00—06：00（北京时，下同）达到峰值，12：00—13：00达到谷值；中海拔区负氧离子浓度季节变化较大，季节平均浓度从大到小依次为春季、夏季、冬季、秋季，而高、低海拔区季节变化相对较小。福建省不同海拔地区负氧离子浓度与湿度、降水和能见度均呈显著正相关，负氧离子浓度与气温、风速和气压显著相关，但不同海拔地区的相关性有所不同。机器学习方法对不同海拔地区负氧离子浓度数值的拟合效果比多元线性回归方法有明显提升，对负氧离子浓度等级拟合的准确率比多元逻辑回归方法提高7%~12%，且在绝大部分等级上的准确率均高于多元逻辑回归方法。
2023, 34(2): 206-219.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230207
摘要:
获取准确的云高及其变化特征，对于揭示天气系统的演变以及改进气候模式具有重要作用。由于不同设备观测云高的不确定性，将锋区要素不连续变化理论引入云高分析中，将云底部、云顶部大气的交界过渡带区域视为云锋区，研究探空、毫米波雷达、风廓线雷达等不同类型设备观测要素在云锋区及云外环境大气的变化特征。对流云和层状云个例研究表明：在云锋区，温湿度及雷达反射率因子随高度的一阶、二阶导数均呈不连续现象（即一阶、二阶导数值在云内外和云锋区表现为不相等），风廓线雷达信噪比垂直梯度也出现突变，因此不同设备观测云高具有较好空间一致性，并得到云底和云顶高度的合理范围和相应判据；相对于层状云，对流云内外温度梯度差异以及云体内反射率因子二阶导数的脉动变化幅度均偏大，因此可作为区分二者的参考指标。
获取准确的云高及其变化特征，对于揭示天气系统的演变以及改进气候模式具有重要作用。由于不同设备观测云高的不确定性，将锋区要素不连续变化理论引入云高分析中，将云底部、云顶部大气的交界过渡带区域视为云锋区，研究探空、毫米波雷达、风廓线雷达等不同类型设备观测要素在云锋区及云外环境大气的变化特征。对流云和层状云个例研究表明：在云锋区，温湿度及雷达反射率因子随高度的一阶、二阶导数均呈不连续现象（即一阶、二阶导数值在云内外和云锋区表现为不相等），风廓线雷达信噪比垂直梯度也出现突变，因此不同设备观测云高具有较好空间一致性，并得到云底和云顶高度的合理范围和相应判据；相对于层状云，对流云内外温度梯度差异以及云体内反射率因子二阶导数的脉动变化幅度均偏大，因此可作为区分二者的参考指标。
2023, 34(2): 220-233.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230208
摘要:
利用风云四号气象卫星A星（FY-4A）红外云图，基于生成对抗网络方法，提出了红外云图外推预报模型，实现了华东区域未来3 h的云图预报，预报的时空分辨率分别为1 h和4 km。结果表明：该外推模型预报的云图可较好描述云团移动、发展和减弱趋势，对研究区域内云团的强度、位置和形态得到较为理想的预报效果。为了验证提出的云图外推模型的有效性，将其与光流法和轨迹门控循环单元模型进行比较。对比试验结果表明：该云图外推模型具有最优的预报效果，说明使用生成对抗网络进行云图外推具有较好的可行性，能有效应用于气象业务中监测云团的生消和移动并提前预警灾害性天气的发生，为天气预报提供重要的参考依据。
利用风云四号气象卫星A星（FY-4A）红外云图，基于生成对抗网络方法，提出了红外云图外推预报模型，实现了华东区域未来3 h的云图预报，预报的时空分辨率分别为1 h和4 km。结果表明：该外推模型预报的云图可较好描述云团移动、发展和减弱趋势，对研究区域内云团的强度、位置和形态得到较为理想的预报效果。为了验证提出的云图外推模型的有效性，将其与光流法和轨迹门控循环单元模型进行比较。对比试验结果表明：该云图外推模型具有最优的预报效果，说明使用生成对抗网络进行云图外推具有较好的可行性，能有效应用于气象业务中监测云团的生消和移动并提前预警灾害性天气的发生，为天气预报提供重要的参考依据。
2023, 34(2): 234-245.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230209
摘要:
冰雹是对流性天气常见的灾害之一，雷达是识别冰雹强有利的工具，为克服现有方法主观性强、特征量阈值不明确以及虚警率高的不足，探究机器学习算法用于冰雹识别的可行性，基于决策树算法利用2015年1月1日—2021年12月31日鄂东地区冰雹灾情资料、武汉多普勒天气雷达以及探空资料，将湿球温度高度引入冰雹识别因子中，并根据命中率、虚警率和临界成功指数定量评估其识别能力。结果表明：仅包含回波强度的决策树（强度决策树）和包含回波强度和湿球温度高度的决策树（强度-高度决策树）均能有效识别冰雹，强度-高度决策树较强度决策树的命中率和临界成功指数均小幅提高，且虚警率明显降低；强度决策树识别冰雹的关键因子为组合反射率因子，底层多为0.5°和1.5°仰角反射率因子，强度-高度决策树的关键因子为0.5°仰角反射率因子，底层多为风暴的整体强度属性；个例分析显示强度-高度决策树减少了湿球0℃层高度较高时的虚警次数，展现出良好的应用前景。
冰雹是对流性天气常见的灾害之一，雷达是识别冰雹强有利的工具，为克服现有方法主观性强、特征量阈值不明确以及虚警率高的不足，探究机器学习算法用于冰雹识别的可行性，基于决策树算法利用2015年1月1日—2021年12月31日鄂东地区冰雹灾情资料、武汉多普勒天气雷达以及探空资料，将湿球温度高度引入冰雹识别因子中，并根据命中率、虚警率和临界成功指数定量评估其识别能力。结果表明：仅包含回波强度的决策树（强度决策树）和包含回波强度和湿球温度高度的决策树（强度-高度决策树）均能有效识别冰雹，强度-高度决策树较强度决策树的命中率和临界成功指数均小幅提高，且虚警率明显降低；强度决策树识别冰雹的关键因子为组合反射率因子，底层多为0.5°和1.5°仰角反射率因子，强度-高度决策树的关键因子为0.5°仰角反射率因子，底层多为风暴的整体强度属性；个例分析显示强度-高度决策树减少了湿球0℃层高度较高时的虚警次数，展现出良好的应用前景。
2023, 34(2): 246-256.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230210
摘要:
在气候变化背景下，农田净生态系统生产力变化趋势和影响因素不确定性大，为有效评估农田生态系统的固碳潜力，利用2005—2020年东北雨养春玉米田涡动相关数据分析该区域碳通量年际变化趋势及其气象、土壤和生物影响因素。结果表明：东北雨养春玉米田净生态系统生产力为272±109 g·m-2·a-1，且无显著变化趋势；与生态系统呼吸相比，净生态系统生产力年际变化主要受总生态系统生产力影响。气象因素的降水量和生物因素的作物水分利用效率是净生态系统生产力年际变化的主要影响因素，影响权重分别为28.4%和31.4%；气象、土壤和生物因素对总生态系统生产力年际变化的影响权重分别为61.0%，43.8%和62.8%；土壤因素和生物因素是生态系统呼吸年际变化的主要影响因素，且土壤因素对生态系统呼吸年际变化的影响权重（39.3%）大于生物因素（29.2%）。在气候变暖背景下，东北雨养春玉米田对水分更为敏感，同时日照和温度通过影响饱和水汽压差和土壤湿度间接影响净生态系统生产力的年际变化。
在气候变化背景下，农田净生态系统生产力变化趋势和影响因素不确定性大，为有效评估农田生态系统的固碳潜力，利用2005—2020年东北雨养春玉米田涡动相关数据分析该区域碳通量年际变化趋势及其气象、土壤和生物影响因素。结果表明：东北雨养春玉米田净生态系统生产力为272±109 g·m-2·a-1，且无显著变化趋势；与生态系统呼吸相比，净生态系统生产力年际变化主要受总生态系统生产力影响。气象因素的降水量和生物因素的作物水分利用效率是净生态系统生产力年际变化的主要影响因素，影响权重分别为28.4%和31.4%；气象、土壤和生物因素对总生态系统生产力年际变化的影响权重分别为61.0%，43.8%和62.8%；土壤因素和生物因素是生态系统呼吸年际变化的主要影响因素，且土壤因素对生态系统呼吸年际变化的影响权重（39.3%）大于生物因素（29.2%）。在气候变暖背景下，东北雨养春玉米田对水分更为敏感，同时日照和温度通过影响饱和水汽压差和土壤湿度间接影响净生态系统生产力的年际变化。
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