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中国气象局2023年 第34卷 第3期
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2023, 34(3): 257-269.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230301
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风云四号气象卫星A星(FY-4A)是我国第2代静止气象卫星首发星，搭载的先进静止轨道辐射成像仪AGRI是迄今为止我国静止轨道最先进的辐射成像仪。海表温度产品是FY-4A/AGRI基础定量产品之一，采用非线性海表温度算法在业务系统实时反演得到。以现场实测海表温度数据为参考，选择观测时间为30 min、观测空间距离为4 km的时空匹配窗口，对FY-4A/AGRI海表温度产品进行质量检验，评估结果表明：质量为优的像元平均偏差为-0.45~-0.42℃，标准差为0.81~0.88℃，相关系数在0.985以上。以Himawari-8/AHI海表温度数据为参考，按观测时间为1 h、空间距离为4 km的时空匹配窗口，对FY-4A/AGRI海表温度进行质量检验，质量为优的像元平均偏差为-0.26~-0.07℃，标准差为0.68~0.82℃，两者相关系数在0.985以上，达到0.001显著性水平。
风云四号气象卫星A星(FY-4A)是我国第2代静止气象卫星首发星，搭载的先进静止轨道辐射成像仪AGRI是迄今为止我国静止轨道最先进的辐射成像仪。海表温度产品是FY-4A/AGRI基础定量产品之一，采用非线性海表温度算法在业务系统实时反演得到。以现场实测海表温度数据为参考，选择观测时间为30 min、观测空间距离为4 km的时空匹配窗口，对FY-4A/AGRI海表温度产品进行质量检验，评估结果表明：质量为优的像元平均偏差为-0.45~-0.42℃，标准差为0.81~0.88℃，相关系数在0.985以上。以Himawari-8/AHI海表温度数据为参考，按观测时间为1 h、空间距离为4 km的时空匹配窗口，对FY-4A/AGRI海表温度进行质量检验，质量为优的像元平均偏差为-0.26~-0.07℃，标准差为0.68~0.82℃，两者相关系数在0.985以上，达到0.001显著性水平。
2023, 34(3): 270-281.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230302
摘要:
风云三号气象卫星C星/D星/E星的掩星接收机接收GPS和北斗导航卫星信号，形成掩星事件，进而反演得到大气温度廓线。利用2016—2022年FY-3C/3D/3E GPS和北斗掩星干大气温度廓线，通过与ERA5再分析资料对比，分析掩星干大气温度的精准度特征。结果表明：掩星干大气温度廓线在200 hPa至20 hPa间精度最高，标准偏差约为1 K，且GPS与北斗掩星的误差特征相近。在稳定度方面，FY-3C GPS掩星干大气温度平均偏差线性变化趋势为-0.0055 K·a-1，与国外同类掩星资料稳定性相当。因2021年初掩星天线多径效应订正，FY-3D GPS掩星干大气温度与ERA5再分析资料的平均偏差出现明显跳变，平均偏差值从-0.154 K降为-0.007 K, 负偏差显著减小。总体上，FY-3C GPS掩星干大气温度廓线长序列稳定度较好，北斗掩星干大气温度廓线精度能够达到或优于GPS，风云极轨卫星序列的GPS和北斗掩星在长序列稳定性上具有良好的应用前景。
风云三号气象卫星C星/D星/E星的掩星接收机接收GPS和北斗导航卫星信号，形成掩星事件，进而反演得到大气温度廓线。利用2016—2022年FY-3C/3D/3E GPS和北斗掩星干大气温度廓线，通过与ERA5再分析资料对比，分析掩星干大气温度的精准度特征。结果表明：掩星干大气温度廓线在200 hPa至20 hPa间精度最高，标准偏差约为1 K，且GPS与北斗掩星的误差特征相近。在稳定度方面，FY-3C GPS掩星干大气温度平均偏差线性变化趋势为-0.0055 K·a-1，与国外同类掩星资料稳定性相当。因2021年初掩星天线多径效应订正，FY-3D GPS掩星干大气温度与ERA5再分析资料的平均偏差出现明显跳变，平均偏差值从-0.154 K降为-0.007 K, 负偏差显著减小。总体上，FY-3C GPS掩星干大气温度廓线长序列稳定度较好，北斗掩星干大气温度廓线精度能够达到或优于GPS，风云极轨卫星序列的GPS和北斗掩星在长序列稳定性上具有良好的应用前景。
2023, 34(3): 282-294.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230303
摘要:
光学遥感云检测是定量遥感和遥感应用的基础, 尝试将朴素贝叶斯的机器学习方法应用于风云四号气象卫星A星(FY-4A)搭载的先进静止轨道辐射成像仪(AGRI)红外通道数据云检测。因辐射物理方法的云检测采用可见光通道导致存在日夜不连续现象，仅选取FY-4A/AGRI载荷7个红外通道的光谱数据，构建10种特征分类，利用正交偏振云-气溶胶激光雷达(CALIOP)与FY-4A/AGRI时空匹配数据，对不同地表类型和不同季节的数据集进行分类训练和验证。与CALIOP数据交叉验证显示除积雪上空云识别准确率约为81%，深海、浅水、陆地和荒漠上空的云识别准确率均高于92%，误判率基本低于10%，总体云识别精度达到90%；与2021年10月和2022年1，4，7月MODIS 2级云检测产品比对，深海、浅水云识别准确率均在88%以上，误判率分别低于3%和10%，夏季云识别效果最佳，总体云识别准确率高达90%。云检测结果不仅得到云、可能云、可能晴空和晴空4种分类结果，还得到每种特征和综合特征云检测分类器的不确定性概率值，这为云和地表相关检测产品提供重要参考。
光学遥感云检测是定量遥感和遥感应用的基础, 尝试将朴素贝叶斯的机器学习方法应用于风云四号气象卫星A星(FY-4A)搭载的先进静止轨道辐射成像仪(AGRI)红外通道数据云检测。因辐射物理方法的云检测采用可见光通道导致存在日夜不连续现象，仅选取FY-4A/AGRI载荷7个红外通道的光谱数据，构建10种特征分类，利用正交偏振云-气溶胶激光雷达(CALIOP)与FY-4A/AGRI时空匹配数据，对不同地表类型和不同季节的数据集进行分类训练和验证。与CALIOP数据交叉验证显示除积雪上空云识别准确率约为81%，深海、浅水、陆地和荒漠上空的云识别准确率均高于92%，误判率基本低于10%，总体云识别精度达到90%；与2021年10月和2022年1，4，7月MODIS 2级云检测产品比对，深海、浅水云识别准确率均在88%以上，误判率分别低于3%和10%，夏季云识别效果最佳，总体云识别准确率高达90%。云检测结果不仅得到云、可能云、可能晴空和晴空4种分类结果，还得到每种特征和综合特征云检测分类器的不确定性概率值，这为云和地表相关检测产品提供重要参考。
2023, 34(3): 295-308.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230304
摘要:
选取2021年1月1日—2022年3月31日山东济南地区探空、微波辐射计和FY-4A的温度廓线，评估FY-4A温度廓线偏差特征。结果表明：10 km以下，FY-4A温度比探空偏小0.51℃，两者偏差的标准差为0.50℃；FY-4A温度比微波辐射计偏大0.53℃，两者偏差的标准差为0.75℃。FY-4A与探空在00：00(世界时，下同)和12：00的温度偏差趋势一致；相对于00：00，12：00的FY-4A与探空温度偏差的离散程度较小。有降水时，600 m高度以上微波辐射计与FY-4A的温度偏差逐渐增大，在1500 m高度附近偏差达到最大值(约为9.35℃)，在3000~8500 m高度内偏差为1.35~5.10℃，偏差的标准差为1.41~4.99℃。有降水时，FY-4A与探空的温度偏差和标准差在不同高度上不同，偏差变化范围为-0.31~3.60℃。有云时，微波辐射计与FY-4A的温度偏差为-0.40℃，偏差的标准差为3.79℃；探空与FY-4A的温度偏差为0.31℃，偏差的标准差为2.66℃。相对于有云时，晴空背景下FY-4A与另外两种设备的温度偏差和标准差均较小。
选取2021年1月1日—2022年3月31日山东济南地区探空、微波辐射计和FY-4A的温度廓线，评估FY-4A温度廓线偏差特征。结果表明：10 km以下，FY-4A温度比探空偏小0.51℃，两者偏差的标准差为0.50℃；FY-4A温度比微波辐射计偏大0.53℃，两者偏差的标准差为0.75℃。FY-4A与探空在00：00(世界时，下同)和12：00的温度偏差趋势一致；相对于00：00，12：00的FY-4A与探空温度偏差的离散程度较小。有降水时，600 m高度以上微波辐射计与FY-4A的温度偏差逐渐增大，在1500 m高度附近偏差达到最大值(约为9.35℃)，在3000~8500 m高度内偏差为1.35~5.10℃，偏差的标准差为1.41~4.99℃。有降水时，FY-4A与探空的温度偏差和标准差在不同高度上不同，偏差变化范围为-0.31~3.60℃。有云时，微波辐射计与FY-4A的温度偏差为-0.40℃，偏差的标准差为3.79℃；探空与FY-4A的温度偏差为0.31℃，偏差的标准差为2.66℃。相对于有云时，晴空背景下FY-4A与另外两种设备的温度偏差和标准差均较小。
2023, 34(3): 309-323.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230305
摘要:
针对业务运行中雷达观测存在遮挡和雷达产品延迟,提出利用带噪声基于密度的空间聚类(density-based spatial clustering of applications with noise,DBSCAN)算法对闪电数据的聚类结果替代雷达产品,并分别利用北京三维闪电定位网(Beijing Total Lightning System,BJTLS)和升级后的国家闪电定位网(DDW1)总闪数据,应用2σ闪电跃增算法对北京2022年6月4日和12日两次强对流致灾过程进行临近预警,对比强对流单体识别法和DBSCAN聚类法的预警效果。结果表明:两种算法和两种闪电数据均能有效预警北京地区的灾害性天气,基于BJTLS总闪数据的预警效果较优;对于BJTLS总闪数据,两种方法的预警效果相当,预警命中率、误报率、临近成功指数和平均预警提前时间依次分别为100%,11.9%,88.1%,38.9 min和100%,13.3%,86.7%,42.8 min;仅利用闪电数据并应用2σ闪电跃增算法可对灾害性天气进行临近预警,摆脱对雷达产品的依赖。
针对业务运行中雷达观测存在遮挡和雷达产品延迟,提出利用带噪声基于密度的空间聚类(density-based spatial clustering of applications with noise,DBSCAN)算法对闪电数据的聚类结果替代雷达产品,并分别利用北京三维闪电定位网(Beijing Total Lightning System,BJTLS)和升级后的国家闪电定位网(DDW1)总闪数据,应用2σ闪电跃增算法对北京2022年6月4日和12日两次强对流致灾过程进行临近预警,对比强对流单体识别法和DBSCAN聚类法的预警效果。结果表明:两种算法和两种闪电数据均能有效预警北京地区的灾害性天气,基于BJTLS总闪数据的预警效果较优;对于BJTLS总闪数据,两种方法的预警效果相当,预警命中率、误报率、临近成功指数和平均预警提前时间依次分别为100%,11.9%,88.1%,38.9 min和100%,13.3%,86.7%,42.8 min;仅利用闪电数据并应用2σ闪电跃增算法可对灾害性天气进行临近预警,摆脱对雷达产品的依赖。
2023, 34(3): 324-335.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230306
摘要:
基于快天线闪电定位阵列(fast antenna lightning mapping array,FALMA)的观测数据,对2019年8月2日和5日发生于我国宁夏的两次雷暴过程312例反极性云闪的初始击穿(preliminary breakdown,PB)特征进行统计。脉冲参数统计结果显示:PB过程持续时间算术平均值为9.8 ms;脉冲结构由脉冲上升沿、半宽、下降沿和脉冲宽度4个变量表征,算术平均值分别为7.3,4.5,5.6 μs和24.7 μs。脉冲频率和脉冲间隔的算术平均值分别是5.7 ms-1和169.2 μs。通道参数统计结果显示:反极性云闪的起始高度平均值为6.9 km。相比于正极性云闪,反极性云闪PB倾向于在弱雷达回波区域起始,雷达反射率因子算术平均值为19.3 dBZ。垂直发展距离和垂直速度平均值分别是2.0 km和2.8×105 m·s-1。PB参数随起始高度变化的结果表明:PB持续时间、垂直发展距离(垂直速度、脉冲频率)与起始高度呈正(负)相关。
基于快天线闪电定位阵列(fast antenna lightning mapping array,FALMA)的观测数据,对2019年8月2日和5日发生于我国宁夏的两次雷暴过程312例反极性云闪的初始击穿(preliminary breakdown,PB)特征进行统计。脉冲参数统计结果显示:PB过程持续时间算术平均值为9.8 ms;脉冲结构由脉冲上升沿、半宽、下降沿和脉冲宽度4个变量表征,算术平均值分别为7.3,4.5,5.6 μs和24.7 μs。脉冲频率和脉冲间隔的算术平均值分别是5.7 ms-1和169.2 μs。通道参数统计结果显示:反极性云闪的起始高度平均值为6.9 km。相比于正极性云闪,反极性云闪PB倾向于在弱雷达回波区域起始,雷达反射率因子算术平均值为19.3 dBZ。垂直发展距离和垂直速度平均值分别是2.0 km和2.8×105 m·s-1。PB参数随起始高度变化的结果表明:PB持续时间、垂直发展距离(垂直速度、脉冲频率)与起始高度呈正(负)相关。
2023, 34(3): 336-347.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230307
摘要:
利用2021年6—8月吉林靖宇Parsivel2型雨滴谱观测数据,研究长白山麓夏季不同降水类型和不同降水强度条件下雨滴谱特征,并与国内外研究对比。结果表明:长白山麓夏季降水雨滴直径对降水量贡献呈先增大后减小的趋势,贡献较大的直径区间为0.812~2.375 mm,随着降水强度增大,大雨滴(直径D≥2.75 mm)对降水量贡献也增大;对流降水比层云降水的雨滴谱更宽,雨滴数浓度及平均直径也更大;与国外经典对流降水雨滴谱相比,长白山麓对流降水标准截距参数lgNw及质量等效直径Dm特征更接近海洋型降水,与北京延庆及大兴、安徽滁州、江苏浦口相比,长白山麓夏季降水雨滴具有较小的直径和较大的数浓度;长白山麓夏季对流降水和层云降水反射率因子Z与降水强度R拟合关系分别为Z=290.64R1.27和Z=193.36R1.65,经典Z-R关系对该地区降水估测存在低估;形状参数μ、斜率参数Λ存在较好的二项式拟合关系。
利用2021年6—8月吉林靖宇Parsivel2型雨滴谱观测数据,研究长白山麓夏季不同降水类型和不同降水强度条件下雨滴谱特征,并与国内外研究对比。结果表明:长白山麓夏季降水雨滴直径对降水量贡献呈先增大后减小的趋势,贡献较大的直径区间为0.812~2.375 mm,随着降水强度增大,大雨滴(直径D≥2.75 mm)对降水量贡献也增大;对流降水比层云降水的雨滴谱更宽,雨滴数浓度及平均直径也更大;与国外经典对流降水雨滴谱相比,长白山麓对流降水标准截距参数lgNw及质量等效直径Dm特征更接近海洋型降水,与北京延庆及大兴、安徽滁州、江苏浦口相比,长白山麓夏季降水雨滴具有较小的直径和较大的数浓度;长白山麓夏季对流降水和层云降水反射率因子Z与降水强度R拟合关系分别为Z=290.64R1.27和Z=193.36R1.65,经典Z-R关系对该地区降水估测存在低估;形状参数μ、斜率参数Λ存在较好的二项式拟合关系。
2023, 34(3): 348-361.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230308
摘要:
对2017年国产地面太阳辐射观测系统在南极中山站运行状况进行评估,结果表明:FS-6A日射表夜间热偏移平均绝对值低于3 W·m-2,通风加热器的加热效应在一定程度上影响了该日射表夜间热偏移,表现在夜间热偏移与近地面风速相关关系降低。与二等标准日射表CM22测值相比,全云天FS-6A日射表测值较CM22日射表偏低,辐照度在约500 W·m-2时低6 W·m-2或-1%,太阳天顶角θ≤86°时绝对(相对)差值平均值小于2.6 W·m-2(小于4.0%)。晴天FS-6A总辐射测值与(投射到水平面)直射辐射和散射辐射之和一致性较好,根据本底地面辐射观测站网(BSRN)设定的总辐射与直射和散射之和的差值阈值,θ＜80°时满足阈值(小于2%或小于15 W·m-2)比率为80%以上,而θ≥80°时四象限跟踪太阳模式下满足阈值(小于3.5%或小于20 W·m-2)的比率仅为44%。晴天总辐射、直射辐射、散射辐射测值与参数化模式模拟的辐射值可比性和一致性高、相关系数均大于0.95,但随着太阳辐照度增加,总辐射、直射辐射、散射辐射测值均高于模拟值。
对2017年国产地面太阳辐射观测系统在南极中山站运行状况进行评估,结果表明:FS-6A日射表夜间热偏移平均绝对值低于3 W·m-2,通风加热器的加热效应在一定程度上影响了该日射表夜间热偏移,表现在夜间热偏移与近地面风速相关关系降低。与二等标准日射表CM22测值相比,全云天FS-6A日射表测值较CM22日射表偏低,辐照度在约500 W·m-2时低6 W·m-2或-1%,太阳天顶角θ≤86°时绝对(相对)差值平均值小于2.6 W·m-2(小于4.0%)。晴天FS-6A总辐射测值与(投射到水平面)直射辐射和散射辐射之和一致性较好,根据本底地面辐射观测站网(BSRN)设定的总辐射与直射和散射之和的差值阈值,θ＜80°时满足阈值(小于2%或小于15 W·m-2)比率为80%以上,而θ≥80°时四象限跟踪太阳模式下满足阈值(小于3.5%或小于20 W·m-2)的比率仅为44%。晴天总辐射、直射辐射、散射辐射测值与参数化模式模拟的辐射值可比性和一致性高、相关系数均大于0.95,但随着太阳辐照度增加,总辐射、直射辐射、散射辐射测值均高于模拟值。
2023, 34(3): 362-372.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230309
摘要:
播种期调整被广泛用于作物适应气候变化, 但播种期调整对作物生长发育过程的影响仍需探讨。基于2017—2022年华北平原北部冬小麦郯麦98的播种期调整大田试验资料, 分析播种期变化对郯麦98的生长发育、产量形成和品质影响。结果表明: 播种期推迟使郯麦98的生长季缩短、有效穗数和籽粒产量减少, 9月30日—10月30日播种期的籽粒产量减少率达569.71 kg·hm-2·(10 d)-1, 但对穗粒数、穗粒重无显著影响。播种期推迟还影响郯麦98成熟期地上干物质分配, 茎秆随播种期推迟呈减少趋势, 为2.44%·(10 d)-1; 而穗部呈增加趋势, 为2.44%·(10 d)-1。播种期变化对郯麦98的叶片光合特性和籽粒品质影响不显著。研究结果可为华北平原北部冬小麦播种期调整提供依据。
播种期调整被广泛用于作物适应气候变化, 但播种期调整对作物生长发育过程的影响仍需探讨。基于2017—2022年华北平原北部冬小麦郯麦98的播种期调整大田试验资料, 分析播种期变化对郯麦98的生长发育、产量形成和品质影响。结果表明: 播种期推迟使郯麦98的生长季缩短、有效穗数和籽粒产量减少, 9月30日—10月30日播种期的籽粒产量减少率达569.71 kg·hm-2·(10 d)-1, 但对穗粒数、穗粒重无显著影响。播种期推迟还影响郯麦98成熟期地上干物质分配, 茎秆随播种期推迟呈减少趋势, 为2.44%·(10 d)-1; 而穗部呈增加趋势, 为2.44%·(10 d)-1。播种期变化对郯麦98的叶片光合特性和籽粒品质影响不显著。研究结果可为华北平原北部冬小麦播种期调整提供依据。
2023, 34(3): 373-378.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230310
摘要:
厘清气象条件对玉米产量影响是确保玉米稳产高产的基础。基于2018—2021年河北固城农业气象国家野外科学观测研究站廉玉1号玉米不同播种期的田间试验对气象条件影响玉米产量的分析表明: 播种期推迟导致发育期延长, 改变发育期的气象条件。廉玉1号玉米播种期推迟20 d较提前10 d的平均发育期长度延长2.5 d, 出苗-拔节期平均气温增加0.7℃, 乳熟-成熟期平均气温减少5.9℃。玉米单产总体随播种期推迟呈降低趋势, 6月8—18日期间播种可获得较高产量。出苗-拔节期的气温日较差以及抽雄-乳熟期的平均气温是影响廉玉1号玉米单产的关键气象因子。
厘清气象条件对玉米产量影响是确保玉米稳产高产的基础。基于2018—2021年河北固城农业气象国家野外科学观测研究站廉玉1号玉米不同播种期的田间试验对气象条件影响玉米产量的分析表明: 播种期推迟导致发育期延长, 改变发育期的气象条件。廉玉1号玉米播种期推迟20 d较提前10 d的平均发育期长度延长2.5 d, 出苗-拔节期平均气温增加0.7℃, 乳熟-成熟期平均气温减少5.9℃。玉米单产总体随播种期推迟呈降低趋势, 6月8—18日期间播种可获得较高产量。出苗-拔节期的气温日较差以及抽雄-乳熟期的平均气温是影响廉玉1号玉米单产的关键气象因子。
2023, 34(3): 379-384.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230311
摘要:
利用1981—2020年气象观测数据, 从种植气候适宜性区划角度分析气候变化对云南橡胶潜在种植区的影响。结果显示: 2011—2020年与1981—1990年相比, 云南南部和东部地区橡胶种植县大部地区的年平均气温升高0.6~0.8℃, 西部大部地区升高1.0℃以上; 哀牢山以东橡胶种植县大部地区1月平均气温升高0~1.0℃, 以西大部地区则升高1.0~2.0℃; 2011—2020年云南橡胶潜在种植区区划与1981—1990年相比, 最适宜区增加55.3%, 适宜区增加18.6%, 增加区域主要分布在哀牢山以西。云南橡胶潜在种植区发生明显变化, 气候变化使哀牢山以西地区更适宜橡胶种植和产业的发展。
利用1981—2020年气象观测数据, 从种植气候适宜性区划角度分析气候变化对云南橡胶潜在种植区的影响。结果显示: 2011—2020年与1981—1990年相比, 云南南部和东部地区橡胶种植县大部地区的年平均气温升高0.6~0.8℃, 西部大部地区升高1.0℃以上; 哀牢山以东橡胶种植县大部地区1月平均气温升高0~1.0℃, 以西大部地区则升高1.0~2.0℃; 2011—2020年云南橡胶潜在种植区区划与1981—1990年相比, 最适宜区增加55.3%, 适宜区增加18.6%, 增加区域主要分布在哀牢山以西。云南橡胶潜在种植区发生明显变化, 气候变化使哀牢山以西地区更适宜橡胶种植和产业的发展。
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