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中国气象局2023年 第34卷 第5期
摘要
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2023, 34(5): 513-526.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230501
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摘要:
针对CMA-GFS V3.3强降水预报偏弱、西北太平洋副热带高压等天气系统预报衰减偏快以及模式计算效率偏低等问题，对模式物理过程与动力框架关键技术开展研发改进。在预报性能方面，通过在云微物理方案中增加霰粒子相关的微物理过程、调整蒸发速率，并在积云对流方案中改进触发条件、卷入率、准平衡闭合假定等关键因子的参数化方法，缓解模式强降水预报不足和小雨过多的问题；采用质量守恒修正算法解决模式长时间积分质量损失问题，改善天气形势预报。在计算效率方面，研制二维参考廓线方案延长模式积分时间步长，开发预条件经典斯蒂菲尔迭代（PCSI）算法提高Helmholtz方程的求解效率，对辐射方案、预估-修正算法等进行计算效率优化。通过上述关键技术的研发和应用，CMA-GFS在降水和天气形势方面的预报技巧得到显著提升，计算效率提高1/3左右，满足模式在0.125°分辨率下业务运行的时效要求，为CMA-GFS V3.3升级到V4.0奠定了基础。
针对CMA-GFS V3.3强降水预报偏弱、西北太平洋副热带高压等天气系统预报衰减偏快以及模式计算效率偏低等问题，对模式物理过程与动力框架关键技术开展研发改进。在预报性能方面，通过在云微物理方案中增加霰粒子相关的微物理过程、调整蒸发速率，并在积云对流方案中改进触发条件、卷入率、准平衡闭合假定等关键因子的参数化方法，缓解模式强降水预报不足和小雨过多的问题；采用质量守恒修正算法解决模式长时间积分质量损失问题，改善天气形势预报。在计算效率方面，研制二维参考廓线方案延长模式积分时间步长，开发预条件经典斯蒂菲尔迭代（PCSI）算法提高Helmholtz方程的求解效率，对辐射方案、预估-修正算法等进行计算效率优化。通过上述关键技术的研发和应用，CMA-GFS在降水和天气形势方面的预报技巧得到显著提升，计算效率提高1/3左右，满足模式在0.125°分辨率下业务运行的时效要求，为CMA-GFS V3.3升级到V4.0奠定了基础。
2023, 34(5): 527-539.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230502
摘要:
2022年夏季长江流域经历了罕见的高温酷暑天气。2022年8月高温区几乎覆盖整个长江流域，形成全流域型高温，并持续近1个月。持续高温与西北太平洋副热带高压（简称副高）的异常活动关系密切。8月副高西伸且稳定，其西端脊点到达90°E，比常年偏西近40个经度，控制了几乎整个长江流域，引起罕见的持续高温。导致副高稳定西伸的重要原因如下：热带环流的异常从南面支持副高的维持；8月西太平洋至南海地区赤道辐合带持续偏强，对流明显偏强；南海地区出现明显增强的Hadley环流，支持115°E以西副高的维持。此外，西风带环流的异常分布有利于副高西伸；欧亚地区500 hPa位势高度场上维持两脊一槽的形势，鄂霍次克海高压脊几乎与副高打通，形成稳定的高压坝；乌拉尔地区的高压脊不断向东南方向输送Rossby波能量，也对副高西段的维持和加强起重要作用。
2022年夏季长江流域经历了罕见的高温酷暑天气。2022年8月高温区几乎覆盖整个长江流域，形成全流域型高温，并持续近1个月。持续高温与西北太平洋副热带高压（简称副高）的异常活动关系密切。8月副高西伸且稳定，其西端脊点到达90°E，比常年偏西近40个经度，控制了几乎整个长江流域，引起罕见的持续高温。导致副高稳定西伸的重要原因如下：热带环流的异常从南面支持副高的维持；8月西太平洋至南海地区赤道辐合带持续偏强，对流明显偏强；南海地区出现明显增强的Hadley环流，支持115°E以西副高的维持。此外，西风带环流的异常分布有利于副高西伸；欧亚地区500 hPa位势高度场上维持两脊一槽的形势，鄂霍次克海高压脊几乎与副高打通，形成稳定的高压坝；乌拉尔地区的高压脊不断向东南方向输送Rossby波能量，也对副高西段的维持和加强起重要作用。
2023, 34(5): 540-551.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230503
摘要:
为开展云降水微物理过程机理和机制室内试验研究，设计建造北京气溶胶与云相互作用云室（Beijing aerosol and cloud interaction chamber，BACIC），搭建完整的气溶胶、云滴谱及常规气象要素测量系统，并于2019—2021年开展暖云试验。结果表明：BACIC能够模拟大气绝热膨胀成云过程，结果符合云微物理基本原理，云雾环境维持时间为5~10 min，达到开展相关科学问题研究的基本要求。利用环境气溶胶开展膨胀试验，测量显示气溶胶数浓度为10000 cm-3和2500 cm-3环境下，成云云滴数浓度分别为2500 cm-3和200~400 cm-3，云滴平均直径分别为8 μm和15~25 μm；上升速度为14.3 m·s-1和2.09 m·s-1时，气溶胶成云活化率分别为42%和17%；气溶胶成云活化率的敏感区域位于气溶胶数浓度小于5000 cm-3的区域；可定量化分析上升速度、气溶胶数浓度与云滴谱特征的相关关系。不同吸湿特性材料的暖云膨胀试验显示：污染背景下开展亚微米级别吸湿性催化剂播撒会导致云滴谱变窄，表明人工消减暖云或雾应采用大粒径催化剂。
为开展云降水微物理过程机理和机制室内试验研究，设计建造北京气溶胶与云相互作用云室（Beijing aerosol and cloud interaction chamber，BACIC），搭建完整的气溶胶、云滴谱及常规气象要素测量系统，并于2019—2021年开展暖云试验。结果表明：BACIC能够模拟大气绝热膨胀成云过程，结果符合云微物理基本原理，云雾环境维持时间为5~10 min，达到开展相关科学问题研究的基本要求。利用环境气溶胶开展膨胀试验，测量显示气溶胶数浓度为10000 cm-3和2500 cm-3环境下，成云云滴数浓度分别为2500 cm-3和200~400 cm-3，云滴平均直径分别为8 μm和15~25 μm；上升速度为14.3 m·s-1和2.09 m·s-1时，气溶胶成云活化率分别为42%和17%；气溶胶成云活化率的敏感区域位于气溶胶数浓度小于5000 cm-3的区域；可定量化分析上升速度、气溶胶数浓度与云滴谱特征的相关关系。不同吸湿特性材料的暖云膨胀试验显示：污染背景下开展亚微米级别吸湿性催化剂播撒会导致云滴谱变窄，表明人工消减暖云或雾应采用大粒径催化剂。
2023, 34(5): 552-561.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230504
摘要:
利用2017—2022年江苏徐州农业气象试验站试验数据研究作物品种、土壤物理化学性质和管理措施均相同条件下，气候变暖对半冬性冬小麦品种产量结构和籽粒品质的影响。研究发现：不同播期冬小麦生长季平均气温升温幅度为0.1~1.7℃。平均气温升高对冬小麦产量结构造成影响，平均气温每升高1℃，冬小麦穗粒数减少14.7%；平均气温升高对籽粒蛋白质、脂肪和氨基酸含量造成负面影响，进而影响籽粒品质。平均气温与籽粒蛋白质含量相关系数为-0.72（达到0.01显著性水平），与脂肪含量相关系数为-0.52（达到0.05显著性水平）。此外，气温升高对16种氨基酸中的14种产生负面影响，其中对天冬氨酸和精氨酸含量负面影响达到0.05显著性水平。导致上述结果的主要原因是气候变暖夜间最低气温升高，冬小麦呼吸作用加强，不利于冬小麦同化作用和有机物积累；气候变暖导致冬小麦开花期到成熟期高温热害增多，影响冬小麦生理生化过程，特别是限制了冬小麦营养物质的吸收和合成。
利用2017—2022年江苏徐州农业气象试验站试验数据研究作物品种、土壤物理化学性质和管理措施均相同条件下，气候变暖对半冬性冬小麦品种产量结构和籽粒品质的影响。研究发现：不同播期冬小麦生长季平均气温升温幅度为0.1~1.7℃。平均气温升高对冬小麦产量结构造成影响，平均气温每升高1℃，冬小麦穗粒数减少14.7%；平均气温升高对籽粒蛋白质、脂肪和氨基酸含量造成负面影响，进而影响籽粒品质。平均气温与籽粒蛋白质含量相关系数为-0.72（达到0.01显著性水平），与脂肪含量相关系数为-0.52（达到0.05显著性水平）。此外，气温升高对16种氨基酸中的14种产生负面影响，其中对天冬氨酸和精氨酸含量负面影响达到0.05显著性水平。导致上述结果的主要原因是气候变暖夜间最低气温升高，冬小麦呼吸作用加强，不利于冬小麦同化作用和有机物积累；气候变暖导致冬小麦开花期到成熟期高温热害增多，影响冬小麦生理生化过程，特别是限制了冬小麦营养物质的吸收和合成。
2023, 34(5): 562-573.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230505
摘要:
以2021年6—9月（季风期）藏东南水汽输送通道入口关键区墨脱布设的微雨雷达、降水现象仪和雨量计的观测数据为基础，对比不同仪器测量结果的一致性。将降水划分为对流云降水、层状云降水、浅层云降水3种类型，研究不同类型降水的雨滴谱分布、下落速度、降水率、液态水含量和雷达反射率因子的平均垂直分布特征。结果表明：微雨雷达、降水现象仪和雨量计测量结果一致性较好，微雨雷达和雨量计日降水量相关系数最高达到0.96，各相关系数的显著性水平较高；对流云降水的各微物理量特征值较大，雨滴在下落过程中碰并增长过程显著，雨滴数浓度迅速增加，在1~2 km高度处存在明显的上升气流；层状云降水回波强度较弱，反射率因子、降水率和液态水含量随高度降低有所增加，雨滴下落速度在垂直方向基本保持均匀，中等大小的雨滴浓度随高度不变，蒸发、破碎和碰并过程处于相对平衡状态；浅层云降水各微物理量较小，但随高度变化明显，垂直方向上为明显的负梯度变化，以雨滴的碰并过程为主。
以2021年6—9月（季风期）藏东南水汽输送通道入口关键区墨脱布设的微雨雷达、降水现象仪和雨量计的观测数据为基础，对比不同仪器测量结果的一致性。将降水划分为对流云降水、层状云降水、浅层云降水3种类型，研究不同类型降水的雨滴谱分布、下落速度、降水率、液态水含量和雷达反射率因子的平均垂直分布特征。结果表明：微雨雷达、降水现象仪和雨量计测量结果一致性较好，微雨雷达和雨量计日降水量相关系数最高达到0.96，各相关系数的显著性水平较高；对流云降水的各微物理量特征值较大，雨滴在下落过程中碰并增长过程显著，雨滴数浓度迅速增加，在1~2 km高度处存在明显的上升气流；层状云降水回波强度较弱，反射率因子、降水率和液态水含量随高度降低有所增加，雨滴下落速度在垂直方向基本保持均匀，中等大小的雨滴浓度随高度不变，蒸发、破碎和碰并过程处于相对平衡状态；浅层云降水各微物理量较小，但随高度变化明显，垂直方向上为明显的负梯度变化，以雨滴的碰并过程为主。
2023, 34(5): 574-585.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230506
摘要:
为探讨城市化对川渝地区极端气候事件的影响，利用1971—2020年川渝地区46个气象站的逐日气温和降水数据，以及社会经济、人口、土地利用、夜间灯光遥感数据，将气象站划分为城市站、城乡站和乡村站3类，得到近50年21个极端气候指数的时间序列，分析城市化对极端气候事件的影响和贡献率。结果表明：近50年川渝地区3类气象站极值指数和暖指数均呈上升趋势，而冷指数均呈下降趋势，极端降水量和极端降水强度均呈增加趋势。城市化影响对城乡站和城市站的最高和最低气温最小值、霜冻、热夜日数和日较差，以及城市站的冷夜和暖夜日数均影响较大，对其余指数的影响较小。城市化影响对城乡站和城市站的中雨日数、1 d和5 d最大降水量、强降水量和年降水量的贡献率均为100.00%，对城乡站大雨日数、城乡站和城市站特强降水量的贡献率较大，而对其余指数的影响相对较小。
为探讨城市化对川渝地区极端气候事件的影响，利用1971—2020年川渝地区46个气象站的逐日气温和降水数据，以及社会经济、人口、土地利用、夜间灯光遥感数据，将气象站划分为城市站、城乡站和乡村站3类，得到近50年21个极端气候指数的时间序列，分析城市化对极端气候事件的影响和贡献率。结果表明：近50年川渝地区3类气象站极值指数和暖指数均呈上升趋势，而冷指数均呈下降趋势，极端降水量和极端降水强度均呈增加趋势。城市化影响对城乡站和城市站的最高和最低气温最小值、霜冻、热夜日数和日较差，以及城市站的冷夜和暖夜日数均影响较大，对其余指数的影响较小。城市化影响对城乡站和城市站的中雨日数、1 d和5 d最大降水量、强降水量和年降水量的贡献率均为100.00%，对城乡站大雨日数、城乡站和城市站特强降水量的贡献率较大，而对其余指数的影响相对较小。
2023, 34(5): 586-597.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230507
摘要:
2021年台风烟花（2106）移动路径复杂，经历多次移动方向和速度的异常变化，数值模式及主观综合预报对其路径预报均误差较大，模式对120 h预报误差最大达到400~800 km。通过研究导致模式对初次登陆时间及位置预报出现明显偏差的原因发现，高空冷涡的存在有利于副热带高压东退，使得影响台风烟花的引导气流减弱，移速明显减慢，24 h平均移动速度仅为3.6 km·h-1。随着副热带高压的继续北抬减弱，高空冷涡减弱后的西风槽前偏南气流引导是台风烟花移动路径出现明显偏北分量、登陆浙北地区的重要原因。通过对确定性预报和集合预报分析发现，数值模式对高空冷涡的预报仍存在较大误差和不确定性，是导致台风烟花路径预报误差较大的主要原因。
2021年台风烟花（2106）移动路径复杂，经历多次移动方向和速度的异常变化，数值模式及主观综合预报对其路径预报均误差较大，模式对120 h预报误差最大达到400~800 km。通过研究导致模式对初次登陆时间及位置预报出现明显偏差的原因发现，高空冷涡的存在有利于副热带高压东退，使得影响台风烟花的引导气流减弱，移速明显减慢，24 h平均移动速度仅为3.6 km·h-1。随着副热带高压的继续北抬减弱，高空冷涡减弱后的西风槽前偏南气流引导是台风烟花移动路径出现明显偏北分量、登陆浙北地区的重要原因。通过对确定性预报和集合预报分析发现，数值模式对高空冷涡的预报仍存在较大误差和不确定性，是导致台风烟花路径预报误差较大的主要原因。
2023, 34(5): 598-607.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230508
摘要:
基于高时空分辨率的广州高建筑物雷电观测站双站（观测点1和观测点2）同步观测资料，对比分析2019年4月20日05：12（世界时）发生在广州塔上的一次上行闪电的先导二维和三维发展特征。分析表明：该上行闪电可三维重建的上行先导通道发展长度约为5.4 km，是对应两个观测点二维通道长度的1.5倍和1.38倍；由观测点1的高速摄像记录分析得到的上行先导二维发展速率变化范围为1.8×104~4.5×105 m·s-1（平均值为1.8×105 m·s-1）；对应的上行先导三维发展速率变化范围为3.8×104~7.2×105 m·s-1（平均值为2.8×105 m·s-1）；三维和二维发展速率之比变化范围为1~4.7，平均值为1.5；上行先导始发后10 ms内，三维与二维发展速率的变化趋势大致相同，均随高度增加而逐渐加快；10 ms后二维发展速率明显降低，平均值仅为10 ms内的42%，且随时间变化较小。而10 ms后的三维发展速率平均值为10 ms内的77%，随时间呈明显的不规则波动变化；先导通道与观测点间的距离以及通道发展方向与观测点视线方向的夹角是造成上行先导二维和三维发展速率差异的主要因素。
基于高时空分辨率的广州高建筑物雷电观测站双站（观测点1和观测点2）同步观测资料，对比分析2019年4月20日05：12（世界时）发生在广州塔上的一次上行闪电的先导二维和三维发展特征。分析表明：该上行闪电可三维重建的上行先导通道发展长度约为5.4 km，是对应两个观测点二维通道长度的1.5倍和1.38倍；由观测点1的高速摄像记录分析得到的上行先导二维发展速率变化范围为1.8×104~4.5×105 m·s-1（平均值为1.8×105 m·s-1）；对应的上行先导三维发展速率变化范围为3.8×104~7.2×105 m·s-1（平均值为2.8×105 m·s-1）；三维和二维发展速率之比变化范围为1~4.7，平均值为1.5；上行先导始发后10 ms内，三维与二维发展速率的变化趋势大致相同，均随高度增加而逐渐加快；10 ms后二维发展速率明显降低，平均值仅为10 ms内的42%，且随时间变化较小。而10 ms后的三维发展速率平均值为10 ms内的77%，随时间呈明显的不规则波动变化；先导通道与观测点间的距离以及通道发展方向与观测点视线方向的夹角是造成上行先导二维和三维发展速率差异的主要因素。
2023, 34(5): 608-618.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230509
摘要:
利用2015—2021年4—9月中国气象局全国地闪定位网的地闪观测资料与MERRA2气溶胶光学厚度再分析资料，分析长江三角洲及其周边地区（27.5°~35°N，115°~122.5°E）地闪活动与不同种类气溶胶的关系。结果表明：不同种类气溶胶与地闪活动的关系不同，有地闪日的硫酸盐气溶胶光学厚度更高，无地闪日的沙尘气溶胶光学厚度更高，地闪多发生在硫酸盐气溶胶光学厚度较高且沙尘气溶胶光学厚度较低的环境中。当硫酸盐气溶胶光学厚度低于阈值时，在一定相对湿度条件下地闪密度与硫酸盐气溶胶光学厚度为正相关关系，当硫酸盐气溶胶光学厚度高于阈值时，地闪密度有减小的趋势或趋势不明显，且不同月份的阈值不同。因此，气溶胶的云微物理作用与辐射效应的叠加使得气溶胶与地闪活动的关系更为复杂，而沙尘气溶胶与地闪密度在4—6月呈负相关关系，7—9月相关不显著。
利用2015—2021年4—9月中国气象局全国地闪定位网的地闪观测资料与MERRA2气溶胶光学厚度再分析资料，分析长江三角洲及其周边地区（27.5°~35°N，115°~122.5°E）地闪活动与不同种类气溶胶的关系。结果表明：不同种类气溶胶与地闪活动的关系不同，有地闪日的硫酸盐气溶胶光学厚度更高，无地闪日的沙尘气溶胶光学厚度更高，地闪多发生在硫酸盐气溶胶光学厚度较高且沙尘气溶胶光学厚度较低的环境中。当硫酸盐气溶胶光学厚度低于阈值时，在一定相对湿度条件下地闪密度与硫酸盐气溶胶光学厚度为正相关关系，当硫酸盐气溶胶光学厚度高于阈值时，地闪密度有减小的趋势或趋势不明显，且不同月份的阈值不同。因此，气溶胶的云微物理作用与辐射效应的叠加使得气溶胶与地闪活动的关系更为复杂，而沙尘气溶胶与地闪密度在4—6月呈负相关关系，7—9月相关不显著。
2023, 34(5): 619-629.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230510
摘要:
京津冀及周边地区为我国北方强降水的多发区域。基于1966—2021年87个国家级气象站逐小时降水资料对比分析暖季5—9月一般性降水和短时强降水的空间分布及年际变化，并基于1980—2021年298个气象站分析日变化等特征。结果表明：京津冀及周边地区的渤海西侧平原区域存在短时强降水强度极端性显著区域。渤海西侧平原以外区域两类降水平均小时降水量、强度和降水时次百分比均呈增长趋势，但短时强降水的增幅更高，而渤海西侧平原区域趋势则均不明显。渤海西侧平原区域和渤海西侧平原以外区域的一般性降水平均小时降水量和降水时次百分比日变化幅度显著弱于短时强降水；7—9月渤海西侧平原区域降水夜发性更明显，且相比另一区域半峰持续时间多出约2 h。2005年后渤海西侧平原区域和渤海西侧平原以外区域短时强降水平均小时降水量和降水时次百分比下午时段均明显减弱，但午夜后至清晨明显增加。
京津冀及周边地区为我国北方强降水的多发区域。基于1966—2021年87个国家级气象站逐小时降水资料对比分析暖季5—9月一般性降水和短时强降水的空间分布及年际变化，并基于1980—2021年298个气象站分析日变化等特征。结果表明：京津冀及周边地区的渤海西侧平原区域存在短时强降水强度极端性显著区域。渤海西侧平原以外区域两类降水平均小时降水量、强度和降水时次百分比均呈增长趋势，但短时强降水的增幅更高，而渤海西侧平原区域趋势则均不明显。渤海西侧平原区域和渤海西侧平原以外区域的一般性降水平均小时降水量和降水时次百分比日变化幅度显著弱于短时强降水；7—9月渤海西侧平原区域降水夜发性更明显，且相比另一区域半峰持续时间多出约2 h。2005年后渤海西侧平原区域和渤海西侧平原以外区域短时强降水平均小时降水量和降水时次百分比下午时段均明显减弱，但午夜后至清晨明显增加。
2023, 34(5): 630-640.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230511
摘要:
为深度挖掘天气雷达数据应用价值，设计并建设了天气雷达空中生态监测系统。分析天气雷达晴空回波数据特征和空中生物散射特性，利用模糊逻辑算法识别天气雷达网数据中的生物回波，实现对生物密度、迁飞路径、时空分布等昆虫生态活动的实时动态监测。2022年5月天气雷达空中生态监测系统投入试运行，在实时监测期间发现昆虫活动具有明显的时空分布特征、昼夜活动和迁飞活动规律，8—9月全国昆虫活动呈现数量大、活动范围广的特点，是虫灾防治的重点关注时段，监测结果符合昆虫活动特征。该系统可有效服务空中生态实时监测，为虫灾精准防治提供监测技术与数据支持。
为深度挖掘天气雷达数据应用价值，设计并建设了天气雷达空中生态监测系统。分析天气雷达晴空回波数据特征和空中生物散射特性，利用模糊逻辑算法识别天气雷达网数据中的生物回波，实现对生物密度、迁飞路径、时空分布等昆虫生态活动的实时动态监测。2022年5月天气雷达空中生态监测系统投入试运行，在实时监测期间发现昆虫活动具有明显的时空分布特征、昼夜活动和迁飞活动规律，8—9月全国昆虫活动呈现数量大、活动范围广的特点，是虫灾防治的重点关注时段，监测结果符合昆虫活动特征。该系统可有效服务空中生态实时监测，为虫灾精准防治提供监测技术与数据支持。
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