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中国气象局2023年 第34卷 第6期
摘要
PDF 913KB
2023, 34(6): 641-654.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230601
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摘要:
基于2019—2021年4—9月北京快速更新数值预报系统(CMA-BJ)产品以及北京地区地面气象站逐时降水实况, 从表征水汽条件、热力和能量条件以及动力条件的多个物理量中筛选出在有无降水、是否强降水情形中有显著差异的物理量作为因子, 采用配料法和模糊逻辑算法构建北京地区0~12 h时效逐小时短时强降水概率预报模型。以2019—2021年4—9月最优TS评分和偏差评分的概率值和组合反射率因子为确定性预报的概率阈值和消空处理阈值, 运用该预报模型对2022年4—9月每日4次0~12 h预报时效北京地区短时强降水产品进行预报和检验。结果表明:北京地区短时强降水TS评分和偏差评分分别为0.104和1.341, 预报效果明显优于CMA-BJ预报产品。概率预报模型能够有效提升强降水高发地区, 即山前及平原地区的短时强降水预报技巧, 获得较为平衡的命中率和空报率, 但对山区预报技巧的提升有限。
基于2019—2021年4—9月北京快速更新数值预报系统(CMA-BJ)产品以及北京地区地面气象站逐时降水实况, 从表征水汽条件、热力和能量条件以及动力条件的多个物理量中筛选出在有无降水、是否强降水情形中有显著差异的物理量作为因子, 采用配料法和模糊逻辑算法构建北京地区0~12 h时效逐小时短时强降水概率预报模型。以2019—2021年4—9月最优TS评分和偏差评分的概率值和组合反射率因子为确定性预报的概率阈值和消空处理阈值, 运用该预报模型对2022年4—9月每日4次0~12 h预报时效北京地区短时强降水产品进行预报和检验。结果表明:北京地区短时强降水TS评分和偏差评分分别为0.104和1.341, 预报效果明显优于CMA-BJ预报产品。概率预报模型能够有效提升强降水高发地区, 即山前及平原地区的短时强降水预报技巧, 获得较为平衡的命中率和空报率, 但对山区预报技巧的提升有限。
2023, 34(6): 655-667.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230602
摘要:
利用中国气象局中尺度模式(CMA-MESO)云降水物理直接输出的水凝物混合比, 确定基于冰相水凝物占比的雨雪相态判据, 并应用于2023年1月14—15日我国大范围降水过程的雨雪相态判别。结果表明:该判据明显改善了基于温度和高度场的厚度判据对我国东部地区雨夹雪范围判别偏大、对分散性雨夹雪漏报的问题, 6~18 h时效雨夹雪预报TS评分较厚度判据提升75%~100%, 24 h时效降雪预报TS评分较厚度判据提升67%;对全国雨雪范围判别合理, 对小范围雨夹雪具有指示作用;对全国3~36 h时效降雨、降雪和雨夹雪预报TS评分为0.76~0.62, 0.69~0.63和0.11~0.08;对降雨和降雪存在一定空报和漏报, 对24 h时效雨夹雪空报明显;对相态转换过程有较好指示效果, 判别代表站相态转换开始时间误差为1~2 h, 对我国东部地区代表站的相态转换和雨夹雪持续时间判别优于厚度判据, 基于厚度判据雨夹雪预报持续时间偏长。研究结果可为雨雪相态业务预报提供客观预报产品参考。
利用中国气象局中尺度模式(CMA-MESO)云降水物理直接输出的水凝物混合比, 确定基于冰相水凝物占比的雨雪相态判据, 并应用于2023年1月14—15日我国大范围降水过程的雨雪相态判别。结果表明:该判据明显改善了基于温度和高度场的厚度判据对我国东部地区雨夹雪范围判别偏大、对分散性雨夹雪漏报的问题, 6~18 h时效雨夹雪预报TS评分较厚度判据提升75%~100%, 24 h时效降雪预报TS评分较厚度判据提升67%;对全国雨雪范围判别合理, 对小范围雨夹雪具有指示作用;对全国3~36 h时效降雨、降雪和雨夹雪预报TS评分为0.76~0.62, 0.69~0.63和0.11~0.08;对降雨和降雪存在一定空报和漏报, 对24 h时效雨夹雪空报明显;对相态转换过程有较好指示效果, 判别代表站相态转换开始时间误差为1~2 h, 对我国东部地区代表站的相态转换和雨夹雪持续时间判别优于厚度判据, 基于厚度判据雨夹雪预报持续时间偏长。研究结果可为雨雪相态业务预报提供客观预报产品参考。
2023, 34(6): 668-680.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230603
摘要:
为定量化下垫面等局地性因素对阵风拟合效果的影响, 利用2021年1月—2022年12月风速观测数据, 分析阵风系数方法在黄渤海及其邻近地区不同观测站拟合能力差异的原因, 并基于差异系数及频率匹配构建阵风估测改进(gust estimation correction, GECO)方法, 对阵风系数方法拟合结果进行订正。结果表明:阵风系数方法的拟合结果随风速增加更倾向于整点观测时刻阵风, 使用小时内最大阵风与整点观测时刻阵风计算得到的差异系数可以定量表征观测站局地特性对阵风系数拟合结果的影响。对差异系数大的观测站, 阵风系数方法对其强阵风拟合结果的负偏差也较大, 需对其进行更大幅度订正。基于12个基准观测站构建的GECO方法同样适用于黄渤海及其邻近地区的364个观测站。对于风速为12 m·s-1及以上和16 m·s-1及以上的阵风, 经GECO方法订正后的均方根误差较阵风系数方法分别减少12.3%和11.5%。对台风梅花(2212)的检验显示, GECO方法能够有效提升大级别阵风的估测能力, 可为阵风客观预报方法改进提供参考。
为定量化下垫面等局地性因素对阵风拟合效果的影响, 利用2021年1月—2022年12月风速观测数据, 分析阵风系数方法在黄渤海及其邻近地区不同观测站拟合能力差异的原因, 并基于差异系数及频率匹配构建阵风估测改进(gust estimation correction, GECO)方法, 对阵风系数方法拟合结果进行订正。结果表明:阵风系数方法的拟合结果随风速增加更倾向于整点观测时刻阵风, 使用小时内最大阵风与整点观测时刻阵风计算得到的差异系数可以定量表征观测站局地特性对阵风系数拟合结果的影响。对差异系数大的观测站, 阵风系数方法对其强阵风拟合结果的负偏差也较大, 需对其进行更大幅度订正。基于12个基准观测站构建的GECO方法同样适用于黄渤海及其邻近地区的364个观测站。对于风速为12 m·s-1及以上和16 m·s-1及以上的阵风, 经GECO方法订正后的均方根误差较阵风系数方法分别减少12.3%和11.5%。对台风梅花(2212)的检验显示, GECO方法能够有效提升大级别阵风的估测能力, 可为阵风客观预报方法改进提供参考。
2023, 34(6): 681-693.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230604
摘要:
基于S波段双偏振多普勒天气雷达和常规观测资料, 分析发生于2022年6月26日、6月30日和7月2日弱垂直风切变环境下强下击暴流的双偏振特征, 探讨其物理机制。研究表明:3次强下击暴流的对流不稳定能量较强, 但垂直风切变较小。6·30风暴和7·2风暴低层较湿, 中(上)层略干, 6·26风暴除近地层外整层较干。在垂直风切变较弱且0℃层高度较高的环境下, 强下击暴流同时伴有高强度分钟降水量(超过3 mm)是其重要特征之一;强下击暴流产生前, 风暴强度较强且风暴顶较高(超过10 km), 0℃层及以上高度存在超过3.0°·km-1的差分相移率高值区, 表明液态粒子或融化的小冰相粒子浓度较高, 可视为风暴液态粒子质量团的悬垂, 类似于强反射率因子核的悬垂及下降, 诱发强下击暴流并伴有短时高强度降水;由于夹卷层平均风速较小, 该类强下击暴流动量下传机制较弱, 如果空气较湿, 强下击暴流的主要机制为重力拖曳及冰相粒子的融化作用, 如果空气较干, 还应考虑干空气的夹卷蒸发作用。
基于S波段双偏振多普勒天气雷达和常规观测资料, 分析发生于2022年6月26日、6月30日和7月2日弱垂直风切变环境下强下击暴流的双偏振特征, 探讨其物理机制。研究表明:3次强下击暴流的对流不稳定能量较强, 但垂直风切变较小。6·30风暴和7·2风暴低层较湿, 中(上)层略干, 6·26风暴除近地层外整层较干。在垂直风切变较弱且0℃层高度较高的环境下, 强下击暴流同时伴有高强度分钟降水量(超过3 mm)是其重要特征之一;强下击暴流产生前, 风暴强度较强且风暴顶较高(超过10 km), 0℃层及以上高度存在超过3.0°·km-1的差分相移率高值区, 表明液态粒子或融化的小冰相粒子浓度较高, 可视为风暴液态粒子质量团的悬垂, 类似于强反射率因子核的悬垂及下降, 诱发强下击暴流并伴有短时高强度降水;由于夹卷层平均风速较小, 该类强下击暴流动量下传机制较弱, 如果空气较湿, 强下击暴流的主要机制为重力拖曳及冰相粒子的融化作用, 如果空气较干, 还应考虑干空气的夹卷蒸发作用。
2023, 34(6): 694-705.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230605
摘要:
天气雷达基数据中因观测设备故障或标定问题而产生的异常数据, 直接影响天气雷达数据质量、定量估测降水及天气系统的分析和判断。目前在中国气象局气象探测中心实时业务中, 通过人工勘误环节对异常数据进行处理。针对2020—2022年业务中勘误较多的、大面积故障异常和易与降水数据混合的局部电磁干扰或故障的两类异常数据, 分别构建和训练R-ResNet和R-LinkNet两种模型, 提取雷达硬件故障、电磁干扰等特征, 实现异常数据的识别和处理。评估结果表明:两种模型在提取异常数据特征方面均具有很强的学习能力, R-ResNet在分类判识异常数据与正常数据的准确率超过99%, R-LinkNet在分离电磁干扰杂波和降水回波的准确率超过98%。两种模型可用于实时业务中监控和勘误电磁干扰、故障等异常数据, 实现异常数据的自动勘误处理。
天气雷达基数据中因观测设备故障或标定问题而产生的异常数据, 直接影响天气雷达数据质量、定量估测降水及天气系统的分析和判断。目前在中国气象局气象探测中心实时业务中, 通过人工勘误环节对异常数据进行处理。针对2020—2022年业务中勘误较多的、大面积故障异常和易与降水数据混合的局部电磁干扰或故障的两类异常数据, 分别构建和训练R-ResNet和R-LinkNet两种模型, 提取雷达硬件故障、电磁干扰等特征, 实现异常数据的识别和处理。评估结果表明:两种模型在提取异常数据特征方面均具有很强的学习能力, R-ResNet在分类判识异常数据与正常数据的准确率超过99%, R-LinkNet在分离电磁干扰杂波和降水回波的准确率超过98%。两种模型可用于实时业务中监控和勘误电磁干扰、故障等异常数据, 实现异常数据的自动勘误处理。
2023, 34(6): 706-716.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230606
摘要:
基于2014—2022年福建古田地面火箭人工增雨随机试验样本, 利用回波强度、回波顶高和负温层厚度等雷达宏观参量以及双偏振参量差分反射率和差分相位差, 开展人工增雨随机试验物理检验及催化个例的物理响应研究。结果表明:与作业后非催化样本回波强度小幅上升后快速减弱相比, 81.6%的催化样本在作业后回波强度增强, 其中52.6%的样本最大增幅为0~20%(不含0), 21.1%的样本增幅为20%~50%(不含20%), 7.9%的样本增幅超过50%;作业后52.6%的催化样本出现回波顶高升高和负温层增厚现象, 其中36.8%的样本增长0~20%(不含0), 13.2%的样本增长20%~50%(不含20%), 2.6%的样本增长超过50%;催化样本的双偏振参量差分反射率和差分相位差在作业后也出现持续增强;个例分析显示, 催化作业有助于云体发展、增强和维持, 促使降水量显著增加, 不仅降水粒子增多增大, 云体生命史也延长。
基于2014—2022年福建古田地面火箭人工增雨随机试验样本, 利用回波强度、回波顶高和负温层厚度等雷达宏观参量以及双偏振参量差分反射率和差分相位差, 开展人工增雨随机试验物理检验及催化个例的物理响应研究。结果表明:与作业后非催化样本回波强度小幅上升后快速减弱相比, 81.6%的催化样本在作业后回波强度增强, 其中52.6%的样本最大增幅为0~20%(不含0), 21.1%的样本增幅为20%~50%(不含20%), 7.9%的样本增幅超过50%;作业后52.6%的催化样本出现回波顶高升高和负温层增厚现象, 其中36.8%的样本增长0~20%(不含0), 13.2%的样本增长20%~50%(不含20%), 2.6%的样本增长超过50%;催化样本的双偏振参量差分反射率和差分相位差在作业后也出现持续增强;个例分析显示, 催化作业有助于云体发展、增强和维持, 促使降水量显著增加, 不仅降水粒子增多增大, 云体生命史也延长。
2023, 34(6): 717-728.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230607
摘要:
利用2018年6月—2021年7月陕西西安泾河站MWP967KV型地基微波辐射计反演数据和L波段探空数据, 分析晴天和云天(低云、中云、高云)微波辐射计反演的大气温度、相对湿度、水汽密度的精度, 探讨相关产品在降水过程中的应用能力。结果表明:晴天和云天微波辐射计与探空的温度相关系数均为0.99, 水汽密度相关系数均为0.97, 相对湿度相关系数均低于0.50, 均达到0.01显著性水平;晴天和云天的温度差异较小, 但云天相对湿度均方根误差超过25%, 较晴天的19.54%明显偏大, 且3种参数均越接近地面反演精度越高。在不同云类型条件下, 3类云的温度差异较小, 低云相对湿度均方根误差和偏差最大, 分别为26.85%和9.51%。对降水个例分析表明:在临近降水发生前空中相对湿度、液态水含量、大气可降水量和液态水路径均明显增长, 这可作为降水可能发生的指示因子。降水前1 h大气可降水量达到4 cm, 液态水路径达到0.2 mm, 可作为判断降水发生的参考阈值。
利用2018年6月—2021年7月陕西西安泾河站MWP967KV型地基微波辐射计反演数据和L波段探空数据, 分析晴天和云天(低云、中云、高云)微波辐射计反演的大气温度、相对湿度、水汽密度的精度, 探讨相关产品在降水过程中的应用能力。结果表明:晴天和云天微波辐射计与探空的温度相关系数均为0.99, 水汽密度相关系数均为0.97, 相对湿度相关系数均低于0.50, 均达到0.01显著性水平;晴天和云天的温度差异较小, 但云天相对湿度均方根误差超过25%, 较晴天的19.54%明显偏大, 且3种参数均越接近地面反演精度越高。在不同云类型条件下, 3类云的温度差异较小, 低云相对湿度均方根误差和偏差最大, 分别为26.85%和9.51%。对降水个例分析表明:在临近降水发生前空中相对湿度、液态水含量、大气可降水量和液态水路径均明显增长, 这可作为降水可能发生的指示因子。降水前1 h大气可降水量达到4 cm, 液态水路径达到0.2 mm, 可作为判断降水发生的参考阈值。
2023, 34(6): 729-738.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230608
摘要:
人参和西洋参冬季需要覆盖防寒才能安全越冬, 覆盖时间和揭膜时间对安全越冬及出苗影响很大, 为确定最佳防寒覆盖时间和揭膜时间, 2021年11月—2022年6月在吉林省抚松县开展分期覆盖和分期揭膜试验, 研究不同覆盖时间和揭膜时间对人参和西洋参越冬期地温及出苗影响。结果表明:人参和西洋参出苗率随着覆盖时间推迟而下降。5 cm地温降至0℃时覆盖防寒, 人参和西洋参出苗率最高, 是最佳覆盖防寒期;5 cm地温降至-12℃以下覆盖西洋参大部或全部冻死;5 cm地温瞬时低至-14℃时人参出苗率仍达75%;5 cm地温在-14~-8℃之间波动, 极端最低为-16℃的裸地人参全部被冻死。人参出苗时5~20 cm地温约为8~9℃, 西洋参略高于人参。用高绝热纤维被覆盖防寒, 揭膜越晚地温越低, 出苗越晚, 揭膜时间影响出苗进度, 与最终出苗率相关不明显;最佳揭膜时间需根据地形具体分析, 早春常发生霜冻地块可结合气候预测, 通过揭膜时间控制出苗进度避免春季冻害的发生。
人参和西洋参冬季需要覆盖防寒才能安全越冬, 覆盖时间和揭膜时间对安全越冬及出苗影响很大, 为确定最佳防寒覆盖时间和揭膜时间, 2021年11月—2022年6月在吉林省抚松县开展分期覆盖和分期揭膜试验, 研究不同覆盖时间和揭膜时间对人参和西洋参越冬期地温及出苗影响。结果表明:人参和西洋参出苗率随着覆盖时间推迟而下降。5 cm地温降至0℃时覆盖防寒, 人参和西洋参出苗率最高, 是最佳覆盖防寒期;5 cm地温降至-12℃以下覆盖西洋参大部或全部冻死;5 cm地温瞬时低至-14℃时人参出苗率仍达75%;5 cm地温在-14~-8℃之间波动, 极端最低为-16℃的裸地人参全部被冻死。人参出苗时5~20 cm地温约为8~9℃, 西洋参略高于人参。用高绝热纤维被覆盖防寒, 揭膜越晚地温越低, 出苗越晚, 揭膜时间影响出苗进度, 与最终出苗率相关不明显;最佳揭膜时间需根据地形具体分析, 早春常发生霜冻地块可结合气候预测, 通过揭膜时间控制出苗进度避免春季冻害的发生。
2023, 34(6): 739-748.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230609
摘要:
2022年夏季在广州从化人工引雷试验场的一次触发闪电过程中, 获取了近距离的高分辨率图像、通道底部电流波形和高速摄像数据。此次触发闪电的高分辨率图像清晰展现了多回击过程金属汽化通道段的空间位移, 汽化通道在连续电流过程中呈现类似火焰的发光特征。结合高速摄像与通道底部电流数据, 研究回击与连续电流过程中金属汽化通道段亮度与电流强度的相关性, 结果表明:相比于回击峰值电流, 其平方与回击峰值亮度的相关性更强, 相关系数分别为0.940和0.955(均达到0.001显著性水平)。对于伴随长连续电流的回击过程, 回击下降部分与之后连续电流过程光电线性相关性拟合的斜率有明显差异。叠加在长连续电流过程上的多个M分量脉冲亮度峰值相对于电流峰值时间滞后, 较小的脉冲峰值电流对应较大的亮度峰值滞后时间。
2022年夏季在广州从化人工引雷试验场的一次触发闪电过程中, 获取了近距离的高分辨率图像、通道底部电流波形和高速摄像数据。此次触发闪电的高分辨率图像清晰展现了多回击过程金属汽化通道段的空间位移, 汽化通道在连续电流过程中呈现类似火焰的发光特征。结合高速摄像与通道底部电流数据, 研究回击与连续电流过程中金属汽化通道段亮度与电流强度的相关性, 结果表明:相比于回击峰值电流, 其平方与回击峰值亮度的相关性更强, 相关系数分别为0.940和0.955(均达到0.001显著性水平)。对于伴随长连续电流的回击过程, 回击下降部分与之后连续电流过程光电线性相关性拟合的斜率有明显差异。叠加在长连续电流过程上的多个M分量脉冲亮度峰值相对于电流峰值时间滞后, 较小的脉冲峰值电流对应较大的亮度峰值滞后时间。
2023, 34(6): 749-758.
DOI: 10.11898/1001-7313.20230610
摘要:
运用三维高分辨率随机多先导连接模型, 设置高矮两座建筑物并改变其中矮建筑物的高度以及高矮两座建筑物水平距离, 同时设置孤立矮建筑物进行对照, 探究多先导模式下高建筑物对矮建筑物的保护作用。结果表明:高矮建筑物距离较近时, 下行先导的发展完全受高建筑影响;随着建筑物水平距离增加, 高建筑物对先导主通道仍然存在明显吸引效应。当矮建筑物雷击概率的增长趋势出现明显减缓的分界点, 此时与孤立矮建筑物的雷击概率仅相差3.6%, 但单次闪电的连接过程仍存在显著差异。通过对比不同建筑物水平距离与孤立建筑物的雷击结果, 高矮建筑物水平距离由400 m增至600 m, 差异则从44.5%降低至22.7%。在相同高建筑物影响下, 不同高度矮建筑物的雷击概率变化趋势亦存在该特征, 高度为50, 100, 150 m和200 m的矮建筑物对应的雷击增长速率分界点的水平距离为300, 450, 550 m和600 m。
运用三维高分辨率随机多先导连接模型, 设置高矮两座建筑物并改变其中矮建筑物的高度以及高矮两座建筑物水平距离, 同时设置孤立矮建筑物进行对照, 探究多先导模式下高建筑物对矮建筑物的保护作用。结果表明:高矮建筑物距离较近时, 下行先导的发展完全受高建筑影响;随着建筑物水平距离增加, 高建筑物对先导主通道仍然存在明显吸引效应。当矮建筑物雷击概率的增长趋势出现明显减缓的分界点, 此时与孤立矮建筑物的雷击概率仅相差3.6%, 但单次闪电的连接过程仍存在显著差异。通过对比不同建筑物水平距离与孤立建筑物的雷击结果, 高矮建筑物水平距离由400 m增至600 m, 差异则从44.5%降低至22.7%。在相同高建筑物影响下, 不同高度矮建筑物的雷击概率变化趋势亦存在该特征, 高度为50, 100, 150 m和200 m的矮建筑物对应的雷击增长速率分界点的水平距离为300, 450, 550 m和600 m。
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