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中国气象局2024年 第35卷 第1期
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2024, 35(1): 1-16.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240101
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摘要:
2023年9月7—8日珠江三角洲出现极端特大暴雨(简称“9·7”极端暴雨)。应用多源资料分析该过程的精细化观测特征及成因, 结果表明:“9·7”极端暴雨由高层辐散、中层弱引导气流、低层西南季风和台风海葵(2311)残涡共同造成, 水平尺度约为100 km的带状中尺度对流复合体长时间维持, 列车效应和暖云降水特征显著, 雷达回波质心低, 最强降水阶段不低于45 dBZ的强回波质心位于4 km高度以下, 不低于30 dBZ的强回波在深圳持续时间长达21 h。该天气过程以中小雨滴为主且数浓度较大, 当降水强度大于20 mm·h-1时, 雨滴粒径增大但数浓度明显降低。“9·7”极端暴雨持续时间、强度和落区与边界层低空急流脉动、急流核区位置对应很好, 强降水出现在低空急流指数迅速加强后的1~2 h内, 低空急流和低空急流指数变化对强降水具有重要指示意义。台风海葵(2311)残涡在珠江三角洲的长时间滞留是此次极端暴雨的天气尺度原因, 深厚的边界层低空急流提供了良好的动力和水汽条件, 对流风暴的持续生成和维持是此次极端暴雨的直接原因。
2023年9月7—8日珠江三角洲出现极端特大暴雨(简称“9·7”极端暴雨)。应用多源资料分析该过程的精细化观测特征及成因, 结果表明:“9·7”极端暴雨由高层辐散、中层弱引导气流、低层西南季风和台风海葵(2311)残涡共同造成, 水平尺度约为100 km的带状中尺度对流复合体长时间维持, 列车效应和暖云降水特征显著, 雷达回波质心低, 最强降水阶段不低于45 dBZ的强回波质心位于4 km高度以下, 不低于30 dBZ的强回波在深圳持续时间长达21 h。该天气过程以中小雨滴为主且数浓度较大, 当降水强度大于20 mm·h-1时, 雨滴粒径增大但数浓度明显降低。“9·7”极端暴雨持续时间、强度和落区与边界层低空急流脉动、急流核区位置对应很好, 强降水出现在低空急流指数迅速加强后的1~2 h内, 低空急流和低空急流指数变化对强降水具有重要指示意义。台风海葵(2311)残涡在珠江三角洲的长时间滞留是此次极端暴雨的天气尺度原因, 深厚的边界层低空急流提供了良好的动力和水汽条件, 对流风暴的持续生成和维持是此次极端暴雨的直接原因。
2024, 35(1): 17-32.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240102
摘要:
针对“23·7”华北特大暴雨过程, 采用天气学检验及TS(threat score)评分和MODE(method for object-based diagnostic evaluation)方法对中国气象局高分辨率全球同化预报系统(CMA-GFS)、较低分辨率全球集合预报系统(CMA-EPS)、欧洲中期数值预报中心集合预报系统(EC-EPS)和业务预报模式(EC-HR)、美国环境预报中心全球预报系统(NCEP-GFS)等全球模式和中国气象局区域台风数值预报系统(CMA-TYM)、中尺度天气数值预报系统(CMA-MESO)和区域数值预报系统(CMA-BJ)等进行中短期预报效果检验评估。结果表明:EC-EPS提前14 d预报京津冀一带有过程累积降水量超过100 mm强降水的发生概率, CMA-EPS可提前12 d报出, 但预报欠稳定且落区偏东偏南。EC-HR对100 mm以上过程累积降水量及2 d以上暴雨日的位置预报提前时效均达8 d左右, CMA-GFS的过程累积降水量预报显著偏小、强降水落区明显偏东, 可用预报时效短;NCEP-GFS预报性能介于二者之间。各模式均可提前36 h预报强降水落区和强度的变化趋势, 中尺度模式可更加精细地刻画其形态和位置分布, 尤以CMA-BJ为佳, 但其预报偏强, 其余模式不同程度偏弱, 其中CMA-GFS显著偏弱。EC-HR提前8 d预报关键影响系统发生发展, 但低层倒槽位置偏西偏北, 低空急流偏弱, 低估了地形对强降水的增幅作用, 是太行山东麓降水量预报偏弱的重要原因之一。整体上, EC-EPS、EC-HR的提前时效和稳定性, 以及CMA-BJ的落区形态和强度预报等对预报业务有较高参考价值。
针对“23·7”华北特大暴雨过程, 采用天气学检验及TS(threat score)评分和MODE(method for object-based diagnostic evaluation)方法对中国气象局高分辨率全球同化预报系统(CMA-GFS)、较低分辨率全球集合预报系统(CMA-EPS)、欧洲中期数值预报中心集合预报系统(EC-EPS)和业务预报模式(EC-HR)、美国环境预报中心全球预报系统(NCEP-GFS)等全球模式和中国气象局区域台风数值预报系统(CMA-TYM)、中尺度天气数值预报系统(CMA-MESO)和区域数值预报系统(CMA-BJ)等进行中短期预报效果检验评估。结果表明:EC-EPS提前14 d预报京津冀一带有过程累积降水量超过100 mm强降水的发生概率, CMA-EPS可提前12 d报出, 但预报欠稳定且落区偏东偏南。EC-HR对100 mm以上过程累积降水量及2 d以上暴雨日的位置预报提前时效均达8 d左右, CMA-GFS的过程累积降水量预报显著偏小、强降水落区明显偏东, 可用预报时效短;NCEP-GFS预报性能介于二者之间。各模式均可提前36 h预报强降水落区和强度的变化趋势, 中尺度模式可更加精细地刻画其形态和位置分布, 尤以CMA-BJ为佳, 但其预报偏强, 其余模式不同程度偏弱, 其中CMA-GFS显著偏弱。EC-HR提前8 d预报关键影响系统发生发展, 但低层倒槽位置偏西偏北, 低空急流偏弱, 低估了地形对强降水的增幅作用, 是太行山东麓降水量预报偏弱的重要原因之一。整体上, EC-EPS、EC-HR的提前时效和稳定性, 以及CMA-BJ的落区形态和强度预报等对预报业务有较高参考价值。
2024, 35(1): 33-44.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240103
摘要:
利用2021年4月—2022年12月青岛国家基本气象站多普勒测风激光雷达和L波段探空系统低空风场观测数据, 对比非降水时低能见度天气下测风激光雷达的探测高度和精度。结果表明:测风激光雷达在青岛地区具有良好的适用性, 在能见度大于10000 m的非降水天气, 其平均最大探测高度稳定在约1200 m, 水平风速均方根误差约为1.2 m·s-1, 水平风向均方根误差约为25°。在能见度小于10000 m的低能见度天气下, 测风激光雷达在不同能见度和相对湿度范围内的探测高度和精度受干扰程度存在差异。在能见度为1000~10000 m、相对湿度小于90%的霾天, 此时大气能见度降低主要是气溶胶粒子含量增加所致, 测风激光雷达的探测能力与高能见度天气下相当。当相对湿度高于95%时, 此时大气能见度降低是空气中水汽含量的增加所致, 严重干扰了激光在大气中的传输, 测风激光雷达的探测高度和精度均有所降低, 尤其在能见度小于1000 m的雾天, 需谨慎使用其风速和风向数据。
利用2021年4月—2022年12月青岛国家基本气象站多普勒测风激光雷达和L波段探空系统低空风场观测数据, 对比非降水时低能见度天气下测风激光雷达的探测高度和精度。结果表明:测风激光雷达在青岛地区具有良好的适用性, 在能见度大于10000 m的非降水天气, 其平均最大探测高度稳定在约1200 m, 水平风速均方根误差约为1.2 m·s-1, 水平风向均方根误差约为25°。在能见度小于10000 m的低能见度天气下, 测风激光雷达在不同能见度和相对湿度范围内的探测高度和精度受干扰程度存在差异。在能见度为1000~10000 m、相对湿度小于90%的霾天, 此时大气能见度降低主要是气溶胶粒子含量增加所致, 测风激光雷达的探测能力与高能见度天气下相当。当相对湿度高于95%时, 此时大气能见度降低是空气中水汽含量的增加所致, 严重干扰了激光在大气中的传输, 测风激光雷达的探测高度和精度均有所降低, 尤其在能见度小于1000 m的雾天, 需谨慎使用其风速和风向数据。
2024, 35(1): 45-56.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240104
摘要:
为了明确黄淮海冬小麦春季低温胁迫与产量及其构成因素的定量关系, 基于减产率构建小时尺度低温灾害等级指标。通过检索及筛选的34篇试验文献中的1924组试验组数据和对照组数据, 采用Meta分析方法分析黄淮海地区返青期、拔节期、孕穗期和抽穗-开花期低温胁迫对小麦产量及其构成因素的影响, 以过程最低温度、积冷量为判识因子, 根据约登指数确定减产率为0、10%和30%的临界阈值, 构建并验证低温灾害等级指标。结果表明: 冬小麦产量及其构成因素受低温胁迫过程低温强度和持续时间共同影响, 因所处发育阶段不同存在差异。按照减产率(0, 10%]、(10%, 30%]和(30%, 100%]为分级标准, 分别以过程最低温度和过程积冷量为判识因子构建并验证低温灾害等级指标, 过程积冷量指标在不同发育期的判识准确率均高于过程最低温度指标。因此, 基于过程低温强度和持续时间的综合影响构建的判识因子能更好地表征冬小麦遭受低温灾害的严重程度。
为了明确黄淮海冬小麦春季低温胁迫与产量及其构成因素的定量关系, 基于减产率构建小时尺度低温灾害等级指标。通过检索及筛选的34篇试验文献中的1924组试验组数据和对照组数据, 采用Meta分析方法分析黄淮海地区返青期、拔节期、孕穗期和抽穗-开花期低温胁迫对小麦产量及其构成因素的影响, 以过程最低温度、积冷量为判识因子, 根据约登指数确定减产率为0、10%和30%的临界阈值, 构建并验证低温灾害等级指标。结果表明: 冬小麦产量及其构成因素受低温胁迫过程低温强度和持续时间共同影响, 因所处发育阶段不同存在差异。按照减产率(0, 10%]、(10%, 30%]和(30%, 100%]为分级标准, 分别以过程最低温度和过程积冷量为判识因子构建并验证低温灾害等级指标, 过程积冷量指标在不同发育期的判识准确率均高于过程最低温度指标。因此, 基于过程低温强度和持续时间的综合影响构建的判识因子能更好地表征冬小麦遭受低温灾害的严重程度。
2024, 35(1): 57-67.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240105
摘要:
利用1961—2022年江南和华南茶区510个气象站的日最高气温数据和历史茶树高温热害灾情数据, 采用灾情反演和K-Means聚类分析方法, 构建并验证江南和华南茶区茶树高温热害等级指标, 分析茶树高温热害时空分布特征。结果表明: 江南和华南茶区茶树轻度、中度、重度高温热害指标为连续14 d日最高气温的滑动平均值T14≥34.5 ℃的持续日数分别为1~17 d、18~38 d和超过38 d, 验证样本完全符合的准确率为73.9%, 基本符合的准确率为91.3%; 江南和华南茶区茶树高温热害总次数呈波动变化, 分别在1999年和1997年达到最低值, 并在2021年达到最高值; 华南茶区相对于江南茶区高温热害次数更多, 尤其是轻度茶树高温热害, 且近62年华南茶区茶树高温热害次数增加趋势显著。
利用1961—2022年江南和华南茶区510个气象站的日最高气温数据和历史茶树高温热害灾情数据, 采用灾情反演和K-Means聚类分析方法, 构建并验证江南和华南茶区茶树高温热害等级指标, 分析茶树高温热害时空分布特征。结果表明: 江南和华南茶区茶树轻度、中度、重度高温热害指标为连续14 d日最高气温的滑动平均值T14≥34.5 ℃的持续日数分别为1~17 d、18~38 d和超过38 d, 验证样本完全符合的准确率为73.9%, 基本符合的准确率为91.3%; 江南和华南茶区茶树高温热害总次数呈波动变化, 分别在1999年和1997年达到最低值, 并在2021年达到最高值; 华南茶区相对于江南茶区高温热害次数更多, 尤其是轻度茶树高温热害, 且近62年华南茶区茶树高温热害次数增加趋势显著。
2024, 35(1): 68-79.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240106
摘要:
为了精准预报高速公路路面温度, 为车辆安全行驶提供气象保障, 采用2019—2022年南京市绕城高速公路上9个交通气象站及ERA5-land再分析数据, 通过构建时间序列特征工程、引入物理机制相关数据两类方法结合先验知识, 运用长短期记忆神经网络模型建立研究区域内4个交通气象站未来3 h逐10 min路面温度多步预报模型并进行验证; 在此基础上, 将已建立的模型应用于其他交通气象站, 探究模型的适用性。结果表明: 结合先验知识后, 模型预报性能明显提高, 准确率在85%以上, 且随着预报时效的延长, 性能提升更为明显, 准确率最高提升36%; 模型能较为准确地预报路面极端低温发生的时间和极值, 且在预报时效较短时对路面极端高温的预报也具有一定参考价值; 利用已建立的模型对其他交通气象站的路面温度进行预报时, 准确率在62%以上, 在预报时效较短时效果较好, 准确率在80%以上, 且交通气象站所处的下垫面背景类型对模型的选择起关键作用。
为了精准预报高速公路路面温度, 为车辆安全行驶提供气象保障, 采用2019—2022年南京市绕城高速公路上9个交通气象站及ERA5-land再分析数据, 通过构建时间序列特征工程、引入物理机制相关数据两类方法结合先验知识, 运用长短期记忆神经网络模型建立研究区域内4个交通气象站未来3 h逐10 min路面温度多步预报模型并进行验证; 在此基础上, 将已建立的模型应用于其他交通气象站, 探究模型的适用性。结果表明: 结合先验知识后, 模型预报性能明显提高, 准确率在85%以上, 且随着预报时效的延长, 性能提升更为明显, 准确率最高提升36%; 模型能较为准确地预报路面极端低温发生的时间和极值, 且在预报时效较短时对路面极端高温的预报也具有一定参考价值; 利用已建立的模型对其他交通气象站的路面温度进行预报时, 准确率在62%以上, 在预报时效较短时效果较好, 准确率在80%以上, 且交通气象站所处的下垫面背景类型对模型的选择起关键作用。
2024, 35(1): 80-89.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240107
摘要:
气象业务系统集约化发展和“云+端”业务技术体制改革是实现气象业务高质量发展的重要措施。2020年中国气象局提出构建以气象大数据云平台为云、气象业务系统为端的“云+端”业务技术体制, 明确气象大数据云平台作为关键基础技术平台的定位。加工流水线作为气象算法的集约化环境, 应用数算一体、高效任务调度、可视化流程编排、容器等技术, 实现气象算法的统一管理与高效集约调度运行。2021年加工流水线业务运行, 支撑全国202个业务系统的实时运行, 业务系统性能提升1~10倍, 集约化程度显著提高, 对提升业务系统的运行效率、增强业务系统的协同性、加速“云+端”业务技术体制改革进程和推进气象业务集约发展发挥了重要支撑作用。
气象业务系统集约化发展和“云+端”业务技术体制改革是实现气象业务高质量发展的重要措施。2020年中国气象局提出构建以气象大数据云平台为云、气象业务系统为端的“云+端”业务技术体制, 明确气象大数据云平台作为关键基础技术平台的定位。加工流水线作为气象算法的集约化环境, 应用数算一体、高效任务调度、可视化流程编排、容器等技术, 实现气象算法的统一管理与高效集约调度运行。2021年加工流水线业务运行, 支撑全国202个业务系统的实时运行, 业务系统性能提升1~10倍, 集约化程度显著提高, 对提升业务系统的运行效率、增强业务系统的协同性、加速“云+端”业务技术体制改革进程和推进气象业务集约发展发挥了重要支撑作用。
2024, 35(1): 90-102.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240108
摘要:
为了研究人工低频强声波增雨和消雾作业手段的效果, 使用最大声压级为155 dB的电声低频强声波装置原型机, 于2020年8—9月在河北省雾灵山开展增雨和消雾外场作业观测试验。具有明显消雾效果的两个典型个例显示:作业开始后2~3 min内尺度小于10 μm的雾滴减少, 尺度大于10 μm的雾滴增多;随后大部分尺度的雾滴明显减少, 10 min内能见度可从小于100 m回升至最高1000 m。在风速、风向与消雾效果的关系方面, 消雾效果明显的个例均发生在平均风速小于1.5 m·s-1且风向可使雾能够途经声波装置影响范围近侧的条件下, 而平均风速大于2 m·s-1的个例能见度几乎未出现趋势性变化。在一次地面平均风速为1.4 m·s-1的对流云增雨作业中观测到符合试验预期的结果, 开始作业后的3 min内地面雨强从0.3 mm·h-1迅速增至7 mm·h-1以上, 并观测到出现迅速但维持时间较短的大雨滴。其他增雨个例在作业时段的平均风速均超过3 m·s-1, 可能受风速偏大和观测点单一的影响, 未能观测到明确且一致的增雨证据。
为了研究人工低频强声波增雨和消雾作业手段的效果, 使用最大声压级为155 dB的电声低频强声波装置原型机, 于2020年8—9月在河北省雾灵山开展增雨和消雾外场作业观测试验。具有明显消雾效果的两个典型个例显示:作业开始后2~3 min内尺度小于10 μm的雾滴减少, 尺度大于10 μm的雾滴增多;随后大部分尺度的雾滴明显减少, 10 min内能见度可从小于100 m回升至最高1000 m。在风速、风向与消雾效果的关系方面, 消雾效果明显的个例均发生在平均风速小于1.5 m·s-1且风向可使雾能够途经声波装置影响范围近侧的条件下, 而平均风速大于2 m·s-1的个例能见度几乎未出现趋势性变化。在一次地面平均风速为1.4 m·s-1的对流云增雨作业中观测到符合试验预期的结果, 开始作业后的3 min内地面雨强从0.3 mm·h-1迅速增至7 mm·h-1以上, 并观测到出现迅速但维持时间较短的大雨滴。其他增雨个例在作业时段的平均风速均超过3 m·s-1, 可能受风速偏大和观测点单一的影响, 未能观测到明确且一致的增雨证据。
2024, 35(1): 103-117.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240109
摘要:
选取2021—2023年安徽省81次燃气炮作业的双偏振天气雷达、雨量计等多源观测数据, 综合评估燃气炮作业增雨效果并分析可能机理。结果显示:在降水开始前作业个例增雨效果较好, 并伴有水平反射率因子ZH、差分反射率ZDR的增加和共极化相关系数ρhv的减少;降水开始后作业增雨效果欠佳。使用携带暖云催化剂的燃气炮作业后云体变化主要在零度层以下, 且维持时间较短;使用携带冷云催化剂的燃气炮作业后暖云区和冷云区均有明显变化, 且作业影响持续时间更长。燃气炮作业过程中雷达速度谱宽增大, 可能是作业引起气流涡旋的增加所导致。统计结果显示:增雨的显著性与作业时长呈负相关, 作业时长与ZDR增量呈负相关, 过量播撒会导致减雨;增雨的显著性与作业前影响区雨量呈负相关;增雨量与ZH、中低层风速、风切变呈正相关, 与高层风速呈负相关。
选取2021—2023年安徽省81次燃气炮作业的双偏振天气雷达、雨量计等多源观测数据, 综合评估燃气炮作业增雨效果并分析可能机理。结果显示:在降水开始前作业个例增雨效果较好, 并伴有水平反射率因子ZH、差分反射率ZDR的增加和共极化相关系数ρhv的减少;降水开始后作业增雨效果欠佳。使用携带暖云催化剂的燃气炮作业后云体变化主要在零度层以下, 且维持时间较短;使用携带冷云催化剂的燃气炮作业后暖云区和冷云区均有明显变化, 且作业影响持续时间更长。燃气炮作业过程中雷达速度谱宽增大, 可能是作业引起气流涡旋的增加所导致。统计结果显示:增雨的显著性与作业时长呈负相关, 作业时长与ZDR增量呈负相关, 过量播撒会导致减雨;增雨的显著性与作业前影响区雨量呈负相关;增雨量与ZH、中低层风速、风切变呈正相关, 与高层风速呈负相关。
2024, 35(1): 118-128.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240110
摘要:
利用福建省古田人工增雨试验基地2014年1月—2023年1月小时自然降水数据, 结合线性拟合、多项式回归和样条回归等多种数学统计方法, 开展决策树、支持向量机(SVM)和卷积神经网络(CNN)3种机器学习方法在估测目标区自然降水中的应用研究。目标区和对比区自然雨量关系模型对比结果表明:以区域平均面雨量为统计变量时, CNN和四项式回归效果相对较好, 其中CNN的确定系数为0.516, 均方根误差为1.097 mm;对平均面雨量进行六次方根变换后, 各模型的精准度大幅提升, CNN表现最优, 确定系数为0.658, 其次为SVM;为克服目标区和对比区雨量时间序列效应及空间分布不均等问题, 以面雨量空间格点数据作为研究对象, 采用CNN 3种优化器(自适应矩估计、均方根传递和梯度随机下降)算法进行对比, 发现基于自适应矩估计优化器建立目标区和对比区雨量关系模型最优, 其降水估测值与实测值更接近, 均方根误差最小, 为0.61 mm。因此, 利用CNN方法能够进一步优化目标区和对比区雨量关系模型, 可为定量评估人工增雨效果提供参考。
利用福建省古田人工增雨试验基地2014年1月—2023年1月小时自然降水数据, 结合线性拟合、多项式回归和样条回归等多种数学统计方法, 开展决策树、支持向量机(SVM)和卷积神经网络(CNN)3种机器学习方法在估测目标区自然降水中的应用研究。目标区和对比区自然雨量关系模型对比结果表明:以区域平均面雨量为统计变量时, CNN和四项式回归效果相对较好, 其中CNN的确定系数为0.516, 均方根误差为1.097 mm;对平均面雨量进行六次方根变换后, 各模型的精准度大幅提升, CNN表现最优, 确定系数为0.658, 其次为SVM;为克服目标区和对比区雨量时间序列效应及空间分布不均等问题, 以面雨量空间格点数据作为研究对象, 采用CNN 3种优化器(自适应矩估计、均方根传递和梯度随机下降)算法进行对比, 发现基于自适应矩估计优化器建立目标区和对比区雨量关系模型最优, 其降水估测值与实测值更接近, 均方根误差最小, 为0.61 mm。因此, 利用CNN方法能够进一步优化目标区和对比区雨量关系模型, 可为定量评估人工增雨效果提供参考。
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