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中国气象局2024年 第35卷 第2期
摘要
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2024, 35(2): 129-141.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240201
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摘要:
以厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)循环和其他关键区海温对东亚季风关键系统影响机理的科学认知与应用为线索, 回顾我国汛期降水业务发布预测的技巧。按照三类雨型划分, 1981—2020年每10年的雨型预测正确率分别为50%、60%、50%、70%;按照四类雨型划分, 1981—2020年每10年的雨型预测正确率分别为30%、30%、40%、50%, 即我国汛期旱涝空间分布型的预测准确率明显提高。筛选预测准确率偏低且有显著洪涝发生年用于复盘, 重点分析当年的主要预测依据和预测偏差较大的原因。结果表明:对海温影响东亚夏季风系统机理的有限认知影响很大, 包括ENSO循环不同位相的影响、ENSO影响的不对称性、ENSO空间型的变化、印度洋等海域海温异常的影响均起重要作用, 提出多因子多时间尺度协同作用理论、客观化预测方法、精细化监测预测影响评估一体化系统建设等有助于提高精准化预测能力和精细化服务水平。
以厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)循环和其他关键区海温对东亚季风关键系统影响机理的科学认知与应用为线索, 回顾我国汛期降水业务发布预测的技巧。按照三类雨型划分, 1981—2020年每10年的雨型预测正确率分别为50%、60%、50%、70%;按照四类雨型划分, 1981—2020年每10年的雨型预测正确率分别为30%、30%、40%、50%, 即我国汛期旱涝空间分布型的预测准确率明显提高。筛选预测准确率偏低且有显著洪涝发生年用于复盘, 重点分析当年的主要预测依据和预测偏差较大的原因。结果表明:对海温影响东亚夏季风系统机理的有限认知影响很大, 包括ENSO循环不同位相的影响、ENSO影响的不对称性、ENSO空间型的变化、印度洋等海域海温异常的影响均起重要作用, 提出多因子多时间尺度协同作用理论、客观化预测方法、精细化监测预测影响评估一体化系统建设等有助于提高精准化预测能力和精细化服务水平。
2024, 35(2): 142-155.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240202
摘要:
在数值天气预报变分同化中, 利用同化前处理将卫星资料完成有效信息优选、资料拼接和稀疏化、初级通道选择、下边界参数耦合等处理, 实现卫星资料同化对数值天气预报业务的正贡献, 是决定海量卫星资料同化效率、质量和效果的重要环节。针对多种格式的卫星资料, 中国气象局研发标准格式的高时效卫星资料拼接等技术, 有效减小整轨卫星资料时间滞后对数值天气预报业务的负面影响。对于风云气象卫星资料, 将云和降水检测、资料质量分析等处理置于同化前处理中, 实现多光谱资料融合的同化预质量控制, 保证了风云卫星微波温度探测资料和红外高光谱资料的同化正贡献。利用统一资料格式对预处理卫星资料进行再处理, 拓展针对卫星成像和主动探测资料的处理, 将卫星资料同化的部分质量控制功能置于卫星资料同化前处理中, 是风云卫星资料同化前处理技术发展的重要趋势。
在数值天气预报变分同化中, 利用同化前处理将卫星资料完成有效信息优选、资料拼接和稀疏化、初级通道选择、下边界参数耦合等处理, 实现卫星资料同化对数值天气预报业务的正贡献, 是决定海量卫星资料同化效率、质量和效果的重要环节。针对多种格式的卫星资料, 中国气象局研发标准格式的高时效卫星资料拼接等技术, 有效减小整轨卫星资料时间滞后对数值天气预报业务的负面影响。对于风云气象卫星资料, 将云和降水检测、资料质量分析等处理置于同化前处理中, 实现多光谱资料融合的同化预质量控制, 保证了风云卫星微波温度探测资料和红外高光谱资料的同化正贡献。利用统一资料格式对预处理卫星资料进行再处理, 拓展针对卫星成像和主动探测资料的处理, 将卫星资料同化的部分质量控制功能置于卫星资料同化前处理中, 是风云卫星资料同化前处理技术发展的重要趋势。
2024, 35(2): 156-167.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240203
摘要:
全球模式能量循环和能量转换规律可准确反映模式动力和物理过程相互作用的物理机制, 是诊断大气环流特征的重要方法。基于混合时空域能量循环框架, 采用尺度分析方法, 利用2022年中国气象局全球数值预报系统(CMA Global Forecast System, CMA-GFS)全球预报产品及欧洲中期天气预报中心第5代再分析资料(ECMWF reanalysis version 5, ERA5), 考察CMA-GFS不同尺度下的能量蓄能及转换特征, 以此诊断模式的误差来源。结果表明:CMA-GFS可有效预报大气能量循环基本特征, 但其对斜压性的高估导致平均环流有效位能偏强, 且具有随预报时效逐渐增长的趋势。定常和瞬变涡动能量分别受行星尺度和天气及以下尺度分量主导。涡动有效位能误差由模式斜压性决定, 其中CMA-GFS的定常涡动有效位能偏高而瞬变涡动有效位能偏低。定常和瞬变涡动动能均存在系统性低估, 负误差主要集中在副热带急流和极夜急流中心附近, 偏强的正压输送使更多能量向平均环流转换, 涡动能量偏弱。CMA-GFS的4种涡动能量在冬季预报偏低, 而在夏季偏高或略偏低, 严重削弱了季节变化影响。
全球模式能量循环和能量转换规律可准确反映模式动力和物理过程相互作用的物理机制, 是诊断大气环流特征的重要方法。基于混合时空域能量循环框架, 采用尺度分析方法, 利用2022年中国气象局全球数值预报系统(CMA Global Forecast System, CMA-GFS)全球预报产品及欧洲中期天气预报中心第5代再分析资料(ECMWF reanalysis version 5, ERA5), 考察CMA-GFS不同尺度下的能量蓄能及转换特征, 以此诊断模式的误差来源。结果表明:CMA-GFS可有效预报大气能量循环基本特征, 但其对斜压性的高估导致平均环流有效位能偏强, 且具有随预报时效逐渐增长的趋势。定常和瞬变涡动能量分别受行星尺度和天气及以下尺度分量主导。涡动有效位能误差由模式斜压性决定, 其中CMA-GFS的定常涡动有效位能偏高而瞬变涡动有效位能偏低。定常和瞬变涡动动能均存在系统性低估, 负误差主要集中在副热带急流和极夜急流中心附近, 偏强的正压输送使更多能量向平均环流转换, 涡动能量偏弱。CMA-GFS的4种涡动能量在冬季预报偏低, 而在夏季偏高或略偏低, 严重削弱了季节变化影响。
2024, 35(2): 168-181.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240204
摘要:
东亚冬季风对东亚冬季的天气气候具有重要影响, 对其预测研究是冬季气候预测的关键问题。已有东亚冬季风强度指数(ISA)与东北冬季气温在年际、年代际尺度具有显著且稳定的相关关系, 但ISA的前兆信号在20世纪90年代末发生年代际转变, 对ISA的预测效果转差。在海-冰-气系统重新寻找影响ISA的前兆因子, 分析其与东亚冬季风的可能关联, 构建统计预测方法并开展交叉检验。结果表明:20世纪80年代后ISA与前期热带太平洋马蹄型结构的海温、墨西哥湾流区海温、平流层欧亚中高纬环流型呈显著正相关, 与巴伦支海海冰密集度呈显著负相关。以上前兆信号可通过冬季大气环流、海陆热力差等途径影响ISA, 预测模型拟合效果较好, 试报期间(2012—2022年)与实况的符号一致率达81.8%(9/11), 可用于当前年代际背景下东亚冬季风强度预测。
东亚冬季风对东亚冬季的天气气候具有重要影响, 对其预测研究是冬季气候预测的关键问题。已有东亚冬季风强度指数(ISA)与东北冬季气温在年际、年代际尺度具有显著且稳定的相关关系, 但ISA的前兆信号在20世纪90年代末发生年代际转变, 对ISA的预测效果转差。在海-冰-气系统重新寻找影响ISA的前兆因子, 分析其与东亚冬季风的可能关联, 构建统计预测方法并开展交叉检验。结果表明:20世纪80年代后ISA与前期热带太平洋马蹄型结构的海温、墨西哥湾流区海温、平流层欧亚中高纬环流型呈显著正相关, 与巴伦支海海冰密集度呈显著负相关。以上前兆信号可通过冬季大气环流、海陆热力差等途径影响ISA, 预测模型拟合效果较好, 试报期间(2012—2022年)与实况的符号一致率达81.8%(9/11), 可用于当前年代际背景下东亚冬季风强度预测。
2024, 35(2): 182-195.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240205
摘要:
冰雹形成的天气和云微物理机制是人工防雹的基础。采用观测和数值模拟相结合的方法, 研究2023年3月28日云南南部红河州典型冰雹过程的天气和微物理特征。结果表明:此次天气过程与青藏高原南支西风槽波动和南亚副热带高压外围西南暖湿气流输送的协同作用密切相关;地面降雹以小于10 mm的小冰雹粒子为主, 最大冰雹尺度达到20 mm;冰雹云微物理结构显示为暖底云, 暖雨过程活跃;双偏振雷达差分反射率、差分相移率和相关系数显示, 冰雹初始形成区存在接近球形的冰雹和过冷雨滴, 说明冰雹胚胎的形成与过冷雨滴冻结有关;冰雹在下落过程中雷达回波增强, 偏振雷达参数显示冰雹的水平取向显著增加, 形状由球状向盘状转变, 冰雹在下落过程得到进一步增长, 形状也发生变化。这些观测宏微观特征与数值模拟的冰雹形成机制有较好的一致性。
冰雹形成的天气和云微物理机制是人工防雹的基础。采用观测和数值模拟相结合的方法, 研究2023年3月28日云南南部红河州典型冰雹过程的天气和微物理特征。结果表明:此次天气过程与青藏高原南支西风槽波动和南亚副热带高压外围西南暖湿气流输送的协同作用密切相关;地面降雹以小于10 mm的小冰雹粒子为主, 最大冰雹尺度达到20 mm;冰雹云微物理结构显示为暖底云, 暖雨过程活跃;双偏振雷达差分反射率、差分相移率和相关系数显示, 冰雹初始形成区存在接近球形的冰雹和过冷雨滴, 说明冰雹胚胎的形成与过冷雨滴冻结有关;冰雹在下落过程中雷达回波增强, 偏振雷达参数显示冰雹的水平取向显著增加, 形状由球状向盘状转变, 冰雹在下落过程得到进一步增长, 形状也发生变化。这些观测宏微观特征与数值模拟的冰雹形成机制有较好的一致性。
2024, 35(2): 196-210.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240206
摘要:
基于机载微波辐射计、地基微波辐射计和Ka波段云雷达3种遥感资料, 结合FY-4A气象卫星、气象观测站、天气雷达及再分析资料, 研究2021年5月15日一次华北降水性层状云系暖区的水汽和液态水分布特征。结果表明:水汽和液态水的水平分布不均, 飞机平飞时机载微波辐射计探测的积分水汽含量和液态水路径起伏变化, 最大值分别为4.00 cm和1.87 mm, 随着暖区云顶高度和云层厚度降低, 二者分别降至0.89 cm和0.13 mm。随着降水发生发展, 地基微波辐射计探测的积分水汽含量和液态水路径均出现跃增, 峰值分别为8.62 cm和3.85 mm, 水汽变化滞后于液态水, 垂直方向上液态水含量的累积区厚度、最大值及所在高度均随降水先增后减, 液态水的时空演变对暖区降水及增雨作业时机和部位的判识有重要指示意义。云雷达探测的液态水含量也出现跃增, 在1 km高度以下反射率因子较大、粒子下落速度及离散程度较大时段, 液态水丰富, 对应降水量较大, 粒子碰并是暖区降水的主要机制。
基于机载微波辐射计、地基微波辐射计和Ka波段云雷达3种遥感资料, 结合FY-4A气象卫星、气象观测站、天气雷达及再分析资料, 研究2021年5月15日一次华北降水性层状云系暖区的水汽和液态水分布特征。结果表明:水汽和液态水的水平分布不均, 飞机平飞时机载微波辐射计探测的积分水汽含量和液态水路径起伏变化, 最大值分别为4.00 cm和1.87 mm, 随着暖区云顶高度和云层厚度降低, 二者分别降至0.89 cm和0.13 mm。随着降水发生发展, 地基微波辐射计探测的积分水汽含量和液态水路径均出现跃增, 峰值分别为8.62 cm和3.85 mm, 水汽变化滞后于液态水, 垂直方向上液态水含量的累积区厚度、最大值及所在高度均随降水先增后减, 液态水的时空演变对暖区降水及增雨作业时机和部位的判识有重要指示意义。云雷达探测的液态水含量也出现跃增, 在1 km高度以下反射率因子较大、粒子下落速度及离散程度较大时段, 液态水丰富, 对应降水量较大, 粒子碰并是暖区降水的主要机制。
2024, 35(2): 211-224.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240207
摘要:
利用2003—2022年我国东北地区MODIS(moderate-resolution imaging spectroradiometer)大气气溶胶光学厚度(aerosol optical depth, AOD)数据和中国多尺度排放清单模型(multi-resolution emission inventory for China, MEIC), 分析东北地区AOD的空间分布特征及年际变化趋势, 讨论气象因子和人为排放对东北地区AOD变化的影响。结果表明: 辽宁AOD较高, 最大值为0.6, 出现在辽宁中部, 其次是吉林西部, AOD平均值为0.4, 黑龙江AOD平均值为0.3。东北地区AOD高值区出现在春季和夏季, AOD空间分布在秋季呈减小趋势, 冬季分布范围增加。不同季节AOD最高值均出现在辽宁, 东北地区夏季AOD增加主要与环境湿度有关, 边界层气象条件对冬季AOD具有一定影响。辽宁AOD在[0.1, 0.2)和[0.2, 0.3)范围内年平均发生频率最高为50%, 吉林和黑龙江AOD在[0.1, 0.2)范围的年平均发生频率最高为25%~30%, 特别是黑龙江极端清洁状况AOD在[0.0, 0.1)范围内年平均发生频率最高为15%。东北地区AOD区域平均值在2003年和2014年较高, 主要受到边界层气象要素和人为排放SO2、PM2.5、有机碳和NO2影响。东北地区夏季AOD年代际变化趋势从2012年之前的增长趋势(0.1·(10 a)-1)向2013以后的减少趋势(-0.3·(10 a)-1)转变。
利用2003—2022年我国东北地区MODIS(moderate-resolution imaging spectroradiometer)大气气溶胶光学厚度(aerosol optical depth, AOD)数据和中国多尺度排放清单模型(multi-resolution emission inventory for China, MEIC), 分析东北地区AOD的空间分布特征及年际变化趋势, 讨论气象因子和人为排放对东北地区AOD变化的影响。结果表明: 辽宁AOD较高, 最大值为0.6, 出现在辽宁中部, 其次是吉林西部, AOD平均值为0.4, 黑龙江AOD平均值为0.3。东北地区AOD高值区出现在春季和夏季, AOD空间分布在秋季呈减小趋势, 冬季分布范围增加。不同季节AOD最高值均出现在辽宁, 东北地区夏季AOD增加主要与环境湿度有关, 边界层气象条件对冬季AOD具有一定影响。辽宁AOD在[0.1, 0.2)和[0.2, 0.3)范围内年平均发生频率最高为50%, 吉林和黑龙江AOD在[0.1, 0.2)范围的年平均发生频率最高为25%~30%, 特别是黑龙江极端清洁状况AOD在[0.0, 0.1)范围内年平均发生频率最高为15%。东北地区AOD区域平均值在2003年和2014年较高, 主要受到边界层气象要素和人为排放SO2、PM2.5、有机碳和NO2影响。东北地区夏季AOD年代际变化趋势从2012年之前的增长趋势(0.1·(10 a)-1)向2013以后的减少趋势(-0.3·(10 a)-1)转变。
2024, 35(2): 225-236.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240208
摘要:
参考大气动力学理论中风随高度、纬度的分布特征, 提出一种基于静止卫星低层大气导风利用全连接神经网络估测海面风的新思路, 构建基于卫星遥感数据的全连接神经网络海面风矢量估测模型, 实现基于大气导风的海面风估测。基于GOES-16先进基线成像仪可见光通道0.5 km分辨率大气导风开展试验, 并与2021年1月1日—12月31日北美近海岸和海上93个美国国家数据浮标中心浮标数据比对, 结果表明:全连接神经网络估算得到基于大气导风的海面风风速均方根误差不大于1.5 m·s-1, 较传统模型降低0.24 m·s-1。将模型应用于飓风场景, 通过与2022年3个北大西洋飓风和3个东太平洋飓风共13个时次的再分析数据比对表明:基于大气导风的海面风风速均方根误差不大于1.1 m·s-1, 相较于传统经验模型降低0.04 m·s-1, 在低风速区无系统性偏差。
参考大气动力学理论中风随高度、纬度的分布特征, 提出一种基于静止卫星低层大气导风利用全连接神经网络估测海面风的新思路, 构建基于卫星遥感数据的全连接神经网络海面风矢量估测模型, 实现基于大气导风的海面风估测。基于GOES-16先进基线成像仪可见光通道0.5 km分辨率大气导风开展试验, 并与2021年1月1日—12月31日北美近海岸和海上93个美国国家数据浮标中心浮标数据比对, 结果表明:全连接神经网络估算得到基于大气导风的海面风风速均方根误差不大于1.5 m·s-1, 较传统模型降低0.24 m·s-1。将模型应用于飓风场景, 通过与2022年3个北大西洋飓风和3个东太平洋飓风共13个时次的再分析数据比对表明:基于大气导风的海面风风速均方根误差不大于1.1 m·s-1, 相较于传统经验模型降低0.04 m·s-1, 在低风速区无系统性偏差。
2024, 35(2): 237-246.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240209
摘要:
下行先导与上行先导的相对速率比可能是闪电连接过程的关键因子之一, 随机闪电连接模式中先导相对传播速率比不能准确描述下行与上行先导的相对传播距离比值。考虑到光学观测事实及雷暴电场环境, 在已有多上行先导三维随机参数化方案的基础上对下行负地闪开展模拟, 改进背景电场模块设置, 并植入下行负先导与上行正先导相对传播速率模块, 以先导传播距离为依据设置先导相对传播速率。将改进后的模型应用于平顶单建筑物触发多上行先导现象的模拟, 与改进前相比, 该模型的闪击距、上行先导长度等参数与自然闪电一致性更好;在此基础上对发生在广州珠江新城高建筑物群上的地闪连接过程进行模拟, 改进后的模型能够较好还原复杂建筑物群的闪电发生规律。城市建筑物群的雷击特征参量主要由各个建筑物的形状特征、相对位置以及相对高度等因素所决定, 但仍有特殊事件发生, 当下行先导的某一分支与建筑物空间距离临近时, 会在建筑物顶部起始上行先导并连接。
下行先导与上行先导的相对速率比可能是闪电连接过程的关键因子之一, 随机闪电连接模式中先导相对传播速率比不能准确描述下行与上行先导的相对传播距离比值。考虑到光学观测事实及雷暴电场环境, 在已有多上行先导三维随机参数化方案的基础上对下行负地闪开展模拟, 改进背景电场模块设置, 并植入下行负先导与上行正先导相对传播速率模块, 以先导传播距离为依据设置先导相对传播速率。将改进后的模型应用于平顶单建筑物触发多上行先导现象的模拟, 与改进前相比, 该模型的闪击距、上行先导长度等参数与自然闪电一致性更好;在此基础上对发生在广州珠江新城高建筑物群上的地闪连接过程进行模拟, 改进后的模型能够较好还原复杂建筑物群的闪电发生规律。城市建筑物群的雷击特征参量主要由各个建筑物的形状特征、相对位置以及相对高度等因素所决定, 但仍有特殊事件发生, 当下行先导的某一分支与建筑物空间距离临近时, 会在建筑物顶部起始上行先导并连接。
2024, 35(2): 247-256.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240210
摘要:
气象基础信息一张图作为气象数据资源与行业间数据融合的应用示范, 通过构建时空联动的气象大数据应用基础, 解决多源气象数据融合应用服务问题。气象基础信息一张图基于高分辨率气象网格数据空间化处理、长序列海量网格数据任意时空范围检索以及气象数据与三维地形融合服务3项关键技术, 实现多源异构时空数据的统一接入、处理、存储、管理和服务。气象基础信息一张图整合基础地理、自然资源、生态环境、社会经济、气象五大数据资源, 面向不同气象应用场景, 通过动态组合构建专题服务, 实现多源数据快速服务和高效应用。气象基础信息一张图为2022年北京冬奥会及冬残奥会的圆满举办等国家重大活动、2021年郑州“7·20”特大暴雨气象预报复盘服务以及气象数据的社会化服务共享提供应用服务保障, 在服务“生命安全、生产发展、生活富裕、生态良好”方面提供有效支撑。
气象基础信息一张图作为气象数据资源与行业间数据融合的应用示范, 通过构建时空联动的气象大数据应用基础, 解决多源气象数据融合应用服务问题。气象基础信息一张图基于高分辨率气象网格数据空间化处理、长序列海量网格数据任意时空范围检索以及气象数据与三维地形融合服务3项关键技术, 实现多源异构时空数据的统一接入、处理、存储、管理和服务。气象基础信息一张图整合基础地理、自然资源、生态环境、社会经济、气象五大数据资源, 面向不同气象应用场景, 通过动态组合构建专题服务, 实现多源数据快速服务和高效应用。气象基础信息一张图为2022年北京冬奥会及冬残奥会的圆满举办等国家重大活动、2021年郑州“7·20”特大暴雨气象预报复盘服务以及气象数据的社会化服务共享提供应用服务保障, 在服务“生命安全、生产发展、生活富裕、生态良好”方面提供有效支撑。
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