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中国气象局2024年 第35卷 第3期
摘要
PDF 482KB
2024, 35(3): 257-271.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240301
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摘要:
利用多源观测资料及ERA5(ECMWF reanalysis version 5)再分析资料，从气候统计、天气分析及物理量诊断等角度，分析2023年8月2—4日黑龙江省东南部一次极端强降水过程。高空持续辐散、副热带高压和东北北部冷涡稳定少动、西南低空急流持续水汽输送等有利条件是此次强降水过程持续时间较长的主要原因。该过程可分为两个阶段：第1阶段，经向水汽净收入层和大气饱和层深厚，大气层结为弱对流不稳定；中层受西北气流控制，低层西南急流发展、伴随弱低涡东移，形成水平风速辐合及系统性上升运动，产生大范围持续性降水；该阶段以层积混合云为主，降水效率高，个别时段伴有列车效应，造成极端小时降水量及较大累积降水量。第2阶段，经向水汽净收入集中在对流层低层，且中心强度较大，对流层低层暖湿、饱和，中高层干冷，大气具有较强对流不稳定；在中层槽和低层暖式切变的系统性抬升以及地形辐合抬升的共同作用下，局地有积云发展，引发短时强降水，降水强度分布不均。
利用多源观测资料及ERA5(ECMWF reanalysis version 5)再分析资料，从气候统计、天气分析及物理量诊断等角度，分析2023年8月2—4日黑龙江省东南部一次极端强降水过程。高空持续辐散、副热带高压和东北北部冷涡稳定少动、西南低空急流持续水汽输送等有利条件是此次强降水过程持续时间较长的主要原因。该过程可分为两个阶段：第1阶段，经向水汽净收入层和大气饱和层深厚，大气层结为弱对流不稳定；中层受西北气流控制，低层西南急流发展、伴随弱低涡东移，形成水平风速辐合及系统性上升运动，产生大范围持续性降水；该阶段以层积混合云为主，降水效率高，个别时段伴有列车效应，造成极端小时降水量及较大累积降水量。第2阶段，经向水汽净收入集中在对流层低层，且中心强度较大，对流层低层暖湿、饱和，中高层干冷，大气具有较强对流不稳定；在中层槽和低层暖式切变的系统性抬升以及地形辐合抬升的共同作用下，局地有积云发展，引发短时强降水，降水强度分布不均。
2024, 35(3): 272-284.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240302
摘要:
利用2020年中国气象局吉林云物理野外科学试验基地微波辐射计数据，结合小时降水量数据、ERA5(ECMWF reanalysis version 5)再分析数据等对长白山麓东北冷涡降水云系进行统计分析，将东北冷涡降水划分为强降水、中等强度降水和弱降水3类。结果表明：在长白山麓东北冷涡降水发生前6 h首先出现中高云，水汽、云液态水含量对东北冷涡强降水的发生与维持至关重要。东北冷涡强降水发生前5 h，6 km高度以下水汽出现跃升，1.0 km高度以下水汽密度增加至12~14 g·m-3；5~6 km高度温度层结为-5 ℃至-10 ℃，云液态水含量为1.0~1.6 g·m-3，有助于冰雪晶的形成；在温度层结-6 ℃至-16 ℃内存在中高云，云底高度从5.5~7 km陡降至地面，出现干冷空气侵入现象，相对湿度急剧下降，这些特征一直持续至强降水发生；在东北冷涡中等强度降水和弱降水发生前6 h，云系为中云，5~6 km高度的云液态水含量为0.4~0.8 g·m-3，但并未出现水汽跃升、相对湿度下降的特征。
利用2020年中国气象局吉林云物理野外科学试验基地微波辐射计数据，结合小时降水量数据、ERA5(ECMWF reanalysis version 5)再分析数据等对长白山麓东北冷涡降水云系进行统计分析，将东北冷涡降水划分为强降水、中等强度降水和弱降水3类。结果表明：在长白山麓东北冷涡降水发生前6 h首先出现中高云，水汽、云液态水含量对东北冷涡强降水的发生与维持至关重要。东北冷涡强降水发生前5 h，6 km高度以下水汽出现跃升，1.0 km高度以下水汽密度增加至12~14 g·m-3；5~6 km高度温度层结为-5 ℃至-10 ℃，云液态水含量为1.0~1.6 g·m-3，有助于冰雪晶的形成；在温度层结-6 ℃至-16 ℃内存在中高云，云底高度从5.5~7 km陡降至地面，出现干冷空气侵入现象，相对湿度急剧下降，这些特征一直持续至强降水发生；在东北冷涡中等强度降水和弱降水发生前6 h，云系为中云，5~6 km高度的云液态水含量为0.4~0.8 g·m-3，但并未出现水汽跃升、相对湿度下降的特征。
2024, 35(3): 285-297.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240303
摘要:
利用自动气象站观测降水、ERA5(ECMWF reanalysis version 5)再分析资料和GDAS(Global Data Assimilation System)资料，基于SOMs(self-organizing maps)算法和天气学检验方法，归纳总结2012—2021年太行山中南段75次暖季极端降水事件的环流形势，探讨不同形势下的水汽输送特征及降水差异。结果表明：影响太行山中南段暖季极端降水的环流形势可分为高空槽型、低涡型、副高纬向型、副高经向型和西北气流型5种，其中以高空槽型最为常见，西北气流型最少。低涡型存在孟加拉湾、南海和西北太平洋水汽输送通道，其日降水极值、最大小时降水强度和影响范围在所有类型中均最大，与低涡型相比，高空槽型缺少西北太平洋水汽输送通道，而副高纬向型和副高经向型缺少孟加拉湾水汽输送通道。利用HYSPLIT(hybrid single-particle Lagrangian integrated trajectory)模型追踪气团发现：低涡型和副高纬向型均以来自西北太平洋的水汽输送贡献最大，高空槽型和副高经向型分别以来自黄海沿岸和南海的水汽输送贡献最大。整层水汽收支分析表明：太行山中南段暖季极端降水最主要的水汽流入来自南边界，其他流入边界及各边界水汽流入贡献的相对大小与环流形势有关。
利用自动气象站观测降水、ERA5(ECMWF reanalysis version 5)再分析资料和GDAS(Global Data Assimilation System)资料，基于SOMs(self-organizing maps)算法和天气学检验方法，归纳总结2012—2021年太行山中南段75次暖季极端降水事件的环流形势，探讨不同形势下的水汽输送特征及降水差异。结果表明：影响太行山中南段暖季极端降水的环流形势可分为高空槽型、低涡型、副高纬向型、副高经向型和西北气流型5种，其中以高空槽型最为常见，西北气流型最少。低涡型存在孟加拉湾、南海和西北太平洋水汽输送通道，其日降水极值、最大小时降水强度和影响范围在所有类型中均最大，与低涡型相比，高空槽型缺少西北太平洋水汽输送通道，而副高纬向型和副高经向型缺少孟加拉湾水汽输送通道。利用HYSPLIT(hybrid single-particle Lagrangian integrated trajectory)模型追踪气团发现：低涡型和副高纬向型均以来自西北太平洋的水汽输送贡献最大，高空槽型和副高经向型分别以来自黄海沿岸和南海的水汽输送贡献最大。整层水汽收支分析表明：太行山中南段暖季极端降水最主要的水汽流入来自南边界，其他流入边界及各边界水汽流入贡献的相对大小与环流形势有关。
2024, 35(3): 298-310.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240304
摘要:
利用1980—2023年高分辨率中国气象站观测数据，根据寒潮标准及强度指数，对中国寒潮事件的强度及影响区域进行客观分类，探讨全国性、区域性寒潮事件的时空变化特征和环流演变。结果表明：近40年我国冬季寒潮频次呈显著减少趋势，其影响范围扩大，而强寒潮的强度呈显著增加趋势，且年际变化幅度明显增大。中国寒潮冷空气主要来源于新地岛东南地区，路径因寒潮类型而异。分析全国型、东北华北型和西北华北型寒潮前期和同期大气环流异常特征发现：格陵兰岛的异常深厚暖高压是全国型寒潮的重要前兆，欧亚大陆对流层中高层纬向波列是其爆发的显著特征；东北华北型寒潮与冷涡在中低纬度异常高压系统阻挡下的东移有关；西北华北型寒潮与东欧平原上空暖性高压脊的发展及欧亚大陆两脊一槽的形势密切相关。所有类型寒潮爆发前均有乌拉尔阻塞高压的维持和西伯利亚地区冷空气的堆积。
利用1980—2023年高分辨率中国气象站观测数据，根据寒潮标准及强度指数，对中国寒潮事件的强度及影响区域进行客观分类，探讨全国性、区域性寒潮事件的时空变化特征和环流演变。结果表明：近40年我国冬季寒潮频次呈显著减少趋势，其影响范围扩大，而强寒潮的强度呈显著增加趋势，且年际变化幅度明显增大。中国寒潮冷空气主要来源于新地岛东南地区，路径因寒潮类型而异。分析全国型、东北华北型和西北华北型寒潮前期和同期大气环流异常特征发现：格陵兰岛的异常深厚暖高压是全国型寒潮的重要前兆，欧亚大陆对流层中高层纬向波列是其爆发的显著特征；东北华北型寒潮与冷涡在中低纬度异常高压系统阻挡下的东移有关；西北华北型寒潮与东欧平原上空暖性高压脊的发展及欧亚大陆两脊一槽的形势密切相关。所有类型寒潮爆发前均有乌拉尔阻塞高压的维持和西伯利亚地区冷空气的堆积。
2024, 35(3): 311-322.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240305
摘要:
了解沙尘天气下气溶胶的垂直分布特征对于进一步认识气溶胶-云相互作用及其天气、气候效应至关重要。基于2023年9月6日沙尘天气下的飞机观测数据, 分析祁连山北坡沙尘气溶胶的垂直分布特征。结果表明: 此次沙尘天气是在高空锋区及地面冷高压的共同作用下形成。受沙尘天气影响, 气溶胶粒径谱宽增宽; 气溶胶数浓度较背景可上升约2~3倍, 且气溶胶数浓度大值区呈悬垂状态分布, 粒子数浓度大值层位于4000~4500 m和3000~4000 m高度; 对沙尘气溶胶数浓度贡献最大的细粒子和粗粒子粒径分别为1.2~1.8 μm和6.5~16.6 μm, 且气溶胶数浓度的增大在粗粒子段更为明显。气溶胶来源及输送层、以及气象要素垂直分布演变在气溶胶垂直分布及谱分布中发挥了重要作用。
了解沙尘天气下气溶胶的垂直分布特征对于进一步认识气溶胶-云相互作用及其天气、气候效应至关重要。基于2023年9月6日沙尘天气下的飞机观测数据, 分析祁连山北坡沙尘气溶胶的垂直分布特征。结果表明: 此次沙尘天气是在高空锋区及地面冷高压的共同作用下形成。受沙尘天气影响, 气溶胶粒径谱宽增宽; 气溶胶数浓度较背景可上升约2~3倍, 且气溶胶数浓度大值区呈悬垂状态分布, 粒子数浓度大值层位于4000~4500 m和3000~4000 m高度; 对沙尘气溶胶数浓度贡献最大的细粒子和粗粒子粒径分别为1.2~1.8 μm和6.5~16.6 μm, 且气溶胶数浓度的增大在粗粒子段更为明显。气溶胶来源及输送层、以及气象要素垂直分布演变在气溶胶垂直分布及谱分布中发挥了重要作用。
2024, 35(3): 323-336.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240306
摘要:
沙尘暴天气下云的飞机观测极其缺乏, 为了研究亚洲中蒙地区沙尘气溶胶对云的影响, 利用北京地区云的综合外场观测试验数据, 分析2009年4月24日由蒙古气旋和冷锋造成的强沙尘暴天气下云的观测个例, 对比分析沙尘云和清洁云垂直观测。结果表明: 从亚洲中蒙地区输送的沙尘气溶胶是华北区域重要的冰核来源, 可被垂直输送至云顶以上3200 m高度, 并通过改变冰晶形成过程影响云顶温度(-6~-3 ℃)较高的积云性层积云微物理结构。在相同温度下, 沙尘云中冰晶平均数浓度较清洁云增加近10倍, 液态水含量减少约1倍, 云中形成大量小冰晶粒子, 凇附过程受到抑制, 降水粒子平均数浓度较清洁云中明显减少10倍以上, 无论云滴、冰雪晶还是降水粒子谱宽均较清洁云明显变窄, 并最终减弱降水, 对华北区域的天气和气候产生重要影响。
沙尘暴天气下云的飞机观测极其缺乏, 为了研究亚洲中蒙地区沙尘气溶胶对云的影响, 利用北京地区云的综合外场观测试验数据, 分析2009年4月24日由蒙古气旋和冷锋造成的强沙尘暴天气下云的观测个例, 对比分析沙尘云和清洁云垂直观测。结果表明: 从亚洲中蒙地区输送的沙尘气溶胶是华北区域重要的冰核来源, 可被垂直输送至云顶以上3200 m高度, 并通过改变冰晶形成过程影响云顶温度(-6~-3 ℃)较高的积云性层积云微物理结构。在相同温度下, 沙尘云中冰晶平均数浓度较清洁云增加近10倍, 液态水含量减少约1倍, 云中形成大量小冰晶粒子, 凇附过程受到抑制, 降水粒子平均数浓度较清洁云中明显减少10倍以上, 无论云滴、冰雪晶还是降水粒子谱宽均较清洁云明显变窄, 并最终减弱降水, 对华北区域的天气和气候产生重要影响。
2024, 35(3): 337-349.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240307
摘要:
以辽宁省新民气候基准站的降水现象仪观测数据为基础, 研究我国东北地区新民夏季不同雨强及不同降雨类型的雨滴谱特征, 并与其他地区进行对比。结果表明: 新民雨强越大谱宽越宽, 雨强大于20 mm·h-1的雨滴谱谱宽接近8 mm, 降雨以小雨滴为主, 但中等雨滴对雨量的贡献最大。对流云降雨为典型的大陆型对流, 以雨滴的直径较大而数浓度较低为特点, 质量加权平均直径Dm的平均值为2.14 mm, 标准化截距lgNw的平均值为3.40。拟合的μ-Λ关系与其他地区采用PARSIVEL雨滴谱仪数据拟合的μ-Λ经验关系接近, 而与采用二维视频雨滴谱仪(2DVD)数据拟合的μ-Λ关系差异较大。与华东、华北地区相比, 东北地区新民Dm (lgNw)的平均值更大(小), 拟合的对流云降雨Z-R关系的指数更大。
以辽宁省新民气候基准站的降水现象仪观测数据为基础, 研究我国东北地区新民夏季不同雨强及不同降雨类型的雨滴谱特征, 并与其他地区进行对比。结果表明: 新民雨强越大谱宽越宽, 雨强大于20 mm·h-1的雨滴谱谱宽接近8 mm, 降雨以小雨滴为主, 但中等雨滴对雨量的贡献最大。对流云降雨为典型的大陆型对流, 以雨滴的直径较大而数浓度较低为特点, 质量加权平均直径Dm的平均值为2.14 mm, 标准化截距lgNw的平均值为3.40。拟合的μ-Λ关系与其他地区采用PARSIVEL雨滴谱仪数据拟合的μ-Λ经验关系接近, 而与采用二维视频雨滴谱仪(2DVD)数据拟合的μ-Λ关系差异较大。与华东、华北地区相比, 东北地区新民Dm (lgNw)的平均值更大(小), 拟合的对流云降雨Z-R关系的指数更大。
2024, 35(3): 350-360.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240308
摘要:
使用大面积且均匀的自然目标进行微波散射计的定标检验, 有助于客观评价微波遥感的观测精度。热带雨林具有相对稳定的植被覆盖条件, 可减小地表异质性对仪器测量的影响, 是微波仪器定标评价的常用目标。利用2019年1月1日—2021年12月31日MetOp-B(the second meteorological operational satellite)卫星ASCAT(advanced scatterometer)散射计的观测数据, 提出平均值、标准差与相对标准差联合的雨林目标稳定区优选算法, 确定亚马逊雨林、刚果雨林和东南亚雨林的稳定区域, 对稳定区内目标的自身特性开展包括季节、入射角和方位角影响建模。建模时综合考虑模型误差和时序变化, 将目标特性与仪器波动导致的后向散射系数变化分离。结果表明:亚马逊雨林和刚果雨林稳定区的白天数据具有较低的模型误差和波动较小的变化趋势, 适用于多星散射计的定标稳定性检验。基于亚马逊雨林和刚果雨林稳定区的白天数据模型, 对MetOp-C卫星的ASCAT观测数据进行定标稳定性检验和分析, 检验结果表明:MetOp-C卫星ASCAT散射计的观测数据略有波动, 但变化幅度小于0.05 dB, 定标稳定性较好。
使用大面积且均匀的自然目标进行微波散射计的定标检验, 有助于客观评价微波遥感的观测精度。热带雨林具有相对稳定的植被覆盖条件, 可减小地表异质性对仪器测量的影响, 是微波仪器定标评价的常用目标。利用2019年1月1日—2021年12月31日MetOp-B(the second meteorological operational satellite)卫星ASCAT(advanced scatterometer)散射计的观测数据, 提出平均值、标准差与相对标准差联合的雨林目标稳定区优选算法, 确定亚马逊雨林、刚果雨林和东南亚雨林的稳定区域, 对稳定区内目标的自身特性开展包括季节、入射角和方位角影响建模。建模时综合考虑模型误差和时序变化, 将目标特性与仪器波动导致的后向散射系数变化分离。结果表明:亚马逊雨林和刚果雨林稳定区的白天数据具有较低的模型误差和波动较小的变化趋势, 适用于多星散射计的定标稳定性检验。基于亚马逊雨林和刚果雨林稳定区的白天数据模型, 对MetOp-C卫星的ASCAT观测数据进行定标稳定性检验和分析, 检验结果表明:MetOp-C卫星ASCAT散射计的观测数据略有波动, 但变化幅度小于0.05 dB, 定标稳定性较好。
2024, 35(3): 361-372.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240309
摘要:
利用自动气象站观测数据, 采用误差分析、有效降水时次占比等方法评估2022年9月—2023年8月省级降水实况分析产品在北京地区的一致性和准确性, 并从累积降水量、降水强度、逐小时降水量误差等方面对“23·7”极端降水过程进行分析。结果表明:省级降水实况分析产品在北京地区的均方根误差不足1 mm, 平均绝对偏差低于0.16 mm, 与自动气象站观测结果接近。省级降水实况分析产品误差随降水量等级增加而增大, 小雨等级降水被高估, 中雨及以上等级降水被低估;误差空间分布差异明显, 在中雨和暴雨等级下, 最大负偏差均出现在延庆区, 最大正偏差均出现在昌平区。“23·7”极端降水过程中, 省级降水实况分析产品的平均均方根误差为1.8 mm, 平均绝对偏差为0.806 mm, 降水强度与自动气象站观测随时间变化趋势一致, 较真实地反映了降水强度的变化趋势。
利用自动气象站观测数据, 采用误差分析、有效降水时次占比等方法评估2022年9月—2023年8月省级降水实况分析产品在北京地区的一致性和准确性, 并从累积降水量、降水强度、逐小时降水量误差等方面对“23·7”极端降水过程进行分析。结果表明:省级降水实况分析产品在北京地区的均方根误差不足1 mm, 平均绝对偏差低于0.16 mm, 与自动气象站观测结果接近。省级降水实况分析产品误差随降水量等级增加而增大, 小雨等级降水被高估, 中雨及以上等级降水被低估;误差空间分布差异明显, 在中雨和暴雨等级下, 最大负偏差均出现在延庆区, 最大正偏差均出现在昌平区。“23·7”极端降水过程中, 省级降水实况分析产品的平均均方根误差为1.8 mm, 平均绝对偏差为0.806 mm, 降水强度与自动气象站观测随时间变化趋势一致, 较真实地反映了降水强度的变化趋势。
2024, 35(3): 373-384.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240310
摘要:
针对观测密度和频次日益增加的海量地面自动气象站数据, 在气象大数据云平台(天擎)中设计了基于Storm的实时流式处理, 利用大规模并行处理的优势提高地面自动气象站数据的处理时效。在流式处理中, 设计处理拓扑直接解码标准格式的数据消息;消息确认采用手工确认的方式, 将数据解码组件锚定数据接入组件, 实现每条数据的可靠处理;数据解码时进行字节校验和时间检查等, 过滤异常数据;应用批量加定时的发送策略, 解决海量监控信息发送气象综合业务实时监控系统(天镜)的问题;集群部署时保留部分剩余资源, 有效应对单节点异常。应用效果表明:国家气象站小时数据的服务时效由全国综合气象信息共享系统(CIMISS)的175 s提高至天擎的78 s, 约6×104个区域气象站小时数据的服务时效由CIMISS的5 min提高至天警的2 min, 实况分析系统将数据源切换至天擎后, 相同时间检索可获取的站点数量较CIMISS增加1倍。2021年12月基于Storm的流式处理与天擎一同在国省业务化运行, 实现了长期稳定运行, 为MICAPS4、SWAN2.0、实况分析系统等用户提供高效稳定的地面自动气象站数据。
针对观测密度和频次日益增加的海量地面自动气象站数据, 在气象大数据云平台(天擎)中设计了基于Storm的实时流式处理, 利用大规模并行处理的优势提高地面自动气象站数据的处理时效。在流式处理中, 设计处理拓扑直接解码标准格式的数据消息;消息确认采用手工确认的方式, 将数据解码组件锚定数据接入组件, 实现每条数据的可靠处理;数据解码时进行字节校验和时间检查等, 过滤异常数据;应用批量加定时的发送策略, 解决海量监控信息发送气象综合业务实时监控系统(天镜)的问题;集群部署时保留部分剩余资源, 有效应对单节点异常。应用效果表明:国家气象站小时数据的服务时效由全国综合气象信息共享系统(CIMISS)的175 s提高至天擎的78 s, 约6×104个区域气象站小时数据的服务时效由CIMISS的5 min提高至天警的2 min, 实况分析系统将数据源切换至天擎后, 相同时间检索可获取的站点数量较CIMISS增加1倍。2021年12月基于Storm的流式处理与天擎一同在国省业务化运行, 实现了长期稳定运行, 为MICAPS4、SWAN2.0、实况分析系统等用户提供高效稳定的地面自动气象站数据。
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