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中国气象局2024年 第35卷 第4期
摘要
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2024, 35(4): 385-399.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240401
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摘要:
2024年1月31日—2月7日(过程Ⅰ)和2月19—25日(过程Ⅱ)我国中东部地区先后出现两次大范围、持续性的雨雪冰冻天气过程,利用地面观测、再分析资料、双偏振雷达、雨滴谱等分析两次过程的雨雪冰冻实况、微物理特征、环流形势和层结特征,并对比二者异同。结果表明:两次过程的影响区域、持续时间和总降水量接近,但过程Ⅰ积冰更厚、积雪更深,过程Ⅱ影响范围更广、降雪量更大。过程Ⅰ降水粒子从上到下呈3层结构特征,即冰晶层-融化层-液态层,过程Ⅱ呈4层结构特征,即冰晶层-融化层-液态层-再冻结层,导致过程Ⅰ冻雨更明显、积冰更厚,过程Ⅱ冰粒更多、积雪深度较浅、积冰厚度较薄。环流形势和层结特征显示两次过程均为西伯利亚高压和南支系统的协同作用,但过程Ⅱ低层急流强度和地面西伯利亚高压更强,导致过程Ⅱ中层暖层和低层冷层的强度均强于过程Ⅰ,而冷层更强是过程Ⅱ冰粒更明显的直接原因。
2024年1月31日—2月7日(过程Ⅰ)和2月19—25日(过程Ⅱ)我国中东部地区先后出现两次大范围、持续性的雨雪冰冻天气过程,利用地面观测、再分析资料、双偏振雷达、雨滴谱等分析两次过程的雨雪冰冻实况、微物理特征、环流形势和层结特征,并对比二者异同。结果表明:两次过程的影响区域、持续时间和总降水量接近,但过程Ⅰ积冰更厚、积雪更深,过程Ⅱ影响范围更广、降雪量更大。过程Ⅰ降水粒子从上到下呈3层结构特征,即冰晶层-融化层-液态层,过程Ⅱ呈4层结构特征,即冰晶层-融化层-液态层-再冻结层,导致过程Ⅰ冻雨更明显、积冰更厚,过程Ⅱ冰粒更多、积雪深度较浅、积冰厚度较薄。环流形势和层结特征显示两次过程均为西伯利亚高压和南支系统的协同作用,但过程Ⅱ低层急流强度和地面西伯利亚高压更强,导致过程Ⅱ中层暖层和低层冷层的强度均强于过程Ⅰ,而冷层更强是过程Ⅱ冰粒更明显的直接原因。
2024, 35(4): 400-413.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240402
摘要:
沙尘暴是影响我国重要的灾害性天气之一,针对中国气象局亚洲沙尘暴数值预报系统CMA-CUACE/Dust(China Meteorological Administration Unified Atmospheric Environment for Dust)的沙尘质量浓度在中亚高估、蒙古北部低估、在我国消散过快以及极端沙尘暴预报峰值偏低等问题,应用与模式格距匹配的尺度适应性起沙机制并更新风蚀资料库对模式进行改进。对2021年3月13—17日东亚最强沙尘暴个例和2023年3—5月与业务运行环境一致的连续预报试验表明,改进后的模式(CMA-CUACE/Dust V1.5)有效改善了上述不足,极端沙尘暴过程传输至我国后的沙尘质量浓度峰值与观测接近。连续预报试验TS(threat score)评分显示:CMA-CUACE/Dust V1.5预报一致性和连续性较好,1~5 d不同时效预报TS评分明显高于改进前和韩国模式ADAM(the Asian Dust Aerosol Model),漏报率明显降低,对2023年5次沙尘过程的4次预报TS评分高于0.3,部分过程超过0.5。
沙尘暴是影响我国重要的灾害性天气之一,针对中国气象局亚洲沙尘暴数值预报系统CMA-CUACE/Dust(China Meteorological Administration Unified Atmospheric Environment for Dust)的沙尘质量浓度在中亚高估、蒙古北部低估、在我国消散过快以及极端沙尘暴预报峰值偏低等问题,应用与模式格距匹配的尺度适应性起沙机制并更新风蚀资料库对模式进行改进。对2021年3月13—17日东亚最强沙尘暴个例和2023年3—5月与业务运行环境一致的连续预报试验表明,改进后的模式(CMA-CUACE/Dust V1.5)有效改善了上述不足,极端沙尘暴过程传输至我国后的沙尘质量浓度峰值与观测接近。连续预报试验TS(threat score)评分显示:CMA-CUACE/Dust V1.5预报一致性和连续性较好,1~5 d不同时效预报TS评分明显高于改进前和韩国模式ADAM(the Asian Dust Aerosol Model),漏报率明显降低,对2023年5次沙尘过程的4次预报TS评分高于0.3,部分过程超过0.5。
2024, 35(4): 414-428.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240403
摘要:
在背景误差水平相关模型中引入地形作用,研究复杂地形下近地面观测资料同化对分析和预报的影响。CMA-MESO三维变分系统中背景误差水平相关关系采用高斯相关模型描述,观测信息在高度追随坐标的模式面上各向同性传播。然而在地形复杂的近地面层,观测信息传播受到山脉阻挡,因而其背景误差协方差非均匀且各向异性,观测信息传播应随地形高度变化。为此,采用美国国家气象中心NMC方法统计复杂地形下背景误差水平相关结构,构建包含地形高度和地形梯度影响的高斯相关模型,并将改进的水平相关模型应用于CMA-MESO三维变分分析。理想试验表明:考虑地形项的水平相关模型方案使观测信息以随地形高度变化的各向异性形式传播,越过大地形观测信息影响明显减弱,分析增量更加合理。我国北方一次强降水过程分析预报试验表明:随地形高度变化的水平相关模型方案使地面观测信息各向异性传播,削弱了大地形处近地面的分析增量,对降水预报略有正贡献。针对华东地区降水过程进行5 d逐小时快速更新分析预报循环试验结果表明,随地形变化的水平相关模型方案对10 m风场和24 h时效内降水预报有正贡献。
在背景误差水平相关模型中引入地形作用,研究复杂地形下近地面观测资料同化对分析和预报的影响。CMA-MESO三维变分系统中背景误差水平相关关系采用高斯相关模型描述,观测信息在高度追随坐标的模式面上各向同性传播。然而在地形复杂的近地面层,观测信息传播受到山脉阻挡,因而其背景误差协方差非均匀且各向异性,观测信息传播应随地形高度变化。为此,采用美国国家气象中心NMC方法统计复杂地形下背景误差水平相关结构,构建包含地形高度和地形梯度影响的高斯相关模型,并将改进的水平相关模型应用于CMA-MESO三维变分分析。理想试验表明:考虑地形项的水平相关模型方案使观测信息以随地形高度变化的各向异性形式传播,越过大地形观测信息影响明显减弱,分析增量更加合理。我国北方一次强降水过程分析预报试验表明:随地形高度变化的水平相关模型方案使地面观测信息各向异性传播,削弱了大地形处近地面的分析增量,对降水预报略有正贡献。针对华东地区降水过程进行5 d逐小时快速更新分析预报循环试验结果表明,随地形变化的水平相关模型方案对10 m风场和24 h时效内降水预报有正贡献。
2024, 35(4): 429-443.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240404
摘要:
利用FY-4A资料, 识别北京地区3次对流下山加强过程(2021年7月1日、2022年6月12日和2022年8月4日)的中尺度对流系统(mesoscale convective system, MCS), 结合京津冀自动气象站降水资料、中国气象局北京快速更新循环数值预报系统(CMA-BJ)产品分析MCS云特征以指示MCS的形成、成熟阶段和演变特征。结果表明:形成阶段MCS面积增长缓慢, 红外亮温梯度大, 亮温值快速下降, 最低值小于-65 ℃;成熟阶段MCS面积迅速增大, 面积最大时地面短时强降水站数最多, 但变温区面积、降温幅度和亮温梯度均小于形成阶段。水汽与红外亮温差(简称亮温差)可表示对流云发展强度, 亮温差随时间变化呈缓慢波动增长-快速增长-稳定维持的特征, 指示MCS不同发展阶段。MCS形成阶段后期, 云顶高度升高, 红外亮温和水汽亮温下降, 亮温差接近于0 ℃;MCS成熟阶段, 云顶高度、红外亮温和水汽亮温均达到极值, 高空出流明显, 云团面积增至最大。以上特征可揭示北京地区对流下山过程中MCS的发展阶段, 为判断MCS强度变化和地面强降雨、大风落区提供参考。
利用FY-4A资料, 识别北京地区3次对流下山加强过程(2021年7月1日、2022年6月12日和2022年8月4日)的中尺度对流系统(mesoscale convective system, MCS), 结合京津冀自动气象站降水资料、中国气象局北京快速更新循环数值预报系统(CMA-BJ)产品分析MCS云特征以指示MCS的形成、成熟阶段和演变特征。结果表明:形成阶段MCS面积增长缓慢, 红外亮温梯度大, 亮温值快速下降, 最低值小于-65 ℃;成熟阶段MCS面积迅速增大, 面积最大时地面短时强降水站数最多, 但变温区面积、降温幅度和亮温梯度均小于形成阶段。水汽与红外亮温差(简称亮温差)可表示对流云发展强度, 亮温差随时间变化呈缓慢波动增长-快速增长-稳定维持的特征, 指示MCS不同发展阶段。MCS形成阶段后期, 云顶高度升高, 红外亮温和水汽亮温下降, 亮温差接近于0 ℃;MCS成熟阶段, 云顶高度、红外亮温和水汽亮温均达到极值, 高空出流明显, 云团面积增至最大。以上特征可揭示北京地区对流下山过程中MCS的发展阶段, 为判断MCS强度变化和地面强降雨、大风落区提供参考。
2024, 35(4): 444-455.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240405
摘要:
从作物气候适宜性评价出发, 考虑坡度、土壤厚度等土地因素影响, 利用全国油茶种植点地理信息、土地数据以及1986—2023年2426个国家气象观测站观测数据, 采用最大熵模型和ArcGIS技术, 重点开展油茶种植精细化农业气候区划和省级区域扩种潜力评估。结果表明:我国油茶种植分布的主导气候因子是1月平均气温、大于等于10 ℃活动积温、日最低气温小于等于-10 ℃连续日数和年降水量;考虑气候-土地共同作用较未考虑土地影响的气候适宜区划缩减了2/3, 其适宜种植地区为长江及以南地带, 尤其是四川盆地—秦岭—淮河以南及云贵高原以东至沿海地区, 面积达7.319×107 hm2, 远高于当前种植面积(4.723×106 hm2), 具有较大的扩种潜力。基于此, 在规划油茶种植布局时, 除考虑湖南、江西、广西、湖北等主要种植区外, 应考虑云南、四川、广东、重庆等扩种潜力较大的省份, 适当提高其种植面积。
从作物气候适宜性评价出发, 考虑坡度、土壤厚度等土地因素影响, 利用全国油茶种植点地理信息、土地数据以及1986—2023年2426个国家气象观测站观测数据, 采用最大熵模型和ArcGIS技术, 重点开展油茶种植精细化农业气候区划和省级区域扩种潜力评估。结果表明:我国油茶种植分布的主导气候因子是1月平均气温、大于等于10 ℃活动积温、日最低气温小于等于-10 ℃连续日数和年降水量;考虑气候-土地共同作用较未考虑土地影响的气候适宜区划缩减了2/3, 其适宜种植地区为长江及以南地带, 尤其是四川盆地—秦岭—淮河以南及云贵高原以东至沿海地区, 面积达7.319×107 hm2, 远高于当前种植面积(4.723×106 hm2), 具有较大的扩种潜力。基于此, 在规划油茶种植布局时, 除考虑湖南、江西、广西、湖北等主要种植区外, 应考虑云南、四川、广东、重庆等扩种潜力较大的省份, 适当提高其种植面积。
2024, 35(4): 456-466.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240406
摘要:
利用2019—2023年罗霄山脉中段和雪峰山西侧221~1300 m海拔高度间的黄桃品质观测数据, 采用加权求和、相关系数、回归分析、多重共线性分析等方法, 构建黄桃气候品质评价指标及主要品质要素气象因子回归模型, 并进行独立样本检验, 基于模型分析不同海拔高度和采收日期条件下黄桃气候品质等级的时空变化特征。结果表明:黄桃品质要素可溶性固形物含量、可滴定酸含量、果形指数对应主要气象影响因子分别为采收前80 d平均气温、采收前40 d总降水量、5月上旬至6月上旬平均气温及总降水量与采收前10 d平均气温及总降水量, 对应气象因子模型的验证样本平均绝对偏差分别为0.397%、0.093%、0.010, 均方根误差分别为0.072%、0.014%、0.001, 相关系数分别为0.649(p=0.05)、0.718(p=0.01)、0.957(p=0.01), 品质评价等级验证完全一致的模型准确率为75%。由模型得到黄桃品质等级为特优及优的总频率随海拔升高、采收日期推移均呈先升后降的趋势, 其中600~820 m海拔地区与7月底至8月上旬采收的特优品质频率最高。
利用2019—2023年罗霄山脉中段和雪峰山西侧221~1300 m海拔高度间的黄桃品质观测数据, 采用加权求和、相关系数、回归分析、多重共线性分析等方法, 构建黄桃气候品质评价指标及主要品质要素气象因子回归模型, 并进行独立样本检验, 基于模型分析不同海拔高度和采收日期条件下黄桃气候品质等级的时空变化特征。结果表明:黄桃品质要素可溶性固形物含量、可滴定酸含量、果形指数对应主要气象影响因子分别为采收前80 d平均气温、采收前40 d总降水量、5月上旬至6月上旬平均气温及总降水量与采收前10 d平均气温及总降水量, 对应气象因子模型的验证样本平均绝对偏差分别为0.397%、0.093%、0.010, 均方根误差分别为0.072%、0.014%、0.001, 相关系数分别为0.649(p=0.05)、0.718(p=0.01)、0.957(p=0.01), 品质评价等级验证完全一致的模型准确率为75%。由模型得到黄桃品质等级为特优及优的总频率随海拔升高、采收日期推移均呈先升后降的趋势, 其中600~820 m海拔地区与7月底至8月上旬采收的特优品质频率最高。
2024, 35(4): 467-479.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240407
摘要:
基于河北固城农业气象国家野外科学观测研究站2019—2020年、2021—2022年冬小麦-夏玉米轮作田沟金针虫在土壤中分层调查数据, 引入虫口重量指标, 结合虫口密度指标, 揭示沟金针虫在冬小麦-夏玉米轮作田为害-休眠动态变化, 讨论沟金针虫在土壤中垂直活动特征、气象条件与其相关性以及对冬小麦产量影响。结果表明: 沟金针虫在冬小麦-夏玉米轮作田存在3个为害期和3个休眠期, 且交替出现。3个为害期出现在冬小麦返青-拔节期、夏玉米幼苗期、冬小麦秋苗期, 3个休眠期出现在冬小麦越冬期、冬小麦成熟-收获期、夏玉米灌浆-成熟期, 3个为害期中以冬小麦返青-拔节期最为严重。冬季偏暖及春季回暖早, 沟金针虫表现出晚下早上特征, 使得沟金针虫冬季休眠期缩短而为害活动期延长; 土壤温度、湿度以及食源关系共同影响沟金针虫为害、休眠以及取食活动, 其为害适宜土壤重量含水率约为15%~18%, 适宜土壤温度为14~18 ℃。分析沟金针虫为害与冬小麦减产率可知, 虫口密度每增加10 m-2或虫口重量每增加1.0 g·m-2, 可导致减产率增加5.1%。
基于河北固城农业气象国家野外科学观测研究站2019—2020年、2021—2022年冬小麦-夏玉米轮作田沟金针虫在土壤中分层调查数据, 引入虫口重量指标, 结合虫口密度指标, 揭示沟金针虫在冬小麦-夏玉米轮作田为害-休眠动态变化, 讨论沟金针虫在土壤中垂直活动特征、气象条件与其相关性以及对冬小麦产量影响。结果表明: 沟金针虫在冬小麦-夏玉米轮作田存在3个为害期和3个休眠期, 且交替出现。3个为害期出现在冬小麦返青-拔节期、夏玉米幼苗期、冬小麦秋苗期, 3个休眠期出现在冬小麦越冬期、冬小麦成熟-收获期、夏玉米灌浆-成熟期, 3个为害期中以冬小麦返青-拔节期最为严重。冬季偏暖及春季回暖早, 沟金针虫表现出晚下早上特征, 使得沟金针虫冬季休眠期缩短而为害活动期延长; 土壤温度、湿度以及食源关系共同影响沟金针虫为害、休眠以及取食活动, 其为害适宜土壤重量含水率约为15%~18%, 适宜土壤温度为14~18 ℃。分析沟金针虫为害与冬小麦减产率可知, 虫口密度每增加10 m-2或虫口重量每增加1.0 g·m-2, 可导致减产率增加5.1%。
2024, 35(4): 480-492.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240408
摘要:
该文研究5月华南气温变化特征及其成因, 寻找海温前兆信号并探讨其影响气温的可能物理机制, 建立5月华南气温的多元岭回归预测模型。结果表明: 5月华南气温异常偏高(偏低)年表现为乌拉尔山、东亚的异常反气旋(气旋)环流, 以及贝加尔湖附近的异常气旋(反气旋)环流, 使东亚经向环流减弱(加强), 冷空气活动减弱(加强); 同时副热带高压在华南地区异常西伸(东退)和西南风减弱(加强)。海温前兆信号主要为前冬北大西洋三极子型、印度洋全区一致型, 其中北大西洋海温前兆信号的相关性最强。北大西洋海温前兆信号为正(负)位相时, 通过欧亚遥相关波列使经向环流减弱(增强)和冷空气活动减弱(加强), 同时副热带高压在华南一带西伸(东退), 有利于华南地区气温偏高(低)。利用前冬前兆信号所建立的5月气温多元岭回归预测模型, 拟合效果较好并对异常年份有较好的预测能力。
该文研究5月华南气温变化特征及其成因, 寻找海温前兆信号并探讨其影响气温的可能物理机制, 建立5月华南气温的多元岭回归预测模型。结果表明: 5月华南气温异常偏高(偏低)年表现为乌拉尔山、东亚的异常反气旋(气旋)环流, 以及贝加尔湖附近的异常气旋(反气旋)环流, 使东亚经向环流减弱(加强), 冷空气活动减弱(加强); 同时副热带高压在华南地区异常西伸(东退)和西南风减弱(加强)。海温前兆信号主要为前冬北大西洋三极子型、印度洋全区一致型, 其中北大西洋海温前兆信号的相关性最强。北大西洋海温前兆信号为正(负)位相时, 通过欧亚遥相关波列使经向环流减弱(增强)和冷空气活动减弱(加强), 同时副热带高压在华南一带西伸(东退), 有利于华南地区气温偏高(低)。利用前冬前兆信号所建立的5月气温多元岭回归预测模型, 拟合效果较好并对异常年份有较好的预测能力。
2024, 35(4): 493-501.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240409
摘要:
雷电光谱强度因受到大气衰减特性、光栅响应特性以及相机光电响应特性等影响, 导致光谱定量分析中通道温度的反演存在误差。以1次高建筑物雷电回击光谱为例, 考虑相机和光栅的仪器响应对其进行校正, 对比校正前后的光谱结构和谱线强度, 并基于多谱线法利用1次电离的氮离子(NII)和中性氧原子(OI)谱线反演通道温度, 分析光谱校正对通道温度反演的影响。结果显示: 光谱校正后离子和中性原子谱线强度均明显增强, 尤其可见光区域的连续谱强度明显增强, 导致其谱线结构变化显著, 而近红外区域的谱线结构变化不显著。利用校正后可见光区域的NII谱线和近红外区域的OI谱线反演通道温度时, 线性拟合的决定系数均增大, 反演准确度均得到提升。NII和OI谱线反演的通道温度平均值相比校正前分别降低4660 K和上升1540 K, 且由OI谱线反演的通道温度低于由NII谱线反演的温度, 说明它们分别对应雷电放电通道径向的不同区域。
雷电光谱强度因受到大气衰减特性、光栅响应特性以及相机光电响应特性等影响, 导致光谱定量分析中通道温度的反演存在误差。以1次高建筑物雷电回击光谱为例, 考虑相机和光栅的仪器响应对其进行校正, 对比校正前后的光谱结构和谱线强度, 并基于多谱线法利用1次电离的氮离子(NII)和中性氧原子(OI)谱线反演通道温度, 分析光谱校正对通道温度反演的影响。结果显示: 光谱校正后离子和中性原子谱线强度均明显增强, 尤其可见光区域的连续谱强度明显增强, 导致其谱线结构变化显著, 而近红外区域的谱线结构变化不显著。利用校正后可见光区域的NII谱线和近红外区域的OI谱线反演通道温度时, 线性拟合的决定系数均增大, 反演准确度均得到提升。NII和OI谱线反演的通道温度平均值相比校正前分别降低4660 K和上升1540 K, 且由OI谱线反演的通道温度低于由NII谱线反演的温度, 说明它们分别对应雷电放电通道径向的不同区域。
2024, 35(4): 502-512.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240410
摘要:
气象产品加工任务往往由不同算法组合而成, 其状态对数据源具有高依赖性。高效感知数据状态, 并及时合理启动调度, 对提升气象产品加工的时效性至关重要。设计并建设了基于数据感知技术的气象算法调度框架, 对比测试结果分析表明: 在实时分析数据源到报状态的基础上, 数据感知调度实现数据到报即算法启动运行, 任务调度延迟较定时调度显著降低, 由3784 ms降至11 ms。数据感知调度作为气象大数据云平台加工流水线的核心能力, 已在国省部署并实时运行。目前在国家级业务中支撑19种核心业务算法的高效调度, 日调度次数约为6.67×105, 平均调度延迟为31 ms; 在省级业务中支撑14种算法的高效调度, 日调度次数约为8×104, 平均调度延迟为156 ms。此外, 数据感知调度实现了气象业务上下游算法的无缝串联, 可为解决气象业务间的脱节问题、提升气象业务间的协同性提供解决方案。
气象产品加工任务往往由不同算法组合而成, 其状态对数据源具有高依赖性。高效感知数据状态, 并及时合理启动调度, 对提升气象产品加工的时效性至关重要。设计并建设了基于数据感知技术的气象算法调度框架, 对比测试结果分析表明: 在实时分析数据源到报状态的基础上, 数据感知调度实现数据到报即算法启动运行, 任务调度延迟较定时调度显著降低, 由3784 ms降至11 ms。数据感知调度作为气象大数据云平台加工流水线的核心能力, 已在国省部署并实时运行。目前在国家级业务中支撑19种核心业务算法的高效调度, 日调度次数约为6.67×105, 平均调度延迟为31 ms; 在省级业务中支撑14种算法的高效调度, 日调度次数约为8×104, 平均调度延迟为156 ms。此外, 数据感知调度实现了气象业务上下游算法的无缝串联, 可为解决气象业务间的脱节问题、提升气象业务间的协同性提供解决方案。
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