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中国气象局当期目次
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摘要
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2024, 35(6): 641-653.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240601
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摘要:
针对人工智能气象大模型的500 hPa位势高度、2 m气温、10 m风速、降水以及热带气旋路径等, 从定性和定量两个角度进行评估。结果表明:从定性角度出发, FuXi、Pangu和GraphCast 3个大模型均会响应热带异常加热, 其中Pangu与GraphCast响应强度接近, FuXi响应较弱。从定量角度出发, FuXi整体展现出更高的预报能力, 其最大可用预报日数超过9.75 d, Pangu和GraphCast分别为8.75 d和8.5 d。在2 m气温预报中, FuXi的时间异常相关系数为0.48~0.91, Pangu和GraphCast分别为0.43~0.91和0.38~0.83。此外, 采用TS(threat score)评分对FuXi和GraphCast降水预报进行评估, FuXi在晴雨、小雨和中雨预报中更具优势, 其预报技巧分别为0.22~0.41、0.15~0.24和0.06~0.22, GraphCast在大雨预报中展现更强能力。针对2019年7月29日华北暴雨和2020年8月16—17日乐山暴雨两次极端降水个例进行分析, FuXi和GraphCast均可提前8 d预报降水的空间分布, 但在降水量级预报中存在偏差, 随着预报时效减小, 偏差也逐渐减小。在热带气旋路径预报中, Pangu展现更高精度。
针对人工智能气象大模型的500 hPa位势高度、2 m气温、10 m风速、降水以及热带气旋路径等, 从定性和定量两个角度进行评估。结果表明:从定性角度出发, FuXi、Pangu和GraphCast 3个大模型均会响应热带异常加热, 其中Pangu与GraphCast响应强度接近, FuXi响应较弱。从定量角度出发, FuXi整体展现出更高的预报能力, 其最大可用预报日数超过9.75 d, Pangu和GraphCast分别为8.75 d和8.5 d。在2 m气温预报中, FuXi的时间异常相关系数为0.48~0.91, Pangu和GraphCast分别为0.43~0.91和0.38~0.83。此外, 采用TS(threat score)评分对FuXi和GraphCast降水预报进行评估, FuXi在晴雨、小雨和中雨预报中更具优势, 其预报技巧分别为0.22~0.41、0.15~0.24和0.06~0.22, GraphCast在大雨预报中展现更强能力。针对2019年7月29日华北暴雨和2020年8月16—17日乐山暴雨两次极端降水个例进行分析, FuXi和GraphCast均可提前8 d预报降水的空间分布, 但在降水量级预报中存在偏差, 随着预报时效减小, 偏差也逐渐减小。在热带气旋路径预报中, Pangu展现更高精度。
2024, 35(6): 654-666.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240602
摘要:
边界层辐合线是触发对流的中尺度天气系统之一, 边界层辐合线的精细化识别对于揭示其形成、演变及与其他系统相互作用机制至关重要。目前自动识别技术在适应边界层辐合线多样性(如尺度、强度和形状)方面存在局限。旋转区域卷积神经网络(R2CNN)可提高识别准确性、鲁棒性和泛化能力。综合考虑天气雷达型号和分辨率的多样性, 针对性构建识别数据集用于模型训练, 调整相应参数得到识别模型, 并利用交并比和置信度评估检验识别效果。结果表明:基于R2CNN的边界层辐合线识别算法在使用较低交并比阈值时命中率更高且空报率更低, 当置信度为0.7时, TS(threat score)评分最高。与现有的阵风锋识别算法(Machine Intelligence Gust Front Algorithm, MIGFA)效果相比, R2CNN在减少误报、提升命中率及平衡识别频率等关键性能方面优势显著, 适用于业务应用与推广。
边界层辐合线是触发对流的中尺度天气系统之一, 边界层辐合线的精细化识别对于揭示其形成、演变及与其他系统相互作用机制至关重要。目前自动识别技术在适应边界层辐合线多样性(如尺度、强度和形状)方面存在局限。旋转区域卷积神经网络(R2CNN)可提高识别准确性、鲁棒性和泛化能力。综合考虑天气雷达型号和分辨率的多样性, 针对性构建识别数据集用于模型训练, 调整相应参数得到识别模型, 并利用交并比和置信度评估检验识别效果。结果表明:基于R2CNN的边界层辐合线识别算法在使用较低交并比阈值时命中率更高且空报率更低, 当置信度为0.7时, TS(threat score)评分最高。与现有的阵风锋识别算法(Machine Intelligence Gust Front Algorithm, MIGFA)效果相比, R2CNN在减少误报、提升命中率及平衡识别频率等关键性能方面优势显著, 适用于业务应用与推广。
2024, 35(6): 667-679.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240603
摘要:
本文采用PhyDNet-ATT深度学习方法建立江苏省能见度预报模型PhyDNet-ATT-VIS, 该模型融合了高时空分辨率地面观测数据和模式产品, 实现了空间分辨率为3 km、时间分辨率为1 h、预报时效为6~18 h的能见度预报, 并且对模型结果进行了检验评估。与ECMWF能见度产品相比, PhyDNet-ATT-VIS预报的均方根误差和平均绝对偏差分别降低201%和310%;对于不同能见度等级, 命中率显著提高, 空报率显著降低, TS评分显示预报技巧优势明显, 但15~18 h低能见度预报仍存在很大提升空间。PhyDNet-ATT-VIS在观测站点密集区域的预报误差显著低于观测站点稀疏区域。在区域性雾过程和局地雾过程预报方面, PhyDNet-ATT-VIS均能较准确地预报雾的落区、强度、生消等关键特征参数。研究为能见度短时临近预报技巧的提升提供了新思路。
本文采用PhyDNet-ATT深度学习方法建立江苏省能见度预报模型PhyDNet-ATT-VIS, 该模型融合了高时空分辨率地面观测数据和模式产品, 实现了空间分辨率为3 km、时间分辨率为1 h、预报时效为6~18 h的能见度预报, 并且对模型结果进行了检验评估。与ECMWF能见度产品相比, PhyDNet-ATT-VIS预报的均方根误差和平均绝对偏差分别降低201%和310%;对于不同能见度等级, 命中率显著提高, 空报率显著降低, TS评分显示预报技巧优势明显, 但15~18 h低能见度预报仍存在很大提升空间。PhyDNet-ATT-VIS在观测站点密集区域的预报误差显著低于观测站点稀疏区域。在区域性雾过程和局地雾过程预报方面, PhyDNet-ATT-VIS均能较准确地预报雾的落区、强度、生消等关键特征参数。研究为能见度短时临近预报技巧的提升提供了新思路。
2024, 35(6): 680-691.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240604
摘要:
高时空分辨率自动气象站降水观测作为重要数据来源, 已被广泛应用于强对流天气监测、模式评估、预报复盘等研究工作。仪器故障、特殊天气条件下观测设备的局限性等因素是自动气象站降水数据不确定性的主要来源, 这些问题在无人值守气象站尤为突出。该研究基于2021—2023年中国自动气象站实时观测降水量数据、高时空分辨率雷达数据和高灵敏性降水类天气现象数据, 发展适应于中国自动气象站小时降水数据的多源数据协同质量控制方法(multi-source data collaborative quality control, MDC)。通过综合定量指标与典型个例分析, 对MDC的应用效果进行全面评估。结果显示:MDC判识正确率为99.92%, 错误数据命中率较现行业务提升39.3%。基于多源降水观测数据时空一致性, MDC显著提升了晴空降水、融雪性降水和虚假零值降水等异常数据的甄别能力, 有效弥补了传统方法的不足。
高时空分辨率自动气象站降水观测作为重要数据来源, 已被广泛应用于强对流天气监测、模式评估、预报复盘等研究工作。仪器故障、特殊天气条件下观测设备的局限性等因素是自动气象站降水数据不确定性的主要来源, 这些问题在无人值守气象站尤为突出。该研究基于2021—2023年中国自动气象站实时观测降水量数据、高时空分辨率雷达数据和高灵敏性降水类天气现象数据, 发展适应于中国自动气象站小时降水数据的多源数据协同质量控制方法(multi-source data collaborative quality control, MDC)。通过综合定量指标与典型个例分析, 对MDC的应用效果进行全面评估。结果显示:MDC判识正确率为99.92%, 错误数据命中率较现行业务提升39.3%。基于多源降水观测数据时空一致性, MDC显著提升了晴空降水、融雪性降水和虚假零值降水等异常数据的甄别能力, 有效弥补了传统方法的不足。
2024, 35(6): 692-703.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240605
摘要:
建筑物斜坡角度(顶角)对上行先导的始发具有重要影响。该文基于已建立的三维变网格先导模型, 模拟斜坡型高建筑物雷击过程, 讨论斜坡角度在不同建筑物高度和雷电流峰值下, 对稳定上行先导始发的影响程度和规律。研究表明:当雷电流峰值相同时, 建筑物高度越小宽度越宽, 斜坡角度对稳定上行先导起始的影响越大, 先导始发越困难。当建筑物高度相同时, 雷电流峰值越小, 斜坡角度对稳定上行先导起始的影响越大。斜坡角度对稳定上行先导起始的影响会随着建筑物高度和雷电流峰值的增加而减小。通过将斜坡角度对稳定上行先导起始的影响作为因变量, 斜坡角度、建筑物高度以及雷电流峰值作为自变量进行多元线性回归分析, 得到对上行先导的影响程度:雷电流峰值最大, 斜坡角度次之, 建筑物高度最小。在常见的建筑物高度(100 m以下)和雷电流峰值(小于40 kA)下, 斜坡角度对稳定上行先导起始的影响不可忽略(大于23.32%), 但在建筑物高度较高(500 m以上)且雷电流峰值较大(大于100 kA)情况下, 斜坡角度对稳定上行先导起始的影响相对较小(小于15.88%)。
建筑物斜坡角度(顶角)对上行先导的始发具有重要影响。该文基于已建立的三维变网格先导模型, 模拟斜坡型高建筑物雷击过程, 讨论斜坡角度在不同建筑物高度和雷电流峰值下, 对稳定上行先导始发的影响程度和规律。研究表明:当雷电流峰值相同时, 建筑物高度越小宽度越宽, 斜坡角度对稳定上行先导起始的影响越大, 先导始发越困难。当建筑物高度相同时, 雷电流峰值越小, 斜坡角度对稳定上行先导起始的影响越大。斜坡角度对稳定上行先导起始的影响会随着建筑物高度和雷电流峰值的增加而减小。通过将斜坡角度对稳定上行先导起始的影响作为因变量, 斜坡角度、建筑物高度以及雷电流峰值作为自变量进行多元线性回归分析, 得到对上行先导的影响程度:雷电流峰值最大, 斜坡角度次之, 建筑物高度最小。在常见的建筑物高度(100 m以下)和雷电流峰值(小于40 kA)下, 斜坡角度对稳定上行先导起始的影响不可忽略(大于23.32%), 但在建筑物高度较高(500 m以上)且雷电流峰值较大(大于100 kA)情况下, 斜坡角度对稳定上行先导起始的影响相对较小(小于15.88%)。
2024, 35(6): 704-714.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240606
摘要:
暖云催化剂在人工影响天气暖云催化降水和暖性云雾消除方面应用前景广阔, 近年开发的各类新型材料有望在暖云催化中使用, 但目前仍缺少效果理想的制剂配方, 亟需在相同试验条件下对比各类吸湿性催化剂的性能。2023年5月在中国气象局云降水物理与人工影响天气重点开放实验室开展催化剂雾室及静态检测试验, 评估9种典型粉末型吸湿性催化剂的消雾能力及吸湿特性。结果表明:无机盐类催化剂消雾所需时间最短, 多孔复合材料催化剂效果也较好, 而改性淀粉、分子筛、有机膨润土及钠基膨润土消雾效果不明显。在常温常湿环境下, CaCl2的静态吸湿能力最强, 其次是多孔复合材料, 复合盐的吸湿性也较强, 其他催化剂吸湿性不明显;在高湿环境下, 膨润土类催化剂及分子筛吸湿性仍不佳, NaCl、多孔复合材料的吸湿能力明显高于其他催化剂。各种催化剂在雾室与静态检测试验的性能基本一致。
暖云催化剂在人工影响天气暖云催化降水和暖性云雾消除方面应用前景广阔, 近年开发的各类新型材料有望在暖云催化中使用, 但目前仍缺少效果理想的制剂配方, 亟需在相同试验条件下对比各类吸湿性催化剂的性能。2023年5月在中国气象局云降水物理与人工影响天气重点开放实验室开展催化剂雾室及静态检测试验, 评估9种典型粉末型吸湿性催化剂的消雾能力及吸湿特性。结果表明:无机盐类催化剂消雾所需时间最短, 多孔复合材料催化剂效果也较好, 而改性淀粉、分子筛、有机膨润土及钠基膨润土消雾效果不明显。在常温常湿环境下, CaCl2的静态吸湿能力最强, 其次是多孔复合材料, 复合盐的吸湿性也较强, 其他催化剂吸湿性不明显;在高湿环境下, 膨润土类催化剂及分子筛吸湿性仍不佳, NaCl、多孔复合材料的吸湿能力明显高于其他催化剂。各种催化剂在雾室与静态检测试验的性能基本一致。
2024, 35(6): 715-724.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240607
摘要:
在强紫外线辐射和高臭氧(O3)背景值下, 人为排放源集中的青藏高原城市地区大气O3质量浓度长期变化及其潜在环境影响备受关注。该研究收集2015—2023年西藏7个城市的O3质量浓度数据, 分析其变化趋势, 并借助13个O3风险评价指标评估O3对当地居民健康和生态植被的潜在威胁。结果表明:O3质量浓度在拉萨明显高于南部的山南和日喀则, 与北部的那曲相当, 高于西部的阿里以及东部的林芝和昌都。昌都O3峰值出现在6月, 林芝O3峰值出现在3—4月, 其他城市则出现在5月。阿里、那曲、拉萨和林芝的O3质量浓度呈年际波动, 山南、日喀则和昌都的O3质量浓度呈显著上升趋势。健康与生态O3风险指标与日间O3质量浓度紧密相关。相比西藏其他城市, 拉萨的O3暴露带来的影响尤为突出, 部分风险指标已突破安全阈值。在高O3背景值基础上, 由于人为排放的不断增加, 西藏城市须采取有效的O3预防和控制措施, 以长期维护青藏高原城市地区大气环境质量。
在强紫外线辐射和高臭氧(O3)背景值下, 人为排放源集中的青藏高原城市地区大气O3质量浓度长期变化及其潜在环境影响备受关注。该研究收集2015—2023年西藏7个城市的O3质量浓度数据, 分析其变化趋势, 并借助13个O3风险评价指标评估O3对当地居民健康和生态植被的潜在威胁。结果表明:O3质量浓度在拉萨明显高于南部的山南和日喀则, 与北部的那曲相当, 高于西部的阿里以及东部的林芝和昌都。昌都O3峰值出现在6月, 林芝O3峰值出现在3—4月, 其他城市则出现在5月。阿里、那曲、拉萨和林芝的O3质量浓度呈年际波动, 山南、日喀则和昌都的O3质量浓度呈显著上升趋势。健康与生态O3风险指标与日间O3质量浓度紧密相关。相比西藏其他城市, 拉萨的O3暴露带来的影响尤为突出, 部分风险指标已突破安全阈值。在高O3背景值基础上, 由于人为排放的不断增加, 西藏城市须采取有效的O3预防和控制措施, 以长期维护青藏高原城市地区大气环境质量。
2024, 35(6): 725-736.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240608
摘要:
基于2003—2022年ERA5(ECMWF reanalysis v5)再分析数据、AIRS(atmospheric infrared sounder)卫星数据和中国生态环保部的地面臭氧等数据, 采用合成分析和相关分析方法发现夏季青藏高原地区对流层臭氧柱总量年际变化特征明显, 并以每年约0.08 DU的速度增加。青藏高原地区对流层臭氧柱总量高低年份差异不仅与对流层高低层臭氧垂直分布直接相关, 更与高低层动力和化学过程有关。分析发现:当青藏高原地区对流层臭氧柱总量偏高时, 青藏高原北侧对流层顶偏低, 副热带西风急流偏弱且存在断裂, 较弱的传输屏障使平流层对流层交换增强, 有利于平流层高浓度臭氧空气下传。对流层低层的垂直环流通过向上传输低浓度臭氧空气影响整个对流层臭氧浓度。此外, 青藏高原西南部对流层整层的臭氧浓度偏低还与南亚高压异常有关, 青藏高原腹地对流层臭氧柱总量偏高可能与地面污染物排放、地面太阳净辐射量异常偏高有关。
基于2003—2022年ERA5(ECMWF reanalysis v5)再分析数据、AIRS(atmospheric infrared sounder)卫星数据和中国生态环保部的地面臭氧等数据, 采用合成分析和相关分析方法发现夏季青藏高原地区对流层臭氧柱总量年际变化特征明显, 并以每年约0.08 DU的速度增加。青藏高原地区对流层臭氧柱总量高低年份差异不仅与对流层高低层臭氧垂直分布直接相关, 更与高低层动力和化学过程有关。分析发现:当青藏高原地区对流层臭氧柱总量偏高时, 青藏高原北侧对流层顶偏低, 副热带西风急流偏弱且存在断裂, 较弱的传输屏障使平流层对流层交换增强, 有利于平流层高浓度臭氧空气下传。对流层低层的垂直环流通过向上传输低浓度臭氧空气影响整个对流层臭氧浓度。此外, 青藏高原西南部对流层整层的臭氧浓度偏低还与南亚高压异常有关, 青藏高原腹地对流层臭氧柱总量偏高可能与地面污染物排放、地面太阳净辐射量异常偏高有关。
2024, 35(6): 737-746.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240609
摘要:
分析2020年1月哈尔滨重污染事件期间PM2.5的化学组成和影响因素, 采用后向轨迹聚类和权重潜在源贡献因子法定量评估区域传输对PM2.5的贡献, 讨论该重污染事件的形成机制。结果表明: PM2.5重污染事件主要来源于一次排放, 其中生物质燃烧的贡献显著, 而极低气温(-18.0 ℃)和高相对湿度(80.0%)条件可显著促进二次气溶胶的生成。基于气团后向轨迹以及权重潜在源贡献因子研究发现, 绥化、大庆、长春和松原等周边城市的区域传输对哈尔滨空气质量的影响也不可忽视。
分析2020年1月哈尔滨重污染事件期间PM2.5的化学组成和影响因素, 采用后向轨迹聚类和权重潜在源贡献因子法定量评估区域传输对PM2.5的贡献, 讨论该重污染事件的形成机制。结果表明: PM2.5重污染事件主要来源于一次排放, 其中生物质燃烧的贡献显著, 而极低气温(-18.0 ℃)和高相对湿度(80.0%)条件可显著促进二次气溶胶的生成。基于气团后向轨迹以及权重潜在源贡献因子研究发现, 绥化、大庆、长春和松原等周边城市的区域传输对哈尔滨空气质量的影响也不可忽视。
2024, 35(6): 747-758.
DOI: 10.11898/1001-7313.20240610
摘要:
利用2018—2023年在山东省临沂、济南和济宁开展的日光温室试验测定数据, 基于环境因素与番茄的不同生长指标, 分别以辐热积、有效积温和适宜度指数为自变量, 以番茄不同生长指标为因变量构建Logistic生长模型, 并利用独立数据对模型进行验证, 比较3种模型对番茄不同生长指标模拟的准确性和优缺点, 得到番茄不同发育期的最优模型。结果表明:温室番茄开花期对光照不敏感, 此时选择积温法建立Logistic模型, 对开花数的模拟程度最优;影响番茄坐果数的主要气象因子为光照、温度和湿度, 适宜度法建立的Logistic模型精确度最高;番茄果茎生长主要与光合有效辐射和温度有关, 辐热积法建立的Logistic模型精确度最高。
利用2018—2023年在山东省临沂、济南和济宁开展的日光温室试验测定数据, 基于环境因素与番茄的不同生长指标, 分别以辐热积、有效积温和适宜度指数为自变量, 以番茄不同生长指标为因变量构建Logistic生长模型, 并利用独立数据对模型进行验证, 比较3种模型对番茄不同生长指标模拟的准确性和优缺点, 得到番茄不同发育期的最优模型。结果表明:温室番茄开花期对光照不敏感, 此时选择积温法建立Logistic模型, 对开花数的模拟程度最优;影响番茄坐果数的主要气象因子为光照、温度和湿度, 适宜度法建立的Logistic模型精确度最高;番茄果茎生长主要与光合有效辐射和温度有关, 辐热积法建立的Logistic模型精确度最高。
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