气象科学杂志

气象科学杂志2021年第6期

• 数值模式垂直分辨率对台风大涡模拟的影响

  张威，谈哲敏

  随着计算能力的提升,台风数值模拟大量采用了大涡尺度模拟,其水平分辨率已达到数10 m的量级,而垂直分辨率提升不大,其问题是数值模式的垂直分辨率对台风大涡模拟的影响如何?因此,本文利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式开展理想台风模拟,在不同的模式垂直层次(42,69和90层)情况下,研究并讨论数值模式垂直分辨率对台风大涡模拟的影响。结果表明,42层的垂直分辨率明显不足,而69层和90层的垂直分辨率则都能模拟出细致的台风边界层小尺度结构,龙卷尺度涡旋出现较多。与69层试验相比,90层试验模拟的台风强度要弱、龙卷尺度涡旋数量要少,但模拟的台风强度更稳定,模拟的小尺度涡旋也更精细。

• CWRF对中国近海热带气旋活动季节和年际变化及环境场影响的模拟

  史文茹，陈海山，梁信忠

  利用欧洲中期天气预报中心的ERA-Interim再分析资料驱动CWRF模式对1982-2016年中国近海的热带气旋活动进行了模拟,分析了CWRF对热带气旋频数季节、年际变化和路径的模拟能力,并探讨了环境场模拟对热带气旋模拟的影响。结果表明:CWRF能够合理模拟热带气旋频数的季节和年际变化,但模拟的频数较观测总体偏低,季节变化模拟总体优于年际变化的模拟;模式基本上能模拟出热带气旋路径密度的空间分布,但CWRF明显总体低估了气旋路径密度。进一步分析发现,模式模拟的环境场对模拟结果具有十分重要的影响。850 hPa气旋性与反气旋性环流异常对热带气旋频数影响显著;200 hPa反气旋性环流异常与东亚西风急流对热带气旋路径影响较大;副高会影响洋面对流运动从而影响热带气旋频数,其南侧偏东风则会影响热带气旋路径;垂直风切变偏小,在不同纬度对热带气旋的影响是不同的。

• 西北太平洋多台风事件气候特征及其可能形成机制

  邵国云，孙旭光

  利用1945-2018年美国联合台风警报中心JTWC台风最佳路径资料,定义并系统分析了西北太平洋多台风事件时空分布气候特征和可能形成机制。结果表明:西北太平洋多台风事件(MTYE)主要发生在7-10月,其生成源地关键区位于西北太平洋135°~180°E的12°N附近。相对于单独发生的台风,多台风事件的台风平均强度更强、生命期更长。多台风事件的台风频数占总台风频数的比例以年际变率为主,并有一定的增长趋势。多台风事件强年对应于中东太平洋热带和北半球副热带海温显著增暖,通过Gill型Rossby波响应和Walker环流异常,在西北太平洋产生大气低层相对涡度正异常、中层相对湿度正异常和垂直东风切变异常,为多台风的生成提供了重要的气候背景,季节内多时间尺度瞬变涡旋动能的增强也有重要贡献。

• 中纬度瞬变涡旋活动对东亚夏季平均环流和降水的影响

  林昊雄，房佳蓓，胡海波，杨修群

  首先利用CFSR再分析数据,分析了东亚夏季平均环流结构及瞬变涡旋活动特征,再通过WRF模式设计控制性试验和敏感性试验分别模拟受到/不受到来自北边界中纬度瞬变涡旋活动影响的东亚夏季环流和降水,通过两组试验对比揭示了瞬变涡旋活动对东亚夏季平均环流和降水的贡献。结果表明,中纬度瞬变涡旋活动可以通过系统性的输送动量、热量、水汽和涡度来改变背景场,从而影响夏季平均环流和降水。当中纬度瞬变涡旋活动大幅度减弱时,其产生的向极动量、热量和水汽输送也显著减弱。一方面向北热量和水汽输送的减少使东亚东部大陆上低层的平均温度和水汽增加,为降水提供了环流不稳定条件和水汽条件,另一方面瞬变涡旋的动力输送变化在环流场上形成相当正压结构响应,整个中国东部地区受强西南风控制,东亚夏季风增强并推进到更北的区域。这两个因素的共同作用使我国北部地区和华南地区产生了水汽辐合和对流增强,导致该地区降水的增强。

• 中国东部区域极端降水事件特征——两种方法监测对比

  叶梦茜，余锦华，谢洁宏，叶天

  基于中国区域地面降水格点日值数据集,对比国家气候中心业务暴雨指数和区域极端强度-持续时间综合(Region-Extreme-Intensity-Duration,REID)指数识别区域极端降水事件方法,给出了中国5个区域极端降水事件(Regional Extreme Precipitation, REP)的频数、强度、影响面积以及持续时间统计规律及变化特征,探讨了两种方法识别结果存在的差异。结果表明:(1)两种方法识别持续时间为1~2 d,影响面积为200 000 km2左右的极端降水事件统计、气候特征相近。(2)REID法能客观识别华南和长江流域地区3 d以上的持续性REP,业务法会将其分割为多次降水过程。此外,REID法无日降水阈值,适用于监测日降水量小于50 mm的极端降水事件。再者,REID法可识别较小尺度REP,而业务法因降水主观比例的限制导致对此的监测存在不足。(3)业务法每日确定降水中心,有利于识别降水中心移动较快的极端降水事件。此外,REID法所识别的极端区域一般小于业务法基于50 mm的极端区域。在极端降水监测中,两种方法相互协作,取长补短,可以有效提高区域水灾预警预防能力。

• 我国北方地区夏季极端热应激事件的年际变化特征及影响因子

  张欣馨，徐海明，马静

  基于热应激指数,利用1961-2016年全国1 814个气象站的日平均气温和相对湿度资料以及NCEP/NCAR再分析资料,分析了我国北方地区极端热应激年际变化特征及可能影响因子。结果表明,北方地区极端热应激事件的年际变化在1990年左右发生了年代际转折,1990年之前极端热应激事件频次的年际变化相对较小,其年际变化主要受到欧亚遥相关型、南极涛动和东亚太平洋遥相关型共同影响,而1990年之后极端热应激频次的年际变化显著增强,其变化则主要受东亚太平洋遥相关型的影响。

• 气候系统翻转点的早期预警方法研究

  梅莹，万仕全，谢孝强，顾斌，何文平

  针对气候系统的非线性特征导致预测/预警气候突变困难的问题,本文从气候系统的长程相关性出发,利用零维气候模型和两个折叠模型,研究了在一个动力系统缓慢趋近其临界翻转点的过程中,系统的长程相关是否有某种一般性变化规律。结果显示,3个不同分岔模型在趋近其自身临界翻转点的过程中,表征系统长程相关性的Hurst指数均呈持续增大趋势(显著性水平α=0.05),表明监测和检测气候系统长程相关性的变化可为气候系统翻转点的预警提供有利信息。

• 城市下垫面影响空气污染的机制分析

  羊腾跃，刘红年，王学远，胡非

  本文采用RBLM-chem模式,利用杭州市高分辨率城市建筑等资料,定量分析城市动力效应、热力效应以及城市植被、人为热对SO2、NO2、O3、PM2.5等主要污染物浓度的影响。结果表明,城市化过程使得大部分城区温度上升约1℃,相对湿度下降约6%,风速下降约0.8 m·s-1,湍流动能增强约0.03 m2·s-2。城市动力效应主要通过降低城市风速,使得城区污染物浓度升高,SO2浓度有近5 μg·m-3的上升,PM2.5、O3浓度也有近15 μg·m-3的上升。城市热力效应主要通过热岛环流使城区污染物向上输送,令地面污染物浓度降低,在城市大部分区域PM2.5都有大约10 μg·m-3的浓度下降。城市动力效应大于热力效应,城市的总体作用是使污染物浓度升高。城市下垫面使污染物浓度上升的另外一个机制是代替了自然有植被的下垫面,使污染物干沉降速度下降,但这一作用小于动力学效应。另一方面,人为热对城市主要污染物浓度都起着减小的作用,其中SO2、NO2、O3、PM2.5浓度降幅分别在2.5、3.0、6.0、10.0 μg·m-3左右。城市植被可以显著增加污染物干沉降速度,使主要污染物SO2、NO2、O3和PM2.5的干沉降速度分别上升0.1、0.1、0.03、0.06 m·s-1左右,相应地使上述污染物浓度分别下降2.5、6.0、4.0、6.0 μg·m-3左右。

• 降水云团移动速度对风云四号A星降水反演误差的影响

  谢涛，田昊，刘彬贤，赵立

  针对FY-4A卫星降水反演产品GPM-SCaMPR中的误差,提出台风区域降水云团移动速度的计算方法并用于误差改进,以全球降水观测计划(Global Precipitation Mission,GPM)的IMERG(the Integrated Multi-satellite Retrievals for GPM)降水产品为参照、以台风"罗莎"、"利奇马"和"白鹿"降水反演为例进行误差影响研究。结果表明,其误差随降水云团移动速度的增大而增大,降水率均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)在台风成熟阶段比其他阶段大20%左右,在衰亡阶段最小。采用GPM/IMERG降水产品作校准数据,对3个台风初期、成熟和衰亡阶段的降水反演结果进行误差订正,台风"罗莎"初期、成熟及衰亡阶段订正后的降水率RMSE由5.81、7.07、5.51 mm·h-1减小到5.54、6.16、5.27 mm·h-1(分别减小0.27、0.91、0.24 mm·h-1)。

• GRAPES全球四维变分同化分析场质量的初步诊断分析

  刘昕，陈静，朱跃建，陈法敬，马雅楠，王静

  为了深入认识全球四维变分同化系统(Global Regional Assimilation and Prediction System Four-Dimensional Variational, GRAPES 4DVAR)分析场质量,利用2019年3月1日至2020年2月29日GRAPES 4DVAR 7层等压面的高度、温度、纬向和经向风等4个要素的分析场及同期ERA5再分析场资料和探空观测资料,基于Pearson相关系数、偏差统计和EOF分解等多种统计分析方法,对GRAPES 4DVAR分析场质量进行了评估。结果表明:(1)GRAPES 4DVAR各要素分析场与ERA5再分析场具有显著的正相关(相关系数均通过α=0.01显著性水平检验),其中高度场和温度场的相关系数大于0.99,风场的相关系数大于0.85,GRAPES 4DVAR分析场和ERA5再分析场与探空观测的均方根偏差值的大小及分布相似,表明GRAPES 4DVAR同化分析场具有较高的质量,且北半球和南半球的分析质量优于热带地区;(2)GRAPES 4DVAR温度和风的分析场与ERA5再分析场在北半球和南半球的偏差存在较明显的季节变化和空间变化,表现为夏半年偏差小于冬半年,中层偏差小于低层和高层,且在对流层低层(高层),南半球(热带地区)的偏差大于北半球和热带地区(南半球);(3)不同要素分析偏差的特征显示,温度分析偏差主要出现在对流层低层,极大值区位于北极和南极地区,而风场分析偏差主要位于对流层中高层,极大值区主要分布于青藏高原、非洲大陆西部及北部、东太平洋及大西洋赤道附近区域。

• 对流允许尺度区域气候模拟的研究进展

  陆云，郭子悦，汤剑平

  与以往的区域气候模式相比,对流允许区域气候模式不再依赖于对流参数化方案,其精细的分辨率可以显式表示深对流过程,在夏季对流降水的日变化和极端降水事件模拟等方面具有明显增值能力,是区域气候模拟的发展方向。对现有的对流允许尺度区域气候模拟研究进行了较为详细的回顾和介绍,简述了对流允许尺度区域气候模式中比较重要的物理过程及外部驱动条件的影响,总结了以往对流允许尺度区域气候模拟的研究成果以及当下所面临的挑战和对未来的展望,以期对中国及东亚区域对流允许区域气候模拟的研究提供有益参考。诸多研究表明,对流允许区域气候模拟作为一种有前景的气候模式,可提供更加可靠的区域尺度的气候信息。

• 基于不同空间尺度的作物产量集成预报——以江苏一季稻为例

  刘维，宋迎波

  基于1981-2016年江苏省不同区域一季稻产量序列,计算站点尺度的气温、降水、日照适宜度以及综合气候适宜度,在此基础上构建基于气候适宜指数的作物产量预报模型,开展不同空间尺度的一季稻产量精细化预报。同时,以各主产地市、县一季稻种植面积百分比为权重,加权集成省级产量,开展基于不同空间尺度一季稻产量序列的大区域尺度产量预测。结果表明:(1)江苏省不同区域一季稻气象产量与不同时段气候适宜指数之间存在较高的相关性,基于气候适宜指数的预报方法适用于江苏省不同区域一季稻单产预报。(2)2012-2016年省级尺度模型预报平均准确率高于97.5%,主产地市、县模型平均预报准确率低于省级尺度预报模型,主产县预报准确率年际间波动较大,表明预报区域越小,预报的难度提升。(3)基于气候适宜指数模型的江苏省级、主产地市集成,主产县集成模型预报准确率大部在95%以上,整体上看主产县集成优于主产地市集成,主产地市集成优于省级尺度模型。由此,开展地市级和县级尺度的精细化产量预报可提升省级尺度预报准确率,同时提高县级作物产量预报能力。

• 基于改进逆推算法的台风气象服务综合效益评估研究

  田心如，张雪蓉，侯俊

  为了更加科学地定量化评估台风气象服务综合效益,运用改进的逆推算法,结合层次分析法,综合考虑台风的气象服务水平、政府防灾减灾决策及组织能力、行业防台减灾能力、公众防台减灾自救互救能力、防灾减灾成本和不可避免损失等因子,建立了台风气象服务效益定量化评估模型。以2018年严重影响江苏的18号台风"温比亚"为例,设计了调查问卷,对评估模型各因子进行了调查及评估计算,得到该台风气象服务综合效益值。结果表明:由于台风气象服务,取得综合效益14.48亿元,有效避免了40.9%的经济损失;评估方法较以往研究考虑因子更为全面,同时具有可操作性较强、符合气象服务实际情况等特点,可进行业务化推广;同时评估结果定量化评价了政府在防灾减灾中的决策作用和决策的宏观效果、行业及公众的防灾减灾能力等,可为政府制定防灾减灾策略、从而进一步提升全社会防台减灾能力提供参考依据。

• 毫米波雷达在小尺度云雾系统监测中的应用

  岑炬辉，唐世浩，胡利军，涂小萍，姚日升

  运用毫米波雷达结合地面观测对2017年4月15-16日发生在宁波北部海域的大范围大雾天气过程进行了分析。结果表明:毫米波雷达可以实现对10 km左右的液态水系统、千米左右游离液态水团和更小尺度的局地短时液态水团等进行有效监测。10 km尺度的液态水系统过境使站点的能见度呈现深V型变化;未有液态水系统过境的站点,在靠近液态水系统时也会出现能见度变化。千米尺度的游离液态水团对能见度也有很强的影响,是造成无液态水系统过境时能见度急剧变化的主要原因之一。更小尺度的局地短时液态水团的形成与局地其他因素关系紧密,不能单以雷达反射率来进行分析。能见度的变化主要受毫米波雷达反射率相关因素和气象要素两者影响,约各占40%左右,毫米波雷达的应用将未确定因素导致的能见度变化次数降低到了20%以下。