气象科学杂志

气象科学杂志2022年第1期

• EnKF循环同化相控阵雷达数据与变分雷达反演方法的对比研究:对一次台风外围龙卷个例的分析

  王晨，赵坤，朱科锋，傅佩玲，陈炳洪，杨正玮

  针对2018年9月17日发生在广东省佛山市的一次台风龙卷过程,对比分析了EnKF和变分方法同化X波段相控阵雷达得到的风场结构。结果表明,EnKF方法和变分方法在同化了X波段相控阵雷达资料之后,都可以得到龙卷母体风暴的涡旋特征。相比之下,EnKF同化分析的涡旋强度更强,台风龙卷母体风暴及其周边三维风场的结构更加完整,与回波结构匹配更好。变分方法同化得到的流场不够连续,台风龙卷母体风暴的涡旋强度偏弱,弱回波区入流也明显偏弱,并不符合概念模型。而两种方法在没有同化相控阵雷达数据时,都无法产生龙卷母体风暴的流场特征。总体而言,相对于变分方法,EnKF同化系统在同化X波段相控阵雷达数据后可以产生更为合理的涡旋结构,台风龙卷母体风暴及其周边动力场结构更合理,这为以后X波段相控阵雷达的业务应用提供了思路。

• 双频毫米波雷达反演云微物理参数的模拟研究

  杨敏，黄兴友，赵泉钦，张正，杨恒祥，周红根

  根据雷达探测的云回波雷达反射率因子和多普勒速度,利用两种独立的双频反演算法,估算了云微物理参数。利用离散偶极子近似(Discrete Dipole Approximation,DDA)计算了云滴后向散射截面和衰减截面,根据模拟数据实验了三种频段组合的反演结果,探讨算法对滴谱参数、粒子形状的敏感性,比较两种方法反演水云和冰云的优劣。结果表明:双频比(Dual-Frequency Ratio, DFR)和多普勒速度差(Doppler Difference of Velocity, DDV)在水云中都可独立推导中值直径(D0),但在高频波段,基于DFR的算法对雨、云水和水汽的衰减非常敏感,而基于DDV的方法受衰减的影响较小。鉴于高频波段衰减完全订正的困难性,水云的DDV反演方法比DFR更直接准确。对于冰云,DFR的技术相较于DDV的方法具有明显的优势,因为两频段处的DFR在冰云中的动态范围更大,而DDV的动态范围相对于系统和测量误差较小。

• Ningaloo Niño/Niña与华南冬季降水异常的联系

  吴越，曾刚，杨效业，李忠贤

  利用1979—2017年逐月平均的NOAA ERSST V3b海表温度资料、CN05.1降水资料以及NCEP/NCAR大气再分析资料,分析了Ningaloo Niño/Niña的基本特征及其与华南冬季降水异常的联系。结果表明,Ningaloo Niño/Niña是副热带东印度洋海温异常EOF第一模态,具有明显的年际变化特征和季节锁相特性。在扣除El Niño/La Niña的影响后,Ningaloo Niño/Niña与华南冬季降水异常存在着密切的联系,即Ningaloo Niño(Niña)年时,华南地区冬季降水增多(减少)。这种影响的可能机制是:Ningaloo Niño/Niña通过影响南支槽的强度变化进而影响华南冬季降水异常。Ningaloo Niño年冬季,澳大利亚西侧海表温度升高,对流增强,使南半球80°~100°E附近的Hadley环流上升支增强,造成经向环流异常,北半球低纬度地区形成一个异常的反环流圈,导致南支槽的增强。南支槽的强度与华南冬季降水呈正相关关系,南支槽强度偏强时,活跃的扰动向下游传播,槽前盛行的西南气流使得充足的水汽自孟加拉湾由西南向东北方向输入,为华南冬季降水偏多提供了条件,Ningaloo Niña年份的情形则与之相反。

• 一次东移西南涡过程的平流层重力波特征研究

  余世旺，张立凤，王羱

  基于WRF模式对2011年6月16—19日一次东移西南涡过程的模拟,开展了西南涡激发平流层重力波的特征研究。东移西南涡可以分为发展、强盛和减弱3个阶段,每个阶段均伴随着强降雨天气,但由于降水位置和强度的不同,平流层重力波的分布和强度也不同。西南涡发展阶段,平流层重力波主要位于低涡的东侧,并向东北传播;西南涡强盛阶段,伴随对流降水的强度和范围明显增大,平流层重力波的振幅和范围也显著增大,且围绕西南涡的东侧和南侧呈现出半环状的重力波分布特征可分为两支,东侧波动波列表现为东北西南向分布,南侧的波列表现为东—西向分布;西南涡减弱阶段,重力波的振幅和范围均减小。波谱分析表明,重力波的纬向波数频率谱关于零频率呈非对称分布,且随着西南涡的增强,波谱在小尺度范围显著增大,即强对流更容易激发出小尺度的高频波;经向波数频率谱在波数较小谱段关于零频率基本呈对称分布,但在波数较大谱段,也呈非对称分布,这说明受平流层东风气流的影响,重力波主要向东传播。

• 基于ERA5再分析资料对2020年6月江淮区域水汽源汇的诊断分析

  黄丁安，卢楚翰，孔阳，信飞，秦育婧

  2020年6月,我国江淮区域出现大范围持续性强降水过程,并引发了洪涝灾害。利用ERA5再分析资料对江淮区域的水汽收支平衡进行分析,并利用HYSPLIT后向轨迹模式分析了其水汽源地。结果表明:(1)ERA5再分析资料能较好地描述本次过程中江淮区域的水汽收支特征,其中水汽辐合项为主要贡献项,对水汽汇有较好的指示作用,同时,降水和水汽汇之间保持了较好的一致性变化。(2)南海是江淮区域6月持续性降水最主要的水汽源地,约50%的水汽来自南海。(3)6月江淮区域降水分布与水汽的输送密切相关,而水汽输送主要取决于西太平洋副热带高压的位置及其与北侧冷涡活动的共同作用。

• 2020年新冠肺炎疫情管控期江苏省大气污染物浓度变化特征

  楚翠姣，江飞，孙旭光，梁进，蒋益荃，秦艳红

  利用江苏省大气环境监测站点的大气污染物监测数据,分析了2020年初新冠肺炎疫情管控期间(2—3月)主要大气污染物浓度的变化特征。结果显示,相比于2019、2020年疫情管控期间PM2.5、PM10、NO2、SO2、CO浓度的全省平均降幅分别为37.5%、36.9%、31.9%、28.2%和21.2%。严格管控期的2月和生产恢复期的3月,江苏省十三市PM2.5、PM10浓度同比降幅大致相当,呈现出较好的时间连续性和空间均匀性。但各市臭氧浓度同比变化呈现出较大的时空差异。空间上,沿江以南城市南京、无锡、常州、苏州和镇江五市臭氧浓度明显上升,而其他城市臭氧浓度以下降为主;时间上,2月南京等九市臭氧浓度上升,3月徐州等八市臭氧浓度持平或者下降。假设未发生新冠肺炎疫情以及未采取为阻断疫情蔓延而实施的种种举措,在仅考虑近年来大气污染防治政策持续实施的情况下,与预期降幅相比,疫情管控对NO2实况浓度降幅的影响最大,其次是PM2.5和PM10。

• “一带一路”区域近57a干旱事件及其人口暴露度特征

  周舟，王艳君，黄金龙，吕嫣冉，姜彤

  基于东英吉利大学气候研究所全球逐月降水与潜在蒸散发格点数据集,以标准化降水蒸散指数为干旱指标,采用改进的强度—面积—持续时间极端事件识别方法,对"一带一路"区域干旱事件及其人口暴露度特征进行研究。结果表明:(1)1960—2016年"一带一路"区域呈现变干趋势,至1992年有所缓解,空间上显著干旱区域主要分布在沙特阿拉伯、伊朗、蒙古、中国等。(2)区域年均发生干旱事件89次,以持续1—2个月干旱事件为主,占总事件频次的82%;年均总影响面积约0.92×108 km2,以持续3—5个月的干旱事件影响面积最大,约占年均总影响面积的44.8%;干旱事件最强中心强度均达到极端干旱强度。(3)持续3—5和6—8个月干旱事件频次、影响面积和事件最强中心强度均呈增加趋势,需引起重视。(4)区域干旱事件的人口暴露度多年均值为5.43亿人,不同持续时间干旱事件的人口暴露度均显著增加,尤其2000年以后,年均人口暴露度达7.88亿人,较多年均值高出45%。

• 中国地区三种地表反照率产品比较

  唐晨凯，曾燕，施国萍，徐金勤

  利用2007—2011年MODIS、GlobAlbedo和ERA-Interim的3种地表反照率产品,借助地理信息系统(Geographic Information System,GIS)空间化技术,对中国地区3种地表反照率产品进行了对比分析。结果表明:3种产品与气象站观测值的时间分布趋势一致,冬季高夏季低,且相关性较高。3种产品中,MODIS与GlobAlbedo的绝对差异值最小,ERA-Interim与MODIS、GlobAlbedo的绝对差异值较大。3种产品在青藏高原和西北山地区域表现出较大的差异,且差异表现为冬半年高,夏半年低。3种产品之间相关性最高的是MODIS与GlobAlbedo,最低的是MODIS与ERA-Interim,3种产品在40°N以北具有较好的相关性。且在夏季和冬季地表反照率均值的表现说明,ERA-Interim相比MODIS、GlobAlbedo难以反映地表反照率受地形和土地覆被的影响。

• WRF/CALMET/BP预报系统对内陆山区风电场的一次滚动预报检验

  刘伟，李艳，杜钦

  利用以中尺度数值模式WRF/CALMET作为风电场预报系统的动力模块,及BP神经网络法(BP-ANN)作为风电场预报系统的统计订正方法,对重庆市齐跃山风电场进行了一次时间分辨率为5 min的24 h风速、风功率的滚动预报试验,探讨了适用于中国典型内陆山区的风电场预报系统。结果显示:以WRF/CALMET/BP组成的动力—统计预报系统能够较好地模拟出内陆山区的风场特征,系统对正午至傍晚时段的风速预报准确率较高。WRF/CALMET动力模式对于风速中心振幅的模拟能力较好,经过BP神经网络订正后,模拟结果会趋于均值。不同风速段中,模式对低风速段(3~8 m·s-1)的预报效果较好,BP神经网络对中风速段(8~14 m·s-1)预报结果的订正效果最明显。

• 中纬度高空槽—台风相互作用对台风“利奇马”远距离暴雨的影响

  李美颖，李艳，林曲凤，向纯怡

  利用NCEP提供的0.25°×0.25° FNL资料和国家气象信息中心提供的高分辨率三源融合降水资料,以台风"利奇马"为研究个例,从动力和热力因素两个方面研究了中纬度高空槽与台风之间的相互作用对台风远距离暴雨的影响。研究认为中纬度高空槽—台风的相互作用是此次台风远距离暴雨的主要原因之一。在高空槽—台风的相互作用中,随着弱正PV异常从中纬度高空槽向台风区域的水平平流,台风西北部地区逐步处于高空槽前西南急流的次级环流的上升区域,而对流层深厚的暖平流恰好位于台风西北部3~5个纬距的地区,此热成风暖平流的作用增强了台风西北地区的上升运动。另外,中纬度高空槽后的干冷空气的逼近,促进了在台风西北部地区的中纬度斜压锋生,斜压锋面进一步增强了台风远距离暴雨处的动力抬升作用。同时还发现当台风与中纬度槽的距离大约是10个纬距时其相互作用最为显著。

• 基于SPEI指数的近58a甘肃省干旱特征分析

  周俊菊，冯炜，向鹃，黄美华

  利用甘肃省19个气象站点1960—2018年逐月平均降水量、气温等数据,应用标准化降水蒸散量指数(Standardized Preapitation Evapotranspiration Index, SPEI)、Penman-Monteith模型、小波分析等方法分析了甘肃省近58 a不同时间尺度干旱事件的时空演变特征。结果表明: 月尺度干旱频率3月最高,2月最低;季尺度上秋季干旱最严重,春季次之;冬季干旱化趋势最慢,春季最快。近58 a甘肃省SPEI指数呈下降趋势,年尺度SPEI指数存在8 a、12 a、26 a的周期。干旱发生频率在年尺度和月尺度上的分布较为一致,河西走廊东段与甘南州地区频率较低,酒泉北部地区与甘肃省东、中部地区频率较高;季尺度上,春季兰州与武威南部地区频率较高,庆阳地区频率最低;夏季为白银与武威北部地区频率最高,张掖中部地区、白银北部地区以及临夏、庆阳、平凉地区最低;秋季频率最高的地区为兰州东部、定西东北部以及嘉峪关地区,最低的地区在酒泉、张掖、武威北部及平凉中部地区;冬季高值区在平凉,低值区在武威与甘南。干旱发生强度最高的地区为张掖,其次为酒泉、庆阳及白银等地区,最低的区域位于甘肃西南地区。酒泉、嘉峪关等地区干旱化程度逐年加剧;甘肃东南地区干旱速率较西北地区慢;中西部地区干旱化速率最慢,且甘南北部与武威西南部地区有湿润化趋势。

• 1980—2017年四川省气候变化综合区划

  刘伟，车康利，罗斯元，刘莎，贾植杰，李逢港

  基于四川省1980—2017年主要气象要素观测资料,运用ArcGIS空间分析法,分别探讨了气温、降水量和极端气候指数的年际空间变化特征;同时建立极端气候指标体系,结合熵权法、模糊综合评价法开展综合极端气候指数区划,最终完成1980—2017年四川省气候变化综合区划。研究表明:1980—2017年四川省极端气候事件的发生率呈上升趋势,从区域分布上大致表现为东高西低;根据四川省气温和降水量变化速率区划、综合极端气候指数区划,将四川省划分为6个气候变化区,其中,川东北地区综合气候变化速率最快。

• 基于温度层强回波区域面积的天气雷达雷暴自动识别方法

  解妍琼，张云，杨波，王佳，王亚，张鹏

  为利用天气雷达回波资料实现雷暴的自动识别,提出了一种基于温度层强回波区域面积的天气雷达雷暴自动识别方法。该方法首先利用雷达回波体扫数据在水平范围内搜索强回波区域;再对某一温度层上,达到设定阈值的雷达回波反射率因子的区域进行面积求和,当水平范围强回波区域面积达到识别面积阈值时,判定该强回波区域为雷暴区域。在此基础上,结合S波段双偏振多普勒天气雷达观测资料、闪电定位资料,采用了17个雷暴天气过程的312个雷暴区域检验识别算法。结果表明:当等高度平面位置显示(CAPPI)数据处理中采用(35 dBZ, 0℃, 2 km2)参数组合能够达到最优的识别效果,识别概率可达87.5%,虚警率为32.9%,临界成功指数为61.2%。该方法可以用于天气雷达的雷暴计算机自动识别业务。

• 两种机器学习方法在重庆夏季旱涝预测中的应用

  董新宁，向波，周杰，李永华，曾春芬

  利用 1961—2010年重庆34个气象观测站夏季降水资料及国家气候中心130项环流指数,采用机器学习的决策树和随机森林方法建立重庆夏季旱涝预测模型,通过2011—2018年预测效果检验发现,夏季同期环流指数决策树模型和前冬海温指数决策树模型预测的8 a降水异常趋势均正确,比考虑单一指数的PC评分分别提高37.5%和12.5%。此外,用随机森林模型预测重庆2014—2018年的夏季降水,5 a平均PS、CC和PC评分分别是84.6、0.27和67.1,相比于业务发布预报质量均有明显提高,且随机森林的预测质量较为稳定。

• 基于决策树算法的海州湾地区海雾预测

  史达伟，张静，曹庆，李超，朱云凤

  基于连云港西连岛站点2014—2018年逐小时气象观测资料,经过对海雾事件及气象要素特征的统计分析探寻海州湾海雾发生发展的基本规律,并基于机器学习中的经典的C4.5算法对海雾天气建立气象要素预测模型。结果表明:基于C4.5算法的决策树预测模型能够较为直观准确的对海州湾海雾进行预测,并且该决策树模型具有较高的泛化能力。利用2014—2017年的样本数据进行学习,模型的学习准确率为92.85%,利用2018年的样本数据对模型的泛化能力进行测试,测试准确率为93.51%。决策树算法在海雾预测中具有方便简洁、科学实用,准确率高等特点。