气象科学杂志

气象科学杂志2022年第5期

• 基于Catboost和Stacking融合模型的 长江中下游短时临近降水预报研究

  宋慧娟，陈耀登，欧阳霖，陈海琴，高哲凡，孙涛

  用中国自动站与CMORPH降水产品融合的逐小时降水量网格数据集、全球预报系统(Global Forecasting System, GFS)模式再分析资料,将机器学习特征算法筛选的特征变量作为模型输入数据,运用Catboost模型和以Catboost和随机森林为初级模型、径向基神经网络为次级模型的融合模型预测未来6 h累计降水等级,并应用公平TS评分(Equal Threat Score,ETS)、真实技巧评分(True Skill Statistic,TSS)、混淆矩阵、预报偏差(Bias值)、击中率(Probability of Detection,POD)对预报结果进行检验分析。结果表明:优化变量的输入有利于提高模型的准确率;Catboost模型和融合模型都可以在一定程度上辨别晴雨状况;仅非动力学变量参与的融合模型对雨区预报准确率最高,但容易将暴雨雨区预报得更加广泛。总体而言,融合模型具有更强、更稳定的预报性能,中到暴雨量级预报准确率还待进一步提高。

• 基于机器学习的冰雹天气识别研究

  李冰村，唐晓文，何建新，唐佳佳，李星泽，申枫

  利用2017—2019年贵州省威宁彝族回族苗族自治县的C波段天气雷达数据,提取了多种与冰雹相关的雷达特征参量,并结合地面降雹记录建立了客观的冰雹样本标记方法。通过支持向量机、决策树和朴素贝叶斯三种机器学习方法,对冰雹高发区贵州省威宁的冰雹天气过程进行建模与评估。评估结果表明,采用机器学习方法可以有效地识别冰雹天气过程。支持向量机和决策树方法的命中率(Probability of Detection, POD)均较高,分别为88.9%和90.5%;临界成功指数(Critical Success Index, CSI)分别为73.1%和70.3%;误报率(False Alarm Rate, FAR)分别为19.6%和24.1%。朴素贝叶斯方法的POD和CSI相对偏低,分别为67.8%、62.8%,但FAR最低,为10.6%。

• 皖北一次特大暴雨过程中边界层急流日变化特征 及其对暴雨形成的影响分析

  刘高平，刘俏，邱学兴，陶玮，周晓晔，杨祖祥

  利用多普勒雷达风廓线产品、ERA5再分析资料和WRF模式,分析了2018年6月27日皖北一次特大暴雨过程中边界层急流的日变化特征及其对特大暴雨形成的作用。结果表明:特大暴雨发生期间存在边界层急流,急流最强达到了18 m·s-1,强降水主要发生在急流快速增强的时段;急流前部的边界层辐合线是对流的触发因子,强降水落区位于急流核前部。急流为对流系统加强提供水汽和能量,且边界层急流和雷暴高压对峙使对流系统稳定少动,在对流系统西侧激发新的对流单体,有利于特大暴雨的发生;此次过程中天气系统的影响时间主要决定了强降水的落区,而边界层急流的日变化决定了强降水发生的时间段;边界层急流在夜间具有超地转特征,午后具有次地转特征,地转偏差和水平平流作用是导致夜间边界层急流增强的主要原因。

• 2019年江苏梅汛期一次强对流成因分析

  曹舒娅，何琰，孙伟，殷昊翔

  利用FNL资料以及单、双偏振多普勒天气雷达资料,分析了2019年7月6日发生在江苏的一次自北向南罕见的伴有冰雹、雷暴大风和短时强降水的大范围强对流天气过程。结果表明:江苏上空垂直方向干冷空气叠加在暖湿气流之上,600 hPa以下存在明显的对流不稳定,强烈的深层垂直风切变提供动力不稳定条件。大的对流有效位能、强烈的深层垂直风切、合适的0 ℃和-20 ℃层高度利于大冰雹产生。强对流发生过程中,冰雹云回波强度普遍在50 dBZ以上,顶高超过10 km,三体散射特征明显,同时存在气旋式辐合、回波悬垂等特征。双线偏振雷达各偏振参量表现出明显的冰雹云特征,下击暴流发生时低层速度图上出现强辐散区,预示着下击暴流天气的发生。随着ZH的增大,KDP值也有所增大,表明降水粒子尺寸增加,偏振雷达回波在水平和垂直方向的相位变化也增加,当回波强度超过45 dBZ时,83.2%的KDP在1.5 (°)·km-1以上,CC值也超过0.97,利于强降水发生。

• 2019年7月17日江苏东南部特大暴雨的 双偏振雷达观测分析

  王坤，王啸华，夏昕，李敏，顾沛澍，彭小燕

  利用S波段双偏振雷达数据,结合再分析数据、自动气象站、探空和二维闪电探测数据,采用多普勒雷达风场反演和粒子相态识别等方法,分析了2019年7月17日江苏省东南部多站破历史记录的超强降水对流风暴的偏振特征和云微物理特征;并选取了打破当地强降水历史记录如皋站和潞城站,分析了影响两站的对流单体的异同。影响如皋的对流风暴几无闪电活动,对流质心接近地面,上升气流相对较弱。且0 ℃和-35 ℃层间霰粒子数目相对较少,闪电几乎不存在。在融化层以下,由于强烈的暖雨过程,较大的冰相粒子落下并融化和低层雨滴的聚并增长,导致低层雨滴数量迅速增加,带来地面极端强降水。潞城地区雷暴活动明显,影响其对流风暴发展旺盛。-35~0 ℃层存在强烈的上升运动,抬升低层大量的液相粒子通过淞附作用形成的霰,并与高层冰晶不断碰撞,在云层中形成强大的电场,产生强烈的负闪,且在地面产生了极强的降水。这表明融化层以上的冰相微观物理过程,对于降水的发生和增强非常重要。

• 一次强飑线过程多尺度回波系统特征分析

  李嘉，马中元，郑媛媛，段和平，夏雪

  采用自动气象站观测资料、MICAPS天气图、江西二维和三维雷电数据和江西WebGIS雷达拼图等多源资料,分析了2021年5月10—11日江西强飑线天气过程的回波系统特征。结果表明,当江西处于500 hPa槽前、100 hPa出流区、850 hPa切变线和西南急流和925 hPa西南倒槽之中,有利于出现冰雹、雷暴大风、强雷电等天气;一次飑线过程有若干个不同尺度回波系统过程,中尺度对流回波系统、局地热对流雷暴回波、雷暴回波群、A飑线回波带、辐合线雷暴回波带、B飑线回波带等多尺度回波系统;直径d≤2 cm的冰雹发生在组合反射率(Composite Reflectivity, CR)回波强度超过60 dBZ并且强回波面积超过100 km2的回波中,当CR强度超过65 dBZ并且强回波面积超过300 km2时,容易出现d≥ 5 cm的大冰雹。

• 基于决策树算法的江苏省不同区域 短时强降水预报研究

  史达伟，沈阳，马晨晨，董京铭，颜佳任

  采用2000—2019年13个地级市气象站地面观测站点观测资料以及ERA5再分析资料,基于机器学习中的经典的C4.5算法对江苏省不同区域是否出现短时强降水建立气象要素预报模型。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江苏省不同区域是否发生短时强降水进行预测,并且该决策树模型具有较高的泛化能力。决策树模型利用各区域总样本的前15 a数据样本进行自学习,学习准确率在淮北地区为89.70%,在江淮之间地区为87.89%,在长江以南地区为87.88%,利用各区域剩余5 a样本对该决策树模型的泛化能力进行测试,测试准确率在淮北地区为85.73%,在江淮之间地区为83.39%,在长江以南地区为93.92%。

• 江苏"4·30"强风雹成因及双偏振雷达特征分析

  陈圣劼，刘梅，杨梦兮，吴海英，李万莉，庄潇然

  利用高分辨率再分析资料、双偏振雷达观测数据，揭示了江苏“4·30”强风雹成因及其雷达特征。结果表明，此过程发生在高空异常深厚的东北冷涡背景下，中层西北急流和地面暖低压均显著偏强，造成远超过经验性指标值的垂直风切变，利于风暴的增强及组织化发展。对流风暴的影响可分为30日午后到傍晚局地对流单体和傍晚到上半夜飑线两个不同阶段：第一阶段局地对流性强，能量积聚大，沿淮和淮北西部地区多局地性雷暴大风，并散发不同尺寸的冰雹；第二阶段在地面强冷空气大风及中高层干冷空气动量下传的影响下，飑线系统及其前缘阵风锋移动快速。飑线上弓形回波前端的强下沉辐散出流，叠加环境风的影响，导致江苏东南部地区区域性的极端灾害大风天气。雷达回波既可清晰显示冰雹云的一般回波特点，如反射率因子回波强，粒子均一性差等；也可反映不同尺寸冰雹回波的差异性，如回波强度越强，最大反射率因子高度越高，单体回波倾斜、弱回波区特征结构越清晰，三体散射特征越明显的风暴单体产生的冰雹尺寸越大；在没有大水滴包裹时，CC值随冰雹尺寸的增大而减小，且CC小值伸展高度增高等。综合分析雷达回波多个参量，如风暴单体和阵风锋的移速、风暴单体特征高度的下降速度、ZDR大值高度降低等指标，对对流灾害性大风量级的监测与预警有重要指示意义。

• "登台入闽"型台风个例10 m风场 特征分析及模拟研究

  李星，李雪丁，曹钰，朱本璐，陈剑桥

  通过浮标资料和模拟试验,对比不同路径下台风的10 m风场的时空演变规律。结果表明,由于登陆台湾岛位置不同,三种路径的台风在台湾海峡内风场随时间变化差异较大,北路台风在海峡内风向转变最早,中路台风风速极值出现最早,南路风速被削减最明显。在中尺度数值模式(Weather Research Forecasting, WRF)模拟试验中,YSU边界层参数方案模拟效果最优,对于中路台风的模拟效果最好。模拟结果表明,北路台风在过岛过程中,大风圈从北部绕过海拔较高的地形,风速减弱不明显;中路和南路台风由于中低层环流难以过山,强风中心通过动力减压作用出现在背风坡,并范围逐渐增大,取代原中心。地形敏感性试验表明,受中央山脉影响,在靠近台湾岛时迎风面大气堆积风速增强,南路台风的风场在登陆福建前受地形阻挡削减最大,中心风速减小幅度为20 m·s-1。

• 南京禄口机场低能见度天气统计分析及判断模型

  佘星源，聂颖，刘红年

  基于2014—2019年基于南京禄口机场能见度观测资料,统计分析了机场低能见度天气,发现低能见度天气大多发生在11月至次年1月04—07时(北京时)。通过分析雨强—能见度数据发现降水强度和能见度呈幂函数关系,建立了降水时段基于降水强度的能见度拟合模型。通过K-means聚类中心分析,发现无降水时能见度和风速以及温度的关系为正相关,和相对湿度以及修正海压的关系为负相关。最后使用随机森林算法建立低能见度天气等级判断模型,对比发现随机森林在准确度和计算效率方面较其他模型均有一定优势。

• 基于多尺度融合网络的高速公路能见度估计

  黄亮，肖鹏飞，薛梅，张振东，孙家清，周雪城

  为了实现近实时公里级的高速公路能见度监测,提出了一种基于多尺度融合网络的能见度估计方法。首先,从道路监控视频中提取道路场景图像,并对图像进行质量控制;分别采用引导滤波、光谱滤波、景深估计模型从路面场景图像中提取细节结构特征、光谱特征与场景深度特征;然后,构建多尺度融合网络自适应融合结构特征、光谱特征与场景深度特征,并从中提取能见度特征;最后在网络末端输出图像场景所对应的能见度等级。此外,为了训练与测试模型,构建了真实道路场景图像数据集,共包含18 000张标注图像。实验结果表明,多尺度融合网络可显著提升高速公路能见度估计的准确性,能见度等级分类准确率可达81.76%。

• 影响伊犁河谷地区冬季降水的主要气象要素 及其与降水率的统计关系

  姜冬昕，景晓琴，银燕，杨璟，杨军，李斌

  基于2014—2018年逐时降水资料和再分析资料分析了影响伊犁河谷地区冬季降水的主要气象要素及其与降水率的统计关系。结果表明,水汽通量是影响伊犁河谷冬季降水的最主要因素,其与降水率呈正相关;上游风速、水汽通量、弗劳德数和大气可降水量都会对该地区降水产生影响,这四个参数可以通过依赖于水汽通量的多元回归较好地拟合出降水率;静力稳定度与该地区降水没有明显统计关系,但较强的降水更多出现在稳定度较弱的天气;利用T模态斜交主成分分析法将伊犁河谷天气系统分为九类,在有降水时,出现频率较高的天气类型的主要特征是水汽通量大,但不同天气类型下降水空间分布存在区别。当河谷上游气压较低,水汽通量较大时,河谷内降水分布较为均匀;若河谷上游风速较大,但水汽条件略差时,降水强度向河谷内部逐渐增加。

• CFSv2对2018年浙江梅雨降水 多尺度预测的性能评估

  马浩，于翡，葛敬文，肖晶晶，高大伟

  从梅雨预测的业务需求出发,系统开展了CFSv2模式对2018年浙江梅雨期降水预报能力的多时间尺度评估。结果发现3月1日—5月31日的起报结果整体上未能较准确地预测6月浙江大部降水偏少的趋势、仅5月31日的预测结果与实况相符;在延伸期尺度上,CFSv2预测的梅雨期总降水量较实况偏少30%左右;基于相关系数、均方根误差和新定义的综合预报技巧指数等指标分析模式的延伸期预报性能,发现对梅雨期总降水量、逐日区域平均降水量和逐日全省各站降水量的预报技巧有限,对浙江梅雨区的预报水平总体高于浙江全省。评估结果表明CFSv2预报产品表现出显著的系统性干偏差;在延伸期尺度上,随着预报时效的缩短,预报效果并非逐步提升、而是客观存在一个最佳预报时效,各起报日也分别对应着不同的最优预报时段,整体而言梅雨降水的延伸期预测可能对初值并不敏感。

• 全球大气再分析实时资料前处理关键技术研制

  姚燕，姜立鹏，祝婷，张涛，姚爽，张志森

  针对全球实时气象数据,重点研制面向全球大气再分析的观测资料前处理关键技术,主要包括实现大量实时文件快速解析分类的数据分拣技术,实现多类气象观测要素并行解码的信息提取技术,满足同化数据格式需求和实现分级分类有效存储的自定义模板统一编码技术。关键技术已于2019年6月在国家气象信息中心业务应用,为我国第一代全球大气和陆面再分析业务提供着稳定的实时观测数据支撑。