气象科学杂志

气象科学杂志2024年第4期

• 盛夏西太平洋副热带高压北跳异常特征及气候影响分析

  何剑桥，任雪娟

  利用1979—2021年ERA5再分析资料,分析了盛夏西太平洋副热带高压(简称西太副高)北跳异常特征,研究了不同传播方向的热带大气低频信号对盛夏西太副高北跳异常的可能影响,探讨了西太副高北跳异常对我国东部地区夏季气候的影响。结果表明:盛夏期间,在西太副高北跳偏早年的北跳之前三候里,海洋性大陆地区和西太平洋低纬度地区的OLR场表现为异常的低频对流抑制逐渐北传和西北传,伴随着对流层低频非绝热加热负异常传播到副热带地区,从而在副热带到中纬度西北太平洋呈现出低频正位势高度异常,有利于盛夏期间西太副高北跳。在盛夏西太副高北跳偏晚年的北跳之前三候里,副热带西太平洋OLR为对流抑制异常的逐候增强并西北传,对应的对流层非绝热加热负异常也逐渐西北传,并激发出北太平洋上空的低频波列,该低频波列中的中纬度异常反气旋西移,有利于西太副高北跳。在盛夏西太副高北跳偏早年,我国长江以北地区更易出现极端高温,东北、黄淮和江南地区更易发生持续性强降水;在偏晚年,我国西南和江南地区更易出现极端高温,长江中下游地区更易出现强度更强的持续性强降水事件。

• 海南岛地区秋汛期形成原因探讨

  黄颖婷，徐海明，朱安豹

  基于1998—2017年海南岛地区18个台站逐日降水观测数据、TRMM逐日降水数据和ERA5再分析数据集等资料,使用资料统计分析和数值模式模拟等方法,对海南岛地区秋汛期形成原因进行了研究。观测分析表明,海南岛地区的降水随季节的变化与华南及同纬度带的其他地区存在显著差异,降水季节峰期出现在秋季,主要集中于9—10月。秋季,西南夏季风开始向东北冬季风转换,受其影响,海南岛地区上空处于偏东气流带中,秋汛期降水分布明显东多西少,且降水中心位于山前迎风坡一侧,东风气流在钟形地形的阻挡抬升作用下,致使其东部降水增多。此时秋季南海海表温度仍较高,有利于维持和增强海南岛秋季降水。通过WRF v4.3(Weather Research and Forecast Version 4.3)一系列的数值敏感性试验,验证了海南岛地形、海陆热力差异及南海较高的海温对海南岛秋汛期的形成起着决定性作用。

• 青藏高原积雪深度变化及其影响因素分析

  叶聪霄，马晓燕

  基于青藏高原逐日积雪深度和地表太阳辐射、逐月气温和降水量资料,利用多种统计方法,分析了该地区近几十年雪深变化特征及其与气象因素的关系。结果表明:高原积雪深度在1970s和1980s总体呈现显著增加的趋势,1990s中期之后开始减少,2000年后高原雪深仍然以减少为主,显著减少区域位于羌塘高原,显著增加区域位于喜马拉雅山脉、喀喇昆仑山以及高原中东部高海拔地区。雪深由少雪期到多雪期的突变时间主要处于1960s中期至1970s初,由多雪期到少雪期突变时间主要处于1990s末期至2000s初。青藏高原西部地区雪深存在13~17 a左右的周期变化,而东部地区存在3~7 a左右的周期变化。地表太阳辐射的减少是高原1970s和1980s积雪增加的主要因素,两者呈现较为显著的负相关,1990s中后期气温的显著增加是积雪减少的主要因素,两者呈负相关性,降水量与积雪整体呈正相关性,在温度相对较低,地表太阳辐射较低的情况下,降水量的增减对积雪的影响更明显。

• 台风“烟花”登陆浙江前后强降水雨带变化特征及成因分析

  钱卓蕾，钱月平，马洁华

  利用GPM_3IMERGM降水产品、地面加密自动站资料、黑体亮度温度(Blackbody Brightness Temperature, TBB)和ERA5再分析资料,研究台风“烟花”登陆浙江前后强降水雨带变化特征及其成因。结果如下:(1)台风“烟花”登陆前后降水强度减弱慢,强降水雨带分布不对称,登陆前强降水中心在北侧,且存在外围强降水雨带,登陆后强降水中心转至东侧并出现尾部雨带;(2)台风“烟花”引导气流弱、移速慢,台风“查帕卡”和 “尼伯特”加强水汽输送,使得“烟花”强度减弱缓慢,维持强降水;“烟花”登陆前水汽输送主要来自南海,登陆后主要来自东侧西太平洋,有利于降水中心向东偏移;(3)垂直风切变的变化与台风“烟花”雨带中心移动有较好对应关系,雨带中心一般位于顺切变左侧或顺切变方向;台风“烟花”登陆前垂直散度场结构向北倾斜,台风区域内的上升运动自北向南减弱,登陆后散度场结构向东倾斜,上升运动自东向西减弱,台风降水中心逐渐从北侧移至东侧;(4)台风“烟花”登陆前的外围雨带受到杭州湾地形辐合和龙门山地形抬升作用影响,登陆后的尾部雨带主要与海岸线附近的摩擦辐合和四明山地形抬升有关。

• 新疆伊犁河谷2016夏季一次对流性短时强降水个例分析

  翟芃，明杰

  利用四维变分同化系统对ERA5再分析资料、地面站观测资料和天气雷达数据进行同化,得到了新疆伊犁河谷2016年6月17日一次对流性降水全生命史的高时空分辨率全变量分析场,并利用其对对流系统的触发和发展机制进行了分析。结果表明:此次降水过程发生在“两槽两脊”背景环流形势下,中亚低涡截断了向新疆输送的脊前西北气流,使西南气流与西北气流在新疆中部辐合,为降水提供良好的背景条件。伊犁地区南北被高山包围,产生狭管效应,吹入的西风风速增大,激发了滚涡,使上升气流位置气块不断升高,最终形成多个对流单体,产生降水。对流单体前进过程中受到山地阻挡减速,与后续单体发生合并,使对流增强,造成降水的加强。随着地形继续抬升,对流消亡。

• 热带气旋影响下2007—2021年苏皖地区龙卷活动情况及环境特征统计分析

  邓意学，肖天贵，汤志亚，史朝，肖藜芸

  本文收集并统计了2007—2021年热带气旋(Tropical Cyclone, TC)影响下苏皖地区的65次龙卷记录,其中TC(登陆)龙卷24次,TC(海上)龙卷41次。江苏龙卷多于安徽,呈南多北少分布,低海拔平原郊区为易发地带,7、8月的午后至傍晚为易发时段。登陆TC引发龙卷时,强度级别主要为热带低压和热带风暴,多以西北向路径在福建及浙江沿海登陆,龙卷多出现在以TC为中心300~550 km的东北象限,该区域内存在中等强度的不稳定能量、强的低层切变以及大的风暴相对螺旋度和能量螺旋度。海上TC引发龙卷时的强度级别主要以热带风暴、强热带风暴和台风为主,有3种主要移动路径:偏西路径、西北路径和偏北路径。TC(海上)龙卷发生时TC多在25°N以南,此时苏皖地区受副高和TC的共同影响,西南暖湿气流不断输送,配合中纬度的低槽活动,冷暖空气对峙,有利于龙卷生成,虽动力条件弱于TC(登陆)龙卷,但热力条件更好,能量螺旋度值较大。

• 鄱阳湖老爷庙沉船事件的气象条件分析

  程永峰，陈星

  本文利用1959—2015年鄱阳湖老爷庙水域及其周边6个气象站的逐日观测资料、鄱阳湖星子自动气象站逐小时观测资料、历史天气图及台风路径资料,对1973—2014年8次老爷庙水域沉船事件的气象条件进行分析,得到以下结论:(1)老爷庙水域的风速和风向与地形及特定天气系统密切相关,风场变化复杂,大风较多;(2)8次沉船事件都与大风有关,分别发生在冬半年冷空气(冷高压)与锋面等主要天气系统过境和夏半年易受热带气旋影响的时段,且冷空气的强弱与事故无明显关联;(3)老爷庙水域的大风易形成较大的浪高,8次事件的最大可能浪高均超过1 m,突发风浪是导致航船失事的重要原因;(4)老爷庙水域大风及风向的变化频繁,由此引起的波浪突然改变增大了老爷庙水域船舶航行的风险。

• 基于分钟级大气可降水量的降水可预报性探究

  林晓萌，刘一玮，陈宏，董畅

  为弥补常规探空信息时空密度不足及新型观测资料准确度低的问题,本文利用地基遥感设备(风廓线雷达和微波辐射计)数据及地面自动站数据构建了本地比湿垂直廓线;旨在探究不同降水类型下大气可降水量的变化趋势相对实况降水的时间提前量和量级相关性,利用比湿廓线计算了大气可降水量(Perceptible Water,PW)。结果表明:超过80%的降水过程在降水发生前存在PW急升的情况;PW、ΔPW对降水开始及峰值具备时间节点的可预报性,PW达到峰值后2 h内出现降水的可能性最大;ΔPW峰值与雨强峰值量级呈正相关性,二者相关系数为0.77。初步研究表明,高分辨率的大气可降水量信息可作为短期临近预报分析的序列资料,可为降水预报时间和量级的判断提供依据。

• FY-3G MWRI-RM低频通道亮温观测中的无线电干扰信号及其日变化

  史震源，邹晓蕾

  由于微波辐射计低频通道的非保护性,亮温观测会受到主动传感器的信号污染,被称为无线电频率干扰(Radio-Frequency Interference, RFI)。RFI信号降低了亮温观测资料及其反演产品的准确度。我国近期发射的风云三号G星(FY-3G)搭载了微波成像仪—降水型(Microwave Radiation Imager-Rainfall Mission, MWRI-RM),在10.65~183.00 GHz的频率范围内设有17个通道,对地球大气进行被动遥感探测。在没有RFI影响情况下,不同通道亮温观测具有高度相关性。利用这一特点,采用标准化主成分分析法,可识别FY-3G MWRI-RM亮温观测资料中RFI的发生位置和强度。与风云三号A/B/C/D/星(FY-3A/B/C/D)不同,FY-3G MWRI-RM可以在不同时间观测到地球同一地点。因此,还可以研究RFI是否有日变化特征。结果表明,RFI信号确实存在于MWRI-RM的低频通道10.65 GHz亮温观测资料中,在中国和欧洲都有集中或零散分布区域,并且呈现日变化特征,RFI强度在白天普遍大于夜间。

• 基于毫米波云雷达的两次冰粒过程对比分析

  韩佳媛，张曦，王淼，董秋实，韩羽庭，黄兴友

  利用Ka波段毫米波雷达、风廓线雷达资料和再分析数据,对大兴机场两次出现冰粒的降水天气过程进行了对比分析。结果表明:(1)环流形势都是高空槽过境,中层有西南急流且水汽充沛,但近地层的大气环境差异较大。(2)两次过程云顶高度超过-10 ℃线高度,是冰相融化机制,大气垂直环境并非都为“冷—暖—冷”的特点,也存在上冷下暖的情况。(3)降水粒子的非单一性造成线性退极化比Ldr在0 ℃层以下的值不仅大于非冰粒阶段,更远大于0 ℃层之上,其特征不受降水强度影响。(4)反射率因子表现为0 ℃层及以下强度明显强于0 ℃层之上,主要由降水强度引起变化,其特征和粒子相态相关性较小。(5)两次过程中粒子的下落速度和速度谱宽特征呈相反趋势,在冰粒阶段其特征都处于雨雪间过渡数值的范围。同时风廓线雷达的冰粒阶段垂直速度特征也和毫米波雷达速度特征相符合。

• 基于敏感承灾体的雷电灾害风险区划因子优化研究

  焦雪，李福洪，周俊驰，张艳华

  雷电灾害风险评估和区划是当前全国第一次自然灾害风险普查工作的重要内容。针对试点区县普查中发现的《雷电灾害调查与风险评估技术规范》中指标选取、指标空间精细度等方面存在的值得商榷和改进之处,本文提出以下优化方案:(1)致灾危险性因子选取优化:致灾危险性因子仅使用闪电定位观测数据。(2)承灾体暴露度因子空间尺度精细化:采用1 km×1 km高精度人口和经济数据直接进行栅格计算,而不是采用行政区域均值。(3)承灾体脆弱性因子选取优化:引入了承灾体类型因子,反映出不同承灾体类型的雷电灾害脆弱性和易损性的显著不同;将场所的防雷装置设计审核和按期检测情况作为防雷减灾能力考量指标。同时,本文以常州市金坛区为例,使用该技术方案进行了雷电灾害风险区划并与规范进行对比。结果表明此方案更加科学、合理,反映了评估区域承灾体的雷电灾害风险特征,也更加符合本次普查和评估区划工作精准施策、针对性开展防雷减灾工作的初衷。

• 一次冰雹回波自动识别的实践与应用

  陈鲍发，郑媛媛，慕瑞琪，段和平，卢秋芳

  本文使用雷达拼图网格点数据和自动识别软件,采用图像识别技术与方法,对2022年3月14日冰雹回波特征进行识别与检验。结果表明:(1)冰雹发生在200 hPa高空出流区、500 hPa南支槽和风切变、850 hPa低涡和切变线、地面辐合线和西南倒槽天气形势中,以及CAPE值较大、逆温层较强、“上干下湿”、0 ℃层较低等环境条件下。(2)冰雹以微型超级单体(Micro supercell)回波为主,有时孤立存在,有时在回波群、回波带之中。回波强度≥60 dBZ,最小强回波面积≥18 km2(微型超级单体),最大≥180 km2(经典超级单体),强回波梯度≤6 km,具有明显的云砧回波结构。(3)自动识别强回波边缘的算法采用DBSCAN聚类算法(DBSCAN Clustering Algorithm)和散点轮廓算法(Scatter Contour Algorithm)相结合。每10 min 一次可同时识别出多个强回波,最多有19个之多。(4)经典超级单体个例都出现在≥65 dBZ的回波核中,最强为73 dBZ。强回波梯度最小为1 km,最大为5.66 km,多数云砧回波在1∶1~1∶3。(5)通过对另外4次冰雹回波的识别与实践检验,结果显示此识别方法效果较好。

• CFSv2对浙江省延伸期逐日降水预报性能评估及解释应用初探

  葛敬文，马浩，刁逸菲，樊高峰，李正泉，刘长征

  利用CFSv2长序列回报资料和近6 a实时预报数据,系统分析了模式对浙江短中期(Short-medium Range,SMR, 1~10 d)和延伸期(Extended Range,ER, 11~30 d)逐日降水的预测性能,并基于系统误差订正(Systematic Bias Correction,SBC)技术开展了解释应用。结果表明:(1)模式回报技巧在SMR时段快速衰减,而在ER时段的衰减明显趋缓;SMR时段的相关系数远高于ER时段,但这两个时段的均方根误差较为接近;(2)从季节演变来看,模式技巧在秋冬季较高而在春夏季相对较低;(3)模式回报结果表现出显著的系统性偏差,这一偏差在各个起报日(提前1~30 d起报)中稳定存在,采用SBC技术开展解释应用,发现订正后模式的回报技巧在ER时段显著提升;(4)进一步将SBC技术应用于实时预报,发现实时预报的技巧也得到了一定的改善,且ER时段的改进效果更为显著。

• CMA模式体系在四川地区主汛期降水预报能力比较

  王彬雁，龙柯吉，陈朝平，黄楚惠，王佳津

  本文以四川省2021年7月14日20时—15日20时(北京时,下同)的暴雨过程为例,利用SAL(Structure-Amplitude-Location)检验方法定量分析了CMA-GFS、CMA-MESO、CMA-EPS、EC和 EC-EPS共5个模式对雨带结构、强度、位置预报的准确性,并进一步评估了各模式在四川省主汛期(7月)的空间预报性能,并对强降水过程预报的准确性进行了分析。结果表明:(1) SAL方法可以直观地为预报员提供数值模式对降水结构、强度、位置的预报效果;(2) EC模式对暴雨预报的准确性最高,CMA-MESO对雨带位置的预报有很好的参考价值;(3)在实际预报业务中,强降水可参考CMA-MESO模式适当将EC模式强降水落区进行调整,并对降水量级进行订正。

• 耦合多元混沌要素的非线性交叉预测误差模式对极端天气延伸期预测研究

  王瑾，阮腾飞，谢静，夏志业

  本文首先分析随机误差、初始误差和模式参数误差对建立的单变量非线性交叉预测误差模式(Nonlinear Cross Prediction Error,NCPE)的极端天气延伸期预报敏感性,及不同气象要素场对延伸期预报的敏感性,再利用可降水、温度、位势高度资料建立多混沌变量耦合的模式(Multivariate NCPE,MNCPE),深入对比分析两种模式延伸期预报特征。结果表明:随机误差和初始误差的比率量级差异会影响NCPE模式的延伸期预报特征,存在临界值效应;而针对参数误差,合适的相空间维m能较好表征吸引子的局部细节。不同气象要素场对暴雨、台风等灾害天气延伸期预报的敏感性也表现不一。耦合多变量的MNCPE模式,相比单变量NCPE,能更完备表征混沌吸引子局部结构的动力特征,降低10~30 d延伸期预报的不确定性。

• WRF模式不同微物理方案对青海高原夏季一次降水过程模拟差异的初步探讨

  王丽霞，刘娜，王启花，马有绚，张博越

  为了解不同微物理方案对青海高原地区夏季降水过程模拟的影响,利用WRF模式和NCEP再分析资料,选取Lin方案、WSM6方案和New Thompson 方案等3种微物理过程参数化方案,模拟了青海高原地区2017年夏季一次典型降水过程,并结合探空、降水等观测资料对模拟结果进行了探讨。结果表明:WRF模式3种微物理参数化方案对温度廓线的模拟表现出较好的一致性,且均与实况接近,但对不同区域相对湿度廓线的模拟能力有明显差异;3种微物理参数化方案均能模拟出本次降水的主要走向、雨带及强降水中心,但模拟的雨带和强降水中心位置较实况偏东且局部雨量偏大;WSM6方案对降水空间分布的模拟与实况最接近,WSM6 和New Thompson 方案模拟的降水偏差均略小于Lin方案;3种方案降水模拟结果中,小雨TS评分最高,其次是中雨,对大雨模拟的可信度均较差;降水模拟小雨TS评分最高的是New Thompson 方案,为0.60,WSM6方案次之,Lin方案较差,为0.43;对中量降水模拟,WSM6方案略优于其他两个方案;降水模拟New Thompson和WSM6方案整体优于Lin方案。

• CMIP6全球气候模式对中国气温模拟的BMA方法评估

  邓鹏，王国复，王国杰

  选用CMIP6中13种全球气候模式数据,以CN05.1数据作为实测资料,对1961—2014年中国气温进行模拟及模式能力评估。采用BMA、泰勒图评估模式排名,并将BMA与算术平均(AVG)集合结果进行比较。结果表明,泰勒图评分和BMA权重在最优和最劣模式评价中基本一致,模拟效果最好的两种模式为ACCESS-ESM1-5、INM-CM5-0。BMA集合模拟结果优于AVG方法,CN05.1、BMA、AVG方法得到的中国多年平均气温分别为6.18、5.95和4.92 ℃,BMA方法通过权重调节使整体系统误差最小。BMA和AVG方法集合的CMIP6气候模式在对中国气温模拟的空间分布形式上与实测差距不大,而局部地域分布情况有所区别。BMA方法不仅可以对CMIP6模式进行有效评估,并且其集合模拟结果的时间及空间变化情况都与实测值更接近。

• 多尺度模式对海河流域地区副高系统影响性降水预报的性能评估

  陈宏，张庆，孙密娜，李宗飞，韩婷婷，侯敏

  基于ECMWF(EC)、GRAPES-GFS(CMA-GFS)、GRAPES-3 km(CMA-3 km)、GRAPES-SH9(CMA-SH9)、GRAPES-BJ(CMA-BJ)、国家指导预报(NWGD)共6种主客观降水预报资料,自动站逐小时降水资料及国家气象信息中心提供的格点化降水融合产品, 采用常规检验评分, 并结合MODE(Method for Object-based Diagnostic Evaluation)和SAL(Structure Amplitude Location)方法对2020年海河流域地区4次副高系统影响性降水过程的预报结果进行精细化检验, 对比分析这6种产品对降水的预报性能。结果表明:6种降水预报产品的TS评分在4次过程中表现出随降水量级增大而减小趋势, CMA-SH9、CMA-BJ和EC模式对于小雨预报表现最好, 随着降水量级增大, 中尺度模式的优势更加凸显。大尺度模式对于暴雨预报属于高空报, 而CMA-3 km和CMA-BJ较其他模式更为稳定,其空报率和漏报率较低,在6个模式中位列较靠前。国家指导预报和降水实况的相关系数与其他5个模式相比均最高, 且晴雨准确率排名第一, 而CMA中尺度模式预报的标准差更小。利用MODE方法和SAL方法进行暴雨空间检验发现, CMA-3 km和EC模式可用于雨带形状预报, 而对于结构、强度和位置的预报, 可综合参考CMA中尺度模式。

• 利用卷积神经网络提高天气短期气温预报效果

  王莹，杨晓君，王迪，张庆，张楠

  为提高天津地区温度精细化预报的准确性,本文基于欧洲中期天气预报中心综合预报系统ECMWF-IFS、中国气象局全球同化预报系统CMA-GFS模式数据及天津259个区域自动站的逐小时气温实况数据,构建了一种基于U-Net编解码器结构的3D卷积神经网络气温预报模型,能实现天津地区24 h内逐小时气温的网格预报。采用二分搜索的方式对模型众多超参数进行调节,通过148组试验训练得到最优模型,测试集误差为1.226 ℃。采用多种指标对模型进行检验,结果表明,模型的预报误差整体低于原数值模式,特别是对天津市中南部(含中心城区)和东部沿海有较好的订正效果;其温度日变化预报特征更接近实况,能有效改善原数值模式的日变化预报误差,且模型表现出更强的误差稳定性。