ISSN 1004-4965

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2019年  第35卷  第6期

论著
基于最优概率的中期延伸期过程累计降水量分级订正预报
牛若芸
2019, 35(6): 721-731. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2019.065
摘要:
采用ECMWF集合预报降水量资料和中国降水量观测资料,研发了基于最优概率的过程累计降水量分级订正预报(OPPF)技术,并在遵循总体技术思路的基础上设计出三种不同的OPPF计算方案(OPPF1、OPPF2、OPPF3),继而选用2015—2017年汛期(5—9月)中国91次区域性强降水过程进行回报试验和预报效果对比评估,结果表明:(1)在中期延伸期预报时效(96~360小时),对强降水和有无降水的预报效果,三种OPPF均明显优于集合平均(EMPF)和控制预报(CTPF);对中等以上或较强以上强度降水的预报效果,OPPF1和OPPF3明显优于CTPF、与EMPF基本接近。(2)三种OPPF相比,OPPF3的预报效果较OPPF1总体略胜一筹,两者均好于OPPF2。(3)预报效果存在明显的地域差异,南方地区强降水预报的TS评分明显大于北方地区,且OPPF3预报效果明显优于EMPF;在96~240小时预报时效,东北地区东部OPPF3强降水的预报效果也明显好于EMPF。
斜压涡度的变化与台风暴雨的关系研究
周冠博, 林青, 高守亭, 聂高臻
2019, 35(6): 732-741. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2019.066
摘要:
台风暴雨作为台风引起的最主要灾害之一,一直被人们关注。台风常被认为是对称结构,但从实际状况来看台风的非对称性非常明显,所以有必要研究斜压性涡度在台风中的表现。在高分辨率数值模拟的基础上,通过引入斜压涡度的概念,分析和总结了斜压涡度在2009年台风“莫拉克”暴雨过程中的表现。通过模拟与分析得到如下的结果:斜压涡度和MPV对比,可以看出在登陆前和登陆后,明显低层斜压涡度有更强的异常信号,围绕台风内核呈现正负正的位相特点;从沿着台风中心时间剖面可以看出,登陆前斜压涡度低层多为负正负的位相,并且随着时间的推移,斜压涡度有从大气的高层向台风的移动中心传递的趋势,即在台风即将到达时原先的正涡度被替换为负涡度,所以对其移动有一定指示意义;在台风“莫拉克”过台湾岛时,其斜压涡度表现为负涡度消失,在山地附近有正涡度生成,完成过岛,台风中心被替换;斜压涡度的异常值主要位于大气的低层时,一般会产生较强的降水。
中国东部降水的极端特性及其气候特征分析
齐庆华
2019, 35(6): 742-755. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2019.067
摘要:
基于1960—2017年观测数据分析了中国东部降水极端特性的地区差异、季节和气候学特征及变化格局,探讨了与全球变化和区域气候变率的关联性。结果表明,极端性降水的演化与降水均值或总量的气候型态、降水集中性和持续性密切关联,尤其雨带迁移和雨型演替是影响极端性降水地区差异与时空演变的根本因素。气候变化背景下,中国东部极端性降水强度和频次变化存在较好的协同一致性,近60年来在长江以南,强度加大的地区极端性降水亦趋于频发。同时,两者季节特征和地区差异明显。春季东北地区及华北北部极端性降水强度和频次均有明显增加。近60年来夏季极端性降水强度和频次的趋势变化在长江以南均以增加为主,以北以下降为主。秋季极端性降水强度和频次在华北地区亦呈增加趋势。冬季华南和江南地区极端性降水强度和频次趋势变化均以增加为主。华北地区及以北和内蒙古的西部冬季极端性降水强度增加显著,但频次变化不明显。而东北地区北部冬季极端性降水在强度减小的情形下,其频次仍趋显著增加。特别是中国降水主要集中在夏季,自1980年代以来中国东部夏季多雨带南移,雨型以北方型和中间型占优,转换为以长江型和华南型为主,多雨带的极端性降水群发性强,影响指数显著增加。此外,太平洋年代际振荡(PDO)暖位相及ENSO暖事件期间,长江以北夏季极端性降水的影响指数会显著降低。而东亚夏季风的减弱则有利于长江中下游等地区夏季极端性降水的频发和群发,极端性降水强度加大,其影响的危险性趋于增强。
春季热带大西洋北部海温异常与我国盛夏降水异常的联系
李忠贤, 陈晨, 曾刚, 邓伟涛, 吴玲玲
2019, 35(6): 756-766. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2019.068
摘要:
利用Hadley中心的海表温度资料、全国160站降水资料以及NCEP-DOE AMIP-Ⅱ再分析等资料,运用多种统计分析方法,分析了春季(3—5月)热带大西洋北部海温异常变化特征及其对我国盛夏(7、8月)降水异常的影响。结果表明:春季热带大西洋北部模态是热带大西洋海温异常REOF分解的第一模态,方差贡献率为34.5%。热带大西洋北部海温异常年际变率具有明显的季节差异,其中春季最为显著。春季热带大西洋北部海温异常与我国盛夏华中地区降水异常有显著的正相关关系。进一步分析表明,春季热带大西洋北部的海温正异常可以激发出Rossby波,在热带大西洋西北部和热带东太平洋北部产生异常的气旋式环流,引起上述区域的对流层低层(上层)大气出现异常辐合(辐散),并通过热带大西洋北部地区和太平洋之间的垂直环流异常,在中太平洋地区对流层低层大气出现异常辐散,有利于西北太平洋地区产生异常反气旋式环流,异常反气旋西北侧的西南气流有利于水汽输送至我国华中地区,使该地区降水偏多。且这种影响可以通过热带大西洋北部海温异常的持续性,从春季一直持续到盛夏。
高斯过程回归方法在浙江沿海海岛冬春季阵风预报中的应用试验
胡波, 俞燎霓, 滕代高
2019, 35(6): 767-779. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2019.069
摘要:
利用2006—2016年冬春季浙江四个海岛气象站10 m大风观测资料和ERA-interim资料,首先分析了阵风因子和阵风风速的概率分布特征;然后统计阵风与10 m至500 hPa层的气温、风速、散度、涡度、比湿、垂直速度、浮力能等要素的关系,选取高相关的预报因子;最后采用高斯过程回归方法建立阵风概率预报模型,并进行试报。(1)平均风速相同时对应的阵风因子变化较大,导致阵风也出现大的差异,说明阵风数据分布具有混沌性;阵风风速具有正态或准正态分布特点,在自然对数处理后完全符合正态分布,表明采用高斯过程回归方法建立阵风概率预报模型合理可行。(2)阵风与大气低层的动力因子相关较好,而在近中层则与热力因子相关较好。(3)阵风大值样本在大气低层具有更强的下沉速度,有利于上层动量向下输送,且大值样本对应的中层气温和比湿相对大些,说明中层暖湿气流有利于湍流的发展和不稳定能量的交换。(4)试报模型的因子权重尺度分析表明,最佳预报因子绝大多数集中在875 hPa层以下,说明大气低层因子对近地面阵风起主导作用。(5)高斯过程回归模型试报表明,大部分站点阵风预报的50%概率区间上下界跨度约为2.5 m/s,75%概率区间跨度约为4.5 m/s,样本的50%和75%概率区间击中率均符合预期。
台风“温比亚”停滞少动及转向机理探究
谷秀杰, 张霞, 苏艳华, 邵宇翔, 李周
2019, 35(6): 780-788. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2019.070
摘要:
2018年1818号台风“温比亚”进入河南后停滞少动,移向有多次改变,累计在河南省境内滞留长达40小时,造成河南省东部历史罕见的极端暴雨天气。利用高空探测、地面观测、NCEP 1 °×1 °再分析等资料及中央气象台台风定位数据,对“温比亚”登陆进入河南境内后停滞少动及转向机理做详细诊断分析,结果显示:台风低压处在100 hPa高压带中的弱风区里,低层受高压带“包裹”或阻挡,低压缓行或停滞。200 hPa低压附近有风速辐合时,低压移速减慢,反之则加速,低压下游的风向对其移动方向有很好的指示意义。低压周围合成风场显示,北侧偏东风远大于南侧偏西风时,低压西行;东侧南风大于西侧北风时,低压北行;低压周围风场对称分布时,低压停滞;当非对称逐渐加强时,移向转为大风速轴的方向。500 hPa台风低压中心附近最大UV风风速演变表明,北侧东风逐渐减小,西行低压移速随之变慢;东西风速差及南北风速差均减小到最小值且基本相当时,低压先停滞后转向,而后随着反方向风速的逐渐增大,低压沿着合动量方向移动。584 dagpm与588 dagpm之间风向与低压移动方向有很好的相关性。
自动气象站资料在模拟苏北一次飑线过程中的应用
李斌, 吴立广
2019, 35(6): 789-800. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2019.071
摘要:
为了研究自动气象站资料在模拟中国东部飑线过程中的影响,利用WRF模式模拟了2009年6月14日发生在苏北地区的一次飑线过程。首先设计了两个数值试验,两个试验都只用FNL资料作为初始场和边界条件,但是模拟开始时间分别为北京时间10时和08时,离观测的飑线过程开始时间分别有3 h和5 h。在10时开始的试验(控制试验)中,模拟飑线过程时间上有3~4 h延迟,空间上向东偏移了100 km左右,但是试验可模拟出与观测相似的飑线发展过程,即对流从山东省南部开始、飑线弓形回波在江苏北部成熟和在江苏南部消亡的过程。而在08时开始的试验中(对比试验),没有能够模拟出与观测相似飑线发展过程,降水范围和飑线水平尺度偏小,对流强度明显偏弱,时间上比控制试验更晚。分析发现,FNL资料中的相对湿度低于观测,通过增加低层水汽,可提高模拟效果,对流触发时间也与观测更加接近。在加入地面自动气象站资料的敏感性实验中,对流触发时间比控制试验提前1 h,可模拟出与观测相似的飑线发展过程。因此,低层水汽对这次飑线过程模拟具有重要影响,在飑线数值模拟中加入地面自动气象站加密观测资料可有效提高模拟能力。
高分辨地形对华南区域GRAPES模式地面要素预报影响的研究
朱文达, 陈子通, 张艳霞, 杨静, 张媛
2019, 35(6): 801-811. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2019.072
摘要:
华南区域GRAPES模式动力框架的更新使得高分辨地形数据能够进入模式。引入SRTM数据实现静态数据更新,结合模式内置数据,进行了批量模拟试验;通过站点检验方式,对批量试验结果进行对比,得出以下结论:对比业务使用的Topo10 m地形、Topo30 s地形、SRTM地形和基于SRTM多种插值方案得到的地形,海拔偏差的空间分布和分位数统计都有明显的改善,复杂地形区域的改善效果更显著。通过地面要素平均绝对误差(MAE)箱须图统计和模式西部站点绝对误差(AE)时间序列图对比分析,发现高分辨地形试验的2 m气温和10 m风速MAE和AE有大幅度的改善。高分辨地形对模式静态数据的改善是2 m气温和10 m风速MAE下降的主要原因,地形复杂区域对MAE改善的贡献高于模式其他区域。高分辨地形进入模式后会引起动力过程计算的虚假扰动,适当的滤波平滑能够抑制扰动,从而进一步提高预报精度。
广东两次飑线过程的微物理特征分析研究
冯璐, 夏丰, 万齐林, 肖辉, 刘显通, 郑腾飞, 黎慧琦
2019, 35(6): 812-821. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2019.073
摘要:
基于中国气象局龙门云物理野外科学试验基地2DVD(Two-Dimensional Video Disdrometer)雨滴谱观测资料, 分析广东地区2017年5月4日(槽前型飑线)和2017年8月22日(东风型飑线)两次不同飑线系统不同降水类型的雨滴谱特征。根据雨强和雷达反射率随时间变化将降水分成对流降水和层云降水, 同时以20 mm/h为阈值将对流降水划分为对流前沿、对流中心和对流后沿。结果表明, 两次飑线系统在不同降水时期的微物理特征参数变化有所差异。槽前型飑线过程中, 对流降水的粒子分布较为分散, 中等粒径的粒子比重较高, 且对流区前半部分粒子尺寸大于“大陆性”对流特征, 后半部分粒子尺寸小于“海洋性”对流特征; 层云降水的粒子分布较为集中, 小粒径粒子居多。而东风型飑线整个降水时期基本上是由高浓度中小粒径粒子组成, 降水粒子粒径分布较为集中, 对流降水粒子介于“海洋性”和“大陆性”对流区之间。
基于卫星遥感AOD的华北地区2003—2014年PM2.5浓度时空分布特征
陈优芳, 周一敏, 赵昕奕
2019, 35(6): 822-830. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2019.074
摘要:
华北及周边地区PM2.5造成的污染, 近十年来引起了社会的广泛关注, 也是科学研究的重要领域。利用2003—2014年的卫星遥感MODIS AOD数据和2014—2015年的地面观测PM2.5浓度数据, 采用聚类分析、混合效应模型、EOF分解等统计分析方法, 反演了2003—2014年华北及周边地区PM2.5浓度, 分析其时空分布特征。主要结论如下:(1)卫星遥感MODIS AOD与地面观测PM2.5值有较高的相关系数, 可利用MODIS卫星遥感AOD对地面观测的PM2.5浓度进行反演; (2)华北地区PM2.5浓度呈现出明显的空间分布特征:太行山脉是污染强弱明确的分界线, 山脉东南部的污染显著高于西部, 且在地势变化的地方出现明显的突变; 河北南部、河南北部和山东西北部分区域是污染最严重的地区; (3)2004年、2009年以及2013年后都是污染浓度比较低的年份。
南海季风爆发的年代际转折与东亚副热带夏季降水的关系
赵小芳, 王黎娟, 陈红, 王志强
2019, 35(6): 831-841. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2019.075
摘要:
利用1979—2016年NCEP再分析资料, 分析了南海季风爆发的年代际转折与东亚副热带夏季降水的关系。结果表明:南海夏季风爆发时间在1993/1994年出现年代际转变, 1979—1993年爆发时间相对偏晚, 夏季华南降水偏少, 长江中下游至日本南部降水偏多; 1994—2016年爆发时间偏早, 夏季华南降水偏多, 长江中下游到日本南部降水偏少。南海季风爆发时间年代际转折与夏季东亚副热带降水关系可能受到菲律宾越赤道气流强度的调控, 季风爆发时间与菲律宾越赤道气流有显著正相关, 且均在1993/1994年间存在年代际转变。在1994—2016(1979—1993)年南海夏季风爆发偏早(晚), 菲律宾越赤道气流偏弱(强), 澳大利亚北部有偏北(南)风异常, 将暖池的热量往赤道输送, 使得赤道对流增强(减弱), 产生异常上升(下沉)运动汇入Hadley环流上升支, 增强(减弱)的Hadley环流导致下沉主体偏北(南), 促使副高脊线偏北(南), 从西北太平洋(孟加拉湾)往华南地区(江淮到日本南部)输送水汽增强, 所以华南(江淮到日本南部)夏季降水偏多。
基于CWRF模式夏季日降水量的订正技术对比
李欣韵, 余锦华, 梁信忠
2019, 35(6): 842-851. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2019.076
摘要:
误差订正是提高模式模拟和预报性能的有效方法。基于CWRF(regional Climate-Weather Research and Forecasting model)25套不同物理参数化方案的日降水量模拟资料, 对比仅进行降水日数订正(OCD)、仅进行降水量订正(OCM)和先订正降水日数再订正降水量(COR)三种订正方法, 先订正再等权重集成和先等权重集成再订正两种订正思路, 重点对1997—2015年华中和华南地区夏季日降水进行订正效果的对比。结果表明:(1)降水日的订正是必要的, 综合而言COR方法对CWRF模式日降水的订正效果更佳, 尤其是小量级降水, 但降水强度的表现不如OCM; (2)先集成后订正的效果更好; (3) CWRF模式不同参数化方案对日降水的模拟能力有显著差别, 经过订正后模拟能力均有所提升, 但对于不同的模拟方案, 其订正效果也不同。表明, 误差订正确实能有效提高模式模拟及预报性能, 但其效果存在不确定性。提高模式的预报性能, 关键还是提高模式对真实大气动力学的表述能力。
福建省晋江市城市热岛强度时空变化特征分析
王可心, 陈粲, 包云轩, 吕青, 奴开
2019, 35(6): 852-864. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2019.077
摘要:
利用传统的气象站法, 结合空间统计学方法(普通克里金插值法), 对福建省晋江市2010—2014年40个自动气象站逐小时温度资料加以计算处理, 分析了晋江市年、季、昼夜热岛强度时空变化规律。(1)晋江市年、季、昼夜热岛强度都呈带状分布, 等值线呈西南-东北走向, 年、季、昼夜变化趋势显著, 北部热岛强度高于南部。五年间热岛强度持续增强, 但增幅不大, 增速放缓。(2)城市化水平的提高, 会导致热岛强度高值出现季节提前, 故旅游区秋冬季热岛强度高于春夏季, 中心城区和产业经济区夏秋季热岛强度高于冬春季。(3)晋江市热岛效应昼夜空间分布格局差异性大, 夜间热岛强度显著高于白天, 最低值出现在14—16时, 中心城区和产业经济区最低值出现时间较旅游区略推迟, 三个功能区的最高值均出现在凌晨。