ISSN 1004-4965

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2021年  第37卷  第1期

述评
不同计算形式的相关分析在气象中的应用综述
朱玉祥, 江剑民, 赵亮, 刘海文, 侯美亭, 李宏毅, 万文龙, 赵翠光
2021, 37(1): 1-13. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.001
摘要:
相关分析在气象科研和业务中具有广泛应用,是定量分析气象变量之间关系的重要工具。首先系统综述了气象科研与业务中不同计算形式的相关分析算法,然后重点阐述了相关分析在气象领域应用的最新进展,特别是全窗口滑动相关和相关系数的扫描式多尺度突变检测算法。接着介绍了大数据研究领域中新发展的相关分析算法,简析了其对气象相关分析的启示。最后分析了气象相关分析中存在的问题,并且对相关分析在气象领域未来的发展趋势进行了展望。
论著
江淮梅雨期强降水和大气不同时间尺度波动的关系
周宁芳, 李勇, 贾小龙
2021, 37(1): 14-24. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.002
摘要:
中国的江淮梅雨具有多时间尺度特征,利用1979—2017年欧洲中期预报中心逐日再分析资料(ERA-interim)和台站逐日降水观测数据,采用滤波和合成分析等统计方法,分析了江淮梅雨期间不同时间尺度强降雨过程的特征,对比研究了不同时间尺度强降水对应的大气环流系统波动的演变特征。研究表明江淮梅雨降水集中期开始前1~9天和10~20天尺度的强降水首先增多,而21~30天时间尺度的强降水在降水集中期开始增多。低频周期波动(10~20天和21~30天)比天气尺度波动可以提供更持续和更深厚的暖平流输送,触发持续时间更长的垂直运动和水汽输送,有利于持续性强降水的发生。与1~9天天气尺度波动相关的强降水主要与上游自中亚经青藏高原向下游传播并不断发展加强的Rossby波能量传播有关,青藏高原对天气尺度涡旋的增强有重要作用;对10~20天尺度强降水,高层中纬度东北亚低频反气旋环流西移南压,长时间维持在江淮地区,低层南海-西太平洋地区准双周振荡西北向传播,伴随西北太平洋副热带高压加强西伸是主要影响过程;对21~30天尺度强降水而言,江淮上空移动性环流不明显,高层反气旋性环流增强的过程与其北南两侧,即贝加尔湖及其以东地区气旋环流和南海-西太平洋气旋环流的发展移动有密切的联系,同时伴随了对流层中低层西北太平洋地区21~30天尺度低频波的西北传播。
低纬高原地区短时强降水与雷电活动相关性研究
殷娴, 胡颖, 尹丽云
2021, 37(1): 25-33. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.003
摘要:
为了研究短时强降水过程与雷电活动过程的相关性,统计了2012—2016年云南省126个国家级气象站的短时强降水次数和降水量,以及强降水时段内、强降水前1小时站点周边50公里、30公里、10公里半径范围内的地闪次数。运用概率统计理论分析强降水过程发生时、过程前1小时周边不同尺度范围内地闪发生的概率。同时应用相关回归方法分析短时强降水过程降水量与地闪次数的相关性,建立多元回归方程,并对方程进行验证。研究结果表明:低纬高原地区春夏季节,80%的短时强降水过程伴随有闪电活动发生,70%左右的短时强降水过程前1小时,就有闪电活动发生。同时,短时强降水过程降水量与地闪次数存在函数对应关系,在一定程度上,地闪次数可作为区域强降水过程降水量的预测因子之一。
台风Lekima(1909)登陆前后动热力结构变化对浙江极端降水的影响
韩芙蓉, 鹿翔, 冯晓钰, 吴天贻, 黄嘉仪
2021, 37(1): 34-48. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.004
摘要:
利用NCEP FNL 1 °×1 °的全球再分析资料、FY-2F卫星相当黑体亮温TBB资料、中国自动站与CMORPH降水产品融合的逐时降水资料和多普勒天气雷达资料,重点分析了台风Lekima(2019)发展演变过程中的动热力结构变化和水汽分布特征与浙江极端强降水之间的关系。台风Lekima(2019)近海急剧加强为具有特殊双眼壁结构的超强台风,登陆前后环境水平风垂直切变维持较小值是主导台风高强度维持的重要原因。浙江上空维持着强盛的低层辐合和高层辐散场,高低层辐散风的高强度维持使得次级环流抽吸作用强,低层旋转风和辐散风对水汽、动量和热量的输送和分布起到显著的再分配作用,而中层的辐散风风向和风速变化对螺旋云带中的中尺度对流性降水具有重要的指示意义。登陆前后台风低层东北侧(超)低空急流和中层的辐合线是此次浙江台风暴雨的关键点,业务中需密切关注登陆前后台风东北侧的低空急流的影响区域及其变化。此外,700 hPa上非地转湿Q矢量散度场能较好指示未来1小时短时强降水的落区和强度变化,同时结合垂直速度场和低层水汽辐合场来综合判断台风降水落区的效果更佳。
2019年韶关“5·18”局地特大暴雨极端性成因分析
汪海恒, 张曙, 伍志方, 陈浩伟, ZHUYong-bing, 庞菁菁
2021, 37(1): 49-60. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.005
摘要:
2019年5月18日,广东省韶关市出现了局地特大暴雨,刷新了韶关有气象记录以来的雨量记录。利用常规观测资料、区域气象自动站观测资料、韶关双偏振多普勒天气雷达资料,以及NCEP 1 °×1 °再分析资料对本次过程进行详细分析,探讨本次过程发生的极端性成因。(1) 本次过程是粤北历史罕见的局地暖区突发性特大暴雨过程,天气尺度的背景场较弱,极端性条件不显著,但能从中尺度分析场分析出暴雨潜势。(2) 暴雨发生之前,韶关一直处于偏南暖湿气流控制的区域,并且随着对流抑制减小为0,对流有效位能增强,自由对流高度下降至近地面,使得气块更容易被强迫抬升。(3) 多个单体持续发展与合并,出现“列车效应”,近地面冷池维持向南楔入,低层西南风加强叠加于冷池上导致强风速辐合辐散区和中气旋的出现,是维持强回波持续发展的重要原因;回波呈暖区降水的垂直结构特性,也呈现出近地面层冷池对暖湿气流强迫抬升的结构特征,侧面说明了强降水触发机制。(4) 地形对对流触发和暴雨的增幅有重要影响,峡谷和喇叭口地形加强了偏南气流的汇入及辐合作用,山前迎风坡除了地形抬升作用外,位于山前的地面辐合线对于对流既有触发又有加强与维持的作用。(5) 山前强水平温度梯度为对流发生提供了有利的环境条件,当初生对流出现降雨之后,水平温度梯度进一步加强,形成了温度梯度与对流强度之间的正反馈过程,因而对流持续发展与维持。(6) 对于此类突发的短历时强降水造成的暖区暴雨,监测和短临预警仍然是主要手段。
广东2月“冷干”和“暖干”年代际特征对比及其与海温异常的联系
胡蓓蓓, 胡娅敏
2021, 37(1): 61-72. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.006
摘要:
根据1961—2019年广东86个站点的降水和气温以及大气环流和海温资料,采用统计分析方法,研究广东2月降水和气温的时空分布特征及其相应的大气环流与海温特征。结果表明:近59年广东2月有两个年代际降水偏少时段,但对应的气温特征显著不同,分别是1961—1981年“冷干”和1999—2019年“暖干”,其对应的大气环流特征表明,第一时段1961—1981年(第二时段1999—2019年)500 hPa高度场以经向(纬向)环流为主,东亚大槽偏强(弱),东亚冬季风偏强(弱),低层受异常北(南)风控制,地面冷高压偏强(弱),偏强的冷空气阻碍了来自海上的水汽输送(偏弱的冷空气不能南下至广东),使得广东处于水汽辐散区(青藏高原表现为反气旋式环流,南支系统不活跃,对广东地区水汽输送不足),最终导致广东2月低温少雨(高温少雨)。进一步的分析表明,热带东太平洋和北太平洋中部海温异常是影响广东2月降水的重要外强迫因子,其中第一时段1961—1981年(第二时段1999—2019年)是热带东太平洋(北太平洋中部)海温异常偏冷(暖)通过850 hPa经向风切变偏弱(北太平洋中部异常反气旋环流)来影响广东降水。热带印度洋全区一致型、西太平洋暖池区和北太平洋中部海温异常是影响广东2月气温的外强迫因子,其中前两者主要通过东亚大槽这一环流影响广东气温,而北太平洋中部海温仅影响“暖干”期下广东2月的气温。
相似误差订正方法在风电短期风速预报中的应用研究
赵文婧, 李照荣, 王小勇, 李遥, 闫晓敏, 刘抗, 邸燕君, 达选芳
2021, 37(1): 73-81. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.007
摘要:
为降低风电场短期预报风速误差,减少风电场短期风功率偏差积分电量,提高风电场发电功率预测准确率,分季节研究了相似误差订正方法对ECMWF单台风机预报风速的订正效果。结果表明:相似误差订正后不同风机预报风速的误差差距减小;预报风速的平均绝对偏差和均方根误差明显降低,其中夏季和秋季华能义岗风电场两个指标降低幅度均超过0.1 m/s、会宁丁家沟风电场均超过0.2 m/s;订正风速削减了原始预报的极值,可反映大部分时段实况风速3 h内的趋势变化,个别时段订正风速与实况趋势相反;订正后预报风速在风功率敏感区的平均绝对偏差明显降低,华能义岗风电场四季降低幅度在0.112~0.242 m/s之间、会宁丁家沟风电场四季降低幅度在0.131~0.430 m/s之间,有效降低了原始预报误差带来的短期风功率偏差积分电量扣分值;订正风速较原始预报更多分布在风功率敏感区。该方法实际应用灵活,对提高风电场短期预报风速准确率有可观的效果,并可有效减少短期风功率偏差积分电量考核。
宁波舟山港气象灾害风险及服务效益评估
孔扬, 赵昶昱, 王科, 徐建红, 周宜航, 薛国强, 钱燕珍
2021, 37(1): 82-90. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.008
摘要:
近年来海洋经济和港口快速发展,港口吞吐量不断增长,气象灾害对港口的安全生产和经济效益影响日益显著。对港口气象风险及气象服务效益的评估不仅能促进公众对气象事业的认知,也是各部门制定相关工作规划的重要参考。采用国际减灾战略风险评估模型,基于1974—2019年气象数据和2013—2019年港口险情事故数据,讨论浙江省宁波市舟山港不同重现期下的灾害危险性、承载体脆弱性、自然灾害风险指数。采用对比分析法构建服务效益评估模型,基于致灾因子综合强度指数、港口管制数据、码头计划兑现率数据、气象监测数据,对模型进行量化。评估结果表明,2016年、2019年港口自然灾害风险偏高。2017年以来,气象服务通过提高作业效率、增加作业时间,为港口产生上亿元的服务效益。提出的评估技术已在宁波业务应用,对类似港口有一定借鉴。
概率密度匹配方法在我国近海海面10 m风速预报中的应用
胡海川, 赵伟, 董林
2021, 37(1): 91-101. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.009
摘要:
海面风速对航运及海上生产作业影响重大,但数值模式对于海面的风速预报仍存在较大误差。为降低数值模式海面10 m风速预报的系统性误差,提高海上大风预报准确率,基于2017—2019年中国气象局地面气象观测资料对ECMWF确定性模式的10 m风场预报结果进行检验评估,并采用概率密度匹配方法对模式误差进行订正。分析结果表明,概率密度匹配方法可有效地改善数值模式10 m风速预报的系统性误差,订正后风速在各个预报时效和风速量级的平均误差均较订正前有所降低。对于大量级风速的预报,经概率密度匹配方法订正后的风速预报的漏报率可减少10%以上。订正后12 h预报时效的8、9级风速预报的平均绝对误差分别由4.15 m/s、5.61 m/s降低至3.12 m/s、4.08 m/s,120 h预报时效的8、9级风速预报的平均绝对误差由7.38 m/s、9.35 m/s减小至6.46 m/s、8.07 m/s。在冷空气、台风大风天气过程中,基于概率密度匹配方法订正后的风速与实况观测更接近,能够为我国近海洋面10 m风速的预报提供更准确的参考。
华南飑线升尺度增长过程中的多尺度能量相互作用分析
张弛, 沈新勇, 张玲, 王林, 郭春燕, 李小凡
2021, 37(1): 102-111. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.010
摘要:
采用WRF模式对华南飑线的升尺度增长过程进行模拟,利用Barnes滤波将模式数据分解为三个尺度,分别代入相应的能量方程中进行计算,从能量角度研究飑线升尺度增长过程中动能和位能的变化,以及三个尺度系统能量的相互转化。研究表明:动能的变化与飑线过程中各尺度系统的演变有较好的对应,β中小尺度对流的发展对应β中小尺度系统动能的变化,而在飑线升尺度增长过程中,α中尺度系统动能快速增长。在飑线发展过程中环境场通过位能向动能的转化使得β中小尺度对流快速发展加强,而β中尺度飑线的快速发展与合并加强导致了飑线的升尺度增长。在飑线的升尺度增长过程中,β中小尺度动能大量转化为α中尺度动能使得α中尺度飑线迅速增强,而环境场对飑线升尺度增长过程的直接影响较小。
利用贝叶斯方法改进华南地区冰雹识别效果
李博勇, 胡志群, 郑佳锋, 陈超
2021, 37(1): 112-125. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.011
摘要:
使用2019年广东S波段双偏振雷达观测的冰雹和非冰雹数据,统计得到冰雹和非冰雹的雷达反射率Z、差分反射率ZDR和相关系数CC先验概率密度分布,采用贝叶斯方法,根据雷达参量在冰雹和非冰雹条件下的概率以及冰雹和非冰雹的先验概率来确定某一距离库上所测到的(ZZDR、CC)所代表冰雹和非冰雹的概率,并用两个个例,比较分析了WSR-88D冰雹识别算法和贝叶斯方法对冰雹识别的效果,分析表明,两种方法都能较准确地识别出冰雹云,但是贝叶斯方法识别范围较大,这可能与华南地区多为雨夹雹有关。
有无El Niño影响下热带北大西洋春季增暖的差异及可能成因
叶洋波, 余锦华
2021, 37(1): 126-135. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.012
摘要:
热带北大西洋(Northern Tropical Atlantic,NTA)海温异常(sea surface temperature anomaly,SSTA)对美洲乃至全球的气候变率有着重要影响。利用再分析资料对NTA的暖SSTA进行诊断,分析有、无El Niño影响下春季增暖的差异以及可能的成因。结果表明,与El Niño有关的情形中关键区(5~25 °N,10~60 °W)平均春季SSTA为0.55 ℃,无El Niño情形是0.37 ℃;前者与冬季的显著正偏差出现在NTA,后者主要发生在NTA的东侧,且正偏差的数值较小。El Niño激发的热带外Rossby波活动通过加强北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation,NAO)负位相,引起El Niño峰值后NTA海域显著的西风异常,暖Kelvin波加热NTA对流层大气,增强其容纳水汽的能力,减小海-气界面的垂直湿度梯度,两者共同作用使海表蒸发减弱,在NTA春季呈现显著暖SSTA。与El Niño无关的情形中,NTA SSTA的变化主要受热带海-气反馈过程的调制,其与热带外NAO的季节内振荡有关,NAO的季节平均负位相较弱,异常西风值较小,同时海-气垂直湿度梯度异常增大,使春季NTA的增暖较弱。
基于径向基函数神经网络温度预报订正方法及评估
张亚刚, 杨银, 张成军, 纪晓玲, 杨文军, 毛璐
2021, 37(1): 136-144. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.013
摘要:
根据中央气象台自2017年10月—2018年9月20:00起报未来72 h 0.05 °×0.05 °分辨率格点日最高、最低温度指导预报和国家气象信息中心格点温度实况,应用Matlab神经网络工具箱提供的newrbe函数,建立基于径向基函数(RBF)神经网络的温度预报模型,对2018年10月—2019年9月RBF预报产品进行格点检验评估,并与同期的EC模式预报产品做了对比。结果表明:(1)通过RBF模型订正后的24 h、48 h和72 h日最高和最低温度预报准确率较中央气象台指导预报(NMC)分别提高了7.21%、6.98%、5.48%和5.67%、4.46%、4.47%,均为正技巧,且春、夏、秋季预报订正效果要好于冬季;(2)分区域预报检验来看,除海源、同心、彭阳的最高温度预报和海源、惠农的最低温度预报误差偏较大外,其他区域的误差基本都小于2 ℃。特别是对强降温、霜冻天气的温度预报准确率高于NMC,对预报员有一定的参考价值。