2020年 第36卷 第3期
2020, 36(3): 289-298.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2020.014
摘要:
利用1961—2017年共57年中国地面观测站日降水资料，采用滑动平均、百分位和点面相关分析等方法，根据延伸期预报特点以及监测预报和研究需求，着眼于体现强降水过程的区域性、持续性和致灾性，并兼顾区域气候特征和普适性，建立区域持续性强降水过程定义指标。根据该指标查找判断我国东部四个关键区域（华南、长江、黄淮、华北）的历史降水过程，1961—2017年期间共有557次区域持续性强降水过程，平均每年约10次，其中华南、长江、黄淮、华北分别有267、155、78、49次，平均每年各有4.7次、2.7次、1.4次和0.9次，呈由南向北递减的分布。统计评估结果表明，该指标能客观地判断出持续影响同一区域的相对稳定类型的大尺度持续性强降水过程，适用于延伸期业务服务和研究。
利用1961—2017年共57年中国地面观测站日降水资料，采用滑动平均、百分位和点面相关分析等方法，根据延伸期预报特点以及监测预报和研究需求，着眼于体现强降水过程的区域性、持续性和致灾性，并兼顾区域气候特征和普适性，建立区域持续性强降水过程定义指标。根据该指标查找判断我国东部四个关键区域（华南、长江、黄淮、华北）的历史降水过程，1961—2017年期间共有557次区域持续性强降水过程，平均每年约10次，其中华南、长江、黄淮、华北分别有267、155、78、49次，平均每年各有4.7次、2.7次、1.4次和0.9次，呈由南向北递减的分布。统计评估结果表明，该指标能客观地判断出持续影响同一区域的相对稳定类型的大尺度持续性强降水过程，适用于延伸期业务服务和研究。
2020, 36(3): 299-306.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2020.028
摘要:
以漳河流域为研究区域，以CMORPH卫星-地面自动站-雷达三源降水融合数据和ERA5再分析降水资料为WRF-Hydro模式的输入，进行径流模拟，对比分析模拟径流与实测径流的差异，探讨基于两种降水数据的WRF-Hydro模式在漳河流域的径流模拟效果。结果表明：三源降水融合数据的径流模拟效果较优，纳什系数均达到0.7以上，模拟径流与实测径流过程吻合较好；采用三源降水融合数据和ERA5再分析降水资料率定WRF-Hydro模式，以ERA5再分析降水资料为输入，径流模拟结果都不佳；总体而言，三源降水融合数据与WRF-Hydro模式耦合能够较好地模拟漳河流域径流过程。
以漳河流域为研究区域，以CMORPH卫星-地面自动站-雷达三源降水融合数据和ERA5再分析降水资料为WRF-Hydro模式的输入，进行径流模拟，对比分析模拟径流与实测径流的差异，探讨基于两种降水数据的WRF-Hydro模式在漳河流域的径流模拟效果。结果表明：三源降水融合数据的径流模拟效果较优，纳什系数均达到0.7以上，模拟径流与实测径流过程吻合较好；采用三源降水融合数据和ERA5再分析降水资料率定WRF-Hydro模式，以ERA5再分析降水资料为输入，径流模拟结果都不佳；总体而言，三源降水融合数据与WRF-Hydro模式耦合能够较好地模拟漳河流域径流过程。
2020, 36(3): 307-316.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2020.029
摘要:
提出一种基于深度学习的数值模式降水产品降尺度方法。利用深度学习的非线性映射能力和对栅格数据的信息提取能力，建立深度超分辨率模型提取不同分辨率数值模式降水产品间相对应的有效信息，从而将低分辨率数值模式降水产品利用提取的信息重构为高分辨率产品，继而通过构建多时次组合降尺度深度模型提取时间关联性进一步提升了重构准确性。基于欧洲中期天气预报中心不同尺度数值模式降水产品的实验表明所提方法能够比常用的双三次插值方法更有效地将低分辨率降水产品转换为对应的高分辨率产品。
提出一种基于深度学习的数值模式降水产品降尺度方法。利用深度学习的非线性映射能力和对栅格数据的信息提取能力，建立深度超分辨率模型提取不同分辨率数值模式降水产品间相对应的有效信息，从而将低分辨率数值模式降水产品利用提取的信息重构为高分辨率产品，继而通过构建多时次组合降尺度深度模型提取时间关联性进一步提升了重构准确性。基于欧洲中期天气预报中心不同尺度数值模式降水产品的实验表明所提方法能够比常用的双三次插值方法更有效地将低分辨率降水产品转换为对应的高分辨率产品。
2020, 36(3): 317-327.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2020.030
摘要:
提出一种雷达回波图像中飑线特征自动识别的方法。以多普勒天气雷达探测资料为主要数据源，对雷达探测到的基本反射率的空间分布和强度进行分析，通过数值预处理、高通滤波、二值化降噪、图像特征提取、目标物的中轴线提取，以及飑线形态分析等一系列步骤，实现对雷达飑线特征的智能识别。克服了回波高值区域不连通、碎块化对飑线自动识别造成的困难。通过4次强对流天气个例检验，飑线自动识别的准确率达到75%左右，尤其对呈现直线或劣弧状，且边界清晰的高值回波区，具有更高的识别成功率。该方法将以往需要由气象专业人员主观分析、判读雷达回波图像的工作自动化、客观化，可提高飑线识别、强对流天气预警相关业务的准确性和时效性。
提出一种雷达回波图像中飑线特征自动识别的方法。以多普勒天气雷达探测资料为主要数据源，对雷达探测到的基本反射率的空间分布和强度进行分析，通过数值预处理、高通滤波、二值化降噪、图像特征提取、目标物的中轴线提取，以及飑线形态分析等一系列步骤，实现对雷达飑线特征的智能识别。克服了回波高值区域不连通、碎块化对飑线自动识别造成的困难。通过4次强对流天气个例检验，飑线自动识别的准确率达到75%左右，尤其对呈现直线或劣弧状，且边界清晰的高值回波区，具有更高的识别成功率。该方法将以往需要由气象专业人员主观分析、判读雷达回波图像的工作自动化、客观化，可提高飑线识别、强对流天气预警相关业务的准确性和时效性。
2020, 36(3): 328-334.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2020.031
摘要:
综合分析罗斯贝、辛普森、拉欣和桑德斯等关于空气的干绝热和湿绝热过程的研究，从定义出发，严格推出罗-辛假相当位温（θses）的精确计算公式，包含罗斯贝假相当位温（θse）与辛普森假相当位温（θss），编制出5种假相当位温变量表，对比分析了文献[12 ]及其计算结果与本文相应结果的差异，并分析指出差异的原因。
综合分析罗斯贝、辛普森、拉欣和桑德斯等关于空气的干绝热和湿绝热过程的研究，从定义出发，严格推出罗-辛假相当位温（θses）的精确计算公式，包含罗斯贝假相当位温（θse）与辛普森假相当位温（θss），编制出5种假相当位温变量表，对比分析了文献[
2020, 36(3): 335-346.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2020.032
摘要:
新一代全球降水观测计划GPM作为TRMM卫星的继承者，在物理探测和降水反演算法上具有明显进步。以广东省雨量自动站为基准，对2014—2018年间GPM的格点降水估测产品IMERG（V5B）的日变化特征和估测误差进行分析。结果表明，IMERG能清晰反映广东前、后汛期的降水双峰型特征，但对下午降水峰值明显高估，峰值出现时间滞后；而对于沿海早晨峰值降水则明显低估，对于降水极值，低估更加显著。IMERG对两个峰值的估测误差受不同因素影响，下午峰值降水的相对偏差与地形密切相关，珠江三角洲平原为稳定高估区，地形高度越高，低估幅度越大；而早晨峰值降水极值负偏差与地形高度、降水量的相关性均较小。对出现显著负偏差的早晨沿海降水样本日进行925 hPa风场合成，可知IMERG明显低估时，对应区域上游较强的超低空西南气流与风速夜间增长。IMERG对这一季风活动背景降水的低估构成了其估测早晨降水误差的主要来源。
新一代全球降水观测计划GPM作为TRMM卫星的继承者，在物理探测和降水反演算法上具有明显进步。以广东省雨量自动站为基准，对2014—2018年间GPM的格点降水估测产品IMERG（V5B）的日变化特征和估测误差进行分析。结果表明，IMERG能清晰反映广东前、后汛期的降水双峰型特征，但对下午降水峰值明显高估，峰值出现时间滞后；而对于沿海早晨峰值降水则明显低估，对于降水极值，低估更加显著。IMERG对两个峰值的估测误差受不同因素影响，下午峰值降水的相对偏差与地形密切相关，珠江三角洲平原为稳定高估区，地形高度越高，低估幅度越大；而早晨峰值降水极值负偏差与地形高度、降水量的相关性均较小。对出现显著负偏差的早晨沿海降水样本日进行925 hPa风场合成，可知IMERG明显低估时，对应区域上游较强的超低空西南气流与风速夜间增长。IMERG对这一季风活动背景降水的低估构成了其估测早晨降水误差的主要来源。
2020, 36(3): 347-359.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2020.033
摘要:
地表种类的城市化对城市区域的热力结构和局地环流都会产生巨大的影响。利用地面、高空观测资料和MODIS地表覆盖资料，使用耦合城市冠层模式(UCM)的区域中尺度数值模式(WRF)，对2013年8月8日福州地区的一次极端高温天气过程进行数值模拟，研究地表利用变化对福州城市热岛效应及其对福州城市区域局地环流的影响。结果表明：地表利用的城市化使得午后城市热岛现象更加明显而夜间热岛效应呈现出减小的趋势；地表利用城市化后，中心城区的近地面风速减小，但城区与山区以及城区与海洋之间的局地热力环流明显加强，促进了山谷风和海陆风环流的发展；同时地表加热效应增强，促进了垂直运动的发展。
地表种类的城市化对城市区域的热力结构和局地环流都会产生巨大的影响。利用地面、高空观测资料和MODIS地表覆盖资料，使用耦合城市冠层模式(UCM)的区域中尺度数值模式(WRF)，对2013年8月8日福州地区的一次极端高温天气过程进行数值模拟，研究地表利用变化对福州城市热岛效应及其对福州城市区域局地环流的影响。结果表明：地表利用的城市化使得午后城市热岛现象更加明显而夜间热岛效应呈现出减小的趋势；地表利用城市化后，中心城区的近地面风速减小，但城区与山区以及城区与海洋之间的局地热力环流明显加强，促进了山谷风和海陆风环流的发展；同时地表加热效应增强，促进了垂直运动的发展。
2020, 36(3): 360-369.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2020.034
摘要:
气候系统模式输出结果是当前开展气候预测业务的重要参考依据之一，如何提高气候系统模式输出结果的可信度是改进气候业务预测能力的关键之一。利用1999—2010年NCEP CFSv2模式每日四次预测未来45天的回算数据，分析了集合样本数对模式预测能力的影响。分析结果表明，模式对月平均500 hPa位势高度的预测技巧在热带地区较高，而中高纬度地区较低；模式对500 hPa位势高度时间异常的预测能力优于空间异常。无论是空间异常还是时间异常，随着模式超前时间的增加，预测技巧均逐渐降低，但是在不同区域和不同月份，模式预测技巧随超前时间的变化存在差异。此外，模式预测技巧存在非常大的年际变率。增加集合样本数，对不同月份和不同起报时间预测技巧的稳定度和预测技巧值均有明显正效果，特别是对亚洲中纬度地区改善度较大。增加集合样本数也可以在一定程度上降低模式预测技巧年际变率。集合样本数增加对于500 hPa位势高度空间异常的改进优于时间异常。
气候系统模式输出结果是当前开展气候预测业务的重要参考依据之一，如何提高气候系统模式输出结果的可信度是改进气候业务预测能力的关键之一。利用1999—2010年NCEP CFSv2模式每日四次预测未来45天的回算数据，分析了集合样本数对模式预测能力的影响。分析结果表明，模式对月平均500 hPa位势高度的预测技巧在热带地区较高，而中高纬度地区较低；模式对500 hPa位势高度时间异常的预测能力优于空间异常。无论是空间异常还是时间异常，随着模式超前时间的增加，预测技巧均逐渐降低，但是在不同区域和不同月份，模式预测技巧随超前时间的变化存在差异。此外，模式预测技巧存在非常大的年际变率。增加集合样本数，对不同月份和不同起报时间预测技巧的稳定度和预测技巧值均有明显正效果，特别是对亚洲中纬度地区改善度较大。增加集合样本数也可以在一定程度上降低模式预测技巧年际变率。集合样本数增加对于500 hPa位势高度空间异常的改进优于时间异常。
2020, 36(3): 370-376.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2020.035
摘要:
风速剖面是各类工程结构抗风设计的关键参数。为了准确估算近海各类工程建筑结构承受的风荷载作用，通过在对数风剖面中引入大气稳定度函数和拖曳系数来刻画大气层结和海气交换作用对近海风速剖面的影响并建立相应的模型，最后利用强台风“黑格比”(0814号)的实测数据对模型进行了验证。研究结果表明：大气层结和海气交换作用对台风“黑格比”风速剖面有一定的影响，考虑大气层结和海气交换作用的风速剖面较对数剖面更能准确描述台风过程的风速剖面特征。
风速剖面是各类工程结构抗风设计的关键参数。为了准确估算近海各类工程建筑结构承受的风荷载作用，通过在对数风剖面中引入大气稳定度函数和拖曳系数来刻画大气层结和海气交换作用对近海风速剖面的影响并建立相应的模型，最后利用强台风“黑格比”(0814号)的实测数据对模型进行了验证。研究结果表明：大气层结和海气交换作用对台风“黑格比”风速剖面有一定的影响，考虑大气层结和海气交换作用的风速剖面较对数剖面更能准确描述台风过程的风速剖面特征。
2020, 36(3): 377-388.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2020.036
摘要:
利用浙江省66个基本气象站1979—2010年的日平均气温数据，系统评估了三套再分析资料R1、R2和CFSR对浙江省气温的刻画能力。结果表明：三套再分析资料的气候平均态与观测均存在一定差异，其中R1、R2的空间分布型与观测较为接近，CFSR与观测差异较大；三套再分析资料均存在系统性冷偏差且这一偏差在32年中稳定存在，其中CFSR的冷偏差更显著，浙南地区是其冷偏差的重要来源。三套资料的均方根误差均存在季节变化：冬季（特别是1月）误差较小而夏季（特别是7-8月）误差较大，R1和R2的季节差异强于CFSR。CFSR对浙江省气温变率的把握能力优于R1和R2，其距平场EOF分解前三模态的空间型态和时间系数与观测更为接近。系统误差订正后，三套再分析资料的可信度得到显著改善，CFSR的改善效果最明显，说明系统性误差是三套再分析资料偏差的重要来源。改善后三套再分析资料的均方根误差和空间相关系数大体相当。CFSR网格点气温插值到观测站点时因海拔差异导致的误差以及CFSR在浙江省的模式地形偏高可能是其有较大冷偏差的重要原因。
利用浙江省66个基本气象站1979—2010年的日平均气温数据，系统评估了三套再分析资料R1、R2和CFSR对浙江省气温的刻画能力。结果表明：三套再分析资料的气候平均态与观测均存在一定差异，其中R1、R2的空间分布型与观测较为接近，CFSR与观测差异较大；三套再分析资料均存在系统性冷偏差且这一偏差在32年中稳定存在，其中CFSR的冷偏差更显著，浙南地区是其冷偏差的重要来源。三套资料的均方根误差均存在季节变化：冬季（特别是1月）误差较小而夏季（特别是7-8月）误差较大，R1和R2的季节差异强于CFSR。CFSR对浙江省气温变率的把握能力优于R1和R2，其距平场EOF分解前三模态的空间型态和时间系数与观测更为接近。系统误差订正后，三套再分析资料的可信度得到显著改善，CFSR的改善效果最明显，说明系统性误差是三套再分析资料偏差的重要来源。改善后三套再分析资料的均方根误差和空间相关系数大体相当。CFSR网格点气温插值到观测站点时因海拔差异导致的误差以及CFSR在浙江省的模式地形偏高可能是其有较大冷偏差的重要原因。
2020, 36(3): 389-400.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2020.037
摘要:
传统的高阶精度有限差分格式通常是在均匀网格的基础上推导得到的，在非均匀网格的情况下它会出现精度退化的问题。基于泰勒展开方法构造了一种适用于非均匀网格的2阶、4阶和6阶精度中央有限差分方案，利用Burgers方程和一维平流方程对新方案的性能进行测试，着重分析新方案对其误差大小及分布形态的改进效果。数值模拟结果表明：在非均匀网格下，提高差分方案的精度可明显减小数值解误差(降低了70%~88%)，特别是当差分精度从2阶提高到4阶的时候。同时，高阶精度方案在梯度变化较大或者网格距较粗区域的模拟结果更有优势，4阶和6阶精度方案在以上区域的误差远小于2阶精度方案。方案可用于提高数值天气预报模式中非均匀分层模式的垂直差分计算精度。
传统的高阶精度有限差分格式通常是在均匀网格的基础上推导得到的，在非均匀网格的情况下它会出现精度退化的问题。基于泰勒展开方法构造了一种适用于非均匀网格的2阶、4阶和6阶精度中央有限差分方案，利用Burgers方程和一维平流方程对新方案的性能进行测试，着重分析新方案对其误差大小及分布形态的改进效果。数值模拟结果表明：在非均匀网格下，提高差分方案的精度可明显减小数值解误差(降低了70%~88%)，特别是当差分精度从2阶提高到4阶的时候。同时，高阶精度方案在梯度变化较大或者网格距较粗区域的模拟结果更有优势，4阶和6阶精度方案在以上区域的误差远小于2阶精度方案。方案可用于提高数值天气预报模式中非均匀分层模式的垂直差分计算精度。
2020, 36(3): 401-415.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2020.038
摘要:
为探究环境风切变在对流系统发生发展与维持过程中的重要性，利用2009年6月5日20时（北京时）上海宝山站的探空资料生成理想试验初始场，设计了包含改变整层、中层和低层风切变在内的多组试验，对比分析各试验系统的动热力结构特征及其演变发现：(1)整层环境风切变的改变对中尺度对流系统的影响最显著，其次是中层风切变。增大整层风切变时，对流系统强度及组织性最强，生命史增长。减小整层风切变时，系统强度最弱且组织结构易发散。(2)风切变增加，水平涡度增大，其受垂直运动影响转化为垂直涡度，涡旋对与垂直运动间相互作用形成的正反馈过程是系统强度增强并可以长时间维持线状结构的重要原因。(3)风切变减小，对流系统移动速度远小于阵风锋，阵风锋移至系统前方，阻断系统前沿上升气流必需的暖输送。阵风锋后冷而稳定的环境令系统逐渐消散。
为探究环境风切变在对流系统发生发展与维持过程中的重要性，利用2009年6月5日20时（北京时）上海宝山站的探空资料生成理想试验初始场，设计了包含改变整层、中层和低层风切变在内的多组试验，对比分析各试验系统的动热力结构特征及其演变发现：(1)整层环境风切变的改变对中尺度对流系统的影响最显著，其次是中层风切变。增大整层风切变时，对流系统强度及组织性最强，生命史增长。减小整层风切变时，系统强度最弱且组织结构易发散。(2)风切变增加，水平涡度增大，其受垂直运动影响转化为垂直涡度，涡旋对与垂直运动间相互作用形成的正反馈过程是系统强度增强并可以长时间维持线状结构的重要原因。(3)风切变减小，对流系统移动速度远小于阵风锋，阵风锋移至系统前方，阻断系统前沿上升气流必需的暖输送。阵风锋后冷而稳定的环境令系统逐渐消散。
2020, 36(3): 416-432.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2020.039
摘要:
在同化系统中使用更合理的背景误差协方差对于得到更良好的同化效果至关重要。首先采用NMC方法针对中国区域构建更适合WRF-ARW区域预报系统的B矩阵，并对比分析了其与GSI同化系统预设的NCEP预报系统的B矩阵在分析变量间的平衡关系、分析控制变量的标准差、水平和垂直特征尺度等方面的特征差异。参照这些特征差异设计单点观测试验、背景误差协方差调优参数敏感性试验，确定针对中国区域构建B矩阵的最佳调优参数。并讨论其对一次季风低压强降水天气过程的循环同化和预报效果的影响。结果表明，采用最佳调优参数使用针对中国区域构建B矩阵的试验(Sen6)对V风分量场和相对湿度场的预报性能改进显著，同时也引出了GSI同化系统背景误差协方差参数调优(尤其是水平特征尺度参数调整)的两难问题。在此基础上，采用Hybrid同化方法使用针对中国区域构建B矩阵的循环同化试验(Hyb3)可以进一步改善预报效果，并在一定程度上修正个例模拟雨带的位置。
在同化系统中使用更合理的背景误差协方差对于得到更良好的同化效果至关重要。首先采用NMC方法针对中国区域构建更适合WRF-ARW区域预报系统的B矩阵，并对比分析了其与GSI同化系统预设的NCEP预报系统的B矩阵在分析变量间的平衡关系、分析控制变量的标准差、水平和垂直特征尺度等方面的特征差异。参照这些特征差异设计单点观测试验、背景误差协方差调优参数敏感性试验，确定针对中国区域构建B矩阵的最佳调优参数。并讨论其对一次季风低压强降水天气过程的循环同化和预报效果的影响。结果表明，采用最佳调优参数使用针对中国区域构建B矩阵的试验(Sen6)对V风分量场和相对湿度场的预报性能改进显著，同时也引出了GSI同化系统背景误差协方差参数调优(尤其是水平特征尺度参数调整)的两难问题。在此基础上，采用Hybrid同化方法使用针对中国区域构建B矩阵的循环同化试验(Hyb3)可以进一步改善预报效果，并在一定程度上修正个例模拟雨带的位置。
粤公网安备 4401069904700003号