2024年 第40卷 第3期
2024, 40(3): 341-351.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.031
摘要:
台风中心定位的微小误差会对台风路径预报造成较大的偏离，因此精确定位台风中心是台风路径预测和灾害预报的重要步骤。台风云系随时间不断变化且风力强弱不一，在卫星云图中呈现了多样性和复杂性，现有基于神经网络的模型由于缺少对台风特征图像多维度参数的权重合理分配，在自动提取台风图像特征上受到了限制。为此，提出一种融合通道注意力与坐标注意力的神经网络模型（TY-LOCNet），首先搭建深度卷积神经网络模型提取台风特征；其次引入通道注意力机制从台风特征中捕获通道级别的信息，提升模型对重要通道的关注度；然后将通道注意力结果输入到坐标注意力机制中全局标定台风位置信息，使模型能够在较大的区域关注到台风的形态结构；此外，均方误差损失函数未能融合计算坐标导致定位精度低，因此提出距离损失函数(DISTLoss)通过距离回归提高模型定位精度。实验结果表明，TY-LOCNet的平均位置误差(MLE)、平均定位误差(MAE)和检测速度分别为3.502像素，0.292°和17 FPS，优于其他模型。台风中心定位模型TY-LOCNet可为台风预报提供实时性台风中心定位支持。
台风中心定位的微小误差会对台风路径预报造成较大的偏离，因此精确定位台风中心是台风路径预测和灾害预报的重要步骤。台风云系随时间不断变化且风力强弱不一，在卫星云图中呈现了多样性和复杂性，现有基于神经网络的模型由于缺少对台风特征图像多维度参数的权重合理分配，在自动提取台风图像特征上受到了限制。为此，提出一种融合通道注意力与坐标注意力的神经网络模型（TY-LOCNet），首先搭建深度卷积神经网络模型提取台风特征；其次引入通道注意力机制从台风特征中捕获通道级别的信息，提升模型对重要通道的关注度；然后将通道注意力结果输入到坐标注意力机制中全局标定台风位置信息，使模型能够在较大的区域关注到台风的形态结构；此外，均方误差损失函数未能融合计算坐标导致定位精度低，因此提出距离损失函数(DISTLoss)通过距离回归提高模型定位精度。实验结果表明，TY-LOCNet的平均位置误差(MLE)、平均定位误差(MAE)和检测速度分别为3.502像素，0.292°和17 FPS，优于其他模型。台风中心定位模型TY-LOCNet可为台风预报提供实时性台风中心定位支持。
2024, 40(3): 352-361.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.032
摘要:
利用翔安风廓线雷达和厦门探空雷达资料，对2016年超强台风“莫兰蒂”外雨带(距离台风中心120~ 220 km)和外围晴空(距离台风中心400~630 km)边界层结构进行观测分析，结果表明：在超强台风“莫兰蒂”外雨带，风廓线雷达反演的最大切向风速高度分布在入流层下方0.5~1.0 km处，并且随着台风中心的靠近，最大切向风速和入流层高度都有降低的趋势，受降雨粒子的影响，风廓线雷达只能定性反映台风外雨带最大切向风速高度和入流层高度分布特征。在超强台风“莫兰蒂”外围晴空天气下，最大切向风速高度与入流层高度具有一致性，其边界层高度变化比较平稳，高度分布在1.2~1.6 km之间，能够定量反映台风外围晴空边界层高度分布；相对于传统热力驱动的湍流，台风系统边界层湍流主要由风切变驱动，台风外围湍流活动的增强主要发生在最大切向风速高度附近，除了风切变还有其他比较重要的驱动源，表明在台风边界层顶部附近有更加复杂的湍流活动，需要更加精细的湍流通量试验确定其来源。
利用翔安风廓线雷达和厦门探空雷达资料，对2016年超强台风“莫兰蒂”外雨带(距离台风中心120~ 220 km)和外围晴空(距离台风中心400~630 km)边界层结构进行观测分析，结果表明：在超强台风“莫兰蒂”外雨带，风廓线雷达反演的最大切向风速高度分布在入流层下方0.5~1.0 km处，并且随着台风中心的靠近，最大切向风速和入流层高度都有降低的趋势，受降雨粒子的影响，风廓线雷达只能定性反映台风外雨带最大切向风速高度和入流层高度分布特征。在超强台风“莫兰蒂”外围晴空天气下，最大切向风速高度与入流层高度具有一致性，其边界层高度变化比较平稳，高度分布在1.2~1.6 km之间，能够定量反映台风外围晴空边界层高度分布；相对于传统热力驱动的湍流，台风系统边界层湍流主要由风切变驱动，台风外围湍流活动的增强主要发生在最大切向风速高度附近，除了风切变还有其他比较重要的驱动源，表明在台风边界层顶部附近有更加复杂的湍流活动，需要更加精细的湍流通量试验确定其来源。
2024, 40(3): 362-372.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.033
摘要:
利用常规高空、地面观测资料、ERA5再分析资料(0.25 °×0.25 °)、多普勒雷达产品对2020年3月21日浙江连续下击暴流的多普勒雷达特征及成因进行分析。(1) 此次过程发生在中高层西南急流、地面低压倒槽强烈发展的环流背景下，为低层暖平流强迫型强对流。整层大气湿层浅薄，近地面逆温和中层干冷增强了上干冷下暖湿的不稳定层结，高空强垂直风切变有利于强风暴的形成和发展，地面中尺度辐合线在高温背景下触发了此次过程。(2) 连续下击暴流由2个多单体风暴造成，两个风暴均呈现“弓形”特征，具有中层回波悬垂、有界弱回波区、三体散射等特征。单体K0中极端大风出现在最大反射率因子高度、风暴顶高、VIL下降阶段，而单体Y5中极端大风出现时风暴顶高、最大反射率因子高度、反射率因子核高度稳定少变。(3) 10级以上下击暴流主要出现在涡度平流强烈发展、中层有弱冷空气入侵阶段。单体K0中致灾下击暴流主要由冰雹的拖拽作用产生，而单体Y5中致灾下击暴流由冰雹和短时强降水共同的拖拽作用产生。
利用常规高空、地面观测资料、ERA5再分析资料(0.25 °×0.25 °)、多普勒雷达产品对2020年3月21日浙江连续下击暴流的多普勒雷达特征及成因进行分析。(1) 此次过程发生在中高层西南急流、地面低压倒槽强烈发展的环流背景下，为低层暖平流强迫型强对流。整层大气湿层浅薄，近地面逆温和中层干冷增强了上干冷下暖湿的不稳定层结，高空强垂直风切变有利于强风暴的形成和发展，地面中尺度辐合线在高温背景下触发了此次过程。(2) 连续下击暴流由2个多单体风暴造成，两个风暴均呈现“弓形”特征，具有中层回波悬垂、有界弱回波区、三体散射等特征。单体K0中极端大风出现在最大反射率因子高度、风暴顶高、VIL下降阶段，而单体Y5中极端大风出现时风暴顶高、最大反射率因子高度、反射率因子核高度稳定少变。(3) 10级以上下击暴流主要出现在涡度平流强烈发展、中层有弱冷空气入侵阶段。单体K0中致灾下击暴流主要由冰雹的拖拽作用产生，而单体Y5中致灾下击暴流由冰雹和短时强降水共同的拖拽作用产生。
2024, 40(3): 373-388.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.034
摘要:
利用ADTD地闪定位数据和地基-卫星-雷达融合降水数据，通过耦合自组织映射网络(SOM)的聚类方法，分析了2016—2021年中国夏季地闪和降水协同变化的时空分布特征。研究区域位于我国南方地区(105~122 °E，20~35 °N范围内)，覆盖了地闪密度和降水气候态的大值区。聚类结果显示我国地闪-降水耦合分布型可归为5类，其中第一类和第五类中地闪密度和降水异常的协同变化最一致。第一类表现为江淮地区降水-地闪活动偏多且华南地区降水-地闪活动偏少的偶极型分布，第五类与其分布相似，但符号相反。不同类型的地闪-降水耦合分布型对应着不同的地闪密度和降水异常中心，并且地闪密度和降水关系呈现出明显的地域差异性、非线性和非对称性。进一步研究发现，不稳定的大气层结、显著的中低层湿度差和有利的大尺度大气环流背景场是造成我国南方地区地闪-降水协同变化的重要因素。
利用ADTD地闪定位数据和地基-卫星-雷达融合降水数据，通过耦合自组织映射网络(SOM)的聚类方法，分析了2016—2021年中国夏季地闪和降水协同变化的时空分布特征。研究区域位于我国南方地区(105~122 °E，20~35 °N范围内)，覆盖了地闪密度和降水气候态的大值区。聚类结果显示我国地闪-降水耦合分布型可归为5类，其中第一类和第五类中地闪密度和降水异常的协同变化最一致。第一类表现为江淮地区降水-地闪活动偏多且华南地区降水-地闪活动偏少的偶极型分布，第五类与其分布相似，但符号相反。不同类型的地闪-降水耦合分布型对应着不同的地闪密度和降水异常中心，并且地闪密度和降水关系呈现出明显的地域差异性、非线性和非对称性。进一步研究发现，不稳定的大气层结、显著的中低层湿度差和有利的大尺度大气环流背景场是造成我国南方地区地闪-降水协同变化的重要因素。
2024, 40(3): 389-396.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.035
摘要:
风云四号（FY4）气象卫星是我国第二代静止气象卫星，FY4B云顶温度、云顶高度和云顶压强的反演算法与FY4A相同，为了方便用户更好地应用FY4B云顶产品，本文利用美国EOS/MODIS极轨气象卫星和日本第二代静止气象卫星Himawari-8云产品检验FY4A和FY4B反演的云顶产品精度的一致性，结果表明，FY4B云顶产品与FY4A具有很好的一致性，其中B星多层云的较大误差主要是由于云分类将卷云错判成了多层云所致。从全样本的检验结果可以看出FY4B云顶参数产品的精度与FY4A精度大体相当，两者的差异主要来自于通道光谱特征的改变、定标精度及所用的辐射传输模式的不同。
风云四号（FY4）气象卫星是我国第二代静止气象卫星，FY4B云顶温度、云顶高度和云顶压强的反演算法与FY4A相同，为了方便用户更好地应用FY4B云顶产品，本文利用美国EOS/MODIS极轨气象卫星和日本第二代静止气象卫星Himawari-8云产品检验FY4A和FY4B反演的云顶产品精度的一致性，结果表明，FY4B云顶产品与FY4A具有很好的一致性，其中B星多层云的较大误差主要是由于云分类将卷云错判成了多层云所致。从全样本的检验结果可以看出FY4B云顶参数产品的精度与FY4A精度大体相当，两者的差异主要来自于通道光谱特征的改变、定标精度及所用的辐射传输模式的不同。
2024, 40(3): 397-410.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.036
摘要:
利用常规气象站点观测资料、区域自动气象站观测数据、雷达数据和ERA5再分析资料，对两个相似路径台风“纳沙”(1117)和“海鸥”(1415)在广东雷州半岛(LP)产生的降雨特征差异及可能机制进行研究。结果表明：“纳沙”过程降雨量和最大降雨量分别是“海鸥”的1.5倍和2.4倍，其中“纳沙”过程降雨量分台风环流降雨和台风槽降雨两个阶段，而“海鸥”仅有台风环流降雨。这主要因为“纳沙”登陆后，南亚高压和副热带高压断裂为东、西两部分环流，LP地区高空维持强辐散，低空西南气流和东南气流汇合为偏南风急流，同时锋区引导冷空气从850 hPa以下入侵到“纳沙”台风槽内，斜压效应加剧对流发生，并且在其台风环流影响减弱后，LP地区低层辐合再次加强，进而形成降雨产生的有利条件，促使台风槽降雨增强。而“海鸥”台风登陆后，受南亚高压和副热带高压主体加强南压影响，且在台风环流减弱后，LP地区低层迅速由辐合转为辐散，下沉气流抑制对流发展，从而导致台风槽降雨难以形成。此外，还发现LP地形对台风降雨中心落区有一定影响，降雨中心易出现在LP三个高峰南侧迎风坡。结果对于影响LP的台风降雨预报与诊断具有一定参考意义。
利用常规气象站点观测资料、区域自动气象站观测数据、雷达数据和ERA5再分析资料，对两个相似路径台风“纳沙”(1117)和“海鸥”(1415)在广东雷州半岛(LP)产生的降雨特征差异及可能机制进行研究。结果表明：“纳沙”过程降雨量和最大降雨量分别是“海鸥”的1.5倍和2.4倍，其中“纳沙”过程降雨量分台风环流降雨和台风槽降雨两个阶段，而“海鸥”仅有台风环流降雨。这主要因为“纳沙”登陆后，南亚高压和副热带高压断裂为东、西两部分环流，LP地区高空维持强辐散，低空西南气流和东南气流汇合为偏南风急流，同时锋区引导冷空气从850 hPa以下入侵到“纳沙”台风槽内，斜压效应加剧对流发生，并且在其台风环流影响减弱后，LP地区低层辐合再次加强，进而形成降雨产生的有利条件，促使台风槽降雨增强。而“海鸥”台风登陆后，受南亚高压和副热带高压主体加强南压影响，且在台风环流减弱后，LP地区低层迅速由辐合转为辐散，下沉气流抑制对流发展，从而导致台风槽降雨难以形成。此外，还发现LP地形对台风降雨中心落区有一定影响，降雨中心易出现在LP三个高峰南侧迎风坡。结果对于影响LP的台风降雨预报与诊断具有一定参考意义。
2024, 40(3): 411-424.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.037
摘要:
2020年夏季我国长江流域频繁的暴雨事件与中、高纬度高位势涡度（简称位涡）南侵过程有关。基于观测和ERA5再分析资料，本文利用位涡诊断、垂直速度分解以及后向轨迹追踪模拟的方法对7月上旬一次暴雨过程进行了动力学归因研究。结果表明：中、高纬度高位涡的侵入往往伴随干侵入的发生，高位涡南侵与高层槽、脊系统振幅增大及其辐合/辐散过程对位涡的平流有关。动力上，高位涡侵入和低空位涡增强会导致等熵面的倾斜发展，反映在等熵面位移造成的垂直速度分量变化上；高空偏北风沿等熵面的下滑导致下沉垂直运动分量发展，进而形成干侵入过程；相反，偏南风沿等熵面的上升运动会向高层持续输送水汽，水汽抬升凝结导致与非绝热加热相关的垂直速度分量发展，进一步导致抬升运动加强，触发对流起始。对流发生后，强降水引起对流层中、低层的潜热释放，因其垂直分布在低空随高度增加而制造位涡，增强的低涡通过影响等熵面结构和垂直运动促进降水进一步增强，位涡、强降水以及与三个垂直速度分量之间的正反馈机制是长江流域暴雨维持和发展的重要原因。
2020年夏季我国长江流域频繁的暴雨事件与中、高纬度高位势涡度（简称位涡）南侵过程有关。基于观测和ERA5再分析资料，本文利用位涡诊断、垂直速度分解以及后向轨迹追踪模拟的方法对7月上旬一次暴雨过程进行了动力学归因研究。结果表明：中、高纬度高位涡的侵入往往伴随干侵入的发生，高位涡南侵与高层槽、脊系统振幅增大及其辐合/辐散过程对位涡的平流有关。动力上，高位涡侵入和低空位涡增强会导致等熵面的倾斜发展，反映在等熵面位移造成的垂直速度分量变化上；高空偏北风沿等熵面的下滑导致下沉垂直运动分量发展，进而形成干侵入过程；相反，偏南风沿等熵面的上升运动会向高层持续输送水汽，水汽抬升凝结导致与非绝热加热相关的垂直速度分量发展，进一步导致抬升运动加强，触发对流起始。对流发生后，强降水引起对流层中、低层的潜热释放，因其垂直分布在低空随高度增加而制造位涡，增强的低涡通过影响等熵面结构和垂直运动促进降水进一步增强，位涡、强降水以及与三个垂直速度分量之间的正反馈机制是长江流域暴雨维持和发展的重要原因。
2024, 40(3): 425-435.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.038
摘要:
基于2012—2021年3—9月66个暖区暴雨个例，利用地面、高空等常规资料及再分析数据，分析了湘南地区暖区暴雨的时空分布特征，分冷锋前暖区型、南风型和暖切变暖区型三类建立天气学概念模型，并提取暴雨发生前各物理量指标，结果表明：（1）湘南暖区暴雨年变化呈现波动增长趋势，日变化峰值出现在19—22时，5月范围最广，6月次数最多，日雨量极值最大，7—9月局地性强；（2）南风型占比和日雨量极值最大，暖切变暖区型次之，冷锋前暖区型最小，三种类型分别多发于4—6月、5—8月和6—7月；（3）冷锋前暖区型、暖切变暖区型短时强降水（小时雨量≥ 20 mm）日变化较剧烈，南风型略平缓；（4）湘南暖区暴雨发生的高频区与南岭、罗霄山脉和阳明山地形分布息息相关，东江湖对暖区暴雨也有增幅作用，冷锋前暖区型更易发生在西南部的喇叭口地形处，暖切变暖区型集中于南部南岭迎风坡和不均匀下垫面附近，南风型发生点较分散；（5）湘南暖区暴雨的主要影响系统是高空低槽、低空和超低空急流、地面倒槽和辐合线，另外200 hPa分流区、850 hPa暖脊和显著湿区以及地形作用对降水起到增幅效果；（6）700 hPa、850 hPa、925 hPa急流分别对冷锋前暖区型、暖切变暖区型和南风型暖区暴雨的水汽输送起重要作用；（7）湘南暖区暴雨发生前各物理量平均值显示，q850（850 hPa比湿）≥ 13 g·kg-1，CAPE（对流有效位能）≥ 1 100 J·kg-1，K指数≥ 37 ℃，SI（沙氏指数）≤ -1.5，T850-500（850 hPa与500 hPa温差）≥ 23 ℃，LCL（抬升凝结高度）在0.6~0.9 km间，0 ℃层高度在4.9~5.1 km间，0~6 km的垂直风切变在10~16 J·kg-1间。
基于2012—2021年3—9月66个暖区暴雨个例，利用地面、高空等常规资料及再分析数据，分析了湘南地区暖区暴雨的时空分布特征，分冷锋前暖区型、南风型和暖切变暖区型三类建立天气学概念模型，并提取暴雨发生前各物理量指标，结果表明：（1）湘南暖区暴雨年变化呈现波动增长趋势，日变化峰值出现在19—22时，5月范围最广，6月次数最多，日雨量极值最大，7—9月局地性强；（2）南风型占比和日雨量极值最大，暖切变暖区型次之，冷锋前暖区型最小，三种类型分别多发于4—6月、5—8月和6—7月；（3）冷锋前暖区型、暖切变暖区型短时强降水（小时雨量≥ 20 mm）日变化较剧烈，南风型略平缓；（4）湘南暖区暴雨发生的高频区与南岭、罗霄山脉和阳明山地形分布息息相关，东江湖对暖区暴雨也有增幅作用，冷锋前暖区型更易发生在西南部的喇叭口地形处，暖切变暖区型集中于南部南岭迎风坡和不均匀下垫面附近，南风型发生点较分散；（5）湘南暖区暴雨的主要影响系统是高空低槽、低空和超低空急流、地面倒槽和辐合线，另外200 hPa分流区、850 hPa暖脊和显著湿区以及地形作用对降水起到增幅效果；（6）700 hPa、850 hPa、925 hPa急流分别对冷锋前暖区型、暖切变暖区型和南风型暖区暴雨的水汽输送起重要作用；（7）湘南暖区暴雨发生前各物理量平均值显示，q850（850 hPa比湿）≥ 13 g·kg-1，CAPE（对流有效位能）≥ 1 100 J·kg-1，K指数≥ 37 ℃，SI（沙氏指数）≤ -1.5，T850-500（850 hPa与500 hPa温差）≥ 23 ℃，LCL（抬升凝结高度）在0.6~0.9 km间，0 ℃层高度在4.9~5.1 km间，0~6 km的垂直风切变在10~16 J·kg-1间。
2024, 40(3): 436-444.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.039
摘要:
通过对1970年以来陕西偏强秋淋天气与我国东南沿海台风活动特征分析发现，两者之间有较好的相关性，且存在一定的先兆性，发现移过西太平洋125 °E以西的目标台风活动对陕西秋淋天气的影响作用明显。结果表明：在陕西秋淋偏强的年份，台风活动为陕西秋淋天气提供了有利的气候背景，同期台风路径以西行或西北行路径为主，而台风登陆位置影响着陕西秋淋天气主要出现的地区。利用近海台风的先兆性特征，陕西秋淋的年代变化特征和不同周期等特征，对2017—2022年陕西秋淋降水进行预测、预判的试报，结果较为理想，该方法可为陕西预判秋淋偏强年份的预报提供一种客观的气候预测方法和依据。
通过对1970年以来陕西偏强秋淋天气与我国东南沿海台风活动特征分析发现，两者之间有较好的相关性，且存在一定的先兆性，发现移过西太平洋125 °E以西的目标台风活动对陕西秋淋天气的影响作用明显。结果表明：在陕西秋淋偏强的年份，台风活动为陕西秋淋天气提供了有利的气候背景，同期台风路径以西行或西北行路径为主，而台风登陆位置影响着陕西秋淋天气主要出现的地区。利用近海台风的先兆性特征，陕西秋淋的年代变化特征和不同周期等特征，对2017—2022年陕西秋淋降水进行预测、预判的试报，结果较为理想，该方法可为陕西预判秋淋偏强年份的预报提供一种客观的气候预测方法和依据。
2024, 40(3): 445-455.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4905.2024.041
摘要:
以广东省为例，通过绘制空气动力学粗糙长度，从动力学角度初步识别出通风潜力；利用数值模拟输出的冬夏季平均水平风场，结合近地面温度和粗糙长度加权后得到通风指数，发现城际尺度风道分布受季节热力差异影响，冬季通风能力显著优于夏季。将通风评价结果划分为4个等级，从广东全域尺度分冬、夏两季识别了潜在风道。
以广东省为例，通过绘制空气动力学粗糙长度，从动力学角度初步识别出通风潜力；利用数值模拟输出的冬夏季平均水平风场，结合近地面温度和粗糙长度加权后得到通风指数，发现城际尺度风道分布受季节热力差异影响，冬季通风能力显著优于夏季。将通风评价结果划分为4个等级，从广东全域尺度分冬、夏两季识别了潜在风道。
2024, 40(3): 456-467.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.042
摘要:
充分理解降水微物理的局地变化特征有助于提升本地化降水的模拟和预报能力。利用我国华南地区夏季四个站点(广西北海涠洲岛、防城港，广东阳江、江门上川岛)的雨滴谱观测数据，研究对比近海岛屿与沿岸陆上的降水微物理特征差异。研究表明，对流性降水对华南地区夏季降水量的贡献最大，且对流性降水的微物理特征具有明显的局地差异，具体表现为东部站点(阳江、上川岛)大雨滴更多而小雨滴浓度偏低，而西部站点(涠洲岛、防城港)的小雨滴浓度更高。此外，沿岸站点(阳江、防城港)较岛屿站点(上川岛、涠洲岛)的大雨滴浓度更高。研究还讨论了降水微物理的局地差异与环境变量之间的关系，发现东部(沿岸)站较西部(岛屿)站具有更厚的暖云层，更长的雨滴下落路径增强了碰并过程，从而促进了雨滴粒径的增长。同时，还拟合了华南地区四站的μ-Λ关系和Z-R关系以应用于提高降水和雨滴谱的估计和反演精度。可为研究我国华南地区降水微物理的局地变化特征提供较全面的参考依据。
充分理解降水微物理的局地变化特征有助于提升本地化降水的模拟和预报能力。利用我国华南地区夏季四个站点(广西北海涠洲岛、防城港，广东阳江、江门上川岛)的雨滴谱观测数据，研究对比近海岛屿与沿岸陆上的降水微物理特征差异。研究表明，对流性降水对华南地区夏季降水量的贡献最大，且对流性降水的微物理特征具有明显的局地差异，具体表现为东部站点(阳江、上川岛)大雨滴更多而小雨滴浓度偏低，而西部站点(涠洲岛、防城港)的小雨滴浓度更高。此外，沿岸站点(阳江、防城港)较岛屿站点(上川岛、涠洲岛)的大雨滴浓度更高。研究还讨论了降水微物理的局地差异与环境变量之间的关系，发现东部(沿岸)站较西部(岛屿)站具有更厚的暖云层，更长的雨滴下落路径增强了碰并过程，从而促进了雨滴粒径的增长。同时，还拟合了华南地区四站的μ-Λ关系和Z-R关系以应用于提高降水和雨滴谱的估计和反演精度。可为研究我国华南地区降水微物理的局地变化特征提供较全面的参考依据。
2024, 40(3): 468-476.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.043
摘要:
在全球或区域数值模式中实现水汽等水物质的守恒或收支平衡计算十分重要，缺乏质量守恒可能会导致虚假的水汽运动和过量的局部降水。目前我国的CMA-MESO模式中使用的平流方案是PRM（Piecewise Rational Method）方案，尽管该方案有较高的精度和正定保形性以及能够在全球模式中做到守恒，但是在有限区域模式中由于侧边界的处理难以做到在有限区域模式中的守恒或收支平衡。为了解决模式平流方案在有限区域模式中的守恒问题，研究了一种新的简单且可忽略计算成本的有限区域模式半拉格朗日方案质量守恒的零侧边界通量方案（Zero Lateral Flux, ZLF）将其应用在CMA-MESO模式中。研究先通过理想试验结果表明ZLF方案具有良好的守恒性和保形性，能够更好保持物理量场的分布和强间断物理量场的守恒。然后将该方案加入CMA-MESO模式中，通过实际个例预报试验和连续预报试验结果表明ZLF方案能够抑制高估的降水，减少虚假降水预报，显著改善降水落区预报。对于极端暴雨而言，ZLF方案对于降水量级和降水落区预报改善效果都非常显著。ZLF方案有效改进了CMA-MESO模式的水物质不守恒问题，提高了模式的降水预报效果。
在全球或区域数值模式中实现水汽等水物质的守恒或收支平衡计算十分重要，缺乏质量守恒可能会导致虚假的水汽运动和过量的局部降水。目前我国的CMA-MESO模式中使用的平流方案是PRM（Piecewise Rational Method）方案，尽管该方案有较高的精度和正定保形性以及能够在全球模式中做到守恒，但是在有限区域模式中由于侧边界的处理难以做到在有限区域模式中的守恒或收支平衡。为了解决模式平流方案在有限区域模式中的守恒问题，研究了一种新的简单且可忽略计算成本的有限区域模式半拉格朗日方案质量守恒的零侧边界通量方案（Zero Lateral Flux, ZLF）将其应用在CMA-MESO模式中。研究先通过理想试验结果表明ZLF方案具有良好的守恒性和保形性，能够更好保持物理量场的分布和强间断物理量场的守恒。然后将该方案加入CMA-MESO模式中，通过实际个例预报试验和连续预报试验结果表明ZLF方案能够抑制高估的降水，减少虚假降水预报，显著改善降水落区预报。对于极端暴雨而言，ZLF方案对于降水量级和降水落区预报改善效果都非常显著。ZLF方案有效改进了CMA-MESO模式的水物质不守恒问题，提高了模式的降水预报效果。
2024, 40(3): 477-490.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.044
摘要:
模式分辨率对气候模式的模拟效果具有重要影响。然而，当前模式开发对于垂直分辨率的重视不够。以ENSO（厄尔尼诺-南方涛动）遥相关为例，利用CESM（Community Earth System Model）模式，探究不同模式垂直分辨率设置下模式模拟的ENSO对平流层、对流层影响的差异，评估模式垂直分辨率在气候模拟中的重要性。结果表明，提高垂直分辨率可以显著改进模式对ENSO遥相关的模拟能力。以ECMWF（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）第五代再分析数据集（ERA5）为参照，ENSO对纬向平均温度的影响在北半球中高纬地区冬季呈现出“负正负”的三极子模态。CESM默认的垂直分辨率设置（L66）不能模拟出这一模态，而提高模式垂直分辨率（L103）后则可以较好地模拟出这个模态。对于水平分布而言，L66模拟的ENSO在对流层的信号与再分析资料相比明显偏强，L103则可以显著改善。同时，L103对ENSO影响平流层的模拟效果也比L66有所改善。进一步分析发现，L103模拟的行星波从对流层向平流层的传播更强，更接近再分析资料。提高垂直分辨率可以改善模式对大气波活动以及平流层-对流层动力耦合的模拟，重视模式的研发。
模式分辨率对气候模式的模拟效果具有重要影响。然而，当前模式开发对于垂直分辨率的重视不够。以ENSO（厄尔尼诺-南方涛动）遥相关为例，利用CESM（Community Earth System Model）模式，探究不同模式垂直分辨率设置下模式模拟的ENSO对平流层、对流层影响的差异，评估模式垂直分辨率在气候模拟中的重要性。结果表明，提高垂直分辨率可以显著改进模式对ENSO遥相关的模拟能力。以ECMWF（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）第五代再分析数据集（ERA5）为参照，ENSO对纬向平均温度的影响在北半球中高纬地区冬季呈现出“负正负”的三极子模态。CESM默认的垂直分辨率设置（L66）不能模拟出这一模态，而提高模式垂直分辨率（L103）后则可以较好地模拟出这个模态。对于水平分布而言，L66模拟的ENSO在对流层的信号与再分析资料相比明显偏强，L103则可以显著改善。同时，L103对ENSO影响平流层的模拟效果也比L66有所改善。进一步分析发现，L103模拟的行星波从对流层向平流层的传播更强，更接近再分析资料。提高垂直分辨率可以改善模式对大气波活动以及平流层-对流层动力耦合的模拟，重视模式的研发。
2024, 40(3): 491-503.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.045
摘要:
基于1982—2020年OISSTv2.1数据集、NOAA Interpolated OLR数据集和NCEP/DOE Ⅱ再分析数据资料，通过功率谱分析、位相合成法等方法研究了春夏季（3—8月）热带东印度洋海温季节内振荡的特征及大气的响应。结果发现春夏季热带东印度洋海温季节内振荡的显著周期主要集中在20~50天，强海温振荡事件主要分布在4—7月，关键区内对流抑制超前暖海温异常1/8周期，滞后冷海温异常3/8周期，反之亦然。春夏季海温异常激发的对流异常呈经向偶极子分布，且有明显的北移演变特征，但北侧的对流中心较南侧弱，即对流在北移过程中迅速衰减。使用K-means聚类法提取了两种具有显著差异的环流响应类型：北移型和局地型。北移型主要分布在夏季，表现为更有组织性的对流偶极子对，南北中心的强度和影响范围相当且北移特征更为清晰。在对流偶极子北移的过程中显著影响阿拉伯海上西南季风的强弱，对印度半岛夏季风季节内变化的影响较大。局地型主要分布在春夏转换季节，对流异常呈单一中心结构，移动性较弱，主要在热带东印度洋上空发展和消亡。热带东印度洋海温季节内振荡耦合的大气环流异常主要影响赤道印度洋地区，对热带外的影响较弱。进一步探究发现，背景东风切变的差异是导致两种对流响应差异的原因。夏季，北印度洋东风切变强，垂直风切变机制导致对流明显北移，春夏转换季节，东风切变弱，垂直风切变机制不成立，较弱的正压涡度平流机制引起对流微弱的北移，但主要在局地生消。
基于1982—2020年OISSTv2.1数据集、NOAA Interpolated OLR数据集和NCEP/DOE Ⅱ再分析数据资料，通过功率谱分析、位相合成法等方法研究了春夏季（3—8月）热带东印度洋海温季节内振荡的特征及大气的响应。结果发现春夏季热带东印度洋海温季节内振荡的显著周期主要集中在20~50天，强海温振荡事件主要分布在4—7月，关键区内对流抑制超前暖海温异常1/8周期，滞后冷海温异常3/8周期，反之亦然。春夏季海温异常激发的对流异常呈经向偶极子分布，且有明显的北移演变特征，但北侧的对流中心较南侧弱，即对流在北移过程中迅速衰减。使用K-means聚类法提取了两种具有显著差异的环流响应类型：北移型和局地型。北移型主要分布在夏季，表现为更有组织性的对流偶极子对，南北中心的强度和影响范围相当且北移特征更为清晰。在对流偶极子北移的过程中显著影响阿拉伯海上西南季风的强弱，对印度半岛夏季风季节内变化的影响较大。局地型主要分布在春夏转换季节，对流异常呈单一中心结构，移动性较弱，主要在热带东印度洋上空发展和消亡。热带东印度洋海温季节内振荡耦合的大气环流异常主要影响赤道印度洋地区，对热带外的影响较弱。进一步探究发现，背景东风切变的差异是导致两种对流响应差异的原因。夏季，北印度洋东风切变强，垂直风切变机制导致对流明显北移，春夏转换季节，东风切变弱，垂直风切变机制不成立，较弱的正压涡度平流机制引起对流微弱的北移，但主要在局地生消。
2024, 40(3): 504-516.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.040
摘要:
基于海南岛2014—2020年闪电定位数据、2019年公里网格GDP及人口数据、2020年30 m网格土地利用类型、高程数据和土壤电导率数据，采用ArcGIS软件，运用层次分析法(Analytic Hierarchy Process)，分析了海南岛雷电灾害风险区划。结果表明：(1)海南岛的雷电高风险区集中在海南岛西北区域以及海口市的北部；中风险区则分布在海南岛中部地区和北部地区，次低和低风险地区则分布在海南岛的中部山脉地区和东南边沿海地区；(2)海南岛中部山脉地区人口稀少，经济发展水平一般，加上海南岛本身气候特殊，不易形成严重的雷电灾害。
基于海南岛2014—2020年闪电定位数据、2019年公里网格GDP及人口数据、2020年30 m网格土地利用类型、高程数据和土壤电导率数据，采用ArcGIS软件，运用层次分析法(Analytic Hierarchy Process)，分析了海南岛雷电灾害风险区划。结果表明：(1)海南岛的雷电高风险区集中在海南岛西北区域以及海口市的北部；中风险区则分布在海南岛中部地区和北部地区，次低和低风险地区则分布在海南岛的中部山脉地区和东南边沿海地区；(2)海南岛中部山脉地区人口稀少，经济发展水平一般，加上海南岛本身气候特殊，不易形成严重的雷电灾害。
2024, 40(3): 517-525.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.046
摘要:
2021年7月20日，河南省在异常偏北的西太平洋副热带高压、发展加强的台风“烟花”以及西南季风的共同影响下产生了暴雨，造成了严重的生命财产损失，其中郑州市受灾最为严重。基于Himawari-8卫星云顶亮温数据，利用迭代对流云团追踪算法，对此次暴雨过程的强对流云团进行识别与追踪，探究暴雨发生的原因。结果表明，造成此次暴雨过程的强对流云团于7月20日10∶10在河南省北部生成，受太行山和嵩山的阻挡以及台风西侧东南水汽持续输送在移动过程中不断发展加强，生命周期长达9.3 h。郑州暴雨开始于对流云团最强盛时刻，而暴雨维持期间，强对流云团面积逐渐减小、云顶亮温持续升高，不稳定能量的释放和降水的拖曳作用促进了云团的减弱，云团迅速消亡，降水停止。上述研究表明在水汽持续输送和地形阻挡影响下，强对流云团发展加强和长时间盘踞是造成郑州特大暴雨的直接原因。
2021年7月20日，河南省在异常偏北的西太平洋副热带高压、发展加强的台风“烟花”以及西南季风的共同影响下产生了暴雨，造成了严重的生命财产损失，其中郑州市受灾最为严重。基于Himawari-8卫星云顶亮温数据，利用迭代对流云团追踪算法，对此次暴雨过程的强对流云团进行识别与追踪，探究暴雨发生的原因。结果表明，造成此次暴雨过程的强对流云团于7月20日10∶10在河南省北部生成，受太行山和嵩山的阻挡以及台风西侧东南水汽持续输送在移动过程中不断发展加强，生命周期长达9.3 h。郑州暴雨开始于对流云团最强盛时刻，而暴雨维持期间，强对流云团面积逐渐减小、云顶亮温持续升高，不稳定能量的释放和降水的拖曳作用促进了云团的减弱，云团迅速消亡，降水停止。上述研究表明在水汽持续输送和地形阻挡影响下，强对流云团发展加强和长时间盘踞是造成郑州特大暴雨的直接原因。
2024, 40(3): 526-536.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.047
摘要:
再分析资料的准确性对台风等灾害性天气预报及研究有着重要价值。以往缺乏在强台风条件下平流层内的直接观测资料，使得无法对再分析资料的准确性进行验证，基于新型火箭探测数据对ERA5再分析数据的气象要素在强台风条件下进行对比分析。(1) 台风条件下三次试验ERA5与火箭探测在对流层内的温度廓线几乎重合，15 km以下两者之间的误差不到1 ℃，但15 km以上的平流层两者偏差随高度增加而增大，ERA5比火箭探测的温度明显偏低，在15~20 km、20~30 km、30~40 km和40 km以上两者偏差平均值分别为3.75 ℃、5.52 ℃、14.41 ℃和19.25 ℃；(2) 相对湿度三次试验两者的变化趋势还是比较相似的，但在平流层低层15~20 km两者存在较大差异，火箭探测相对湿度在15 km左右是上干下湿分界高度，而ERA5的分界高度抬升到20 km以上，也就是说ERA5把高湿度层抬升了5 km以上；值得一提的是25 km以上，台风影响前，两者相对湿度都几乎接近0%，而在台风影响期间火箭探测相对湿度可达5%左右，ERA5相对湿度仍然几乎为0%；(3) 台风条件下三次试验风速廓线显示两者在平流层低层到对流层变化趋势十分相似，相关系数可达0.85左右，平均偏差大约为2 m·s-1；而在平流层中高层相似度降低，偏差增大，相较于火箭探空，ERA5风速偏低4 m·s-1左右。
再分析资料的准确性对台风等灾害性天气预报及研究有着重要价值。以往缺乏在强台风条件下平流层内的直接观测资料，使得无法对再分析资料的准确性进行验证，基于新型火箭探测数据对ERA5再分析数据的气象要素在强台风条件下进行对比分析。(1) 台风条件下三次试验ERA5与火箭探测在对流层内的温度廓线几乎重合，15 km以下两者之间的误差不到1 ℃，但15 km以上的平流层两者偏差随高度增加而增大，ERA5比火箭探测的温度明显偏低，在15~20 km、20~30 km、30~40 km和40 km以上两者偏差平均值分别为3.75 ℃、5.52 ℃、14.41 ℃和19.25 ℃；(2) 相对湿度三次试验两者的变化趋势还是比较相似的，但在平流层低层15~20 km两者存在较大差异，火箭探测相对湿度在15 km左右是上干下湿分界高度，而ERA5的分界高度抬升到20 km以上，也就是说ERA5把高湿度层抬升了5 km以上；值得一提的是25 km以上，台风影响前，两者相对湿度都几乎接近0%，而在台风影响期间火箭探测相对湿度可达5%左右，ERA5相对湿度仍然几乎为0%；(3) 台风条件下三次试验风速廓线显示两者在平流层低层到对流层变化趋势十分相似，相关系数可达0.85左右，平均偏差大约为2 m·s-1；而在平流层中高层相似度降低，偏差增大，相较于火箭探空，ERA5风速偏低4 m·s-1左右。
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