2019年 第35卷 第1期
2019, 35(1): 1-13.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2019.001
摘要:
地球工程作为人类影响全球气候的重要工程手段，具有重要的现实意义和科学价值。目前学界在地球工程对极端降水的影响研究方面还处于初始阶段。在这种背景下，基于BNU-ESM模式中地球工程(G4实验)和非地球工程(RCP4.5)情景下的日值降水数据，以95%和99%分位数作为强降水和极端强降水的阈值，分别对比分析两种情景下中国及七大地理分区的强降水和极端强降水在2010—2099年(整个研究时段)、2020—2069年(地球工程实施期间)和2070—2099年(地球工程实施结束)的差异特征。结果表明：(1) 2010—2099年地球工程有利于中国多数地区强降水量和极端强降水量的增加；(2)在实施地球工程的2020—2069年，整体上抑制了中国多数地区强降水量和极端强降水量；(3)在地球工程实施结束后的2070—2099年，地球工程后续影响整体上有利于中国多数地区强降水量和极端强降水量的增加；(4)不同研究时段中国七大地理分区的强降水量和极端强降水量变化趋势均有一定区域差异，且这种差异特征在不同研究时期表现在不同地区。
地球工程作为人类影响全球气候的重要工程手段，具有重要的现实意义和科学价值。目前学界在地球工程对极端降水的影响研究方面还处于初始阶段。在这种背景下，基于BNU-ESM模式中地球工程(G4实验)和非地球工程(RCP4.5)情景下的日值降水数据，以95%和99%分位数作为强降水和极端强降水的阈值，分别对比分析两种情景下中国及七大地理分区的强降水和极端强降水在2010—2099年(整个研究时段)、2020—2069年(地球工程实施期间)和2070—2099年(地球工程实施结束)的差异特征。结果表明：(1) 2010—2099年地球工程有利于中国多数地区强降水量和极端强降水量的增加；(2)在实施地球工程的2020—2069年，整体上抑制了中国多数地区强降水量和极端强降水量；(3)在地球工程实施结束后的2070—2099年，地球工程后续影响整体上有利于中国多数地区强降水量和极端强降水量的增加；(4)不同研究时段中国七大地理分区的强降水量和极端强降水量变化趋势均有一定区域差异，且这种差异特征在不同研究时期表现在不同地区。
2019, 35(1): 14-24.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2019.002
摘要:
利用台风年鉴资料、雨量站观测资料及ERA-interim 1 °×1 °分析资料等，对1980—2015年在广东珠江口以西（徐闻-珠海）登陆且继续偏西（北）行但引发距离登陆点较远的粤东地区出现暴雨（“西登东雨”）的一类严重不对称热带气旋暴雨特征进行了分析。结果表明：在珠江口以西登陆的热带气旋中有近一半会给粤东地区带来暴雨；其登陆点位置远近与粤东暴雨发生与否没有直接联系，即登陆点越靠近（珠江口）并不一定使粤东更易出现暴雨；其登陆强度越强也不一定使粤东出现暴雨可能性越大，但使粤东出现特别弱降水（< 10 mm）的热带气旋多集中在（强）热带风暴级别。进一步分析引发粤东暴雨的天气形势及要素特征表明，热带气旋东侧的低空东南急流、偏东急流和偏南急流以及边界层的辐合线（台风槽）是引发粤东出现暴雨的重要原因，西太平洋副热带高压（简称副高）西南侧和“方头”副高西侧是粤东暴雨的有利形势；相似的低层风场和中层形势场背景下，700~500 hPa的湿度条件会明显影响到粤东出现暴雨的可能性的大小。
利用台风年鉴资料、雨量站观测资料及ERA-interim 1 °×1 °分析资料等，对1980—2015年在广东珠江口以西（徐闻-珠海）登陆且继续偏西（北）行但引发距离登陆点较远的粤东地区出现暴雨（“西登东雨”）的一类严重不对称热带气旋暴雨特征进行了分析。结果表明：在珠江口以西登陆的热带气旋中有近一半会给粤东地区带来暴雨；其登陆点位置远近与粤东暴雨发生与否没有直接联系，即登陆点越靠近（珠江口）并不一定使粤东更易出现暴雨；其登陆强度越强也不一定使粤东出现暴雨可能性越大，但使粤东出现特别弱降水（< 10 mm）的热带气旋多集中在（强）热带风暴级别。进一步分析引发粤东暴雨的天气形势及要素特征表明，热带气旋东侧的低空东南急流、偏东急流和偏南急流以及边界层的辐合线（台风槽）是引发粤东出现暴雨的重要原因，西太平洋副热带高压（简称副高）西南侧和“方头”副高西侧是粤东暴雨的有利形势；相似的低层风场和中层形势场背景下，700~500 hPa的湿度条件会明显影响到粤东出现暴雨的可能性的大小。
2019, 35(1): 25-36.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2019.003
摘要:
为了提高阵风预报准确率，利用2006—2016年浙江7个海岛气象站资料和ERA-interim资料，分析了台风和冬季大风的阵风因子与10 m稳定风速、风向、Brunt-Vaisala频率、总体理查逊数、边界层250~1 000 m风速及其与10 m稳定风速比值等的关系，对比两种大风系统阵风的主要成因差异，最后对冬季大风的阵风因子进行拟合。(1)从总体上，台风阵风因子比冬季大风要大0.1~0.2，波动幅度也一般比冬季大风偏大0.3~0.5。有些站点在稳定风速较大时，阵风因子随稳定风速变化不明显，而有的站点变化幅度较大。(2)站点不同方位的地表特征差异明显，导致台风和冬季大风的阵风因子在某个风向上有较统一的最大值和最小值，两者差值一般为0.2~0.3。(3)大气边界层台风样本主要表现为气流辐合上升及正涡度，而冬季大风样本主要表现为辐散下沉及负涡度，台风垂直速度、涡度和散度的强度均明显大于冬季大风样本；从Brunt-Vaisala频率来看，边界层750 m处冬季大风样本总体为静力不稳定，而台风样本总体为静力稳定；从总体理查逊数来看，台风样本和冬季大风样本两者边界层250 m处动力不稳定程度接近。(4)台风和冬季大风的阵风主要形成机制不同，冬季阵风与边界层上层气流向下动量传输引发的辐合辐散有关，而台风阵风可能更多与边界层气流的水平动量输送引发的辐合辐散有关。(5)基于风向、边界层1 000 m处风速和10 m稳定风速的冬季大风阵风因子的拟合模型，比仅考虑10 m稳定风速的拟合模型的绝对误差减少了20%~50%，误差方差也减少了10%~30%。
为了提高阵风预报准确率，利用2006—2016年浙江7个海岛气象站资料和ERA-interim资料，分析了台风和冬季大风的阵风因子与10 m稳定风速、风向、Brunt-Vaisala频率、总体理查逊数、边界层250~1 000 m风速及其与10 m稳定风速比值等的关系，对比两种大风系统阵风的主要成因差异，最后对冬季大风的阵风因子进行拟合。(1)从总体上，台风阵风因子比冬季大风要大0.1~0.2，波动幅度也一般比冬季大风偏大0.3~0.5。有些站点在稳定风速较大时，阵风因子随稳定风速变化不明显，而有的站点变化幅度较大。(2)站点不同方位的地表特征差异明显，导致台风和冬季大风的阵风因子在某个风向上有较统一的最大值和最小值，两者差值一般为0.2~0.3。(3)大气边界层台风样本主要表现为气流辐合上升及正涡度，而冬季大风样本主要表现为辐散下沉及负涡度，台风垂直速度、涡度和散度的强度均明显大于冬季大风样本；从Brunt-Vaisala频率来看，边界层750 m处冬季大风样本总体为静力不稳定，而台风样本总体为静力稳定；从总体理查逊数来看，台风样本和冬季大风样本两者边界层250 m处动力不稳定程度接近。(4)台风和冬季大风的阵风主要形成机制不同，冬季阵风与边界层上层气流向下动量传输引发的辐合辐散有关，而台风阵风可能更多与边界层气流的水平动量输送引发的辐合辐散有关。(5)基于风向、边界层1 000 m处风速和10 m稳定风速的冬季大风阵风因子的拟合模型，比仅考虑10 m稳定风速的拟合模型的绝对误差减少了20%~50%，误差方差也减少了10%~30%。
2019, 35(1): 37-50.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2019.004
摘要:
在对观测资料分析的基础上，采用WRF模式探讨初始场水汽分布对华南2014年3月30—31日产生雷暴大风、强降水的飑线过程触发和维持的影响。研究基于ERA-interim和NCEP-FNL再分析资料在华南地区水汽分布的差异性，设计了四组将两类资料水汽按比例融合作为初始场的数值试验，水汽场从NCEP-FNL越靠近ERA-interim水汽，模拟的飑线演变越趋近实况，试验结果表明更准确的水汽初始场有利于提高飑线等强对流系统的预报准确率。在对流初生阶段，区域内水汽含量增多，最大有效位能增大，对流越容易触发；对流发展中后期，充沛的水汽有利于飑线组织形态和强度的维持。
在对观测资料分析的基础上，采用WRF模式探讨初始场水汽分布对华南2014年3月30—31日产生雷暴大风、强降水的飑线过程触发和维持的影响。研究基于ERA-interim和NCEP-FNL再分析资料在华南地区水汽分布的差异性，设计了四组将两类资料水汽按比例融合作为初始场的数值试验，水汽场从NCEP-FNL越靠近ERA-interim水汽，模拟的飑线演变越趋近实况，试验结果表明更准确的水汽初始场有利于提高飑线等强对流系统的预报准确率。在对流初生阶段，区域内水汽含量增多，最大有效位能增大，对流越容易触发；对流发展中后期，充沛的水汽有利于飑线组织形态和强度的维持。
2019, 35(1): 51-62.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2019.005
摘要:
应用近二十年的历史观测资料和EC再分析资料，对由锋面和季风槽两种不同天气系统影响下广东发生的两组暴雨过程的天气形势、降水/短时强降水落区及其对流活动和物理量特征进行了诊断分析和对比分析。结果表明：无论是前汛期锋面降水还是后汛期季风降水，珠三角（珠江三角洲）地区都是次中心，有大到暴雨量级降水。珠三角地区也是小时雨量≥50 mm的短时强降水高发区。前汛期锋面对流活动的抬升凝结高度约在900~850 hPa，南北方向的温度梯度提供了斜压不稳定能量，0~3 km强的风垂直切变使对流易于维持和发展；对流区有较强的水汽通量辐合；风暴相对螺旋度较大，对流的旋转性和沿着旋转方向的移动特征明显。相对而言，后汛期季风强降水对流凝结高度更低，对流活动具有正压的热带对流性质，可在弱的水汽通量辐合和垂直风切变环境中维持，但对流强度不如前汛期。以上结论可为同类天气的短期和短临主客观预报提供预报思路和依据。
应用近二十年的历史观测资料和EC再分析资料，对由锋面和季风槽两种不同天气系统影响下广东发生的两组暴雨过程的天气形势、降水/短时强降水落区及其对流活动和物理量特征进行了诊断分析和对比分析。结果表明：无论是前汛期锋面降水还是后汛期季风降水，珠三角（珠江三角洲）地区都是次中心，有大到暴雨量级降水。珠三角地区也是小时雨量≥50 mm的短时强降水高发区。前汛期锋面对流活动的抬升凝结高度约在900~850 hPa，南北方向的温度梯度提供了斜压不稳定能量，0~3 km强的风垂直切变使对流易于维持和发展；对流区有较强的水汽通量辐合；风暴相对螺旋度较大，对流的旋转性和沿着旋转方向的移动特征明显。相对而言，后汛期季风强降水对流凝结高度更低，对流活动具有正压的热带对流性质，可在弱的水汽通量辐合和垂直风切变环境中维持，但对流强度不如前汛期。以上结论可为同类天气的短期和短临主客观预报提供预报思路和依据。
2019, 35(1): 63-72.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2019.006
摘要:
在假设冰云粒子呈球形以及粒子谱服从对数正态分布的条件下，利用离散偶极子近似法(DDA)，计算出太赫兹频段(220 GHz)冰云粒子的雷达反射率因子，及其与瑞利假设下雷达反射率因子的比值。忽略衰减和多次散射的影响，根据太赫兹波段冰云的雷达反射率因子，基于最优估计理论反演冰云的微物理参数，并验证该算法的可靠性。反演结果表明，当冰云粒子大小在设定的尺度范围内时，有效粒子半径(re)的反演误差小于4%，粒子谱宽(σ)的误差小于2.5%、粒子数密度(NT)的误差小于1%，冰水含量(IWC)的误差小于5%。还分析了当NT和σ为定值时，反演结果随粒子尺寸的变化情况，当冰云粒子尺寸在模拟计算设定的范围内时，re的反演误差小于0.04%，σ的反演误差小于0.02%，NT的反演误差小于0.50%，IWC的反演误差小于0.08%，如果冰云粒子大小超出模拟计算设置的范围，反演误差随着re增加而增大。该结果证明了基于最优估计理论反演得到的冰云微物理参数与模拟设定值有良好的一致性，说明该方法可应用于太赫兹频段云雷达的冰云观测及云微物理参数的反演和研究。
在假设冰云粒子呈球形以及粒子谱服从对数正态分布的条件下，利用离散偶极子近似法(DDA)，计算出太赫兹频段(220 GHz)冰云粒子的雷达反射率因子，及其与瑞利假设下雷达反射率因子的比值。忽略衰减和多次散射的影响，根据太赫兹波段冰云的雷达反射率因子，基于最优估计理论反演冰云的微物理参数，并验证该算法的可靠性。反演结果表明，当冰云粒子大小在设定的尺度范围内时，有效粒子半径(re)的反演误差小于4%，粒子谱宽(σ)的误差小于2.5%、粒子数密度(NT)的误差小于1%，冰水含量(IWC)的误差小于5%。还分析了当NT和σ为定值时，反演结果随粒子尺寸的变化情况，当冰云粒子尺寸在模拟计算设定的范围内时，re的反演误差小于0.04%，σ的反演误差小于0.02%，NT的反演误差小于0.50%，IWC的反演误差小于0.08%，如果冰云粒子大小超出模拟计算设置的范围，反演误差随着re增加而增大。该结果证明了基于最优估计理论反演得到的冰云微物理参数与模拟设定值有良好的一致性，说明该方法可应用于太赫兹频段云雷达的冰云观测及云微物理参数的反演和研究。
2019, 35(1): 73-88.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2019.007
摘要:
集合卡尔曼滤波（EnKF）目前在资料同化的科研和业务中已得到广泛应用，可为集合预报提供较好的初始场，其影响半径的选取对同化结果影响显著。2017年5月7日在珠三角（珠江三角洲）一带出现极强降水，尤以广州的花都、黄埔、增城区为盛，甚至出现了极为罕见的特大暴雨。以本次极强降水过程为例，分析影响半径对EnKF同化效果的影响。结果发现利用EnKF方法同化观测站的10 m风和2 m温度资料后，可以较好地模拟出此次强降水过程，但仍存在着位置偏南，强度偏大，局地虚报和过报的现象。当水平影响半径取值过大时，大量虚假信息引入，产生过犹不及的效果，使得强降水过程南移较快，最终导致降水落区显著偏南偏东。且水平影响半径对模拟效果极为重要，因此取值要适当。
集合卡尔曼滤波（EnKF）目前在资料同化的科研和业务中已得到广泛应用，可为集合预报提供较好的初始场，其影响半径的选取对同化结果影响显著。2017年5月7日在珠三角（珠江三角洲）一带出现极强降水，尤以广州的花都、黄埔、增城区为盛，甚至出现了极为罕见的特大暴雨。以本次极强降水过程为例，分析影响半径对EnKF同化效果的影响。结果发现利用EnKF方法同化观测站的10 m风和2 m温度资料后，可以较好地模拟出此次强降水过程，但仍存在着位置偏南，强度偏大，局地虚报和过报的现象。当水平影响半径取值过大时，大量虚假信息引入，产生过犹不及的效果，使得强降水过程南移较快，最终导致降水落区显著偏南偏东。且水平影响半径对模拟效果极为重要，因此取值要适当。
2019, 35(1): 99-112.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2019.009
摘要:
基于中尺度数值天气预报模式WRF和WRFDA三维变分同化系统，针对2015年台风“苏迪罗”二次登陆过程，利用NCEP ADP提供的无线电探空、飞机报观测资料，同时同化两种资料，并进行36 h模拟预报，从台风移动路径、强度、降水及模式初始场改进等方面分析了同化模拟效果。结果表明，同时同化两种资料能够有效改善台风移动路径、中心附近最低气压的模拟。对浙闽降水关键区24 h降水的TS评分结果表明，该同化方案对台风降水的预报评分有一定程度的改进，尤其是中雨和特大暴雨的改进最明显。对于模式初始场的温度、相对湿度、纬向风、经向风在各高度上的均方根误差，除湿度外均有不同程度的减小。并且同化对于台风结构的模拟也有所调整。
基于中尺度数值天气预报模式WRF和WRFDA三维变分同化系统，针对2015年台风“苏迪罗”二次登陆过程，利用NCEP ADP提供的无线电探空、飞机报观测资料，同时同化两种资料，并进行36 h模拟预报，从台风移动路径、强度、降水及模式初始场改进等方面分析了同化模拟效果。结果表明，同时同化两种资料能够有效改善台风移动路径、中心附近最低气压的模拟。对浙闽降水关键区24 h降水的TS评分结果表明，该同化方案对台风降水的预报评分有一定程度的改进，尤其是中雨和特大暴雨的改进最明显。对于模式初始场的温度、相对湿度、纬向风、经向风在各高度上的均方根误差，除湿度外均有不同程度的减小。并且同化对于台风结构的模拟也有所调整。
2019, 35(1): 113-124.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2019.010
摘要:
观测发现热带气旋(TC)眼墙附近低层(3 km以下)存在着强烈的上升运动，严重威胁低空观测飞机的安全，由于对实际TC观测的样本非常有限，目前对极端上升运动(大于10 m/s)的了解不多。通过三个水平分辨率自次千米(333 m)至次百米(37 m)大涡数值试验模拟眼墙附近低层上升运动的分布特征。结果表明，TC眼墙附近的最强上升运动主要分布在眼墙处最大风速半径(RMW)内侧，并且主要出现在台风眼墙强对流的一侧。对比不同试验发现，在大涡试验中，随着模式水平分辨率的提高，模式可以模拟出更强的上升运动，且极端上升运动最大频数的分布高度随着水平分辨率的提高而降低。研究表明，与现有观测结果比较，当大涡试验水平分辨率到达111 m时，可以模拟出与实际观测比较相似的极端上升运动空间分布和强度。
观测发现热带气旋(TC)眼墙附近低层(3 km以下)存在着强烈的上升运动，严重威胁低空观测飞机的安全，由于对实际TC观测的样本非常有限，目前对极端上升运动(大于10 m/s)的了解不多。通过三个水平分辨率自次千米(333 m)至次百米(37 m)大涡数值试验模拟眼墙附近低层上升运动的分布特征。结果表明，TC眼墙附近的最强上升运动主要分布在眼墙处最大风速半径(RMW)内侧，并且主要出现在台风眼墙强对流的一侧。对比不同试验发现，在大涡试验中，随着模式水平分辨率的提高，模式可以模拟出更强的上升运动，且极端上升运动最大频数的分布高度随着水平分辨率的提高而降低。研究表明，与现有观测结果比较，当大涡试验水平分辨率到达111 m时，可以模拟出与实际观测比较相似的极端上升运动空间分布和强度。
2019, 35(1): 125-134.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2019.011
摘要:
为了提高广州市PM2.5客观预报能力，采用主成分分析结合机器学习算法k近邻（PCA-kNN）方法，基于空气质量模式（CMAQ）预报产品、中尺度天气模式（GRAPES-MESO）预报产品和2017年上半年广州PM2.5观测实况，试验确定PCA-kNN方法的最佳参数方案，建立广州市空气质量模式PM2.5预报客观订正方法。结果表明：与CMAQ模式的PM2.5预报相比，在第1~3天预报时效上，PCA-kNN订正结果与实况的相关系数分别提高20%、15%、29%，均方根误差分别降低17%、16%、20%，平均偏差更接近0，PM2.5浓度等级TS评分接近或优于CMAQ预报，PCA-kNN订正结果优于CMAQ预报。机器学习算法PCA-kNN方法可有效改进广州市空气质量模式PM2.5预报，本研究对其他地区、其他污染物客观预报研究具有借鉴意义。
为了提高广州市PM2.5客观预报能力，采用主成分分析结合机器学习算法k近邻（PCA-kNN）方法，基于空气质量模式（CMAQ）预报产品、中尺度天气模式（GRAPES-MESO）预报产品和2017年上半年广州PM2.5观测实况，试验确定PCA-kNN方法的最佳参数方案，建立广州市空气质量模式PM2.5预报客观订正方法。结果表明：与CMAQ模式的PM2.5预报相比，在第1~3天预报时效上，PCA-kNN订正结果与实况的相关系数分别提高20%、15%、29%，均方根误差分别降低17%、16%、20%，平均偏差更接近0，PM2.5浓度等级TS评分接近或优于CMAQ预报，PCA-kNN订正结果优于CMAQ预报。机器学习算法PCA-kNN方法可有效改进广州市空气质量模式PM2.5预报，本研究对其他地区、其他污染物客观预报研究具有借鉴意义。
2019, 35(1): 135-144.
doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2019.012
摘要:
基于湖南省89个气象站点1960—2013年的冬季降水观测数据，应用旋转经验正交函数（REOF）和层次聚类法（HCA）对湖南省冬季降水进行分区，并在分区的基础上，运用离散小波变换结合Mann-Kendall（MK）和Sequential MK（SQMK）的方法，讨论湖南省各分区冬季降水的变化趋势，并识别影响各自变化趋势的主周期分量。结果表明：（1）REOF的前3个旋转空间模态揭示湖南省冬季降水存在3个主要的异常敏感区：湘南、湘西北及湘中；（2）湖南省冬季降水在空间上可划分为5个一致性子区域：湘西北区（DJF1）、湘西-湘北区（DJF2）、湘西南-湘中区（DJF3）、湘南丘陵区（DJF4）和湘南山地区（DJF5），且每一子区域从西南向东北呈带状展布；（3）近54年来，5个子区的冬季降水均表现出增加趋势但各区存在差异，其中，湘西南-湘中区、湘南丘陵区和湘南山地区均呈显著的上升趋势；（4）D1分量是影响湖南省不同区域冬季降水变化趋势的最占优的周期分量，揭示湖南省的冬季降水变化趋势存在准2年的主周期。
基于湖南省89个气象站点1960—2013年的冬季降水观测数据，应用旋转经验正交函数（REOF）和层次聚类法（HCA）对湖南省冬季降水进行分区，并在分区的基础上，运用离散小波变换结合Mann-Kendall（MK）和Sequential MK（SQMK）的方法，讨论湖南省各分区冬季降水的变化趋势，并识别影响各自变化趋势的主周期分量。结果表明：（1）REOF的前3个旋转空间模态揭示湖南省冬季降水存在3个主要的异常敏感区：湘南、湘西北及湘中；（2）湖南省冬季降水在空间上可划分为5个一致性子区域：湘西北区（DJF1）、湘西-湘北区（DJF2）、湘西南-湘中区（DJF3）、湘南丘陵区（DJF4）和湘南山地区（DJF5），且每一子区域从西南向东北呈带状展布；（3）近54年来，5个子区的冬季降水均表现出增加趋势但各区存在差异，其中，湘西南-湘中区、湘南丘陵区和湘南山地区均呈显著的上升趋势；（4）D1分量是影响湖南省不同区域冬季降水变化趋势的最占优的周期分量，揭示湖南省的冬季降水变化趋势存在准2年的主周期。
粤公网安备 4401069904700003号