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2024年2月大气环流和天气分析

气象 2024年第5期50卷 642-648页

作者：许先煌张芳华国家气象中心北京100081

2024年2月北半球大气环流主要特征表现为极涡呈偶极型,东半球极涡中心位于鄂霍次克海到勘察加半岛上空,较常年同期偏强,影响我国的冷空气路径偏东;中纬度环流呈三波型,位于西伯利亚的平均槽较常年偏强,西风带短波槽活动频繁;南支槽位置... 详细信息

2024年2月北半球大气环流主要特征表现为极涡呈偶极型,东半球极涡中心位于鄂霍次克海到勘察加半岛上空,较常年同期偏强,影响我国的冷空气路径偏东;中纬度环流呈三波型,位于西伯利亚的平均槽较常年偏强,西风带短波槽活动频繁;南支槽位置偏东,西太平洋副热带高压显著偏强。2月全国平均气温为-1.8℃,较常年同期(-1.3℃)偏低0.5℃;平均降水量为22.5 mm,较常年同期(16.3 mm)偏多38%。月内有3次主要冷空气过程,其中2月17—22日强寒潮造成剧烈降温和显著低温。受南下冷空气和强盛的西南暖湿气流共同影响,月内出现2次大范围持续性低温雨雪冰冻天气过程,冻雨强度大、范围广,降水量具有极端性,对春运造成严重影响。此外,2月还出现了年度首次沙尘和强对流天气过程。

关键词：大气环流寒潮雨雪冰冻持续性低温极端性

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云凝结核垂直结构及其对强降水影响的数值模拟研究

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云凝结核垂直结构及其对强降水影响的数值模拟研究

作者：许先煌中国气象科学研究院

学位级别：硕士

华南沿海地区的地理位置特殊、下垫面复杂,且当前强降水云中的微物理过程认识有限,该地区强降水的准确预报仍是一个热点问题。云凝结核作为成云致雨的基本元素,其性质的差异会显著影响云和降水的属性。本文利用华南珠三角沿岸地区飞机... 详细信息

华南沿海地区的地理位置特殊、下垫面复杂,且当前强降水云中的微物理过程认识有限,该地区强降水的准确预报仍是一个热点问题。云凝结核作为成云致雨的基本元素,其性质的差异会显著影响云和降水的属性。本文利用华南珠三角沿岸地区飞机直接对云凝结核观测数据,分析了云凝结核的时空演变、气团属性和过饱和度对云凝结核属性的影响。结果表明,云凝结核数浓度从下往上随高度的增加先增加后减小。具体而言,云凝结核数浓度从地面向上先增加,在1.3 km高度附近达到峰值约625 cm,随后急剧下降至2.5 km的低值(约为7 cm)。过饱和度对云凝结核的影响显著,在0.3%过饱和度下,云凝结核粒子谱为单峰形式,峰值在1μm—2μm之间。对比两次观测发现,粒子谱在2.5 km以上的自由大气的差异主要是由于气团停留在陆地上的时间不同造成的;此外,垂直上升运动的差异也有一定的影响。总的来说,云凝结核的数浓度和尺寸随过饱和度的增加而增加,但在不同观测中云凝结核对过饱和度的敏感性仍存在一定的差异。通过Twomey公式(N(SS)=C·SS,其中N为云凝结核数浓度,SS为过饱和度,C为SS=1%时云凝结核数浓度,k为形状参数)拟合2.5 km之上的两次观测数据,发现拟合参数C变化较大,分别为72cm和150 cm;但参数k变化不大,为1.5左右。与其他地区相比,k值较高表明自由大气中存在着较多的吸湿性小颗粒。结合观测所得云凝结核垂直特征对云微物理参数化方案进行修改,并且设计了三组不同的数值试验,针对2021年5月30日夜间–31日早晨发生在广州-惠州-河源地区的一次极端强降水事件进行数值模拟研究。根据多源观测数据分析表明,本次华南强降水过程是在副高边缘控制下受西南季风影响而发生的,降水发生时大气的温湿条件和动力条件都十分有利于强降水的发生,具备华南地区强降水的特点。通过三组不同数值试验的对比,利用实际观测云凝结核廓线(EXP2)明显提升了本次模拟强降水的量级和强度,降水落区也更加接近,特别是极端强降水中心的位置和量级都接近实测。基于数值模拟结果,进一步分析表明冷云过程对本次强对流云的形成和发展起着关键性的作用,雨水、云水和霰是形成这次强降水最重要的三种水凝物。云凝结核廓线的改变引起了本次强降水中动力、热力和水凝物的显著变化,其主要影响的是水汽在垂直方向上的凝结,水汽凝结能释放更多的潜热增强上升气流,而且水汽是云水最重要的来源。云水和霰的碰并、霰的融化以及雨水与霰之间的碰并是影响本次强降水的主要云微物理过程。本研究表明,华南地区云凝结核浓度在垂直结构上呈现先增加后减小;基于该地区云凝结核的观测优化云微物理参数化方案,有助于提高强降水的模拟水平。

关键词：云凝结核飞机观测华南强降水数值模拟云物理参数化方案

“23·7”华北特大暴雨过程雨强精细化特征及动力和热力条件初探

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气象 2023年第12期49卷 1435-1450页

作者：符娇兰权婉晴麦子罗琪陈涛李晓兰许先煌朱文剑华珊韩旭卿国家气象中心北京100081

基于ERA5再分析资料、国家级和区域级地面气象观测、双偏振多普勒雷达、地面雨滴谱仪、闪电定位仪、风廓线雷达等多源观测资料,对“23·7”华北创纪录极端降水过程中雨强的精细化特征,导致极端降水的中尺度对流系统(MCS),极端降水的微... 详细信息

基于ERA5再分析资料、国家级和区域级地面气象观测、双偏振多普勒雷达、地面雨滴谱仪、闪电定位仪、风廓线雷达等多源观测资料,对“23·7”华北创纪录极端降水过程中雨强的精细化特征,导致极端降水的中尺度对流系统(MCS),极端降水的微物理特征及动力和热力条件进行了分析。结果表明:整个过程小时雨强表现出面弱点强的特点,局地小时、分钟级雨强具有极端性。雨强阶段性特征明显,2023年7月30日08:00至31日20:00(第二阶段)雨强最强,与多个β-MCS发展有关,并伴有后向传播及列车效应等中尺度过程,降水以中等直径、高浓度雨滴为主,具有一定量的低浓度大粒子雨滴样本,属于海洋性与大陆性混合型降水,暖云碰并与冰晶聚合融化过程共存。7月29日08:00至30日08:00(第一阶段)和7月31日20:00至8月2日08:00(第三阶段)雨强相对较小,对应于前者的MCS垂直伸展高度较低、强度不强,以暖云降水为主导,雨滴浓度高、直径中等,对应于后者的MCS发展强盛,但移动速度快,也具有海洋性与大陆性降水混合型降水特征。三个阶段的大气整层可降水量最大值均超过70 mm,第一阶段天气尺度强迫强,对流有效位能(CAPE)在500 J·kg^(-1)左右,MCS发展高度相对较低;第二阶段后期天气尺度强迫有所减弱,但华北中南部对流不稳定能量再次重建,上游地区CAPE较第一阶段有所增大(600~1000 J·kg^(-1)),导致极端降水的MCS发展为深厚湿对流系统,雨强明显增大;第三阶段天气尺度强迫明显减弱,低层偏南风脉动辐合和大的CAPE为MCS强烈发展提供了有利条件。

关键词： “23·7”特大暴雨极端降水雨强中尺度对流系统降水微物理特征动力和热力条件

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“23·7”华北极端暴雨精细特征和天气学成因分析

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气象学报 2024年第5期82卷 600-614页

作者：陈涛谌芸方翀董林符娇兰李晓兰陈双石岩沈艳许先煌孔铃涵权婉晴国家气象中心北京100081 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海) 珠海519082 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081 国家气象信息中心北京100081

2023年7月29日至8月1日,华北京津冀地区遭受极端特大暴雨袭击,导致区域性洪涝灾害,造成重大经济损失和人员伤亡。为探明此次“23·7”华北极端降水过程的基本特征和形成原因,基于地面自动气象站分钟级降水资料、风廓线雷达和雨滴谱仪观... 详细信息

2023年7月29日至8月1日,华北京津冀地区遭受极端特大暴雨袭击,导致区域性洪涝灾害,造成重大经济损失和人员伤亡。为探明此次“23·7”华北极端降水过程的基本特征和形成原因,基于地面自动气象站分钟级降水资料、风廓线雷达和雨滴谱仪观测资料及ERA5再分析数据,揭示了“23·7”华北极端暴雨的精细特征和天气学成因。结果表明:(1)此次降水过程持续时间长、累计雨量极大,特大暴雨落区、突破降水量历史极值的国家级观测站站点密集分布在京津冀太行山近山地区,降水呈现显著极端性、区域性差异和阶段性变化。河北和北京太行山东侧迎风坡地区出现持续性、强度相对稳定的强降水过程,雨滴谱分布偏向于高雨滴数密度、小雨滴直径的海洋型对流降水;京津冀平原地区过程雨量明显小于山区,但中尺度对流雨带活跃,降水阵性、对流性特征明显。(2)在“杜苏芮”台风残涡、西太平洋副热带高压、大陆高压等天气系统协同作用下,中层位势高度场出现罕见的“北高南低”+“西低东高”的稳定天气形势。北上台风“杜苏芮”残涡在高压坝以及太行山、燕山地形影响下移动缓慢,残涡中心北侧的地形障碍流与低空东南风之间形成稳定倒槽,京津冀地区出现持续性低层辐合,同时配合来自南海季风和东部洋面台风“卡努”的双路水汽输送,导致京津冀地区出现长历时、区域性极端暴雨过程。(3)在阶段性降水发展过程中,与台风残涡相关的倒槽、暖切变线、低空急流等精细结构调控了中尺度对流系统的组织和发展特征,7月31日早晨至上午京津冀地区出现超过22 m/s的超低空东南风急流,配合对流和地形抬升等因素影响,降水强度明显增强,北京西部山前出现超100 mm/h的极端雨强。此次极端降水事件中的地形影响、中小尺度特征以及极端暴雨可预报性等问题尚待更深入研究。

关键词：极端暴雨华北地形低空急流台风西太平洋副热带高压

大气冰核浓度对华北一次大范围强降水影响的模拟分析

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暴雨灾害 2022年第4期41卷 413-425页

作者：谷皓东尹金方许先煌谢衍新李丰中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081 中国气象局横断山区(低纬高原)灾害性研究中心昆明650034

冰核在冷云降水中起着重要的作用。为了分析冰核-温度活化谱对于大范围强降水过程的影响,本文利用华北地区不同时期外场试验观测的冰核-温度活化谱模拟分析了华北一次大范围强降水过程。模拟设置两组试验:(1) 1990年代观测的高冰核浓度... 详细信息

冰核在冷云降水中起着重要的作用。为了分析冰核-温度活化谱对于大范围强降水过程的影响,本文利用华北地区不同时期外场试验观测的冰核-温度活化谱模拟分析了华北一次大范围强降水过程。模拟设置两组试验:(1) 1990年代观测的高冰核浓度冰核-温度活化谱(HIN);(2) 2010年代观测的低冰核浓度冰核-温度活化谱(LIN)。结果表明,两组试验均能够较好地再现此次强降水和对流系统的时空演变,冰核浓度的变化对降水的整体落区和区域平均降水量的影响不明显,但对降水发生的时间有一定影响。增加冰核浓度导致前期(南部、北部降水)降水的增强,而后期(中部降水)降水减弱,一定程度上改变了局地降水的强度。就整个降水过程而言,HIN试验中雨水、云水与冰相物含量略高于低冰核浓度的LIN试验,但是在不同降水阶段略有差异。具体而言,HIN在降水前期(南部、北部降水)雨水含量较高,而后期(中部降水)低冰核浓度使得雨水含量较高,这主要是由于冰核浓度的改变对云水向雨水转化的影响。本研究结果表明在高冰核浓度背景条件下,冰核浓度的变化对降水强度和落区的整体时空分布变化影响不大,但能引起局地降水的时空变化。该结果可为高冰核背景浓度环境中人工影响天气作业和云微物理参数化方案中冰核活化过程的描述提供参考。

关键词：冰核云微物理过程强降水数值模拟

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2024年春运期两次极端雨雪冰冻天气过程对比分析

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暴雨灾害 2024年第4期43卷 371-383页

作者：张芳华许先煌权婉晴胡艺张博远芳周军国家气象中心北京100081 国家气象信息中心北京100081

2024年1月31日-2月6日和2月19-25日,我国先后出现两次大范围持续性低温雨雪冰冻天气过程(分别简称过程1和过程2),对春运造成严重影响。利用多源观测和ERA5再分析资料对两次过程进行对比,重点分析了南方地区雨雪天气强度及冻雨和降水相... 详细信息

2024年1月31日-2月6日和2月19-25日,我国先后出现两次大范围持续性低温雨雪冰冻天气过程(分别简称过程1和过程2),对春运造成严重影响。利用多源观测和ERA5再分析资料对两次过程进行对比,重点分析了南方地区雨雪天气强度及冻雨和降水相态差异的原因。结果表明:(1)两次过程的累计降水量均有一定极端性,并伴有复杂的降水相态变化,冻雨强度和范围为2009年以来最大;过程1冻雨强度和积雪深度大于过程2,过程2冻雨范围、降水和对流强度大于过程1。(2)两次过程均发生在高空槽与低层冷空气共同作用的环流背景下,南支槽前和西太平洋副热带高压外围的西南急流稳定维持且较常年显著偏强,为两次极端雨雪冰冻天气过程提供了持续而充沛的水汽条件;暖湿气流在冷垫上的爬升以及低层风场的水平辐合是产生雨雪天气的重要动力机制,逆温层和融化层的稳定维持是出现冻雨及降水相态反复变化的关键原因。(3)两次过程不同点主要在于,过程1冻结层内温度多在-4~0℃,高于过程2,相对而言更有利于形成冻雨;逆温区狭长且少动,冻雨影响范围集中,强度大;过程2副热带高压更偏西偏北,有利于西南暖湿急流加强和北推,同时强寒潮导致冷垫较强,冷暖交汇有利于上升运动发展和降水增强;过程2融化层维持时间更长,云水含量较高,但冻结层内温度低,更有利于出现冰粒或湿雪。

关键词：强降雪冻雨逆温层降水相态副热带高压

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基于STIRPAT和CNN-LSTM组合模型的福建省碳达峰预测

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环境科学 2025年第1期46卷 10-18页

作者：连艳琼苏墩煌施生旭福建农林大学公共管理与法学院

碳达峰对中国实现“双碳”目标、推动经济社会绿色转型具有重要意义.基于改进的STIRPAT模型分析影响福建省碳排放的主要因素，设置3种情景方案，利用CNN-LSTM神经网络混合模型对福建省2022～2035年碳排放量进行预测.结果表明：(1)人口... 详细信息

碳达峰对中国实现“双碳”目标、推动经济社会绿色转型具有重要意义.基于改进的STIRPAT模型分析影响福建省碳排放的主要因素，设置3种情景方案，利用CNN-LSTM神经网络混合模型对福建省2022～2035年碳排放量进行预测.结果表明：(1)人口、人均GDP和产业结构对福建省碳排放有正向驱动作用，能源强度、能源结构和对外贸易度则起负向驱动作用；(2)基准情景下于2033年实现碳达峰，达峰值为361.107 9 Mt，低碳情景和优化情景可以提早1 a达峰且达峰值均有不同程度下降，分别为333.028 4 Mt和301.748 3 Mt；(3)对比优化情景和低碳情景，调整产业和能源结构能够控制福建省碳峰值降低10.37%，加快推动能源和产业结构优化转型是解绑碳排放与经济发展之间束缚的关键所在.最后，结合福建省当前政策规划和发展现状，从能源减排、产业结构和制度体系等角度提出低碳发展建议.

关键词：碳排放碳达峰 STIRPAT模型 CNN-LSTM模型政策

制度演化视角下福建沿海地区渔业经济韧性研究

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热带地理 2025年

作者：冷韵韦素琼游小珺任之煌福建师范大学地理科学学院福建师范大学地理研究所

以福建省沿海地区渔业为例，利用产值和产量对渔业韧性抵抗力进行测算，并结合基于稳健性-抵抗力-恢复力（3Rs）的韧性评估体系和制度演化理论构建分析框架，对渔业韧性差异的形成原因给予解释。研究发现：1）不同类型冲击的影响下（200... 详细信息

以福建省沿海地区渔业为例，利用产值和产量对渔业韧性抵抗力进行测算，并结合基于稳健性-抵抗力-恢复力（3Rs）的韧性评估体系和制度演化理论构建分析框架，对渔业韧性差异的形成原因给予解释。研究发现：1）不同类型冲击的影响下（2006年超大台风、2008年金融危机、2017年渔业产业升级），产值因受生产和供给双重影响波动明显，产量更多受生产影响，对自然灾害的反映更为剧烈。2）台风影响具有区域性，主要影响宁德市区、福鼎市、福安市和霞浦县，使区域产量大幅减少。韧性抵抗力在经济危机和产业转型危机中的表现类似，其空间差异更受历史基础及制度演化影响。3）沿海地区25个研究单元可以分为5类，渔业韧性的空间分布受海岸线长度的影响。每类区域在冲击下的韧性包括稳健性、抵抗力和恢复力的表现存在差异，制度演化的深度也存在差异。合理的制度演化模式能够缓解渔业资源缺乏对渔业发展的制约，增强经济韧性。高韧性区域因良性层叠和转化的制度演化模式而韧性高；韧性逐年变好区域通过对高韧性地区的战略跟随，也实现良性层叠和转化逐步提高韧性；低韧性和韧性逐年变差区域是对原有制度的不断厚化，影响韧性提高；韧性断崖式下降地区采用替代的制度演化模式，渔业不以提高经济韧性为目的，渔业经济韧性差。

关键词：渔业经济韧性空间差异制度演化福建省沿海地区

基于6D光笔的工业机器人高精度示教方法研究

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中国机械工程 2025年

作者：梁继煌汪炜锋吴海彬福州大学机械工程及自动化学院

针对目前工业机器人视觉示教方法存在精度较低、对光照敏感和示教范围易受限等问题，提出一种基于6D光笔的机器人高精度引导示教方法。光笔设有三个红外发光标记球，通过固定于机器人末端的红外双目相机捕捉光笔标记球即可获得其3D位置... 详细信息

针对目前工业机器人视觉示教方法存在精度较低、对光照敏感和示教范围易受限等问题，提出一种基于6D光笔的机器人高精度引导示教方法。光笔设有三个红外发光标记球，通过固定于机器人末端的红外双目相机捕捉光笔标记球即可获得其3D位置坐标和3D姿态信息。采取了两种措施提升6D光笔的视觉示教精度，一是提出一种基于红外发光标记球的手眼标定方法，有效提升了相机坐标系到机器人工具坐标系的转换精度；二是提出了一种相机视野自适应跟踪方法，使机器人能够通过固定在末端的相机自动跟踪光笔的位置，从而保证光笔标记球始终处于相机视野中心区域，有效提高了示教精度。最后将捕捉到的示教轨迹转换到机器人基坐标系下实现轨迹的编程跟踪。实验结果表明，利用该光笔得到的单点最大误差为0.63mm，姿态最大误差为2.1432°，示教轨迹最大误差为0.73mm，所提出的示教方法能够实现机器人高精度、高效率示教。

关键词：机器人示教 6D光笔红外双目相机手眼标定