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Predictability of the 7·20 extreme rainstorm in Zhengzhou in stochastic kinetic-energy backscatter ensembles

Science China Earth Sciences 2024年第7期67卷 2226-2241页

作者： Min YANG Peilong YU Lifeng ZHANG Xiaobing PAN quanjia zhong Yunying LI College of Meteorology and Oceanography National University of Defense TechnologyChangsha 410073China Key Laboratory of High Impact Weather(Special) China Meteorological AdministrationChangsha 410073China Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters/Key Laboratory of Meteorological Disaster Ministry of Education/Joint International Research Laboratory of Climate and Environment ChangeNanjing University of Information Science and TechnologyNanjing 210044China Department of Ocean Science Hong Kong University of Science and TechnologyHong Kong 999077China

The scale-dependent predictability of the devastating 7·20 extreme rainstorm in Zhengzhou,China in 2021 was investigated via ensemble experiments,which were perturbed on different scales using the stochastic kinetic-energy backscatter(SKEB)scheme in the WRF model,with the innermost domain having a 3-km grid spacing.The daily rainfall(RAIN24h)and the cloudburst during 1600-1700 LST(RAIN1h)were considered.Results demonstrated that with larger perturbation scales,the ensemble spread for the rainfall maximum widens and rainfall forecasts become closer to the observations.In ensembles with mesoscale or convective-scale perturbations,RAIN1h loses predictability at scales smaller than 20 km and RAIN24h is predictable for all scales.Whereas in ensembles with synoptic-scale perturbations,the largest scale of predictability loss extends to 60 km for both RAIN1h and RAIN24h.Moreover,the average positional error in forecasting the heaviest rainfall for RAIN24h(RAIN1h)was 400 km(50-60)km.The southerly low-level jet near Zhengzhou was assumed to be directly responsible for the forecast uncertainty of RAIN1h.The rapid intensification in low-level cyclonic vorticity,mid-level divergence,and upward motion concomitant with the jet dynamically facilitated the cloudburst.Further analysis of the divergent,rotational and vertical kinetic spectra and the corresponding error spectra showed that the error kinetic energy at smaller scales grows faster than that at larger scales and saturates more quickly in all experiments.Larger-scale perturbations not only boost larger-scale error growth but are also conducive to error growth at all scales through a downscale cascade,which indicates that improving the accuracy of larger-scale flow forecast may discernibly contributes to the forecast of cloudburst intensity and position.

关键词： Stochastic kinetic-energy backscatter(SKEB) Extreme rainfall Ensemble forecast Predictability

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Impact of Perturbation Schemes on the Ensemble Prediction in a Coupled Lorenz Model

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Advances in Atmospheric Sciences 2023年第3期40卷 501-513页

作者： Qian ZOU quanjia zhong Jiangyu MAO Ruiqiang DING Deyu LU Jianping LI Xuan LI State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics(LASG) Institute of Atmospheric PhysicsChinese Academy of SciencesBeijing 100029China College of Earth Science University of Chinese Academy of SciencesBeijing 100049China State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology Beijing Normal UniversityBeijing 100875China Frontiers Science Center for Deep Ocean Multispheres and Earth System(FDOMES)/Key Laboratory of Physical Oceanography/Institute for Advanced Ocean Studies Ocean University of ChinaQingdao 266100China Laboratory for Ocean Dynamics and Climate Pilot Qingdao National Laboratory for Marine Science and TechnologyQingdao 266237China Department of Atmospheric and Oceanic Sciences and Institute of Atmospheric Sciences Fudan UniversityShanghai 200438China

Based on a simple coupled Lorenz model,we investigate how to assess a suitable initial perturbation scheme for ensemble forecasting in a multiscale system involving slow dynamics and fast dynamics.Four initial perturbation approaches are used in the ensemble forecasting experiments:the random perturbation(RP),the bred vector(BV),the ensemble transform Kalman filter(ETKF),and the nonlinear local Lyapunov vector(NLLV)methods.Results show that,regardless of the method used,the ensemble averages behave indistinguishably from the control forecasts during the first few time steps.Due to different error growth in different time-scale systems,the ensemble averages perform better than the control forecast after very short lead times in a fast subsystem but after a relatively long period of time in a slow subsystem.Due to the coupled dynamic processes,the addition of perturbations to fast variables or to slow variables can contribute to an improvement in the forecasting skill for fast variables and slow variables.Regarding the initial perturbation approaches,the NLLVs show higher forecasting skill than the BVs or RPs overall.The NLLVs and ETKFs had nearly equivalent prediction skill,but NLLVs performed best by a narrow margin.In particular,when adding perturbations to slow variables,the independent perturbations(NLLVs and ETKFs)perform much better in ensemble prediction.These results are simply implied in a real coupled air–sea model.For the prediction of oceanic variables,using independent perturbations(NLLVs)and adding perturbations to oceanic variables are expected to result in better performance in the ensemble prediction.

关键词： ensemble prediction nonlinear local Lyapunov vector(NLLV) ensemble transform Kalman filter(ETKF) coupled air-sea models

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Estimating the Predictability Limit of Tropical Cyclone Tracks over the Western North Pacific Using Observational Data

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Advances in Atmospheric Sciences 2018年第12期35卷 1491-1504页

作者： quanjia zhong Lifeng ZHANG Jianping LI Ruiqiang DING Jie FENG State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics Institute of Atmospheric Physics Chinese Academy of Sciences College of Meteorology and Oceanography National University of Defense Technology College of Earth Science University of Chinese Academy of Sciences Laboratory for Regional Oceanography and Numerical Modeling Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology College of Global Change and Earth System Sciences Beijing Normal University School of Meteorology University of Oklahoma

In this study,the nonlinear local Lyapunov exponent(NLLE)approach was used to quantitatively determine the predictability limit of tropical cyclone(TC)tracks based on observed TC track data obtained from the Joint Typhoon Warning Center.The results show that the predictability limit of all TC tracks over the whole western North Pacific(WNP)basin is about 102 h,and the average lifetime of all TC tracks is about 174 h.The predictability limits of the TC tracks for short-,medium-,and long-lived TCs are approximately 72 h,120 h,and 132 h,respectively.The predictability limit of the TC tracks depends on the TC genesis location,lifetime,and intensity,and further analysis indicated that these three metrics are closely related.The more intense and longer-lived TCs tend to be generated on the eastern side of the WNP(EWNP),whereas the weaker and shorter-lived TCs tend to form in the west of the WNP(WWNP)and the South China Sea(SCS).The relatively stronger and longer-lived TCs,which are generated mainly in the EWNP,have a longer travel time before they curve northeastwards and hence tend to be more predictable than the relatively weaker and shorter-lived TCs that form in the WWNP region and SCS.Furthermore,the results show that the predictability limit of the TC tracks obtained from the best-track data may be underestimated due to the relatively short observational records currently available.Further work is needed,employing a numerical model to assess the predictability of TC tracks.

关键词： predictability tropical cyclone tracks nonlinear local Lyapunov exponent

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A comparison of the strength and position variability of the Kuroshio Extension SST front

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Acta Oceanologica Sinica 2020年第5期39卷 26-34页

作者： Peilong Yu Lifeng Zhang Mingyang Liu quanjia zhong Yongchui Zhang Xin Li College of Meteorology and Oceanography National University of Defense TechnologyNanjing 211101China No.91939 Troops of PLA Jiangmen 529100China State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics(LASG) Institute of Atmospheric PhysicChinese Academy of SciencesBeijing 100029China College of Earth Science University of Chinese Academy of SciencesBeijing 100049China

This study compares the seasonal and interannual-to-decadal variability in the strength and position of the Kuroshio Extension front(KEF)using high-resolution satellite-derived sea surface temperature(SST)and sea surface height(SSH)data.Results show that the KEF strength has an obvious seasonal variation that is similar at different longitudes,with a stronger(weaker)KEF during the cold(warm)season.However,the seasonal variation in the KEF position is relatively weak and varies with longitude.In contrast,the low-frequency variation of the KEF position is more distinct than that of the KEF strength even though they are well correlated.On both seasonal and interannual-to-decadal time scales,the western part of the KEF(142°–144°E)has the greatest variability in strength,while the eastern part of the KEF(149°–155°E)has the greatest variability in position.In addition,the relationships between wind-forced Rossby waves and the low-frequency variability in the KEF strength and position are also discussed by using the statistical analysis methods and a wind-driven hindcast model.A positive(negative)North Pacific Oscillation(NPO)-like atmospheric forcing generates positive(negative)SSH anomalies over the central North Pacific.These oceanic signals then propagate westward as Rossby waves,reaching the KE region about three years later,favoring a strengthened(weakened)and northward(southward)-moving KEF.

关键词： sea surface temperature Kuroshio Extension front North Pacific Oscillation-like atmospheric forcing oceanic Rossby waves

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耦合Lorenz模型的吸引子特性及其可预报性分析

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大气科学 2023年第6期47卷 1746-1756页

作者：张铭王伟钟权加丁瑞强李建平成都信息工程大学四川省高原大气与环境重点实验室成都610225 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室北京100029 北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室北京100875 中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室青岛266100

通过改变耦合Lorenz模型中控制快、慢子系统之间耦合强度的参数,本文探究了耦合强度对该系统的混沌吸引子特性及可预报性的影响。结果表明:随着耦合增强,快系统中显示出与慢系统类似的低频变化特征,其吸引子也随之变大;而慢系统高频分... 详细信息

通过改变耦合Lorenz模型中控制快、慢子系统之间耦合强度的参数,本文探究了耦合强度对该系统的混沌吸引子特性及可预报性的影响。结果表明:随着耦合增强,快系统中显示出与慢系统类似的低频变化特征,其吸引子也随之变大;而慢系统高频分量变大,导致其变率增强,吸引子轨道变得更加密集。在此基础上,利用非线性局部Lyapunov指数方法定量分析了耦合强度对耦合Lorenz系统可预报性的影响。具体来说,在耦合之后,耦合系统的对数误差增长曲线包含前后两段不同的误差增长率,分别代表快速和慢速误差增长过程。此外,各子系统的可预报性对耦合强度变化响应并不一致,随着对快系统的耦合强度增加,快/慢两个不同尺度系统的可预报上限均减少。然而,增加对慢系统的耦合强度却只能提高快系统的可预报上限,对慢系统的可预报性改变不大。

关键词：非线性局部Lyapunov指数(NLLE) 耦合Lorenz系统误差增长可预报性

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基于热带气旋风圈半径的海上风电场灾害预警时间估计方法研究及应用

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海洋预报 2023年第3期40卷 66-74页

作者：杜梦蛟刘瑞雪钟权加李响易侃中国长江三峡集团有限公司科学技术研究院北京100038 武汉中心气象台湖北武汉430074 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室北京100029 中国气象局上海台风研究所上海200030 国家海洋环境预报中心自然资源部海洋灾害预报技术重点实验室北京100081

利用2001—2019年美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的热带气旋最佳路径数据集,统计分析了西北太平洋上影响我国沿海的热带气旋的移速、强度和风圈半径等气候特征。结果表明:8级、10级和12级热带气旋风圈半径的平均值分别为198.2 km、111.... 详细信息

利用2001—2019年美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的热带气旋最佳路径数据集,统计分析了西北太平洋上影响我国沿海的热带气旋的移速、强度和风圈半径等气候特征。结果表明:8级、10级和12级热带气旋风圈半径的平均值分别为198.2 km、111.6 km、70.6 km,且风圈呈现不对称性,东北象限风圈半径最大,西南象限最小;风圈半径与强度变化呈现正相关关系;热带气旋移速、强度和风圈半径在各海域的空间分布特征明显不同,且8级和12级风圈半径随纬度变化存在显著差异。在气候特征分析的基础上,基于风圈半径、移速、强度和离岸距离等变量,提出一种针对海上风电场的热带气旋灾害预警时间估算方法,并根据不同风圈半径给出其预警时间的空间分布特征,为有效利用海上风能和开展抗台风措施提供参考。

关键词：风圈半径海上风电热带气旋预警

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华南夏季降水的变化特征及其与热带太平洋海温异常的关系

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气候变化研究进展 2016年第1期12卷 28-36页

作者：钟权加张立凤丁瑞强秦箭煌解放军理工大学气象海洋学院南京211101 中国科学院大气物理研究所大气科学与地球流体力学数值模拟国家重点实验室北京100029 南京信息工程大学南京210044

根据1958—2008年华南48站降水资料、NOAA全球逐月海温格点资料、NCEP/NCAR再分析资料,采用EOF分解、相关、合成等统计方法,分析了华南夏季降水的变化特征及其与冬季热带太平洋海温的关系。结果表明,华南夏季降水变化特征主要表现为,空... 详细信息

根据1958—2008年华南48站降水资料、NOAA全球逐月海温格点资料、NCEP/NCAR再分析资料,采用EOF分解、相关、合成等统计方法,分析了华南夏季降水的变化特征及其与冬季热带太平洋海温的关系。结果表明,华南夏季降水变化特征主要表现为,空间分布以全区一致型为主,其次是南北反相对称型和东西反相对称型,且这3种分布模态都表现出显著的年际和年代际特征。全区一致型降水异常与热带太平洋海温显著相关,二者的相关性也具有年代际变化特征,其对应的热带太平洋海温具有沿赤道太平洋呈"负-正-负"的纬向分布型,类似于中部型El Nino。全区降水偏多时期,西南季风偏强,西太平洋副热带高压偏强、脊点位置偏西,南亚高压偏强、脊点位置偏东,总体的环流形势有利干华南地区的水汽输送和上升运动,降水偏少时期,情况相反。

关键词：华南夏季降水大气环流海温异常

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棉花萌发期抗旱指标筛选及种质资源抗旱性综合评价

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生物技术进展 2023年第4期13卷 556-564页

作者：陈金萍陈全家郑凯浦元春徐江淋周婷杨椰珺孙国清新疆农业大学农学院教育部棉花工程研究中心乌鲁木齐830052 中国农业科学院生物技术研究所北京100081 山西农业大学农学院山西晋中030801

棉花是重要的经济作物和油料作物。为研究棉花种子萌发期形态指标与抗旱性的关系,筛选棉花萌发期适宜的抗旱性指标,以40个棉花品种为材料,聚乙二醇-6000(polyethylene glycol-6000,PEG-6000)溶液模拟干旱胁迫,清水为对照,采用相关性分... 详细信息

棉花是重要的经济作物和油料作物。为研究棉花种子萌发期形态指标与抗旱性的关系,筛选棉花萌发期适宜的抗旱性指标,以40个棉花品种为材料,聚乙二醇-6000(polyethylene glycol-6000,PEG-6000)溶液模拟干旱胁迫,清水为对照,采用相关性分析比较了与棉花萌发期抗旱性相关的7个指标(相对种子吸水率、相对发芽势、相对发芽率、相对萌发指数、胚根/下胚轴指数、相对胚根干/鲜重和相对胚芽干/鲜重),依据隶属函数得到综合抗旱性评价值,并将其与7个指标进行相关性分析,以得到最适宜的抗旱性指标。结果显示,相对发芽势、相对发芽率和相对萌发指数是供试40个棉花品种萌发期抗旱性鉴定的3个重要指标。干旱胁迫下,可通过测定这3个指标对不同品种棉花萌发期的耐旱性进行快速准确的鉴定及评价。供试的40个棉花材料中,‘中85271’抗旱性最强,‘CF75落6’抗旱性最弱。

关键词：棉花萌发期抗旱性抗旱指标综合评价

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花铃期干旱胁迫对棉花陆海RIL群体光合的影响

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生物学杂志 2021年第3期38卷 83-87页

作者：姜梦辉孙丰磊范蓉石颖颖刘亚丽赵柯柯曲延英陈全家新疆农业大学农学院棉花教育部工程研究中心乌鲁木齐830052

以陆地棉材料(中07)和海岛棉材料(新海20)构建的F 2∶6陆海RIL群体为试验材料,在花铃期采用田间干旱胁迫方法对群体材料进行干旱胁迫处理,通过测定群体材料的光合性状,采用主成分分析、聚类分析和综合抗旱评价体系相结合的方式,对陆海RI... 详细信息

以陆地棉材料(中07)和海岛棉材料(新海20)构建的F 2∶6陆海RIL群体为试验材料,在花铃期采用田间干旱胁迫方法对群体材料进行干旱胁迫处理,通过测定群体材料的光合性状,采用主成分分析、聚类分析和综合抗旱评价体系相结合的方式,对陆海RIL群体材料进行抗旱性鉴定及评价。结果表明:不同棉花材料在花铃期受到干旱胁迫后,各指标反应程度不同,其中A、E、WUE的变化较为明显。通过D值聚类分析,将棉花材料分为4个类群,第Ⅰ类群为强抗旱型,有21份材料;第Ⅱ类群为抗旱型,有7份材料;第Ⅲ类群为干旱敏感型,有26份材料;第Ⅳ类群为干旱极敏感型,有16份材料;并得到群体中比亲本中07抗旱性更强的材料和比亲本新海20抗旱性更敏感的材料。

关键词：棉花陆海RIL群体花铃期光合特性抗旱性评价

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棉花果枝节间长短性状内源激素的差异以及外施激素对其影响

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棉花学报 2018年第3期30卷 224-230页

作者：栗战帅魏恒玲庞朝友王寒涛马启峰宿俊吉陈全家曲延英范术丽喻树迅新疆农业大学农学院乌鲁木齐830052 中国农业科学院棉花研究所/棉花生物学国家重点试验室河南安阳455000

【目的】进行棉花果枝节间长度研究对于棉花株型的塑造具有重要意义。【方法】本研究通过对果枝节间长短不同的两个陆地棉中2549和中5081测定内源激素以及喷施不同的外源激素,探究棉花不同长度果枝节间的内源激素差异和喷施外源激素对... 详细信息

【目的】进行棉花果枝节间长度研究对于棉花株型的塑造具有重要意义。【方法】本研究通过对果枝节间长短不同的两个陆地棉中2549和中5081测定内源激素以及喷施不同的外源激素,探究棉花不同长度果枝节间的内源激素差异和喷施外源激素对棉花果枝节间长度的影响;同时对两个材料的果枝节间组织进行切片处理观察其细胞水平上的差异。【结果】果枝节间长的中2549内源激素IAA、GA_3和ABA的含量都明显高于果枝节间短的中5081;喷施外源激素IAA、GA_3和ABA都能使棉花果枝节间长度有一定程度的伸长;与中5081相比,中2549的果枝节间组织细胞明显较大,但细胞数量明显较少。【结论】本研究发现了不同棉花果枝节间长度材料在内源激素以及细胞水平上的差异,为棉花果枝节间长度分子机理探究奠定了基础。

关键词：棉花果枝节间长度激素切片细胞

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