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CMA-GFS对一次强降水过程预报评估及诊断改进

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中山大学学报（自然科学版）（中英文） 2024年第2期63卷 46-58页

作者：王蕾陈起英徐国强胡江林中国气象局地球系统数值预报中心/中国气象局地球系统数值预报重点开放实验室北京100081

2022年6月6~10日我国江淮-华南地区发生一次大范围强降水过程,造成重大洪涝灾害。强降水发生在850 hPa切变线附近,当切变线南压至华南地区时,配合西南暖湿气流,造成华南地区大暴雨降水。利用ERA5再分析数据及降水融合产品,评估了中国气... 详细信息

2022年6月6~10日我国江淮-华南地区发生一次大范围强降水过程,造成重大洪涝灾害。强降水发生在850 hPa切变线附近,当切变线南压至华南地区时,配合西南暖湿气流,造成华南地区大暴雨降水。利用ERA5再分析数据及降水融合产品,评估了中国气象局全球同化预报系统(CMA-GFS)对此次过程的预报效果,诊断了预报偏差来源,进行了针对性敏感试验。结果表明:CMA-GFS对影响此次雨带位置和移动的南亚高压脊线移动、副高范围变化趋势以及850 hPa切变线移动预报与再分析结果一致,因此对雨带位置和移动趋势预报效果较好,但存在切变线降水偏弱,福建东部沿海、广东北部及广西中部的分散性大暴雨漏报,广东北部雨带偏北及暖区暴雨漏报问题;偏差诊断显示,CMA-GFS对切变线北侧风速预报偏弱3~8 m/s,广西、广东中北部水汽辐合偏弱2×10^(-5)~5×10^(-5)g/(m^(2)·Pa·s),导致切变线降水偏弱,南侧南风分量偏强3~5 m/s导致广东北部雨带偏北约60 km,华南沿海850 hPa急流偏弱4~6 m/s,暖区水汽输送偏少4~10 g/(cm·hPa·s),导致暖区暴雨漏报;采用美国全球预报系统(NCEP-GFS)分析场初始化明显改善了雨带位置预报,采用WSM6云微物理方案及收紧积云对流参数化方案中对流触发条件改善了切变线降水中心位置和量级预报,暖区降水量级也由小到中雨增强至中到大雨。

关键词： CMA-GFS 强降水误差诊断预报改进

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城市热浪与冠层热岛协同作用研究进展与展望

地球科学进展 2024年第4期39卷 331-346页

作者：杨元建罗芙薛捷升宗莲田伟守石涛南京信息工程大学大气物理学院江苏南京210044 芜湖市气象局安徽芜湖241000

城市化的加速和人口聚集不仅加剧了城市冠层热岛效应,还影响高温热浪事件,二者的叠加效应将严重影响城市发展和居民健康。目前部分研究认为热浪与热岛之间存在协同加强的变化特征,但是热浪与城市热岛的叠加效应仍存在较大差异性。通过... 详细信息

城市化的加速和人口聚集不仅加剧了城市冠层热岛效应,还影响高温热浪事件,二者的叠加效应将严重影响城市发展和居民健康。目前部分研究认为热浪与热岛之间存在协同加强的变化特征,但是热浪与城市热岛的叠加效应仍存在较大差异性。通过全面回顾和总结国内外关于热浪与热岛协同作用差异性方面的研究,并从气候背景、局地环流以及城市形态等方面探讨了城市高温的形成机制。在不同气候背景和局地环流条件下,热浪与热岛协同作用呈现出显著的时空差异性,尤其是局地环流的调节作用不可忽视。近10年提出的局地气候区分类在热浪与热岛协同作用方面的研究已经取得了一些成果,但是有必要从城市三维形态方面入手进一步探索其响应特征。目前,未统一标准的热浪定义对深入理解热浪—城市热岛相互作用带来了不确定性。当下需要更全面地了解热浪和热岛带来的城市过度变暖的时空差异性及其形成机制和调节因素,为高温监测和城市居住环境改善提供更详细的指导和理论支撑。

关键词：城市热岛高温热浪协同作用差异性驱动因子城市微气候

MIA-HSU方法的DEM水平分辨率影响斜坡单元提取效果研究

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测绘科学 2024年第6期49卷 65-73页

作者：王秀英张少杰王凯杨红娟中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所山地自然灾害与工程安全全国重点实验室成都610299 成都信息工程大学软件工程学院成都610225 中原工学院建筑工程学院郑州450007

针对数字高程模型(DEM)的水平分辨率会影响滑坡灾害分析中斜坡单元的提取结果的问题,该文以云南省昆明市东川区蒋家沟流域为研究区,利用斜坡单元提取模型MIA-HSU分析蒋家沟流域在不同水平分辨率DEM条件下的斜坡单元提取结果的差异性。... 详细信息

针对数字高程模型(DEM)的水平分辨率会影响滑坡灾害分析中斜坡单元的提取结果的问题,该文以云南省昆明市东川区蒋家沟流域为研究区,利用斜坡单元提取模型MIA-HSU分析蒋家沟流域在不同水平分辨率DEM条件下的斜坡单元提取结果的差异性。以蒋家沟流域1 m分辨率DEM提取的斜坡单元和坡度值为参考,选取斜坡单元平均坡度误差和斜坡单元内部坡度均一性等判定标准,评价DEM水平分辨率对斜坡单元提取结果的影响。研究表明随着DEM水平分辨率的降低,提取的斜坡单元与基于1 m分辨率DEM提取的斜坡单元相比,平均坡度误差增加,单元内部坡度均一性降低。但是考虑各指标变化速率,DEM数据的可获得性与成本和研究区内滑坡与斜坡单元叠加分析结果,最终在给出各项判定指标的误差在可接受的范围内的基础上,该文推荐12.5 m分辨率的DEM用于提取蒋家沟的斜坡单元最佳。

关键词：稳定性分析斜坡单元定量化 DEM水平分辨率 MIA-HSU

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暖干背景下的河南春季极端雨雪天气成因分析

气象学报 2024年第5期 569-584页

作者：陈双符娇兰李晓兰金荣花谌芸王艳杰国家气象中心武汉中心气象台

过渡季节的春季极端雨雪天气一直以来都是预报中的难点。利用常规地面观测、探空、多普勒天气雷达等观测资料和ERA5再分析数据，对2023年3月16日发生在河南省的一次极端雨雪天气成因进行了分析，重点关注了其极端降水及复杂雨雪相态转... 详细信息

过渡季节的春季极端雨雪天气一直以来都是预报中的难点。利用常规地面观测、探空、多普勒天气雷达等观测资料和ERA5再分析数据，对2023年3月16日发生在河南省的一次极端雨雪天气成因进行了分析，重点关注了其极端降水及复杂雨雪相态转换成因。主要结论如下：此次过程是一次发生在暖干背景下，由高空槽东移配合低涡切变线北抬造成的极端雨雪天气，具有转折性强、降雪强度大、强降雪时段长等特点，降雪时地面气温始终维持在0℃附近，雨雪相态转换复杂；异常偏强的极端动力强迫是此次过程小时降水强度大的重要因素，这与对流层低层异常偏强的低空急流所伴随的热、动力强迫有关。另外，条件对称不稳定也在一定程度上加剧了其垂直上升运动的发展，低涡移动缓慢、回波系统走向与移向夹角较小是其降水持续较长时间的关键；过程前期气温异常偏高，15日冷空气降温为雨雪相态转换提供了可能，但河南省中、东部边界层气温仍未达到雨转雪标准，过程开始阶段对流层低层存在明显干层，与此相伴随的由降水粒子蒸发等相变过程造成的降温，是其雨转雪的重要降温机制，干层的存在及降水的持续发展，成为边界层气温能否降到0℃附近的关键，大气趋于饱和之后，固态降水粒子的融化降温在降雪相态维持中也起到了十分重要的作用。

关键词：暖干背景极端雨雪条件对称不稳定降水相态相变降温

川渝地区一次短时强降水天气的集合敏感性分析

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气象 2024年第4期50卷 407-419页

作者：陈良吕夏宇重庆市气象科学研究所重庆401147 北京城市气象研究院北京100089

为了加深对川渝地区短时强降水天气的认识,为提高业务预报技巧及改进数值模式提供参考,选取了川渝地区一次短时强降水天气过程,基于对流尺度集合预报系统,开展了目标区域平均降水量对模式初值的集合敏感性分析,并探讨了相应的动力学机... 详细信息

为了加深对川渝地区短时强降水天气的认识,为提高业务预报技巧及改进数值模式提供参考,选取了川渝地区一次短时强降水天气过程,基于对流尺度集合预报系统,开展了目标区域平均降水量对模式初值的集合敏感性分析,并探讨了相应的动力学机制。主要结论如下:敏感区的分布与对目标区域降水起到关键影响作用的系统有较好的对应:850 hPa和700 hPa西南低涡周围的敏感区呈现出正负相间的分布特征,500 hPa低压槽左(右)侧为负(正)敏感区,250 hPa高空西南急流区域(南侧)为正(负)敏感区,中低层与锋区前(后)部对应区域为正(负)敏感区。说明西南低涡周围负(正)敏感区的西北(东南)风越强,低压槽左(右)侧西北(东南)风越强,高空急流区域(南侧)西南(东北)风越强以及锋前(后)温度越高(低),则越有利于西南低涡内的辐合上升运动,500 hPa低压槽的加强,250 hPa高空辐散的加强,锋区温度梯度增大以及锋面抬升作用加强等并对目标区域的降水产生正面的影响。

关键词：集合预报集合敏感性川渝地区短时强降水

基于FLBO-CatBoost算法的上海长江口区强风潜势预报技术研究

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热带气象学报 2024年第4期40卷 659-668页

作者：陈诗祺张吉岳彩军沙莎黄筱灿上海海洋中心气象台上海201306 华东区域相控阵天气雷达应用联合实验室上海200030

选取2015—2021年逐小时0.25°×0.25°ERA5再分析资料和上海长江口区5个沿江地面自动气象站观测资料,运用FLBO-CatBoost集成学习算法,将6种强对流指数作为输入因子,实现对强对流影响下的长江口区强风的潜势分类及概率预报,并利用SHAP... 详细信息

选取2015—2021年逐小时0.25°×0.25°ERA5再分析资料和上海长江口区5个沿江地面自动气象站观测资料,运用FLBO-CatBoost集成学习算法,将6种强对流指数作为输入因子,实现对强对流影响下的长江口区强风的潜势分类及概率预报,并利用SHAP方法进行输入因子分析。结果表明:通过加入Multi-Class Focal Loss与贝叶斯优化模块,提高了FLBO-CatBoost综合性能,模型筛选的输入因子物理意义较明确,判断7级强风时POD、CSI、FAR均达到0.70,0.67、0.12,判断8级以上强风时分别达到0.97、0.91、0.07,优于其他五种集成学习模型。运用SHAP方法进行重要性排序可知,在水汽、能量、动力等条件方面,模型能起到优秀的影响要素诊断与筛选功能。同时,将对流云团影响下,长江口区7级以上强风概率预报的最优阈值选定为0.5,之后进一步结合个例验证模型对长江口区的强风的可预报性。整体而言,建立的强风预报模型具有一定的业务应用前景。

关键词：强对流天气机器学习 CatBoost 强风潜势预报

华北平原及沿山和沿海五个城市夏季短历时降水过程的日变化分析

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气象学报 2024年第4期82卷 490-509页

作者：丁乙窦晶晶王迎春苗世光樊利强中国气象科学研究院北京100081 北京城市气象研究院北京100089 中国气象局城市气象重点开放实验室北京100089 国家气象中心北京100081

利用华北平原294个国家级气象站1980—2022年夏季(6—8月)逐时降水资料,分析了华北平原夏季短历时降水过程的日变化时、空分布特征,结合地面气温和风的日变化,综合分析了4个沿山城市(北京、石家庄、济南、郑州)和1个沿海城市(天津)在城... 详细信息

利用华北平原294个国家级气象站1980—2022年夏季(6—8月)逐时降水资料,分析了华北平原夏季短历时降水过程的日变化时、空分布特征,结合地面气温和风的日变化,综合分析了4个沿山城市(北京、石家庄、济南、郑州)和1个沿海城市(天津)在城市发展前期(1980—1989年)和后期(2013—2022年)短历时降水过程日变化特征及差异。结果表明:华北平原短历时降水过程整体呈现傍晚单峰的日变化特征;平原站点的达峰时间自东南向西北推后。5个主要城市在城市发展后期,短历时降水过程的日振幅都出现不同程度的减小;沿山城市短历时降水过程日峰值出现时间提前了1—2 h,而沿海城市天津无明显峰值时间,且高值时段提前;沿山城市50 mm以上短历时降水过程概率均有所升高,其中北京和石家庄40 mm以上的降水过程概率分别升高了2倍和5倍,而沿海城市天津40 mm以上的降水过程概率下降了43%。华北平原短历时降水过程的日变化与局地地形的热、动力作用和地面盛行风有关。城市局地增温效应导致沿山、沿海城市与周围地形热力差异更加明显,增强了沿山城市的山风和沿海城市的海风;同时,城市增温导致城市午后地面风辐合增强。近地面层上述热力差异变化导致的风场变化可能是沿山城市短历时降水过程日峰值提前、沿海城市短历时降水过程集中时段变为白天的重要原因。

关键词：短历时降水过程日变化城市效应地形华北平原

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综合天气相似分析方法及其气象预报服务应用

气象科技 2024年第4期52卷 571-582页

作者：李宇中董良淼梁存桂刘国忠覃月凤黄伊曼广西壮族自治区气象局南宁530022 广西壮族自治区气象台南宁530022

为改进传统“切片”式天气形势相似分析方法存在的不同切片相似结果不一致、预报稳定性欠佳问题,借鉴大数据思维,将天气系统视为一个由高中低层大气相互配合、静力热力动力条件相互影响的综合体,以多种气象要素再分析格点资料为基础,采... 详细信息

为改进传统“切片”式天气形势相似分析方法存在的不同切片相似结果不一致、预报稳定性欠佳问题,借鉴大数据思维,将天气系统视为一个由高中低层大气相互配合、静力热力动力条件相互影响的综合体,以多种气象要素再分析格点资料为基础,采用机器学习PCA方法对原始数据进行降维、浓缩,经归一化处理后构建出适于综合天气相似分析的样本衍生特征因子矩阵;然后使用KNN算法计算样本间各特征维度的相似距离、并结合方差贡献率赋予其相应的权重,最终按综合相似距离大小排序给出目标样本在历史天气形势库中的综合最相似序列,从而实现对传统相似天气预报方法的升级改进。对比分析和测试应用表明,该方法可提供多要素、多层次“立体”综合相似下的一致性结论,有助于预报员更好地理解天气系统结构和演变过程、进而更准确地研判可能发生的相关天气现象,在精细化气象预报服务方面有良好的应用前景。在2023年以来的几次广西区域性极端降水气象预报服务中,该方法取得了较为显著的应用效果。

关键词：数据驱动相似距离 PCA降维衍生特征 KNN

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西南地区冬季异常冷湿/暖干的气候背景分析

气象学报 2024年第4期82卷 459-475页

作者：庞轶舒周长艳王顺久罗玉四川省气候中心/高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室成都610072 中国气象局气候预测研究重点开放实验室北京100081 中国气象局成都高原研究所成都610072

利用1981—2022年西南地区409个地面气象站观测资料、NCEP/NCAR和NOAA再分析资料等,分析了西南地区冬季异常冷湿/暖干配置的气候变化特征及形成机制。结果表明,全区大部分冷湿/暖干是西南地区冬季频繁出现的异常气候配置。20世纪80年代... 详细信息

利用1981—2022年西南地区409个地面气象站观测资料、NCEP/NCAR和NOAA再分析资料等,分析了西南地区冬季异常冷湿/暖干配置的气候变化特征及形成机制。结果表明,全区大部分冷湿/暖干是西南地区冬季频繁出现的异常气候配置。20世纪80年代以来,全区暖干趋势显著。对流层中高层的贝加尔湖高压强(弱)和青藏高原高压弱(强)及中低层西伯利亚高压强(弱),协同构成的准正压“北正南负”(“南正北负”)环流型,是西南地区冬季冷湿(暖干)配置的关键环流背景。秋季阿留申群岛南侧、赤道东太平洋南侧和北侧,以及澳大利亚西南侧4个关键区的海温是上述异常环流型的关键前兆信号。阿留申群岛南侧海温偏高(低)可使秋、冬季亚速尔高压持续增强扩大(减弱缩小),然后通过罗斯贝波东传增强(减弱)下游贝加尔湖高压和西伯利亚高压。赤道东太平洋南侧和北侧的海温偏低(高),可共同促使东北太平洋和北大西洋低纬度地区位势高度场偏低(高),激发正(负)异常罗斯贝波源并东传减弱(增强)青藏高原高压;澳大利亚西南侧海温偏高(低),有利于高空越赤道偏南(北)风加强,进而增强(减弱)中东急流,导致青藏高原高压偏弱(强)。

关键词：西南地区冬季冷湿/暖干气候配置气候背景青藏高原高压贝加尔湖高压

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