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2021年7月20—22日豫北地区暴雨过程中尺度低涡和垂直运动发展的位涡动力学诊断

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气象学报 2024年第3期82卷 306-318页

作者：刘柯毛江玉汪小康生宸张冠舜任靖中国气象局武汉暴雨研究所中国气象局流域强降水重点开放实验室/暴雨监测预警湖北省重点实验室武汉430205 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 中国气象局广州热带海洋气象研究所广州510641

2021年7月17—23日,河南省发生了一次大范围的强降水过程(简称河南“21.7”特大暴雨)。20—22日暴雨中心移至豫北地区,在太行山东侧新乡、鹤壁等地引发了洪涝灾害。基于自动雨量站观测和ERA5再分析数据,利用位涡倾向方程和垂直运动分解... 详细信息

2021年7月17—23日,河南省发生了一次大范围的强降水过程(简称河南“21.7”特大暴雨)。20—22日暴雨中心移至豫北地区,在太行山东侧新乡、鹤壁等地引发了洪涝灾害。基于自动雨量站观测和ERA5再分析数据,利用位涡倾向方程和垂直运动分解方法,对河南“21.7”特大暴雨事件中豫北地区暴雨过程中中尺度低涡及垂直运动发展的热动力学机制进行了诊断分析。结果表明:豫北地区强降水凝结潜热引起的大气非绝热加热,因其垂直分布在低空随高度上升而制造位涡,使得低层大气位涡增强,表明中尺度低涡发展;另外,加深的中尺度低涡又使得等熵面进一步下凹、倾斜坡度增大,从而增强大尺度东南暖湿气流向豫北地区的辐合与抬升,特别是沿等熵面上滑的上升运动分量和与凝结潜热有关的上升运动分量,导致降水进一步加强。由此,中尺度低涡、垂直运动和强降水发展之间形成一定的正反馈,在豫北造成持续性暴雨过程。

关键词：河南暴雨位涡垂直运动非绝热加热中尺度低涡

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华南前汛期强降水过程雨滴谱特征研究

暴雨灾害 2024年

作者：李晓惠冯璐叶朗明刘显通皮婉楷蒲义良徐碧裕邢飞广东江门市气象局/江门市季风强降水研究重点实验室中国气象局雷达气象重点开放实验室中国气象局广州热带海洋气象研究所

为了解华南前汛期暖区降水和锋面降水的微物理特征差异,利用二维视频雨滴谱仪(2DVD)资料、自动站降水资料以及ERA5再分析资料,以2017年6月17日、2023年4月6日锋面降水和2017年6月22日、2022年5月11日暖区降水为研究对象,对比分析暖区降... 详细信息

为了解华南前汛期暖区降水和锋面降水的微物理特征差异,利用二维视频雨滴谱仪(2DVD)资料、自动站降水资料以及ERA5再分析资料,以2017年6月17日、2023年4月6日锋面降水和2017年6月22日、2022年5月11日暖区降水为研究对象,对比分析暖区降水和锋面降水的雨滴谱特征、Gamma谱参数形状因子与斜率因子(μ-Λ)关系以及雷达反射率因子与雨强(Z-R)关系。结果表明:(1)锋面降水个例和暖区降水个例中,对流降水均占主要贡献,对流降水各粒径(尤其是粒径小于1 mm)数浓度高且粒径大;暖区对流降水发生时间概率和降水量贡献比例均大于锋面对流降水。(2)暖区降水和锋面降水对流发展阶段,雨强(R)的增长均滞后于雷达反射率因子(Z),暖区降水R、质量加权直径(Dm)和粒子数浓度(lgNw)极值均远大于锋面降水。(3)Dm和lgNw分布显示,暖区对流降水粒子分布较为分散,具有较大Dm和lgNw;锋面层云降水粒子具有较小Dm和lgNw。(4)锋面降水个例和暖区降水个例μ-Λ关系式以及Z-R关系式相差较大,且不同于经典大陆性对流云降水Z-R关系式。

关键词：雨滴谱锋面降水暖区降水华南前汛期

相似台风“纳沙”和“海鸥”在雷州半岛产生的降雨差异及其可能机制研究

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热带气象学报 2024年第3期40卷 397-410页

作者：吴德平张琼雄钟谢非涂石飞宋清涛湛江市气象局广东湛江524001 遂溪县气象局广东湛江524300 广东海洋大学南海海洋气象研究院广东湛江524088 中国气象局广州热带海洋气象研究所广东广州510641

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... 详细信息

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。

关键词：雷州半岛相似台风降雨差异影响机制台风环流

北太平洋副极地海洋锋四季变异特征及其与中纬度大气的联系

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气象学报 2024年第4期82卷 427-442页

作者：张然陈圣劼黄晶南京气象科技创新研究院中国气象局交通气象重点开放实验室南京210041 江苏省气象台南京210041 中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境国家重点实验室广州510301

基于高分辨率海洋与大气再分析资料,结合统计分析与动力学诊断,揭示了北太平洋副极地海洋锋区(Subarctic Oceanic Frontal Zone,SAFZ)强度四季变异的特征及成因,阐释了与SAFZ四季异常相伴随的中纬度大气环流异常特征及其对应的动力学过... 详细信息

基于高分辨率海洋与大气再分析资料,结合统计分析与动力学诊断,揭示了北太平洋副极地海洋锋区(Subarctic Oceanic Frontal Zone,SAFZ)强度四季变异的特征及成因,阐释了与SAFZ四季异常相伴随的中纬度大气环流异常特征及其对应的动力学过程。结果表明,SAFZ在秋、冬、春季较强,夏季相对较弱。海温经向平流过程是秋、冬、春季SAFZ强度维持的主导因素,而海-气界面净热通量交换过程对夏季SAFZ强度减弱起决定作用。在不同季节,伴随SAFZ强度变异,边界层湍流热通量发生变化,非绝热加热异常引起锋区上方低层气温经向梯度与大气斜压性的异常,进而导致大气瞬变涡旋活动异常。由瞬变涡旋涡度强迫异常主导,中纬度北太平洋及中国东部、东北部等地上空对应产生相当正压结构的大气位势高度场异常与风场异常,相应的大气环流异常场存在季节差异。

关键词：副极地海洋锋区海温异常四季变异大气瞬变涡旋强迫中纬度大气环流

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高建筑物雷电光谱校正对通道温度反演的影响

应用气象学报 2024年第4期35卷 493-501页

作者：王雪娟化乐彦王炳浩许伟群吕伟涛陈绿文武斌齐奇马颖杨静南京信息工程大学应急管理学院南京210044 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室/中国气象局雷电重点开放实验室北京100081 中国气象局广州热带海洋气象研究所广州510080 中国科学院大气物理研究所/中层大气和全球环境探测重点实验室北京100029

雷电光谱强度因受到大气衰减特性、光栅响应特性以及相机光电响应特性等影响,导致光谱定量分析中通道温度的反演存在误差。以1次高建筑物雷电回击光谱为例,考虑相机和光栅的仪器响应对其进行校正,对比校正前后的光谱结构和谱线强度,并... 详细信息

雷电光谱强度因受到大气衰减特性、光栅响应特性以及相机光电响应特性等影响,导致光谱定量分析中通道温度的反演存在误差。以1次高建筑物雷电回击光谱为例,考虑相机和光栅的仪器响应对其进行校正,对比校正前后的光谱结构和谱线强度,并基于多谱线法利用1次电离的氮离子(NII)和中性氧原子(OI)谱线反演通道温度,分析光谱校正对通道温度反演的影响。结果显示:光谱校正后离子和中性原子谱线强度均明显增强,尤其可见光区域的连续谱强度明显增强,导致其谱线结构变化显著,而近红外区域的谱线结构变化不显著。利用校正后可见光区域的NII谱线和近红外区域的OI谱线反演通道温度时,线性拟合的决定系数均增大,反演准确度均得到提升。NII和OI谱线反演的通道温度平均值相比校正前分别降低4660 K和上升1540 K,且由OI谱线反演的通道温度低于由NII谱线反演的温度,说明它们分别对应雷电放电通道径向的不同区域。

关键词：高建筑物雷电光谱校正多谱线法温度

基于多神经网络的动态权重集成温度预报订正研究

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热带气象学报 2024年第1期40卷 156-168页

作者：朱育雷杨静钟水新朱文达李智玉魏涛李彦霖顾天红中国气象局广州热带海洋气象研究所/广东省区域数值天气预报重点实验室广东广州510641 贵州省气象台贵州贵阳550002

基于CMA-GD模式预报数据,利用多神经网络的动态权重集成方法,开展了贵州省温度预报订正研究,最终获得本地化温度预报订正产品。结果表明:(1)在对历史数据检验评估的基础上,利用多种神经网络方法可有效降低模式系统误差,通过BP、BP_GA、W... 详细信息

基于CMA-GD模式预报数据,利用多神经网络的动态权重集成方法,开展了贵州省温度预报订正研究,最终获得本地化温度预报订正产品。结果表明:(1)在对历史数据检验评估的基础上,利用多种神经网络方法可有效降低模式系统误差,通过BP、BP_GA、WAVENN、GRNN、LSTM等神经网络订正,2020年贵州省0~72 h预报时效的温度平均绝对误差较模式降低0.01~0.17℃;(2)考虑到不同神经网络订正结果的差异性,采用动态权重方案对订正结果进行优势集成可显著提升预报可靠性。经集成后的温度预报效果优于模式直接输出和各神经网络订正结果,2020年贵州省0~72 h预报时效的温度平均绝对误差较模式降低14.93%,预报准确率提升8.24%。此外,动态权重集成后的订正结果还表现出较好的稳定性。基于该方法形成的本地化客观预报订正产品可为提升贵州复杂地形下温度预报质量以及精细化预报服务水平提供参考依据。

关键词：神经网络集成方法 2 m温度订正 CMA-GD

基于机器学习的目标点雷电安全风险预警方法研究

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热带气象学报 2024年第2期40卷 217-225页

作者：殷启元林蟒杨思鹏朱怡颖方俏娴杜晖周方聪广东省气候中心广东广州510641 海南省南海气象防灾减灾重点实验室海南海口571000 海珠区气象局广东广州510220 中国气象局广州热带海洋气象研究所广东广州510641

收集广东地区1404组包括四个预警类型历史雷暴过程数据样本。结合目标点周围雷电发生的物理特征、雷电灾害的孕灾环境和承灾体特征的7个预报因子,利用四种机器学习算法训练得到面向目标点的雷电安全风险分级预警模型,并开展多指标对各... 详细信息

收集广东地区1404组包括四个预警类型历史雷暴过程数据样本。结合目标点周围雷电发生的物理特征、雷电灾害的孕灾环境和承灾体特征的7个预报因子,利用四种机器学习算法训练得到面向目标点的雷电安全风险分级预警模型,并开展多指标对各模型进行评价分析,发现无等级模型和四级等级模型中都是随机森林算法的预警准确率最好,分别是95%和73%,而传统的卷积神经网络模型效果不佳。并选取广州塔作为目标点进行模型验证方法可行性,最终得到适应于广东雷暴特征的雷电安全风险预警分级模型。同时,根据本研究过程中可能存在不足提出下一步优化升级思路和方法。

关键词：雷电雷电安全风险预警机器学习

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利用机器学习模拟湿物理参数化方案

气象学报 2024年第1期82卷 113-126页

作者：陈锦鹏冯业荣黄奕丹蔡乐天洪晓湘文秋实厦门市海峡气象开放重点实验室厦门361012 福建省灾害天气重点实验室福州350001 福建省漳州市气象局漳州363005 中国气象局广州热带海洋气象研究所/广东省区域数值天气预报重点实验室广州510641 粤港澳大湾区气象监测预警预报中心深圳518038

数值天气预报模式的湿物理参数化方案对降水预报有很大影响。常规湿物理参数化方案计算复杂、计算量大,且存在较大不确定性。文中采用4种机器学习算法即基于决策树的梯度提升算法(LightGBM)、全连接神经网络(FC)、卷积神经网络(CNN)和... 详细信息

数值天气预报模式的湿物理参数化方案对降水预报有很大影响。常规湿物理参数化方案计算复杂、计算量大,且存在较大不确定性。文中采用4种机器学习算法即基于决策树的梯度提升算法(LightGBM)、全连接神经网络(FC)、卷积神经网络(CNN)和卷积块注意力模块(CBAM)提取数值预报模式变量网格点周围的局部信息建模。针对一次中国南海台风过程开展湿物理参数化方案模拟试验,试验表明,4种机器学习模型均能较好地模拟湿物理参数化方案的温、湿效应,能够刻画台风对流活动产生的热源和水汽汇的螺旋结构。位温倾向在对流层中层误差较大,比湿倾向在对流层低层误差较大,随着预报时效延长模型的模拟能力有所降低。

关键词：机器学习湿物理参数化数值天气预报模式

利用DQCT实现2018年8月超历史极值暴雨的高质量模拟

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兰州大学学报（自然科学版） 2024年第1期60卷 31-39页

作者：李博李帅康陈超钟水新华灯鑫徐波西安理工大学机械与精密仪器工程学院西安710048 中国气象局广州热带海洋气象研究所广东省区域数值天气预报重点实验室广州510080 广东省气象台广州510062 西安市气象局西安710016

构建较全面的双级质量控制技术(DQCT).利用中尺度天气预报模式(WRF)对2018年8月下旬华南地区一次超历史极值的暴雨过程进行高分辨率数值模拟,并用DQCT评判暴雨的模拟效果.结果表明,在暴雨形势背景场中用WRF成功模拟大尺度季风风场、西... 详细信息

构建较全面的双级质量控制技术(DQCT).利用中尺度天气预报模式(WRF)对2018年8月下旬华南地区一次超历史极值的暴雨过程进行高分辨率数值模拟,并用DQCT评判暴雨的模拟效果.结果表明,在暴雨形势背景场中用WRF成功模拟大尺度季风风场、西南暖湿气流与低压交汇过程,并准确复制了造成高潭镇极端降雨的中尺度对流系统.总降雨量中的中γ尺度极值暴雨中心模拟得较为准确.该模式在24 h降雨量模拟中成功复制了暴雨中心的演变过程;在6 h降雨量模拟中较好地再现了中γ尺度雨带的演变过程.在暴雨重灾区高潭镇1 h降雨量演变过程的模拟中,总体降雨趋势与实况吻合较好.定性分析结果同步得到定量指标的验证.

关键词：超历史极值暴雨中γ尺度雨带数值模拟双级质量控制技术