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适用于非静力大气模式的近似黎曼求解器应用研究

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气象学报 2024年第3期82卷 371-384页

作者：魏杰姝陈春刚张寅钲唐杰沈学顺肖锋李兴良中国气象科学研究院北京100081 中国气象局地球系统数值预报中心北京100081 西安交通大学西安710049 成都市温江区气象局成都610072 东京工业大学机械工程系东京152-8850

基于多矩非静力大气模式,开展了3类垂向近似黎曼求解器应用研究。多矩非静力大气模式具有高精度与数值守恒特性,其垂向采用守恒的有限差分格式进行数值离散,而网格单元边界通量计算是通过求解黎曼问题来实现的,因此采用合适的近似黎曼... 详细信息

基于多矩非静力大气模式,开展了3类垂向近似黎曼求解器应用研究。多矩非静力大气模式具有高精度与数值守恒特性,其垂向采用守恒的有限差分格式进行数值离散,而网格单元边界通量计算是通过求解黎曼问题来实现的,因此采用合适的近似黎曼求解器对准确模拟非静力大气垂直运动显得十分关键。LLF(Local Lax-Friedrich)、LMARS(Low Mach Approximate Riemann Solver)和HLLC(Harten-Lax-van Leer Contact)为计算流体力学(CFD)中常用的3种近似黎曼求解器,它们的计算代价和复杂程度逐渐增加。一维标准数值试验表明:LLF计算最为经济,但具有较强的耗散;LMARS具有适用于大气流动的假设,对于数值粘性的控制较好且计算量不大;HLLC建立的三波模型可以避免对中间特征场的过度数值耗散。基于LLF近似黎曼求解器计算经济的特点,通过优化LLF近似黎曼求解器各特征波动的粘性系数,能够实现与LMARS、HLLC近似黎曼求解器相同的性能,且计算代价最小。二维非静力数值试验表明,优化的LLF近似黎曼求解器能够规避常规LLF近似黎曼求解器的数值耗散过大问题,正确模拟小尺度非静力垂直运动,达到更复杂的LMARS、HLLC近似黎曼求解器模拟效果且并未增加计算量,这为非静力大气数值模式提供了良好的参考价值。

关键词：近似黎曼求解器守恒型有限差分方法多矩约束有限体积方法非静力大气模式

2022年华南极端“龙舟水”与大气环流及海温异常的关系

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大气科学学报 2024年第3期47卷 450-459页

作者：伍红雨吴遥郑璟广东省气候中心广东广州510641 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 重庆市气候中心重庆401147

利用华南192个国家气象观测站逐日降水资料,NCEP/NCAR大气环流再分析资料,NOAA月平均海表温度资料(ERSST V5)及向外长波辐射(OLR)资料,采用相关、合成分析的方法研究了2022年华南“龙舟水”异常与大气环流及海温异常的关系。结果表明,2... 详细信息

利用华南192个国家气象观测站逐日降水资料,NCEP/NCAR大气环流再分析资料,NOAA月平均海表温度资料(ERSST V5)及向外长波辐射(OLR)资料,采用相关、合成分析的方法研究了2022年华南“龙舟水”异常与大气环流及海温异常的关系。结果表明,2022年“龙舟水”期间,东亚大槽、东北冷涡偏强,南下冷空气偏强,同时西太平洋副热带高压和南支槽均偏强,在华南存在明显的水汽辐合。2022年发生的拉尼娜事件,大气环流对其有明显响应,Walker环流增强,华南对流明显加强,菲律宾以东存在异常反气旋环流,副高加强导致其西北侧的西南风加强,向华南水汽输送显著增强,同时华南存在显著的上升运动。大气环流和海温的异常导致2022年华南极端“龙舟水”。

关键词：极端“龙舟水” 华南大气环流海温

环境湿度影响人工催化消减雨效果的数值模拟研究

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大气科学 2024年第2期48卷 572-584页

作者：花少烽查思佳陈宝君中国气象局云降水物理与人工影响天气重点开放实验室北京100081 中国气象局人工影响天气中心北京100081 上海市金山区气象局上海201508

利用耦合了碘化银催化过程的WRF(Weather Research and Forecast)模式,对2014年8月16日南京青奥会开幕式当天实施的人工催化作业开展数值模拟,评估催化效果并通过敏感性数值试验调查低空环境干层对催化效果的影响。结果表明,催化作业产... 详细信息

利用耦合了碘化银催化过程的WRF(Weather Research and Forecast)模式,对2014年8月16日南京青奥会开幕式当天实施的人工催化作业开展数值模拟,评估催化效果并通过敏感性数值试验调查低空环境干层对催化效果的影响。结果表明,催化作业产生了减雨效果,低空干区的存在是影响催化效果的关键。当低空存在深厚的相对湿度很小的干层时,催化导致减雨效果;当增加低层的相对湿度即弱化低空干层,催化减雨效果减弱甚至出现增雨效果。催化增强了雪的形成过程但减弱了雪的增长过程尤其是凝华增长,导致雪粒子浓度增加但粒径减小,融化产生更多的小雨滴增强了蒸发过程,最终导致地面降水减少。

关键词：人工消减雨碘化银催化环境干层雪融化雨蒸发

华北地区暖季雷暴大风对流系统的触发、组织类型及环境条件

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中国科学：地球科学 2024年第9期54卷 2929-2947页

作者：黄玥孙建华张元春马若赟杨新林田付友中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴实验室北京100029 中国科学院大学北京100049 中国气象局地球系统数值预报中心北京100081 中国民用航空飞行学院广汉618307 国家气象中心北京100081

本文基于重要天气报、地闪、天气雷达组合反射率和ERA5再分析等资料,首先对2011~2018年华北地区暖季5~9月与雷暴大风相关的4种强对流天气(仅有雷暴大风,雷暴大风和冰雹,雷暴大风和短时强降水,雷暴大风、冰雹和短时强降水)的时空分布特... 详细信息

本文基于重要天气报、地闪、天气雷达组合反射率和ERA5再分析等资料,首先对2011~2018年华北地区暖季5~9月与雷暴大风相关的4种强对流天气(仅有雷暴大风,雷暴大风和冰雹,雷暴大风和短时强降水,雷暴大风、冰雹和短时强降水)的时空分布特征进行研究,其次挑选出产生雷暴大风的强对流个例,统计这些对流系统的触发、消亡、组织类型和生命史特征,最后利用地面常规观测和ERA5再分析资料构建对流触发前探空,探究雷暴大风和非雷暴大风对流系统触发环境条件的差异.结果表明,雷暴大风和短时强降水混合型强对流天气多发生在平原,其他强对流天气类型多发生在山区.雷暴大风在6月达到频次峰值,而混合型强对流天气则在7月发生最多.对流系统触发时间的日变化集中在10~13时, 12时达到峰值.山区一般雷暴大风和强雷暴大风发生频数的日峰值分别出现在17~18时和16~17时,平原一般雷暴大风的峰值滞后山区1~2h.此外,雷暴大风对流系统主要在山区触发,生命史大多可持续7~13h.非线状对流产生雷暴大风数目最多,其次为拖曳层状云型对流系统.对流有效位能、下沉对流有效位能以及850与500hPa温差均能够区分平原发生的雷暴大风对流系统和非雷暴大风对流系统.相比于非雷暴大风型对流系统,山区雷暴大风对流系统更倾向于出现在大气可降水量较少的环境中,平原雷暴大风对流系统更倾向于出现在具有较大对流有效位能和较强深层风切变的环境中.

关键词：雷暴大风对流系统触发组织类型环境条件

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“21.7”河南暴雨的集合敏感性分析

南京大学学报（自然科学版） 2024年第2期60卷 181-193页

作者：赵志宇张进雷荔傈张熠中尺度灾害性天气教育部重点实验室南京大学大气科学学院南京210093 地球系统数值预报中心中国气象局北京100081

河南郑州“21.7”特大暴雨是中国近年来发生的一场严重气象灾害,对此暴雨事件的数值预报模式表现出较大的不确定性,对暴雨落区和降水强度的预测均存在偏差.目前,“21.7”河南暴雨的形成机理已经得到广泛研究,但针对其集合敏感性分析的... 详细信息

河南郑州“21.7”特大暴雨是中国近年来发生的一场严重气象灾害,对此暴雨事件的数值预报模式表现出较大的不确定性,对暴雨落区和降水强度的预测均存在偏差.目前,“21.7”河南暴雨的形成机理已经得到广泛研究,但针对其集合敏感性分析的研究却十分有限.集合敏感性分析是一种利用集合预报来估计模式预报对初始场敏感性的方法,可诊断极端天气过程的影响因子、对数值模式集合预报不确定性进行分析等.因此,针对“21.7”河南暴雨个例,利用WRFARW模式,结合集合初始条件与多物理过程以及物理过程扰动等方法,构建不同的区域模式集合预报.利用集合敏感性分析方法开展“21.7”河南暴雨的可预报性和影响该暴雨的因子分析.结果表明,“21.7”河南暴雨对初始条件的温度场、湿度场、风场和位势高度场扰动具有敏感性,增强郑州地区的气旋性环流、改变郑州上空的气温、降低郑州地区的气压、增强台风“烟花”的强度可以使此次暴雨的降水强度增强.本研究能够增进对“21.7”河南暴雨成因的理解,并改进集合预报.

关键词：集合敏感性分析集合预报初始条件河南暴雨

一种基于双重检验逐步回归的台风生成预报方法

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气象 2024年第7期50卷 835-846页

作者：董林吕心艳高拴柱王皘国家气象中心北京100081

基于CMA台风最佳路径和ECMWF细网格确定性数值模式资料,计算西北太平洋和南海台风生成期间16种环境因子的值,选出7个显著性因子,采用双重检验逐步回归方法建立台风生成预报方程。独立样本检验结果表明,利用回归方法预报的风速值作为台... 详细信息

基于CMA台风最佳路径和ECMWF细网格确定性数值模式资料,计算西北太平洋和南海台风生成期间16种环境因子的值,选出7个显著性因子,采用双重检验逐步回归方法建立台风生成预报方程。独立样本检验结果表明,利用回归方法预报的风速值作为台风生成判据,较直接使用模式预报的风速和气压作为台风生成判据的击中率更高。双重检验逐步回归的台风生成预报方法在2022年的台风预报业务中进行了试用,对2203号台风暹芭的生成预报检验结果显示,回归方法表现较好,可为预报员判别台风是否生成及生成时间提供参考。

关键词：台风生成逐步回归双重检验

副热带高压控制下一次极端暴雨成因分析及成功预警

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灾害学 2024年

作者：郭萍段绍玲郑建萌张万诚陈静杨宏庆中国气象局横断山区(低纬高原)灾害性天气研究中心云南省临沧市气象局云南省气候中心中国气象局大理山地气象野外科学试验基地云南省气象科学研究所中国气象局大理国家气候观象台

2022年10月8日，临沧市双江县忙懦乡遭遇历史性极端暴雨，最大小时雨量达到57.2 mm。该文通过高空、区域自动站雨量、ERA5再分析、FY-2G、多普勒天气雷达等资料综合分析，揭示此次暴雨的成因：①此过程的大尺度环流背景是在强盛的副高... 详细信息

2022年10月8日，临沧市双江县忙懦乡遭遇历史性极端暴雨，最大小时雨量达到57.2 mm。该文通过高空、区域自动站雨量、ERA5再分析、FY-2G、多普勒天气雷达等资料综合分析，揭示此次暴雨的成因：①此过程的大尺度环流背景是在强盛的副高控制下，由中尺度系统触发产生的强降雨。②强降雨期间大气层结不稳定，存在暖湿底层与干冷高层，低抬升凝结高度和自由对流高度；强降雨发生与水汽输送和水汽辐合大值区相对应，低层辐合中高层辐散且与强垂直上升运动区配合。③两个强降雨时段对应不同的雷达回波特征，初时段无大范围的降雨回波，局地出现中-γ尺度对流回波；次时段降雨回波范围扩大，形成列车效应。④忙懦乡的地形和低层东偏南气流对中尺度对流系统的触发与维持起到关键作用。⑤"1262"服务模式提前发出警报，夜间强降雨得以有效预警，避免了人员伤亡，成为预警联动的成功案例。

关键词：极端暴雨副热带高压中尺度系统临沧市递进式气象服务

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一种针对模式预报场的精细化插值新方法

大气科学 2024年第5期48卷 1879-1890页

作者：曾晓青曹勇王玉郭云谦国家气象中心北京100081

随着智能网格预报业务的深入发展,为了不断提高网格预报产品的时空精度和准度,同时让网格和站点预报产品保持一致性,通过研究提出一种既考虑了静态真实地形又考虑了大气动态垂直变率的快速插值方法(Fast Refinement Interpolation,简称F... 详细信息

随着智能网格预报业务的深入发展,为了不断提高网格预报产品的时空精度和准度,同时让网格和站点预报产品保持一致性,通过研究提出一种既考虑了静态真实地形又考虑了大气动态垂直变率的快速插值方法(Fast Refinement Interpolation,简称FRI),并选择2022年1月1日到2022年3月31日的ECMWF和CMAGFS、CMA-MESO三个模式的3~36 h预报产品作为试验数据,开展了个例天气过程试验、FRI参数选取试验和长期插值检验对比。从长期插值检验和个例试验来看,FRI方法相对双线性插值方法具有明显优势,空间上,FRI方法能提高近地面2 m气温的空间插值精度,插值结果更加符合地形变化情况,时间上,FRI方法较双线性插值方法的2 m气温插值结果准确率明显提高,特别是在具有复杂下垫面的中西部地区。方法中的修正参数还能被作为检验模式三维预报场垂直变率的一种指标。FRI方法插值快速高效,具有明确的物理解释意义,它的提出为更精准的预报近地面气象要素提供了重要理论支撑。

关键词：空间插值预报场插值 2m气温精细化预报全球和区域天气数值模式

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全球总闪电的天基光学实时探测技术综述

光学学报 2024年第2期44卷 62-82页

作者：鲍书龙李欢孙凡陆风张志清陈晓杰唐绍凡梁华赵艳华北京空间机电研究所环境资源与气象探测领域办北京100094 北京空间机电研究所红外相机研究室北京100094 北京空间机电研究所科技处北京100094 中国气象局国家卫星气象中心北京100081 中国气象局风云气象卫星工程管理办公室北京100081 上海航天技术研究院气象环境卫星总体部上海201100

强对流天气是发生最频繁、影响最广泛的气象灾害,造成了巨大经济损失,严重威胁人民和社会安全,更是航空航天和信息通信等技术领域的重大威胁。闪电作为全球性强对流天气的典型要素,对强对流具有重要指示作用,因此闪电探测和强对流预警... 详细信息

强对流天气是发生最频繁、影响最广泛的气象灾害,造成了巨大经济损失,严重威胁人民和社会安全,更是航空航天和信息通信等技术领域的重大威胁。闪电作为全球性强对流天气的典型要素,对强对流具有重要指示作用,因此闪电探测和强对流预警预报成为天基遥感的重要任务之一。系统地总结了闪电危害,闪电探测体系的发展历程和现状,天基闪电光学探测的技术难点、实现途径和发展现状;同时详细阐述了我国FY-4A闪电成像仪技术实现途径及在轨应用成果。FY-4A闪电成像仪利用时间滤波、空间滤波、超窄带光谱滤波、星上时空域多维融合点目标检测等多维技术实现了天基闪电光学探测载荷的研制与在轨应用,国内气象部门和众多科研院所利用FY-4A闪电成像仪的闪电探测结果实现了强对流灾害的精确预警预报,产生了重大经济效益与社会效益。最后,针对目前闪电探测体系存在的问题,分析了我国未来天基闪电探测系统的发展趋势,为我国后续闪电探测发展提供了参考。

关键词：强对流灾害天基闪电光学探测时空多维融合预警预报闪电探测综述