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邻域法在天气预报中的应用研究进展

大气科学学报 2024年

作者：潘留杰代刊张宏芳梁绵刘嘉慧敏祁春娟戴昌明李培荣沈娇娇陕西省气象台陕西省气象服务中心秦岭和黄土高原生态气象环境重点实验室国家气象中心

邻域法在天气预报中有着广泛的应用，其关键应用领域包括两个方面，一是基于邻域法的高分辨率数值模式检验；二是邻域概率或者集合预报的邻域概率。首先回顾了邻域法“一对多”和“多对多”的两种邻域法检验框架，归纳了邻域法数据处理... 详细信息

邻域法在天气预报中有着广泛的应用，其关键应用领域包括两个方面，一是基于邻域法的高分辨率数值模式检验；二是邻域概率或者集合预报的邻域概率。首先回顾了邻域法“一对多”和“多对多”的两种邻域法检验框架，归纳了邻域法数据处理方法、常用评分指数的物理意义。其次总结了网格尺度上的邻域概率和大于网格尺度邻域概率的基本思想和统计意义，重点阐述了与集合预报相结合产生的邻域集合概率预报NEP（Neighborhood Ensemble Probability）、邻域最大集合概率预报NMEP（Neighborhood Maximum Ensemble Probability）的算法流程和内在含义。第三进一步结合典型应用个例，分析了邻域法检验和集合邻域概率的优缺点和适用性。总体来说，邻域法检验可以在不同的时空尺度上比较预报产品的性能，具有独特的优势。虽然NEP和NMEP两种邻域概率都可以提高降水的预报评分，但NEP更适合于大尺度、系统性降水预报，NMEP则对于对流性、极端性降水来说有更好的应用效果。最后给出了使用邻域法应该注意的问题以及未来研究应用的发展方向。

关键词：邻域检验 FSS评分邻域概率集合预报的邻域概率

秦岭北麓地区CO_(2)和水汽湍流输送实验研究

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中国环境科学 2024年第5期44卷 2407-2417页

作者：彭艳赵奎锋张璐张宏昇李星敏陕西省气象科学研究所秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室陕西西安710016 陕西省气象局秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室陕西西安710016 北京大学物理学院大气与海洋科学系气候与海-气实验室北京100871

利用中国气象局秦岭气溶胶与云微物理野外科学试验基地长安站2021年4月~2022年3月涡动相关系统观测资料,结合气象观测资料,研究了秦岭北麓城郊过渡带近地面大气CO_(2)、H_(2)O浓度、蒸发量以及湍流通量演变特征,并讨论了气象要素对碳通... 详细信息

利用中国气象局秦岭气溶胶与云微物理野外科学试验基地长安站2021年4月~2022年3月涡动相关系统观测资料,结合气象观测资料,研究了秦岭北麓城郊过渡带近地面大气CO_(2)、H_(2)O浓度、蒸发量以及湍流通量演变特征,并讨论了气象要素对碳通量的影响.结果表明:观测时段内CO_(2)小时浓度年均值为(404.4±27.9)×10^(-6),与瓦里关大气背景观测站和全球背景观测站CO_(2)年均值浓度水平相当,水汽小时浓度年均值为9.44g/m^(3),年总蒸发量为1321.5mm;CO_(2)、水汽浓度和蒸发量均存在显著的月、季节变化特征;CO_(2)和水汽通量存在明显的日、月和季节变化,全年白天均表现为较强的碳吸收,观测时段内CO_(2)总吸收量约为-3047g/m^(2);夜间表现为碳排放,观测时段内总排放量约为2631g/m^(2);气温、土壤温度、相对湿度和风速的变化均会对区域内CO_(2)通量产生影响,温度升高会增加区域内植被的固碳能力;白天CO_(2)通量负值多出现在西风条件下,农田和植被覆盖率较大的区域为CO_(2)通量的主要贡献区域;夜间CO_(2)通量正值主要来自于植被、土壤呼吸作用和人类活动排放的贡献.总体而言,秦岭北麓城郊过渡带呈现较为明显的碳汇属性,实验时段内CO_(2)的净吸收量约为-416g/m^(2).

关键词： CO_(2)通量秦岭北麓城郊过渡带涡动相关气象因子

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MODE检验在天气预报中的应用研究进展

地球科学进展 2024年第2期39卷 193-206页

作者：潘留杰张宏芳刘嘉慧敏祁春娟梁绵马丹萌李培荣戴昌明高星星陕西省气象台陕西西安710014 秦岭和黄土高原生态气象环境重点实验室陕西西安710014 陕西省气象服务中心陕西西安710014

客观评价高分辨率中小尺度变量的预报表现是数值天气预报模式应用和发展的重要环节。传统点对点的检验在高分辨率数值预报模式评估中存在显著不足。空间面向对象或目标法MODE检验方法利用卷积函数和给定的阈值在预报和观测场中识别目标... 详细信息

客观评价高分辨率中小尺度变量的预报表现是数值天气预报模式应用和发展的重要环节。传统点对点的检验在高分辨率数值预报模式评估中存在显著不足。空间面向对象或目标法MODE检验方法利用卷积函数和给定的阈值在预报和观测场中识别目标对象、诊断模式的预报表现,在天气预报中有着广泛应用。首先系统回顾了MODE检验方法的学术思想、技术架构、算法流程和检验指标;详细归纳了MODE检验在降水预报、天气雷达、卫星云图、集合预报以及其他不同要素或物理量场中的典型应用,阐述了检验结果在数值模式预报质量评价中的意义和对天气预报结果主客观订正的影响;介绍了近年来MODE检验方法的更新发展,主要包括考虑不匹配目标对象属性的综合评价指数MCS,以椭球体为目标的三维时域空间对象追踪和MODE扩展的时域检验方法MODE-TD;最后总结和讨论了MODE检验方法的适用性、优势和不足,同时对MODE检验方法未来的发展方向和应用前景进行了展望。旨在为更好地应用MODE检验方法诊断数值模式的预报性能提供参考。

关键词：数值天气预报空间检验目标对象 MODE

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近海台风活动与陕西秋淋天气先兆性特征分析及试报

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热带气象学报 2024年第3期40卷 436-444页

作者：杜莉丽毛明策陈小婷徐嘉祁春娟侯建忠陕西省气象台陕西西安710014 陕西省气候中心陕西西安710014 陕西省大气探测保障中心陕西西安710014 中国气象局秦岭和黄土高原生态环境气象重点开放实验室陕西西安710014

通过对1970年以来陕西偏强秋淋天气与我国东南沿海台风活动特征分析发现,两者之间有较好的相关性,且存在一定的先兆性,发现移过西太平洋125°E以西的目标台风活动对陕西秋淋天气的影响作用明显。结果表明:在陕西秋淋偏强的年份,台风活... 详细信息

通过对1970年以来陕西偏强秋淋天气与我国东南沿海台风活动特征分析发现,两者之间有较好的相关性,且存在一定的先兆性,发现移过西太平洋125°E以西的目标台风活动对陕西秋淋天气的影响作用明显。结果表明:在陕西秋淋偏强的年份,台风活动为陕西秋淋天气提供了有利的气候背景,同期台风路径以西行或西北行路径为主,而台风登陆位置影响着陕西秋淋天气主要出现的地区。利用近海台风的先兆性特征,陕西秋淋的年代变化特征和不同周期等特征,对2017—2022年陕西秋淋降水进行预测、预判的试报,结果较为理想,该方法可为陕西预判秋淋偏强年份的预报提供一种客观的气候预测方法和依据。

关键词：秋淋天气近海台风演变特征环流分析预测和检验

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渭南高温时空变化特征及其定量化评估

陕西气象 2024年第3期 38-43页

作者：马耀绒韩蓓蓓尹贞钤许伟峰渭南市气象局陕西渭南714000 陕西省气象局秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室西安710016

利用渭南市11个县(市、区)气象站1971—2020年的逐日最高气温资料,结合单站高温过程综合强度指标算法,得到渭南各县(市、区)高温天气综合强度等级划分阈值,并根据单站高温过程阈值,确定出区域性高温过程强度等级以及全市性高温过程强度... 详细信息

利用渭南市11个县(市、区)气象站1971—2020年的逐日最高气温资料,结合单站高温过程综合强度指标算法,得到渭南各县(市、区)高温天气综合强度等级划分阈值,并根据单站高温过程阈值,确定出区域性高温过程强度等级以及全市性高温过程强度等级定量化评估方法,分析了渭南市高温时空分布特征。结果表明:(1)渭南市高温频次、强度总体呈南多北少的分布特征,南部的华州、临渭、华阴是高温事件高发的关键区域;渭南高温天气出现时间跨度为4月中旬至10月上旬,6—8月高温最多,占全年的93.9%,其中7月下旬各个区域的高温日数达到最多,往后逐渐减少。(2)20世纪70年代以来,渭南高温过程呈现出增长趋势,80年代至今,高温过程逐渐增多,过程极值和高温等级增高,高温有出现时间趋早和结束时间趋晚的变化特征。(3)对提出的单站高温天气过程综合强度指标计算方法、区域性和全市性高温过程强度等级确定方法,进行检验和业务试用评估,其对高温过程综合强度进行合理排位,结果科学可信。

关键词：高温定量评估时空变化特征渭南市

关中地区持续性强对流天气成因分析及对农业的影响

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农学学报 2024年第5期14卷 67-74页

作者：王瑾婷高萌乔丹杨刘帆咸阳市气象局陕西咸阳712000 陕西省气象局秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室西安710016

为探讨关中地区罕见持续性强对流天气的成因和发生机理,客观分析此次过程对农业的影响情况。利用中国新一代全球大气/陆面再分析产品,常规高空、地面观测以及人工观测冰雹等资料,对2021年7月一次罕见持续性强天气的天气形势、水汽通量... 详细信息

为探讨关中地区罕见持续性强对流天气的成因和发生机理,客观分析此次过程对农业的影响情况。利用中国新一代全球大气/陆面再分析产品,常规高空、地面观测以及人工观测冰雹等资料,对2021年7月一次罕见持续性强天气的天气形势、水汽通量散度、假相当位温和环境参量以及影响农业生产的气象干旱指数、风雹对经济林果撞击深度等进行定量化客观分析。结果表明:此次关中地区持续性强对流天气受大气长波调整影响,前期以高空冷平流强迫类配置为主,后期属低层暖平流强迫类;低层偏东气流输送、副高外围西南暖湿气流、明显的水汽辐合和假相当位温密集区扩大造成显著的位势不稳定,是强对流天气发生的有利水汽和热力条件。较大对流有效位能、不稳定层结、垂直风切变增加和适当特殊层高度是强对流天气发生的有利潜势。强对流天气发生为旱情缓解和有效改善土壤墒情做出了积极贡献,但局地强降水和大风冰雹天气导致关中部分农作物倒伏,农田出现积水或土壤过湿现象,不利于玉米、猕猴桃等浅根系作物根部呼吸和养分输送,影响植株正常生长。关中地区多种经济林果出现0.07~0.32 cm的撞击深度,并出现脱落受损现象。研究结果为进一步加强农业气象服务和防灾减灾提供可靠依据。

关键词：持续性强对流水汽热力探空农业影响

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青藏高原冬季降雪特征及相关环流分析

高原气象 2024年第4期43卷 841-854页

作者：申红艳乔少博封国林龚志强温婷婷冯晓莉陕西省气象科学研究所陕西西安710014 陕西省气象局秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室陕西西安710014 中山大学大气科学学院广东珠海519000 中国气象局北京100081 青海省气候中心青海西宁810001

利用1961-2020年青藏高原降雪观测资料和大气再分析数据,分析了高原冬季降雪特征及其关键环流系统。结果表明:高原冬季降雪空间分布不均,表现为西北少、东南多,同时降雪年际振荡和年代际变化特征明显,1988年发生由偏少向偏多的转折。青... 详细信息

利用1961-2020年青藏高原降雪观测资料和大气再分析数据,分析了高原冬季降雪特征及其关键环流系统。结果表明:高原冬季降雪空间分布不均,表现为西北少、东南多,同时降雪年际振荡和年代际变化特征明显,1988年发生由偏少向偏多的转折。青藏高原冬季降雪一致偏多时,中高纬呈现类似欧亚南部型(Southern Eurasian,SEA)遥相关的正位相特征,即欧洲西南部、阿拉伯海、东北亚上空位势高度场为显著正异常,中东地区、青藏高原上空为显著负异常,经分析发现,SEA正位相时中东急流增强,高原南部上升运动明显,高原东北部和西南侧出现水汽显著辐合区,为青藏高原冬季降雪异常偏多提供有利条件。与此同时,北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation,NAO)正(负)位相时有利于青藏高原降雪偏多(少),NAO主要通过SEA型遥相关和中东急流等环流系统来调控高原冬季降雪。

关键词：青藏高原降雪年际变化环流异常

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西北干旱区夏季水汽收支特征及对气温异常的响应

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陕西气象 2024年第1期 15-23页

作者：刘菊菊屈丽玮井宇黄少妮陕西省气象台西安710014 陕西省气象局秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室西安710016

利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的1979—2016年ERA-Interim再分析资料分析了西北干旱区(35°N~48°N,80°E~106°E)夏季水汽收支特征,并通过环流合成分析进一步揭示了气温异常对西北干旱区水汽收支的影响。结果表明:西北干旱区夏... 详细信息

利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的1979—2016年ERA-Interim再分析资料分析了西北干旱区(35°N~48°N,80°E~106°E)夏季水汽收支特征,并通过环流合成分析进一步揭示了气温异常对西北干旱区水汽收支的影响。结果表明:西北干旱区夏季大气水汽含量和水汽净收入均为增加趋势。气温和东边界、北边界以及南边界的水汽通量均在20世纪90年代后期发生显著调整。升温主要使西北干旱区东、南边界的水汽支出减少,进而导致水汽含量增加。气温异常调整环流异常,从而使对流层中下层风速变化,进一步影响西北干旱区各边界的水汽输送。其可能影响机制为气温偏高时,印度西南季风加强,使南边界偏北风减弱,导致水汽支出减少;蒙古异常反气旋加强使东边界、南边界东部和北边界的中低层风速减小,导致东边界、南边界东部水汽支出和北边界水汽收入减少。

关键词：西北干旱区水汽收支气温环流合成

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陕西低槽强降水过程分析及客观订正方法

陕西气象 2024年第1期 1-9页

作者：刘嘉慧敏戴昌明胡启元李培荣李文耀陕西省气象台西安710014 陕西省气象局秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室西安710016

为了提高中纬度低槽东移影响下陕西强降水天气的精准预报能力,采用欧洲中期天气预报中心全球模式(简称EC-thin)、中国气象局数值天气预报全球模式(简称CMA-GFS)、中央气象台格点指导预报产品(简称SCMOC)、陕西省气象局自主研发动态交叉... 详细信息

为了提高中纬度低槽东移影响下陕西强降水天气的精准预报能力,采用欧洲中期天气预报中心全球模式(简称EC-thin)、中国气象局数值天气预报全球模式(简称CMA-GFS)、中央气象台格点指导预报产品(简称SCMOC)、陕西省气象局自主研发动态交叉取优产品(简称DCOEF)、多源实况融合资料及全省396个气象监测站资料,选取了陕西三次低槽东移背景下强降水过程(2019年6月4—5日关中、陕南暴雨过程,简称“0604”暴雨过程;2018年6月17—18日陕南暴雨过程,简称“0617”暴雨过程;2018年7月10—11日关中西部、陕北暴雨过程,简称“0710”暴雨过程),对比分析强降水的实况差异及影响系统演变特征,提炼预报着眼点。基于各模式前期预报质量,提出了一种简单的动态融合客观订正方法,检验了该方法在此类强降水过程中的预报效果。结果表明:(1)“0604”暴雨过程和“0617”暴雨过程强降水主要集中在陕西关中和陕南地区,“0710”暴雨过程强降水主要集中在陕西西部和北部地区;“0604”“0710”暴雨相较“0617”暴雨过程,强降水持续时间短,雨带移动速度快。(2)尽管这三次暴雨过程均发生在500 hPa中纬度低槽配合850 hPa低涡东移过程中,但低涡结构的发展演变及其强度变化的差异导致了三次暴雨落区、强度、主要降水性质的不同;三次暴雨过程中850 hPa低涡发展在白天和夜晚均存在加强阶段。(3)基于加权评分的多模式动态融合强降水订正方法在低槽强降水过程中大雨以上量级、暴雨以上量级TS评分相较单一模式产品均有小幅度提高,在长历时的系统性强降水过程中提高更多,表现出一定的正订正效果,可为陕西此类强降水天气预报提供客观参考。

关键词：强降水低涡发展多模式融合客观订正