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利用动态阈值决策树分类的华北平原冬小麦动态监测

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农业工程学报 2024年第8期40卷 125-132页

作者：乔梦琦周德成南京信息工程大学中国气象局生态系统碳源汇重点开放实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心南京210044

华北平原是中国最大的粮食生产基地,准确监测其冬小麦种植面积及其变化对粮食产量预测和国家粮食安全具有重要意义。然而,不同土地利用产品所估算的小麦面积、空间分布及其动态变化均存在较大分歧,不能有效反映出冬小麦的长期变化特征... 详细信息

华北平原是中国最大的粮食生产基地,准确监测其冬小麦种植面积及其变化对粮食产量预测和国家粮食安全具有重要意义。然而,不同土地利用产品所估算的小麦面积、空间分布及其动态变化均存在较大分歧,不能有效反映出冬小麦的长期变化特征。该研究结合作物物候特征和已有小麦专题数据产品,首先构建动态阈值决策分类算法,以降低传统方法在阈值设定和样本筛选方面的不确定性;进而分析了2003—2022年华北平原区冬小麦播种面积的长期变化规律。结果表明:1)该研究提出的动态阈值决策分类算法能准确地提取冬小麦面积,平均总体精度为93.44%,且与统计数据具有较高的一致性;2)2003—2022年华北平原冬小麦种植面积整体呈上升趋势,不同地区变化类型差异较大;3)研究时段内,持续种植冬小麦的耕地面积仅占各年份种植范围总面积的5%,种植次数低于10 a的面积占比达55%;4)河北省中南部、山东省西部和河南省中北部冬小麦种植面积相对稳定,京津冀地区以及山区冬小麦播种面积变化相对频繁。该研究可为大尺度冬小麦动态监测提供了新的方法视角,并对科学制定耕地调控策略具有重要意义。

关键词：遥感农作物分类动态阈值决策树 MODIS 华北平原

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土壤湿度-地表气温耦合对长江中下游地区2022年8月复合型热浪事件的影响

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地球物理学报 2024年第5期67卷 1709-1720页

作者：崔彩珍余锦华代刊云星娥南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心南京210044 国家气象中心北京100081

2022年8月长江中下游地区的复合型热浪给社会经济、人类健康、农业生产和自然环境等方面均造成了严重影响.本文利用国家信息中心提供的1979—2022年6—8月逐日最高、最低气温和欧洲中期天气预报中心再分析数据集的土壤湿度等资料,定义... 详细信息

2022年8月长江中下游地区的复合型热浪给社会经济、人类健康、农业生产和自然环境等方面均造成了严重影响.本文利用国家信息中心提供的1979—2022年6—8月逐日最高、最低气温和欧洲中期天气预报中心再分析数据集的土壤湿度等资料,定义了复合型热浪事件强度指数及其相应的土壤湿度-地表气温耦合指数,采用分段线性拟合等方法,探讨此次复合型热浪特征及土壤湿度-地表气温耦合的影响.结果表明:(1)2022年8月长江中下游地区的复合型热浪事件强度为1979年以来最强,伴随最强的土壤湿度-地表气温耦合.空间分布显示,强的热浪发生在四川东部、重庆西部、湖南等地,这些区域的土壤湿度严重偏干,蒸发受限,获得的净辐射主要用于地表向上的感热通量,使土壤湿度-地表气温出现强的正反馈过程,对热浪的维持起重要作用.(2)复合型热浪中土壤湿度-地表气温耦合影响日间和夜间热浪的物理强迫及过程不同:日间,地表净太阳短波向下辐射增强的强迫作用,促使发生强的土壤湿度-地表气温耦合,引起日间热浪.夜间,白天积累在土壤的热量,通过减小大气热量通量辐散,使夜间地表气温下降减慢,形成夜间热浪,这与以往研究单独夜间热浪的过程不同,后者认为夜间热浪主要与大气柱水汽增加引起的大气逆辐射增强有关.

关键词：复合型热浪事件土壤湿度-地表气温耦合长江中下游地区

FY-3D卫星MWRI资料反演洋面台风降雨率

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热带海洋学报 2024年

作者：商洁吴莹邹依珂马靖雯南京信息工程大学大气物理学院南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心/中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室

利用FY-3D卫星上搭载的微波成像仪(the microwave radiation imager,MWRI)的一级亮温数据,结合二级降雨率沿轨产品,基于极化订正温度及散射指数(polarization-corrected temperature-scatter index,PCT-SI)综合法,建立了升轨洋面和降轨洋面两种降雨率反演模型,并通过多个台风个例对本研究建立的两种模型进行验证。结果表明,升轨数据与降轨数据反演降雨的效果差异不大,反演的降雨分布区域比二级产品降雨区域略大;两种模型均倾向于高估降雨低值、低估降雨高值;升轨反演模型的相关系数、平均绝对误差和均方根误差分别为0.72632,2.3055mm·h-1和2.7245mm·h-1,降轨反演模型的相关系数、平均绝对误差和均方根误差分别为0.73363,1.9079mm·h-1和2.3651mm·h-1。本研究比较成功地反演了洋面降雨分布区域及近表面降雨率,可为星载微波成像仪资料估计洋面台风降雨分布和降雨率反演提供参考。

关键词：微波成像仪台风洋面降雨率反演

大气风温湿垂直观测网资料快速更新混合同化试验研究

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大气科学学报 2024年第1期47卷 80-94页

作者：顾英杰范水勇成巍鲍艳松李叶飞温渊南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心/中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室/气象环境卫星工程与应用联合实验室/大气物理学院江苏南京210044 中国气象局北京城市气象研究院北京100081 北京应用气象研究所北京100029 上海卫星工程研究所上海200240

基于WRF预报模式、WRFDA Hybrid集合变分同化系统和ETKF方法,构建了面向城市气象观测网数据的快速更新混合同化系统。针对北京地区地基微波辐射计和风廓线雷达组网观测资料数据同化,开展了静态背景误差调整因子(特征长度尺度因子和方差... 详细信息

基于WRF预报模式、WRFDA Hybrid集合变分同化系统和ETKF方法,构建了面向城市气象观测网数据的快速更新混合同化系统。针对北京地区地基微波辐射计和风廓线雷达组网观测资料数据同化,开展了静态背景误差调整因子(特征长度尺度因子和方差因子)、局地化距离和集合权重系数4个重要参数敏感性试验研究。试验结果表明:当温度、相对湿度、u风和v风的特征长度尺度因子和方差因子分别调整为0.7/1.0、1.0/1.0、0.7/1.0和0.7/1.0,局地化距离和集合权重系数分别调整为11.2 km和0.5时,快速更新混合同化系统的分析场均方根误差最小。为对比三种常用同化方案,开展了默认参数混合同化、最优参数混合同化、三维变分同化对比试验,试验结果表明:在针对北京地区地基微波辐射计和风廓线雷达组网观测资料的快速更新同化预报试验中,混合同化方案表现优于三维变分,同时相对于默认参数混合同化方案,最优参数混合同化方案的风场、温度及湿度的分析场和预报场得到了进一步改善:风温湿的分析场均方根误差分别最大降低了13%、19%和5%,12~24 h预报场的均方根误差分别最大降低了2%、12%和5%。

关键词：快速更新同化集合变分同化静态背景误差调整因子

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长三角地区近地层臭氧高值特征及其成因分析

环境化学 2024年

作者：牟显金赞侯雪伟朱小东南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心气象灾害教育部重点实验室气候与环境变化国际合作联合实验室中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室中国气象局大气化学重点开放实验室

为研究长三角地区近地层臭氧污染现状及成因，对2018年3月1日至2021年2月28日三年间环境空气质量数据中的臭氧、二氧化氮和同期欧洲中期天气预报中心全球气候第五代大气再分析数据（ECMWF ERA5）进行了深入分析，结果表明，2018年至202... 详细信息

为研究长三角地区近地层臭氧污染现状及成因，对2018年3月1日至2021年2月28日三年间环境空气质量数据中的臭氧、二氧化氮和同期欧洲中期天气预报中心全球气候第五代大气再分析数据（ECMWF ERA5）进行了深入分析，结果表明，2018年至2020年间，长三角地区臭氧浓度呈现夏季最高，春季次之，冬季最低的季节变化特征.空间分布上呈现明显的“北高南低”特征，春季和夏季的南北差异较明显，而秋、冬季的臭氧浓度在空间上分布较均匀.臭氧浓度日变化呈单峰型分布，06:00—08:00达到最低值，14:00—16:00达到最高值；臭氧污染事件主要发生在夏季的苏南和皖苏北地区；2018年月平均臭氧浓度呈单峰型分布，6月份达最高，2019年和2020年均呈双峰结构，受疫情影响，2020年的峰值浓度略有降低. 2019年5月31日至6月19日期间，徐州地区臭氧污染持续20 d，南京地区持续18 d，为近三年长三角典型城市地区臭氧污染持续最长的时段.臭氧污染期间，两地的臭氧8 h滑动平均日最大浓度一直保持在高位.此外，温度达到峰值的时间较臭氧浓度峰值总是提前1 h左右，这可能与近地面大气光化学对气象条件响应速度的滞后性有关；徐州地区和南京地区发生臭氧污染事件的成因多与局地光化学反应有关，降雨量大幅下降也有一定贡献.除此外，徐州和南京两地在此期间存在两次明显的平流层向对流层传输过程（STT），是臭氧浓度升高的另一原因.此外，徐州和南京受南风和偏南风影响，缓慢的臭氧区域水平输送作用也可能会加剧本地臭氧污染.

关键词：长江三角洲臭氧污染时空特征平流层—对流层输送

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基于GMI资料的近地面降雨率反演

地球物理学进展 2024年

作者：王新清吴莹方鑫邹依珂南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心/中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室河北省邯郸市气象局

降水是全球水循环中的重要过程，降水的时空分布对淡水资源供给、生态系统维持有重要且直接的影响，与台风、洪水和泥石流等自然灾害也存在密切联系。由于不同的微波辐射计在高度、入射角以及微波通道等方面都有差异，需要建立适用于特... 详细信息

降水是全球水循环中的重要过程，降水的时空分布对淡水资源供给、生态系统维持有重要且直接的影响，与台风、洪水和泥石流等自然灾害也存在密切联系。由于不同的微波辐射计在高度、入射角以及微波通道等方面都有差异，需要建立适用于特定仪器的微波陆面近表面降水率反演模型。利用搭载在全球降水观测计划（Global Precipitation Measurement，GPM）卫星上的微波成像仪（GPM Microwave Imager，GMI）一级亮温观测资料和GPM二级联合反演降水数据（2B Combined，2B CMB），构建以大气散射指数（Scatter Index，SI）和89.0 GHz的极化订正温度（Polarization-Corrected Temperature，PCT）为反演因子的综合指数法（PCT-SI），分别建立升轨和降轨的近地面降雨率反演模型，并进行验证。结果表明，89.0 GHz垂直极化通道的亮温值越低，大气散射指数（SI）越大，近地面降雨率越大；反演模型得到的近地面降雨分布区域和二级产品降水区域基本一致，略微偏大；反演的近地面降雨率与2B CMB产品相比偏小，二者相关系数大于0.6，升轨和降轨模型反演的平均绝对误差分别为1.4648mm/h和1.0807 mm/h，均方根误差分别为2.4105mm/h和2.1828 mm/h。本研究比较成功地反演了陆面降雨分布区域及近地面降雨率，可为星载微波成像仪资料估计陆面降雨分布和近地面降雨率提供参考。

关键词： GMI PCT-SI 近地面降雨率反演

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地表臭氧浓度升高对麦田水热通量的影响

农业工程学报 2024年第8期40卷 116-124页

作者：徐诗韵徐彦森张宇杰冯兆忠南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心南京210044 南京信息工程大学江苏省农业气象重点实验室南京210044

臭氧(O_(3))浓度升高危害小麦生长,现有研究尚不清楚推广新的小麦品种能否减缓O_(3)对籽粒产量、农田蒸散和水分利用效率的负面效应,且研究O_(3)浓度升高对麦田水分利用效率的影响对农业用水管理具有重要意义。该研究利用完全开放式O_(3... 详细信息

臭氧(O_(3))浓度升高危害小麦生长,现有研究尚不清楚推广新的小麦品种能否减缓O_(3)对籽粒产量、农田蒸散和水分利用效率的负面效应,且研究O_(3)浓度升高对麦田水分利用效率的影响对农业用水管理具有重要意义。该研究利用完全开放式O_(3)浓度升高平台(O_(3)-FACE),通过连续观测农田小气候特征,结合能量平衡法分析O_(3)浓度升高对麦田水热通量、小麦籽粒产量和田间水分利用效率的影响。结果表明:O_(3)浓度升高显著降低了开花后第32天小麦旗叶的叶绿素含量,降低了乳熟–成熟期的麦田潜热通量平均值和正午峰值,但影响幅度较小。O_(3)浓度升高对麦田平均水热通量及其分配无显著影响,也未影响籽粒产量、产量组成和田间水分利用效率。不同于10年前江淮地区主推的扬辐麦2号、烟农19和嘉兴002等品种,当前推广的农麦88表现出极强的O_(3)抗性。在O_(3)浓度不断升高背景下,种植农麦88有助于减缓O_(3)浓度升高对田间蒸散和水分利用效率的影响。

关键词：臭氧水热通量产量蒸散发冠层温度小麦

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2023/2024年冬季北半球大气环流特征及对我国天气气候的影响

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气象 2024年第7期50卷 887-896页

作者：章大全刘芸芸中国气象局气候研究重点开放实验室国家气候中心北京100081 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心南京210044

利用国家气象信息中心整编发布的中国台站观测资料和全球大气再分析资料,分析了2023/2024年冬季我国气候异常特征和可能成因。2023/2024年冬季,全国平均气温较常年同期偏高0.3℃,气温冷暖起伏大,总体呈现“前冬暖、后冬冷”的季节内变... 详细信息

利用国家气象信息中心整编发布的中国台站观测资料和全球大气再分析资料,分析了2023/2024年冬季我国气候异常特征和可能成因。2023/2024年冬季,全国平均气温较常年同期偏高0.3℃,气温冷暖起伏大,总体呈现“前冬暖、后冬冷”的季节内变化特征。全国平均降水量较常年同期偏多19.8%,中东部大部地区降水偏多。东亚冬季风和西伯利亚高压强度接近常年,东亚槽偏弱。欧亚中高纬500 hPa位势高度场呈西低东高的分布形势,并具有显著的阶段性变化特征,2023年12月和2024年1月以纬向环流为主,2月转为异常经向型环流,有利于中高纬冷空气南下入侵我国。受赤道中东太平洋厄尔尼诺、热带印度洋和大西洋海温异常偏暖以及北太平洋年代际涛动负位相等因子的协同影响,冬季西太平洋副热带高压偏强、偏西,菲律宾及南海上空异常反气旋阶段性活跃,欧亚对流层高层出现沿西风急流传播的波列,有利于热带水汽向我国中东部输送,配合中高纬冷空气南下,导致该地区发生多次大范围雨雪冰冻天气过程。

关键词：东亚冬季风冷空气厄尔尼诺西太平洋副热带高压季节内变化

海河流域盛夏降水预测模型的研发和适用性分析

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大气科学 2024年第4期48卷 1345-1356页

作者：洪洁莉陈丽娟国家气候中心中国气象局气候研究重点开放实验室北京100081 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心南京210044

海河流域初夏(6月)和盛夏(7~8月)的降水有显著的年代际变化差异,尤其在2002年之后,海河流域初夏和盛夏的年代际变化特征相反,因此有必要分别针对夏季不同阶段建立预测模型。本文基于年际增量的思想,寻找影响海河流域盛夏降水异常的预测... 详细信息

海河流域初夏(6月)和盛夏(7~8月)的降水有显著的年代际变化差异,尤其在2002年之后,海河流域初夏和盛夏的年代际变化特征相反,因此有必要分别针对夏季不同阶段建立预测模型。本文基于年际增量的思想,寻找影响海河流域盛夏降水异常的预测因子,以突出年际变化异常的影响信号。前冬欧亚中高纬度关键区域海平面气压指数SLPI(Sea Level Pressure Index)、6月热带中东太平洋海温Niño3指数以及表征厄尔尼诺—南方涛动现象(El Niño–Southern Oscillation,简称ENSO)演变速度的Niño3指数在6月与1月之差的年际增量作为三个关键预测因子,建立回归方程。进一步利用多模式的2022年6月Niño3指数的预报结果代入预测模型,对海河流域2022年盛夏降水进行预报试验。相对各动力气候模式3月起报的盛夏降水异常预测,基于年际增量的回归模型对海河流域盛夏降水异常拟合和回报的准确率更高,尤其是降水显著偏多年份,预测技巧更突出。进一步对预报偏差较大的年份复盘归因发现,前冬海平面气压指数对冬季风和夏季风转换关系的描述可能受到后期春夏热带太平洋和印度洋海温异常演变的干扰。当前冬海平面气压指数预示的后期海温演变与实际海温演变信号差异较大时,需关注动力模式对临近热带海温尤其是热带印度洋海表温度距平的预报以及海温变化对海河流域盛夏降水的可能影响。

关键词：海河流域盛夏年际增量气候模式预测方法