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中国夏季月际—季节平均降水动力和统计结合实时预测模型

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大气科学 2024年第1期48卷 359-375页

作者：范可田宝强戴海霞中山大学大气科学学院/南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海) 珠海519082 中国科学院大气物理研究所竺可桢—南森国际研究中心北京100029 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 国防科技大学气象海洋学院长沙410073

中国夏季降水大幅度月际尺度变化往往造成极端旱涝事件交替或转折,但其月际异常会被季节平均掩盖,影响季节尺度气候预测准确度,因此亟需考虑月际气候预测,提升月际—季节尺度气候预测准确度。本文首先采用年际增量和场信息耦合型预测方... 详细信息

中国夏季降水大幅度月际尺度变化往往造成极端旱涝事件交替或转折,但其月际异常会被季节平均掩盖,影响季节尺度气候预测准确度,因此亟需考虑月际气候预测,提升月际—季节尺度气候预测准确度。本文首先采用年际增量和场信息耦合型预测方法研制中国夏季6~8月月际尺度降水动力和统计结合气候预测模型,之后根据月际尺度降水预测,开展季节平均降水预测。首先,基于前期观测信息和美国第二代气候预测系统(CFSv2)预测结果,选取前期12月观测的南太平洋中高纬关键区海温、1月北极关键区海冰密集度以及CFSv2预测系统2月起报的夏季同期关键区海温作为月际尺度降水预测因子,分别研制以上具有物理意义的单预测因子预测模型,并采用奇异值分解(SVD)误差订正方法对其改进;之后,利用多因子择优集合方案,研制预测效能较高且稳定的中国160站夏季月际尺度降水动力和统计结合预测模型,进而基于月际尺度预测开展夏季季节平均气候预测。1983~2022年夏季(6~8月)中国160站逐月降水预测模型的交叉检验结果表明:逐月回报与观测降水距平百分率的时间相关系数通过90%置信水平的站点占比分别为90%,88%,82%,多年平均的空间相关系数分别为0.39、0.40和0.39,均通过99%置信水平。针对2020~2022年连续三年同样拉尼娜背景下但不同中国夏季降水形势,开展月际—季节独立回报检验,其结果显示,2020~2022年6、7、8月预测降水距平百分率的趋势异常综合检验(PS)平均分分别为75、75和70分;夏季季节平均降水的PS评分分别为72、76和73分,均高于多年业务预测平均分。由此,考虑月际异常开展季节尺度气候预测是提升月际—季节尺度气候预测准确度的一个有效途径。

关键词：中国夏季月际—季节尺度动力和统计结合降水预测 SVD误差订正择优集合方案实时预测

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冬季南北半球际大气质量涛动与东亚冬季风异常联系的模式验证

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大气科学学报 2024年第4期47卷 570-580页

作者：钟磊卢楚翰乔年管兆勇曾跃飞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江苏南京210044 无锡学院中国气象局生态系统碳源汇重点开放实验室江苏无锡214063

南北两半球大气中高纬度之间的相互作用与季风等跨半球的天气气候系统存在着密切联系,由于涉及全球范围的大尺度环流与能量变化,其联系途径与机理受到学者们的广泛关注。本文结合ERA5再分析资料以及CMIP6中MPI-ESM1-2-HR模式历史输出资... 详细信息

南北两半球大气中高纬度之间的相互作用与季风等跨半球的天气气候系统存在着密切联系,由于涉及全球范围的大尺度环流与能量变化,其联系途径与机理受到学者们的广泛关注。本文结合ERA5再分析资料以及CMIP6中MPI-ESM1-2-HR模式历史输出资料,验证了冬季南北半球际大气质量涛动(Inter-Hemispheric atmospheric mass Oscillation, IHO)与东亚冬季风异常的联系及其对中国冬季气温的影响。研究表明,再分析资料以及模式结果均表明冬季IHO与东亚冬季风存在显著的正相关关系。IHO通过全球大气质量再分配与东亚冬季风建立起紧密的联系。当IHO为正位相时,大气质量在欧亚大陆北部异常堆积,而在中低纬地区异常亏损,这使得东亚地区海陆气压差明显增大,冬季风增强,同时对中国华中地区冬季地表气温具有显著影响;反之亦然。进一步分析发现,热带低平流层气温可以通过剩余环流调节臭氧含量经向分布进而影响南极对流层气温,从而对IHO年际变化起主要的驱动作用。

关键词：东亚冬季风南北半球际大气质量涛动温度“跷跷板” CMIP6

城市地表温度遥感:从方向温度、全表面温度到三维表面温度

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遥感学报 2024年第6期28卷 1480-1496页

作者：陈云浩王丹丹占文凤周纪胡德勇全金玲孙灏郭徵夏海萍代秀娟姜璐北京师范大学地理科学学部遥感科学国家重点实验室北京100875 中国地质大学(北京)土地科学技术学院北京100083 南京大学江苏省地理信息技术重点实验室/南京大学国际地球系统科学研究所南京210023 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心南京210023 电子科技大学资源与环境学院成都611731 首都师范大学资源环境与旅游学院北京100048 中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室北京100101 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院北京100083 中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室/国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心) 北京100081 气象卫星创新中心北京100081 杭州师范大学遥感与地球科学研究院杭州311121 南京邮电大学地理与生物信息学院南京210023

城市地表温度是城市下垫面能量收支和局地气候变化的重要参数,较大范围的城市地表温度一般通过遥感技术手段获取。城市地表显著的三维结构,使其具有较强的热辐射方向性。热红外遥感通常可以提供传感器在特定方向视场中所有组分表面的平... 详细信息

城市地表温度是城市下垫面能量收支和局地气候变化的重要参数,较大范围的城市地表温度一般通过遥感技术手段获取。城市地表显著的三维结构,使其具有较强的热辐射方向性。热红外遥感通常可以提供传感器在特定方向视场中所有组分表面的平均温度(即方向温度),方向温度随传感器观测角度变化,且与城市表面温度的真实分布状况存在差异。为更好地表征城市下垫面与大气的能量交换,已有研究常采用“全表面温度”代表城市表面温度特征。目前,“全表面温度”仅在描述城市表面温度的平均状况方面有所突破,但无法体现城市表面温度的高时空分辨率特征,不能满足精细城市热环境评估的需求。本文梳理了城市地表温度从“方向温度”(二维)到“全表面温度”(2.5维)再到“三维表面温度”(三维)的发展脉络;概括了目前利用遥感方向观测获取城市地表不同维度温度的进展;厘清了不同维度城市地表温度的差异及其相互关系;阐述了不同维度城市地表温度的应用。在总结存在的问题的基础上,指出了城市地表温度遥感的未来发展趋势:(1)面向应用的城市三维表面温度定义;(2)面向城市三维表面温度重建的立体化观测;(3)三维表面温度产品与城市气候模型的耦合。

关键词：城市遥感地表温度方向温度全表面温度三维表面温度

CMIP6模式关于中国叶面积指数对温度和降水变化敏感性的模拟能力评估

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大气科学 2024年第5期48卷 1961-1977页

作者：王丹云曾晓东宋翔中国科学院大气物理研究所国际气候与环境科学中心北京100029 天津市气象灾害防御技术中心天津300074 中国科学院大学北京100049 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

评估地球系统模式对气候和植被的模拟能力是利用地球系统模式研究植被对气候变化响应的基础。基于观测和遥感数据,本文评估了第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)中18个全球耦合模式对中国生长季温度、降水和叶面积指数(Leaf Area Index,... 详细信息

评估地球系统模式对气候和植被的模拟能力是利用地球系统模式研究植被对气候变化响应的基础。基于观测和遥感数据,本文评估了第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)中18个全球耦合模式对中国生长季温度、降水和叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)的模拟性能。我们基于多元线性回归模型定量了植被对温度、降水的敏感性,对CMIP6模式关于植被敏感性的模拟能力进行定量评估。研究结果表明:(1)大部分模式可较好地模拟生长季温度、降水和LAI的气候态空间分布特征,但普遍高估全国平均LAI,且各模式对气候和植被变化趋势的模拟结果存在较大偏差;(2)与观测数据相比,模式关于LAI对温度和降水的敏感性符号模拟能力均表现出对正值区的模拟优于对负值区的模拟,并且典型脆弱区植被敏感性大于中国区域植被敏感性,模式对植被敏感性幅度及其与气候场对应关系的模拟方面存在较大偏差;(3)基于模式在生长季的温度、降水、LAI及其敏感性方面的综合排名,四个模拟性能最佳的模式分别为CanESM5–CanOE、INM–CM5–0、IPSL–CM6–LR和MPI–ESM1–2–LR。

关键词： CMIP6 温度降水叶面积指数植被敏感性历史模拟评估

从气候学角度理解“21.7”河南特大暴雨的形成机理

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大气科学学报 2024年第5期47卷 681-700页

作者：张智煜黄安宁黄丹青赵大军张艳顾春雷陈爽南京大学大气科学学院江苏南京210023 中国科学院青海湖综合观测研究站青海刚察812300 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081 国家卫星气象中心北京100081

2021年7月19—22日,河南省遭遇历史罕见特大暴雨,破纪录降水引发了严重的洪涝灾害。目前,“21.7”河南特大暴雨的研究大多针对降水个例,引发极端降水的气候学机制仍不明确。本文基于谱聚类方法,利用中国气象局多年历史站点降水资料和NCE... 详细信息

2021年7月19—22日,河南省遭遇历史罕见特大暴雨,破纪录降水引发了严重的洪涝灾害。目前,“21.7”河南特大暴雨的研究大多针对降水个例,引发极端降水的气候学机制仍不明确。本文基于谱聚类方法,利用中国气象局多年历史站点降水资料和NCEP/NCAR再分析数据研究了1960—2021年华北地区夏季区域性极端降水事件的主控环流天气型,系统揭示了“21.7”河南特大暴雨的发生过程。结果表明,“21.7”河南特大暴雨发生在罕见天气型下,即西太平洋上空增强的远距离台风配合异常偏西北的西太平洋副热带高压与异常偏东北的南亚高压。该天气型虽然仅贡献了华北地区夏季区域性极端降水事件的5.97%,却易导致更强的极端降水事件。台风和副高之间的盛行东南风将水汽从西太平洋输送到河南,对流层高低层强烈的风切变引发的垂直上升运动导致了“21.7”河南暴雨的发生。河南及周边地区对流层低层更加强烈的上升运动与非绝热加热之间的正反馈效应使得“21.7”河南暴雨相对同一天气型下的其他特大暴雨事件的极端性更强。本研究为理解和准确预测类似“21.7”河南暴雨的破纪录区域性极端降水提供了全新的气候学视角。

关键词： “21.7”河南特大暴雨区域性极端降水事件天气分型谱聚类

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不同天气形势对南京地区双高污染的输送及潜在源区分析

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环境科学 2024年第2期45卷 626-634页

作者：秦阳胡建林孔海江中国气象局河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室郑州450003 河南省气象台郑州450003 南京信息工程大学环境科学与工程学院江苏省大气环境监测与污染控制高技术研究重点实验室南京210044 安阳国家气候观象台安阳455000

基于2015~2019年南京细颗粒物(PM_(2.5))和臭氧(O_(3))逐小时浓度数据,通过T-mode主成分分析法对南京发生PM_(2.5)和O_(3)污染同时高浓度并存(双高污染)时的天气形势进行了分型,利用后向轨迹聚类分析法、潜在来源贡献法(PSCF)和浓度权... 详细信息

基于2015~2019年南京细颗粒物(PM_(2.5))和臭氧(O_(3))逐小时浓度数据,通过T-mode主成分分析法对南京发生PM_(2.5)和O_(3)污染同时高浓度并存(双高污染)时的天气形势进行了分型,利用后向轨迹聚类分析法、潜在来源贡献法(PSCF)和浓度权重轨迹分析法(CWT)研究不同天气形势对南京双高污染的输送路径及潜在源区分布.结果表明,有利于南京地区双高污染的天气形势分别为弱的低压型(Type1)和高压中心型(Type2).天气形势会对后向轨迹的方位来源产生影响.Type1时,南京地区受到东北和西南两个低气压影响,气团的聚类轨迹主要来自东西两个方位,轨迹中ρ(PM_(2.5))和ρ(O_(3))平均值分别为83.48μg·m^(-3)和106.85μg·m^(-3).Type2时,南京及其周边在高压中心边缘,气团聚类轨迹主要来自北方和东方,轨迹中ρ(PM_(2.5))和ρ(O_(3))平均值分别为94.47μg·m^(-3)和92.32μg·m^(-3).同时两种类型后向轨迹绝大部分属于中短距离区域输送,说明周边临近省份的污染是影响南京地区双高污染主要原因之一.PSCF和CWT分析表明,两者高值区域基本保持一致.Type1和Type2两种类型中PM_(2.5)和O_(3)的最主要潜在源区均出现分布并不完全一致的情况,表明双高污染中的两种污染物并非来自同一地区.

关键词：双高污染天气分型污染输送路径潜在源区南京

四川盆地一次暴雨过程中的穿透性对流形成机理分析

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大气科学 2024年第2期48卷 755-772页

作者：赖子洋周玉淑葛旭阳邓国南京信息工程大学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南京210044 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 安阳国家气候观象台安阳455003 中国气象局地球系统数值预报中心北京100081 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081

2019年8月18~22日,高原东侧到四川盆地西部发生的一次暴雨过程,其与穿透性对流的发生发展密切相关。为揭示此次穿透性对流的形成机理和过程,本文利用欧洲中心再分析资料ERA5以及高分辨数值模式(WRF)的模拟结果进行了分析。结果表明,此... 详细信息

2019年8月18~22日,高原东侧到四川盆地西部发生的一次暴雨过程,其与穿透性对流的发生发展密切相关。为揭示此次穿透性对流的形成机理和过程,本文利用欧洲中心再分析资料ERA5以及高分辨数值模式(WRF)的模拟结果进行了分析。结果表明,此次穿透性对流过程发生在中国沿海地区大范围对流层顶折叠导致盆地以东的上空出现平流层位涡(PV)下传的特殊天气背景下。穿透性对流的形成主要分为三个阶段:(1)中低层对流的触发。由于大陆高压西伸,四川盆地附近气压梯度加强引起低空急流发展,在其左侧产生气旋性切变,同时引起与高原东南侧大地形正交的抬升气流分量增强。地形动力抬升叠加气流辐合抬升在不稳定层结下触发对流。(2)对流层高层上升运动发展。这主要与湍流扩散导致的平流层持续下传的PV气团在非绝热加热作用下的发展有关。盆地西侧对流发展引起的非绝热加热作用导致高层净增温垂直梯度增强,进而导致了高层局地正PV的加强。高层东风气流背景下,正PV异常的右侧为上升运动,使得300 hPa以上至下平流层上升运动的发展增强。(3)盆地附近的高中低层上升运动垂直耦合叠加,形成穿透性对流。中尺度对流系统层状模态的发展以及干燥环境下水汽的蒸发冷却导致300 hPa至600 hPa出现下沉运动。下沉运动造成的局地干冷侵入,既加强了上空“下湿上干”的不稳定层结,也加强了中低层的气流辐合,导致原中层300~600 hPa附近的下沉运动转为上升运动。低层由于正涡度倾斜发展,上升运动得以维持。由此,四川盆地上空的上升运动出现整层的垂直叠加耦合,表现为从对流层低层到平流层底的一致性上升运动,穿透性对流形成,导致后期降水增强。

关键词：四川盆地穿透性对流位涡思想非绝热加热暴雨

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青藏高原夏季极端降水研究进展与展望

大气科学学报 2024年第5期47卷 737-754页

作者：刘俏华姚秀萍马嘉理李若莹南京信息工程大学大气科学学院江苏南京210044 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081 中国气象局气象干部培训学院北京100081 中国气象局地球系统数值预报中心北京100081

在全球变暖背景下,极端降水正日益频繁、剧烈并影响更广泛的区域。特别是在气候变化的敏感区域——青藏高原(以下简称高原),这些现象的发生频率和强度均有显著增加,对当地乃至下游地区的生态环境和生产生活造成了重大影响。因此,对高原... 详细信息

在全球变暖背景下,极端降水正日益频繁、剧烈并影响更广泛的区域。特别是在气候变化的敏感区域——青藏高原(以下简称高原),这些现象的发生频率和强度均有显著增加,对当地乃至下游地区的生态环境和生产生活造成了重大影响。因此,对高原极端降水进行深入研究具有深远的科学意义和社会价值。本文从极端降水定义与指数、高原夏季极端降水特征、影响高原夏季极端降水的因素、高原夏季极端降水的灾害风险与未来预估四个方面,对近几十年来高原夏季极端降水的相关研究成果进行了回顾。通过梳理和分析相关领域的研究成果,以期为研究者提供清晰的研究脉络和前沿动态,促进学术交流与合作,共同推动高原极端降水领域的科学研究持续深入,为全球气候变化及极端天气气候事件研究和应对提供更加坚实和有力的科学支撑。

关键词：青藏高原夏季极端降水全球变暖海温异常灾害风险未来预估

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上海地区高温过程中局地气候区尺度城市热岛特征分析

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气象科学 2024年第2期44卷 391-400页

作者：高颖陈燕张宁敖翔宇周玉奇南京大学大气科学学院南京210023 江苏省气候中心南京210041 中国气象局上海台风研究所上海200030 普华永道商务咨询(上海)有限公司上海200126

本文以超大城市上海为研究对象,选取2017年7月为夏季代表月,利用自动气象站网观测得到的逐小时气温和风速数据,基于局地气候分区方法分析了上海市各局地气候区(Local Climate Zone,LCZ)在不同天气条件下的气温和城市热岛强度(Urban Heat... 详细信息

本文以超大城市上海为研究对象,选取2017年7月为夏季代表月,利用自动气象站网观测得到的逐小时气温和风速数据,基于局地气候分区方法分析了上海市各局地气候区(Local Climate Zone,LCZ)在不同天气条件下的气温和城市热岛强度(Urban Heat Island Intensity,UHII)时空特征及其成因。结果表明:由于城市几何形态、建筑材料、表面不透水面占比以及人类活动的不同,上海市夏季典型月各LCZ的气温和UHII表现出明显差异,在高温日,UHII日变化曲线可以分为"W"型、浅"U"型、"V"型、日间型和平稳型这五类。城市建筑形态对城市风、热环境具有较为复杂的影响,UHII与天空可视因子(Sky View Factor,SVF)的相关系数在00时(北京时,下同)为负,而在12、16时为正,这是由于建筑物对城市冠层内的辐射传输的影响和建筑物的热量储存导致的;城乡风速之比与SVF在00、12和16时都为正相关,说明了高大密集的建筑物对风速有衰减作用,同时风速通过影响大气的平流输送进一步影响UHII。

关键词：局地气候区城市热岛建筑形态天空可视因子风速