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土壤冻融过程中的水热参数化方案研究进展

高原气象 2025年第1期44卷 1-15页

作者：侯雅李伟平左金清中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081 中国气象局地球系统数值预报中心北京100081 中国气象局气候预测研究重点开放实验室/国家气候中心北京100081

冻土是陆地冰冻圈的重要组成部分,其冻融循环变化能够影响土壤结构、土壤水热传输以及土壤生物化学等过程,并通过陆-气相互作用影响局地甚至全球天气气候。因此,研究土壤冻融过程对冻土区人类生产生活和了解区域外天气气候变化具有重要... 详细信息

冻土是陆地冰冻圈的重要组成部分,其冻融循环变化能够影响土壤结构、土壤水热传输以及土壤生物化学等过程,并通过陆-气相互作用影响局地甚至全球天气气候。因此,研究土壤冻融过程对冻土区人类生产生活和了解区域外天气气候变化具有重要的科学意义。本文回顾了土壤中的砾石、有机质对土壤冻融过程的影响及物理机制,总结了土壤冻融过程中水热参数化的相关研究成果,包括土壤导热率和水力学参数的计算、水热耦合方案以及冻融锋面计算方案等。相对于普通的矿物质土粒而言,砾石具有高导热率和低热容,有机质具有低导热率和高热容,他们对热量在土壤中的传输及土壤温度垂直分布有不同的影响。另外,砾石和有机质的存在改变了土壤孔隙度、土壤基质毛细作用与吸附作用,进而影响水分在土壤中的传输过程和垂直分布。已有研究表明:(1)当前大部分数值模式中土壤导热率采用Johansen方案及其派生方案进行计算,其中Balland-Arp方案考虑了砾石和有机质对土壤导热率的影响,该方案更好地刻画了土壤冻融过程中土壤导热率变化的连续性;综合考虑热-水-变形相互作用的导热率参数化方案可以较好地刻画土壤冻融过程中的水热耦合和土体冻胀的作用,对相变过程中土壤导热率变化特征的模拟更符合实际观测。(2)过冷水参数化方案刻画了土壤液态水在0℃以下存在的事实;相变温度方案描述了土壤相变温度低于0℃且不固定的事实;导水阻抗方案考虑了土壤冻结对土壤水分下渗的阻抗作用,改善了对冻土区水文过程的模拟效果。(3)土壤冻融过程伴随着水分的相变和能量的转化,水热耦合方案的发展能够较好地刻画土壤中热力-水文过程的协同变化特征,细化了对冻融过程中水分和能量相互作用的复杂物理机制的描述。(4)等温框架的数值模式通过模拟每层土壤中间深度的冻融过程代表该模式分层的整体特征,导致对冻融深度的严重高估或低估,尤其是对厚度较大的模式深层土壤,冻融锋面计算方案的提出和应用减小了这种模拟偏差。目前土壤冻融参数化方案的不足之处包括:绝大多数数值模式没有考虑土壤盐分导致土壤水的冰点降低这一事实;虽然大部分数值模式考虑了土壤有机质对土壤水、热传输的影响,但是模式中对土壤有机质含量及垂直分布的考虑与植被根系的生长状态脱节;模式模拟的土壤深度不足并且下边界通量为零的假定不符合实际情况。发展土壤溶质传输参数化方案以模拟盐分的分布、刻画植被根系生长过程和土壤有机质的分布特征、考虑深层土壤对浅层的热力学影响并完善数值模式中的下边界条件,这些是未来陆面模式改进土壤冻融过程模拟的可能方向。

关键词：土壤冻融过程参数化方案土壤导热率土壤水文参数冻融锋水热耦合

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 2025年第1期40卷 92-101页

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昆明650034 中国气象局大理山地气象野外科学试验基地云南大理671003 云南省气候中心云南昆明650034 云南省气象科学研究所云南昆明650034 云南省临沧市气象局云南临沧677099 中国气象局大理国家气候观象台云南大理671003

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... 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

夏玉米不同阶段及类型倒伏对籽粒灌浆及产量的影响

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中国生态农业学报(中英文) 2025年

作者：李树岩杨光仙余卫东薛昌颖魏庆伟周佳布侯英雨中国气象局河南省农业气象保障与应用技术重点实验室/河南省气象科学研究所鹤壁市气象局国家气象中心

倒伏是影响夏玉米高产稳产的重要灾害因素，为研究不同阶段和类型倒伏对夏玉米籽粒灌浆及产量的影响，本研究选取‘郑单1002’ （稀植大穗型）和‘豫单9553’ （密植小穗型） 2个品种，在4个关键生育阶段（大喇叭口期E1、花期E2、籽... 详细信息

倒伏是影响夏玉米高产稳产的重要灾害因素，为研究不同阶段和类型倒伏对夏玉米籽粒灌浆及产量的影响，本研究选取‘郑单1002’ （稀植大穗型）和‘豫单9553’ （密植小穗型） 2个品种，在4个关键生育阶段（大喇叭口期E1、花期E2、籽粒建成期E3和灌浆中期E4）设定3种倒伏类型（轻度根倒伏EQ、重度根倒伏EZ和茎折倒伏EJ）的田间控制试验。利用Logistics曲线模拟了籽粒灌浆动态，分析倒伏后籽粒灌浆的速增期T1、渐增期T2、缓增期T3的持续时间及灌浆速率等参数的变化，定量评估不同倒伏处理的产量灾损。结果表明: Logistics曲线模拟夏玉米籽粒灌浆动态决定系数均在0.98以上，拟合效果较好。分析籽粒灌浆模拟参数变化，在E3和E4阶段倒伏处理后，理论最大百粒重K值显著降低，且‘郑单1002’的K值降幅高于‘豫单9553’。其中E3阶段倒伏K值显著下降8.8%～16.5% （EZ）和15.4%～22.3% （EJ）， E4阶段倒伏K值显著下降6.0%～16.0% （EZ）和14.9%～18.8% （EJ）。除第一阶段外，倒伏发生后平均灌浆速率Gavg、最大灌浆速率Gmax以及灌浆速率最大时的籽粒质量Wmax均受到显著影响，两个品种E2阶段平均灌浆速率下降10.5%～11.8% （EZ）和12.4%～14.6% （EJ）， E3阶段平均灌浆速率下降18.0%～18.1% （EZ）和17.6%～21.2% （EJ）， E4阶段平均灌浆速率下降13.6%～16.6% （EZ）和14.1%～23.0% （EJ）。各阶段倒伏处理后， 2个品种的3个灌浆时期的持续时间与对照差异均不显著，但灌浆速率下降明显，且差异主要体现在T2和T3时期。E1阶段EJ处理后的灌浆速率G2和G3显著下降， E2、E3和E4阶段的EJ和EZ倒伏处理的灌浆速率G2和G3均显著下降。各阶段EQ倒伏对籽粒灌浆影响均不显著。分析倒伏后夏玉米产量变化， E2、E3和E4阶段对产量影响大，平均减产18.2%～21.1% （‘郑单1002’）和21.1%～24.0% （‘豫单9553’），其中EJ倒伏的减产幅度最高，其次是EZ倒伏，从总体产量水平来看倒伏对‘豫单9553’的产量影响较‘郑单1002’更大。综上所述，夏玉米生长中后期发生倒伏显著降低籽粒灌浆速率，且主要影响速增期和缓增期的灌浆速率，倒伏显著降低产量，特别是对密植小穗型品种‘豫单9553’的产量影响更大。

关键词：倒伏籽粒灌浆 Logistics模拟夏玉米

中国北方干旱多发带极端春夏连旱的主要影响因子特征

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高原气象 2025年第1期44卷 67-82页

作者：陆晓娟李忆平王劲松中国气象局兰州干旱气象研究所/甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室/中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室甘肃兰州730020

在全球变暖背景下,天气气候事件表现出的极端性愈加明显,由此造成的各种气象灾害对社会和经济的危害程度进一步加大。在中国北方干旱多发带(Northern Drought-prone Belt,NDPB),极端干旱事件发生的次数更为频繁、强度更为剧烈、范围更... 详细信息

在全球变暖背景下,天气气候事件表现出的极端性愈加明显,由此造成的各种气象灾害对社会和经济的危害程度进一步加大。在中国北方干旱多发带(Northern Drought-prone Belt,NDPB),极端干旱事件发生的次数更为频繁、强度更为剧烈、范围更为广阔。本文利用气象干旱综合指数、站点的降水和近地面气温、再分析资料以及海表温度、积雪范围、海冰密集度资料,通过统计分析和合成分析方法揭示了NDPB极端春夏连旱事件的主要影响因子特征。研究表明,主要环流因子表现为:3月自巴芬湾东传的波列,5月从哈德逊湾南部到贝加尔湖以东“正-负-正-负-正-负”的位势高度异常,6月60°N附近东传的波列、丝路波列以及偏东偏弱的西太平洋副热带高压;主要的外强迫因子表现为:拉尼娜向厄尔尼诺的位相转变及印度洋海盆和北大西洋中部偏暖的海温异常,欧亚大陆中高纬和北美大陆40°N-60°N之间明显偏小、青藏高原前期偏大后期偏小的积雪范围异常,以及巴芬湾和戴维斯海峡附近偏少而格陵兰海附近偏多、从巴伦支海到喀拉海呈现“正-负-正”分布的海冰密集度异常。

关键词：极端春夏连旱事件影响因子中国北方干旱多发带

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昆仑山北坡西段和中段暴雨的特征及差异

干旱区研究 2025年

作者：杨霞杨柳新疆维吾尔自治区气象台巴州气象局

利用1961—2023年昆仑山北坡国家气象站的降水资料和再分析资料，揭示了昆仑山北坡西段和中段暴雨的特征和差异。结果表明：（1）1961—2023年，昆仑山北坡西段和中段的暴雨日数及暴雨量均呈增加趋势，且西段增加的更显著；西段的累积... 详细信息

利用1961—2023年昆仑山北坡国家气象站的降水资料和再分析资料，揭示了昆仑山北坡西段和中段暴雨的特征和差异。结果表明：（1）1961—2023年，昆仑山北坡西段和中段的暴雨日数及暴雨量均呈增加趋势，且西段增加的更显著；西段的累积暴雨日数和累积暴雨量均多于中段；但二者的极值雨量差异不大；西段在暖湿阶段的暴雨量多于暖干阶段，而中段则相反，二者对气候转型的响应程度不同。（2）暴雨日数和暴雨量的空间分布在昆仑山北坡西段均呈“东多西少”的特征，在中段则均呈“中间多两边少”的特征；平均暴雨量与累积暴雨量的空间分布在西段一致，在中段相反。（3）2010—2023年，昆仑山北坡超过90%的国家站都出现过短时强降水暴雨，该比例高于南疆平均值；西段整体（中段）以非短时（短时）强降水暴雨为主。昆仑山北坡暴雨的持续性较差，且夜雨居多，西段和中段暴雨的平均降水时数接近。（4）造成昆仑山北坡西段和中段暴雨的主要天气系统的典型配置相同，导致昆仑山北坡暴雨的精细落区预报难度加大。研究结果可加深对干旱区暴雨独特性的认识，并为提高昆仑山北坡暴雨防御能力提供参考。

关键词：暴雨气候特征日变化天气系统昆仑山北坡

基于相似误差订正方法的宁夏冬季气温模式产品解释应用

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干旱区研究 2025年

作者：王岱马阳张雯李欣黄莹王素艳中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室宁夏回族自治区气候中心

冬季月和季节内频繁交替的冷暖事件增大了短期气候预测的难度和挑战性，加之气候动力模式对于宁夏冬季气温的预测水平整体不高，导致预测质量不稳定。动力与统计相结合的模式解释应用方法的发展，为预测质量的提升提供了有效的技术手段... 详细信息

冬季月和季节内频繁交替的冷暖事件增大了短期气候预测的难度和挑战性，加之气候动力模式对于宁夏冬季气温的预测水平整体不高，导致预测质量不稳定。动力与统计相结合的模式解释应用方法的发展，为预测质量的提升提供了有效的技术手段，也是省级短期气候预测业务亟需发展的重要方向。基于国家气候中心MODES二代产品的EC模式近30 a历史回算数据、宁夏19个国家气象站冬季逐月平均气温观测数据、NCEP/NCAR大气再分析资料等，采用相似误差订正方法，利用同期环流关键区信息对宁夏冬季月气温开展模式解释应用，旨在提高宁夏气候趋势预测准确率和客观化水平。结果表明：EC模式原始预测结果对宁夏冬季各月气温的预测技巧整体较高，尤其对于趋势和异常量级的把握能力较好；采用相似误差订正方案后，仍能有效提高EC模式对宁夏冬季气温的预测技巧，其中12月和1月预测技巧提高尤为明显，订正后PS、PC评分分别高于70%和64%。当1月平均气温为正距平、12月和2月为负距平时预测技巧提高更明显，气温偏低幅度越大提高越显著；模式误差大小对预报订正的效果无明显影响，即使在模式误差绝对值较大情况下，该订正方案仍能不同程度地提升冬季各月模式气温预测技巧。因此，相似误差订正方法可以在模式误差较大的情况下，进一步提高宁夏冬季气温趋势和异常量级的预报准确性，改进模式预报技巧的稳定性，在实际业务中具有良好的应用价值。

关键词：宁夏冬季气温相似误差订正方法模式产品解释应用

西南地区森林NEP时空演变特征及其驱动因素研究

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生态学报 2025年

作者：曹云陈紫璇莫建飞孙应龙延昊国家气象中心中国气象局水文气象重点开放实验室广西壮族自治区气象科学研究所

作为我国第二大林区，西南林区生态环境脆弱、气候变化敏感，特别是近年来受气候、环境等因素影响，林区固碳功能已出现变化，引起了广泛关注。因此，在气候变化背景下开展西南林区固碳能力的时空动态演变及其驱动影响研究具有重要意义... 详细信息

作为我国第二大林区，西南林区生态环境脆弱、气候变化敏感，特别是近年来受气候、环境等因素影响，林区固碳功能已出现变化，引起了广泛关注。因此，在气候变化背景下开展西南林区固碳能力的时空动态演变及其驱动影响研究具有重要意义。采用陆地生态系统碳通量模型和土壤呼吸模型，结合气象和遥感资料，对2001—2021年西南林区净生态系统生产力（Net Ecosystem Productivity,NEP）进行评估。采用Theil-Sen趋势分析、Mann-Kendall趋势检验和Hurst指数，分析西南林区NEP变化的趋势特征与可持续性特征；基于偏相关性分析和地理探测器模型等方法，定量评估气温、降水、坡向坡度等气候环境因子对森林NEP的影响程度。结果表明：（1）西南林区多年平均NEP为333.8 g C m-2a-1(3.338 t C hm-2a-1)，总体表现为碳汇，且2001—2021年林区NEP呈现波动增长趋势，平均每年增加3.9 g C m-2a-1(0.039 t C hm-2a-1)。其中，NEP达到显著增加趋势的面积，占林区总面积的33.2%，主要分布在四川北部、云南西南部等地。落叶阔叶林和贵州林区NEP增加趋势最大，平均每年分别增加4.5 g C m-2a-1(0.045 t C hm-2a-1)和5.9 g C m-2a-1(0.059 t C hm-2a-1)。（2）从变化持续性看，大部林区NEP的Hurst指数小于0.5，表明NEP未来变化趋势与过去相反，林区NEP未来可能呈下降趋势，其中NEP由增加趋势变为减少趋势的林区面积占比达到64.6%。但是依然有30.5%林区NEP未来变化呈增加趋势，其中云南林区分布最多（57.1%）、四川次之（36.2%）。（3）从时间尺度的影响分析来看，近20年西南大部林区NEP与降水具有负相关性、与蒸散和气温具有正相关性，其中蒸散是影响林区NEP的第一关键气候因子，影响面积占比67.2%，降水影响范围次之（21.3%），气温影响范围第三（6.1%）。但是关键气候因子在不同森林类型间存在一定差异，其中降水是影响贵州灌丛和常绿阔叶林NEP的第一关键气候因子，而气温是影响贵州针叶林NEP的第一关键气候因子。（4）从空间分布的影响分析来看，气候环境因素对固碳功能的影响较为复杂，其中气温、辐射、高程是对西南林区NEP空间分异解释力最强的前三个因子。但是在贵州和重庆林区，各因子对NEP解释力均明显偏弱（q值气候环境因素对林区NEP空间分布驱动机制更为复杂。此外，各因子间对林区NEP空间分布变化存在交互作用，分别属于双因子增强或非线性增强作用。其中最大交互影响力分别为，气温∩日照（q值=0.33）、辐射∩蒸散（q值=0.31），气温∩辐射（q值=0.29），表明这些因子交互作用对西南林区NEP空间分布的影响占主导地位。本研究结果将有助于揭示森林NEP对气候环境变化的响应机制，为西南林区碳中和研究提供基础数据支持。

关键词：净生态系统生产力气候变化时空变化变化趋势驱动因素西南林区

前期东北大西洋-地中海西部海温异常影响河南省干热风的可能途径

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高原气象 2025年第1期44卷 150-162页

作者：竹磊磊苏晓乐潘攀吴璐杨婷中国气象局•河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室河南郑州450003 河南省气候中心河南郑州450003

河南省是中国冬小麦的主产区,也是较易受干热风影响的地区。目前对干热风的研究和预报多在天气尺度,从气候的角度研究干热风是否具有可预报性,具有非常重要的意义。本文基于河南省干热风资料、NCEP/NCAR再分析资料和哈得莱环流中心海温... 详细信息

河南省是中国冬小麦的主产区,也是较易受干热风影响的地区。目前对干热风的研究和预报多在天气尺度,从气候的角度研究干热风是否具有可预报性,具有非常重要的意义。本文基于河南省干热风资料、NCEP/NCAR再分析资料和哈得莱环流中心海温资料,分析了1980-2022年前期海温异常与河南省干热风日数的关系,及其可能影响途径。结果表明:(1)豫北、豫西北和豫中多年平均干热风日数较多,其他地区则相对较少。日干热风出现的概率由南向北、由5月下旬至6月上旬逐渐增加。全省平均干热风日数有显著增加趋势。(2)河南省干热风日数与当年3-4月东北大西洋-地中海西部(关键区)海温在年代际和年际尺度上均存在着密切相关,两者与干热风发生时段500 hPa高度场在去趋势前和去趋势后的显著正相关区在东亚中纬度地区位于新疆北部至贝加尔湖尔湖北部,显著负相关区位于我国东北至日本群岛附近,与850 hPa风场在去趋势前和去趋势后的相关在上述正、负显著相关区分别呈反气旋和气旋分布,气旋后部呈偏北风的显著相关,即3-4月关键区高海温年,出现的蒙古高压脊和东亚大槽造成了河南省的干热风天气。海温与环流场的相关在去趋势前和去趋势后在中纬度地区呈现出一个更明显的由东北大西洋经欧亚大陆至东北亚的纬向遥相关波列。(3)西太平洋副热带高压(以下简称副高)偏南(北)时,干热风日数易偏多(少),而3-4月关键区高(低)海温则可以导致副高偏南(北)。(4)干热风偏多年和偏少年、3-4月关键区高海温年和低海温的干热风发生时段30°N-55°N经向平均的涡度差值,及高、低海温年的干热风发生时段500 hPa准地转流函数距平和波作用通量均显示在中纬度地区存在自东北大西洋至东北亚的纬向波列。也即表明,3-4月关键区海温可以激发出一个后期干热风发生时段的类似波列,经欧亚大陆传至东北亚,而高海温年在东亚中纬度地区的环流分布造成了河南省的干热风天气。

关键词：干热风东北大西洋地中海西部海温遥相关波列

GeoPriFormer:地理先验嵌入的降水空间插值方法

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计算机工程 2025年

作者：王晓川刘青青王晨牟恒辰廖要明刘瑞军北京工商大学计算机与人工智能学院中国气象局国家气候中心北京航空航天大学软件学院

目前，关于降水空间插值的深度学习方法仅依赖站点之间的位置关系，忽略了区域内特征的有效表示以及复杂特征依赖关系，尤其是降水与高度之间的关系考虑不足。为此，提出地理先验嵌入的降水空间插值方法GeoPriFormer。该方法以Transfor... 详细信息

目前，关于降水空间插值的深度学习方法仅依赖站点之间的位置关系，忽略了区域内特征的有效表示以及复杂特征依赖关系，尤其是降水与高度之间的关系考虑不足。为此，提出地理先验嵌入的降水空间插值方法GeoPriFormer。该方法以Transformer作为主骨网络，通过引入地理先验数据来增强特征表示能力，从而提高降雨空间插值的精度和可靠性。一方面引入高程-多头注意力子模块以提高对复杂地形影响的理解和适应能力；另一方面，使用拉普拉斯方法来学习地理坐标的上下文感知向量编码，以增强模型对地点关系和区域特性的理解。最终形成一个嵌入地理先验的特征表示。在河南、京津冀和BW数据集上进行对比实验，结果表明，GeoPriFormer均优于基线模型。以京津冀数据集为例，RMSE降低1.6%，MAE降低5.1%，NSE提升1.56%，优于当前主流方法。

关键词：降水空间插值 Transformer模型地理先验高程-多头注意力子模块拉普拉斯方法