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东南极地区WRF模式3种边界层参数化方案的评估

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极地研究 2024年

作者：胡杰杨堤益邹小伟丁明虎中国气象科学研究院全球变化与极地研究所浙江省海宁市气象局武汉大学卫星导航定位技术研究中心

由于极地自然环境恶劣,大气观测受到较大的限制,因此极地数值天气预报模式(PolarWRF)是在该地区开展大气科学研究的重要手段之一。本文利用Polar WRF 4.1.1模式对2020年3月至2021年3月东南极近地面气象要素进行模拟,对模式中3种边界层... 详细信息

由于极地自然环境恶劣,大气观测受到较大的限制,因此极地数值天气预报模式(PolarWRF)是在该地区开展大气科学研究的重要手段之一。本文利用Polar WRF 4.1.1模式对2020年3月至2021年3月东南极近地面气象要素进行模拟,对模式中3种边界层参数化方案进行适用性评估,并利用4个从东南极海岸至冰盖穹顶分布的自动气象站逐小时地面常规气象观测资料进行分析验证。结果表明,在沿海站点, ACM2方案考虑了热量和湍流通量的多层结构,对相对湿度、风速和气压模拟效果最好(偏差分别为–12.53%,–1.38 m·s–1和0.37 hPa),整体表现出最好的模拟效果;在内陆站点, ACM2和YSU方案较强的非局地作用使得热力强迫引导的湍流混合增加,模拟效果更好;在穹顶站点,下垫面类型较为单一,局地方案(MYJ)对气温和风速的模拟效果最好(偏差分别为3.32℃和3.76m·s–1)。本研究结果对未来极区边界层参数化方案改进与更系统地开展极区边界层数值模拟有重要参考价值。

关键词：极地数值天气预报模式(Polar WRF) 东南极数值模拟边界层方案

2000—2020年闽江下游流域水系连通性模拟与变化分析

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水利水电技术(中英文) 2024年

作者：陈捷张煜娴邓占荣武雅珍福建省气象信息中心福建省气象科学研究所河海大学海洋学院宁夏气象信息中心

【目的】闽江是福建省最大的河流，其生态环境和水系状况直接关系着福建省的生态系统质量和可持续发展，定量评估福州市及其周边城市群的快速城市化发展和人为水系连通工程对闽江下游水系连通性的影响，对于流域防洪减灾和河道生态环境... 详细信息

【目的】闽江是福建省最大的河流，其生态环境和水系状况直接关系着福建省的生态系统质量和可持续发展，定量评估福州市及其周边城市群的快速城市化发展和人为水系连通工程对闽江下游水系连通性的影响，对于流域防洪减灾和河道生态环境保护具有重要意义。【方法】基于闽江下游流域不同时期的Landsat7影像数据和土地利用数据，引入电路理论方法，开展2000—2020年闽江下游流域水系连通性的定量模拟评估。【结果】结果表明，闽江下游流域在过去20年中经历了显著的土地利用变化，城市用地面积增幅达91.1%。电流累计值模拟显示，福州主城区等城市区域水系连通性较低，这主要归因于快速城市化和土地利用类型转换导致的景观格局变化，使得37.2%的区域水系连通性降低。2015年后全域治水工程等水系治理措施的开展减缓了水系连通性下降速度，2015—2020年闽江下游易发生水淹区域面积较2000—2005年减少2.4%。【结论】电路理论模型的引入对于模拟流域水系连通性和城市河道水网行洪能力分析有一定适用性与参考意义。福州市通过河道治理、城市空间布局优化、流域生态保护和修复等方式提高了闽江下游河道水体流动性和自净能力，缓解了城市化对水系连通性的负面影响，增强了流域抵御水旱灾害能力。研究结果可为快速城市化下流域防灾减灾提供案例参考。

关键词：水系连通性电路理论闽江福州市城市化人类活动径流土地利用

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南疆地区主要城市CO特征分析及其影响研究

环境科学学报 2024年第2期44卷 273-286页

作者：范旭雨晨何清赵竹君马明杰新疆大学生态与环境学院乌鲁木齐830017 中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所新疆塔克拉玛干沙漠气象国家野外科学观测研究站中国气象局塔克拉玛干沙漠气象野外科学试验基地新疆维吾尔自治区沙漠气象与沙尘暴重点实验室乌鲁木齐830002 石河子气象局石河子832000

利用2020—2022年中国生态环境监测总站逐小时一氧化碳(CO)和臭氧(O_(3))数据,结合中国气象局环境监测数据及全球资料同化系统(GDAS)数据,使用随机森林(RF)模型、相关性分析、潜在贡献源因子法(PSCF)、浓度权重轨迹法(CWT)分析了南疆地... 详细信息

利用2020—2022年中国生态环境监测总站逐小时一氧化碳(CO)和臭氧(O_(3))数据,结合中国气象局环境监测数据及全球资料同化系统(GDAS)数据,使用随机森林(RF)模型、相关性分析、潜在贡献源因子法(PSCF)、浓度权重轨迹法(CWT)分析了南疆地区主要城市的CO浓度变化趋势与潜在来源.结果表明:(1)在近3年期间南疆除库尔勒外各主要城市的CO浓度有一定程度的上升趋势,且在2021年变化较为明显,其浓度年平均值排序为喀什((1.10±4.21)mg·m^(-3))>和田((1.06±3.07)mg·m^(-3))>阿克苏((0.78±2.13)mg·m^(-3))>阿图什((0.66±2.69)mg·m^(-3))>库尔勒((0.47±0.71)mg·m^(-3)).南疆5座城市之间,CO浓度月变化幅度最大的城市为喀什,最高值为1月的2.469 mg·m^(-3),最低值为6月的0.436mg·m^(-3);变化幅度最小的为库尔勒,最高值为1月的0.726 mg·m^(-3);最低值为9月的0.233 mg·m^(-3).除库尔勒外,其余城市CO浓度低值集中于夏季,高值出现于冬季采暖期,季节变化符合秋冬高、春夏低的特征.南疆各主要城市CO浓度的日变化呈明显的双峰型,在10:00—11:00与23:00—3:00达到峰值,在7:00—8:00与17:00—18:00达到底值.(2)由随机森林模型与相关性分析可知,平均气温对南疆城市的CO浓度变化影响最为显著,CO浓度与平均气压、平均相对湿度呈正相关,与平均气温、最小能见度、平均风速呈负相关.(3)由PSCF与CWT分析可知,库尔勒、和田的CO潜在源区主要受境内当地周边短距离输送范围的影响,阿克苏、阿图什、喀什的潜在源区主要受吉尔吉斯坦、塔吉克斯坦、阿富汗等国家输送CO的影响.

关键词： CO浓度后向轨迹南疆地区潜在源分析

中国春季复合极端低温多雨事件的年代际变化及成因分析

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气候变化研究进展 2024年第1期20卷 1-9页

作者：周晶孙燕齐雅静江苏省气象科学研究所南京210019 南京信息工程大学大气科学学院南京210044

利用1961—2020年中国553站逐日最低气温、降水资料和ERA5再分析资料,探讨了我国春季复合极端低温多雨事件的年代际变化特征及可能成因。结果表明,春季复合极端低温多雨事件整体呈现出南多北少的分布型,并且高频次中心在西南和华南地区... 详细信息

利用1961—2020年中国553站逐日最低气温、降水资料和ERA5再分析资料,探讨了我国春季复合极端低温多雨事件的年代际变化特征及可能成因。结果表明,春季复合极端低温多雨事件整体呈现出南多北少的分布型,并且高频次中心在西南和华南地区,年平均超过了5 d。全国绝大部分地区春季复合极端低温多雨事件近60年呈现减少趋势,在1990年代末期出现了由多转少的全国范围的年代际突变,并以我国东南部季风区的减少最为显著。进一步分析发现,我国北方至白令海峡地区的异常气旋性环流和我国东南侧西北太平洋上的异常反气旋性环流是引起年代际突变的两个关键环流系统。

关键词：复合极端低温多雨事件年代际异常环流背景

高、低空急流耦合对山东“利奇马”台风暴雨增幅影响的诊断研究

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大气科学 2024年第2期48卷 445-462页

作者：张端禹王俊超王晓芳崔春光叶金桃中国气象局武汉暴雨研究所中国气象局流域强降水重点开放实验室/暴雨监测预警湖北省重点实验室武汉430205

受登陆北上台风“利奇马”等影响,2019年8月9~12日山东省出现连续暴雨,其中10日夜间出现降雨峰值。利用中国气象局上海台风研究所(Shanghai Typhoon Institute of China Meteorological Administration,简称CMA-STI)热带气旋最佳路径数... 详细信息

受登陆北上台风“利奇马”等影响,2019年8月9~12日山东省出现连续暴雨,其中10日夜间出现降雨峰值。利用中国气象局上海台风研究所(Shanghai Typhoon Institute of China Meteorological Administration,简称CMA-STI)热带气旋最佳路径数据、山东省自动气象站逐时降雨量、常规观测资料、中国风云二号地球静止气象卫星(FY-2G)0.1°×0.1°逐小时云顶相当黑体亮温和美国环境预报中心(National Center of Environmental Prediction,简称NCEP)1°×1°逐6 h再分析等资料,主要运用纬向风局地变化方程与大气动能方程,诊断分析降雨明显增幅与高、低层风场变化的关系。结果表明:(1)暴雨主要影响系统有高低空急流、500 hPa西风槽、850 hPa台风倒槽及“利奇马”本体环流等。10日200 hPa中纬度大尺度西南风急流东南移影响鲁西北,当天08:00(北京时,下同)850 hPa因双台风活动而形成的大尺度东南风急流突然北伸越过山东省。台风倒槽对流云与本体环流对流云先、后北移经鲁中,累积效应造成该地区10日夜间雨量最大。(2)10日20:00850 hPa章丘站东北侧出现了过程最快东风增幅,纬向运动方程诊断结果表明,东风平流是东风增加最主要原因,地转偏向力项则不利于东风增加。(3)10日20:00章丘站200 hPa西南风风力明显加大形成急流,10日08:00至11日08:00青岛站850 hPa维持东南风低空急流。同时位于高空急流右后侧与低空急流左前方是鲁中附近10日夜间降雨增幅的重要原因。章丘200 hPa与青岛850 hPa都是在最大风力之前12 h动能增加最快。动能方程诊断表明,最有利于鲁西北高空急流形成的是位能平流项,最有利于鲁东南低空急流形成的是动能垂直通量散度项。(4)10日20:00至13日08:00“利奇马”本体环流一直在影响山东,暴雨期间山东中部地形的动力作用也一直存在,而降雨的峰值是出现在10日夜间,说明10日20:00前后高、低空急流的耦合可能是山东暴雨增幅的主要影响因子。其主要作用至少有加强山东中部的垂直运动、整层水汽输送与静力不稳定度等方面。

关键词：登陆北上台风降水增幅机理高空西南风急流低空东南风急流动能诊断

中国主雨季极端小时降水时空分布和日变化特征

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气象 2024年第4期50卷 393-406页

作者：汪小康崔春光刘柯王晓芳中国气象局武汉暴雨研究所中国气象局流域强降水重点开放实验室/暴雨监测预警湖北省重点实验室武汉430205

基于国家级气象站逐小时降水资料,采用百分位阈值的极端降水定义方法,统计研究了中国1951—2021年4—10月小时降水时空分布和日变化特征。结果表明,中国主雨季极端降水阈值东南大、西北小,存在四个分别位于华南、环渤海、长江中下游和... 详细信息

基于国家级气象站逐小时降水资料,采用百分位阈值的极端降水定义方法,统计研究了中国1951—2021年4—10月小时降水时空分布和日变化特征。结果表明,中国主雨季极端降水阈值东南大、西北小,存在四个分别位于华南、环渤海、长江中下游和四川盆地的大值区,随着极端性增强,北方小时降水阈值的增大较南方更显著,大值中心北移。月尺度上,小时降水的最高频次月份由南向北从5月推迟至8月,华西地区最晚(9—10月),随着极端性增强,最高频次月份由6月、7月推迟到7月、8月,且地区差异减小。日变化特征上,全国范围内小时降水频次占比,呈现午后到夜间的谷峰主循环和后半夜到上午的次循环,且随着极端性增强,主循环振幅增大,次循环峰值减小。不同地理位置看,四川盆地的极端小时降水峰值时刻出现在凌晨,其他三个大值区则与全国平均较为一致,日变化振幅从南到北逐渐减小,西部最大。小时降水峰值时刻具有空间聚集的特征,夜间峰值主要集中在南方沿海和华北、东北,早晨—上午峰值集中在中部、东部、西南和西北部分地区,空间分布中出现的逐渐推迟和突变特征与海陆分布和大地形密切相关。小时降水峰值时刻空间占比与频次占比的日变化特征类似,均有上午峰值平缓、夜间峰值陡峭的特征,这是因为不同站点到达夜间峰值的时刻接近,而到达上午峰值的时刻不同;两者主要区别在随着极端性增强,频次占比夜间主峰值显著增大,而峰值时刻空间占比主峰值几乎不变,这是因为频次的变化主要是由同一些站点上的次数变化导致,而非不同站点之间的差异。

关键词：极端小时降水百分比阈值时空分布日变化

SSIM在高分辨率降水数值预报产品空间检验中的应用

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热带气象学报 2024年第4期40卷 537-546页

作者：陈百炼杨富燕陈子通彭芳曾莉萍贵州省山地气象科学研究所贵州贵阳550002 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 贵州省新气象科技有限责任公司贵州贵阳550002

引入图像结构相似度指数SSIM应用于高分辨率降水数值预报产品的空间检验,通过对SSIM应用场景和算法的适用性改进,提出了适用于0-1化降水格点场空间检验的SSIM应用方法,并针对SSIM指标不能正确反映降水场中雨带位置变化的缺陷进行了改进... 详细信息

引入图像结构相似度指数SSIM应用于高分辨率降水数值预报产品的空间检验,通过对SSIM应用场景和算法的适用性改进,提出了适用于0-1化降水格点场空间检验的SSIM应用方法,并针对SSIM指标不能正确反映降水场中雨带位置变化的缺陷进行了改进,提出了修正的SSIM*指标。应用该新方法选取2020年夏季贵州地区的暴雨个例,对中国气象局/广东省区域数值天气预报重点实验室华南区域中尺度模式输出的高分辨率降水预报产品进行了空间检验,并与采用另外两种检验方法即MODE和邻域法的检验结果进行了比较。结果表明改进的SSIM方法在高分辨率降水数值预报场空间检验中有较好的应用效果,三种方法得到的检验结果在有无预报能力的定性评价上差异不大,而新的SSIM*指标与MODE的MMI指标表现较为接近,且在对个例预报能力的评价上更为合理。该方法以0-1化降水格点场作为空间检验对象,能够得到其它方法所不能得到的降水场整体检验特征和分项检验特征,提供从雨区面积、雨带结构及其平均位置多个方面评估预报性能的参考指标,且计算简单无主观参数设定,得到的检验结果具有唯一确定性,克服了当前MODE方法在应用中的缺点,具有较大的推广应用价值,值得进一步深入研究。

关键词：降水数值预报 0-1化格点场空间检验 SSIM应用

台风灾害输电线路杆塔脆弱性与风险评估:以浙江省为例

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热带地理 2024年第6期44卷 1113-1126页

作者：李颖杨程方伟华姜瑜君王振国浙江省气象科学研究所杭州310008 中国气象科学研究院浙江分院杭州311300 北京师范大学减灾与应急管理研究院北京100875 中国气象科学研究院北京100081 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院杭州310014

台风大风可导致输电线路杆塔断裂倒塌等事故,影响电力系统运行安全,因而台风灾害输电线路杆塔风险评估具有重要意义。以浙江省全域杆塔为例,基于杆塔属性、地理信息及台风灾情资料,提出了一种基于“超额损失”的针对连续型和离散型变量... 详细信息

台风大风可导致输电线路杆塔断裂倒塌等事故,影响电力系统运行安全,因而台风灾害输电线路杆塔风险评估具有重要意义。以浙江省全域杆塔为例,基于杆塔属性、地理信息及台风灾情资料,提出了一种基于“超额损失”的针对连续型和离散型变量的输电线路台风灾害杆塔脆弱性评估模型;利用68 a台风参数风场再分析数据,基于极值理论,建立了台风大风危险性评估模型;基于区域灾害系统理论,通过台风大风、杆塔脆弱性之间耦合分析,建立了台风输电线路杆塔风险评估模型。结果显示:台风大风危险性呈从东南向西北递减态势,随重现期增大呈非线性增大趋势,以20和100 a一遇极大风速为例,浙江省全域风速强度分别为23.5~50.9和32.6~68.9 m/s;台风影响下的杆塔综合脆弱性总体呈南高北低且与地形联系紧密的分布态势,脆弱性高值(>1)区域主要在浙中南和沿海地区;输电线路杆塔风险总体呈南高北低、沿海高内陆低的特点,局部差异性较大。应根据具体线路特点采取差异性较大的抗风策略。

关键词：台风灾害输电线路杆塔脆弱性风险评估浙江省

2021年7月20—22日豫北地区暴雨过程中尺度低涡和垂直运动发展的位涡动力学诊断

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气象学报 2024年第3期82卷 306-318页

作者：刘柯毛江玉汪小康生宸张冠舜任靖中国气象局武汉暴雨研究所中国气象局流域强降水重点开放实验室/暴雨监测预警湖北省重点实验室武汉430205 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室北京100029 中国气象局广州热带海洋气象研究所广州510641

2021年7月17—23日,河南省发生了一次大范围的强降水过程(简称河南“21.7”特大暴雨)。20—22日暴雨中心移至豫北地区,在太行山东侧新乡、鹤壁等地引发了洪涝灾害。基于自动雨量站观测和ERA5再分析数据,利用位涡倾向方程和垂直运动分解... 详细信息

2021年7月17—23日,河南省发生了一次大范围的强降水过程(简称河南“21.7”特大暴雨)。20—22日暴雨中心移至豫北地区,在太行山东侧新乡、鹤壁等地引发了洪涝灾害。基于自动雨量站观测和ERA5再分析数据,利用位涡倾向方程和垂直运动分解方法,对河南“21.7”特大暴雨事件中豫北地区暴雨过程中中尺度低涡及垂直运动发展的热动力学机制进行了诊断分析。结果表明:豫北地区强降水凝结潜热引起的大气非绝热加热,因其垂直分布在低空随高度上升而制造位涡,使得低层大气位涡增强,表明中尺度低涡发展;另外,加深的中尺度低涡又使得等熵面进一步下凹、倾斜坡度增大,从而增强大尺度东南暖湿气流向豫北地区的辐合与抬升,特别是沿等熵面上滑的上升运动分量和与凝结潜热有关的上升运动分量,导致降水进一步加强。由此,中尺度低涡、垂直运动和强降水发展之间形成一定的正反馈,在豫北造成持续性暴雨过程。

关键词：河南暴雨位涡垂直运动非绝热加热中尺度低涡