2025年第53卷第4期文章目次
2025, 53(4):457-467.
DOI: 10.19517/j.1671-6345.20240346
摘要:
測風(fēng)激光雷達具備高時空分辨率和非接觸式測量的能力，對于森林火災(zāi)的防控和救援具有重要意義。然而，現(xiàn)有測風(fēng)激光雷達探測距離難以滿足森林草原火災(zāi)現(xiàn)場對遠距離風(fēng)場監(jiān)測的需求。為此，本文從大功率激光發(fā)射技術(shù)與晴空弱信號算法兩個方面展開研究，提出了大功率激光發(fā)射與噪聲抑制技術(shù)，開發(fā)了基于激光雷達頻譜信號的弱信號風(fēng)速精度優(yōu)化算法，從硬件技術(shù)與數(shù)據(jù)處理兩方面實現(xiàn)了探測距離的綜合提升。研究結(jié)果表明，采用上述技術(shù)和算法后測風(fēng)激光雷達可以實現(xiàn)15 km的大范圍風(fēng)場測量，在12600 m處的數(shù)據(jù)獲取率超過90%；與測風(fēng)塔進行對比，探測精度具有很好的一致性，水平風(fēng)速和風(fēng)向的決定系數(shù)均在0.99以上，風(fēng)速平均偏差在0.05 m/s以下，風(fēng)向平均偏差在2°以下。
測風(fēng)激光雷達具備高時空分辨率和非接觸式測量的能力，對于森林火災(zāi)的防控和救援具有重要意義。然而，現(xiàn)有測風(fēng)激光雷達探測距離難以滿足森林草原火災(zāi)現(xiàn)場對遠距離風(fēng)場監(jiān)測的需求。為此，本文從大功率激光發(fā)射技術(shù)與晴空弱信號算法兩個方面展開研究，提出了大功率激光發(fā)射與噪聲抑制技術(shù)，開發(fā)了基于激光雷達頻譜信號的弱信號風(fēng)速精度優(yōu)化算法，從硬件技術(shù)與數(shù)據(jù)處理兩方面實現(xiàn)了探測距離的綜合提升。研究結(jié)果表明，采用上述技術(shù)和算法后測風(fēng)激光雷達可以實現(xiàn)15 km的大范圍風(fēng)場測量，在12600 m處的數(shù)據(jù)獲取率超過90%；與測風(fēng)塔進行對比，探測精度具有很好的一致性，水平風(fēng)速和風(fēng)向的決定系數(shù)均在0.99以上，風(fēng)速平均偏差在0.05 m/s以下，風(fēng)向平均偏差在2°以下。
2025, 53(4):468-478.
DOI: 10.19517/j.1671-6345.20240339
摘要:
基于深度學(xué)習(xí)的雷達回波外推方法已被廣泛應(yīng)用于具有挑戰(zhàn)性的短臨降水預(yù)報任務(wù)中。然而，現(xiàn)有方法在預(yù)測精度上存在不夠高的問題，而且在處理高分辨率和長時間序列數(shù)據(jù)時，訓(xùn)練速度較慢。為此，本文提出了一種基于稀疏融合注意力的深度學(xué)習(xí)模型——PFA-TransUNet（Probsparse Fusion Attention TransUNet）。該模型是一種編碼器-解碼器架構(gòu)，通過在編碼器路徑中引入多層Transformer，然后將傳統(tǒng)多頭自注意力分解為時空維度計算，從而充分融合時空信息。同時，引入稀疏注意力方法，降低了自注意力計算復(fù)雜度，縮短了訓(xùn)練時間。在河北省雷達數(shù)據(jù)集上的實驗結(jié)果表明，與其他先進的經(jīng)典模型相比，PFA-TransUNet在外推精度，均方根誤差，結(jié)構(gòu)相似性，雷達回波為20、30、40 dBz時的臨界成功指數(shù)，訓(xùn)練速度等多個評價指標上均有所提升，展現(xiàn)出了優(yōu)異的整體性能。
基于深度學(xué)習(xí)的雷達回波外推方法已被廣泛應(yīng)用于具有挑戰(zhàn)性的短臨降水預(yù)報任務(wù)中。然而，現(xiàn)有方法在預(yù)測精度上存在不夠高的問題，而且在處理高分辨率和長時間序列數(shù)據(jù)時，訓(xùn)練速度較慢。為此，本文提出了一種基于稀疏融合注意力的深度學(xué)習(xí)模型——PFA-TransUNet（Probsparse Fusion Attention TransUNet）。該模型是一種編碼器-解碼器架構(gòu)，通過在編碼器路徑中引入多層Transformer，然后將傳統(tǒng)多頭自注意力分解為時空維度計算，從而充分融合時空信息。同時，引入稀疏注意力方法，降低了自注意力計算復(fù)雜度，縮短了訓(xùn)練時間。在河北省雷達數(shù)據(jù)集上的實驗結(jié)果表明，與其他先進的經(jīng)典模型相比，PFA-TransUNet在外推精度，均方根誤差，結(jié)構(gòu)相似性，雷達回波為20、30、40 dBz時的臨界成功指數(shù)，訓(xùn)練速度等多個評價指標上均有所提升，展現(xiàn)出了優(yōu)異的整體性能。
2025, 53(4):479-487.
DOI: 10.19517/j.1671-6345.20240172
摘要:
在北京架設(shè)GNSS接收機和天線，接收GNSS系統(tǒng)的秒級信號，利用軟件進行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，基于北斗導(dǎo)航衛(wèi)星B2b信號發(fā)布的精密單點定位精密星歷，開展了基于精密單點定位的北斗、單GPS和二者融合的實時對流層延遲和大氣可降水量的反演試驗，對比了相應(yīng)的北斗和GPS雙差網(wǎng)解、無線電探空儀和ERA5的對流層延遲和大氣可降水量。結(jié)果顯示：GNSS信號的平均信噪比大于35，多路徑效應(yīng)優(yōu)于0.5 m，能夠進行有效的GNSS觀測和反演。總體上幾種解算方法一致，與雙差網(wǎng)解相比，基于北斗精密單點定位的大氣對流層延遲反演平均偏差為4.5 mm，均方根誤差為9.94 mm，相關(guān)系數(shù)為90%；對應(yīng)解算的大氣可降水量平均偏差為0.35 mm，均方根誤差為1.33 mm，相關(guān)系數(shù)為96%。與無線電探空儀相比，大氣對流層延遲反演平均偏差為5.83 mm，均方根誤差為7.38 mm，相關(guān)系數(shù)為95.07%。對應(yīng)解算的大氣可降水量平均偏差為1.03 mm，均方根誤差為1.72 mm，相關(guān)系數(shù)為94.45%。表明基于BDS反演的天頂總延遲、大氣可降水量反演技術(shù)使得單系統(tǒng)、單點解算成為可能，該方法采用分布式計算策略，避免了以往臺站端需要將解算數(shù)據(jù)回傳至中心站的帶寬和存儲壓力，提升了水汽解算的實時性，能表征水汽的變化趨勢，對關(guān)于水汽的天氣現(xiàn)象和氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警都有重要的意義。
在北京架設(shè)GNSS接收機和天線，接收GNSS系統(tǒng)的秒級信號，利用軟件進行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，基于北斗導(dǎo)航衛(wèi)星B2b信號發(fā)布的精密單點定位精密星歷，開展了基于精密單點定位的北斗、單GPS和二者融合的實時對流層延遲和大氣可降水量的反演試驗，對比了相應(yīng)的北斗和GPS雙差網(wǎng)解、無線電探空儀和ERA5的對流層延遲和大氣可降水量。結(jié)果顯示：GNSS信號的平均信噪比大于35，多路徑效應(yīng)優(yōu)于0.5 m，能夠進行有效的GNSS觀測和反演。總體上幾種解算方法一致，與雙差網(wǎng)解相比，基于北斗精密單點定位的大氣對流層延遲反演平均偏差為4.5 mm，均方根誤差為9.94 mm，相關(guān)系數(shù)為90%；對應(yīng)解算的大氣可降水量平均偏差為0.35 mm，均方根誤差為1.33 mm，相關(guān)系數(shù)為96%。與無線電探空儀相比，大氣對流層延遲反演平均偏差為5.83 mm，均方根誤差為7.38 mm，相關(guān)系數(shù)為95.07%。對應(yīng)解算的大氣可降水量平均偏差為1.03 mm，均方根誤差為1.72 mm，相關(guān)系數(shù)為94.45%。表明基于BDS反演的天頂總延遲、大氣可降水量反演技術(shù)使得單系統(tǒng)、單點解算成為可能，該方法采用分布式計算策略，避免了以往臺站端需要將解算數(shù)據(jù)回傳至中心站的帶寬和存儲壓力，提升了水汽解算的實時性，能表征水汽的變化趨勢，對關(guān)于水汽的天氣現(xiàn)象和氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警都有重要的意義。
2025, 53(4):488-496.
DOI: 10.19517/j.1671-6345.20240324
摘要:
為滿足全球氣象服務(wù)需求，氣象信息化系統(tǒng)工程衛(wèi)星廣播系統(tǒng)進行了全面升級，通過對衛(wèi)星覆蓋范圍、信號強度、轉(zhuǎn)發(fā)器頻率、現(xiàn)有用戶覆蓋度等進行全面比對，對新一代中國氣象局衛(wèi)星廣播系統(tǒng)(CMACast)的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器資源進行了選型，對廣播鏈路進行了計算和分析，并通過實際測試驗證了廣播系統(tǒng)傳輸參數(shù)的設(shè)計正確性。成果應(yīng)用于氣象信息化系統(tǒng)工程衛(wèi)星廣播系統(tǒng)升級建設(shè)中，實現(xiàn)了新一代CMACast對亞太、中東、非洲等“一帶一路”區(qū)域的覆蓋，提升了“一帶一路”區(qū)域氣象服務(wù)信息網(wǎng)絡(luò)支撐能力。
為滿足全球氣象服務(wù)需求，氣象信息化系統(tǒng)工程衛(wèi)星廣播系統(tǒng)進行了全面升級，通過對衛(wèi)星覆蓋范圍、信號強度、轉(zhuǎn)發(fā)器頻率、現(xiàn)有用戶覆蓋度等進行全面比對，對新一代中國氣象局衛(wèi)星廣播系統(tǒng)(CMACast)的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器資源進行了選型，對廣播鏈路進行了計算和分析，并通過實際測試驗證了廣播系統(tǒng)傳輸參數(shù)的設(shè)計正確性。成果應(yīng)用于氣象信息化系統(tǒng)工程衛(wèi)星廣播系統(tǒng)升級建設(shè)中，實現(xiàn)了新一代CMACast對亞太、中東、非洲等“一帶一路”區(qū)域的覆蓋，提升了“一帶一路”區(qū)域氣象服務(wù)信息網(wǎng)絡(luò)支撐能力。
2025, 53(4):497-507.
DOI: 10.19517/j.1671-6345.20240298
摘要:
高分辨率數(shù)值模式在臺風(fēng)預(yù)報業(yè)務(wù)中面臨計算量、預(yù)報時效性、預(yù)報技巧的平衡難題。為了在能保證臺風(fēng)預(yù)報技巧前提下節(jié)約計算機資源、滿足高時效性業(yè)務(wù)要求，將一種自適應(yīng)的臺風(fēng)模擬區(qū)域客觀計算方法與處理同時存在多個臺風(fēng)的技術(shù)相結(jié)合，提出臺風(fēng)有限區(qū)域自適應(yīng)設(shè)置方法。將該方法應(yīng)用于高分辨率CMA-MESO模式建立了一個高分辨率臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)（HRTYM），選取2019年的典型臺風(fēng)利奇馬及2020、2021年的16個重點臺風(fēng)過程開展試驗與對比分析。臺風(fēng)利奇馬的試驗結(jié)果顯示，與9 km分辨率的臺風(fēng)業(yè)務(wù)模式（CMA-TYM）相比，3 km分辨率的HRTYM需要的計算機資源更少，臺風(fēng)路徑預(yù)報誤差減少20.7%～61.0%，暴雨和大暴雨24 h地面降水TS評分明顯提高。2020、2021年的批量試驗結(jié)果顯示HRTYM的臺風(fēng)路徑預(yù)報技巧在27 h后明顯優(yōu)于 CMA-TYM。
高分辨率數(shù)值模式在臺風(fēng)預(yù)報業(yè)務(wù)中面臨計算量、預(yù)報時效性、預(yù)報技巧的平衡難題。為了在能保證臺風(fēng)預(yù)報技巧前提下節(jié)約計算機資源、滿足高時效性業(yè)務(wù)要求，將一種自適應(yīng)的臺風(fēng)模擬區(qū)域客觀計算方法與處理同時存在多個臺風(fēng)的技術(shù)相結(jié)合，提出臺風(fēng)有限區(qū)域自適應(yīng)設(shè)置方法。將該方法應(yīng)用于高分辨率CMA-MESO模式建立了一個高分辨率臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)（HRTYM），選取2019年的典型臺風(fēng)利奇馬及2020、2021年的16個重點臺風(fēng)過程開展試驗與對比分析。臺風(fēng)利奇馬的試驗結(jié)果顯示，與9 km分辨率的臺風(fēng)業(yè)務(wù)模式（CMA-TYM）相比，3 km分辨率的HRTYM需要的計算機資源更少，臺風(fēng)路徑預(yù)報誤差減少20.7%～61.0%，暴雨和大暴雨24 h地面降水TS評分明顯提高。2020、2021年的批量試驗結(jié)果顯示HRTYM的臺風(fēng)路徑預(yù)報技巧在27 h后明顯優(yōu)于 CMA-TYM。
2025, 53(4):508-519.
DOI: 10.19517/j.1671-6345.20240309
摘要:
隨著數(shù)值天氣預(yù)報模式的水平分辨率不斷提高，在對流參數(shù)化方案的“灰色區(qū)域”（1～10 km）內(nèi)，積云不足以被模式網(wǎng)格尺度顯示分辨，以至傳統(tǒng)的積云對流參數(shù)化方案難以較好地適用不同分辨率下對降水的模擬，因此發(fā)展尺度適應(yīng)（Scale-Aware）積云參數(shù)化方案是數(shù)值模式精細化發(fā)展趨勢之一。通過在中國氣象局中尺度天氣數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)（China Meteorological Administration Mesoscale model，CMA-MESO）模式中引入尺度適應(yīng)的KFeta（Kain-Fritsch eta）積云對流參數(shù)化方案，組合3種分辨率（1 km、3 km、10 km）對中國西南山地地區(qū)2023年7月11—12日的一次降水過程進行數(shù)值模擬試驗，并就2023年6月17—23日的降水過程開展為期7 d的批量試驗。結(jié)果表明：①在個例試驗中，尺度適應(yīng)方案對于降水雨帶和降水強度模擬較好，強降水中心的模擬有一定優(yōu)勢，隨分辨率提高尺度適應(yīng)組的降水強度和落區(qū)更接近實況，極大程度減少了由積云引起的虛假性降水，提高了網(wǎng)格降水量。②應(yīng)用尺度適應(yīng)方案后的模擬結(jié)果顯示強對流區(qū)域的組合反射率因子、垂直速度模擬結(jié)果更優(yōu)。③批量試驗中，在西南山地地區(qū)尺度適應(yīng)方案的降水模擬結(jié)果較穩(wěn)定，尤其在中雨及以上量級模擬結(jié)果優(yōu)勢較強，相比原方案其降水TS評分整體提高了4%。總體而言，尺度適應(yīng)方案對西南山地地區(qū)強降水預(yù)報性能較好，為改進現(xiàn)行數(shù)值模式強降水預(yù)報提供了一定依據(jù)。
隨著數(shù)值天氣預(yù)報模式的水平分辨率不斷提高，在對流參數(shù)化方案的“灰色區(qū)域”（1～10 km）內(nèi)，積云不足以被模式網(wǎng)格尺度顯示分辨，以至傳統(tǒng)的積云對流參數(shù)化方案難以較好地適用不同分辨率下對降水的模擬，因此發(fā)展尺度適應(yīng)（Scale-Aware）積云參數(shù)化方案是數(shù)值模式精細化發(fā)展趨勢之一。通過在中國氣象局中尺度天氣數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)（China Meteorological Administration Mesoscale model，CMA-MESO）模式中引入尺度適應(yīng)的KFeta（Kain-Fritsch eta）積云對流參數(shù)化方案，組合3種分辨率（1 km、3 km、10 km）對中國西南山地地區(qū)2023年7月11—12日的一次降水過程進行數(shù)值模擬試驗，并就2023年6月17—23日的降水過程開展為期7 d的批量試驗。結(jié)果表明：①在個例試驗中，尺度適應(yīng)方案對于降水雨帶和降水強度模擬較好，強降水中心的模擬有一定優(yōu)勢，隨分辨率提高尺度適應(yīng)組的降水強度和落區(qū)更接近實況，極大程度減少了由積云引起的虛假性降水，提高了網(wǎng)格降水量。②應(yīng)用尺度適應(yīng)方案后的模擬結(jié)果顯示強對流區(qū)域的組合反射率因子、垂直速度模擬結(jié)果更優(yōu)。③批量試驗中，在西南山地地區(qū)尺度適應(yīng)方案的降水模擬結(jié)果較穩(wěn)定，尤其在中雨及以上量級模擬結(jié)果優(yōu)勢較強，相比原方案其降水TS評分整體提高了4%。總體而言，尺度適應(yīng)方案對西南山地地區(qū)強降水預(yù)報性能較好，為改進現(xiàn)行數(shù)值模式強降水預(yù)報提供了一定依據(jù)。
2025, 53(4):520-534.
DOI: 10.19517/j.1671-6345.20240361
摘要:
本文利用美國聯(lián)合臺風(fēng)警報中心、日本氣象廳東京區(qū)域?qū)I(yè)氣象中心和中國氣象局上海臺風(fēng)研究所整編的熱帶氣旋（Tropical Cyclone，TC）最佳路徑數(shù)據(jù)集、NCEP大氣再分析資料和相關(guān)分析等方法，研究了1989—2020年夏季（7—9月）和秋季（10—11月）西北太平洋（Western North Pacific，WNP）TC強度和頻次在不同季節(jié)不同區(qū)域的基本特征及其與局地環(huán)境因子的關(guān)系，結(jié)果表明：①夏季W(wǎng)NP三個區(qū)域（Ⅰ區(qū)：10°～25°N，110°E～145°；Ⅱ區(qū)：10°～25°N，145°E～180°；Ⅲ區(qū)：25°～37.5°N，125°E～180°）TC總頻次為10164次；秋季W(wǎng)NP 3個區(qū)域（Ⅰ區(qū)：5°～17.5°N，110°E～180°；Ⅱ區(qū)：17.5°～35°N，142.5°E～180°；Ⅲ區(qū)：17.5°～35°N，120°～142.5°E）TC總頻次為4984次，夏季TC活動高于秋季。②夏、秋兩季TC活動與850 hPa相對渦度（RVOR）有顯著的相關(guān)關(guān)系（秋季Ⅱ區(qū)除外），除了低層RVOR，夏季Ⅰ區(qū)TC頻次與500 hPa垂直速度（OMEGA）和700～500 hPa相對濕度（RHUM）有關(guān)；Ⅱ區(qū)TC強度與700～500 hPa RHUM、500 hPa OMEGA和風(fēng)垂直切變（VWS）有關(guān)，Ⅱ區(qū)TC頻次與500 hPa OMEGA和VWS有關(guān)。秋季Ⅰ區(qū)TC頻次與500 hPa OMEGA有關(guān)。無論夏季與秋季，TC活動與海洋因子均表現(xiàn)為不顯著的相關(guān)或顯著的負相關(guān)關(guān)系，不同區(qū)域影響TC活動的局地環(huán)境因子有所不同，與季節(jié)和區(qū)域劃分有關(guān)，具有復(fù)雜性。③強季風(fēng)槽可通過低層大的Rvor、中層上升運動及高濕影響夏、秋季I區(qū)TC活動；Nino3.4區(qū)海溫變暖可使夏季Ⅱ區(qū)850 hPa 出現(xiàn)異常偏西風(fēng)，導(dǎo)致低層Rvor增大；200 hPa出現(xiàn)異常反氣旋環(huán)流，導(dǎo)致Vws減弱；低層大的Rvor配合高層反氣旋環(huán)流使中層上升運動和水汽輻合增加，進而影響該區(qū)TC活動。當WNP副高西伸（東縮）加強（減弱）時，會引起局地負（正）渦度異常從而導(dǎo)致移入夏季Ⅲ區(qū)的TC頻次減少（增多），當中層引導(dǎo)氣流加強時會導(dǎo)致更多的強TC移入該區(qū)；兩個高壓之間的相對低壓區(qū)輻合有利于低層Rvor增大，進而影響秋季Ⅲ區(qū)TC活動。
本文利用美國聯(lián)合臺風(fēng)警報中心、日本氣象廳東京區(qū)域?qū)I(yè)氣象中心和中國氣象局上海臺風(fēng)研究所整編的熱帶氣旋（Tropical Cyclone，TC）最佳路徑數(shù)據(jù)集、NCEP大氣再分析資料和相關(guān)分析等方法，研究了1989—2020年夏季（7—9月）和秋季（10—11月）西北太平洋（Western North Pacific，WNP）TC強度和頻次在不同季節(jié)不同區(qū)域的基本特征及其與局地環(huán)境因子的關(guān)系，結(jié)果表明：①夏季W(wǎng)NP三個區(qū)域（Ⅰ區(qū)：10°～25°N，110°E～145°；Ⅱ區(qū)：10°～25°N，145°E～180°；Ⅲ區(qū)：25°～37.5°N，125°E～180°）TC總頻次為10164次；秋季W(wǎng)NP 3個區(qū)域（Ⅰ區(qū)：5°～17.5°N，110°E～180°；Ⅱ區(qū)：17.5°～35°N，142.5°E～180°；Ⅲ區(qū)：17.5°～35°N，120°～142.5°E）TC總頻次為4984次，夏季TC活動高于秋季。②夏、秋兩季TC活動與850 hPa相對渦度（RVOR）有顯著的相關(guān)關(guān)系（秋季Ⅱ區(qū)除外），除了低層RVOR，夏季Ⅰ區(qū)TC頻次與500 hPa垂直速度（OMEGA）和700～500 hPa相對濕度（RHUM）有關(guān)；Ⅱ區(qū)TC強度與700～500 hPa RHUM、500 hPa OMEGA和風(fēng)垂直切變（VWS）有關(guān)，Ⅱ區(qū)TC頻次與500 hPa OMEGA和VWS有關(guān)。秋季Ⅰ區(qū)TC頻次與500 hPa OMEGA有關(guān)。無論夏季與秋季，TC活動與海洋因子均表現(xiàn)為不顯著的相關(guān)或顯著的負相關(guān)關(guān)系，不同區(qū)域影響TC活動的局地環(huán)境因子有所不同，與季節(jié)和區(qū)域劃分有關(guān)，具有復(fù)雜性。③強季風(fēng)槽可通過低層大的Rvor、中層上升運動及高濕影響夏、秋季I區(qū)TC活動；Nino3.4區(qū)海溫變暖可使夏季Ⅱ區(qū)850 hPa 出現(xiàn)異常偏西風(fēng)，導(dǎo)致低層Rvor增大；200 hPa出現(xiàn)異常反氣旋環(huán)流，導(dǎo)致Vws減弱；低層大的Rvor配合高層反氣旋環(huán)流使中層上升運動和水汽輻合增加，進而影響該區(qū)TC活動。當WNP副高西伸（東縮）加強（減弱）時，會引起局地負（正）渦度異常從而導(dǎo)致移入夏季Ⅲ區(qū)的TC頻次減少（增多），當中層引導(dǎo)氣流加強時會導(dǎo)致更多的強TC移入該區(qū)；兩個高壓之間的相對低壓區(qū)輻合有利于低層Rvor增大，進而影響秋季Ⅲ區(qū)TC活動。
2025, 53(4):535-544.
DOI: 10.19517/j.1671-6345.20240350
摘要:
大氣季節(jié)內(nèi)振蕩（ISO）特征研究對揭示次季節(jié)尺度天氣氣候演變機理及提升次季節(jié)預(yù)測能力具有重要科學(xué)意義。基于1980—2022年山西省108個國家氣象觀測站日降水資料和NCEP/NCAR再分析資料，對山西省夏季降水和大氣環(huán)流典型ISO時空演變的氣候特征進行了分析。結(jié)果表明：①山西省夏季降水具有顯著的10～50 d ISO特征，降水ISO強度與降水量呈顯著正相關(guān)，二者均在21世紀以后呈上升趨勢；降水ISO存在明顯的空間差異，降水量越大的區(qū)域ISO越強，山西省南部和東、西部山區(qū)ISO最為活躍。②利用位相合成方法，分析山西省夏季兩個具有典型ISO特征的降水及對應(yīng)的水汽輸送循環(huán)過程，ISO降水的演變與整層水汽輸送的ISO密切相關(guān)，副熱帶西太平洋低頻反氣旋水汽輸送的增強（減弱）和西進北抬（東撤南移）對降水ISO的循環(huán)起到重要作用，西太平洋低頻反氣旋西側(cè)異常東南氣流向西偏北方向的水汽輸送發(fā)展移動至山西上空，山西降水進入ISO最為活躍的位相。
大氣季節(jié)內(nèi)振蕩（ISO）特征研究對揭示次季節(jié)尺度天氣氣候演變機理及提升次季節(jié)預(yù)測能力具有重要科學(xué)意義。基于1980—2022年山西省108個國家氣象觀測站日降水資料和NCEP/NCAR再分析資料，對山西省夏季降水和大氣環(huán)流典型ISO時空演變的氣候特征進行了分析。結(jié)果表明：①山西省夏季降水具有顯著的10～50 d ISO特征，降水ISO強度與降水量呈顯著正相關(guān)，二者均在21世紀以后呈上升趨勢；降水ISO存在明顯的空間差異，降水量越大的區(qū)域ISO越強，山西省南部和東、西部山區(qū)ISO最為活躍。②利用位相合成方法，分析山西省夏季兩個具有典型ISO特征的降水及對應(yīng)的水汽輸送循環(huán)過程，ISO降水的演變與整層水汽輸送的ISO密切相關(guān)，副熱帶西太平洋低頻反氣旋水汽輸送的增強（減弱）和西進北抬（東撤南移）對降水ISO的循環(huán)起到重要作用，西太平洋低頻反氣旋西側(cè)異常東南氣流向西偏北方向的水汽輸送發(fā)展移動至山西上空，山西降水進入ISO最為活躍的位相。
2025, 53(4):545-556.
DOI: 10.19517/j.1671-6345.20250023
摘要:
采用1951—2022年國家基本氣象站觀測、歐洲中期天氣預(yù)報中心（ECMWF）再分析等資料，研究分析了溫州臺風(fēng)日極端降雨特征及預(yù)報著眼點，結(jié)果表明：造成日極端降雨的臺風(fēng)皆為登陸臺風(fēng)，可分為東北-浙南型、東北-粵東型、中間型和西南型。850 hPa渦度達到8×10-5/s及以上，對日極端降雨預(yù)報有較好的指示意義。低層水汽輻合輸送、850～925 hPa間垂直水汽通量梯度的強度差異以及不同類型低空急流，與日極端降雨強度有較好的對應(yīng)關(guān)系。30 g/(s·hPa·cm)以上水汽通量大值區(qū)輸送西邊界及-(4～2)×10-6 g/(cm2·hPa·s)以下強水汽輻合中心位置的差異，對應(yīng)了強降雨落區(qū)上的差異。-0.8 Pa/s以下的垂直上升區(qū)發(fā)展高度及強度差異，與強降雨落區(qū)和強度差異相對應(yīng)；低層散度分布能更好地解釋垂直上升運動特征；東部沿海海陸地形差異以及西部山地地形作用，維持和加強了上升運動。中低層差動假相當位溫平流強度差異，與降雨強度差異有所對應(yīng)；冷空氣在東北-粵東型、中間型和西南型強降雨事件有一定增幅影響。
采用1951—2022年國家基本氣象站觀測、歐洲中期天氣預(yù)報中心（ECMWF）再分析等資料，研究分析了溫州臺風(fēng)日極端降雨特征及預(yù)報著眼點，結(jié)果表明：造成日極端降雨的臺風(fēng)皆為登陸臺風(fēng)，可分為東北-浙南型、東北-粵東型、中間型和西南型。850 hPa渦度達到8×10-5/s及以上，對日極端降雨預(yù)報有較好的指示意義。低層水汽輻合輸送、850～925 hPa間垂直水汽通量梯度的強度差異以及不同類型低空急流，與日極端降雨強度有較好的對應(yīng)關(guān)系。30 g/(s·hPa·cm)以上水汽通量大值區(qū)輸送西邊界及-(4～2)×10-6 g/(cm2·hPa·s)以下強水汽輻合中心位置的差異，對應(yīng)了強降雨落區(qū)上的差異。-0.8 Pa/s以下的垂直上升區(qū)發(fā)展高度及強度差異，與強降雨落區(qū)和強度差異相對應(yīng)；低層散度分布能更好地解釋垂直上升運動特征；東部沿海海陸地形差異以及西部山地地形作用，維持和加強了上升運動。中低層差動假相當位溫平流強度差異，與降雨強度差異有所對應(yīng)；冷空氣在東北-粵東型、中間型和西南型強降雨事件有一定增幅影響。
2025, 53(4):557-571.
DOI: 10.19517/j.1671-6345.20240265
摘要:
對流觸發(fā)直接影響強對流天氣的短臨預(yù)警，其發(fā)生機制復(fù)雜，地域性強。本文針對2023年5月17日太行山東麓喇叭口地形觸發(fā)的極端強對流天氣，利用多源高分辨率觀測數(shù)據(jù)和ERA5再分析資料，結(jié)合相似個例，探究此類對流觸發(fā)特點和山地作用。結(jié)果表明：極端強對流發(fā)生在500 hPa淺槽攜帶弱冷空氣自中層入侵地面熱低壓的不穩(wěn)定層結(jié)下，由太行山東麓喇叭口地形400 m高度上觸發(fā)的γ中尺度對流單體演變?yōu)槌墕误w風(fēng)暴造成。在氣溫持續(xù)偏高和弱垂直風(fēng)切變環(huán)境下，對流單體在850 hPa以下溫度鋒暖區(qū)一側(cè)的王快水庫附近觸發(fā)，初生地南北兩側(cè)溫差達3～4 ℃，水汽接近飽和。鋒前東南風(fēng)與偏北風(fēng)輻合線自地面伸至850 hPa，偏東風(fēng)厚度約1 km，最大風(fēng)速6～8 m·s-1,位于0.5 km附近。對流單體觸發(fā)前，太行山東麓200～600 m山坡上新生帶狀對流積云，與山體走向一致，這與邊界層輻合線及山地?zé)崃娖扔嘘P(guān)，對流在輻合線靠近山體一側(cè)觸發(fā)。Froude（Fr）數(shù)和地形渦度、地形散度定量表征地形抬升作用，Fr數(shù)自山地向平原減小，對流單體觸發(fā)地400 m高度處Fr數(shù)最大，對流觸發(fā)前，Fr數(shù)持續(xù)增大至1左右，氣流爬坡作用增強，氣旋式地形渦度和地形散度水平輻合增強，指示對流單體觸發(fā)。
對流觸發(fā)直接影響強對流天氣的短臨預(yù)警，其發(fā)生機制復(fù)雜，地域性強。本文針對2023年5月17日太行山東麓喇叭口地形觸發(fā)的極端強對流天氣，利用多源高分辨率觀測數(shù)據(jù)和ERA5再分析資料，結(jié)合相似個例，探究此類對流觸發(fā)特點和山地作用。結(jié)果表明：極端強對流發(fā)生在500 hPa淺槽攜帶弱冷空氣自中層入侵地面熱低壓的不穩(wěn)定層結(jié)下，由太行山東麓喇叭口地形400 m高度上觸發(fā)的γ中尺度對流單體演變?yōu)槌墕误w風(fēng)暴造成。在氣溫持續(xù)偏高和弱垂直風(fēng)切變環(huán)境下，對流單體在850 hPa以下溫度鋒暖區(qū)一側(cè)的王快水庫附近觸發(fā)，初生地南北兩側(cè)溫差達3～4 ℃，水汽接近飽和。鋒前東南風(fēng)與偏北風(fēng)輻合線自地面伸至850 hPa，偏東風(fēng)厚度約1 km，最大風(fēng)速6～8 m·s-1,位于0.5 km附近。對流單體觸發(fā)前，太行山東麓200～600 m山坡上新生帶狀對流積云，與山體走向一致，這與邊界層輻合線及山地?zé)崃娖扔嘘P(guān)，對流在輻合線靠近山體一側(cè)觸發(fā)。Froude（Fr）數(shù)和地形渦度、地形散度定量表征地形抬升作用，Fr數(shù)自山地向平原減小，對流單體觸發(fā)地400 m高度處Fr數(shù)最大，對流觸發(fā)前，Fr數(shù)持續(xù)增大至1左右，氣流爬坡作用增強，氣旋式地形渦度和地形散度水平輻合增強，指示對流單體觸發(fā)。
2025, 53(4):572-584.
DOI: 10.19517/j.1671-6345.20240281
摘要:
利用常規(guī)地面和高空氣象觀測資料、ERA5逐小時再分析資料和雷達資料，對山東一次低渦暖區(qū)暴雨的水汽條件和大氣不穩(wěn)定、鋒生特征等分析。結(jié)果表明：本次低渦暖區(qū)降水主要出現(xiàn)在暖切變線南部低空急流帶中，低空急流為降水提供了充足的水汽條件，其北端有水汽通量輻合大值區(qū)，對強降水有較好的指示意義。降水開始時，中低空有較強的大氣對流不穩(wěn)定，上升運動呈垂直對流特征；最強降水時段，上升運動由對流和對稱不穩(wěn)定共同造成，對稱不穩(wěn)定占主導(dǎo)地位，上升運動呈垂直和傾斜對流混合特征。過程伴有明顯的鋒生，鋒生區(qū)內(nèi)有較強的地轉(zhuǎn)偏差輻合，為降水的觸發(fā)和增強提供動力抬升條件。鋒生函數(shù)中散度項和變形項為同量級，散度項是本次過程鋒生的主要因子，其通過觸發(fā)降水和影響積云降水回波分布形態(tài)，形成沿引導(dǎo)氣流分布的中尺度對流雨帶，中尺度對流雨帶沿引導(dǎo)氣流移動形成“列車效應(yīng)”，造成強降水。
利用常規(guī)地面和高空氣象觀測資料、ERA5逐小時再分析資料和雷達資料，對山東一次低渦暖區(qū)暴雨的水汽條件和大氣不穩(wěn)定、鋒生特征等分析。結(jié)果表明：本次低渦暖區(qū)降水主要出現(xiàn)在暖切變線南部低空急流帶中，低空急流為降水提供了充足的水汽條件，其北端有水汽通量輻合大值區(qū)，對強降水有較好的指示意義。降水開始時，中低空有較強的大氣對流不穩(wěn)定，上升運動呈垂直對流特征；最強降水時段，上升運動由對流和對稱不穩(wěn)定共同造成，對稱不穩(wěn)定占主導(dǎo)地位，上升運動呈垂直和傾斜對流混合特征。過程伴有明顯的鋒生，鋒生區(qū)內(nèi)有較強的地轉(zhuǎn)偏差輻合，為降水的觸發(fā)和增強提供動力抬升條件。鋒生函數(shù)中散度項和變形項為同量級，散度項是本次過程鋒生的主要因子，其通過觸發(fā)降水和影響積云降水回波分布形態(tài)，形成沿引導(dǎo)氣流分布的中尺度對流雨帶，中尺度對流雨帶沿引導(dǎo)氣流移動形成“列車效應(yīng)”，造成強降水。
2025, 53(4):585-594.
DOI: 10.19517/j.1671-6345.20240276
摘要:
基于沈陽X波段雙偏振相控陣雷達（XPAR-D）、S波段雷達（CINRAD/SC）和地面分鐘降水資料，對2023年9月18日沈陽一次短時強降水過程進行了分析。結(jié)果表明：XPAR-D對比觀測結(jié)果更細膩，弱（遠距離）回波探測能力較弱；SC雷達對比觀測結(jié)果覆蓋面積更大、結(jié)構(gòu)更完整；受電磁衰減影響較小區(qū)域，XPAR-D和SC雷達反射率因子、徑向速度結(jié)構(gòu)和強度探測能力基本相當，前者強回波、后者風(fēng)速大值區(qū)面積更廣。較強回波快速發(fā)展并維持、較大組合反射率CR與差分反射率ZDR值及差分相移率KDP激增且維持，共同造成本次短時強降水。降水開始前往往出現(xiàn)ZDR大值，CR迅速增長和ZDR異常偏高對降水開始有較好指示性；降水開始后CR與ZDR對應(yīng)關(guān)系良好，較好地指示強降水持續(xù)時間和變化趨勢；KDP激增可預(yù)警分鐘雨量大值，KDP值較直觀地反應(yīng)分鐘降水強度。短時強降水過程中ZDR柱位于上升氣流左側(cè)，與弱回波區(qū)位置對應(yīng)較好，與KDP柱出現(xiàn)分離現(xiàn)象；KDP大值帶、KDP柱分別對應(yīng)強回波和地面強降水中心。此次過程雖未達到中氣旋標準，但弱渦旋也有增強降水的可能。
基于沈陽X波段雙偏振相控陣雷達（XPAR-D）、S波段雷達（CINRAD/SC）和地面分鐘降水資料，對2023年9月18日沈陽一次短時強降水過程進行了分析。結(jié)果表明：XPAR-D對比觀測結(jié)果更細膩，弱（遠距離）回波探測能力較弱；SC雷達對比觀測結(jié)果覆蓋面積更大、結(jié)構(gòu)更完整；受電磁衰減影響較小區(qū)域，XPAR-D和SC雷達反射率因子、徑向速度結(jié)構(gòu)和強度探測能力基本相當，前者強回波、后者風(fēng)速大值區(qū)面積更廣。較強回波快速發(fā)展并維持、較大組合反射率CR與差分反射率ZDR值及差分相移率KDP激增且維持，共同造成本次短時強降水。降水開始前往往出現(xiàn)ZDR大值，CR迅速增長和ZDR異常偏高對降水開始有較好指示性；降水開始后CR與ZDR對應(yīng)關(guān)系良好，較好地指示強降水持續(xù)時間和變化趨勢；KDP激增可預(yù)警分鐘雨量大值，KDP值較直觀地反應(yīng)分鐘降水強度。短時強降水過程中ZDR柱位于上升氣流左側(cè)，與弱回波區(qū)位置對應(yīng)較好，與KDP柱出現(xiàn)分離現(xiàn)象；KDP大值帶、KDP柱分別對應(yīng)強回波和地面強降水中心。此次過程雖未達到中氣旋標準，但弱渦旋也有增強降水的可能。
2025, 53(4):595-605.
DOI: 10.19517/j.1671-6345.20240337
摘要:
為加深中國東西部地區(qū)閃電形成機理的認識，進而為東西部地區(qū)閃電預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)提供差異化的經(jīng)驗和借鑒。采用閃電定位儀、天氣雷達組網(wǎng)拼圖產(chǎn)品和實況探空等多源觀測，對上海和喀什閃電的時空分布特征及其對應(yīng)的雷達三維特征進行了統(tǒng)計分析，并探索導(dǎo)致東西部地區(qū)閃電回波特征差異的成因。結(jié)果顯示：上海和喀什閃電集中在5—9月，高發(fā)于午后至傍晚，同時喀什閃電與地形密切相關(guān)，具有夜發(fā)性。上海平均閃電回擊密度明顯高于喀什，平均閃電回擊密度比約為732.1∶1。上海地區(qū)閃電對應(yīng)回波單體的組合反射率因子強度、回波頂高和垂直液態(tài)水含量高于喀什地區(qū)；上海地區(qū)閃電對應(yīng)回波單體在垂直結(jié)構(gòu)上的伸展高度明顯高于喀什地區(qū)，其中30 dBz，35 dBz和40 dBz回波分別超過-20 ℃層，-10 ℃層和0 ℃層高度對上海閃電的預(yù)報預(yù)警具備較大指示意義，而回波頂高超過-10 ℃層和30 dBz回波高度達到0 ℃層對喀什閃電預(yù)警業(yè)務(wù)指導(dǎo)性更強。兩地閃電活動和雷達特征的差異主要是動力和水汽共同造成。
為加深中國東西部地區(qū)閃電形成機理的認識，進而為東西部地區(qū)閃電預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)提供差異化的經(jīng)驗和借鑒。采用閃電定位儀、天氣雷達組網(wǎng)拼圖產(chǎn)品和實況探空等多源觀測，對上海和喀什閃電的時空分布特征及其對應(yīng)的雷達三維特征進行了統(tǒng)計分析，并探索導(dǎo)致東西部地區(qū)閃電回波特征差異的成因。結(jié)果顯示：上海和喀什閃電集中在5—9月，高發(fā)于午后至傍晚，同時喀什閃電與地形密切相關(guān)，具有夜發(fā)性。上海平均閃電回擊密度明顯高于喀什，平均閃電回擊密度比約為732.1∶1。上海地區(qū)閃電對應(yīng)回波單體的組合反射率因子強度、回波頂高和垂直液態(tài)水含量高于喀什地區(qū)；上海地區(qū)閃電對應(yīng)回波單體在垂直結(jié)構(gòu)上的伸展高度明顯高于喀什地區(qū)，其中30 dBz，35 dBz和40 dBz回波分別超過-20 ℃層，-10 ℃層和0 ℃層高度對上海閃電的預(yù)報預(yù)警具備較大指示意義，而回波頂高超過-10 ℃層和30 dBz回波高度達到0 ℃層對喀什閃電預(yù)警業(yè)務(wù)指導(dǎo)性更強。兩地閃電活動和雷達特征的差異主要是動力和水汽共同造成。
2025, 53(4):606-616.
DOI: 10.19517/j.1671-6345.20240270
摘要:
利用2016—2023年包茂高速湘西州段沿線的氣象站點降水資料，在統(tǒng)計分析高速公路沿線降水時空分布特征的基礎(chǔ)上，綜合降水數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)和道路數(shù)據(jù)，從降水因子、地形環(huán)境因子和道路因子3個方面建立了高速公路邊坡滑坡風(fēng)險等級評價指標體系，并通過層次分析法計算各路段的綜合風(fēng)險指數(shù)，以完成對包茂高速湘西州段邊坡滑坡風(fēng)險等級區(qū)劃的研究。結(jié)果表明：①高速公路年均降水量空間分布呈現(xiàn)南高北低，降水集中在4—9月，6月最高；②高速沿線各站點暴雨及以上等級降水年均天數(shù)為4.5 d，平均強度為77.7 mm/d，短時強降水分布差異大，最大為80 mm/h，最小為46 mm/h，降水峰值出現(xiàn)在午后和傍晚以后，夜雨特點明顯；③高速公路沿線邊坡滑坡風(fēng)險劃分為高、較高、中、低4個等級，整體風(fēng)險呈北部高于南部，滑坡高風(fēng)險區(qū)和較高風(fēng)險區(qū)分布在邊城、龍勁坳、麻栗場和吉信等路段。該研究結(jié)果對包茂高速湘西州段邊坡滑坡災(zāi)害事故預(yù)防具有一定指導(dǎo)意義。
利用2016—2023年包茂高速湘西州段沿線的氣象站點降水資料，在統(tǒng)計分析高速公路沿線降水時空分布特征的基礎(chǔ)上，綜合降水數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)和道路數(shù)據(jù)，從降水因子、地形環(huán)境因子和道路因子3個方面建立了高速公路邊坡滑坡風(fēng)險等級評價指標體系，并通過層次分析法計算各路段的綜合風(fēng)險指數(shù)，以完成對包茂高速湘西州段邊坡滑坡風(fēng)險等級區(qū)劃的研究。結(jié)果表明：①高速公路年均降水量空間分布呈現(xiàn)南高北低，降水集中在4—9月，6月最高；②高速沿線各站點暴雨及以上等級降水年均天數(shù)為4.5 d，平均強度為77.7 mm/d，短時強降水分布差異大，最大為80 mm/h，最小為46 mm/h，降水峰值出現(xiàn)在午后和傍晚以后，夜雨特點明顯；③高速公路沿線邊坡滑坡風(fēng)險劃分為高、較高、中、低4個等級，整體風(fēng)險呈北部高于南部，滑坡高風(fēng)險區(qū)和較高風(fēng)險區(qū)分布在邊城、龍勁坳、麻栗場和吉信等路段。該研究結(jié)果對包茂高速湘西州段邊坡滑坡災(zāi)害事故預(yù)防具有一定指導(dǎo)意義。
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