摘要:

摘要:

摘要:近年来,城市气候变化问题引起高度关注。综合IPCC第一工作组第六次评估报告(IPCC AR6)关于气候变暖背景下城市对极端天气气候事件影响的评估,本文得到以下科学认识:城市化加剧了局部气候变暖,全球许多城市都面临更多更强的高温热浪事件;城市化使得诸多城市区域及其下风向极端降水增加,地表径流加强;沿海城市受到日益加剧的与海平面上升有关的复合型洪水的影响;城市污染物排放和不利通风的建筑结构加剧了区域污染,同时增加了地表的臭氧含量。预计未来城市极端高温、极端降水及有关洪水事件将更为频发,空气污染形势更为严峻,气候变化风险进一步加大。中国城镇化进程迅速,需要进一步加强气候变化背景下城市极端事件的观测、形成机理和数值模拟研究,以提升城市极端事件风险认识水平和应对能力。

摘要:研究夏季7—8月巴伦支海海冰和秋季9—11月中国西南地区干旱的年际变化的联系,并探讨了其可能机制。结果表明:1979—1997年夏季巴伦支海海冰和秋季中国西南地区干旱在年际尺度上相关不显著,但到1998—2019年,海冰和干旱指数的相关系数增长至-0.69,置信水平达到99%。当夏季7—8月巴伦支海海冰增多时,有利于秋季9—11月中国西南地区发生干旱;当夏季7—8月巴伦支海海冰减少时,则反之。进一步分析其原因可知:1998—2019年,当夏季巴伦支海海冰异常偏多时,海冰异常可以持续到秋季,导致巴伦支海表面湍流热通量负异常,新地岛以西地区的大气变得更加稳定,激发了异常下沉运动。通过异常经向环流作用,进一步促进地中海附近出现上升运动。由此产生的地中海北部对流层高层300 hPa异常辐散风激发了罗斯贝波,波列沿着55°N向东传播,在贝加尔湖地区向南传播至中国北部和西南地区,导致中国西南和华东地区上空出现异常高压,这有利于中国西南地区降水减少、温度升高,进而导致干旱发生。此外,相比于1979—1997年,1998—2019年夏季巴伦支海海冰更大的年际变率可能是导致二者联系加强的一个重要原因。

摘要:能见度监测是交通出行安全的重要保障,尤其对机场和高速公路的大范围低能见度的监测和预警更为重要。在传统人工目测方法的基础上,以激光透射能见度仪为代表的仪器测量方法更为准确,但存在探测范围小、维护成本高、全覆盖耗资大的局限性。为了克服以上缺陷,使交通能见度的估计更为灵活、高效,本文基于机场气象站点观测数据、机场大雾以及高速公路低能见度图像,构建优化三种不同场景下的能见度估计模型,并探讨了不同模型的适用性。1)基于气象站点观测的能见度估计,运用相关系数矩阵和特征重要性分析筛选出相对湿度、温度、水平风速3个变量,并考虑昼夜分别构建三元三次多项式拟合模型,模型的决定系数(R²)可达0.9以上;2)基于机场大雾图像的能见度估计深度学习模型,利用尺度不变特征变换方法提取图像关键点的特征向量,输入全连接神经网络(fully connected neural network)模型,加快训练过程并提高模型的可解释性;3)基于高速公路图像的能见度估计的反演模型,根据暗通道先验理论和能见度测量基本方程,计算大气光亮度和透射率,并根据图像距离信息得到单目图像的能见度,该方法无须预置目标物和像机参数,也不需要训练样本。本研究考虑了基于气象观测的物理模型与基于图像特征的深度学习方法,建立分别适用于具有机场常规气象观测,以及机场大雾低信噪比图像或高速公路低能见度单目图像时对交通能见度的估计,有效降低了能见度监测对观测仪器的依赖性。

摘要:利用湖南97个国家站的逐月降水资料、国家气候中心130项气候指数集以及国家气候中心和美国国家环境预报中心两套季节预测模式的降水预测资料,采用递归特征消除法确定预测因子并使用多层前馈神经网络、支持向量回归和自然梯度提升三种算法建立了两种湖南夏季降水统计预测方案的模型,检验了预测效果。结果表明:基于机器学习的预测模型对湖南夏季雨型分布有较好的预测能力,两种统计方案提前1～6 mon起报的夏季降水平均距平相关系数分别为0.15和0.19,相比于NCEP和NCC模式有较大提升,平均PS评分分别为69.3和69.2,高于NCC模式的63.1,略低于NCEP模式的71.5;进一步分析表明,3—5月起报的机器学习模型的预测技巧可能来源于前冬极地和中高纬环流,12—2月起报的模型预测技巧则可能来自海温的前兆信号。

摘要:以VGG16为基准模型,融合批归一化处理、全局平均池化和联合损失函数,提出了一种基于卷积神经网络的高速公路雾天能见度等级分类方法。实验结果表明,改进后的神经网络模型的平均识别正确率达83.9%,相较于其他几种模型具有较高的正确率和较好的收敛性。将模型封装入业务系统后进行业务化检验,其平均识别正确率可达84.9%,且白天识别效果要优于夜间。通过系统监测到2019年4月4日京沪高速发生了一次团雾动态生消过程。该次团雾过程具有移动快、范围小、生存时间短的特征。系统的应用能够为交通管理部门应对团雾发生时的智能管控和决策调度提供技术支持。

摘要:长江流域(Yangtze River Basin,YZRB)是中国降水集中地。在气候变暖背景下,短时强降水(Short-Duration Heavy Rainfall,SDHR)有增加趋势。2020年主汛期(6—8月)YZRB出现多轮强降水,发生了新中国成立以来仅次于1954年、1998年的流域性大洪水。本文利用中国气象局国家气象信息中心逐小时降水资料,分析了长江上游(YR-A)、长江中游(YR-B)和长江下游(YR-C)三个区域SDHR时空分布以及不同类型短时强降水事件(Short-Duration Heavy Rainfall Event,SDHRE)的统计特征。得到结论如下:1)受地形影响,YZRB山区降水频次增加、降水强度增强,且地形作用会增加山区SDHR的频次,进而增强山区SDHR的降水量;YZRB降水强度的空间分布依赖于SDHR降水量的空间分布。2)YZRB三个区域SDHR降水量和频次的日变化均表现为双峰型,双峰时间在YZRB区域自西向东有从夜间移向白天的趋势,这与对流活动日变化的区域差异有关;SDHR的降水量和频次具有相似的日变化,说明SDHR的降水量主要源自其降水频次的贡献。3)在三种类型SDHRE中,增长型频次最高(约62.6%),突发型频次次之(约26.9%),而持续型频次最少(约10.5%);突发型SDHRE的高发降水量最小(约30 mm),持续型SDHRE的高发降水量最大(约90 mm),而增长型SDHRE的高发降水量介于两者之间(40～60 mm)。4)不同类型SDHRE降水量的空间分布主要依赖于SDHRE频次的空间分布,增长型SDHRE因频次高于突发型和持续型,其降水量也高于后两种类型,但大别山地区因其地形作用成为持续型SDHRE的高发区,而突发型SDHRE更易在局地形成降水强度高值。

摘要:为了研究同化雷达资料对数值模式降水预报的改进效果,针对2015年6月26—28日江淮地区梅雨降水过程,进行了结合雷达资料同化的数值模拟研究。首先介绍了过程的降水概况、环流形势。其次,利用WRF模式进行降水过程的数值模拟,在完成控制试验的基础上进行WRF-3DVAR的雷达资料同化。经过15 h的启转后,分别进行了针对背景误差协方差矩阵中特征长度和方差尺度的敏感性试验,得到最适合本次个例的特征长度(0.5)、方差尺度(0.7)。设置最优的特征长度和方差尺度后,进行同时同化反射率因子与径向风、单独同化反射率因子和单独同化径向风的同化试验,并分别设置了间隔为1 h和30 min的同化频率。通过分析个例水汽场、动力场及降水预报场,得到如下结论:1)雷达数据同化能够有效提高降水预报效果;2)同时同化雷达反射率因子和径向风的效果最好;3)同化雷达资料频率越高,效果提高也越明显。

摘要:基于CMIP5中全新世(Mid-Holocene,6 ka BP)试验及RCP8.5试验的对比,本文研究了不同增暖情景下东亚夏季风区降水演变的空间模态及其成因。结果表明,两种增暖情景下东亚夏季风区降水演变的空间模态存在显著差异。轨道辐射主导的中全新世暖期期间,东亚夏季风区降水演变的空间模态为经向“三极子”结构;而大气CO₂主导的未来强增暖下则为整体性增多模态。水汽收支平衡分解的分析表明,东亚夏季风区降水变化的动力部分由季风环流主导,表现为经向“三极子”结构,而其热动力部分取决于气温主导的大气比湿,表现为与气温变化相一致的空间分布。东亚夏季风区降水的变化在中全新世暖期以动力响应为主,而在未来强增暖下则以热动力响应为主。

摘要:为了获取华北春季降水性层状云中冰相粒子形状分布及其在降水发展中的变化,利用机载云粒子成像仪(OAP-CIP)在三次层状云降水天气过程中所测粒子图像资料,分析了不同降水阶段不同温度区间内不同粒径范围下的冰相粒子形状分布特征,并研究了影响云中冰相粒子增长变化的关键微物理过程。结果表明:在降水发展早期,云中冰相粒子形状分布以霰和线形状为主,在500 μm以上粒径统计中,这两者的出现频率分别在20%和40%以上;聚合状粒子除了在0～-4 ℃的温度区间内出现频率在10%～20%之间,其他温度区间内出现频率均在10%以下;云中粒子增长以凝华和凇附过程为主。在降水成熟阶段,霰和聚合状粒子是两种主要粒子形状,其出现频率在25%以上;线形状粒子在0～-4 ℃和-4～8 ℃温度区间内出现频率在10%～20%;板状粒子的出现频率在5%～15%;不规则状粒子在125 μm粒径以上的粒子数统计中出现频率在10%以上,但其他粒径段则在10%以内且随统计粒径增大,其出现频率降低;云中粒子增长在凝华基础上以凇附和碰并聚合为主。

摘要:为了探究GRAPES区域集合三维变分混合同化系统中“地形高度依赖水平局地化尺度方案”对台风预报性能的影响,以“苏迪罗”台风(2015)和“杜鹃”台风(2015)为例,开展了集合变分混合同化系统在台风中的应用试验,对比分析了“地形高度依赖水平局地化尺度方案”和非“地形高度依赖水平局地化尺度方案”集合变分混合同化后台风路径、强度以及台风所带来的降水的预报结果。试验结果表明,“地形高度依赖水平局地化尺度方案”下台风路径与实况更为接近,该方案可有效地减小台风的路径误差,但对台风强度改进效果不明显。“地形高度依赖水平局地化尺度”方案相较于非“地形高度依赖水平局地化尺度”方案,能一定程度减小台风降水预报的漏报现象,提高各降水量级的TS评分。总体来看,“地形高度依赖的水平局地化尺度”方案可提高台风的降水预报技巧,在一定程度上减小台风的路径误差。

摘要:初始扰动结构和振幅的合理性直接影响到集合预报的质量和整体性能,合理的初始扰动结构是确保集合预报扰动质量的关键。本文基于欧洲中期天气预报中心数据、我国T639全球集合预报系统以及GRAPES区域集合预报系统的预报场,针对模式初值不确定性,主要研究了风场初始扰动结构及其集合离散度、扰动能量等结构和演变特征,分析了集合预报风场初始扰动的空间物理结构及其时空演变特征,为集合预报初始扰动的合理构造提供客观依据。结果表明:绝大部分风场初始扰动位于主要天气系统附近,并且具有显著的流依赖特征;集合离散度与扰动能量随着预报时效的延长都呈现出合理发展的状态,对流层低层以扰动内能为主,高层扰动动能占主要成分,且扰动动能在演化过程中起主导作用;同时,离散度结构的演变与天气形势的发展密切相关,这从另一种角度体现了扰动结构随流型依赖的特性。研究结果验证了区域集合预报比全球集合预报能捕获更丰富的中小尺度扰动信息,全球集合预报系统中ECMWF的中大尺度扰动结构更为合理,但我国T639集合预报系统更适用于中国地区;相对于ECMWF的全球集合预报,我国的集合预报系统一般存在高层离散度不足的问题。

摘要:利用美国NOAA海表温度资料,重点分析了北太平洋海温异常EOF第二模态Victoria模态(VM)与ENSO年际关系的非对称特征。研究发现,VM和ENSO在年代际尺度上相关性较弱,而在年际尺度上有很好的相关关系,两者同期为负相关,VM超前1 a为正相关。然而,正负VM事件与ENSO冷暖位相在年际尺度上的联系存在着一定的非对称性。正VM事件与同年冬季热带中东太平洋海温异常的联系较弱,但次年常有厄尔尼诺事件发生;相比较而言,负VM事件在同年一般都有厄尔尼诺事件伴随发生,而与次年冬季热带中东太平洋海温没有显著联系,且很少有ENSO事件发生。由此可见,正VM事件对次年厄尔尼诺的发生发展似乎有促进作用,可作为ENSO前期预报因子之一,而负VM事件不能作为ENSO的前期预报因子。

摘要:根据WMO(1957)对流层高度的判别方法,利用2007—2013年COSMIC掩星资料计算了对流层高度,并用无线电探空资料对结果进行检验,分析了青藏高原地区对流层顶季节变化特征。结果表明,COSMIC掩星资料和无线电探空资料判定的对流层高度具有很高的线性相关关系,相关系数高达0.976,平均值偏差为0.448 km,均方根误差为0.672 km。受热力学因素影响,青藏高原对流层顶在夏季最高,在冬季和春季最低。从冬季到夏季,对流层顶断裂带的位置也逐渐北抬。春季、冬季和秋季,受赤道热源影响,从低纬到高纬,在对流层中低层中等熵面逐渐抬升、水汽混合比逐渐下降。夏季,在热源引起的深对流和季风产生的水平输送作用下,青藏高原上空出现了水汽的高值区。

摘要:利用WRF模式对2009年6月发生在西南地区的一次中尺度对流复合体(Mesoscale Convective Complex,MCC)天气过程进行了数值模拟,结合HYSPLIT拉格朗日轨迹分析,研究了此次强对流天气调控下的对流层向平流层输送(Troposphere-to-Stratosphere transport,TST)的特征与机制。结果表明:1)MCC内对流层顶附近的粒子有两个源区,短期内(6 h内)来源于西南区低层的空气占比很大,随着时间增加(累积到12 h以上),来自北区中高层的空气逐渐增加;前者与MCC及爆发前的西南低空急流有关,后者由北方高空槽后气流引导。2)MCC下方边界层粒子向平流层输送时,分别受周边的两个大尺度系统共同作用。最终24.2%的边界层粒子能进入平流层,其中大部分被MCC强对流垂直迅速向上输送到对流层顶,随后受南亚高压南侧外围环流影响,转而向西移动进入平流层,而少部分是脱离MCC后的粒子,随西南气流向东北输送,遇到中纬度锋面系统,经缓慢的锋面爬升和快速的西风急流共同作用,向东输送到日本上空后进入平流层。

摘要:利用WRF中尺度模式和MWRT微波辐射传输模式,对一次理想对流单体云降水过程进行模拟,研究了霰谱参数对强对流降水云高频微波辐射亮温的影响。结果表明:霰谱参数的改变对对流单体云中冰相水凝物质量浓度分布和高频微波亮温均有影响。减小(增大)霰密度参数会导致霰谱宽度增大(减小),从而导致霰的碰并效率提高(降低),霰空间最大质量浓度增大(减小),而使冰晶和雪空间最大质量浓度减小(增大),最终导致最低亮温减小(增大);增大(减小)霰形状参数会导致霰谱宽度增大(减小),霰空间最大质量浓度增大(减小),而冰晶和雪的最大质量浓度减小(增大),最终使得模拟区域的最低亮温减小(增大)。区域最低亮温对不同霰谱参数或者相同霰谱参数的不同改变量的敏感程度不同。