摘要:

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摘要:近年来，随着人工智能技术在多个领域大数据分析中的应用，许多研究工作者尝试将地学研究与人工智能跨学科结合，取得了很多新的进展，推动了地球科学的发展。其中气候预测与人类生活以及防灾减灾等息息相关，准确的气候预测至关重要。本文简要总结了人工智能技术在气候预测应用方面的研究进展，包括资料同化、模式参数化、求解偏微分方程、构建统计预测模型、改进数值模式产品释用等领域。这些研究证明了利用人工智能提高气候预测技巧的可能性和适用性，可以极大地节省计算成本和时间。然而人工智能应用也存在诸多挑战，例如数据集的构建、模型的适用性和物理可解释性等问题，对这些难点问题的研究和攻克，可以让人工智能在大数据时代中更好地补充传统地球科学方法，产生更多有益的效应，极大地改进气候预测水平。

摘要:本文将研究对象从地面气象要素扩展到三维气象要素；针对三维气象要素空间分辨率提升问题，融合多气象要素交互影响、多尺度作用、多气压层气象要素天气系统配置作用等机理，提出一种多尺度残差拉普拉斯金字塔网络三维气象要素深度学习降尺度模型（Multi-Scale Residual Laplacian Pyramid Network，MSRLapN）。具体地，构造一种多尺度残差模块（Multi-Scale Resolution Block，MSRB），用于从三维空间多种气象要素中自动提取预报特征；从机器学习领域引入多尺度金字塔技术描述气象要素的多尺度交互作用；然后，通过超分辨重建循环迭代方法，基于大样本历史数据学习订正降尺度预报的误差。在华东气候区，本文针对相对湿度和风速两种气象要素，实现了7种前沿深度学习超分辨降尺度方法的三维空间气象要素降尺度，并将本文提出的方法与这7种深度学习超分辨降尺度方法与之对比，实验结果表明：MSRB模块可从数据中有效提取三维气象要素多尺度作用的特征信息，MSRLapN有效实现了三维气象要素降尺度，效果优于其他对比方法。

摘要:风暴潮是指由强烈的大气扰动所导致的海面异常升高现象，由热带气旋引起的风暴潮常对沿海地区造成巨大的社会经济、人类活动和生命财产危害。依靠数据驱动的强非线性映射能力的机器学习方法较传统数值模式预报在耗费研究资源和计算时间上更具优势。本文选取广东省珠江口为研究区域，基于卷积长短时记忆网络（Convolutional LSTM network，ConvLSTM）机器学习算法展开风暴潮漫滩预报研究，利用由再分析资料驱动的数值模式产品构建了历史台风漫滩数据集，用于机器学习模型训练、验证和测试。研究了两种预报方式，一种是基于海表面高度场的自回归预报，另一种是依赖预报风场和初始海表面高度场进行的预报；它们可以实现基于数据驱动的风暴潮漫滩预报，其中自回归预报模型表现更优。相较于传统动力学数值预报，基于数据驱动的ConvLSTM预报模型结构更为轻便，所需驱动数据更少，在缺少边界条件、地形、径流等信号时，在短临预报中仍能基本复现数值模式模拟的结果。

摘要:三江源地区位于中国青藏高原腹地，被誉为“中华水塔”。该地区降水和空中云水资源的分布及变化对中国淡水资源的影响至关重要，且影响着三江源地区及下游的生态系统。本文回顾和总结了近几十年来三江源地区降水和空中云水资源的空间分布及时间演变特征、降水的影响机制以及未来降水趋势预测方面的研究成果，并给出了进一步研究展望。

摘要:华北汛期降水的年代际减少，一直是气候学领域关心的重要课题之一。本文扼要回顾了华北汛期旱涝研究的最新代表性成果，主要包括华北汛期起讫的客观识别、华北汛期降水多时间尺度的变化特征、华北汛期降水变化与大气遥相关型的关系，以及华北汛期降水量增多趋势的停滞等。在此基础之上，归纳和总结了该领域需要继续深入研究的问题，如：华北汛期起讫时间的统一性；在华北汛期降水年代际变少的归因分析中，其年际振荡成分衰减的物理原因；华北汛期降水年代际变多趋势停滞的原因；华北汛期降水何时恢复增多等科学问题。

摘要:台风数值预报是防台减灾的关键，而集合预报是体现和减少数值预报不确定性的常用方法。本文对近年来台风集合预报方法的研究进展进行了梳理和总结，涉及初值集合扰动、模式扰动技术以及基于统计的台风集合预报后处理技术。对全球几个主要集合预报系统的发展及我国的区域台风集合预报系统做了回顾。最后，在回顾的基础上，讨论和提出了关于台风集合预报仍存在的问题及未来可能的研究方向。

摘要:回顾了关于长距离输送对中国区域本底大气臭氧的影响，以及中国区域大气本底站臭氧变化及其区域代表性两方面的研究进展。来自不同污染源区O₃的长距离输送对中国区域O₃影响的研究结果分歧较大，贡献最显著的源区和受体地区也存在争议；同时，鲜有研究考虑到平流层对对流层的O₃贡献，而这部分贡献在前体物排放很少的本底地区非常重要。中国区域各大气本底观测站分别与其周围一定范围内的区域具有相同的对流层O₃柱浓度最大值月份分布，而对与人体健康密切相关的近地面O₃区域特征的分析尚未深入开展；鉴于研究方法的局限性，也尚未深入揭示形成O₃变化区域特征的复杂成因。基于现有研究进展和不足之处，如何利用全球大气化学-环流模式的示踪模拟结果，定量评估来自全球不同地区的O₃对中国本底大气O₃的影响，并进一步评估中国区域6个大气本底站近地面O₃季节变化的区域代表性，是亟待解决的科学问题。

摘要:利用1979—2017年TropFlux海气热通量资料、ERA5再分析资料及HadISST资料，分析了冬季北大西洋涛动（North Atlantic Oscillation，NAO）与同期热带印度洋海气热通量的关系。结果表明，NAO指数与热带印度洋海气净热通量整体上呈负相关，意味着NAO为正位相时，海洋向大气输送热量，其显著区域主要位于热带西印度洋（50°～70°E，10°S～10°N）。净热通量的变化主要依赖于潜热通量和短波辐射的变化；潜热通量和短波辐射在NAO正（负）位相事件期间的贡献率分别为72.96％和61.48％（71.72％和57.06％）。NAO可通过Rossby波列影响印度洋地区局地大气环流，进而影响海气热通量；当NAO为正位相时，波列沿中低纬路径传播至印度洋地区，在阿拉伯海北部对流层高层触发异常反气旋环流。该异常反气旋性环流加强了阿拉伯高压，使得北印度洋偏北风及越赤道气流加强。伴随风速的加强，海面蒸发增强，同时加强的越赤道气流导致热带辐合带强度偏强，深对流加强引起对流层水汽和云量增多，进而引起海表下行短波辐射减少。

摘要:利用1951—2016年Hadley中心海温资料、NCEP/NCAR再分析资料和全国160站气温资料，研究了夏季北大西洋三极型海温异常与中国气温年际变化的联系及可能机制。结果表明，夏季北大西洋三极型海温异常与同期中国西南地区气温年际变化存在显著的负相关关系。夏季北大西洋“-+-”三极型海温异常激发的北半球中高纬欧亚遥相关波列，引起贝加尔湖地区位势高度升高，产生反气旋性环流异常，并引起东亚地区位势高度降低，产生气旋性环流异常。西南地区在对流层中下层位于贝加尔湖异常反气旋性环流的东部和东亚异常气旋性环流的西部，在两者的共同作用下，受异常偏北气流影响，有利于冷空气南下和堆积。与此同时，对流层高层的东亚副热带西风急流位置偏南，西南地区位于急流南侧的异常上升气流中。此种环流形势配置导致中国西南地区气温降低，反之亦然。

摘要:本文探究了不同海表温度（SST）模态对6—8月和12月—次年2月全球陆地降水的趋势以及年代际变化的相对贡献。首先对热带地区陆地降水和SST进行SVD分析，得到影响陆地降水的趋势和年代际变化主要的海洋模态为：海洋中的全球变暖（Global Warming，GW）、大西洋多年代际振荡（Atlantic Multidecadal Oscillation，AMO）和太平洋多年代际振荡（Interdecadal Pacific Oscillation，IPO）。其次利用多元线性回归模型进一步定量评估了全球变暖、AMO和IPO对不同地区陆地降水的相对贡献大小。结果表明，全球变暖对陆地降水变化的贡献在冬夏季都是最大的，AMO在6—8月的贡献次之。IPO在12月—次年2月的贡献次之。不同纬度带，三者的贡献不同。GW的贡献在6—8月期间对10°N以北地区较大，南半球受GW的贡献相对较小，GW在12月—次年2月对40°N以北降水贡献异常显著；AMO主要在6—8月对10°～40°S和50°～60°S纬度带上的降水变化的贡献比较大；而IPO主要在12月—次年2月对北半球中纬度降水变化的贡献比较大。GW对许多地区降水变化的方差贡献都是最大的，例如6—8月期间，对北美洲东北部和亚洲降水变化贡献最大，12月—次年2月期间，对欧洲降水变化贡献最大。AMO对6—8月降水变化的方差贡献最大的区域为非洲萨赫勒、西伯利亚和南美洲。12月—次年2月期间，IPO对美国西南部的降水变化贡献最大，此外，北美洲东北部、南美洲西北部、非洲南部、澳大利亚东部、南亚季风区和我国北部的降水在12月—次年2月期间同样受IPO影响显著。进一步利用信息流的方法，探究了GW、AMO和IPO与陆地降水变化之间的因果关系，验证了上述结论。

摘要:采用1950—2018年中国753站逐日气温和降水资料及NCEP/NCAR逐日再分析资料，确定了1951—2017年冬季中国南方强持续性冰冻雨雪事件，并对其时空特征、区划及事件爆发日的环流特征进行分析。结果表明：1）中国南方持续性冰冻雨雪事件存在显著的2～3 a周期变化，且1985年前后发生了突变，虽然近年来其强度呈显著减弱趋势，但仍然发生了多次强持续性冰冻雨雪事件；2）持续性冰冻雨雪事件在中国南方中西部发生频次高、持续日数长，在中国南方中东部则强度更大；3）中国南方37次强持续性冰冻雨雪事件可划分为华中型、华南型和西南型3类；4）3类持续性冰冻雨雪事件爆发日，欧亚大陆500 hPa位势高度异常呈现北高南低，蒙古高压显著偏强、中心南进，该配置有利于北方冷空气向南输送，且南支槽显著加深，水汽向北输送活跃。三者的不同之处在于蒙古高压强度及影响范围存在差异，其中西南型最强、范围最大、南伸显著，华南型次之；华中型、华南型的水汽输送受南支槽和副热带高压共同影响，而西南型的水汽输送仅受南支槽调控。

摘要:利用1980—2016年中国日最低温度和NCEP/NCAR再分析资料，分析了大气低频振荡对华北2015年冬季区域强降温事件（Regional Extremely Cold Event，简称RECE）的影响。结果表明：1）两次过程均与最低温度10～20 d低频分量从峰到谷值的变化相应。2）第一（二）次过程巴尔喀什湖-贝加尔湖（简称巴-贝湖）高压位置偏西（偏东北），西伯利亚高压偏南（偏北），东亚大槽呈东北-西南（南-北）走向，阿留申低压偏深（偏西偏深），无（有）北极涛动负异常，高低层冷空气源地均位于贝湖北部60°N附近（巴湖以北上空和华北局地），降温较慢（快速）。地中海低频扰动能量的持续输送是造成两次降温过程持续时间差异的原因之一。3）-18 d （-12 d）500 hPa高度场中西欧低频负（正）异常，是华北强降温事件的延伸期预报参考信号。

摘要:基于风险矩阵理论，初步建立了重大活动气象风险评估方法与流程，并以北京某重大庆祝活动服务为例，在多部门联合共同确定活动期间气象风险源的基础上，利用长时间序列气象资料及短期测风雷达观测资料，分析了庆祝活动期间各类气象风险的可能性，结合对活动可能造成后果的严重程度，利用风险矩阵开展了气象风险评估及风险控制研究。评估结果表明，庆祝活动期间主要气象风险依次为降水/阴雨、白天大风、雾-霾、夜晚大风、高温、雷电、低温等7类。其中，降水/阴雨、白天大风、雾-霾为高风险，夜晚大风为中风险，其余均为低风险，根据评估结果建立的风险控制原则和具体措施成功应用于庆祝活动风险控制中。与现有气象业务服务中天气风险评估相比，本研究实现了重大活动气象风险评估由仅考虑高影响天气出现概率向基于影响的风险评估的转变。