2022年 第46卷 第4期
2022, 46(4): 775-787.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2107.20222
摘要:
同化大量观测资料可以有效地改进模式预报结果，但不同观测对预报的影响有着显著差异，合理评估观测对预报的贡献是数值模式中最具挑战性的诊断之一。本文采用基于伴随的预报对观测的敏感性（Forecast Sensitivity to Observation，简称FSO）方法，构建WRFDA（Weather Research and Forecasting model’s Data Assimilation）框架下的WRFDA-FSO系统。基于2019年9月超大城市项目在北京地区获取的风廓线雷达（Wind Profile Radar，简称WPR）和地基微波辐射计（Microwave Radiometer，简称MWR）观测数据，利用WRFDA-FSO系统，开展观测对WRF模式12 h预报的影响试验，并分析风温湿观测对预报的贡献。结果表明：（1）同化的观测资料（MWR、WPR、Sound、Synop和Geoamv）均减小了WRF模式12 h预报误差，对预报为正贡献，其中MWR观测对预报的影响最大，WPR风场观测对预报的改进效果优于Sound的风场观测。（2）WPR的U、V观测和MWR的T、Q观测中，V观测和T观测对预报的正贡献值更高，对预报的改进效果更优。（3）WPR和MWR多数高度层的观测均减小了预报误差，对预报为正贡献，其中MWR的T观测对预报的正贡献主要位于近地面800 hPa以下。
同化大量观测资料可以有效地改进模式预报结果，但不同观测对预报的影响有着显著差异，合理评估观测对预报的贡献是数值模式中最具挑战性的诊断之一。本文采用基于伴随的预报对观测的敏感性（Forecast Sensitivity to Observation，简称FSO）方法，构建WRFDA（Weather Research and Forecasting model’s Data Assimilation）框架下的WRFDA-FSO系统。基于2019年9月超大城市项目在北京地区获取的风廓线雷达（Wind Profile Radar，简称WPR）和地基微波辐射计（Microwave Radiometer，简称MWR）观测数据，利用WRFDA-FSO系统，开展观测对WRF模式12 h预报的影响试验，并分析风温湿观测对预报的贡献。结果表明：（1）同化的观测资料（MWR、WPR、Sound、Synop和Geoamv）均减小了WRF模式12 h预报误差，对预报为正贡献，其中MWR观测对预报的影响最大，WPR风场观测对预报的改进效果优于Sound的风场观测。（2）WPR的U、V观测和MWR的T、Q观测中，V观测和T观测对预报的正贡献值更高，对预报的改进效果更优。（3）WPR和MWR多数高度层的观测均减小了预报误差，对预报为正贡献，其中MWR的T观测对预报的正贡献主要位于近地面800 hPa以下。
2022, 46(4): 788-804.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2110.20252
摘要:
往返式平漂探空观测是我国正在研究实施的一种新型探空观测方式，可有效提高观测效率和经济效益，对克服常规探空观测缺陷、改善数值预报质量具有重要的意义。本文针对平漂探空上升和平漂阶段的热力、动力过程特点及其主要影响因子，构建了平漂探空系统的热动力理论模型，并结合实际观测试验进一步分析验证了理论模型的可靠性。研究结果对往返平漂式探空系统的设计和完善具有重要的理论支撑和实用价值。
往返式平漂探空观测是我国正在研究实施的一种新型探空观测方式，可有效提高观测效率和经济效益，对克服常规探空观测缺陷、改善数值预报质量具有重要的意义。本文针对平漂探空上升和平漂阶段的热力、动力过程特点及其主要影响因子，构建了平漂探空系统的热动力理论模型，并结合实际观测试验进一步分析验证了理论模型的可靠性。研究结果对往返平漂式探空系统的设计和完善具有重要的理论支撑和实用价值。
2022, 46(4): 805-818.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2104.20225
摘要:
近年来深度学习模型在解决对防灾减灾影响巨大且极具挑战性的临近预报问题的应用中日益增多。本文中，我们把临近预报作为一个时空序列预测的任务，将雷达反射率因子作为试验对象，使用基于对抗神经网络（GAN）优化构建的TAGAN深度学习模型预测未来1小时的雷达回波图像，并且与Rover光流法、基于卷积神经网络的3D U-Net模型进行对比试验。选取2018年全球气象AI挑战赛雷达回波数据集进行训练与测试，检验结果表明TAGAN模型在命中率（POD），虚警率（FAR），临界成功指数（CSI）以及相关系数等多种评分上要优于传统的光流法和对比的3D U-Net深度学习模型，TAGAN模型在以上的检验评分表现出色，并且随预测时间的增加较之传统光流模型效果更优，这为拓展和提升深度学习模型在临近天气预报中的应用提供了参考依据。
近年来深度学习模型在解决对防灾减灾影响巨大且极具挑战性的临近预报问题的应用中日益增多。本文中，我们把临近预报作为一个时空序列预测的任务，将雷达反射率因子作为试验对象，使用基于对抗神经网络（GAN）优化构建的TAGAN深度学习模型预测未来1小时的雷达回波图像，并且与Rover光流法、基于卷积神经网络的3D U-Net模型进行对比试验。选取2018年全球气象AI挑战赛雷达回波数据集进行训练与测试，检验结果表明TAGAN模型在命中率（POD），虚警率（FAR），临界成功指数（CSI）以及相关系数等多种评分上要优于传统的光流法和对比的3D U-Net深度学习模型，TAGAN模型在以上的检验评分表现出色，并且随预测时间的增加较之传统光流模型效果更优，这为拓展和提升深度学习模型在临近天气预报中的应用提供了参考依据。
2022, 46(4): 819-834.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2105.20237
摘要:
本文针对基于多源探测数据的人工增雨效果物理检验，建立对比区选取的相似性度量系数（APC，Analogy Deviation-Pearson Correlation Coefficient），建立人工增雨效果物理检验的无量纲化指数PIDI（Physical Inspection Dimensionless Index）方法。结果表明：（1）人工增雨效果物理检验PIDI指数方法，能够实现以相似性度量系数APC最大程度削减增雨作业催化云体及降水的自然变率影响，以无量纲化处理方法综合多种具有量纲差异的云物理探测参数，最终以一个百分数变化率的数值形式综合度量多种云物理参数的整体变化趋势及程度。（2）应用PIDI方法对2014～2019年24架次飞机增雨作业进行增雨效果物理检验。人工增雨催化引起作业后3 h的云顶温度、云粒子有效半径、光学厚度、液水路径、组合反射率、≥30 dBZ回波面积、垂直累积液态含水量7项指标平均变化率3.4%～19.6%。18次作业的小时降水量变化率呈0～58.3%的增雨效果，6次作业的小时降水量变化率呈−37.5%～0的减雨效果。多数增雨作业引起的云物理参数变化明显小于降水变化。（3）具有增雨正效果的18次增雨作业，人工催化引起多数作业的云顶温度、组合反射率、垂直累积液态含水量呈增加趋势，多数作业的云粒子有效半径、光学厚度、液水路径呈减小趋势。（4）利用飞机增雨个例对比PIDI指数方法与K值方法异同。对于降水量变化趋势的检验二者具有一致性。二者差别在于PIDI指数方法能够反映人工催化引起的所有检验指标平均变化率。
本文针对基于多源探测数据的人工增雨效果物理检验，建立对比区选取的相似性度量系数（APC，Analogy Deviation-Pearson Correlation Coefficient），建立人工增雨效果物理检验的无量纲化指数PIDI（Physical Inspection Dimensionless Index）方法。结果表明：（1）人工增雨效果物理检验PIDI指数方法，能够实现以相似性度量系数APC最大程度削减增雨作业催化云体及降水的自然变率影响，以无量纲化处理方法综合多种具有量纲差异的云物理探测参数，最终以一个百分数变化率的数值形式综合度量多种云物理参数的整体变化趋势及程度。（2）应用PIDI方法对2014～2019年24架次飞机增雨作业进行增雨效果物理检验。人工增雨催化引起作业后3 h的云顶温度、云粒子有效半径、光学厚度、液水路径、组合反射率、≥30 dBZ回波面积、垂直累积液态含水量7项指标平均变化率3.4%～19.6%。18次作业的小时降水量变化率呈0～58.3%的增雨效果，6次作业的小时降水量变化率呈−37.5%～0的减雨效果。多数增雨作业引起的云物理参数变化明显小于降水变化。（3）具有增雨正效果的18次增雨作业，人工催化引起多数作业的云顶温度、组合反射率、垂直累积液态含水量呈增加趋势，多数作业的云粒子有效半径、光学厚度、液水路径呈减小趋势。（4）利用飞机增雨个例对比PIDI指数方法与K值方法异同。对于降水量变化趋势的检验二者具有一致性。二者差别在于PIDI指数方法能够反映人工催化引起的所有检验指标平均变化率。
2022, 46(4): 835-844.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2101.20243
摘要:
基于北京宽频带闪电网（Beijing Broadband Lightning Network，简称BLNet）获得的全闪三维定位和多普勒天气雷达等资料，详细分析了2015～2017年北京暖季7次强飑线过程的闪电活动与雷达回波强度之间的关系。结果表明，闪电主要发生于前部线状对流云区内且集中分布在30 dBZ以上的强回波区域，少部分的闪电分布在后部的层状云区域内。从闪电辐射源三维分布结构可以发现，闪电活动大部分处在6～11 km的高度范围。将能够同时反映强回波深度和面积的0～−30°C温度区域内大于30 dBZ雷达回波体积（V30dBZ）作为强回波指标，并与闪电活动进行统计分析发现，整体上在7次飑线过程中，总闪频数和V30dBZ存在较好的相关性，其中5次过程的闪电频数峰值同时或提前于V30dBZ的峰值出现，二者的时滞相关系数超过0.61，提前时间为0～96 min。另外两次过程中闪电峰值落后于V30dBZ峰值，落后时间分别为30 min和60 min。研究结果不仅对认识闪电与对流活动的关系有重要的科学意义，也可为闪电资料在数值模式中的同化应用提供科学依据。
基于北京宽频带闪电网（Beijing Broadband Lightning Network，简称BLNet）获得的全闪三维定位和多普勒天气雷达等资料，详细分析了2015～2017年北京暖季7次强飑线过程的闪电活动与雷达回波强度之间的关系。结果表明，闪电主要发生于前部线状对流云区内且集中分布在30 dBZ以上的强回波区域，少部分的闪电分布在后部的层状云区域内。从闪电辐射源三维分布结构可以发现，闪电活动大部分处在6～11 km的高度范围。将能够同时反映强回波深度和面积的0～−30°C温度区域内大于30 dBZ雷达回波体积（V30dBZ）作为强回波指标，并与闪电活动进行统计分析发现，整体上在7次飑线过程中，总闪频数和V30dBZ存在较好的相关性，其中5次过程的闪电频数峰值同时或提前于V30dBZ的峰值出现，二者的时滞相关系数超过0.61，提前时间为0～96 min。另外两次过程中闪电峰值落后于V30dBZ峰值，落后时间分别为30 min和60 min。研究结果不仅对认识闪电与对流活动的关系有重要的科学意义，也可为闪电资料在数值模式中的同化应用提供科学依据。
2022, 46(4): 845-858.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2104.20255
摘要:
气溶胶的时空分布及其核化成云的转化过程是云降水物理研究的重点，也是气候变化中气溶胶间接效应关注的热点问题。利用2013～2014年期间在华北中部山西地区开展的9架次夏季晴天和积云天气情况下的气溶胶、云凝结核（CCN）及云滴数浓度观测资料，分析研究了气溶胶的垂直分布、谱分布、来源特征及其与云凝结核、云滴数浓度的转化关系。研究结果表明，大气边界层逆温层结对气溶胶、CCN垂直分布有重要影响，不同天气条件下气溶胶谱型在低层差异较大而高层基本一致；垂直方向上CCN数浓度与气溶胶数浓度有较好的相关性，过饱和度0.3%条件下CCN比率（云凝结核/凝结核）与气溶胶有效直径呈线性关系；积云云下气溶胶与云滴的线性拟合方程为y=1.3x−616.3，拟合相关系数为0.96，气溶胶转化为云滴的比率可达到47%。在过饱和度0.3%条件下，云下CCN与云滴的线性拟合方程为y=1.6x−473.8，拟合相关系数也为0.96，CCN转化为云滴的比率可达到69%。
气溶胶的时空分布及其核化成云的转化过程是云降水物理研究的重点，也是气候变化中气溶胶间接效应关注的热点问题。利用2013～2014年期间在华北中部山西地区开展的9架次夏季晴天和积云天气情况下的气溶胶、云凝结核（CCN）及云滴数浓度观测资料，分析研究了气溶胶的垂直分布、谱分布、来源特征及其与云凝结核、云滴数浓度的转化关系。研究结果表明，大气边界层逆温层结对气溶胶、CCN垂直分布有重要影响，不同天气条件下气溶胶谱型在低层差异较大而高层基本一致；垂直方向上CCN数浓度与气溶胶数浓度有较好的相关性，过饱和度0.3%条件下CCN比率（云凝结核/凝结核）与气溶胶有效直径呈线性关系；积云云下气溶胶与云滴的线性拟合方程为y=1.3x−616.3，拟合相关系数为0.96，气溶胶转化为云滴的比率可达到47%。在过饱和度0.3%条件下，云下CCN与云滴的线性拟合方程为y=1.6x−473.8，拟合相关系数也为0.96，CCN转化为云滴的比率可达到69%。
2022, 46(4): 859-872.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2107.21012
摘要:
本文利用1958～2018年期间海表面温度（SST）异常和湍流热通量异常变化的关系，探讨了其与北太平洋年代际振荡（PDO）相关的年际和年代际时间尺度上在不同海域的海气相互作用特征。结果表明：在年际尺度上，黑潮—亲潮延伸区（KOE）表现为显著大气强迫海洋，赤道中东太平洋表现为显著海洋强迫大气；在年代际尺度上，PDO北中心表现为大气强迫海洋，加利福尼亚附近则表现为显著海洋强迫大气。进一步分析表明：加利福尼亚附近区域是北太平洋准12年振荡的关键区域之一，与PDO准十年的周期类似，加利福尼亚附近的冷（暖）海温对应其上有反气旋（气旋）型环流，赤道中太平洋海水上翻和北太平洋东部副热带区域经向风应力的变化是北太平洋准12年振荡的另外两个重要环节。
本文利用1958～2018年期间海表面温度（SST）异常和湍流热通量异常变化的关系，探讨了其与北太平洋年代际振荡（PDO）相关的年际和年代际时间尺度上在不同海域的海气相互作用特征。结果表明：在年际尺度上，黑潮—亲潮延伸区（KOE）表现为显著大气强迫海洋，赤道中东太平洋表现为显著海洋强迫大气；在年代际尺度上，PDO北中心表现为大气强迫海洋，加利福尼亚附近则表现为显著海洋强迫大气。进一步分析表明：加利福尼亚附近区域是北太平洋准12年振荡的关键区域之一，与PDO准十年的周期类似，加利福尼亚附近的冷（暖）海温对应其上有反气旋（气旋）型环流，赤道中太平洋海水上翻和北太平洋东部副热带区域经向风应力的变化是北太平洋准12年振荡的另外两个重要环节。
2022, 46(4): 873-885.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2109.21003
摘要:
利用1961～2019年中国东北地区测站逐日降水资料、美国国家环境预报中心/大气研究中心的月平均再分析资料、NOAA重构的月平均海温和向外长波辐射资料，采用统计诊断方法，从年际时间尺度上分析了东北春季透雨早晚环流特征和前期海温，尤其是热带印度洋海温强迫的联系。结果表明：春季透雨日期与4月降水量的变化具有显著的一致性，典型透雨偏早年的开始时间集中在4月中下旬，偏晚年的开始时间集中在5月中下旬；4月东北亚上空500 hPa位势高度场上，若呈自西向东的“− +”异常环流分布，东北地区以偏南风和气旋性环流为主，有利于水汽输送，春季透雨开始偏早，反之，春季透雨开始偏晚；2～3月热带印度洋暖海温异常是中国东北地区春季透雨偏早的重要稳定影响源之一，其可能机制是，若热带印度洋全区一致海温模态呈正位相，有利于4月西北太平洋地区呈异常反气旋，东北亚地区500 hPa环流异常类似春季透雨偏早年形势，东北地区位于200 hPa西风急流出口区右侧，垂直上升运动增强，呈现出多雨形势。
利用1961～2019年中国东北地区测站逐日降水资料、美国国家环境预报中心/大气研究中心的月平均再分析资料、NOAA重构的月平均海温和向外长波辐射资料，采用统计诊断方法，从年际时间尺度上分析了东北春季透雨早晚环流特征和前期海温，尤其是热带印度洋海温强迫的联系。结果表明：春季透雨日期与4月降水量的变化具有显著的一致性，典型透雨偏早年的开始时间集中在4月中下旬，偏晚年的开始时间集中在5月中下旬；4月东北亚上空500 hPa位势高度场上，若呈自西向东的“− +”异常环流分布，东北地区以偏南风和气旋性环流为主，有利于水汽输送，春季透雨开始偏早，反之，春季透雨开始偏晚；2～3月热带印度洋暖海温异常是中国东北地区春季透雨偏早的重要稳定影响源之一，其可能机制是，若热带印度洋全区一致海温模态呈正位相，有利于4月西北太平洋地区呈异常反气旋，东北亚地区500 hPa环流异常类似春季透雨偏早年形势，东北地区位于200 hPa西风急流出口区右侧，垂直上升运动增强，呈现出多雨形势。
2022, 46(4): 886-902.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2107.21043
摘要:
基于地基云雷达、微雨雷达和天气雷达等遥测设备观测资料，结合挂载KPR云雷达和DMT粒子测量系统的飞机平台，详细分析了山东积层混合云降水过程的云降水微物理结构特征。结果表明，积层混合云降水过程呈现层状云和对流云降水特征。零度层以上，5～6 km高度层内，对流云降水多普勒速度和谱宽均大于层状云，说明对流云降水环境垂直气流、粒子尺度等均大于层状云。对流云降水，云雷达和微雨雷达时空剖面上出现由衰减造成的“V”字形缺口，云雷达衰减程度大于微雨雷达，且随高度增加，衰减越大。层状云降水，零度层亮带附近，雷达反射率因子跃增高度比多普勒速度高80 m，多普勒速度跃增高度又比谱宽高20 m。降水云系零度层附近降水机制复杂，粒子形态有辐枝冰晶聚合物、针状冰晶聚合物和云滴；0°C层以上，5～6 km处，对流云降水的多普勒速度和谱宽均大于层状云降水，即对流云降水环境垂直气流、粒子尺度范围等均大于层状云降水。
基于地基云雷达、微雨雷达和天气雷达等遥测设备观测资料，结合挂载KPR云雷达和DMT粒子测量系统的飞机平台，详细分析了山东积层混合云降水过程的云降水微物理结构特征。结果表明，积层混合云降水过程呈现层状云和对流云降水特征。零度层以上，5～6 km高度层内，对流云降水多普勒速度和谱宽均大于层状云，说明对流云降水环境垂直气流、粒子尺度等均大于层状云。对流云降水，云雷达和微雨雷达时空剖面上出现由衰减造成的“V”字形缺口，云雷达衰减程度大于微雨雷达，且随高度增加，衰减越大。层状云降水，零度层亮带附近，雷达反射率因子跃增高度比多普勒速度高80 m，多普勒速度跃增高度又比谱宽高20 m。降水云系零度层附近降水机制复杂，粒子形态有辐枝冰晶聚合物、针状冰晶聚合物和云滴；0°C层以上，5～6 km处，对流云降水的多普勒速度和谱宽均大于层状云降水，即对流云降水环境垂直气流、粒子尺度范围等均大于层状云降水。
2022, 46(4): 903-920.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2107.21059
摘要:
本文基于1961～2018年华北地区均一化逐日降水资料和ECMWF（欧洲中期天气预报中心）ERA5全球再分析环流资料，采用一种综合考虑降水量和西太平洋副热带高压脊线影响的雨季监测标准，计算了华北雨季起讫日期和降水量，在此基础上讨论了华北雨季季节内进程的水汽输送特征。重点分析了降水量与水汽收支的年代际变化关系，揭示了水汽输送的时空变化规律及其对华北雨季降水的影响。研究结果表明：（1）华北雨季每年的起讫日期不同，从而每年雨季发生时段和季节内进程不同。（2）降水的形成与水汽输送及其辐合密切相关，有四个水汽通道维持华北雨季降水，即印度季风水汽、东亚季风水汽、110°E～120°E之间越赤道气流向北的水汽输送和40°N附近中纬度西风带水汽。（3）华北雨季降水和净水汽收支具有相似的年代际变化特征，分别在1977、1987、1999年发生突变，总体呈现“减—增—减”的阶段性变化趋势，两者位相转变相关性很强。（4）水汽输送的强弱和到达华北时间的早晚均对雨季降水多寡有重要影响。华北多雨年代与少雨年代水汽通量有明显的差异，主要表现在：在多雨年代，西北太平洋为反气旋式环流异常，偏南水汽强盛，并且与中高纬西风带异常偏西水汽汇聚于华北，华北地区水汽辐合偏强；考虑季节内进程，水汽到达华北的时间早、强度大，停留时间长、辐合强，减弱的时间晚；而在少雨年代，我国东北地区、朝鲜半岛及日本海附近为气旋式环流异常，华北地区由南向北的水汽输送偏弱，水汽辐散明显加强；季节内进程表现出与多雨年代相反的特征。（5）考虑华北地区四个边界的水汽收支，南边界和西边界有最大、次大水汽输入，二者的年代际变化是影响雨季降水年代际变化的重要因素。在多雨年代，南边界和西边界水汽净输入很强，但北边界的输出也很强；在少雨年代，南边界和西边界水汽净输入很弱，但北边界转为输入，这是区别于多雨年代的重要特征。
本文基于1961～2018年华北地区均一化逐日降水资料和ECMWF（欧洲中期天气预报中心）ERA5全球再分析环流资料，采用一种综合考虑降水量和西太平洋副热带高压脊线影响的雨季监测标准，计算了华北雨季起讫日期和降水量，在此基础上讨论了华北雨季季节内进程的水汽输送特征。重点分析了降水量与水汽收支的年代际变化关系，揭示了水汽输送的时空变化规律及其对华北雨季降水的影响。研究结果表明：（1）华北雨季每年的起讫日期不同，从而每年雨季发生时段和季节内进程不同。（2）降水的形成与水汽输送及其辐合密切相关，有四个水汽通道维持华北雨季降水，即印度季风水汽、东亚季风水汽、110°E～120°E之间越赤道气流向北的水汽输送和40°N附近中纬度西风带水汽。（3）华北雨季降水和净水汽收支具有相似的年代际变化特征，分别在1977、1987、1999年发生突变，总体呈现“减—增—减”的阶段性变化趋势，两者位相转变相关性很强。（4）水汽输送的强弱和到达华北时间的早晚均对雨季降水多寡有重要影响。华北多雨年代与少雨年代水汽通量有明显的差异，主要表现在：在多雨年代，西北太平洋为反气旋式环流异常，偏南水汽强盛，并且与中高纬西风带异常偏西水汽汇聚于华北，华北地区水汽辐合偏强；考虑季节内进程，水汽到达华北的时间早、强度大，停留时间长、辐合强，减弱的时间晚；而在少雨年代，我国东北地区、朝鲜半岛及日本海附近为气旋式环流异常，华北地区由南向北的水汽输送偏弱，水汽辐散明显加强；季节内进程表现出与多雨年代相反的特征。（5）考虑华北地区四个边界的水汽收支，南边界和西边界有最大、次大水汽输入，二者的年代际变化是影响雨季降水年代际变化的重要因素。在多雨年代，南边界和西边界水汽净输入很强，但北边界的输出也很强；在少雨年代，南边界和西边界水汽净输入很弱，但北边界转为输入，这是区别于多雨年代的重要特征。
2022, 46(4): 921-935.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2105.21062
摘要:
本文利用WRF（V3.9.1）模式中耦合Noah/SLUCM方案作为Control试验，研究了土地利用类型（Md04试验）、陆面过程（NoUCM试验）和湖泊（Nolake试验）对城市热岛强度及昆明城市气象要素水平、垂直的时空分布影响。主要结论如下：（1）四个试验城市热岛强度的平均日变化趋势相似，白天城市热岛强度较弱、夜间较强，在20时（北京时，下同）左右达到最大值。城市冠层（湖泊）对城市热岛有较明显的减（增）温，Control-NoUCM（Nolake）试验中，平均日最大差值为−0.79°C（+1.07°C）。（2）从能量平衡方程分析Control-Md04试验，感热（潜热）通量的差值为+46.18（−79.71）W m−2，潜热通量释放大于感热通量的绝对值。Control-NoUCM试验中，感热（潜热）通量的差值为−40.88（+29.60）W m−2；因NoUCM试验未考虑几何建筑物储热与遮挡，太阳辐射大部分被地表所吸收，导致感热通量偏大。（3）四种试验中，15（07）时边界层高度达到最大（小）值。NoUCM（Nolake）试验中城市边界层高度分别降低103 m（32 m）左右，而Md04试验中城市边界层高度增加102 m左右。（4）湖泊（滇池）对城市热岛环流影响的试验表明，湖泊上空垂直运动较弱，但水平方向湖陆风较大，这有利于向城市输送水汽，增加干空气湿度，使城市中空气的水汽含量增加，同时增大潜热能量释放，降低感热通量，减小了垂直温度梯度。
本文利用WRF（V3.9.1）模式中耦合Noah/SLUCM方案作为Control试验，研究了土地利用类型（Md04试验）、陆面过程（NoUCM试验）和湖泊（Nolake试验）对城市热岛强度及昆明城市气象要素水平、垂直的时空分布影响。主要结论如下：（1）四个试验城市热岛强度的平均日变化趋势相似，白天城市热岛强度较弱、夜间较强，在20时（北京时，下同）左右达到最大值。城市冠层（湖泊）对城市热岛有较明显的减（增）温，Control-NoUCM（Nolake）试验中，平均日最大差值为−0.79°C（+1.07°C）。（2）从能量平衡方程分析Control-Md04试验，感热（潜热）通量的差值为+46.18（−79.71）W m−2，潜热通量释放大于感热通量的绝对值。Control-NoUCM试验中，感热（潜热）通量的差值为−40.88（+29.60）W m−2；因NoUCM试验未考虑几何建筑物储热与遮挡，太阳辐射大部分被地表所吸收，导致感热通量偏大。（3）四种试验中，15（07）时边界层高度达到最大（小）值。NoUCM（Nolake）试验中城市边界层高度分别降低103 m（32 m）左右，而Md04试验中城市边界层高度增加102 m左右。（4）湖泊（滇池）对城市热岛环流影响的试验表明，湖泊上空垂直运动较弱，但水平方向湖陆风较大，这有利于向城市输送水汽，增加干空气湿度，使城市中空气的水汽含量增加，同时增大潜热能量释放，降低感热通量，减小了垂直温度梯度。
2022, 46(4): 936-952.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2110.21078
摘要:
本文利用约束变分客观分析法构建的物理协调大气变分客观分析模型，通过融合地面、探空、卫星等多源观测资料和ERA-Interim再分析资料，建立了青藏高原那曲试验区5年（2013～2017年）长时间序列的热力、动力相协调的大气分析数据集，并以此分析那曲试验区大气的基本环境特征与云—降水演变和大气动力、热力的垂直结构。分析表明：（1）试验区350 hPa以上风速的季节变化非常明显，风速在冬季11月至次年2月达到最大（＞50 m s−1），盛夏7～8月风速的垂直变化最弱，温度的垂直变化最强，大气高湿区在夏秋雨季位于350～550 hPa，在冬春干季升至300～400 hPa。（2）试验区6～7月上旬降水最多；春、秋、冬三季，300～400 hPa高度层作为大气上升运动和下沉运动的交界处，是云量的集中区；夏季，增多的水汽和增强的大气上升运动导致高云和总云量明显增多，中、低云减少。（3）夏季的地表潜热通量与大气总的潜热释放最强，大气净辐射冷却最弱，高原地区较强的地面感热导致试验区500 hPa以下的近地面全年存在暖平流，500 hPa以上则由于强烈的西风和辐射冷却存在冷平流。此外，试验区整层大气全年以干平流为主，但在夏季出现了较弱的湿平流。（4）视热源Q1具有明显的垂直分层特征：全年500 hPa以下大气表现为冷源，300～500 hPa和100～150 hPa表现为热源，150～300 hPa则在冬春干季表现为冷源，在夏秋雨季表现为热源，不同高度层的冷、热源的形成原因不同，其中夏季由于增强的上升运动、感热垂直输送和水汽凝结潜热以及高云的形成，因此几乎整层大气表现为热源。
本文利用约束变分客观分析法构建的物理协调大气变分客观分析模型，通过融合地面、探空、卫星等多源观测资料和ERA-Interim再分析资料，建立了青藏高原那曲试验区5年（2013～2017年）长时间序列的热力、动力相协调的大气分析数据集，并以此分析那曲试验区大气的基本环境特征与云—降水演变和大气动力、热力的垂直结构。分析表明：（1）试验区350 hPa以上风速的季节变化非常明显，风速在冬季11月至次年2月达到最大（＞50 m s−1），盛夏7～8月风速的垂直变化最弱，温度的垂直变化最强，大气高湿区在夏秋雨季位于350～550 hPa，在冬春干季升至300～400 hPa。（2）试验区6～7月上旬降水最多；春、秋、冬三季，300～400 hPa高度层作为大气上升运动和下沉运动的交界处，是云量的集中区；夏季，增多的水汽和增强的大气上升运动导致高云和总云量明显增多，中、低云减少。（3）夏季的地表潜热通量与大气总的潜热释放最强，大气净辐射冷却最弱，高原地区较强的地面感热导致试验区500 hPa以下的近地面全年存在暖平流，500 hPa以上则由于强烈的西风和辐射冷却存在冷平流。此外，试验区整层大气全年以干平流为主，但在夏季出现了较弱的湿平流。（4）视热源Q1具有明显的垂直分层特征：全年500 hPa以下大气表现为冷源，300～500 hPa和100～150 hPa表现为热源，150～300 hPa则在冬春干季表现为冷源，在夏秋雨季表现为热源，不同高度层的冷、热源的形成原因不同，其中夏季由于增强的上升运动、感热垂直输送和水汽凝结潜热以及高云的形成，因此几乎整层大气表现为热源。
2022, 46(4): 953-964.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2112.21191
摘要:
传统内涝风险预报系统多基于单一降雨产品驱动城市水文水动力模型的模式，难以解决由于暴雨观测或数值模拟带来的不确定性问题。综合利用多源降雨（雷达、地面雨量计，地面雨滴谱）、积水观测数据，有利于提高内涝预报精度，改善风险空间描述。因此，为了进一步加强洪涝预测能力以更好地应对极端暴雨威胁，本研究提出了基于综合观测的城市内涝风险预警系统，并在北京市清河流域进行了初步实践和检验。该系统包含六个模块，融合了新兴的降雨积水观测技术，引入了主流的降雨临近预报方法，采用了成熟的城市雨洪模拟手段，可为道路交通提供实时的积水深度和风险等级，为城市内涝灾害应急管理提供内涝风险预测和预警产品。
传统内涝风险预报系统多基于单一降雨产品驱动城市水文水动力模型的模式，难以解决由于暴雨观测或数值模拟带来的不确定性问题。综合利用多源降雨（雷达、地面雨量计，地面雨滴谱）、积水观测数据，有利于提高内涝预报精度，改善风险空间描述。因此，为了进一步加强洪涝预测能力以更好地应对极端暴雨威胁，本研究提出了基于综合观测的城市内涝风险预警系统，并在北京市清河流域进行了初步实践和检验。该系统包含六个模块，融合了新兴的降雨积水观测技术，引入了主流的降雨临近预报方法，采用了成熟的城市雨洪模拟手段，可为道路交通提供实时的积水深度和风险等级，为城市内涝灾害应急管理提供内涝风险预测和预警产品。
2022, 46(4): 965-988.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2201.21095
摘要:
本文选取2018年7月31日（简称“7.31”暴雨）和2016年8月8日（简称“8.8”暴雨）两次东天山哈密地区强降水天气过程，利用NCEP/NCAR的FNL资料（0.25°×0.25°）、中国地面卫星雷达三源融合逐小时降水产品、新疆地区常规观测资料、FY-2G卫星产品，通过对暴雨期间锋生函数计算诊断，证实了两次强降水过程中尺度对流系统触发因子差异，取得如下主要结果：（1）“7.31”暴雨期间，500 hPa西太平洋副热带高压位置异常偏北，700 hPa暖舌沿副高南侧偏东急流向西北伸展，低层增暖增湿，暴雨区上空形成不稳定大气层结，多个中尺度对流系统在700 hPa低空急流前生成，向东北方向移动和发展。“8.8”暴雨期间，500 hPa西太平洋副热带高压位置异常偏西，对流云团在对流层低层西南急流前生成向东北方向移动。（2）对流层低层暴雨区暖锋锋生是“7.31”暴雨中尺度对流云团的触发因子，云团初生阶段对流触发主要是锋生水平散度项和由垂直运动发展引起的倾斜项决定，成熟阶段暖锋锋生主要由锋生形变项和倾斜项所致。低空东南急流的维持加强利于锋面次级环流发展，是造成中尺度对流系统长时间维持的主要原因。（3）“8.8”暴雨对流云团由对流层低层弱冷锋触发。对流云团发展初始阶段，对流层低层冷锋锋生主要由水平辐散项决定；对流云团成熟阶段，对流层低层冷锋锋生主要由倾斜项决定。低层切变线长时间维持和加强利于低层冷锋进一步锋生，是造成中尺度对流系统长时间维持的主要原因。
本文选取2018年7月31日（简称“7.31”暴雨）和2016年8月8日（简称“8.8”暴雨）两次东天山哈密地区强降水天气过程，利用NCEP/NCAR的FNL资料（0.25°×0.25°）、中国地面卫星雷达三源融合逐小时降水产品、新疆地区常规观测资料、FY-2G卫星产品，通过对暴雨期间锋生函数计算诊断，证实了两次强降水过程中尺度对流系统触发因子差异，取得如下主要结果：（1）“7.31”暴雨期间，500 hPa西太平洋副热带高压位置异常偏北，700 hPa暖舌沿副高南侧偏东急流向西北伸展，低层增暖增湿，暴雨区上空形成不稳定大气层结，多个中尺度对流系统在700 hPa低空急流前生成，向东北方向移动和发展。“8.8”暴雨期间，500 hPa西太平洋副热带高压位置异常偏西，对流云团在对流层低层西南急流前生成向东北方向移动。（2）对流层低层暴雨区暖锋锋生是“7.31”暴雨中尺度对流云团的触发因子，云团初生阶段对流触发主要是锋生水平散度项和由垂直运动发展引起的倾斜项决定，成熟阶段暖锋锋生主要由锋生形变项和倾斜项所致。低空东南急流的维持加强利于锋面次级环流发展，是造成中尺度对流系统长时间维持的主要原因。（3）“8.8”暴雨对流云团由对流层低层弱冷锋触发。对流云团发展初始阶段，对流层低层冷锋锋生主要由水平辐散项决定；对流云团成熟阶段，对流层低层冷锋锋生主要由倾斜项决定。低层切变线长时间维持和加强利于低层冷锋进一步锋生，是造成中尺度对流系统长时间维持的主要原因。
2022, 46(4): 989-1001.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2205.21205
摘要:
由特殊喇叭口地形促成的四川雅安暴雨久已有名，研究颇多，而这一地区的暖区暴雨、夜发性暴雨的研究在业务预报和防灾减灾迫切需求的推动下也应加强。利用ERA5再分析资料，结合地面加密观测资料及中国气象局信息中心提供的三源融合近实时降水资料，对造成2020年8月10日四川雅安芦山的特大暴雨过程的动热力结构演变、触发机制和地形影响进行了诊断分析，揭示了弱天气尺度强迫及特殊地形影响背景下暖区暴雨的水汽、动热力结构演变及触发机制。研究得出：（1）此例暴雨属于500 hPa无明显影响系统、低层无急流背景下的东南风型暖区暴雨。在雅安“迎风坡”、“喇叭口”地形和芦山西南向“˄”型峡谷地形的影响下，配合西太副高西进、东南暖湿气流加强和850 hPa弱低涡辐合气流的共同作用而诱发产生，此次降水时间短，强度大。（2）降水开始到强盛期间，始终有边界层地形作用产生的抬升速度、气旋式涡度和水平辐合与系统性垂直上升运动、涡度和散度叠加，增强了低层辐合，加剧了垂直上升运动，促使降水加强。（3）差动θse平流使得暴雨区对流不稳定度增强。对流抑制能量为零的高能高湿环境中，500 hPa θse弱冷平流也是暖区暴雨触发的因素之一；傍晚地形冷平流触发了初始对流并沿海拔高度1500米地形线分布；暴雨区上游强降水造成雷暴冷池出流叠加山风在“˄”型峡谷西侧形成γ中尺度辐合线，并移至“˄”型谷地内维持；冷性气流在快速下山后亦以冷池形式维持在“˄”型峡谷东侧山脉附近，形成强温度梯度，这些因素触发并维持了芦山夜间特大暴雨。
由特殊喇叭口地形促成的四川雅安暴雨久已有名，研究颇多，而这一地区的暖区暴雨、夜发性暴雨的研究在业务预报和防灾减灾迫切需求的推动下也应加强。利用ERA5再分析资料，结合地面加密观测资料及中国气象局信息中心提供的三源融合近实时降水资料，对造成2020年8月10日四川雅安芦山的特大暴雨过程的动热力结构演变、触发机制和地形影响进行了诊断分析，揭示了弱天气尺度强迫及特殊地形影响背景下暖区暴雨的水汽、动热力结构演变及触发机制。研究得出：（1）此例暴雨属于500 hPa无明显影响系统、低层无急流背景下的东南风型暖区暴雨。在雅安“迎风坡”、“喇叭口”地形和芦山西南向“˄”型峡谷地形的影响下，配合西太副高西进、东南暖湿气流加强和850 hPa弱低涡辐合气流的共同作用而诱发产生，此次降水时间短，强度大。（2）降水开始到强盛期间，始终有边界层地形作用产生的抬升速度、气旋式涡度和水平辐合与系统性垂直上升运动、涡度和散度叠加，增强了低层辐合，加剧了垂直上升运动，促使降水加强。（3）差动θse平流使得暴雨区对流不稳定度增强。对流抑制能量为零的高能高湿环境中，500 hPa θse弱冷平流也是暖区暴雨触发的因素之一；傍晚地形冷平流触发了初始对流并沿海拔高度1500米地形线分布；暴雨区上游强降水造成雷暴冷池出流叠加山风在“˄”型峡谷西侧形成γ中尺度辐合线，并移至“˄”型谷地内维持；冷性气流在快速下山后亦以冷池形式维持在“˄”型峡谷东侧山脉附近，形成强温度梯度，这些因素触发并维持了芦山夜间特大暴雨。
2022, 46(4): 1002-1016.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2201.21237
摘要:
利用雨滴谱仪观测的雨滴谱数据，分析了2021年7月20日郑州极端暴雨的雨滴谱特征，并结合双偏振雷达观测，分析了不同定量降水估测（QPE）方法在此次极端暴雨过程中的性能。结果表明，在此次极端暴雨过程的最强降水时段，雨滴谱表现为很高的粒子数浓度和很大的粒子平均直径；而整个降水过程雨滴谱的截距参数与我国其它地区雨滴谱特征差异不明显，但质量加权平均直径大于其他地区的雨滴谱；在降水最强的2021年7月20日08:00～09:00（协调世界时，下同）前后，雨滴谱的特征发生了显著变化，首先是质量加权平均直径迅速增长，随后粒子数浓度也陡增，从而导致降水率的迅速增强。使用郑州双偏振雷达数据，基于各种QPE方法和参数计算得到了08:00～09:00的雷达反演降水量，并与雨量计观测结果比较。结果表明对于基于反射率的QPE关系（R(ZH)），如果不提高或者去除反射率上限进行QPE，会导致降水严重低估，且该方法对参数的准确性较为依赖；基于差传播相移率的QPE关系（R(Kdp)）对雨滴谱差异性敏感度相对较低，其性能主要依赖于差传播相移率的准确性；最优的R(Kdp)关系反演效果比R(ZH)更好，能达到实际降水量的70%以上。
利用雨滴谱仪观测的雨滴谱数据，分析了2021年7月20日郑州极端暴雨的雨滴谱特征，并结合双偏振雷达观测，分析了不同定量降水估测（QPE）方法在此次极端暴雨过程中的性能。结果表明，在此次极端暴雨过程的最强降水时段，雨滴谱表现为很高的粒子数浓度和很大的粒子平均直径；而整个降水过程雨滴谱的截距参数与我国其它地区雨滴谱特征差异不明显，但质量加权平均直径大于其他地区的雨滴谱；在降水最强的2021年7月20日08:00～09:00（协调世界时，下同）前后，雨滴谱的特征发生了显著变化，首先是质量加权平均直径迅速增长，随后粒子数浓度也陡增，从而导致降水率的迅速增强。使用郑州双偏振雷达数据，基于各种QPE方法和参数计算得到了08:00～09:00的雷达反演降水量，并与雨量计观测结果比较。结果表明对于基于反射率的QPE关系（R(ZH)），如果不提高或者去除反射率上限进行QPE，会导致降水严重低估，且该方法对参数的准确性较为依赖；基于差传播相移率的QPE关系（R(Kdp)）对雨滴谱差异性敏感度相对较低，其性能主要依赖于差传播相移率的准确性；最优的R(Kdp)关系反演效果比R(ZH)更好，能达到实际降水量的70%以上。
2022, 46(4): 1017-1029.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2204.21260
摘要:
青藏高原是我国的水塔，西风与季风及其相互作用是导致亚洲天气和气候变化最重要的环流系统。本文基于1981～2020年大气再分析资料，采用经验正交函数分解方法（Empirical Orthogonal Function，EOF）提取了西风与季风季节循环分量在青藏高原的耦合模态，并对其季节变化特征进行分析。研究发现，第一主模态方差贡献率高达78.39%，主要反映的是东亚季风、南亚季风和对流层高层中纬度西风的季节循环特征及各个季节的年际变化特征。夏季在对流层高层高原及其南侧主要为东风气流，范围从北纬5°至35°，对流层低层则表现为典型的绕高原气旋式季风环流系统，热带和副热带地区为西南季风控制，冬季的环流结构刚好相反。耦合模态的冬、夏季节转换节点与东亚季风和南亚季风的季节转换时间基本一致。从年际变化的角度来看，各个季节耦合模态的强度偏强时，东亚季风和南亚季风均偏强，西风带位置偏北；反之，季风偏弱，西风带位置偏南。厄尔尼诺—南方涛动（El Niño–Southern Oscillation，ENSO）是影响西风与季风耦合模态年际变化的关键外强迫，拉尼娜（La Niña）事件发生的前夏、前秋和次年夏季耦合模态的强度均增强，冬季至次年春季耦合模态的强度均减弱。西风与季风耦合的第二主模态主要表现为对流层高层高原上的东风及其南侧西风，以及低层南亚季风区的西南季风和西北太平洋反气旋的协同变化特征。该模态的方差贡献率为4.68%，表现出明显年际差异的同时还呈现显著减弱的长期趋势，尤其是在冬季。
青藏高原是我国的水塔，西风与季风及其相互作用是导致亚洲天气和气候变化最重要的环流系统。本文基于1981～2020年大气再分析资料，采用经验正交函数分解方法（Empirical Orthogonal Function，EOF）提取了西风与季风季节循环分量在青藏高原的耦合模态，并对其季节变化特征进行分析。研究发现，第一主模态方差贡献率高达78.39%，主要反映的是东亚季风、南亚季风和对流层高层中纬度西风的季节循环特征及各个季节的年际变化特征。夏季在对流层高层高原及其南侧主要为东风气流，范围从北纬5°至35°，对流层低层则表现为典型的绕高原气旋式季风环流系统，热带和副热带地区为西南季风控制，冬季的环流结构刚好相反。耦合模态的冬、夏季节转换节点与东亚季风和南亚季风的季节转换时间基本一致。从年际变化的角度来看，各个季节耦合模态的强度偏强时，东亚季风和南亚季风均偏强，西风带位置偏北；反之，季风偏弱，西风带位置偏南。厄尔尼诺—南方涛动（El Niño–Southern Oscillation，ENSO）是影响西风与季风耦合模态年际变化的关键外强迫，拉尼娜（La Niña）事件发生的前夏、前秋和次年夏季耦合模态的强度均增强，冬季至次年春季耦合模态的强度均减弱。西风与季风耦合的第二主模态主要表现为对流层高层高原上的东风及其南侧西风，以及低层南亚季风区的西南季风和西北太平洋反气旋的协同变化特征。该模态的方差贡献率为4.68%，表现出明显年际差异的同时还呈现显著减弱的长期趋势，尤其是在冬季。
2022, 46(4): 1030-1040.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2106.21061
摘要:
青藏高原上空云宏观参数的日变化受大尺度环流、当地太阳辐射和地表过程的联合作用，对辐射收支、辐射传输及感热、潜热的分布等有重要影响。由于缺乏持续定量的观测，对各类天气系统云宏观参数日变化特征的了解还十分不足。多波段多大气成分主被动综合探测系统APSOS（Atmospheric Profiling Synthetic Observation System）的Ka波段云雷达是首部在青藏高原实现长期观测云的雷达。本文基于2019年全年APSOS的Ka波段云雷达资料，采用统计和快速傅里叶变换方法研究了西风槽、切变线和低涡三类重要天气系统影响下的有云频率、单层非降水云或者降水云非降水时段的云顶高度、云底高度和云厚日变化的时域和频域特征，得到了统计回归方程。主要结论有：（1）西风槽系统日均有云频率为56.9%，切变线系统为50.8%，低涡系统达73%。（2）尽管西风槽和切变线系统的成因不同，但两类系统云宏观参数的日变化趋势和主要谐波周期相似：日变化趋势基本为单峰单谷型，日出前最低，日落前最高。有云频率表现为日变化和半日变化，单层云云顶高度、云底高度和云厚主要表现为日变化。（3）低涡系统云宏观参数的日变化特征与前两类系统明显不同：日变化趋势表现为多峰多谷型，虽然有云频率和单层云云顶高度、云底高度主要谐波中均以日变化振幅最大，但频谱分布分散，云厚主要变化中振幅最大的是周期为4.8 h的波动。（4）得到了各系统有云频率、单层云云顶高度、云底高度和云厚日变化的统计回归方程。
青藏高原上空云宏观参数的日变化受大尺度环流、当地太阳辐射和地表过程的联合作用，对辐射收支、辐射传输及感热、潜热的分布等有重要影响。由于缺乏持续定量的观测，对各类天气系统云宏观参数日变化特征的了解还十分不足。多波段多大气成分主被动综合探测系统APSOS（Atmospheric Profiling Synthetic Observation System）的Ka波段云雷达是首部在青藏高原实现长期观测云的雷达。本文基于2019年全年APSOS的Ka波段云雷达资料，采用统计和快速傅里叶变换方法研究了西风槽、切变线和低涡三类重要天气系统影响下的有云频率、单层非降水云或者降水云非降水时段的云顶高度、云底高度和云厚日变化的时域和频域特征，得到了统计回归方程。主要结论有：（1）西风槽系统日均有云频率为56.9%，切变线系统为50.8%，低涡系统达73%。（2）尽管西风槽和切变线系统的成因不同，但两类系统云宏观参数的日变化趋势和主要谐波周期相似：日变化趋势基本为单峰单谷型，日出前最低，日落前最高。有云频率表现为日变化和半日变化，单层云云顶高度、云底高度和云厚主要表现为日变化。（3）低涡系统云宏观参数的日变化特征与前两类系统明显不同：日变化趋势表现为多峰多谷型，虽然有云频率和单层云云顶高度、云底高度主要谐波中均以日变化振幅最大，但频谱分布分散，云厚主要变化中振幅最大的是周期为4.8 h的波动。（4）得到了各系统有云频率、单层云云顶高度、云底高度和云厚日变化的统计回归方程。
