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2023年 第47卷 第5期
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2023,
47(5):
1295-1308. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2112.20247
摘要:
本文采用多源卫星融合数据、海洋气象漂流观测仪直接测量数据、Argo浮标的数据以及分析数据集，分析2019年超强台风利奇马过境时海面温度（SST）以及海温垂直剖面的时空变化。结果表明，“利奇马”过境前后，SST最大降温可达5°C以上，并且降温区域集中在台风路径的右侧；“利奇马”过境导致近表层与次表层水体的垂直混合，次表层水体被加热，使混合层深度增加，深层海水温度升高。通过各类数据分析，发现“利奇马”过境后引起的SST降温核心区域的形成滞后于“利奇马”台风中心区域约1～2天。在各类数据的对比分析中，由于海洋气象漂流观测仪的数据是直接测量的，且采样频次高，能够更加细致和准确的捕捉到温度的变化，且可以作为用于卫星数据校正的重要参考。另外，不同海洋区域的降温还与海洋环境有关，台风靠近黑潮，降温主要集中在混合层，台风远离黑潮，降温可以延伸到温跃层。
本文采用多源卫星融合数据、海洋气象漂流观测仪直接测量数据、Argo浮标的数据以及分析数据集，分析2019年超强台风利奇马过境时海面温度（SST）以及海温垂直剖面的时空变化。结果表明，“利奇马”过境前后，SST最大降温可达5°C以上，并且降温区域集中在台风路径的右侧；“利奇马”过境导致近表层与次表层水体的垂直混合，次表层水体被加热，使混合层深度增加，深层海水温度升高。通过各类数据分析，发现“利奇马”过境后引起的SST降温核心区域的形成滞后于“利奇马”台风中心区域约1～2天。在各类数据的对比分析中，由于海洋气象漂流观测仪的数据是直接测量的，且采样频次高，能够更加细致和准确的捕捉到温度的变化，且可以作为用于卫星数据校正的重要参考。另外，不同海洋区域的降温还与海洋环境有关，台风靠近黑潮，降温主要集中在混合层，台风远离黑潮，降温可以延伸到温跃层。
2023,
47(5):
1309-1324. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2108.21108
摘要:
利用1979～2019年全国160站逐月降水资料、Hadley中心海表面温度资料、NOAA的向外长波辐射资料以及NCEP/NCAR再分析资料，结合相关分析、信息流以及合成分析方法，分析了夏季热带大西洋海温变化对华南前汛期降水的影响。结果表明：前一年夏季热带大西洋海温升高（降低）在一定程度上导致了华南前汛期降水的减少（增多）。关键区（10°S～5°N，35°W～10°E）海温偏暖增强了Walker环流导致赤道太平洋下沉辐散增强，造成赤道中西部太平洋上空的东风异常，在海气相互作用下促进了随后秋冬季La Niña的发展。海温负异常时形势则大致相反，促进了El Niño的发展。冬季太平洋La Niña（El Niño）发展到最盛期，西太平洋的对流增强（减弱）在其北侧低对流层激发出异常气旋（反气旋）。直到第二年的前汛期，仍存在残余的海温异常形势，这一方面使得西北太平洋异常气旋（反气旋）依然维持，有利于西太平洋副热带高压减弱东退（加强西伸），减少（增多）了南海水汽向华南的输送；另一方面有利于热带地区对流活跃（抑制）从而增强（减弱）了局地Hadley环流，造成华南地区为下沉（上升）运动异常，抑制（增强）了对流。除此之外，赤道东太平洋的海温负（正）异常激发了指向北美洲的类太平洋—北美波列，北大西洋的海温异常在其基础上进一步激发了向下游传播的欧亚波列，使得欧亚中高纬呈现负（正）—正（负）—负（正）的位势高度异常特征，不利于（有利于）冷空气南下影响华南，最终造成前汛期降水负（正）异常。
利用1979～2019年全国160站逐月降水资料、Hadley中心海表面温度资料、NOAA的向外长波辐射资料以及NCEP/NCAR再分析资料，结合相关分析、信息流以及合成分析方法，分析了夏季热带大西洋海温变化对华南前汛期降水的影响。结果表明：前一年夏季热带大西洋海温升高（降低）在一定程度上导致了华南前汛期降水的减少（增多）。关键区（10°S～5°N，35°W～10°E）海温偏暖增强了Walker环流导致赤道太平洋下沉辐散增强，造成赤道中西部太平洋上空的东风异常，在海气相互作用下促进了随后秋冬季La Niña的发展。海温负异常时形势则大致相反，促进了El Niño的发展。冬季太平洋La Niña（El Niño）发展到最盛期，西太平洋的对流增强（减弱）在其北侧低对流层激发出异常气旋（反气旋）。直到第二年的前汛期，仍存在残余的海温异常形势，这一方面使得西北太平洋异常气旋（反气旋）依然维持，有利于西太平洋副热带高压减弱东退（加强西伸），减少（增多）了南海水汽向华南的输送；另一方面有利于热带地区对流活跃（抑制）从而增强（减弱）了局地Hadley环流，造成华南地区为下沉（上升）运动异常，抑制（增强）了对流。除此之外，赤道东太平洋的海温负（正）异常激发了指向北美洲的类太平洋—北美波列，北大西洋的海温异常在其基础上进一步激发了向下游传播的欧亚波列，使得欧亚中高纬呈现负（正）—正（负）—负（正）的位势高度异常特征，不利于（有利于）冷空气南下影响华南，最终造成前汛期降水负（正）异常。
2023,
47(5):
1325-1340. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2204.21123
摘要:
本文利用近60年我国气象站的日最高气温、降水资料以及NCEP/NCAR大气多要素等全球格点资料，基于华南区域性持续高温历史过程定义夏季区域性持续高温指数（RPH），分析影响华南夏季区域性持续高温年际异常的大气环流及下垫面海温因子。主要结果表明，在华南夏季持续高温偏重年，华南区域对流层高、中、低层均受反气旋性环流异常控制，在华南上空垂直方向上表现出深厚的大气动力和热力异常，华南夏季持续性高温的年际异常也与欧亚东传波列和热带大范围环流异常密切联系。热带印度洋、热带太平洋以及北大西洋三大洋海温异常共同影响华南区域性持续高温的年际异常，其中热带印度洋、太平洋海温异常主要有利于南海—西太平洋反气旋性环流异常的形成，使副热带高压偏西偏强，北大西洋海温异常则有利于高层欧亚波列的加强，使南亚高压在东亚地区加强东伸。在各区域海温异常共同作用下，华南在对流层高、低层反气旋性环流的控制下，大气产生强烈的下沉运动，一方面大气绝热增温，另一方面使大气晴空少云、地面接收更多的太阳辐射，从而有利于高温偏重。
本文利用近60年我国气象站的日最高气温、降水资料以及NCEP/NCAR大气多要素等全球格点资料，基于华南区域性持续高温历史过程定义夏季区域性持续高温指数（RPH），分析影响华南夏季区域性持续高温年际异常的大气环流及下垫面海温因子。主要结果表明，在华南夏季持续高温偏重年，华南区域对流层高、中、低层均受反气旋性环流异常控制，在华南上空垂直方向上表现出深厚的大气动力和热力异常，华南夏季持续性高温的年际异常也与欧亚东传波列和热带大范围环流异常密切联系。热带印度洋、热带太平洋以及北大西洋三大洋海温异常共同影响华南区域性持续高温的年际异常，其中热带印度洋、太平洋海温异常主要有利于南海—西太平洋反气旋性环流异常的形成，使副热带高压偏西偏强，北大西洋海温异常则有利于高层欧亚波列的加强，使南亚高压在东亚地区加强东伸。在各区域海温异常共同作用下，华南在对流层高、低层反气旋性环流的控制下，大气产生强烈的下沉运动，一方面大气绝热增温，另一方面使大气晴空少云、地面接收更多的太阳辐射，从而有利于高温偏重。
2023,
47(5):
1341-1354. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2203.21125
摘要:
研究表明东亚地区严重的近地层空气污染与高空急流之间存在着一定的联系。本文利NCEP/NCAR逐日风场、垂直速度资料以及Science Data Bank的地面污染物和气象要素数据，运用统计分析法研究了冬季东亚高空急流与近地面空气污染物高浓度区的关系并初步探讨了两者之间的作用机制。结果表明，2013～2018年冬季我国华北平原是颗粒物的高值区，华北平原污染物PM2.5、PM10的平均浓度分别为80.65 μg m−3、118.62 μg m−3，超标天数分别共计459 d、489 d。颗粒物浓度均呈逐年缓慢下降趋势，PM2.5/PM10平均浓度约为0.65，该比值保持多年稳定。该地区的空气污染物浓度与东亚高空温带急流和副热带急流之间的强度反位相变化关系显著，两者可能通过地面温度以及经向风进而产生联系。当冬季高空温带急流强度偏强时，平均状态下副热带急流强度会偏弱，温带急流与副热带急流之间通过次级环流进行质量交换并稳定在这一状态，此时由于华北平原处于减弱的副热带急流右侧，上升气流减弱，地面温度升高，有增强的异常南风出现，有利于华北平原中部的PM10、北部PM2.5的堆积。反之，当冬季高空温带急流强度偏弱时，平均状态下副热带急流强度会偏强，此时上升气流增强，地面温度降低，有减弱的异常北风出现，此时不利于华北平原中部的PM10、北部PM2.5的堆积。
研究表明东亚地区严重的近地层空气污染与高空急流之间存在着一定的联系。本文利NCEP/NCAR逐日风场、垂直速度资料以及Science Data Bank的地面污染物和气象要素数据，运用统计分析法研究了冬季东亚高空急流与近地面空气污染物高浓度区的关系并初步探讨了两者之间的作用机制。结果表明，2013～2018年冬季我国华北平原是颗粒物的高值区，华北平原污染物PM2.5、PM10的平均浓度分别为80.65 μg m−3、118.62 μg m−3，超标天数分别共计459 d、489 d。颗粒物浓度均呈逐年缓慢下降趋势，PM2.5/PM10平均浓度约为0.65，该比值保持多年稳定。该地区的空气污染物浓度与东亚高空温带急流和副热带急流之间的强度反位相变化关系显著，两者可能通过地面温度以及经向风进而产生联系。当冬季高空温带急流强度偏强时，平均状态下副热带急流强度会偏弱，温带急流与副热带急流之间通过次级环流进行质量交换并稳定在这一状态，此时由于华北平原处于减弱的副热带急流右侧，上升气流减弱，地面温度升高，有增强的异常南风出现，有利于华北平原中部的PM10、北部PM2.5的堆积。反之，当冬季高空温带急流强度偏弱时，平均状态下副热带急流强度会偏强，此时上升气流增强，地面温度降低，有减弱的异常北风出现，此时不利于华北平原中部的PM10、北部PM2.5的堆积。
2023,
47(5):
1355-1374. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2111.21143
摘要:
基于1980～2019年11月至翌年3月全国低温灾害性天气文字记录，结合高精度再分析资料NASA MERRA2，构建了我国低温灾害（低温、降温、冰冻、雨雪、雪灾）的精细化格点数据，采用线性趋势分析、集合经验模态分解（EEMD）和小波分析等方法研究了我国低温灾害的时空分布特征，初步描绘了我国低温灾害图谱。研究表明：干低温灾害（低温、降温、冰冻）往往不是单一灾种致灾，而湿低温灾害（雨雪、雪灾）多为单一灾种致灾。不同灾种的发生频次具有显著的区域和季节内差异：1月低温的致灾范围最广，发生频次由南向北呈现“高—低—次高”的三极型分布；降温灾害在12月发生频次最多，呈“东高西低”分布；雨雪灾害在1～2月的南方地区发生最多；雪灾发生频次明显多于前四个灾种，多分布在牧区等高敏感地带。就全国而言，干低温和雨雪灾害的发生频次和受灾面积呈现长期上升趋势，而雪灾则在前后冬有相反趋势，其受灾面积的上升趋势主要来自1月，发生频次的减少趋势来自3月；干低温和雨雪灾害的灾情指数年代际变率在2000年之后波动增加，而雪灾则在2000年之前变率较大；大部分低温灾种（除雪灾）发生频次的年际变率在2005年后均有显著增加。单一灾种中，仅降温受灾面积有显著的上升趋势，主要归因于1月。复合灾种中，降温与湿低温的组合呈显著上升趋势。
基于1980～2019年11月至翌年3月全国低温灾害性天气文字记录，结合高精度再分析资料NASA MERRA2，构建了我国低温灾害（低温、降温、冰冻、雨雪、雪灾）的精细化格点数据，采用线性趋势分析、集合经验模态分解（EEMD）和小波分析等方法研究了我国低温灾害的时空分布特征，初步描绘了我国低温灾害图谱。研究表明：干低温灾害（低温、降温、冰冻）往往不是单一灾种致灾，而湿低温灾害（雨雪、雪灾）多为单一灾种致灾。不同灾种的发生频次具有显著的区域和季节内差异：1月低温的致灾范围最广，发生频次由南向北呈现“高—低—次高”的三极型分布；降温灾害在12月发生频次最多，呈“东高西低”分布；雨雪灾害在1～2月的南方地区发生最多；雪灾发生频次明显多于前四个灾种，多分布在牧区等高敏感地带。就全国而言，干低温和雨雪灾害的发生频次和受灾面积呈现长期上升趋势，而雪灾则在前后冬有相反趋势，其受灾面积的上升趋势主要来自1月，发生频次的减少趋势来自3月；干低温和雨雪灾害的灾情指数年代际变率在2000年之后波动增加，而雪灾则在2000年之前变率较大；大部分低温灾种（除雪灾）发生频次的年际变率在2005年后均有显著增加。单一灾种中，仅降温受灾面积有显著的上升趋势，主要归因于1月。复合灾种中，降温与湿低温的组合呈显著上升趋势。
2023,
47(5):
1375-1387. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2202.21138
摘要:
为进一步提高雾中能见度的预报准确度，本文基于安徽黄山站2008年4～7月、2009年5～8月、2011年5～9月和湖北恩施山顶站2009年1～3月的雾微物理等观测资料，建立了新的雾中能见度诊断方案，并加以检验。首先，对已有的能见度诊断方案进行比较，验证了能见度方案同时包含数浓度和含水量的重要性。其次，在已有的方案中，能见度与微物理量之间函数关系式的系数往往取作常数，但研究发现这些系数与微物理量本身紧密相关。先利用黄山2008年一半的雾观测数据建立了拟合系数与数浓度之间的关系，改进了能见度的诊断方案。然后把黄山2008年另一半、2009、2011年和恩施2009年的数据作为独立数据，对改进后新方案进行验证，结果均表明新方案能更好地计算能见度。
为进一步提高雾中能见度的预报准确度，本文基于安徽黄山站2008年4～7月、2009年5～8月、2011年5～9月和湖北恩施山顶站2009年1～3月的雾微物理等观测资料，建立了新的雾中能见度诊断方案，并加以检验。首先，对已有的能见度诊断方案进行比较，验证了能见度方案同时包含数浓度和含水量的重要性。其次，在已有的方案中，能见度与微物理量之间函数关系式的系数往往取作常数，但研究发现这些系数与微物理量本身紧密相关。先利用黄山2008年一半的雾观测数据建立了拟合系数与数浓度之间的关系，改进了能见度的诊断方案。然后把黄山2008年另一半、2009、2011年和恩施2009年的数据作为独立数据，对改进后新方案进行验证，结果均表明新方案能更好地计算能见度。
2023,
47(5):
1388-1404. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2110.21144
摘要:
亚洲季风降水的季节演变对亚洲农业生产和社会经济有重要的影响。本文通过与观测资料对比，评估了中国科学院大气物理研究所研发的最新版本的气候系统模式FGOALS-g3相对于上一版本FGOALS-g2对亚洲季风降水季节演变的模拟能力，并通过与FGOALS-g3海温驱动的大气模式结果对比，研究海气相互作用对季风降水量年循环模拟的影响。结果表明，FGOALS-g3提高了对南亚和西北太平洋降水量年循环的模拟能力，部分源于大气模式的改进，但对其他区域模拟性能改进不明显。FGOALS-g3对西北太平洋季风爆发、撤退、峰值和持续时间、阿拉伯海东部季风撤退和持续时间以及印度半岛至中国南海季风峰值时间的模拟偏差有所改进，且考虑模式自身海气耦合过程后，可显著改善西北太平洋区域降水量年循环等模拟偏差。与FGOALS-g2相比，在南亚和中南半岛区域，FGOALS-g3模拟的季风爆发更晚，这是由非洲大陆降水量干偏差导致索马里越赤道急流减弱，加剧该区域5月负降水量偏差导致。在西北太平洋，FGOALS-g3显著改善了季风爆发西侧推迟而东侧提前的模拟偏差，原因是太平洋东暖西冷的海温偏差显著减小，局地Hadley环流增强，在该区域产生异常下沉运动，减小了西侧1月降水量湿偏差，使5月相对于1月的降水量增加，而东侧5月降水量与1月降水量的干偏差得以互相抵消。研究表明热带大尺度海温型模拟偏差的改进对提高亚洲季风降水量年循环的模拟能力有重要作用。
亚洲季风降水的季节演变对亚洲农业生产和社会经济有重要的影响。本文通过与观测资料对比，评估了中国科学院大气物理研究所研发的最新版本的气候系统模式FGOALS-g3相对于上一版本FGOALS-g2对亚洲季风降水季节演变的模拟能力，并通过与FGOALS-g3海温驱动的大气模式结果对比，研究海气相互作用对季风降水量年循环模拟的影响。结果表明，FGOALS-g3提高了对南亚和西北太平洋降水量年循环的模拟能力，部分源于大气模式的改进，但对其他区域模拟性能改进不明显。FGOALS-g3对西北太平洋季风爆发、撤退、峰值和持续时间、阿拉伯海东部季风撤退和持续时间以及印度半岛至中国南海季风峰值时间的模拟偏差有所改进，且考虑模式自身海气耦合过程后，可显著改善西北太平洋区域降水量年循环等模拟偏差。与FGOALS-g2相比，在南亚和中南半岛区域，FGOALS-g3模拟的季风爆发更晚，这是由非洲大陆降水量干偏差导致索马里越赤道急流减弱，加剧该区域5月负降水量偏差导致。在西北太平洋，FGOALS-g3显著改善了季风爆发西侧推迟而东侧提前的模拟偏差，原因是太平洋东暖西冷的海温偏差显著减小，局地Hadley环流增强，在该区域产生异常下沉运动，减小了西侧1月降水量湿偏差，使5月相对于1月的降水量增加，而东侧5月降水量与1月降水量的干偏差得以互相抵消。研究表明热带大尺度海温型模拟偏差的改进对提高亚洲季风降水量年循环的模拟能力有重要作用。
2023,
47(5):
1405-1420. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2112.21154
摘要:
本文利用国际耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）中22个全球气候模式试验数据，通过MR评分（Comprehensive Rating Metrics）方法进行评估，择优选取了GFDL-CM4、EC-Earth3、MIROC6等10个模式，使用这些模式在SSP245和SSP585两种共享社会经济路径（SSPs）下的预估试验数据，对未来30年（2021～2050年）长江流域夏季降水，特别是极端降水事件的时空演变特征，进行了预估。结果显示，两种不同排放情景下，相对于1980～2010年的平均，流域总降水量（PRCPTOT）、降水强度（SDII）均呈现显著增加趋势，特别是在上游高原和中下游平原地区；降水频次（R1mm）上游减少，中下游增加，二者相抵导致了流域降水频次整体变化不明显；强降水量（R95p）增加约9.6％、16.5%（SSP245、SSP585），极端降水量（R99p）增加约10.2％、15.5%，最大5日降水量（RX5day）也为增长趋势；连续无降水日数（CDD）在整个流域呈现增多，特别是上游地区。两种排放情景相比较，高情景（SSP585）下的变化强度要比中低情景（SSP245）大。这些结果意味着，未来30年长江流域降水气候可能变得更为极端，不仅总降水量增加，暴雨、大暴雨易于出现，而且连续无雨日长度也增加，干旱变得更为频繁。特别地，中下游地区要警惕发生极端暴雨、极端洪涝的风险，而上游地区要警惕发生干旱、极端干旱的风险。
本文利用国际耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）中22个全球气候模式试验数据，通过MR评分（Comprehensive Rating Metrics）方法进行评估，择优选取了GFDL-CM4、EC-Earth3、MIROC6等10个模式，使用这些模式在SSP245和SSP585两种共享社会经济路径（SSPs）下的预估试验数据，对未来30年（2021～2050年）长江流域夏季降水，特别是极端降水事件的时空演变特征，进行了预估。结果显示，两种不同排放情景下，相对于1980～2010年的平均，流域总降水量（PRCPTOT）、降水强度（SDII）均呈现显著增加趋势，特别是在上游高原和中下游平原地区；降水频次（R1mm）上游减少，中下游增加，二者相抵导致了流域降水频次整体变化不明显；强降水量（R95p）增加约9.6％、16.5%（SSP245、SSP585），极端降水量（R99p）增加约10.2％、15.5%，最大5日降水量（RX5day）也为增长趋势；连续无降水日数（CDD）在整个流域呈现增多，特别是上游地区。两种排放情景相比较，高情景（SSP585）下的变化强度要比中低情景（SSP245）大。这些结果意味着，未来30年长江流域降水气候可能变得更为极端，不仅总降水量增加，暴雨、大暴雨易于出现，而且连续无雨日长度也增加，干旱变得更为频繁。特别地，中下游地区要警惕发生极端暴雨、极端洪涝的风险，而上游地区要警惕发生干旱、极端干旱的风险。
2023,
47(5):
1421-1433. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2202.21166
摘要:
2020年岁末至2021年初前后两次强寒潮侵入我国，引起大范围的强烈而持续的降温。本文对于其相应的环流特点及成因进行了分析研究，主要结论是：（1）从环流形势看，两次寒潮的发展过程，都是属于“横槽转竖”的类型。但是，自2020年的12月中旬至第二次寒潮结束，乌拉尔地区始终维持着宽广的高压脊（阻高），并未出现阻塞崩溃或不连续后退的现象。这与多数东亚地区寒潮爆发时的环流特点有差别。（2）乌拉尔阻塞高压及其脊前北风的加强和维持，使其前侧的斜压性大大加强。下游槽底的等高线日益密集，冷平流也不断发展，增强和向南推进。这些都推动了西伯利亚高压的加强和南扩。（3）在两次寒潮过程发生之前，源自0°E附近的低频静止波能量向东传播，有利于乌拉尔高压脊的维持、加强以及其下游低槽发展，为冷空气的向南爆发提供有利条件。
2020年岁末至2021年初前后两次强寒潮侵入我国，引起大范围的强烈而持续的降温。本文对于其相应的环流特点及成因进行了分析研究，主要结论是：（1）从环流形势看，两次寒潮的发展过程，都是属于“横槽转竖”的类型。但是，自2020年的12月中旬至第二次寒潮结束，乌拉尔地区始终维持着宽广的高压脊（阻高），并未出现阻塞崩溃或不连续后退的现象。这与多数东亚地区寒潮爆发时的环流特点有差别。（2）乌拉尔阻塞高压及其脊前北风的加强和维持，使其前侧的斜压性大大加强。下游槽底的等高线日益密集，冷平流也不断发展，增强和向南推进。这些都推动了西伯利亚高压的加强和南扩。（3）在两次寒潮过程发生之前，源自0°E附近的低频静止波能量向东传播，有利于乌拉尔高压脊的维持、加强以及其下游低槽发展，为冷空气的向南爆发提供有利条件。
2023,
47(5):
1434-1450. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2111.21178
摘要:
中尺度涡旋是引发强降水等一系列气象灾害的重要天气系统之一，中尺度涡旋识别是对其进行研究的重要基础。目前，如何客观准确地识别中尺度涡旋并对其进行较全面的评估仍是一项充满挑战的任务。本文从我国中尺度涡旋的基本特征出发，提出了一种基于风场和相对涡度场的涡旋识别标准并发展了适用于高分辨率格点数据的中尺度涡旋客观识别算法。该算法能准确识别出中尺度气旋性环流并定位涡旋中心，较现有常规中尺度涡旋识别方法而言，具有误判率低、定位精度高等特点。本文将该客观识别算法应用于长江流域频发的3类中尺度涡旋（高原涡、西南涡、大别山涡）的识别中，结果表明对于不同时间段、不同分辨率的再分析资料（逐6小时的0.5°×0.5°NCEP CFSR再分析资料、逐小时的0.25°×0.25°ERA5再分析资料），本识别算法对3类中尺度涡旋均有较好的识别效果。本文基于1979～2020年共42年暖季（5～9月）大别山涡的数据集（共计36357时次）对新发展的中尺度涡旋客观识别算法进行了定量评估，结果表明本算法能够长期稳定地识别涡旋，42年的平均命中率为95.5%。此外，本文提出了涡旋连续性判定和三维追踪方案，较现有常规中尺度涡旋追踪方法具有显著优势。
中尺度涡旋是引发强降水等一系列气象灾害的重要天气系统之一，中尺度涡旋识别是对其进行研究的重要基础。目前，如何客观准确地识别中尺度涡旋并对其进行较全面的评估仍是一项充满挑战的任务。本文从我国中尺度涡旋的基本特征出发，提出了一种基于风场和相对涡度场的涡旋识别标准并发展了适用于高分辨率格点数据的中尺度涡旋客观识别算法。该算法能准确识别出中尺度气旋性环流并定位涡旋中心，较现有常规中尺度涡旋识别方法而言，具有误判率低、定位精度高等特点。本文将该客观识别算法应用于长江流域频发的3类中尺度涡旋（高原涡、西南涡、大别山涡）的识别中，结果表明对于不同时间段、不同分辨率的再分析资料（逐6小时的0.5°×0.5°NCEP CFSR再分析资料、逐小时的0.25°×0.25°ERA5再分析资料），本识别算法对3类中尺度涡旋均有较好的识别效果。本文基于1979～2020年共42年暖季（5～9月）大别山涡的数据集（共计36357时次）对新发展的中尺度涡旋客观识别算法进行了定量评估，结果表明本算法能够长期稳定地识别涡旋，42年的平均命中率为95.5%。此外，本文提出了涡旋连续性判定和三维追踪方案，较现有常规中尺度涡旋追踪方法具有显著优势。
2023,
47(5):
1451-1465. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2203.21180
摘要:
本文利用飞机云物理探测系统观测数据，分析了2017年河北南部一次暖锋影响下的降雪云系微物理特征。受到西南涡暖锋暖湿输送带WCB（Warm Conveyor Belt）的影响，降雪前期云系可分为三层结构，上层为比较稀疏的冰云，冰雪晶单晶为主且粒径较小；中间层云厚与暖输送带厚度相当（0.9 km），其中液态水含量最大可达0.51 g m−3，冰晶非常稀少，云内液态含水量廓线与绝热含水量非常接近；下层云为纯冰云，冰雪晶粒子数浓度比云系上部高两个量级，粒子谱宽显著大于云系上部，冰雪晶粒子形状以柱状、柱状束和霰粒子为主，霰粒子是云系高层的单晶在过冷水丰富的云层中凇附增长下落形成的，并通过Hallett-Mossop繁生机制产生大量柱状冰晶。暖湿输送带中丰富的过冷水对降雪前期冰晶凇附、繁生等微物理过程有极为重要的影响。降雪后期，700 hPa急流轴移出观测区，云系垂直混合较为均匀，此时云中观测到的粒子以片状冰雪晶为主，在云系上部片状聚合体粒径较小，越向下片状聚合体粒径越大，体现了冰雪晶粒子在下落过程中的碰连增长。
本文利用飞机云物理探测系统观测数据，分析了2017年河北南部一次暖锋影响下的降雪云系微物理特征。受到西南涡暖锋暖湿输送带WCB（Warm Conveyor Belt）的影响，降雪前期云系可分为三层结构，上层为比较稀疏的冰云，冰雪晶单晶为主且粒径较小；中间层云厚与暖输送带厚度相当（0.9 km），其中液态水含量最大可达0.51 g m−3，冰晶非常稀少，云内液态含水量廓线与绝热含水量非常接近；下层云为纯冰云，冰雪晶粒子数浓度比云系上部高两个量级，粒子谱宽显著大于云系上部，冰雪晶粒子形状以柱状、柱状束和霰粒子为主，霰粒子是云系高层的单晶在过冷水丰富的云层中凇附增长下落形成的，并通过Hallett-Mossop繁生机制产生大量柱状冰晶。暖湿输送带中丰富的过冷水对降雪前期冰晶凇附、繁生等微物理过程有极为重要的影响。降雪后期，700 hPa急流轴移出观测区，云系垂直混合较为均匀，此时云中观测到的粒子以片状冰雪晶为主，在云系上部片状聚合体粒径较小，越向下片状聚合体粒径越大，体现了冰雪晶粒子在下落过程中的碰连增长。
2023,
47(5):
1466-1480. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2111.21184
摘要:
由于受到东亚副热带夏季风复杂变化的影响，华北夏季降水的年际变化预测一直是我国季节气候预测的难点。本文采用1979～2020年中国站点日降水数据和CRA-40大气再分析资料，通过谐波分解、MV-EOF分析等统计方法，研究了东亚副热带季风季节循环年际变化对华北夏季降水的影响。结果表明：在气候态上，华北降水相关的季节循环在850 hPa风场上主要表现为东南风和西南风主导两种模态，其中，西南风主导的降水在7月初达到峰值，而东南风主导的降水在7月底达到峰值。在年际尺度上，季节循环前两个主模态中的华北降水虽然表现为区域一致性变化特点，但在夏季先后受到西南风和东南风的影响。通过对季节循环华北夏季风雨季的开始时间（P1）、峰值时间（P2）、结束时间（P3）、持续时间（Dur）和振幅（Amp）与夏季（6～8月）降水年际变化分析，我们发现东南风主导的季节循环的P1、P3和Amp与华北夏季降水异常呈显著正相关，而P2和Dur与华北夏季降水异常呈负相关。西南风主导的季节循环的P2、P3和Amp与华北夏季降水异常均呈显著正相关。其中，东南风季节循环的位相（P1、P2、P3）变化与夏季西南风的强度有关，而其幅度（Amp）变化主要取决于东南风的强度。由于东南风主导的夏季降水开始于每年的4～5月份，其建立的早晚为6～8月夏季降水的季节预测提供了一个新的参考指标。
由于受到东亚副热带夏季风复杂变化的影响，华北夏季降水的年际变化预测一直是我国季节气候预测的难点。本文采用1979～2020年中国站点日降水数据和CRA-40大气再分析资料，通过谐波分解、MV-EOF分析等统计方法，研究了东亚副热带季风季节循环年际变化对华北夏季降水的影响。结果表明：在气候态上，华北降水相关的季节循环在850 hPa风场上主要表现为东南风和西南风主导两种模态，其中，西南风主导的降水在7月初达到峰值，而东南风主导的降水在7月底达到峰值。在年际尺度上，季节循环前两个主模态中的华北降水虽然表现为区域一致性变化特点，但在夏季先后受到西南风和东南风的影响。通过对季节循环华北夏季风雨季的开始时间（P1）、峰值时间（P2）、结束时间（P3）、持续时间（Dur）和振幅（Amp）与夏季（6～8月）降水年际变化分析，我们发现东南风主导的季节循环的P1、P3和Amp与华北夏季降水异常呈显著正相关，而P2和Dur与华北夏季降水异常呈负相关。西南风主导的季节循环的P2、P3和Amp与华北夏季降水异常均呈显著正相关。其中，东南风季节循环的位相（P1、P2、P3）变化与夏季西南风的强度有关，而其幅度（Amp）变化主要取决于东南风的强度。由于东南风主导的夏季降水开始于每年的4～5月份，其建立的早晚为6～8月夏季降水的季节预测提供了一个新的参考指标。
2023,
47(5):
1481-1494. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2208.21202
摘要:
应用1989～2018年6～8月ERA-interim再分析资料，在西南涡之九龙涡新定义的基础上，通过观测、诊断、合成分析，深入研究了川西高原涡源子区域1和子区域2源地型、偏东型、东北型、偏南型九龙涡的水汽输送、热力特征及其变化。结果表明：（1）夏季九龙涡水汽主要来源于印度洋，受多尺度系统协同作用影响，源地型、偏东型、东北型生成区主要为西南水汽输送，偏南型则为西北水汽输送。伴随九龙涡生成，生成区水汽辐合逐渐加强，结束时次，移动型九龙涡在对应的移动方向下游具有异常的水汽通量辐合。（2）九龙涡涡区主要为热量消耗，其中源地型九龙涡热量消耗较大且无充足补给成为其消亡的原因之一，初生时次低层（高层）水汽消耗（增加），但发展后均为消耗；子区域1（子区域2）下垫面、环流影响复杂（简单），视热源、视水汽汇项垂直分布多样（单一），具有多个（一个）极值中心；辐射冷却和小尺度涡旋垂直输送可使视热源项中心高于视水汽汇项中心。（3）九龙涡的视热源、视水汽汇的大值区主要位于低涡东北部，且视水汽汇强于视热源，分别对应低涡强对流区和强夜发性；移动型的视热源和视水汽汇分布及变化一般都强于源地型，其中，子区域1的东北型、偏南型始终保持较强分布，子区域2的移动型和源地型初生时次差异不大，结束时次东北型显著增强。（4）源地型低涡的消亡最先表现为视水汽汇在低涡外围的减弱，而偏东型、东北型则在移动方向扩展、增强，形成视热源、水汽汇大值区，分别预示着九龙涡的减弱消亡和发展移动；偏南型西南侧有一热源大值系统，可能成为其偏南移出的外强迫因素。综上，区域和环境水汽、大气热力条件等异常变化与九龙涡演变密切相关，两者可能是九龙涡生成、消亡、发展、移动的重要原因。
应用1989～2018年6～8月ERA-interim再分析资料，在西南涡之九龙涡新定义的基础上，通过观测、诊断、合成分析，深入研究了川西高原涡源子区域1和子区域2源地型、偏东型、东北型、偏南型九龙涡的水汽输送、热力特征及其变化。结果表明：（1）夏季九龙涡水汽主要来源于印度洋，受多尺度系统协同作用影响，源地型、偏东型、东北型生成区主要为西南水汽输送，偏南型则为西北水汽输送。伴随九龙涡生成，生成区水汽辐合逐渐加强，结束时次，移动型九龙涡在对应的移动方向下游具有异常的水汽通量辐合。（2）九龙涡涡区主要为热量消耗，其中源地型九龙涡热量消耗较大且无充足补给成为其消亡的原因之一，初生时次低层（高层）水汽消耗（增加），但发展后均为消耗；子区域1（子区域2）下垫面、环流影响复杂（简单），视热源、视水汽汇项垂直分布多样（单一），具有多个（一个）极值中心；辐射冷却和小尺度涡旋垂直输送可使视热源项中心高于视水汽汇项中心。（3）九龙涡的视热源、视水汽汇的大值区主要位于低涡东北部，且视水汽汇强于视热源，分别对应低涡强对流区和强夜发性；移动型的视热源和视水汽汇分布及变化一般都强于源地型，其中，子区域1的东北型、偏南型始终保持较强分布，子区域2的移动型和源地型初生时次差异不大，结束时次东北型显著增强。（4）源地型低涡的消亡最先表现为视水汽汇在低涡外围的减弱，而偏东型、东北型则在移动方向扩展、增强，形成视热源、水汽汇大值区，分别预示着九龙涡的减弱消亡和发展移动；偏南型西南侧有一热源大值系统，可能成为其偏南移出的外强迫因素。综上，区域和环境水汽、大气热力条件等异常变化与九龙涡演变密切相关，两者可能是九龙涡生成、消亡、发展、移动的重要原因。
2023,
47(5):
1495-1509. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2303.21211
摘要:
2020年8月2日和18日（简称8∙2和8∙18过程）中国西天山新源站出现短时强降水，应用自动气象站、GPS/MET水汽探测仪、二维视频雨滴谱仪、风云2G静止卫星等高时空分辨率观测资料，研究降水过程的环流背景和雨滴谱特征。结果表明：（1）两次过程均是在中亚低涡有利的背景下产生短时强降水，8∙2过程降水阶段性强，由低涡前部西风气流中生成的孤立β中尺度对流系统（Mesoscale convective system，MCS）造成，水汽源自低涡本身，水汽输送和辐合相对弱；8∙18过程持续100 min阶段性不明显，由低涡层云中β中尺度MCS造成，水汽不仅来自于低涡而且还有新疆以外充沛水汽输送。（2）两次短时强降水天气雨滴谱特征有明显差异。两次过程雨滴粒子直径（Dm）＜2 mm的粒子频数占比约为97%左右，即降水过程小粒子占绝大多数。8∙2过程Dm＜2 mm 粒子对降水量贡献达66.75%，Dm超过4 mm的大粒子对瞬时强雨强贡献大，对流降水粒子谱分散，既有粒子大、浓度小的雨滴，又有粒子小、浓度高的雨滴；而8∙18过程Dm＜2 mm 粒子对降水量贡献达86.34%，其中Dm为1～2 mm粒子对降水量贡献达71.99%，且无Dm＞4 mm 粒子，对流降水粒子谱相对集中，Dm＞2 mm粒子远少于8∙2过程，水平极化雷达反射率（ZH）、差分反射率因子（ZDR）和差分相移率（KDP）平均值和最大值比8∙2过程均明显偏小。（3）应用2020～2021年夏季探测资料研究对流性降水雨滴谱，对流性降水雨滴谱特征年际差异大，呈雨滴粒子大、浓度低特征，表现出大陆性对流降水性质，ZDR和KDP比季风区对流降水明显偏小，加入偏振量的R (ZH, ZDR)、R (KDP, ZDR)拟合关系明显好于R (ZH)、R (KDP)关系。
2020年8月2日和18日（简称8∙2和8∙18过程）中国西天山新源站出现短时强降水，应用自动气象站、GPS/MET水汽探测仪、二维视频雨滴谱仪、风云2G静止卫星等高时空分辨率观测资料，研究降水过程的环流背景和雨滴谱特征。结果表明：（1）两次过程均是在中亚低涡有利的背景下产生短时强降水，8∙2过程降水阶段性强，由低涡前部西风气流中生成的孤立β中尺度对流系统（Mesoscale convective system，MCS）造成，水汽源自低涡本身，水汽输送和辐合相对弱；8∙18过程持续100 min阶段性不明显，由低涡层云中β中尺度MCS造成，水汽不仅来自于低涡而且还有新疆以外充沛水汽输送。（2）两次短时强降水天气雨滴谱特征有明显差异。两次过程雨滴粒子直径（Dm）＜2 mm的粒子频数占比约为97%左右，即降水过程小粒子占绝大多数。8∙2过程Dm＜2 mm 粒子对降水量贡献达66.75%，Dm超过4 mm的大粒子对瞬时强雨强贡献大，对流降水粒子谱分散，既有粒子大、浓度小的雨滴，又有粒子小、浓度高的雨滴；而8∙18过程Dm＜2 mm 粒子对降水量贡献达86.34%，其中Dm为1～2 mm粒子对降水量贡献达71.99%，且无Dm＞4 mm 粒子，对流降水粒子谱相对集中，Dm＞2 mm粒子远少于8∙2过程，水平极化雷达反射率（ZH）、差分反射率因子（ZDR）和差分相移率（KDP）平均值和最大值比8∙2过程均明显偏小。（3）应用2020～2021年夏季探测资料研究对流性降水雨滴谱，对流性降水雨滴谱特征年际差异大，呈雨滴粒子大、浓度低特征，表现出大陆性对流降水性质，ZDR和KDP比季风区对流降水明显偏小，加入偏振量的R (ZH, ZDR)、R (KDP, ZDR)拟合关系明显好于R (ZH)、R (KDP)关系。
2023,
47(5):
1510-1524. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2203.21216
摘要:
本文基于高分辨率数值模式模拟结果分析了不同强度的环境垂直风切变影响下热带气旋外核区近地面冷池特征。结果表明：外核区对流性和非对流性冷池在不同切变环境中表现出相似的特征。两类冷池均伴随局地位温、相当位温和水汽混合比的降低和近地面高压扰动，冷池厚度通常低于400 m，平均强度4～6 m s−1，均远小于中尺度对流系统冷池，其中非对流性冷池的厚度和强度显著大于对流性冷池，表明外核区不同类型的冷池强度主要取决于冷池厚度。冷池内普遍存在下沉运动，对流性冷池中向下垂直质量输送约为非对流冷池的两倍。下沉运动导致冷池局地高压的主要原因为云下降水粒子的蒸发冷却和雨滴拖曳作用，对流云中的凝结潜热释放则不利于地面高压发展，其中对流性冷池中次云层蒸发冷却和降水拖曳作用较强，导致该类冷池地面增压也较大。不同强度的环境垂直风切变对不同类型冷池特征也有一定影响。弱切变环境中外核区冷池多表现为尺度较小且分布离散的对流性冷池，随切变增强，冷池总数目和对流性冷池数目减少，而尺度较大且多位于层云降水区域的非对流性冷池增多，同时厚度加深、强度增强。环境风切变增大还导致对流性和非对流性冷池造成的局地辐散出流均有所减弱但气旋式流速增强。
本文基于高分辨率数值模式模拟结果分析了不同强度的环境垂直风切变影响下热带气旋外核区近地面冷池特征。结果表明：外核区对流性和非对流性冷池在不同切变环境中表现出相似的特征。两类冷池均伴随局地位温、相当位温和水汽混合比的降低和近地面高压扰动，冷池厚度通常低于400 m，平均强度4～6 m s−1，均远小于中尺度对流系统冷池，其中非对流性冷池的厚度和强度显著大于对流性冷池，表明外核区不同类型的冷池强度主要取决于冷池厚度。冷池内普遍存在下沉运动，对流性冷池中向下垂直质量输送约为非对流冷池的两倍。下沉运动导致冷池局地高压的主要原因为云下降水粒子的蒸发冷却和雨滴拖曳作用，对流云中的凝结潜热释放则不利于地面高压发展，其中对流性冷池中次云层蒸发冷却和降水拖曳作用较强，导致该类冷池地面增压也较大。不同强度的环境垂直风切变对不同类型冷池特征也有一定影响。弱切变环境中外核区冷池多表现为尺度较小且分布离散的对流性冷池，随切变增强，冷池总数目和对流性冷池数目减少，而尺度较大且多位于层云降水区域的非对流性冷池增多，同时厚度加深、强度增强。环境风切变增大还导致对流性和非对流性冷池造成的局地辐散出流均有所减弱但气旋式流速增强。
2023,
47(5):
1525-1540. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2207.21235
摘要:
本文对飞机积冰概率预报方法进行了优化，该算法主要基于对流可分辨率数值模式输出的温湿层结结构进行计算，可输出高时空分辨率，且符合中国积冰情况的积冰潜势。相较于原始算法，从云层判断、对流云积冰、隶属函数三方面进行了优化。首先，优化后算法采用了更切合中国积冰分布的隶属函数。其次，使用随高度变化而变化的相对湿度阈值来判断云层，可以有效减少低层云和高层云的空报、中层云的漏报。第三，增加对流云中积冰条件的预报，进一步提高积冰潜势算法的预报准确率。通过对近600份国内飞机积冰报告的系统性检验评估，结果表明优化后的潜势预报方法在高阈值与低阈值区间预报效果均优于原始预报方法及传统IC算法。通过2020年3月陕西中南部的三次飞机飞机积冰场外探测个例检验，不仅对积冰条件的有无预报准确，而且在积冰强度方面也符合实际观测结果。
本文对飞机积冰概率预报方法进行了优化，该算法主要基于对流可分辨率数值模式输出的温湿层结结构进行计算，可输出高时空分辨率，且符合中国积冰情况的积冰潜势。相较于原始算法，从云层判断、对流云积冰、隶属函数三方面进行了优化。首先，优化后算法采用了更切合中国积冰分布的隶属函数。其次，使用随高度变化而变化的相对湿度阈值来判断云层，可以有效减少低层云和高层云的空报、中层云的漏报。第三，增加对流云中积冰条件的预报，进一步提高积冰潜势算法的预报准确率。通过对近600份国内飞机积冰报告的系统性检验评估，结果表明优化后的潜势预报方法在高阈值与低阈值区间预报效果均优于原始预报方法及传统IC算法。通过2020年3月陕西中南部的三次飞机飞机积冰场外探测个例检验，不仅对积冰条件的有无预报准确，而且在积冰强度方面也符合实际观测结果。
2023,
47(5):
1541-1556. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2202.21242
摘要:
对流尺度数值预报对初始场的微小扰动非常敏感，且初始扰动的演变具有模式依赖、环流依赖和尺度依赖特征，如何构建合理的初始扰动场是国内外对流尺度集合预报领域尚未解决的难点问题和研究前沿。本文基于中国气象局3 km水平分辨率的GRAPES（Global/Regional Assimilation and Prediction Enhanced System）对流尺度模式，利用其同化分析系统的背景误差和一个二维随机型，构建大、中、小三个尺度的初始扰动场，并选取中国夏季一次典型的多区域强降水天气个例，开展对流尺度集合预报试验，对比分析了大、中、小尺度初始扰动能量的时空演变和谱分解特征，以期为构建适用于GRAPES对流尺度集合预报的初始扰动场提供依据。研究结果表明，在GRAPES 3 km对流尺度模式中：（1）大、中、小尺度初始扰动总能量的增长过程具有明显差异。大尺度初始扰动总能量随着模式积分呈增长趋势，尤以对流层中高层的持续增长为甚；而中、小尺度初始扰动总能量随着模式积分以日变化为主，表现为下午至傍晚（夜晚至清晨），扰动总能量显著增加（减小），且扰动总能量小尺度分量的日变化占主导，这可能是由于太阳辐射引起地表加热，使得白天的对流活动比夜晚活跃，且对流直接影响了扰动总能量小尺度分量的变化。此外，大、中、小尺度初始扰动总能量增长均以扰动动能增长为主，扰动位能在对流层低层的增长不可忽略。（2）大、中、小尺度初始扰动总能量增长具有环流依赖特征。对北支气流控制的中高纬天气区，在斜压不稳定较强的低槽区，大尺度初始扰动总能量增长突出，而在槽后西北气流区，大、中、小尺度初始扰动总能量均不增长；对南北气流交汇区，仍以大尺度初始扰动总能量增长最为明显；对南海夏季风影响区，大、中、小尺度初始扰动总能量发展均较弱，扰动位能增长与区域降水大值率演变有较好的对应关系。（3）大、中、小尺度初始扰动总能量的谱分析结果显示，不同积分时段扰动总能量的多尺度串级特征有差异。积分前3 h主要为扰动总能量的大尺度分量向小尺度分量降尺度串级，积分6 h后则为中、小尺度分量的升尺度串级。上述研究结果表明，在天气系统复杂、动力不稳定时空分布不均匀的区域（如中国区域）发展对流尺度集合预报时，有必要针对不同的不稳定天气区，构建具有尺度依赖和环流依赖的初始扰动结构。
对流尺度数值预报对初始场的微小扰动非常敏感，且初始扰动的演变具有模式依赖、环流依赖和尺度依赖特征，如何构建合理的初始扰动场是国内外对流尺度集合预报领域尚未解决的难点问题和研究前沿。本文基于中国气象局3 km水平分辨率的GRAPES（Global/Regional Assimilation and Prediction Enhanced System）对流尺度模式，利用其同化分析系统的背景误差和一个二维随机型，构建大、中、小三个尺度的初始扰动场，并选取中国夏季一次典型的多区域强降水天气个例，开展对流尺度集合预报试验，对比分析了大、中、小尺度初始扰动能量的时空演变和谱分解特征，以期为构建适用于GRAPES对流尺度集合预报的初始扰动场提供依据。研究结果表明，在GRAPES 3 km对流尺度模式中：（1）大、中、小尺度初始扰动总能量的增长过程具有明显差异。大尺度初始扰动总能量随着模式积分呈增长趋势，尤以对流层中高层的持续增长为甚；而中、小尺度初始扰动总能量随着模式积分以日变化为主，表现为下午至傍晚（夜晚至清晨），扰动总能量显著增加（减小），且扰动总能量小尺度分量的日变化占主导，这可能是由于太阳辐射引起地表加热，使得白天的对流活动比夜晚活跃，且对流直接影响了扰动总能量小尺度分量的变化。此外，大、中、小尺度初始扰动总能量增长均以扰动动能增长为主，扰动位能在对流层低层的增长不可忽略。（2）大、中、小尺度初始扰动总能量增长具有环流依赖特征。对北支气流控制的中高纬天气区，在斜压不稳定较强的低槽区，大尺度初始扰动总能量增长突出，而在槽后西北气流区，大、中、小尺度初始扰动总能量均不增长；对南北气流交汇区，仍以大尺度初始扰动总能量增长最为明显；对南海夏季风影响区，大、中、小尺度初始扰动总能量发展均较弱，扰动位能增长与区域降水大值率演变有较好的对应关系。（3）大、中、小尺度初始扰动总能量的谱分析结果显示，不同积分时段扰动总能量的多尺度串级特征有差异。积分前3 h主要为扰动总能量的大尺度分量向小尺度分量降尺度串级，积分6 h后则为中、小尺度分量的升尺度串级。上述研究结果表明，在天气系统复杂、动力不稳定时空分布不均匀的区域（如中国区域）发展对流尺度集合预报时，有必要针对不同的不稳定天气区，构建具有尺度依赖和环流依赖的初始扰动结构。
2023,
47(5):
1557-1575. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2204.21222
摘要:
2020/2021年冬季，东亚地区的强冷空气过程多次爆发，持续强降温及伴随的大风、雨雪天气给人民生产生活造成了严重影响。利用日尺度大气环流格点数据和地面气温站点资料，从次季节变化角度揭示了西伯利亚高压的低频振荡特征及对三次全国型强冷空气过程（2020年12月13～15日、2020年12月29日至2021年1月1日、2021年1月6～8日）的重要影响。研究显示，2020/2021年冬季，西伯利亚高压和中国东部地区气温变化都表现出明显的准双周（10～30 d）和30～60 d低频振荡特征，并且低频特征在冬季前期明显强于冬季后期。但是，三次强冷空气过程中低频振荡的特征各不相同，其中，第一次过程中准双周振荡有显著的正贡献，但30～60 d低频振荡为负贡献；而第二次和第三次过程兼有准双周和30～60 d低频振荡的共同作用，尤其第三次过程处于这两个低频波段的最强时期，这也导致第三次冷空气过程的降温幅度最大、低温影响范围最广，西伯利亚高压也发展最强。10～30 d低频西伯利亚高压的增强超前一候（5天）左右对冷空气爆发和中国东部地区强降温均有显著的负相关关系，其中与冷空气爆发的关系超前1～2天最显著，与中国东部地区低温的关系超前2～3天最为显著。
2020/2021年冬季，东亚地区的强冷空气过程多次爆发，持续强降温及伴随的大风、雨雪天气给人民生产生活造成了严重影响。利用日尺度大气环流格点数据和地面气温站点资料，从次季节变化角度揭示了西伯利亚高压的低频振荡特征及对三次全国型强冷空气过程（2020年12月13～15日、2020年12月29日至2021年1月1日、2021年1月6～8日）的重要影响。研究显示，2020/2021年冬季，西伯利亚高压和中国东部地区气温变化都表现出明显的准双周（10～30 d）和30～60 d低频振荡特征，并且低频特征在冬季前期明显强于冬季后期。但是，三次强冷空气过程中低频振荡的特征各不相同，其中，第一次过程中准双周振荡有显著的正贡献，但30～60 d低频振荡为负贡献；而第二次和第三次过程兼有准双周和30～60 d低频振荡的共同作用，尤其第三次过程处于这两个低频波段的最强时期，这也导致第三次冷空气过程的降温幅度最大、低温影响范围最广，西伯利亚高压也发展最强。10～30 d低频西伯利亚高压的增强超前一候（5天）左右对冷空气爆发和中国东部地区强降温均有显著的负相关关系，其中与冷空气爆发的关系超前1～2天最显著，与中国东部地区低温的关系超前2～3天最为显著。
2023,
47(5):
1576-1592. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2202.21257
摘要:
利用第二次青藏高原科学考察及其他数据，结合5层网格嵌套、高分辨率（最高333 m）的WRF（Weather Research and Forecasting）可分辨云数值模拟，研究了局地山谷风环流在青藏高原东南林芝地区2019年9月17～18日一次地形云和降水形成过程中的作用。结果表明，此次降水过程由西风槽天气过境造成，林芝位于西风槽底部，具有弱不稳定层结，云和降水过程呈现明显的午后、傍晚和凌晨三个阶段的变化特征，并且发现局地山谷风环流在这三个阶段的变化中具有重要作用。午后阶段，由于山区强烈的太阳辐射加热，首先产生明显的上坡风和强上谷风环流，在山坡迎风坡受阻挡抬升，并激发出强的地形波，产生了强对流云和降水；傍晚阶段，由于山脉强烈的长波辐射冷却效应，产生的强下坡风在谷底辐合抬升，促进了山谷上空的弱对流、层状云发展；凌晨阶段，下坡风达到最强，产生了强下谷风环流（山风），下坡风在谷底产生强烈的抬升作用，形成深厚的层状云降水过程。
利用第二次青藏高原科学考察及其他数据，结合5层网格嵌套、高分辨率（最高333 m）的WRF（Weather Research and Forecasting）可分辨云数值模拟，研究了局地山谷风环流在青藏高原东南林芝地区2019年9月17～18日一次地形云和降水形成过程中的作用。结果表明，此次降水过程由西风槽天气过境造成，林芝位于西风槽底部，具有弱不稳定层结，云和降水过程呈现明显的午后、傍晚和凌晨三个阶段的变化特征，并且发现局地山谷风环流在这三个阶段的变化中具有重要作用。午后阶段，由于山区强烈的太阳辐射加热，首先产生明显的上坡风和强上谷风环流，在山坡迎风坡受阻挡抬升，并激发出强的地形波，产生了强对流云和降水；傍晚阶段，由于山脉强烈的长波辐射冷却效应，产生的强下坡风在谷底辐合抬升，促进了山谷上空的弱对流、层状云发展；凌晨阶段，下坡风达到最强，产生了强下谷风环流（山风），下坡风在谷底产生强烈的抬升作用，形成深厚的层状云降水过程。
2023,
47(5):
1593-1610. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2212.22060
摘要:
本文利用多种观测资料和ERA-5再分析资料对2021年7月11～13日（过程1）和2016年7月19～21日（过程2）华北地区两次低涡暴雨过程的降水特征和成因进行了对比分析。结果表明：这两次暴雨过程均发生在南亚高压东伸加强、副热带高压西伸北抬、中纬度西风带低涡系统东移北上发展、下游高压坝稳定维持的环流背景下，但过程1的累计雨量、降雨强度、影响范围、持续时间和极端性均不及过程2。两次过程的低空急流差异明显，过程1以低涡南侧的西南急流为主，过程2不仅西南急流更强，低涡北侧的偏东风急流同样显著，低层偏东风在太行山东麓地形的作用下产生了更明显的强降水。两次过程的低涡强度、结构及路径存在明显差别，过程1的低涡发展较为浅薄，仅在对流层中低层存在明显的正涡度，且在过程后期移动速度较快，一路沿太行山北上并最终在河北北部消散；而过程2的低涡更为深厚，后期在河北西南部稳定少动直至消散。两次过程的阶段性发展特征也存在一定差异，在第一阶段，过程1的低层辐合主要出现在低涡中心附近的山西南部至河南北部，而过程2的辐合主要出现在低涡北侧偏东风急流与地形交界处的河北西部地区；在第二阶段中，两次过程均出现了类似于台风螺旋雨带结构的低涡螺旋型对流雨带，但过程1主要出现在低涡东侧，而过程2主要发生在低涡北侧，这可能是由于水平涡度旋度、差动垂直涡度平流、暖平流以及非绝热加热的分布差异导致的；在第三阶段，过程1的低涡已移至华北北部，低涡中心附近的强辐合配合不稳定层结和地形抬升产生了较强降雨；而过程2的低涡仍然位于河北西部，低涡东北侧的暖切变辐合不及过程1，但对流不稳定层结更深厚，从而产生了更强的垂直上升运动及更强的降雨。上述结论有助于理解两次暴雨过程的时空分布和强度差异及可能成因。
本文利用多种观测资料和ERA-5再分析资料对2021年7月11～13日（过程1）和2016年7月19～21日（过程2）华北地区两次低涡暴雨过程的降水特征和成因进行了对比分析。结果表明：这两次暴雨过程均发生在南亚高压东伸加强、副热带高压西伸北抬、中纬度西风带低涡系统东移北上发展、下游高压坝稳定维持的环流背景下，但过程1的累计雨量、降雨强度、影响范围、持续时间和极端性均不及过程2。两次过程的低空急流差异明显，过程1以低涡南侧的西南急流为主，过程2不仅西南急流更强，低涡北侧的偏东风急流同样显著，低层偏东风在太行山东麓地形的作用下产生了更明显的强降水。两次过程的低涡强度、结构及路径存在明显差别，过程1的低涡发展较为浅薄，仅在对流层中低层存在明显的正涡度，且在过程后期移动速度较快，一路沿太行山北上并最终在河北北部消散；而过程2的低涡更为深厚，后期在河北西南部稳定少动直至消散。两次过程的阶段性发展特征也存在一定差异，在第一阶段，过程1的低层辐合主要出现在低涡中心附近的山西南部至河南北部，而过程2的辐合主要出现在低涡北侧偏东风急流与地形交界处的河北西部地区；在第二阶段中，两次过程均出现了类似于台风螺旋雨带结构的低涡螺旋型对流雨带，但过程1主要出现在低涡东侧，而过程2主要发生在低涡北侧，这可能是由于水平涡度旋度、差动垂直涡度平流、暖平流以及非绝热加热的分布差异导致的；在第三阶段，过程1的低涡已移至华北北部，低涡中心附近的强辐合配合不稳定层结和地形抬升产生了较强降雨；而过程2的低涡仍然位于河北西部，低涡东北侧的暖切变辐合不及过程1，但对流不稳定层结更深厚，从而产生了更强的垂直上升运动及更强的降雨。上述结论有助于理解两次暴雨过程的时空分布和强度差异及可能成因。
2023,
47(5):
1611-1625. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2304.22110
摘要:
利用全国自动气象站降水观测资料和欧洲中期预报中心（ECMWF）的ERA-5再分析资料，分析了2021年7月19～22日河南极端暴雨过程中双低空急流对降水的影响。结果表明，此次降水过程中，天气尺度低空急流（SLLJ）随低涡的发展自西南向东北移动，风向由东南风转为偏南风；边界层急流（BLJ）存在偏东向东南风的偏转，且其强度具有夜间强白天弱的日变化特征。降水过程存在两类耦合方式，第一阶段[19日20时（北京时，下同）至20日18时]为偏东风BLJ（E-BLJ）与东南风SLLJ（SE-SLLJ）的耦合形势，第二阶段（20日18时至22日08时）为东南风BLJ（SE-BLJ）与偏南风SLLJ（S-SLLJ）的耦合形势，降水均发生在BLJ的出口区和SLLJ的入口区。E-BLJ与SE-SLLJ耦合时，E-BLJ出口处的强辐合叠加山脉的动力抬升作用使降水区域对流层低层大气辐合，SLLJ入口区和天气尺度低涡系统使对流层中层大气辐散，为中尺度对流的发展提供了强有力的抬升触发机制。由于E-BLJ的范围较小、强度较弱，因此E-BLJ和SE-SLLJ的耦合作用相对较弱，降水主要受SLLJ的显著影响。SE-BLJ与S-SLLJ耦合时，SE-BLJ出口区的辐合与SLLJ入口区的辐散增强了对流层低层的上升运动，对流层中层的中尺度辐合与高空急流入口区右侧的辐散进一步增强了对流层中高层的上升运动。受双低空急流的共同影响，中尺度对流系统的强度和高度强烈发展，促进了强降水的发生。两种耦合方式下，双低空急流的水汽输送对强降水均具有重要作用，第一阶段SLLJ的水汽输送作用明显，而第二阶段BLJ的作用更加显著。
利用全国自动气象站降水观测资料和欧洲中期预报中心（ECMWF）的ERA-5再分析资料，分析了2021年7月19～22日河南极端暴雨过程中双低空急流对降水的影响。结果表明，此次降水过程中，天气尺度低空急流（SLLJ）随低涡的发展自西南向东北移动，风向由东南风转为偏南风；边界层急流（BLJ）存在偏东向东南风的偏转，且其强度具有夜间强白天弱的日变化特征。降水过程存在两类耦合方式，第一阶段[19日20时（北京时，下同）至20日18时]为偏东风BLJ（E-BLJ）与东南风SLLJ（SE-SLLJ）的耦合形势，第二阶段（20日18时至22日08时）为东南风BLJ（SE-BLJ）与偏南风SLLJ（S-SLLJ）的耦合形势，降水均发生在BLJ的出口区和SLLJ的入口区。E-BLJ与SE-SLLJ耦合时，E-BLJ出口处的强辐合叠加山脉的动力抬升作用使降水区域对流层低层大气辐合，SLLJ入口区和天气尺度低涡系统使对流层中层大气辐散，为中尺度对流的发展提供了强有力的抬升触发机制。由于E-BLJ的范围较小、强度较弱，因此E-BLJ和SE-SLLJ的耦合作用相对较弱，降水主要受SLLJ的显著影响。SE-BLJ与S-SLLJ耦合时，SE-BLJ出口区的辐合与SLLJ入口区的辐散增强了对流层低层的上升运动，对流层中层的中尺度辐合与高空急流入口区右侧的辐散进一步增强了对流层中高层的上升运动。受双低空急流的共同影响，中尺度对流系统的强度和高度强烈发展，促进了强降水的发生。两种耦合方式下，双低空急流的水汽输送对强降水均具有重要作用，第一阶段SLLJ的水汽输送作用明显，而第二阶段BLJ的作用更加显著。
2023,
47(5):
1626-1640. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2211.22116
摘要:
本文利用NCEP/NCAR、ECMWF大气环流资料以及四川盆地101站气象站点资料等，通过线性相关分析、合成分析等统计方法，分析了冬季四川盆地霾天气气候特征及其对应的关键环流系统和对前期青藏高原热力作用的响应。结果表明：冬季四川盆地季霾日数呈弱增加趋势；四川盆地三大城市群为冬季霾多发区。影响冬季四川盆地霾天气的关键环流系统是高低空正压结构的高度场正距平、异常下沉运动以及异常偏弱的西伯利亚高压；影响霾天气的关键环境条件为偏西北风异常控制、稳定大气层结易于建立、边界层高度偏低且相对湿度偏低。前期11月青藏高原关键区热力作用是影响冬季四川盆地霾天气频发的重要外强迫因子。当前期11月高原关键区热源指数偏低时，冬季阿留申低压及西伯利亚高压显著偏弱，自北大西洋到西北太平洋存在一个类似于南支槽波列系统的弓形波列，青藏高原—四川盆地为正位势高度场距平控制，盆地上空为反气旋环流控制，配合异常的下沉气流，从而有利于霾的形成。青藏高原大气热源的异常及其耦合的四川盆地霾日数异常都可能是上游波列，尤其是中纬度北大西洋的扰动传播的结果，并受到青藏高原“背风坡”东侧下沉气流影响，导致霾日数偏多。
本文利用NCEP/NCAR、ECMWF大气环流资料以及四川盆地101站气象站点资料等，通过线性相关分析、合成分析等统计方法，分析了冬季四川盆地霾天气气候特征及其对应的关键环流系统和对前期青藏高原热力作用的响应。结果表明：冬季四川盆地季霾日数呈弱增加趋势；四川盆地三大城市群为冬季霾多发区。影响冬季四川盆地霾天气的关键环流系统是高低空正压结构的高度场正距平、异常下沉运动以及异常偏弱的西伯利亚高压；影响霾天气的关键环境条件为偏西北风异常控制、稳定大气层结易于建立、边界层高度偏低且相对湿度偏低。前期11月青藏高原关键区热力作用是影响冬季四川盆地霾天气频发的重要外强迫因子。当前期11月高原关键区热源指数偏低时，冬季阿留申低压及西伯利亚高压显著偏弱，自北大西洋到西北太平洋存在一个类似于南支槽波列系统的弓形波列，青藏高原—四川盆地为正位势高度场距平控制，盆地上空为反气旋环流控制，配合异常的下沉气流，从而有利于霾的形成。青藏高原大气热源的异常及其耦合的四川盆地霾日数异常都可能是上游波列，尤其是中纬度北大西洋的扰动传播的结果，并受到青藏高原“背风坡”东侧下沉气流影响，导致霾日数偏多。
2023,
47(5):
1641-1653. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2307.22240
摘要:
大气细颗粒物（PM2.5）和臭氧（O3）的污染趋势变化受气象条件和污染源排放共同影响。基于国家空气环境监测数据和ERA5再分析资料，本文分析了京津冀地区典型城市（包括北京、天津、保定和石家庄）2015～2021年大气PM2.5和O3与气象因子间的关联性，并结合随机森林算法定量评估减排和气象条件对PM2.5和O3年际趋势变化的贡献。结果表明，除夏季外，日均PM2.5与相对湿度和边界层高度均分别呈良好正和负相关；夏季日均PM2.5与O3和温度均呈良好正相关。分析PM2.5和O3不同污染类型天气中的气象条件变化特征发现，冬季和夏季PM2.5单污染天均主要受不利大气扩散条件作用的影响。在PM2.5和O3双污染天，冬季强大气氧化性和高相对湿度条件是加剧PM2.5污染的重要条件，而夏季高温和强太阳辐射条件是促进PM2.5和O3协同污染的重要气象条件。随机森林趋势分析发现，典型城市PM2.5浓度呈下降趋势（−5.0～−10.8 µg m−3 a−1），减排主导了其趋势变化，相对贡献为84%～95%。O3浓度在2015～2018年呈升高趋势，而在2018年后呈下降趋势（−3.4～−6.4 µg m−3 a−1），其中天津、保定和石家庄排放对趋势变化的相对贡献约为18%～34%，反映出近年减排措施对O3污染治理产生有效作用。
大气细颗粒物（PM2.5）和臭氧（O3）的污染趋势变化受气象条件和污染源排放共同影响。基于国家空气环境监测数据和ERA5再分析资料，本文分析了京津冀地区典型城市（包括北京、天津、保定和石家庄）2015～2021年大气PM2.5和O3与气象因子间的关联性，并结合随机森林算法定量评估减排和气象条件对PM2.5和O3年际趋势变化的贡献。结果表明，除夏季外，日均PM2.5与相对湿度和边界层高度均分别呈良好正和负相关；夏季日均PM2.5与O3和温度均呈良好正相关。分析PM2.5和O3不同污染类型天气中的气象条件变化特征发现，冬季和夏季PM2.5单污染天均主要受不利大气扩散条件作用的影响。在PM2.5和O3双污染天，冬季强大气氧化性和高相对湿度条件是加剧PM2.5污染的重要条件，而夏季高温和强太阳辐射条件是促进PM2.5和O3协同污染的重要气象条件。随机森林趋势分析发现，典型城市PM2.5浓度呈下降趋势（−5.0～−10.8 µg m−3 a−1），减排主导了其趋势变化，相对贡献为84%～95%。O3浓度在2015～2018年呈升高趋势，而在2018年后呈下降趋势（−3.4～−6.4 µg m−3 a−1），其中天津、保定和石家庄排放对趋势变化的相对贡献约为18%～34%，反映出近年减排措施对O3污染治理产生有效作用。
2023,
47(5):
1654-1664. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2201.21176
摘要:
云与高影响天气有着密切的联系，卫星红外波段提供了大量的云区的观测信息，然而云参数的初始误差以及云对辐射过程的非线性影响造成的观测算子模拟误差偏大，并且误差呈非高斯分布给云区卫星红外资料直接同化带来困难。文章针对有云环境下卫星红外波段亮温资料直接同化的关键技术问题，回顾和总结了近二十年来国内外在同化方法、辐射传输模式、控制变量、背景误差、云检测、观测误差设置、质量控制及偏差订正等方面的研究进展。已有成果表明卫星资料直接同化的趋势是在晴空区同化技术基础上进一步补充云雨的信息，完善相应的技术，从而实现“全天候”的卫星资料直接同化。文章指出云区卫星红外资料直接同化在如何构造与云参数相关的控制变量及其背景误差、如何消除云对观测和观测算子的非线性影响等方面面临挑战。随着观测技术、同化技术、模式技术的共同发展，卫星红外资料必然在数值预报领域发挥更大的作用。
云与高影响天气有着密切的联系，卫星红外波段提供了大量的云区的观测信息，然而云参数的初始误差以及云对辐射过程的非线性影响造成的观测算子模拟误差偏大，并且误差呈非高斯分布给云区卫星红外资料直接同化带来困难。文章针对有云环境下卫星红外波段亮温资料直接同化的关键技术问题，回顾和总结了近二十年来国内外在同化方法、辐射传输模式、控制变量、背景误差、云检测、观测误差设置、质量控制及偏差订正等方面的研究进展。已有成果表明卫星资料直接同化的趋势是在晴空区同化技术基础上进一步补充云雨的信息，完善相应的技术，从而实现“全天候”的卫星资料直接同化。文章指出云区卫星红外资料直接同化在如何构造与云参数相关的控制变量及其背景误差、如何消除云对观测和观测算子的非线性影响等方面面临挑战。随着观测技术、同化技术、模式技术的共同发展，卫星红外资料必然在数值预报领域发挥更大的作用。
