2017年 第22卷 第1期
2017, 22(1): 1-9.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2016.15185
摘要:
将人为热排放纳入到已耦合城市模块Urban Canopy Model（UCM）的中尺度气象模式Weather Researchand Forecasting（WRF）中，探讨了人为热排放对于北京地区精细化模拟的重要意义，其影响主要体现在以下几个方面：1）可有效改善气象要素的模拟效果，特别是对于大气边界层高度的显著性改善，该变量是控制空气质量模式中污染物垂直扩散的关键因子；2）可较好地再现城区流场及温度场，使热岛强度和中心配置更接近实况；3）可明显改善数值模式对于污染物垂直分布特征的模拟。
将人为热排放纳入到已耦合城市模块Urban Canopy Model（UCM）的中尺度气象模式Weather Researchand Forecasting（WRF）中，探讨了人为热排放对于北京地区精细化模拟的重要意义，其影响主要体现在以下几个方面：1）可有效改善气象要素的模拟效果，特别是对于大气边界层高度的显著性改善，该变量是控制空气质量模式中污染物垂直扩散的关键因子；2）可较好地再现城区流场及温度场，使热岛强度和中心配置更接近实况；3）可明显改善数值模式对于污染物垂直分布特征的模拟。
2017, 22(1): 10-22.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2016.15246
摘要:
对包括拉格朗日粒子模式在内的大气扩散模式，提供准确的源项有助于获取更好的模拟结果。以日本福岛核电站2011年3月发生的核泄漏事故为研究对象，采用日本原子能机构Terada源项以及挪威大气研究所Stohl源项，利用FLEXPART（FLEXible PARTicle dispersion mode）模拟了放射性物质137Cs在全球大气中扩散传输的过程，并利用大气辐射监测数据讨论了基于两种源项模拟烟云的时空分布特征，探讨了源项对模拟结果的不确定性影响。结果显示：Terada源项及Stohl源项之间释放总量、释放速率、释放高度等虽然略有差别，但总体趋势描述相似，使得基于两源项的模拟烟云的扩散过程及影响区域基本一致。两模拟烟云在中纬度西风带作用下，均表现为自西向东扩散，经过太平洋、美洲大陆、欧洲，最后在整个北半球传输。基于两源项在亚洲-太平洋及北美大陆等近距离的模拟烟云的首次到达时间与首次监测时间吻合度较好，在全球尺度上基于Stohl源项的模拟在首次到达时间方面表现更优。其次，基于两源项进行全球尺度的模拟，近距离站点的模拟效果优于远距离站点模拟效果，且基于Stohl源项的模拟精度较好，Terada源项可能存在低估。另外模式进行全球尺度的模拟时，针对不同粒子数目对模拟结果的影响进行了分析，发现粒子数目的多寡对模拟精度有所影响，也影响模拟烟云扩散后期的疏密程度。
对包括拉格朗日粒子模式在内的大气扩散模式，提供准确的源项有助于获取更好的模拟结果。以日本福岛核电站2011年3月发生的核泄漏事故为研究对象，采用日本原子能机构Terada源项以及挪威大气研究所Stohl源项，利用FLEXPART（FLEXible PARTicle dispersion mode）模拟了放射性物质137Cs在全球大气中扩散传输的过程，并利用大气辐射监测数据讨论了基于两种源项模拟烟云的时空分布特征，探讨了源项对模拟结果的不确定性影响。结果显示：Terada源项及Stohl源项之间释放总量、释放速率、释放高度等虽然略有差别，但总体趋势描述相似，使得基于两源项的模拟烟云的扩散过程及影响区域基本一致。两模拟烟云在中纬度西风带作用下，均表现为自西向东扩散，经过太平洋、美洲大陆、欧洲，最后在整个北半球传输。基于两源项在亚洲-太平洋及北美大陆等近距离的模拟烟云的首次到达时间与首次监测时间吻合度较好，在全球尺度上基于Stohl源项的模拟在首次到达时间方面表现更优。其次，基于两源项进行全球尺度的模拟，近距离站点的模拟效果优于远距离站点模拟效果，且基于Stohl源项的模拟精度较好，Terada源项可能存在低估。另外模式进行全球尺度的模拟时，针对不同粒子数目对模拟结果的影响进行了分析，发现粒子数目的多寡对模拟精度有所影响，也影响模拟烟云扩散后期的疏密程度。
2017, 22(1): 23-34.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2016.15251
摘要:
对1998年南京降水分别设计并开展了求和自回归滑动平均（Auto-Regressive Integrated Moving Average，ARIMA）模型预测、经验模态分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）预测和基于Hilbert变换（HilbertTransformation，HT）的幅频分离预测等3种跨季节统计预测试验。结果表明：ARIMA模型预测结果存在明显的系统性误差且对夏季的降水突变现象预测困难；EMD分解预测的结果虽在降水演变趋势上有明显提高，但仍未能预测出夏季的强降水突变现象，究其原因可能是对高频分量预测效果不好所致；而基于Hilbert变换的幅频分离预测方法能够对各模态分量的瞬时频率和瞬时振幅实施隔离预测，消除两者的相互影响，显著改善高频模态的预测效果，使得最终预测结果最为理想，不仅具有最高的趋势相关性和最小的偏差，而且还较好地预测出了夏季两次强降水过程。不仅如此，在对2003年的降水预测验证中，基于Hilbert变换的幅频分离预测方法同样具有最好的预测效果，表明该方法预测效果较为稳定，为改进跨季节短期气候统计预测技术提供了一个新思路。
对1998年南京降水分别设计并开展了求和自回归滑动平均（Auto-Regressive Integrated Moving Average，ARIMA）模型预测、经验模态分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）预测和基于Hilbert变换（HilbertTransformation，HT）的幅频分离预测等3种跨季节统计预测试验。结果表明：ARIMA模型预测结果存在明显的系统性误差且对夏季的降水突变现象预测困难；EMD分解预测的结果虽在降水演变趋势上有明显提高，但仍未能预测出夏季的强降水突变现象，究其原因可能是对高频分量预测效果不好所致；而基于Hilbert变换的幅频分离预测方法能够对各模态分量的瞬时频率和瞬时振幅实施隔离预测，消除两者的相互影响，显著改善高频模态的预测效果，使得最终预测结果最为理想，不仅具有最高的趋势相关性和最小的偏差，而且还较好地预测出了夏季两次强降水过程。不仅如此，在对2003年的降水预测验证中，基于Hilbert变换的幅频分离预测方法同样具有最好的预测效果，表明该方法预测效果较为稳定，为改进跨季节短期气候统计预测技术提供了一个新思路。
2017, 22(1): 35-44.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2016.15267
摘要:
利用2009~2013年冬季华中电网电线覆冰在线观测系统对湖北省500 kV高压输电线路积冰状况进行实时观测获取的资料，结合MICAPS常规气象资料、探空数据及NCEP再分析资料，对湖北形成积冰的天气形势、积冰持续时间以及形成积冰的逆温层结进行研究。结果表明：积冰的高空环流形势主要是小槽发展型、横槽型和低槽东移型3类，分别占43.8%、31.2%、25%；电线积冰主要发生在每年的1月、2月、11月、12月，月平均积冰时数分别为65、42、11、9；积冰可分为降水型积冰和云雾型积冰，降水型积冰过程中，900~700 hPa高度间存在由北至南风向切变，冷暖空气交汇形成愈加深厚的逆温对降水积冰维持与发展起到重要的作用。
利用2009~2013年冬季华中电网电线覆冰在线观测系统对湖北省500 kV高压输电线路积冰状况进行实时观测获取的资料，结合MICAPS常规气象资料、探空数据及NCEP再分析资料，对湖北形成积冰的天气形势、积冰持续时间以及形成积冰的逆温层结进行研究。结果表明：积冰的高空环流形势主要是小槽发展型、横槽型和低槽东移型3类，分别占43.8%、31.2%、25%；电线积冰主要发生在每年的1月、2月、11月、12月，月平均积冰时数分别为65、42、11、9；积冰可分为降水型积冰和云雾型积冰，降水型积冰过程中，900~700 hPa高度间存在由北至南风向切变，冷暖空气交汇形成愈加深厚的逆温对降水积冰维持与发展起到重要的作用。
2017, 22(1): 45-58.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2016.16012
摘要:
客观有效的评估高分辨率模式格点降水的预报能力，不仅是模式发展中的基础问题，而且直接关系到目前中国气象局主推的格点天气预报业务。以ECMWF（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）模式高分辨率降水格点预报资料、CMORPH（NOAA Climate Prediction Center Morphing Method）卫星与全国3×104个自动观测站的逐时降水量融合资料为基础，选择2015年6~8月55个降水个例，研究传统检验方法、面向对象MODE（Method for Object-based Diagnostic Evaluation）方法、以及邻域法在高分辨率格点降水预报检验中的适用性及优缺点，以期为高分辨率格点降水的预报性能评估提供参考。主要结论如下：（1）尽管点对点的传统方法在高分辨率格点降水检验中存在一定的局限，但传统方法能够在空间上表现高分辨率格点降水预报技巧的地域性差异，在时间上刻画预报的整体性能，对高分辨率格点预报性能评估仍然具有重要的适用价值；（2）邻域法的显著优点在于一方面能够通过变换邻域窗获得不同空间尺度上的传统预报技巧，另一方面独有的FSS（Fractions SkillScore）技巧评分能够表现预报相对于观测降水在格点数量上的比值，结合FSS和不同邻域窗上的传统技巧评分，可以判别在多大空间尺度上能够获得较好的预报技巧；（3）MODE方法在变换卷积半径的基础上提取降水对象，基于降水对象不仅能统计模式的传统技巧评分和预报性能的尺度变化，还可以表现降水对象的质心距离、轴角、面积、强度、综合收益、位移距离等多种属性，这些属性首先为用户提供了模式预报性能的多视角表现，其次从侧面定量描述了模式对天气系统发展快慢、槽脊强弱等预报误差，具有独特的优势，但如何应用对象属性来提高实际的预报能力还存在一些困难。
客观有效的评估高分辨率模式格点降水的预报能力，不仅是模式发展中的基础问题，而且直接关系到目前中国气象局主推的格点天气预报业务。以ECMWF（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）模式高分辨率降水格点预报资料、CMORPH（NOAA Climate Prediction Center Morphing Method）卫星与全国3×104个自动观测站的逐时降水量融合资料为基础，选择2015年6~8月55个降水个例，研究传统检验方法、面向对象MODE（Method for Object-based Diagnostic Evaluation）方法、以及邻域法在高分辨率格点降水预报检验中的适用性及优缺点，以期为高分辨率格点降水的预报性能评估提供参考。主要结论如下：（1）尽管点对点的传统方法在高分辨率格点降水检验中存在一定的局限，但传统方法能够在空间上表现高分辨率格点降水预报技巧的地域性差异，在时间上刻画预报的整体性能，对高分辨率格点预报性能评估仍然具有重要的适用价值；（2）邻域法的显著优点在于一方面能够通过变换邻域窗获得不同空间尺度上的传统预报技巧，另一方面独有的FSS（Fractions SkillScore）技巧评分能够表现预报相对于观测降水在格点数量上的比值，结合FSS和不同邻域窗上的传统技巧评分，可以判别在多大空间尺度上能够获得较好的预报技巧；（3）MODE方法在变换卷积半径的基础上提取降水对象，基于降水对象不仅能统计模式的传统技巧评分和预报性能的尺度变化，还可以表现降水对象的质心距离、轴角、面积、强度、综合收益、位移距离等多种属性，这些属性首先为用户提供了模式预报性能的多视角表现，其次从侧面定量描述了模式对天气系统发展快慢、槽脊强弱等预报误差，具有独特的优势，但如何应用对象属性来提高实际的预报能力还存在一些困难。
2017, 22(1): 59-70.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2016.16013
摘要:
针对台站密度低、新建台站以及特种单要素站等无法获得有效邻站或内部参考资料情况下的质量控制问题，从气温时间序列的混沌特性出发，考虑气温在短时间内的连续性和稳定性，提出一种基于粒子群（ParticleSwarm Optimization，PSO）改进的相空间重构法（Phase Space Reconstruction，PSR）和极限学习机（Extreme LearningMachine，ELM）的集成学习算法的地面逐时气温观测资料的单站质量控制方法，实现气温资料的质量控制。为检验该方法的适用性，运用该方法对江苏省八市2007~2009年的地面气温观测资料进行质量控制，并与传统单站方法及切比雪夫多项式内插法（Tshebyshev Polynomial Interpolation，TPI）进行对比。实验结果表明，该方法相比较于TPI和传统方法可以更有效地标记出可疑数据，具有检错率高、地区和气候适应性、可控性强等优点。
针对台站密度低、新建台站以及特种单要素站等无法获得有效邻站或内部参考资料情况下的质量控制问题，从气温时间序列的混沌特性出发，考虑气温在短时间内的连续性和稳定性，提出一种基于粒子群（ParticleSwarm Optimization，PSO）改进的相空间重构法（Phase Space Reconstruction，PSR）和极限学习机（Extreme LearningMachine，ELM）的集成学习算法的地面逐时气温观测资料的单站质量控制方法，实现气温资料的质量控制。为检验该方法的适用性，运用该方法对江苏省八市2007~2009年的地面气温观测资料进行质量控制，并与传统单站方法及切比雪夫多项式内插法（Tshebyshev Polynomial Interpolation，TPI）进行对比。实验结果表明，该方法相比较于TPI和传统方法可以更有效地标记出可疑数据，具有检错率高、地区和气候适应性、可控性强等优点。
2017, 22(1): 71-79.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2016.16020
摘要:
高性能并行计算，一直是气候系统模式研究中的重要科学前沿。然而，随着计算机技术的发展，计算机体系结构越来越复杂，以及气候系统模式本身的复杂性使得开发高性能气候系统模式成为一个难题。采用了一种全新的并行程序设计方法：基于针对气象科学中的计算特点发展出的领域编程框架J-Earth，构建了高性能并行大气环流模式H-GAMIL。在对原模式GAMIL分析和解构以后，结合J-Earth的特点，采用面相对象的编程方式，对H-GAMIL进行重构。重构后的H-GAMIL具有现代软件标准化模块化的特点，并具有自动二维剖分、MPI（Message PassingInterface）和OpenMP（Open Multi-Processing）混合并行实现、并行输出等新功能。解决了原模式一维剖分受到处理器限制，串行IO等问题。在此基础上，本文对H-GAMIL进行了并行效率测试，结果显示，模式水平分辨率为1°（纬度）×1°（经度）时，可使用上千处理器核，并行效率达40%以上且负载平衡达70%。测试结果表明了H-GAMIL具有较好的并行效率和可扩展性；同时对H-GAMIL模拟性能进行对比分析，其结果表明H-GAMIL保持了原模式的守恒性，并且具有与原模式相当的模拟性能，能够满足气候研究的计算需求，达到实用程度。
高性能并行计算，一直是气候系统模式研究中的重要科学前沿。然而，随着计算机技术的发展，计算机体系结构越来越复杂，以及气候系统模式本身的复杂性使得开发高性能气候系统模式成为一个难题。采用了一种全新的并行程序设计方法：基于针对气象科学中的计算特点发展出的领域编程框架J-Earth，构建了高性能并行大气环流模式H-GAMIL。在对原模式GAMIL分析和解构以后，结合J-Earth的特点，采用面相对象的编程方式，对H-GAMIL进行重构。重构后的H-GAMIL具有现代软件标准化模块化的特点，并具有自动二维剖分、MPI（Message PassingInterface）和OpenMP（Open Multi-Processing）混合并行实现、并行输出等新功能。解决了原模式一维剖分受到处理器限制，串行IO等问题。在此基础上，本文对H-GAMIL进行了并行效率测试，结果显示，模式水平分辨率为1°（纬度）×1°（经度）时，可使用上千处理器核，并行效率达40%以上且负载平衡达70%。测试结果表明了H-GAMIL具有较好的并行效率和可扩展性；同时对H-GAMIL模拟性能进行对比分析，其结果表明H-GAMIL保持了原模式的守恒性，并且具有与原模式相当的模拟性能，能够满足气候研究的计算需求，达到实用程度。
2017, 22(1): 80-88.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2016.16029
摘要:
使用中国台站降水数据和NCEP/NCAR再分析资料，分析了1961~2012年深秋斯堪的纳维亚遥相类型（SCA）与同期我国西南西部降水的关系，以及SCA型环流异常影响西南西部降水的具体物理过程。结果表明：SCA型遥相关与西南西部降水存在显著的负相关关系，且具有非对称性：SCA正位相时西南西部降水偏少，而SCA负位相与西南西部降水的关系不显著。SCA正位相年西南西部的降水偏少与该地区对流层中下层的异常下沉运动有关。垂直运动方程诊断结果表明该异常下沉运动主要是由冷平流异常维持。气候态风场对温度异常场的平流在西南西部的冷平流异常中起主要作用。SCA正位相时，西南西部地区的东侧有暖异常，而其西侧的印度半岛北部及伊朗高原地区为冷异常，在平均西风作用下，西南西部有冷平流异常，造成该地区的异常下沉运动，从而降水偏少。
使用中国台站降水数据和NCEP/NCAR再分析资料，分析了1961~2012年深秋斯堪的纳维亚遥相类型（SCA）与同期我国西南西部降水的关系，以及SCA型环流异常影响西南西部降水的具体物理过程。结果表明：SCA型遥相关与西南西部降水存在显著的负相关关系，且具有非对称性：SCA正位相时西南西部降水偏少，而SCA负位相与西南西部降水的关系不显著。SCA正位相年西南西部的降水偏少与该地区对流层中下层的异常下沉运动有关。垂直运动方程诊断结果表明该异常下沉运动主要是由冷平流异常维持。气候态风场对温度异常场的平流在西南西部的冷平流异常中起主要作用。SCA正位相时，西南西部地区的东侧有暖异常，而其西侧的印度半岛北部及伊朗高原地区为冷异常，在平均西风作用下，西南西部有冷平流异常，造成该地区的异常下沉运动，从而降水偏少。
2017, 22(1): 89-96.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2016.16025
摘要:
本文采用二维fractional Brown motion（fBm）随机分形界面模拟不规则起伏地表，基于Longmire-Scott提出的土壤电参数等效模型（L-S模型），分析研究不规则起伏地表的土壤湿度对地闪回击垂直电场传播的影响。结果表明：（1）地表的不规则起伏程度主要会引起垂直电场峰值的衰减和上升沿时间的滞后。随着地表不规则起伏程度的增大，垂直电场峰值衰减越明显，且波形上升沿时间增长。（2）无论地表不规则程度如何，随着土壤湿度的增大，垂直电场的衰减反而减小。（3）总的来说，地表的不规则程度越大，土壤湿度越小，垂直电场的峰值衰减越大，波头上升沿时间越长。
本文采用二维fractional Brown motion（fBm）随机分形界面模拟不规则起伏地表，基于Longmire-Scott提出的土壤电参数等效模型（L-S模型），分析研究不规则起伏地表的土壤湿度对地闪回击垂直电场传播的影响。结果表明：（1）地表的不规则起伏程度主要会引起垂直电场峰值的衰减和上升沿时间的滞后。随着地表不规则起伏程度的增大，垂直电场峰值衰减越明显，且波形上升沿时间增长。（2）无论地表不规则程度如何，随着土壤湿度的增大，垂直电场的衰减反而减小。（3）总的来说，地表的不规则程度越大，土壤湿度越小，垂直电场的峰值衰减越大，波头上升沿时间越长。
2017, 22(1): 97-107.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2016.16034
摘要:
根据山东省24个风电场2013年全年每15 min的风电输出功率实测数据以及相应的WRF（WeatherResearch and Forecasting）气象预测数据和FNL（Final Operational Global Analysis）再分析资料，分析了区域大规模风电爬坡现象与大尺度天气系统演变的联系。结果显示，大尺度天气系统，特别是阻塞高压系统，是诱发山东地区大规模风电爬坡的重要因素；爬坡事件的预测应当考虑天气演变的因素。进一步结合旋转门（The SwingingDoor，TSD）算法重新讨论了爬坡事件的定义与识别，并在此基础上分析了爬坡事件的特征及其可预报性；并指出风电功率上报、考核制度应当重点考虑爬坡时间段的预测水平，以提高电网运行的稳定性。
根据山东省24个风电场2013年全年每15 min的风电输出功率实测数据以及相应的WRF（WeatherResearch and Forecasting）气象预测数据和FNL（Final Operational Global Analysis）再分析资料，分析了区域大规模风电爬坡现象与大尺度天气系统演变的联系。结果显示，大尺度天气系统，特别是阻塞高压系统，是诱发山东地区大规模风电爬坡的重要因素；爬坡事件的预测应当考虑天气演变的因素。进一步结合旋转门（The SwingingDoor，TSD）算法重新讨论了爬坡事件的定义与识别，并在此基础上分析了爬坡事件的特征及其可预报性；并指出风电功率上报、考核制度应当重点考虑爬坡时间段的预测水平，以提高电网运行的稳定性。
2017, 22(1): 108-114.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2016.16084
摘要:
基于腔减相移光谱（CAPS）技术检测灵敏度高、光源性价比好、容易控制和有效吸收光程长等优点，搭建了一套基于CAPS技术的连续测量大气气溶胶消光系数的监测系统。测试系统高反射镜片反射率约为0.9999，对应有效光程约为4.4 km；通过Allan方差测试分析系统最佳积分时间约为80 s，对应消光系数检测极限为0.06 Mm-1；将系统应用于实际大气气溶胶消光系数的12个周期和48 h连续监测，显示空腔相移基本稳定，样品测量相移偏移明显，反演得到的大气能见度结果稳定可靠。由此表明，研制的基于CAPS技术的大气气溶胶消光系数连续测量系统应用于实际的测量是完全可行的。
基于腔减相移光谱（CAPS）技术检测灵敏度高、光源性价比好、容易控制和有效吸收光程长等优点，搭建了一套基于CAPS技术的连续测量大气气溶胶消光系数的监测系统。测试系统高反射镜片反射率约为0.9999，对应有效光程约为4.4 km；通过Allan方差测试分析系统最佳积分时间约为80 s，对应消光系数检测极限为0.06 Mm-1；将系统应用于实际大气气溶胶消光系数的12个周期和48 h连续监测，显示空腔相移基本稳定，样品测量相移偏移明显，反演得到的大气能见度结果稳定可靠。由此表明，研制的基于CAPS技术的大气气溶胶消光系数连续测量系统应用于实际的测量是完全可行的。
