2022年 第27卷 第5期
2022, 27(5): 559-577.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2021.21097
摘要:
近年来，世界各地的极端林火事件已呈现出多发态势。林火作为一种复合型极端事件，它的发生和蔓延与气象条件有着密切联系，在全球变暖的背景下，研究林区森林火险天气的变化特征可以为“碳中和”背景下的森林防火工作提供科学的信息。本文以逐日森林火险气象指数（FFDI）作为火险天气的度量指标，分析了该指数的适用性及空间分布特征，进而分析了1961～2020年东北和西南两大林区FFDI及相关气象因子的线性变化趋势；最后利用集合经验模分解（EEMD）的方法揭示了两大林区防火期FFDI的多时间尺度演变特征。研究发现：在季节以及年时间尺度上，FFDI的分布具有明显的区域特征，东北地区在春季、秋季处于高值期，而西南地区则集中在春季和冬季，这与两大林区的森林防火期有很好的对应关系。各个季节FFDI呈现显著增长的站点数在10%～20%左右，春季最多（21%）。东北林区FFDI的变化趋势在四季都不显著；但相关气象因子中的日最高气温在四季都呈现显著的变暖趋势，平均风速在四季都呈现显著减弱的趋势。西南林区四季的FFDI都呈现显著（至少是0.1水平下的）增长态势，其中春、冬季防火期的趋势分别为0.09/10 a（P<0.1）和0.05/10 a（P<0.1）；夏、秋、冬三个季节显著变暖又显著变干（P<0.05），朝着 “暖干化”的气候特征演变。年际变率在两大林区FFDI的演变中贡献超70%；东北春季和秋季防火期FFDI的非线性趋势分别呈先快速上升后减缓和先快速上升后转为下降的趋势；西南春季防火期FFDI的非线性趋势从上个世纪的稳定少变转为21世纪开始呈现快速上升的趋势，冬季防火期FFDI则总体呈稳步上升趋势。因此，西南林区的防火形势正变得愈发地严峻。
近年来，世界各地的极端林火事件已呈现出多发态势。林火作为一种复合型极端事件，它的发生和蔓延与气象条件有着密切联系，在全球变暖的背景下，研究林区森林火险天气的变化特征可以为“碳中和”背景下的森林防火工作提供科学的信息。本文以逐日森林火险气象指数（FFDI）作为火险天气的度量指标，分析了该指数的适用性及空间分布特征，进而分析了1961～2020年东北和西南两大林区FFDI及相关气象因子的线性变化趋势；最后利用集合经验模分解（EEMD）的方法揭示了两大林区防火期FFDI的多时间尺度演变特征。研究发现：在季节以及年时间尺度上，FFDI的分布具有明显的区域特征，东北地区在春季、秋季处于高值期，而西南地区则集中在春季和冬季，这与两大林区的森林防火期有很好的对应关系。各个季节FFDI呈现显著增长的站点数在10%～20%左右，春季最多（21%）。东北林区FFDI的变化趋势在四季都不显著；但相关气象因子中的日最高气温在四季都呈现显著的变暖趋势，平均风速在四季都呈现显著减弱的趋势。西南林区四季的FFDI都呈现显著（至少是0.1水平下的）增长态势，其中春、冬季防火期的趋势分别为0.09/10 a（P<0.1）和0.05/10 a（P<0.1）；夏、秋、冬三个季节显著变暖又显著变干（P<0.05），朝着 “暖干化”的气候特征演变。年际变率在两大林区FFDI的演变中贡献超70%；东北春季和秋季防火期FFDI的非线性趋势分别呈先快速上升后减缓和先快速上升后转为下降的趋势；西南春季防火期FFDI的非线性趋势从上个世纪的稳定少变转为21世纪开始呈现快速上升的趋势，冬季防火期FFDI则总体呈稳步上升趋势。因此，西南林区的防火形势正变得愈发地严峻。
2022, 27(5): 578-590.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2022.21058
摘要:
降水预报模型的性能与诸多因素有关，除了与研究区域特征和研究数据有关，还受到模型自身算法、统计模拟方法、性能度量指标等的影响。本文基于2015～2019年我国黑龙江省28个站点逐日降水、平均气温和平均相对湿度等地面常规气象资料，运用留出法、自助法等蒙特卡洛统计模拟和机器学习方法，首次系统研究了黑龙江省夏季逐日降水预报模型的性能和模型性能的空间分布特征。结果表明，对研究区域整体来说，BP（Back Propagation）神经网络和支持向量机的总体预报性能没有显著差异，ROC（Receiver Operating Characteristic）曲线面积值均高于76%，显著优于决策树。自助法估计的模型预报性能始终优于留出法，并且有助于提高评估结果的保真性。对研究区域单个站点来说，除个别站点以外，支持向量机的准确率和ROC曲线面积值均高于80%，并且呈现东南大西北小的空间分布趋势，该趋势与降水频率的分布基本一致。支持向量机在小兴安岭和张广才岭的总体预报效果较好，三江平原次之，松嫩平原较差；而敏感度在山区大，平原区小，中部和南部大，东部次之，西部和北部小；特异度空间分布则恰好与敏感度相反。
降水预报模型的性能与诸多因素有关，除了与研究区域特征和研究数据有关，还受到模型自身算法、统计模拟方法、性能度量指标等的影响。本文基于2015～2019年我国黑龙江省28个站点逐日降水、平均气温和平均相对湿度等地面常规气象资料，运用留出法、自助法等蒙特卡洛统计模拟和机器学习方法，首次系统研究了黑龙江省夏季逐日降水预报模型的性能和模型性能的空间分布特征。结果表明，对研究区域整体来说，BP（Back Propagation）神经网络和支持向量机的总体预报性能没有显著差异，ROC（Receiver Operating Characteristic）曲线面积值均高于76%，显著优于决策树。自助法估计的模型预报性能始终优于留出法，并且有助于提高评估结果的保真性。对研究区域单个站点来说，除个别站点以外，支持向量机的准确率和ROC曲线面积值均高于80%，并且呈现东南大西北小的空间分布趋势，该趋势与降水频率的分布基本一致。支持向量机在小兴安岭和张广才岭的总体预报效果较好，三江平原次之，松嫩平原较差；而敏感度在山区大，平原区小，中部和南部大，东部次之，西部和北部小；特异度空间分布则恰好与敏感度相反。
2022, 27(5): 591-603.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2021.21081
摘要:
借助第五阶段国际耦合模式比较计划（CMIP5）多模式集合数据、欧洲中期预报中心再分析资料及黑河流域站点观测记录等，检验了模式降水估计偏差，设计了3种降尺度方法，对2011～2100年模式集合预估降水做了降尺度偏差订正。结果表明，即使去掉模式气候飘移，在黑河流域的模拟或估计降水偏差依然较大。本文选用15个CMIP5模式集合做降水预估。依据贝叶斯模式平均（BMA）和多元线性回归（MLR）构造降尺度模型，其因子有700 hPa位势高度场、经向风和比湿等。检验表明，两种降尺度模型各有优缺点，BMA降尺度降水平均值精度较高，但方差和相关系数较低；MLR的方差和相关系数均较高，但在黑河下游极端干旱区或少雨季节易出现“负降水”偏差。在降尺度模型中加入模式降水因子后，BMA的降水方差和相关系数均有明显提高，MLR的负降水问题得到一定程度抑制。BMA模型在黑河上游最优，MLR在中、下游及整个流域最优。因此，选用BMA和MLR对RCP4.5情景下2011～2100年的降水预估做降尺度偏差订正，结果表明，经BMA和MLR降尺度后预估的整个黑河流域降水呈下降趋势，相对于1971～2000年参考期，流域前期（2011～2040年）、中期（2041～2070年）、后期（2071～2100年）降水下降率依次为−9.7%、−12.5、−12.1%，即前、中期降水明显减少，后期变化不大。其中上游降水有一个弱的增加趋势，其变化率依次为1.4%、1.6%、2.3%；中游降水呈明显减少趋势，其变化率依次为−16.3%、−21.4%、−22.6%；下游降水前期减少，中、后期明显增加，其变化率依次为−13.0%、4.2%、21.4%。该预估结果表明，随着全球气候暖化，黑河上游祁连山区降水会缓慢增加，但中游农耕区降水明显减少，流域水资源供需矛盾可能会进一步加剧。因此，黑河流域未来的分水方案及相关的生态、农业、经济等发展规划需要据此做一些调整，以适应未来气候和黑河流域水资源的可能变化。
借助第五阶段国际耦合模式比较计划（CMIP5）多模式集合数据、欧洲中期预报中心再分析资料及黑河流域站点观测记录等，检验了模式降水估计偏差，设计了3种降尺度方法，对2011～2100年模式集合预估降水做了降尺度偏差订正。结果表明，即使去掉模式气候飘移，在黑河流域的模拟或估计降水偏差依然较大。本文选用15个CMIP5模式集合做降水预估。依据贝叶斯模式平均（BMA）和多元线性回归（MLR）构造降尺度模型，其因子有700 hPa位势高度场、经向风和比湿等。检验表明，两种降尺度模型各有优缺点，BMA降尺度降水平均值精度较高，但方差和相关系数较低；MLR的方差和相关系数均较高，但在黑河下游极端干旱区或少雨季节易出现“负降水”偏差。在降尺度模型中加入模式降水因子后，BMA的降水方差和相关系数均有明显提高，MLR的负降水问题得到一定程度抑制。BMA模型在黑河上游最优，MLR在中、下游及整个流域最优。因此，选用BMA和MLR对RCP4.5情景下2011～2100年的降水预估做降尺度偏差订正，结果表明，经BMA和MLR降尺度后预估的整个黑河流域降水呈下降趋势，相对于1971～2000年参考期，流域前期（2011～2040年）、中期（2041～2070年）、后期（2071～2100年）降水下降率依次为−9.7%、−12.5、−12.1%，即前、中期降水明显减少，后期变化不大。其中上游降水有一个弱的增加趋势，其变化率依次为1.4%、1.6%、2.3%；中游降水呈明显减少趋势，其变化率依次为−16.3%、−21.4%、−22.6%；下游降水前期减少，中、后期明显增加，其变化率依次为−13.0%、4.2%、21.4%。该预估结果表明，随着全球气候暖化，黑河上游祁连山区降水会缓慢增加，但中游农耕区降水明显减少，流域水资源供需矛盾可能会进一步加剧。因此，黑河流域未来的分水方案及相关的生态、农业、经济等发展规划需要据此做一些调整，以适应未来气候和黑河流域水资源的可能变化。
2022, 27(5): 604-618.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2021.21044
摘要:
高温热浪和干旱是影响陆地生态系统最主要的极端天气气候事件。已有关于中国高温热浪和干旱历史变化的定量研究主要针对全国范围、地理分区或单一区域，对于我国生态脆弱区相关极端事件的历史变化特征尚不清楚。本文利用中国CN05.1格点化观测数据集中的日最高气温观测资料和全球逐月标准化降水蒸发指数格点数据，分析了中国典型生态脆弱区1980～2014年发生的高温热浪和干旱的时空变化特征。结果表明：1980～2014年中国生态脆弱区的年高温日数和热浪次数整体呈增加趋势，两者变化趋势的空间分布类似。在空间分布上，高温热浪显著增加的区域主要位于北方生态脆弱区的中部和西部以及南方生态脆弱区的东部。其中，高温热浪增长显著的面积比率在西南岩溶山地石漠化脆弱区最高，在南方农牧脆弱区最低。区域平均来看，除南方农牧脆弱区较少发生高温热浪外，各脆弱区高温日数和热浪次数均呈现增加趋势，且除北方农牧林草区外，其余脆弱区增加趋势显著。北方生态脆弱区高温和热浪的发生频率和年际变化在20世纪90年代中期起均迅速增加。此外，中国生态脆弱区东部多呈现变干趋势且中等和极端干旱发生月数增多，其余地区则多变湿且极端干旱发生月数减少；区域平均来看，除西南岩溶山地石漠化脆弱区区域平均的干旱发生月数呈现显著增加趋势以外，其他区域的干湿和干旱发生月数的变化趋势小且不显著。
高温热浪和干旱是影响陆地生态系统最主要的极端天气气候事件。已有关于中国高温热浪和干旱历史变化的定量研究主要针对全国范围、地理分区或单一区域，对于我国生态脆弱区相关极端事件的历史变化特征尚不清楚。本文利用中国CN05.1格点化观测数据集中的日最高气温观测资料和全球逐月标准化降水蒸发指数格点数据，分析了中国典型生态脆弱区1980～2014年发生的高温热浪和干旱的时空变化特征。结果表明：1980～2014年中国生态脆弱区的年高温日数和热浪次数整体呈增加趋势，两者变化趋势的空间分布类似。在空间分布上，高温热浪显著增加的区域主要位于北方生态脆弱区的中部和西部以及南方生态脆弱区的东部。其中，高温热浪增长显著的面积比率在西南岩溶山地石漠化脆弱区最高，在南方农牧脆弱区最低。区域平均来看，除南方农牧脆弱区较少发生高温热浪外，各脆弱区高温日数和热浪次数均呈现增加趋势，且除北方农牧林草区外，其余脆弱区增加趋势显著。北方生态脆弱区高温和热浪的发生频率和年际变化在20世纪90年代中期起均迅速增加。此外，中国生态脆弱区东部多呈现变干趋势且中等和极端干旱发生月数增多，其余地区则多变湿且极端干旱发生月数减少；区域平均来看，除西南岩溶山地石漠化脆弱区区域平均的干旱发生月数呈现显著增加趋势以外，其他区域的干湿和干旱发生月数的变化趋势小且不显著。
2022, 27(5): 619-629.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2022.21012
摘要:
彩虹是极具观赏价值的天气景观资源之一，却一直缺乏有效的历史观测数据。为了解全国彩虹资源分布特征，给各地旅游等产业提供气象服务支撑，本文基于相关理论，分析确定了出现彩虹所必需的4个影响指标：雷暴天气的多寡、太阳高度角大小、合适的地形及能见度，并据此构建了可见彩虹评估概念模型；运用此模型，依据1980~2010年全国气象观测数据及纬度数据，评估了彩虹资源的分布并得出如下结论：（1）华南、云南南部及青藏高原彩虹资源相对丰富。其中华南地区在不同季节出现彩虹的可能性于全国范围内位居前列，但冬季内总体数量不多。（2）北方地区大部相较南方彩虹资源总体偏少，但个别地方，如新疆西部及华北北部的部分地区，彩虹资源受太阳高度角和地形、能见度、雷暴天气的综合影响，丰富程度在全国排名非常靠前，具有开发彩虹生态旅游资源的优势。（3）经检验分析，该概念模型可以用于对全国范围彩虹资源丰富程度的分析或排序；也可进一步推广应用于彩虹预报模型中，以助提高彩虹景观的预报准确率。
彩虹是极具观赏价值的天气景观资源之一，却一直缺乏有效的历史观测数据。为了解全国彩虹资源分布特征，给各地旅游等产业提供气象服务支撑，本文基于相关理论，分析确定了出现彩虹所必需的4个影响指标：雷暴天气的多寡、太阳高度角大小、合适的地形及能见度，并据此构建了可见彩虹评估概念模型；运用此模型，依据1980~2010年全国气象观测数据及纬度数据，评估了彩虹资源的分布并得出如下结论：（1）华南、云南南部及青藏高原彩虹资源相对丰富。其中华南地区在不同季节出现彩虹的可能性于全国范围内位居前列，但冬季内总体数量不多。（2）北方地区大部相较南方彩虹资源总体偏少，但个别地方，如新疆西部及华北北部的部分地区，彩虹资源受太阳高度角和地形、能见度、雷暴天气的综合影响，丰富程度在全国排名非常靠前，具有开发彩虹生态旅游资源的优势。（3）经检验分析，该概念模型可以用于对全国范围彩虹资源丰富程度的分析或排序；也可进一步推广应用于彩虹预报模型中，以助提高彩虹景观的预报准确率。
2022, 27(5): 630-642.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2021.21152
摘要:
基于CloudSat-CALIPSO（CloudSat-Cloud Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations）卫星反演资料以及ERA5（ECMWF Reanalysis v5）月平均再分析资料，分析了北极地区总云量及其出现频率最高的层积云（Sc）的时空分布特征，并且探讨了层积云形成的可能原因。分析结果表明：秋季是北极地区全年总云量最多的季节，且喀拉海—楚科奇海区域云量增加幅度较为明显，其中海气温差较大、表面潜热通量致使边界层上升运动较强且相对湿度大是该区域云形成和维持的主要因素。另外，北极地区分布着大量Sc，主要位于常年几乎无海冰覆盖的挪威海—巴伦支海区域。此区域的低层稳定度与Sc云量呈负相关，即低层稳定度越大，Sc云量越少，此现象与热带以及中纬度等地区不同。开阔的海洋表面通过地表—大气耦合、热量和湿度的湍流表面通量降低了低层稳定度，促进了层积云的形成，增加了层积云的覆盖。
基于CloudSat-CALIPSO（CloudSat-Cloud Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations）卫星反演资料以及ERA5（ECMWF Reanalysis v5）月平均再分析资料，分析了北极地区总云量及其出现频率最高的层积云（Sc）的时空分布特征，并且探讨了层积云形成的可能原因。分析结果表明：秋季是北极地区全年总云量最多的季节，且喀拉海—楚科奇海区域云量增加幅度较为明显，其中海气温差较大、表面潜热通量致使边界层上升运动较强且相对湿度大是该区域云形成和维持的主要因素。另外，北极地区分布着大量Sc，主要位于常年几乎无海冰覆盖的挪威海—巴伦支海区域。此区域的低层稳定度与Sc云量呈负相关，即低层稳定度越大，Sc云量越少，此现象与热带以及中纬度等地区不同。开阔的海洋表面通过地表—大气耦合、热量和湿度的湍流表面通量降低了低层稳定度，促进了层积云的形成，增加了层积云的覆盖。
2022, 27(5): 643-652.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2021.21068
摘要:
浅对流云（Shallow Convective Cloud，SCC）对于认识和预报深对流强雷暴、辐射平衡以及气候变化有着十分重要的科学和意义。然而浅对流云水平、垂直尺度较小，并且生命尺度短，对其观测技术有限，目前针对浅对流云的观测研究仍然较少。本文采用2009～2010年CloudSat、CALIPSO（Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation satellite）和MODIS（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer）卫星融合产品2B-CLDCLASS-LIDAR和2B-GEOPRO对SCC进行研究，研究分析表明内蒙古草原区域SCC出现频率有明显季节变化，主要发生在夏季和秋季，其出现频率水平分布呈现西北低、东南高的趋势，与海拔梯度变化密切相关。SCC平均云底高度，8月最高，12月最低，呈现明显的冬夏差异。通过比较不同地区SCC云底高度发现，随着观测区域海拔高度增加，SCC云底高度有上升趋势。除此以外，海拔越高SCC云底高度变化幅度越大。
浅对流云（Shallow Convective Cloud，SCC）对于认识和预报深对流强雷暴、辐射平衡以及气候变化有着十分重要的科学和意义。然而浅对流云水平、垂直尺度较小，并且生命尺度短，对其观测技术有限，目前针对浅对流云的观测研究仍然较少。本文采用2009～2010年CloudSat、CALIPSO（Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation satellite）和MODIS（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer）卫星融合产品2B-CLDCLASS-LIDAR和2B-GEOPRO对SCC进行研究，研究分析表明内蒙古草原区域SCC出现频率有明显季节变化，主要发生在夏季和秋季，其出现频率水平分布呈现西北低、东南高的趋势，与海拔梯度变化密切相关。SCC平均云底高度，8月最高，12月最低，呈现明显的冬夏差异。通过比较不同地区SCC云底高度发现，随着观测区域海拔高度增加，SCC云底高度有上升趋势。除此以外，海拔越高SCC云底高度变化幅度越大。
2022, 27(5): 653-668.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2021.21109
摘要:
将大气化学三维变分同化系统WRFDA_Chem引入睿图—化学环境气象数值预报系统（RMAPS-Chem），利用2016年11月地面观测细颗粒物（PM2.5）和颗粒物（PM10）逐小时质量浓度资料进行同化预报试验：6 h循环同化结果表明，WRFDA-Chem对初始场PM2.5和PM10的模拟偏差和相关性有显著改善，均方根误差（RMSE）减小40%左右，相关性提高0.27~0.37；同化对预报改进能持续24 h以上，PM2.5（PM10）浓度预报RMSE降低25%（10%），相关性提升14%（25%）；加密同化频次（逐小时循环同化）进一步改进预报效果。未来需要进一步开展同化数据质量控制方案研究以优化业务预报效果，并在深入理解模式不确定性和偏差来源的情况下，进一步开展模式和同化系统的协同发展。
将大气化学三维变分同化系统WRFDA_Chem引入睿图—化学环境气象数值预报系统（RMAPS-Chem），利用2016年11月地面观测细颗粒物（PM2.5）和颗粒物（PM10）逐小时质量浓度资料进行同化预报试验：6 h循环同化结果表明，WRFDA-Chem对初始场PM2.5和PM10的模拟偏差和相关性有显著改善，均方根误差（RMSE）减小40%左右，相关性提高0.27~0.37；同化对预报改进能持续24 h以上，PM2.5（PM10）浓度预报RMSE降低25%（10%），相关性提升14%（25%）；加密同化频次（逐小时循环同化）进一步改进预报效果。未来需要进一步开展同化数据质量控制方案研究以优化业务预报效果，并在深入理解模式不确定性和偏差来源的情况下，进一步开展模式和同化系统的协同发展。
2022, 27(5): 669-678.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2022.21145
摘要:
基于1981～2020年 ERA5逐小时再分析资料，采用通用热气候指数（Universal Thermal Climate Index, UTCI）计算方法，分析了气候变化背景下长江三角洲地区人体生理热响时空变化特征。研究表明：近40年长江三角洲地区人体无冷热胁迫气候条件的出现频率约为43.77%、热胁迫和冷胁迫出现频率分别约为22.42%和33.81%，其中，显著热胁迫和显著冷胁迫出现频率分别约为8.38%和1.58%；在空间分布上，长江三角洲地区无冷热胁迫气候条件的出现频率总体表现为南多北少地带性分布，兼有山区多平原少、沿海多内陆少分布特征，显著热胁迫主要出现在皖西和皖南的平原以及浙江的嘉绍平原和金衢盆地，显著冷胁迫主要出现在苏北、皖北和舟山以北的沿海岸区；在全球气候变暖背景下，长江三角洲地区UTCI值的年代际变化呈上升趋势，由1981～1990年13.83℃增加至2011～2020年14.75℃，人体生理热响应表征为冷胁迫减少、热胁迫增加、无冷热胁迫基本不变，春季无冷热胁迫时长的增加基本抵消了夏季无冷热胁迫时长的减少。
基于1981～2020年 ERA5逐小时再分析资料，采用通用热气候指数（Universal Thermal Climate Index, UTCI）计算方法，分析了气候变化背景下长江三角洲地区人体生理热响时空变化特征。研究表明：近40年长江三角洲地区人体无冷热胁迫气候条件的出现频率约为43.77%、热胁迫和冷胁迫出现频率分别约为22.42%和33.81%，其中，显著热胁迫和显著冷胁迫出现频率分别约为8.38%和1.58%；在空间分布上，长江三角洲地区无冷热胁迫气候条件的出现频率总体表现为南多北少地带性分布，兼有山区多平原少、沿海多内陆少分布特征，显著热胁迫主要出现在皖西和皖南的平原以及浙江的嘉绍平原和金衢盆地，显著冷胁迫主要出现在苏北、皖北和舟山以北的沿海岸区；在全球气候变暖背景下，长江三角洲地区UTCI值的年代际变化呈上升趋势，由1981～1990年13.83℃增加至2011～2020年14.75℃，人体生理热响应表征为冷胁迫减少、热胁迫增加、无冷热胁迫基本不变，春季无冷热胁迫时长的增加基本抵消了夏季无冷热胁迫时长的减少。
