欧洲中心集合预报产品在2014年宁夏汛期降水预报中的性能检验

利用2014年欧洲中心集合预报产品汛期(6—9月)降水站点预报结果,以宁夏全区20个站点的不同级别(小雨、中雨)的24,48,72 h降水的预报结果作为统计对象,对其欧洲中心集合预报产品开展不同级别降水的TS评分,并对每个站、每个月的预报结果进行评价。同时,利用欧洲中心集合预报及51个成员对强降水的预报概率,对2014年宁夏出现的大雨以上降水的站点进行检验评估。结果表明,集合预报产品在2014年的汛期降水预报中有小雨、中雨高估,大雨以上降水低估的趋势;TS评分表明,对小雨、中雨来说,时效越短,预报效果越好;极值产品检验说明,欧洲中心集合预报产品对小概率事件有一定的预报能力,48 h预报效果最好;对大降水预报概率值大于0的站,欧洲中心集合预报极值产品对强降水的预报都有指示意义,可为今后的预报提供参考。     

宁夏一次降水过程人工影响天气模式系统云和降水预报产品检验分析

应用中国气象局人工影响天气中心研发的GRAPES-CAMS模式对宁夏2016年8月24—25日降水过程预报产品,如云系的发展演变特征、云系的宏观特征、云垂直结构和云性质、降水场及其演变进行检验分析。检验结果表明,GRAPES-CAMS模式预报宁夏此次混合云系的发展演变趋势、移向与实况基本一致,但预报混合云系的移动速度比实况慢,导致云带整体位置偏西;预报云的云顶高度偏低,云顶温度偏高;预报降水演变与实况相当,但对于北部降水预报范围和量级都偏大,相反对于南部降水预报范围偏小,24 h的降水强度比实况小一个等级。该模式能够较好地模拟出宁夏混合云系的位置、范围及发展演变特征,可作为宁夏人工增雨条件决策的重要依据,对于科学开展人工影响天气作业指挥有一定指导意义。     

宁夏汛期降水直接影响因子贡献的定量分析

利用宁夏24个气象观测站1991—2012年汛期逐6 h降水量资料及相应时段ECMWF的垂直速度、温度、比湿资料,通过相关、岭回归和因子的定量贡献等方法研究了宁夏降水直接影响因子对降水量的贡献及不同地区降水的关键影响因子.结果表明,宁夏汛期降水和当地上空中高层的温度显著相关,但南北差异较明显;降水和比湿在中低层显著相关;南部降水和比湿在高层显著相关,南部汛期降水大多和整层上升运动显著相关;中北部降水只和高层上升运动显著相关,韦州站是降水影响因子相关差异的南北分界点.宁夏北部和南部地区低层比湿对降水贡献较大,地形对降水量也有一定的影响;对宁夏不同气候区域而言,引黄灌区和南部山区比湿对汛期降水的贡献最大,中部干旱带降水因子的贡献则尚存在一定不确定性.     

基于T639数值预报产品的气温本地化应用及检验

基于T639数值预报产品下发的多个物理量资料,利用多元回归方法,开展本地化的分县气温客观预报方法研究,结合常规气象观测资料、美国NCEP/NCAR 1°×1°网格点逐6 h再分析资料,开展业务应用并进行了效果检验,得出以下结论:最低气温预报准确率要好于最高气温,同时夏季的气温预报也明显好于其他季节;在最高气温中对扬中的预报准确率高于其他站点,在最低气温中对丹阳的预报效果相对比较好;客观预报方法存在明显的系统性负偏差,通过使用每个预报时效预报误差的7 d滑动平均进行订正,结果表明通过订正,预报效果有所提高,特别是最高气温订正效果较明显;通过主客观预报准确率的对比分析,发现虽然客观预报对最高气温的预报效果比较差,但是在气温趋势预报上具有一定的参考价值;最低气温客观预报准确率明显高于江苏省的平均水平,和主观预报相比,虽然仍然低于主观预报水平,但是差距不大,基本上可以替代主观预报;分县气温客观预报方法对高温、寒潮等灾害性天气具有一定的预报能力,但是和实况相比,预报强度偏弱.     

蒙特卡罗方法在降水评估中的应用研究

预报检验重点关注预报与观测间的综合统计特征用以探讨模式预报性能,而统计显著性检验方法是衡量评估结论的重要指标,是判断预报效果改进与否的有效手段.当前诸多重要检验指标如降水技巧评分等由于不满足正态分布特征均难以采用简单的计算方式获得置信区间以衡量检验指标的误差特征,因此难以正确判断通过统计检验所获得的评估差异是真实反映模式预报效果差异或是由检验样本的不确定性所造成.蒙特卡罗方法可通过样本重构获取正态分布的统计样本从而有效地解决这一问题.采用2015年8月的T639模式及GRAPES全球预报模式24 h降水预报产品,使用中国区域2 400站日降水资料作为实况,重点研究蒙特卡罗方法在统计显著性检验中的应用特征,分析不同蒙特卡罗重构次数对检验结果的收敛性.结果表明10 000次蒙特卡罗重构后统计指标可满足正态分布,而通过显著性检验分析后可明显区分预报系统间降水评分差异的统计特征.     

金堤河范县水文站控制流域年降水中长期预报方案的研制

根据金堤河范县水文站以上流域1956 ～ 1995年年面降水及相关的22个气象因子数据,应用多元回归分析法,初步建立了该流域年降水的长期预报数学模型,并用1996～2000年的实测资料对模型进行了预报效果检验.     

宁夏霜现象的判别指标研究

根据霜天气现象形成的主要气象条件,选取气温、相对湿度、地面温度作为主要因子,利用宁夏地区比较有代表性的银川、石嘴山、青铜峡、中卫、固原5个自动气象观测站,2014—2015年的每日逐时自动观测资料及人工记录的天气现象进行统计分析。通过初选指标的统计分析,发现南部山区拟合率低于60%,结合典型个例分析,加入降水、风等影响因子进行综合统计分析,发现各地区拟合率均有明显提高,5个地区的平均拟合率为83%。最终凝练出较能代表宁夏地区出现霜天气现象的判别指标,为预报业务人员判别霜天气现象提供了一定的参考,同时对加快实现宁夏天气现象自动化观测具有重要的现实意义。     

基于改进双阶段注意力机制的降水智能预报

为提高现有时间序列算法降水预报的准确率, 本文提出一种基于改进双阶段注意力机制的时间序列降水预报模型(DeepAMogLSTM).该算法分为两部分, 在输入注意力机制中, 使用三层注意力机制对输入序列进行多重关注, 选择稳定的输入特征; 在时间注意力中, 通过选择与目标值最相关的隐层状态, 捕获时间序列的长期相关性.算法同时引入形变长短时记忆网络(Mogrifier LSTM), 增强模型特征表示能力.模型使用2016—2019年预处理的自动站点特征数据和欧洲中期天气预报中心(ECMWF)气象场模式资料进行集成预报, 并利用同期实况观测资料进行模式预报订正.实验结果表明: 该模型在时效为2 h的降水预报中, 各项数值评价指标均有改善, 其中均方根误差为1.877 mm, 平均绝对误差为0.727 mm, 拟合优度(R²)为0.783;同时与其他模型预报订正效果相比, 该模型较好地拟合了实际降水空间分布.     

宁夏夏季逐时降水与地球同步气象卫星红外资料的关系分析

利用地球同步气象卫星GMS-5的红外资料,计算了宁夏21个气象站点处的气象卫星资料导出量.应用宁夏各站近年来夏季逐时降水资料,通过对6839个降水个例中气象卫星资料的对比分析,发现宁夏夏季逐时降水,特别是强降水过程,在气象卫星红外资料中具有较明显的表现特征.各类降水发生时,灰度值在40～210之间,亮温介于220～310K之间,灰度变率为±100,灰度梯度在0～80之间.5mm以上强降水发生时,上述物理量的范围有不同程度缩小.各地降水极大值均产生于较暖云体之中,且大部地区强降水时云体稳定.通过对宁夏强对流特点及降水天气气候学特征的分析,发现宁夏强降水产生时,大气中水汽含量与中国南方相比显著偏低.由于地理位置与地形、地貌特性的影响,宁夏区域冷空气与水汽配合困难,特别是低层水汽输送不畅,难以形成非常有利的强降水条件.这是宁夏气候干旱的主要原因之一.这一研究对进一步认识宁夏更高时间和空间分辨率天气演变的物理机制,掌握其内在规律,进而建立精细化预报模型创造了条件.     

BCC_S2S预报长江上中游流域夏季降水精度评估

为评估我国国家气候中心季节-次季节预报模式产品(BCC_S2S)在长江上中游流域对日降水和夏季极端降水事件的预报性能,本文基于BCC_S2S模式在2005-2020年的每周两次滚动预报未来60天降水回报格点数据,把格点预报降水双线性插值到站点,将其与站点观测降水进行对比分析。通过相关系数、均方根误差和平均误差三个指标,评估模式预报日降水的性能;对于极端降水事件,依照百分位法定义极端降水,基于HSS指标评估单站极端降水,并利用层次聚类方法划分区域性极端降水类型,进一步评估预报性能。结果表明：BCC_S2S模式在各季节日降水的预报性能随预见期的增加而下降,在预见期大于5~10日后,进入低预报技巧阶段;将长江上中游划分为六个子区域进一步分析,各区域平均的相关系数仍然是在预见期较短时较高,平均误差表明预报模型在流域中东部区域整体呈现出正偏差,金沙江流域则是负偏差,均方根误差同样在流域中东部偏大;通过分析三个指标的箱型分布图,表明在长江上中游的大多数区域,模式预报6月份的降水精度最佳,误差范围相对较小。对极端降水事件,单站极端降水事件的HSS指标随预见期增加而下降;对大多数区域,模式的预报技巧在月降水总量偏多、极端降水频发的月份较高。针对四类区域性极端降水,模式超前0~10日预报的多雨带空间分布与观测较为一致,降水量值偏小,在超前10日以上预报时效果较差。总体上,模式对长江上中游地区的日降水和极端降水事件的预报性能随预见期的增加而下降,6月预报精度相对较好,可能与6月主要受大范围水汽输送或锋面这样较容易预报的天气系统有关。     

基于雷达校正的雨量插值研究

自动站点雨量数据到格点化雨量数据的插值方法一直在气象业务中有着重要应用,但传统插值法一般只考虑距离对估测点的影响,不能够真实地反应降水的落区分布.利用多普勒雷达资料对雨量插值结果进行校正,可使得插值后的结果较好地反映雷达反射率分布特征,也可以较好地克服反距离加权插值法的尖点问题.经过业务测试检验,基于雷达校正的雨量插值方法效果较为稳定,可以在业务中进行应用.     

三维插值方法在2 m温度评估中的应用

模式地形与实况站点地形高度间固有差异严重影响了2 m温度检验评估精度,传统二维插值方法仅满足预报要素与实况观测间经纬度二维空间上的一致性,而忽略了垂直方向的一致性问题,使得检验评估中预报与观测不在同一三维空间上进行检验,从而引起严重的评估误导.利用模式三维预报变量,结合近地面要素预报产品,建立新的近地面要素三维插值方法,以确保预报与观测在三维空间上保持一致性.利用2013年7月整月24 h预报产品与观测的对比分析发现,新插值方法有效地改进了由于地形误差引起的评估误导问题,在不同地形高度条件下均保持了较为一致的误差分布趋势,显示其评估结论不受地形因素影响,具有更好的实际应用价值.进一步关注新插值方法在复杂地形区不同模拟分辨率条件下的评估改进效果,采用GRAPES区域预报模式(GRAPESMESO4.0)针对2012年7月个例,对青藏高原复杂地形区进行了不同分辨率(45、15、5和2 km)条件下的60 h模拟敏感分析,结果表明新插值方法在高分辨率条件下(2 km)依然显示出明显的改进优势.     

模式结果输出与统计方法结合预报黑龙江省2010～2050年降水变化

使用近10 a降水资料,对Cccma、Ccsr、Gfdl、Csiro和Hadley海-气数值模式,模拟结果与实况进行气候态比较与u检验.结果表明:采用其中相对较好的4个模式模拟输出的降尺度结果,作为因子构建多元回归方程,进行降水气候预报.2010～2050年气候预报结果:未来40 a累计降水量较常年在减少,其中2010～2019年降水较常年稍多一些;2020～2029年偏少较多一些,有干旱发生;其它时段降水无明显变化.     

基于小时降水资料研究广东省降水分布特征

基于2001—2018年广东省86个国家自动气象站逐小时降水资料,分析了广东省不同历时降水的时空分布特征.结果表明:1)除粤北山区外,基本符合年均降水时数越多,累积降水量越大的规律.年均小时降水强度从南部沿海向北部内陆呈减弱趋势.2)汛期降水事件以短历时为主,占全年降水事件65.3%;累积降水量上,长历时降水量占汛期56.7%.前汛期短历时降水多发生在粤西;中历时降水多发生在珠三角两侧和粤西北地区;长历时降水多发生在粤东和粤北地区.后汛期短历时降水多发生在内陆,出现频次自西北向东南递减;中历时降水分布不均;长历时降水多发生在沿海.3)汛期降水时数日变化呈双峰型变化特征,小时降水强度日变化呈单峰型变化特征.小时降水强度峰值易出现在下午的站点多分布在内陆,小时降水强度峰值易出现在下半夜至上午时段的站点则多分布在沿海、部分山区和珠三角地区.     

低涡尾流系统对宁夏偏东地区短时暴雨的影响分析

利用宁夏加密自动站观测资料、银川站探空资料、FNL 1°×1°逐6 h格点再分析资料以及卫星、多普勒雷达等气象探测资料,对2016-07-03傍晚前后发生在宁夏偏东地区强对流性过程的天气形势、水汽、动力、不稳定能量等物理量条件进行分析。结果表明,发生短时暴雨的区域在降水开始前为上干冷、下暖湿的不稳定层结,低涡尾流底部冷空气的侵入触发了这种不稳定机制;在暴雨开始前对流有效位能等能量参数增大,短时暴雨结束后能量参数减小,即能量参数与短时暴雨的发生、发展有较好的对应关系。     

宁夏2017年夏季一次连阴雨天气的人工增雨作业条件分析

利用MICAPS4.0高空实况资料、FY-2卫星反演产品、Grapes-cams人影模式产品以及隆德气象站42通道微波辐射计资料对宁夏2017年一次大范围连阴雨过程人工增雨作业条件进行分析。结果表明,(1)该次降水过程开始是由冷暖空气交汇形成的锋区降水,转受南支槽过境配合副热带高压外围暖湿空气形成的连阴雨过程;(2)Grapes-cams预报模式分析云中微物理过程,过冷水为冰相水凝物的生成、生长提供了有利条件,雪、霰在下落过程中融化是低层雨水的主要来源;(3)卫星反演的云参数能够较好地反映出云系的移动发展,且较地面降水的发生具有一定的提前量,可以作为人工增雨作业条件判别的参考依据;(4)地面降水与云液态水含量随时间的分布对应较好,且在地面降水出现前,云液态水含量有跃增现象,利用这种现象可判断此时段云系正处于发展阶段,由此可应用于人工增雨作业条件的判别;(5)在降水开始前的1 h左右,高层温度略有升高,地面温度下降,相对湿度大于90%的湿层厚度明显增加,地面产生降水后近地面空气相对湿度接近过饱和状态,降水结束后空气相对湿度明显减小,相对湿度大于90%的湿层延伸的最大高度明显下降。     

宁夏“2014-06-03”强降水天气过程分析

利用自动站雨量、MICAPS调阅的常规资料,NCEP再分析资料以及银川雷达资料等,对宁夏2014年6月3日中到大雨天气中尺度影响系统、物理量场特征、银川雷达演变以及预报偏差进行了分析.结果表明,500 h Pa高原北部有冷槽扩散东移,700 h Pa河西地区有冷式切变,宁夏南部有暖式切变影响系统;物理量反映降水前中低层具有较好的能量储备,850 h Pa宁夏处于330~350 K能量区;强降水主要出现在整层基本为负速度区时段内,水汽通量散度的辐合、强正涡度的存在互相影响加强雨强;雷达反射率因子显示有强回波叠加在大片层状云回波上;降水性质以混合性为主.     

宁夏北部高温天气特征及预报分析

利用2000—2010年宁夏北部4个测站高温天气观测资料,结合同期NCEP/NCAR逐日再分析资料,对宁夏北部高温天气的高空环流特征、地面形势特征及物理量场特征进行了分析,总结归纳了宁夏北部高温天气的预报着眼点,为今后此类灾害性天气预报提供参考.结果表明,宁夏北部地区高温天气的主要高空影响系统为大陆高压、西太平洋副热带高压及蒙新暖脊;主要地面影响系统是位于90°～120°E、30°～50°N的热低压;物理量场上,700～850 hPa相对湿度低值中心都在宁夏北部,中心值基本都在10%～50%;散度场上,整层大气以下沉为主,有利于晴好天气维持及地面的增温;当对流层中低层温度露点差均大于15℃时,表明该地区上空的大气为干燥大气,在有利的大尺度环流条件下,易出现35℃以上的高温天气;探空图上,风向由低层到高层为顺时针旋转,表明有暖平流存在,暖平流控制宁夏北部值为80×10-5℃·s-1左右时,宁夏北部有高温天气,但副高控制下的高温天气温度平流不明显.     

利用天然地震震源点确定活动断裂深部延伸性状的尝试

本文首先运用卫星影像,对临汾—运城盆地中主要活动断层的平面展布状况进行了解译。在此基础上,利用天然地震震源点的三维生标,探索性地研究与确定了各条断层的深部延伸性状,建立起了盆地内断裂构造的三维格架。主要结论有:(1)边缘断裂多数是深达莫霍面的(38km)伸展性铲形断裂;(2)霍山西麓山前大断裂的深部延伸为直立状,深度达莫霍面(38km)。(3)盆地内的其它断层多数是铲形断层的对偶断层,产状为倾斜状,与铲形断层相遇后而终止,延伸深度一般不超过30km;(4)区内存在4个水平滑脱面(或层),其深度分别为4.5～5.5km,9.5～10.5km,18.5～20.5km,35.5～37.5km,这些面(或层上)震源点分布较密集;(5)区内北部、中部、南部,断层组合形式稍有差别,并控制、形成了不同的地貌形态。     

衡阳盆地气象干旱频率的时空演变特征

利用衡阳盆地7个气象站1960—2013年的气温、降水等数据,应用趋势分析法、Mann-Kendall检验与ArcGIS技术研究了衡阳盆地气象干旱频率的时空演变特征。结果表明:衡阳盆地54 a的干旱频率呈缓慢增加趋势,年增幅为0.099 7%,其中轻旱与中旱频率呈缓慢降低趋势,而重旱与特旱频率明显上升;衡阳盆地气象干旱以秋季干旱的频率最大,为40.26%,春季干旱发生的可能性最小,其频率仅为9.84%;盆地中部的衡南县、西部的祁东县及西北部的衡阳县属于气象干旱高危险区,盆地北部的衡山县、东北部的衡东县、南部的常宁市与东南部的耒阳市为气象干旱的低危险区。该研究得出的气象干旱的时空规律与农业旱情的时空特征有较好的吻合性,因此,利用综合气象干旱指数诊断干旱等级对农业防旱抗旱有一定的指导意义。