山东省气象观测质量管理体系运行有效性定量评估分析

为了定量评估山东省气象观测质量管理体系运行的有效性,文章对山东省气象观测质量管理体系运行前后各类气象观测设备的业务可用性、数据传输质量、维护维修信息,以及用户满意度调查和外供方评价等内容进行了对比分析。结果表明,质量管理体系的运行有效提高了业务质量;市级管理和业务人员更加重视数据质量和传输质量;通过质量管理体系的约束,提高了业务人员故障维修的及时性;用户满意度调查和外供方评价结果反映出日常观测业务工作仍有改进空间。总体而言,气象观测质量管理体系的运行有效提升了观测业务管理的科学化和规范化水平,对山东省气象观测工作质量的进一步提升起到了促进作用。

2013—2021年山东大气污染特征及气象条件分析

利用2013—2021年山东环境监测站点逐时数据,统计了6项污染物的特征,探讨了颗粒物(PM)与臭氧(O_(3))时空分布,分析了气象条件和污染来源。结果表明:2013—2021年山东空气质量逐年转好,2021年PM_(2.5)年平均质量浓度较2013年下降了60.2%,O_(3)年平均浓度整体呈现逐年上升趋势,其他5项污染物浓度均降低,PM和O_(3)是影响山东空气质量的重要污染物。CO、NO_(2)、PM_(10)、PM_(2.5)和SO_(2)浓度呈现冬高夏低的单峰型特征,O_(3)浓度呈现夏高冬低的单峰型特征;空间分布呈现中西部高东部低的特征。PM_(2.5)气象条件评估指数和大气自净能力指数特征显示,2013—2021年有利的气象条件和减排共同作用使山东PM_(2.5)年平均浓度较2013年下降59μg·m^(-3),减排是PM_(2.5)年平均浓度下降的主因。来源解析表明,山东大部地区PM_(2.5)本省排放占比高,相比2019年,2021年本地排放占比有所降低,距离河北和河南越近的地区外源输入占比越大;2019年7个通道城市本地排放占31%~54%,2021年为19%~34%,鲁西北地区受外省输送影响最大。

基于REOF分析的山东省年降水区域特征及趋势分析

[目的]探究山东省不同气候分区年降水量的时空特征,为该地区气候分析、防灾减灾提供更加区域性的参考依据。[方法]根据山东省95个国家地面气象观测站1991—2020年降水年值数据,首先对山东省年降水场进行气候分区,然后通过相关统计方法分析各分区降水的时空变化特征。[结果](1)山东省各降水模态降水偏少的年份更多,降水偏多的年份降水强度更大,年代际变化均较为明显,但各模态降水偏多偏少的年份分布及强度变化有所不同。(2)山东省年降水量大致由东南向西北递减,年降水场划分为东南沿海区(Ⅰ区)、西北平原区(Ⅱ区)和中部山地区(Ⅲ区)3个区域,各降水分区年降水均呈不显著增加趋势,趋势率各不相同,突变均不明显。(3)山东省各降水分区年降水量均具有较为明显的周期性特征,东南沿海区年降水场存在2个较为明显的能量中心,中心尺度均为2~3 a,未来变化具有强持续性;西北平原区年降水场存在3个较为明显的能量中心,中心尺度分别为5~7 a, 3 a和2~3 a,未来变化具有持续性;中部山地区年降水场存在2个较为明显的能量中心,中心尺度分别为2~3 a, 6 a,未来变化具有强持续性。[结论]山东省降水偏少的年份更多,降水偏多的年份降水强度更大,年降水场大致可分为3个分区,各分区年降水量均呈不显著增加趋势,均具有较为明显的周期性特征,且未来变化均具有持续性。

2016-2021年山东省大风时空分布特征分析

本文利用2016—2021年山东省1886个气象观测站逐时大风观测资料和欧洲中期天气预报中心提供的ERA5客观再分析资料,分析了山东省大风的时空分布特征。结果表明,6年间山东省年均有1476个气象观测站出现8级以上大风,春季大风约占全年的40.1%,每日10—17时时间段大风天气年均超过1000站次,14时前后大风频率最高,偏北大风约占79.3%,北西北(NNW)方向最多。山东省北部沿海地区大风出现频率最高,站均30次以上,南部沿海地区和鲁中山区大风站均10~30次。6年间全省发生瞬时风力13级以上的共有14个站,12级以上的共有64个站,其中雷暴大风占据主导,最大风速为章丘站的39.9 m/s。系统性大风以爆发性气旋大风为主,大风分布与其移动路径及低压中心强度密切相关。高空冷涡是雷暴大风的主要影响系统,其中东北冷涡影响下大风次数占比达63.6%;低槽系统影响的大风发生次数次之,槽前型和槽后型天气系统对山东强对流天气影响机理不同。本文研究结果为山东大风天气的精细化预报提供了依据。

山东地面气象观测站网布局评估

基于滚动需求评估的原则和结构函数,评估山东地面气象观测站网水平分辨率(平均站间距),研究山东国家级基准、基本及常规气象观测站气温、相对湿度、降水量的最佳布站方案和最佳布站距离。结果表明:(1)国家气象观测站和区域气象观测站各要素水平分辨率由小到大依次为降水量、气温、风向和风速、相对湿度、气压,国家级基准、基本及常规气象观测站各要素水平分辨率均相同,应用气象观测站气温与相对湿度要素的水平分辨率小于风向和风速及降水量。(2)除全球数值天气预报和海洋应用领域外,山东4类地面气象观测站各要素的水平分辨率相比观测系统能力分析和审查工具(Observation System Capability Analysis and Review,OSCAR)中各应用领域突破值尚有较大的差距。(3)山东国家级基准、基本及常规气象观测站的气温、相对湿度、降水量的四季结构函数整体上随距离的增加而增大。气温、相对湿度、降水量的线段内插、正三角形内插和正方形内插标准误差与距离均呈线性关系。在距离满足点值内插标准误差小于观测标准误差时,气温、相对湿度和降水量均为正三角形内插精度最高。(4)山东国家级基准、基本及常规气象观测站气温、相对湿度和降水量最佳的布站方案均为正三角形布设,其中气温、相对湿度、降水量的最佳布站距离应分别不超过43.6 km、63.4 km和40.3 km。

山东省茶树冻害气象监测指标研究

为科学指导北方茶农进行冻害防御,分别开展了冻害观测和调查,通过茶园调研、专家咨询、茶农和专家座谈等工作,统计分析了1966年以来山东省茶区27次重度以上冻害过程,学习和借鉴部分南方省份茶树冻害等级气象指标,结合茶树引种到北方后经过几十年驯化,其抗冻能力已明显提高的实际情况,分别制定了北方茶树越冬期冻害和萌芽期冻害气象监测指标,并进行了实际观测和验证。结果表明,山东省茶树冻害气象监测指标可作为指导北方茶园防冻的科学依据。

冻害对山东省茶叶产量的影响评估

为科学评估山东省茶树冻害影响情况,将山东省茶树冻害分为越冬期和春茶期冻害两类,分别找出影响两类冻害发生的主要气象因子,通过多元线性回归分别建立了山东省茶树越冬期和春茶期冻害减产预测模型。经验证,所得预测模型准确率较高,可以用来指导茶农科学防冻,提高茶叶产量和品质,推动山东省茶产业高质量发展。

山东省气象证明自动生成平台设计与实现

为响应数字政府让“数据多跑路,群众少跑腿”号召,针对传统纸质气象证明效率低、格式不规范等问题,利用新一代信息技术设计实现气象证明自动生成平台,为气象证明业务提供支持。通过调用气象大数据云平台标准化数据接口,基于Ajax技术实现Web页面与后台数据交互,前端采用Echarts技术实现对气象实况数据的可视化展示,并调用服务器端Office接口,利用FreeMarker模块在线生成文档,建立规范、便捷的气象证明远程申请、在线开具系统,简化气象证明申请流程,有效提升了公众气象服务能力。

冷涡背景下山东省“5·17”极端强对流天气环境条件分析

2020年5月17日,山东省出现大范围强对流天气(简称“5·17”强对流),冰雹范围之广为近10年之首。对流风暴高度组织化,区域性的超级单体群以及一条长度超过500 km的强飑线造成此次极端强对流天气。利用ERA5再分析、加密自动气象观测站、多普勒天气雷达等资料,剖析了此次极端强对流天气的环境条件。结果表明:冷涡位于最有利于山东出现强对流的关键区,大尺度天气系统强迫强,对流层中层异常强的冷空气南下影响前期异常增暖的山东地区,造成“5·17”极端强对流。天气系统的异常程度更能代表动热力强迫的强度,异常程度达到2σ以上有可能造成极端强对流天气。当冷涡南下过程中强度减弱,但异常程度增加时,其东南象限仍能产生极端强对流天气。强的深层垂直风切变有利于对流风暴组织化发展,飑线的长轴走向与0~6 km垂直风切变矢量方向相同,新单体发生、发展、合并的区域位于风矢量差大值中心前沿。低层暖湿平流源源不断地向山东输送暖湿空气,是CAPE重建的机制,是超级单体群和长飑线得以长时间维持的主要能量来源。

台风“利奇马”北上锋生导致山东省创纪录暴雨天气学成因分析

利用常规气象观测、NCEP/NCAR再分析、风廓线雷达及逐时自动气象站降雨量等资料,对2019年8月10—13日台风“利奇马”造成山东省有气象记录以来最大一次特大暴雨进行了成因分析。结果表明:(1)此次台风特大暴雨主要为中低纬系统相互作用及台风倒槽直接影响产生,其与冷空气密切相关,冷暖空气交汇的位置正对应强降水落区;(2)特大暴雨发生在θse密集带上冷暖空气交汇的对流不稳定强烈发展的锋生区域。锋生大值中心与特大暴雨中心对应较好,锋生强度对未来6小时降雨预报有指示作用;(3)切变变形锋生为总锋生的主要正贡献,强降水区位于θse密集带上风向曲率最大的地方,在台风预报业务中要注意等θse线密集带上是否出现“对头风”的明显风向切变;(4)强锋生次级环流与台风倒槽辐合及冷暖空气交汇等共同作用导致动力抬升快速增强,促使对流不稳定能量大量释放形成强降水。锋生次级环流上升支最强的区域,正对应降水最强的区域,也是冷暖空气交汇区域;(5)风廓线雷达超低空风场的变化对小时雨强大小有明显的指示意义。近地面层风向发生突变,由东南风转北风的时段与潍坊出现山东全省最大小时雨强的时段一致。低空急流向低空的快速扩展对应着短时强降水的开始。近地面层暖平流的强弱变化影响着此次强降雨的雨强大小。

气候变化背景下山东省气温与降水时空变化特征分析

【目的】为了探讨气候变化背景下山东省气温与降水的时空变化特征,【方法】根据山东省25个国家级气象观测站1981年1月—2021年2月逐月气温和降水资料,通过线性趋势、Mann-Kendall检验、小波分析、重标极差分析法等方法研究山东省气温、降水的时空变化特征,并预测未来变化趋势。【结果】结果显示:(1)山东省年均气温呈显著上升趋势,倾向率为0.4℃·(10 a)-1,年均气温在1986年发生较明显突变,鲁南东部和西部、鲁西北东部及半岛西部增温最快。山东省年降水量呈不显著增加趋势,倾向率为26.5 mm·(10 a)^(-1),未发生明显突变,鲁西北东部和鲁南东部降水增加最明显。(2)山东省四季平均气温均呈显著上升趋势,倾向率分别为春季0.5℃·(10 a)^(-1)、夏季<0.3℃·(10 a)^(-1)、秋季0.3℃·(10 a)^(-1)和冬季0.4℃·(10 a)^(-1);春季、夏季、冬季降水量呈不显著增加趋势,倾向率分别为5.5 mm·(10 a)^(-1)、19.7 mm·(10 a)^(-1)和3.1 mm·(10 a)^(-1),秋季降水量呈不显著减少趋势,趋势率为-1.7 mm·(10 a)^(-1)。各季节平均气温和降水量变化趋势的地区差异较大。(3)山东省年均气温波动能量中心有2个,中心尺度分别为5~6 a和2~3 a,未来变化具有强持续性,平均循环长度为6 a;年降水波动能量中心有2个,中心尺度分别为3~4 a和2~3 a,未来变化具有持续性,平均循环长度为5 a。【结论】气候变化背景下,山东省气温变暖趋势显著,1986年发生较明显突变;降水增加趋势不显著,未发生较明显突变;气温和降水变化均具有周期性特征,且未来变化均具有持续性。

近39年山东省冬小麦干热风时空规律研究

利用1981—2019年逐日气象资料,按照行业标准《小麦干热风灾害等级》(QX/T 82—2019)规定,应用M-K检验、小波分析及空间插值等方法,分析了干热风发生的时间突变性、周期性变化规律及空间分布特征。结果表明:39年来,山东省冬小麦干热风以轻度发生为主,随时间变化呈现出先减少后增加的趋势,2013年后干热风年平均发生时间显著增加,2018年后干热风发生区域显著扩大。干热风时间强度和空间强度的第一主振荡周期为30 a时间尺度,变化周期为10 a,第二主振荡周期为10 a时间尺度,变化周期为3 a;潍坊、淄博等地为干热风的强发区,泰安、济宁、聊城东部及青岛地区为弱发生区。预计2021—2050年在30 a尺度上,干热风发生以10 a为周期,呈现“减弱—增强—减弱”的规律,10 a尺度上呈现3 a小周期的“减弱—增强—减弱”波动。

山东省三个不同区域降水雨滴谱特征的对比分析

为了解山东黄河三角洲、内陆和沿海三个区域降水的微物理特征差异,以垦利、平阴和胶南3站为代表,利用2017—2020年降水雨滴谱资料,对3站不同雨强(R)、不同降水类型的雨滴谱特征进行对比分析。结果表明:(1)在6个R级别中,3站平均雨滴谱的谱型、谱宽和各级别降水量对总降水量的贡献均存在一定区别。(2)在层云降水中,平阴站、胶南站雨滴谱参数较接近,而在对流云降水中3站均存在差异。(3)比较3站标椎化截距参数(log10Nw)和质量加权平均直径(Dm)表明,层云降水中垦利站log10Nw数值最低;与国内外其他站点相比,平阴站log10Nw-Dm散点分布与在韩国首尔的观测结果较为接近。(4)Gamma分布斜率参数(λ)和形状因子(μ)的拟合曲线具有局地性特征。根据3站μ、λ随R变化趋势,可将R=10 mm·h^(-1)作为层云-对流云降水的分类指标,R增大至100 mm·h^(-1)以上,3站μ值均趋向于1~2 mm^(-1),λ值均趋向于2。(5)拟合雷达反射率因子(Z)与R关系(Z=ARb),气象业务雷达内置Z=300R1.4会高估垦利站、平阴站降水量,低估胶南站降水量,Z-R关系中系数A、指数b在对流云、层云降水中均有一定差异。

山东一次典型持续冰雹过程的闪电活动和雷达特征分析

2020年6月1日下午至夜间,山东部分地区出现降雹天气,利用卫星和雷达以及闪电探测资料详细分析此次降雹过程的闪电和雷达参量特征。结果表明:(1)鲁北和鲁中雹暴闪电活动的主要差异为:鲁中雹暴的对流强度强于鲁北雹暴,其正地闪比例和正地闪平均强度明显高于鲁北雹暴。其相同特征为:在开始阶段正地闪比例和云闪占总闪电的比例较高;在地面降雹开始之前总闪电频数均出现跃增,其峰值提前降雹6~18 min,同时云闪表现更加活跃;地面出现降雹之后,云闪频数快速下降,地闪占总闪电比增加,甚至超过50%。(2)雹暴的闪电活动均发生在云顶温度小于-50℃的云区内,且密集出现在云顶温度小于-60℃的范围内。闪电主要发生在30 dBZ以上回波区域,密集的云闪对应强对流区,表明云内垂直运动剧烈。负地闪与差分相移率KDP>0.5 (°)·km-1和差分反射率ZDR>2.0 dB的区域对应关系非常一致,表明负地闪与强降水区密切相关。雹暴回波穹隆区的ZDR值较高、零滞后相关系数(Cc)值较低,很好地指示了上升气流区。较高的水平反射率因子(ZH)和较低的Cc以及较低的ZDR区域对应冰雹粒子区域。闪电很好地对应于云内霰、湿雪、冰雹、干雪等大的冰相粒子区。(3)0℃以上ZDR≥1.0 dB的体积、ZH≥30 dBZ的体积、ZH≥30 dBZ的冰水含量与总闪电频数的时间演变趋势基本一致,其与总闪电频数的相关系数分别为0.756、0.780和0.710,进一步证实大的冰相粒子在起电过程中发挥着主导作用。

“12·14”山东暴雪过程降水相态的多源观测分析

基于毫米波云雷达、降水天气现象仪、风廓线雷达、双偏振雷达、自动气象站等多源观测资料及欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)第五代大气再分析(ECMWF Reanalysis v5,ERA5)资料,对2023年12月14日山东暴雪过程的环流背景和降水粒子微物理参数进行分析,探讨新型观测资料在降水相态监测与预报中的应用。结果表明:(1)此次过程受高空槽、低空西南急流和江淮气旋影响,伴随地面气温下降和中层暖层消退,出现雨、雨夹雪、冰粒和雪等相态。(2)降水天气现象仪探测发现,雪和雨的下落末速度均较小,雪粒子直径超过8 mm,雨粒子直径大多在4 mm以下。(3)毫米波云雷达观测到反射率因子、径向速度、谱宽和垂直液态水含量降低时,雨夹雪转为雪。(4)风廓线雷达显示雨夹雪和冰粒阶段对应强的低空西南急流和最大垂直速度(4~5 m·s^(-1)),转雪时3 km以下垂直速度降低至2 m·s^(-1)左右。(5)相关系数(C c)、差分反射率(Z DR)和水平极化反射率因子(Z h)等双偏振参量可判断融化层亮带,亮带的下降和消失可指示此次过程雨向雪的转换。

山东省持续性短时强降水过程物理量特征分析

基于常规气象观测资料和探空资料,对2007—2019年山东省123个国家级地面气象观测站观测到的持续性短时强降水发生特征、环流形势和环境参数进行分析。结论如下:(1)其间共有81个站点在78个降水日内发生144站次持续性短时强降水,鲁东南地区发生次数和发生站点比例均明显高于其他区域;降水集中在6月下旬至8月下旬,又以8月上旬至中旬最多。(2)天气过程主要发生在低层绝对湿度和相对湿度高、抬升凝结高度低、暖云层厚的条件性不稳定环境下。(3)准正压类和低层暖平流强迫类探空温湿廓线近似平行,对流有效位能中等、垂直风切变偏弱,低层暖湿平流是大气层结不稳定建立或维持的主导者;斜压锋生类和高空冷平流强迫类探空温湿廓线呈“V”形,低层偏湿、中层偏干,对流有效位能较弱、垂直风切变中等,冷暖平流对于大气层结不稳定的作用均较显著。

基于空间自相关的山东省臭氧浓度时空特征分析

基于ChinaHighO3数据集,提取山东省2013—2020年臭氧(O3)浓度数据,分析臭氧浓度时空分布特征;建立10 km×10 km网格,分析山东省臭氧时空分布的全局空间自相关与局部自相关。结果表明,山东省臭氧浓度年均值均呈上升趋势。年内各月均值变化呈先增后减的趋势,呈“倒V形”特征,存在6月、9月一大一小2个峰值;夏季高、冬季低。年均值空间上呈西南(鲁南)高、东部(半岛)低的特征,夏季臭氧浓度西高东低,鲁西北为高值,半岛地区为低值。臭氧浓度呈现出较强的空间正自相关,集聚性较强,夏季空间正自相关性最强。年均臭氧浓度中,内陆地区多为高值聚类区(HH区);半岛地区及周边多为低值聚类区(LL区),高值聚类区面积大于低值聚类区。

山东深秋一次暴雪过程雪水比影响因子分析

利用地面气象观测站资料、加密地面观测资料和欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)第五代大气再分析数据(ECMWF Reanalysis v5,ERA5;分辨率为0.25°×0.25°)逐小时资料,对山东2021年11月6—8日极端暴雪过程雪水比影响因子进行研究。结果显示:此次暴雪过程平均雪水比分布总体呈“北大南小、西大东小”的分布特征,降雪初期产生的雪水比小,降雪中后期产生的雪水比大;温度偏高、云内液态水含量较高的地区雪水比较小,温度偏低、云内液态水含量较低的地区雪水比较大;雪水比与地面气温、地表温度呈负相关,地面气温与雪水比的相关性最大,积雪产生之后地表温度与雪水比变化无明显相关。

山东省气象业务一体化平台设计与实现

山东省气象业务一体化平台(简称“一体化平台”),是在气象业务系统集约化、自动化、智能化的建设要求下,为满足山东气象现代业务发展要求,解决山东气象业务运行中的诸多关键问题,利用互联网技术,面向山东全省天气预报业务设计研发的高度集约化的智能业务平台。一体化平台实现了基于内网WebGIS的气象数据渲染,基于CIMISS、Oracle、Redis的三级数据库架构,基于FTP、SMTP、传真服务器、阿里短信等技术的一键式发布引擎,基于WebOffice的智能网格预报定制化气象服务,建立了山东短时和临近预报业务体系,融合了山东省气象部门近年来的多项科研成果。在此基础上实现了实况监测、短时临近预报、山洪预警、网格预报、产品制作发布、预报共享、预报检验和业务管理等功能。一体化平台支撑了“省-市-县”三级台站的天气预报业务和重大活动气象保障服务,提升了监测分析、短时和临近预警、决策服务能力。

基于迁移学习方法的山东冷云冰晶特征分布研究

为分析冷云中冰晶的分布特征,揭示冰晶增长演变机制,根据冰晶形状和尺度特征分为8类并进行标注,同时标注1类隔断栏进行数据质量控制,将9类标签图像整合并建立图像集,利用迁移学习VGGNet16方法进行识别训练,经训练模型分类准确率达98%。将模型应用到秋季冷云冰晶特征研究中,选取3次积层混合云和3次层状云降水过程,分析冰晶形状在不同温度区间的占比及冰晶谱变化特征,结果表明,温度通过影响冰晶基面与棱面的比值来决定冰晶初始形状分布,相同温度区间积层混合云内球状冰晶和线型冰晶占比高于层状云,低于-12℃后各类冰晶占比相对固定;积层混合云内线型冰晶直径集中在300~800μm,冰晶谱呈多峰分布,聚合体直径大于600μm,冰晶谱首尾两端浓度相当,球状冰晶直径集中在120~300μm,冰晶谱呈单调下降趋势。