近海台风活动与陕西秋淋天气先兆性特征分析及试报

通过对1970年以来陕西偏强秋淋天气与我国东南沿海台风活动特征分析发现,两者之间有较好的相关性,且存在一定的先兆性,发现移过西太平洋125°E以西的目标台风活动对陕西秋淋天气的影响作用明显。结果表明:在陕西秋淋偏强的年份,台风活动为陕西秋淋天气提供了有利的气候背景,同期台风路径以西行或西北行路径为主,而台风登陆位置影响着陕西秋淋天气主要出现的地区。利用近海台风的先兆性特征,陕西秋淋的年代变化特征和不同周期等特征,对2017—2022年陕西秋淋降水进行预测、预判的试报,结果较为理想,该方法可为陕西预判秋淋偏强年份的预报提供一种客观的气候预测方法和依据。

智能网格SCMOC及多模式降水预报对比

以三源融合网格实况降水分析资料CMPAS为参照,基于二分法经典检验、预报评分综合图和面向对象MODE检验等方法,对比分析2021年智能网格预报SCMOC以及ECMWF全球、CMA-Meso中尺度模式在秦岭及周边地区的降水预报表现,主要结论如下:1)ECMWF能够很好地刻画日平均降水量、日降水量标准差以及地形影响下降水量、降水频次的空间分布特征,但对于0.1 mm以上量级的降水预报频次远高于观测,暴雨预报频次低于观测,SCMOC、CMA-Meso日降水量大于等于0.1 mm的降水频次和暴雨频次预报更好;SCMOC不足在于降水的空间精细分布特征描述能力相对较弱。2)ECMWF预报的大于等于0.1 mm降水频次日峰值出现时间整体较观测偏早3 h左右,CMA-Meso、SCMOC与观测总体吻合较好。3)三种产品24 h降水量大于等于0.1 mm的TS(Threat Score)评分数值上基本一致,但降水预报表现的特征显著不同,SCMOC成功率高、命中率低,漏报多、空报少,ECMWF、CMA-Meso则相反;24 h、3 h大雨以上量级降水SCMOC的TS评分、成功率、命中率一致优于其他两种产品。4)MODE暴雨检验,SCMOC大面积降水对象与观测相似度最高,预报能力优于ECMWF,但分散性小面积暴雨对象漏报风险大。SCMOC、ECMWF纬向距离偏差大于经向,位置偏西比例高于偏东。

“十四运”关键场馆气象要素特征及客观预报检验

气象要素特征的定点精细化分析和预报评估对重大体育赛事气象保障有重要意义。利用国家气象信息中心三源融合降水分析产品和欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)ERA5再分析资料,分析第十四届全国运动会(简称“十四运”)西安、延安、安康关键场馆的气象要素特征,并检验ECMWF、中国气象局中尺度数值预报系统(China Meteorologi⁃cal Administration Mesoscale Model,CMA-MESO)预报产品和国家气象中心网格指导预报产品(SCMOC)对3个关键场馆降水、气温和风的预报表现。主要结论如下:(1)十四运历史同期3个关键场馆发生降水的概率较高,开、闭幕日举行地西安场馆历史上出现降水的概率分别为46%和44%,平均降水量分别为24.6、9.8 mm,且降水量和降水概率峰值多出现在午后至傍晚。(2)十四运历史同期3个场馆夜间气温相对较低,白天快速升温,日平均气温大多为12~18℃,适宜赛事活动;3个场馆盛行偏东风或偏南风,西安、安康场馆风速小,适宜赛事活动,而延安场馆出现4级以上风的频次较高,对赛事有不利影响。(3)整体而言,十四运历史同期SCMOC在3个场馆的晴雨预报准确率最高,但降水频次预报较实况明显偏低,有漏报的风险;SCMOC对阻塞型和两槽一脊型降水过程的晴雨预报有明显优势,而ECMWF对低涡底部型降水过程预报表现较好,且TS值最稳定。ECMWF的气温预报准确率优于SCMOC和CMA-MESO,而SCMOC的风速预报具有绝对优势。(4)十四运期间3种产品的预报性能差异与历史同期基本一致,但整体预报评分高于历史同期。

CMA-GFS模式对东北半球环流形势预报能力的检验评估

基于CMA全球模式(CMA-GFS)2019年10月至2020年12月逐日20:00(北京时)起报的数据,对东北半球高空气象要素预报进行检验评估,检验的要素包括500 hPa位势高度场和风场、850 hPa温度场和700 hPa相对湿度场。结果表明:(1)从模式预报效果的时间变化来看,预报效果有明显的季节变化,500 hPa位势高度和850 hPa温度的预报场和分析场的相似度在夏季最低,700 hPa相对湿度场的相似度在冬季最低;随着预报时效的增加,各要素的误差幅度在夏季最小。(2)从模式预报效果的空间变化来看,500 hPa位势高度场在东北半球大部分地区预报场与分析场具有较高相似度,且中高纬地区相对低纬地区更相似,预报误差的幅度则在低纬地区相对较小高纬地区相对较大,且预报偏差以大范围负偏差为主。相比而言,模式对东亚地区的位势高度及其梯度具有更高预报技巧。850 hPa温度场预报相似度和误差幅度与500 hPa位势高度场分布相似,预报偏差则主要表现为中高纬地区温度预报整体偏低,中低纬地区偏高。在预报前期(24~48 h),20°N以北的中高纬地区温度预报场与分析场相似度较高,均方根误差基本在2℃以内,预报效果较好。500 hPa纬向风场和经向风场预报相似度和误差幅度也具有随纬度增加而增大的特点,但对于纬向风场,模式在20°N-30°N存在一个明显的预报技巧高值带,对于经向风场,模式在20°N以南大部分地区预报效果较差。模式对700 hPa相对湿度场在24 h时效下具有一定预报效果,随着预报时效增加,对湿度场的预报只在北非至南亚一带存在一些参考价值。

太平洋年代际振荡对冬季北半球两大洋风暴轴协同变化的可能影响

利用NCEP/NCAR提供的再分析资料和NOAA提供的海温资料分析太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation,PDO)不同位相的年代际背景下北半球海气耦合关系的异常与风暴轴协同变化的联系,主要结果如下:1)冬季太平洋年代际振荡与北半球两大洋风暴轴协同变化之间存在显著的相关关系,当PDO暖位相时,对应两大洋风暴轴南北位置反向的异常变化,其中北太平洋风暴轴偏南且中东部减弱,北大西洋风暴轴偏北且中东部增强,PDO冷位相时相反。2)PDO为暖位相时,对应El Nino型海温异常,北大西洋海温呈三极型,平均槽脊加强,经向环流增强,极涡收缩,北太平洋风暴轴南压,大西洋风暴轴则北抬,此时欧亚大陆北部和北美大陆大部分地区温度异常升高,亚洲南部、非洲北部及巴伦支海以北的高纬温度异常降低,北美西南部和格陵兰岛附近温度也为异常降低,PDO冷位相时相反。

网格降水预报客观检验订正方法研究进展

降水在网格要素预报中最为关键和重要,降水的预报表现直接体现了网格化要素的预报能力和水平。首先回顾了数值天气预报中针对降水的各种检验方法,主要包括:基于二分法列联表的经典检验,基于属性和尺度特征的空间检验,集合预报检验以及针对极端稀有事件的检验技术。其次归纳了降水统计后处理订正技术:一是基于模式输出降水产品的直接统计后处理和在模式输出各种要素基础上客观诊断的间接后处理;二是针对集合预报的参数化和非参数化降水以及和预报变量结构相关联的后处理订正方法;三是气象工作者基于人工智能和大数据技术对降水订正的探索和尝试。最后,讨论了各种检验方法的优缺点、客观性、适用性和业务使用中需要关注的问题,对网格降水后处理的订正方法进行了总结和讨论。

冬季北半球风暴轴的协同变化及其与大气环流的相互作用

基于1971—2016年NCEP/NCAR的逐日、逐月再分析资料,研究冬季北半球西伯利亚风暴轴(Siberian Storm Track,SIST)、北太平洋风暴轴(Pacific Storm Track,PST)和北大西洋风暴轴(Atlantic Storm Track,AST)的协同变化特征及其与大气环流的关系。结果表明:(1)三大风暴轴不仅各自的位置与强度变化存在显著相关性,风暴轴之间也存在一定的协同变化且年代际尺度上比年际尺度上更紧密。年际尺度上,SIST与AST的经度变化呈显著负相关,而PST和AST的协同性较差;年代际尺度上,SIST与PST的经、纬度变化均呈弱的负相关,SIST与AST的经度和强度变化均呈显著正相关,PST与AST的经、纬度变化均呈显著负相关。(2)由联合EOF分析得到北半球风暴轴的协同变化时空特征:在年际尺度上,第一模态主要表现为SIST偏弱(强),PST主体偏弱(强)、东南偏强(弱),AST略偏北(南)偏强(弱)但不显著的协同变化。PC1为正位相时,对应的大气环流异常为:500 hPa高度场上为太平洋北美(Pacific North America,PNA)型和欧亚(Eurasian,EU)型的正位相,东亚急流偏强且偏南;第二模态主要表现为SIST偏强(弱)且偏东(西),PST中东部偏南(北)、西部强度偏强(弱),AST偏强(弱)的协同变化。PC2为正位相时,对应的大气环流异常为:500 hPa高度场上为PNA型和大西洋东部(East Atlantic,EA)型的正位相,北美急流减弱;在年代际尺度上,第一模态主要表现为SIST偏西(东)且偏弱(强),PST偏东(西)且偏弱(强),AST偏西(东)且偏弱(强)的协同变化。PC1为正位相时,对应的大气环流异常为:500 hPa高度场上为西大西洋(West Atlantic,WA)型和EU型的正位相。第二模态主要表现为SIST偏强(弱)且偏北(南),PST偏南(北)且偏弱(强),AST北抬(南压)的协同变化。PC2为正位相时,对应的大气环流异常为:500 hPa高度场上为EU型和WA型的正位相,东亚急流强度加强且偏南,北美急流强度减弱。

西安冬季不同环流形势下大气细颗粒物的输送特征研究

基于2018—2020年西安市冬季的ERA5再分析资料、大气污染监测资料以及地面气象资料,采用客观天气分型方法PCT将西安地区冬季的海平面气压场和10 m风场分成6种天气类型,对不同天气类型下的空气污染状况及大气边界层污染气象参数特征进行了研究,结果表明:西安地区在冷高压前部型、冷高压后部型、均压场型、高压底部型中PM_(2.5)污染加重,污染日出现频率高,属于污染型天气类型;在污染型天气类型下,西安地区混合层高度较低、通风系数较小、大气自净能力较弱均不利于PM_(2.5)的扩散稀释;对污染天气类型下西安地区的PM_(2.5)污染输送与潜在来源进行研究,认为西安本地及周边地区、陕南地区对西安PM_(2.5)的质量浓度均有明显的影响,另外甘肃东部、宁夏及河南西部地区也是西安重要的细颗粒物污染源地,不同的污染天气类型下,污染输送通道和源区存在差异性。

影响汾渭平原地区臭氧污染的地面环流形势研究

基于2014—2018年4—10月汾渭平原空气质量监测数据及同步气象要素数据分析臭氧时空分布特征,利用Lamb-Jenkinson客观环流分型方法分析影响汾渭平原地区臭氧污染的主要环流形势,探讨环流型与臭氧质量浓度及气象要素之间的关系。结果表明:2014—2018年4—10月臭氧最大8 h滑动平均质量浓度(用C_(8h)(O_(3))表示)呈波动增长,2017年污染最重;不同环流型出现的频率不同,且各环流型控制下C_(8h)(O_(3))有所差异,其中气旋型(C)、东北气流型(NE)、偏北气流型(N)及东北气旋型(CNE)控制时时易出现臭氧污染日,且对应的环流型出现频率和污染日数的乘积较大;C型及与C型混合的环流型控制时C_(8h)(O_(3))值均较高,A型及与A型混合的环流型控制时C_(8h)(O_(3))值均较低;风速与C_(8h)(O_(3))的相关性较差,日最高气温、日平均气温、相对湿度、风速及云量与C_(8h)(O_(3))的相关系数分别为0.94、0.87、-0.82、-0.33、-0.70。

MODE检验在天气预报中的应用研究进展

客观评价高分辨率中小尺度变量的预报表现是数值天气预报模式应用和发展的重要环节。传统点对点的检验在高分辨率数值预报模式评估中存在显著不足。空间面向对象或目标法MODE检验方法利用卷积函数和给定的阈值在预报和观测场中识别目标对象、诊断模式的预报表现,在天气预报中有着广泛应用。首先系统回顾了MODE检验方法的学术思想、技术架构、算法流程和检验指标;详细归纳了MODE检验在降水预报、天气雷达、卫星云图、集合预报以及其他不同要素或物理量场中的典型应用,阐述了检验结果在数值模式预报质量评价中的意义和对天气预报结果主客观订正的影响;介绍了近年来MODE检验方法的更新发展,主要包括考虑不匹配目标对象属性的综合评价指数MCS,以椭球体为目标的三维时域空间对象追踪和MODE扩展的时域检验方法MODE-TD;最后总结和讨论了MODE检验方法的适用性、优势和不足,同时对MODE检验方法未来的发展方向和应用前景进行了展望。旨在为更好地应用MODE检验方法诊断数值模式的预报性能提供参考。

陕西省冬季区域性霾污染特征及其典型年环流差异

根据陕西省气候特征及地形,将陕西省分为关中、陕南和陕北3个子区,并定义了区域性霾日及持续性区域性霾事件.基于气象、环保及遥感资料,分析了陕西省区域性霾日及相应的气溶胶污染的时空分布特征.结果表明,陕西冬季各子区区域性霾日有显著差异,关中地区区域性霾日最多,平均每年冬季大于21 d,陕南地区为6 d,陕北地区大于1 d.关中每年冬季均会出现持续性区域性霾事件.关中区域性霾日区域平均风速普遍小于5 m·s^(-1),陕南区域性霾日区域平均风速普遍小于4 m·s^(-1).区域性霾日出现时气溶胶光学厚度(AOD)明显增大,部分地区大于0.9,关中、陕南和陕北出现区域性霾日时,区域平均空气质量指数(AQI)几乎均大于100.根据激光雷达探测数据,近地层500 m以下区域性霾日的平均消光系数是冬季平均值的2~3倍.关中出现区域性霾日的背景环流以斯堪的纳维亚半岛正异常中心,乌拉尔山东部位势高度负异常和东亚地区正异常所组成的正位相斯堪的纳维亚环流型为主要特征,近地面存在东南风异常.相比2017年,2018年冬季偏强的东南风异常为陕西省区域性霾日增多提供了有利的气象条件,偏强东南风异常增强了陕西关中及其以南地区大气辐合,并且将我国中东部地区的气溶胶输送到了陕西省.