水利测雨雷达的应用优势与挑战

监测近地面2 km以下“云中雨”的测雨雷达,是水利行业以流域为单元建设雨水情监测预报“第一道防线”的重要内容,也是实现洪水防御关口前移、防线外推的重要举措。总结了水利测雨雷达的发展历程和技术特点,评估了河北大清河流域和湖南捞刀河、浏阳河流域试点应用中测雨雷达对强降水监测的精度,阐述了水利测雨雷达在雨水情监测预警方面的技术优势,并对进一步发展水利测雨雷达监测系统提出了建议。

基于光学成像探测的仅测角高轨空间物体接近感知方法

提出一种仅利用任务航天器光学成像探测设备给出的测角信息进行高轨空间物体接近行为感知的方法。首先,分析了空间物体相对任务航天器的方位变化规律,得到物体接近时在任务航天器轨道坐标系下方位角正切值随时间波动幅值逐渐增大;其次,分析了在光学成像探测设备成像过程中,逆光与探测设备灵敏度对空间物体可见性的影响,得到物体可见弧段在每个轨道周期内具有一定的相似性;进一步地,根据物体相对方位及可见性的变化规律,设计了一种空间物体接近行为感知方法,利用物体观测量的轨道周期一致性进行多段观测量关联,拟合方位角正切值随时间波动趋势,预测波动极值并统计极值变化规律,实现物体接近行为感知;最后,仿真验证了该方法具备不依赖距离信息感知高轨空间物体相对任务航天器接近行为的能力,仅利用3个轨道周期内、每周期有效弧段大于30 min的高轨空间物体指向测量信息判断物体相对任务航天器存在接近行为的准确率优于96%。结果证明:该方法通过赋能任务航天器常用光学成像探测设备高效费比地实现航天器自我防护能力有效提升,可普遍用于高轨航天器任务。

对“水利测雨雷达”的新质生产力研究

高精准降雨监测预报对于支撑水旱灾害防御等水利业务预报、预警、预演、预案“四预”工作至关重要。水利测雨雷达系统主要观测近地面2 km高度范围内大气中的液态水,能够实现无缝隙、精细化监测并生成高精度实况定量降雨产品,具有较为精准的外推1~3 h降雨临近预报能力,是水利新质生产力的典型代表。系统梳理了我国降雨监测发展历程,包括无器具测量、雨量器萌芽、标准化人工雨量器、自动记录式雨量器和现代自动测雨五个阶段。在此基础上,从雨量站业务应用、天气雷达业务应用、气象卫星业务应用角度,分析当前“四预”业务中降雨监测现状与问题,进而梳理了水利测雨雷达发展进程并分析其技术优势,包括:能够实时生成超精细化的网格降雨实况数据,能够实现精细化网格化降雨预报,以及系统运行稳定高效。结合水利测雨雷达在河北省大清河流域以及湖南省捞刀河、浏阳河流域的良好应用成效,指出其作为水利新质生产力在赋能“四预”方面具有应用前景。

全国气象行业技能竞赛应急气象观测科目应考技巧分析

根据应急气象观测科目在全国气象行业职业技能竞赛中的考核要求,结合题型设计分别对参数设置、自动观测系统实时运行模拟、数据维护处理和重要天气报、应急气象观测业务应用客观题、云和天气现象应急观测的考点进行详细分析,并根据工作实践,提练总结答题应试技巧,以期为基层台站参赛选手应考操作,以及基层台站综合业务人员数据处理能力提升提供思路。

1909年—2015年中国东北气温变化特征分析

百年尺度的中国东北气温变化研究对于该地区应对区域气候变化、制定适应性策略有重要意义。选用1950年前后均有观测记录的33个站点,建立东北地区年及四季平均气温时间序列,采用一元线性回归模型和Mann-Kendall非参数统计检验方法分析东北百年气温变化趋势,并进行气温突变检测;使用反距离空间插值法对东北百年气温变化的区域差异进行探讨。结果表明:1)1909年—2015年,中国东北地区,年平均气温增温速率为0.16℃/10 a,其中冬、春季增温显著;2)东北地区,年均温的年代际变化在1950年前出现波动,而在1950年以后呈现明显的增温趋势,20世纪后20年的增温幅度明显大于20世纪40年代,其中前者增温表现在冬季,后者增温则表现在夏季;3)经MK检验分析,东北地区年平均气温在1982年出现突变点,20世纪后期夏、秋季的增温趋势并不显著;4)百余年来,东北地区年均气温增温幅度较大的区域位于大兴安岭中北部、呼伦贝尔高平原东部、松嫩平原北部及长白山北部等地区,增温幅度较小的区域位于三江平原、大兴安岭南部、辽西丘陵、辽东平原等地区。

我国综合气象观测系统的现状及分析

本文针对我国气象综合观测系统的发展现状进行简要的叙述,着重介绍我国气象综合观测系统的组成—天基观测系统、空基观测系统和地基观测系统;并从我国综合气象观测系统中的站网布局、基础研究、观测技术、观测仪器、国际合作等方面存在的不足逐一进行分析,并提出作者的一些建议或改进思路;最后叙述我国综合气象观测系统发展的趋势与展望。文章目的是为我国综合气象观测系统的发建言献策。

一种基于标准化管理及自动化性能测试的探测信息化平台

气象探测是我国气象事业发展的基础,对国家防灾减灾和应对气候变化至关重要。随着科学技术的不断发展,大数据、云计算和人工智能等新一代信息技术迅速普及。在此大背景下,亟需建设气象探测信息化平台,实现对气象数据的全面管理、分析、利用和共享,为用户和决策者提供及时、准确的气象信息,以便能够更好地应对防灾减灾、科学研究、共享服务等需求。

FY-4A数据在2021年1月6—8日寒潮监测中应用

基于静止气象卫星图像解译理论和位涡理论,应用FY-4A水汽图像、干涉式大气垂直探测仪(GIIRS)产品和欧洲中心第五代大气再分析资料(ERA5)对2021年1月6—8日我国中东部地区寒潮天气进行分析。结果表明:高空冷涡和地面冷高压是影响此次寒潮天气的主要影响系统,冷空气5日08:00从贝加尔湖南部向东、向南加强发展,8日20:00减弱;对比FY-4A/GIIRS与ERA5850 hPa 24 h变温数据发现:两种数据反映的对流层低层冷空气东移南下特征和正负变温区域分布特征基本一致,FY-4A/GIIRS 850 hPa 24 h负变温中心和0℃等变温线的位置与ERA5数据接近,FY-4A/GIIRS 850 hPa 24 h变温中心值强度略大于ERA5。水汽图像暗区变暗附近的高层位涡的增加激发高层气旋性环流后侧下沉运动增强,干空气下沉造成了地面高压增强;500 hPa冷涡中心附近绝对涡度增加是引起冷空气增强的原因之一;冷空气急剧增强时段,中低层位涡的加大引起地面冷空气堆积,寒潮增强。FY-4A/GIIRS温度产品反映的冷空气移动特征与位涡理论对冷空气增强原因分析结果一致,说明应用FY-4A/GIIRS温度产品能够有效监测分析寒潮冷空气演变特征。

地面自动气象站数据流式处理设计与实现

针对观测密度和频次日益增加的海量地面自动气象站数据,在气象大数据云平台(天擎)中设计了基于Storm的实时流式处理,利用大规模并行处理的优势提高地面自动气象站数据的处理时效。在流式处理中,设计处理拓扑直接解码标准格式的数据消息;消息确认采用手工确认的方式,将数据解码组件锚定数据接入组件,实现每条数据的可靠处理;数据解码时进行字节校验和时间检查等,过滤异常数据;应用批量加定时的发送策略,解决海量监控信息发送气象综合业务实时监控系统(天镜)的问题;集群部署时保留部分剩余资源,有效应对单节点异常。应用效果表明:国家气象站小时数据的服务时效由全国综合气象信息共享系统(CIMISS)的175 s提高至天擎的78 s,约6×10^(4)个区域气象站小时数据的服务时效由CIMISS的5 min提高至天警的2 min,实况分析系统将数据源切换至天擎后,相同时间检索可获取的站点数量较CIMISS增加1倍。2021年12月基于Storm的流式处理与天擎一同在国省业务化运行,实现了长期稳定运行,为MICAPS4、SWAN2.0、实况分析系统等用户提供高效稳定的地面自动气象站数据。

基于REOF的两种卫星降水产品(IMERG和MSWEP)在金沙江流域降水分区尺度精度评估

高时空分辨率降水产品的精度评估是卫星降水用于水文气象干旱等研究的前提。本研究提出在降水分区尺度下评估IMERG和MSWEP两种卫星降水产品的精度,并与不分区尺度(即流域尺度)进行比较。首先采用旋转经验正交函数(REOF)对金沙江流域(JSB)进行降水分区,通过贡献率得出8个分区较为适合。然后识别降水的空间分布特征,发现2种降水产品都可以很好地捕捉降水呈现出的从上游到下游逐渐增加的趋势。最后在日尺度、降水发生概率和极端降水探测能力3个方面对降水产品在分区尺度和不分区尺度的性能进行评估。结果表明,在日尺度上,MSWEP的精度在多数降水分区优于IMERG,被推荐5次(1、3、6、7和8区),集中在流域的中游。同时流域尺度也推荐MSWEP。在降水事件发生概率方面,MSWEP能再现不同等级降水强度的概率密度分布,但过高估计0.1~1 mm/d降水事件的发生概率;而IMERG过高估计小于0.1 mm/d降水事件的概率。在极端降水探测能力方面,流域尺度的KGE值都是正值,且IMERG优于MSWEP,但分区尺度上,KGE值在部分降水分区中存在负值,表明IMERG和MSWEP均不能很好地探测出该区的极端降水事件。本研究成果表明降水分区尺度是必需的,能够更加精细地评估降水产品。研究结果可为具有类似气候条件的卫星降水评估提供参考。

祁连山北坡沙尘天气气溶胶特征的飞机观测

了解沙尘天气下气溶胶的垂直分布特征对于进一步认识气溶胶-云相互作用及其天气、气候效应至关重要。基于2023年9月6日沙尘天气下的飞机观测数据,分析祁连山北坡沙尘气溶胶的垂直分布特征。结果表明:此次沙尘天气是在高空锋区及地面冷高压的共同作用下形成。受沙尘天气影响,气溶胶粒径谱宽增宽;气溶胶数浓度较背景可上升约2~3倍,且气溶胶数浓度大值区呈悬垂状态分布,粒子数浓度大值层位于4000~4500 m和3000~4000 m高度;对沙尘气溶胶数浓度贡献最大的细粒子和粗粒子粒径分别为1.2~1.8μm和6.5~16.6μm,且气溶胶数浓度的增大在粗粒子段更为明显。气溶胶来源及输送层、以及气象要素垂直分布演变在气溶胶垂直分布及谱分布中发挥了重要作用。

城市大气Δ^(14)CO_(2)监测中背景站和背景值的选取——以深圳市为例

城市化石源CO_(2)(CO_(2)ff)排放的可靠量化对准确理解全球和区域碳核算至关重要。虽然CO_(2)放射性C同位素(Δ^(14)CO_(2))可作为独立示踪剂对CO_(2)ff排放进行量化,但其准确性仍然受制于背景站和背景值的选取。鉴于此,本研究以深圳市为例,对比评估了距离观测站点由远及近的全球/大陆背景站、区域背景站、城市背景站和城市背景值共8个背景选项,提出了一种基于Keeling Plot(KP)右上角区域样点对背景站和背景值进行筛选和评定的新方法。结果表明,深圳市背景首选区域背景站南岭,其次为KP右上角均值。针对不同城市,可依据边界条件的复杂性、有无背景观测等情况使用不同的背景选取方法。本研究为基于Δ^(14)CO_(2)估算重点城市和区域的CO_(2)ff排放量提供了背景站和背景值选取的基本原理和实践经验。

大气协同观测网络与大数据平台建设

野外科学观测研究站是重要的国家科技创新基地之一,也是国家创新体系的重要组成部分。面向大气科学研究对第一手野外观测数据的迫切需求,本文在充分调研中国科学院大气物理研究所野外观测台站的基础上,详细阐述了“大气协同观测网络与大数据平台建设”项目的科学意义、研究内容、实施方案、预期成果与展望等。该项目拟通过顶层设计和优化布局,在有限投入的情况下最大限度地挖掘和利用现有各野外台站资源优势,进行联网协同观测试验,研发时空连续、高精度、高质量的大数据产品,为地球系统模式中关键物理过程参数化方案的改进和优化提供第一手宝贵的数据支撑,服务于国家科技原始创新战略。

往返平飘式探空在CMA-MESO三维变分中的同化及对模式预报的影响

往返平飘式探空通过一次探空气球施放实现“上升段-平飘段-下降段”三段观测,其下降段能实现在06时(世界时,下同)和18时自动垂直加密观测大气,具备提升区域高分辨率快速同化循环预报系统在06时和18时的预报技巧潜力。为了实现往返平飘式探空在区域高分辨率模式中的同化,分析其对预报的影响,初步提出了“选取模式层最接近观测”的垂直稀疏化方法来预处理资料,深入分析了稀疏化对同化效果的影响,论证了资料垂直稀疏化对于同化应用的必要性;在此基础上,开展了为期1个月的批量同化影响试验,着重分析了往返平飘式探空在长江中下游区域的组网观测对CMA-MESO模式预报技巧的影响。稀疏化敏感性试验结果表明,同化不稀疏化的往返平飘式探空相比同化传统业务探空,分析和预报误差显著增加,降水预报评分也显著降低,相反,“选取最接近模式层”数据的垂直稀疏化方案能提高模式的分析和预报技巧,表明往返平飘式探空同化前必须进行垂直稀疏化。批量同化试验结果表明,在冷启动时刻(00时和12时,为常规探空释放时刻),同化往返平飘式探空(上升段)相对同化传统业务探空,分析误差和预报误差变化较小。但在暖启动时刻(03、06、09、15、18、21时,无常规探空释放时刻),增加往返平飘式探空下降段数据,相比控制试验,分析场精度提高了约0.4%。此外,0~12 h累计降水预报的ETS评分变化较小,但12~24 h累计降水预报在0.1、1.0、5.0、10.0、25.0 mm量级降水ETS评分提高了约0.5%,在50.0 mm量级的降水ETS评分提高了约2.3%。总体而言,同化往返平飘式探空对于区域高分辨率快速同化循环预报系统在暖启动时刻的降水预报技巧有正贡献。

基于OCO-2卫星数据的中国CO_(2)浓度时空变化特征

大气CO_(2)浓度增加引起的全球变暖问题是国内外学者关注的热点议题,但对CO_(2)的监测一直存在较多的不确定性。利用2015—2022年OCO-2卫星观测的CO_(2)柱浓度混合比数据(XCO_(2)),基于克里金插值和标准差椭圆等方法,分析了中国CO_(2)浓度时空分布与变化特征,有以下3个结论。1)基于OCO-2卫星数据的XCO_(2)数据集精度较高,与地面监测站(瓦里关站、鹿林站)观测结果的均方根误差仅为1.75 ppm和1.58 ppm,相关系数分别为0.91和0.96。2)年际上,2015—2022年中国年均XCO_(2)由399.52 ppm增至417.64 ppm,年均增速为2.56 ppm/a,高于过去10年全球CO_(2)浓度平均增速(2.06 ppm/a),但在2019年之后XCO_(2)增速呈下降趋势。季节上,XCO_(2)具有明显的季节变化特征,春季XCO_(2)最高,夏季最低。3)空间分布上,XCO_(2)表现出东部高,西部、东北地区低的空间分布特征。XCO_(2)浓度高值区域集中在京津冀和长三角等城市群。中国东北、西南地区XCO_(2)增速较快,高于华东、华南等经济发达地区。

基于深度神经网络的台风中心定位方法

台风中心定位的微小误差会对台风路径预报造成较大的偏离,因此精确定位台风中心是台风路径预测和灾害预报的重要步骤。台风云系随时间不断变化且风力强弱不一,在卫星云图中呈现了多样性和复杂性,现有基于神经网络的模型由于缺少对台风特征图像多维度参数的权重合理分配,在自动提取台风图像特征上受到了限制。为此,提出一种融合通道注意力与坐标注意力的神经网络模型(TY-LOCNet),首先搭建深度卷积神经网络模型提取台风特征;其次引入通道注意力机制从台风特征中捕获通道级别的信息,提升模型对重要通道的关注度;然后将通道注意力结果输入到坐标注意力机制中全局标定台风位置信息,使模型能够在较大的区域关注到台风的形态结构;此外,均方误差损失函数未能融合计算坐标导致定位精度低,因此提出距离损失函数(DISTLoss)通过距离回归提高模型定位精度。实验结果表明,TY-LOCNet的平均位置误差(MLE)、平均定位误差(MAE)和检测速度分别为3.502像素,0.292°和17 FPS,优于其他模型。台风中心定位模型TY-LOCNet可为台风预报提供实时性台风中心定位支持。

基于归闪的湖北省两套闪电定位系统对比分析

为研究湖北省两套闪电定位系统,在归闪的基础上研究分析了2015—2020年湖北地区地闪数据,对闪电频次、时空分布、电流强度月分布、雷电流幅值累积概率等主要参数进行了比对分析,研究结果表明:ADTD-2系统在定位正地闪强度存在局部异常值外,比ADTD-1系统具有更高的探测效率,其中正地闪的探测效率比负地闪提升幅度更高,探测负地闪回击的时间分辨率也比ADTD-1系统高,ADTD-2闪电数据整体优于ADTD-1数据。

高海拔深切峡谷典型季节风参数日变化特征

为确定高海拔深切峡谷典型季节风特性参数的日变化特征,依托青藏高原某横跨雅鲁藏布江的大跨度桥梁为工程背景,开展桥位风特性现场实测,选取冬季、夏季没有较强天气系统作用的典型时段,统计分析风速、风向、风攻角、风速剖面等平均风参数,采用db8小波提取时变平均风速,通过非平稳风速模型分析紊流强度、积分尺度、紊流功率谱等脉动风参数。研究结果表明:峡谷风场风速、风向均呈现以天为周期的规律波动,风速在凌晨和上午相对较小,不同季节风速起落时间不一致,夏季、冬季风速分别在10:00、12:00开始逐渐增加,在20:00、21:00后开始快速减小,夏季风向基本稳定,冬季风向在15:00存在突变,风攻角与风速、风向显著相关,在冬季先减后增、15:00取最大负值,夏季相反;冬季风速剖面显著变化、夏季趋于平稳,指数律模型不能准确描述峡谷风速的垂直分布规律;夏季紊流强度趋于平稳,冬季先减后增、12:00取最小值,实测横风向、竖向紊流强度与顺风向比值高于规范推荐值;冬季、夏季紊流积分尺度变化趋势相同且与风速变化趋势一致,实测积分尺度远小于规范推荐值;归一化功率谱峰值频率随时间变化先减后增,功率谱可采用统一形式进行描述,并考虑其在频域内分布随季节、时间改变产生的偏移效果。

基于指数雨胞雨衰模型的微波链路雨强反演方法

为了提高微波链路雨强反演的准确性,基于指数雨胞雨衰模型提出了一种新的微波链路雨强反演方法,并利用瑞典哥德堡市21条微波链路和距链路2 km范围内8个雨量站的实测数据,将指数雨胞雨衰模型与传统幂律模型和ITU-R P.530-16雨衰模型进行了雨强反演对比。结果表明:指数雨胞雨衰模型在雨强反演方面表现优异,决定系数和纳什效率系数均为0.78,平均绝对误差为0.39 mm/h,均方根误差为0.68 mm/h;与幂律模型相比,指数雨胞雨衰模型在准确度和稳定性方面有显著提升,与ITU-R P.530-16雨衰模型相比也有所改进,特别是在短链路和中小雨的雨强反演中表现出明显的优势,对于进一步提升微波链路雨强反演精度和改善降水监测效果具有重要价值。

宇宙射线中子法土壤水分监测在不同生态系统雨季的适用性

宇宙射线中子法是目前测量中尺度土壤水分的一种新兴方法,通过监测近地表附近中子的数量来监测土壤含水率,理论探测深度12~76 cm。为了评估宇宙射线中子法土壤水分监测在草地、农田和林地3种不同生态系统测量深度适用性和对降水的敏感性。本研究分析了中国气象局自动土壤水分站观测数据和遥感土壤水分监测数据与宇宙射线中子法土壤水分监测数据差异性和相关性。结果显示,宇宙射线中子法土壤水分监测草地0~20 cm效果最优,农田和林地0~30 cm最优;在农田和林地生态系统土壤水分监测结果与自动土壤水分站点差异较小,优于遥感监测;但对于草地生态系统,宇宙射线中子法土壤水分监测结果与遥感监测结果差异比单点自动土壤水分站点监测更小,可能与草地土壤的强异质性有关。宇宙射线中子法土壤水分监测在草地、农田和林地生态系统均可以敏感的响应降水事件,较点尺度自动土壤水分站更易捕捉到区域水分的波动性变化。