海洋气象观测系统在热带气旋资料同化中的应用

在分析南海海洋气象观测现状和发展规划的基础上,发现有必要发展合适的资料同化技术,提高资料利用效率,才能克服海洋气象资料相对缺乏来提升数值预报水平。利用多尺度/分块逐批资料同化技术,进行热带气旋资料同化试验。结果表明:多尺度/分块逐批资料同化技术能够适应具有多尺度特征的热带气旋资料同化,较好地满足热带气旋资料同化对流依赖背景误差协方差同化技术的要求,能够较合理高效地利用海洋气象观测资料。基于多尺度/分块逐批资料同化技术,加强海洋气象观测系统的应用,是形成高质量热带气旋初值环流的一种有效途径。

中国南方暴雨野外试验中尺度气象分析场的建立及其质量评估

利用武汉暴雨研究所从美国引进的LAPS中尺度分析系统,将2008年和2009年5—7月中国南方暴雨野外科学试验(SCHeREX)中所采集的观测资料进行融合、同化,生成了华南、华中、江淮和长江三角洲4个观测区的空间分辨为5 km、时间分辨为3 h的SHCeREX中尺度气象分析场。文中从两方面对SCHeREX中尺度分析场的质量进行了评估分析。首先,根据野外试验期间在4个观测区出现的暴雨日,结合观测的雷达回波和卫星云图云顶亮温(TBB)资料与SCHeREX中尺度分析资料进行统计分析与比较,结果表明,SCHeREX中尺度分析资料对中尺度强对流系统具有很强的再现能力。同时,以探空观测资料为基准,分析计算了SCHeREX中尺度分析场的平均偏差、平均均方根误差及其随高度的分布,分析结果表明SCHeREX中尺度分析场的位势高度、温度、相对湿度、风向和风速的分析误差均在观测误差范围内,尤其是SCHeREX中尺度分析场700—925 hPa位势高度的平均分析误差为45 gpm,温度的平均分析误差为1.0-1.1℃,相对湿度的平均分析误差不超过20%,风速的平均误差为1.5—2.0m/s,风向为20°—25°。

茂名博贺海洋气象科学试验基地建设与观测进展

华南海岸带地区是我国海洋气象灾害天气频发地区,也是影响我国短期气候变化的关键地区之一。由于过去缺乏相关的观测设施和技术,业务监测和科学研究基础都十分薄弱。在中国气象局和广东省气象局大力支持下,经过广州热带海洋气象研究所和广东省茂名市气象局三年来的努力,茂名博贺海洋气象科学试验基地已初步成为一个设备先进、功能齐全的海岸带海洋气象综合观测基地。为了保障观测设备的长期稳定运行和观测数据的质量,采取了一系列的设备维护和数据质量评估措施。观测个例显示数据能较好地反映台风和海雾的边界层结构以及海气相互作用特征,可在海洋气象灾害天气的科学研究中发挥作用。

南海海洋气象数值预报系统(Grapes-MAMS)及其业务应用

介绍了中国气象局广州热带海洋气象研究所建立的南海海洋气象数值预报系统(Grapes-MAMS)框架、系统中各模式特点以及针对模式所做的改进工作;并基于广东省沿海浮标资料,分析和研究了该系统中各个专业模式预报性能。得到如下结论:(1)从给出的统计检验和技巧评分来看,区域海浪模式逐年改进,具有一定预报能力;区域海浪模式和欧洲中期天气预报中心全球海浪模式相比,前者预报技巧TS评分大于后者;(2)实测海表温度的同化明显改进了区域海洋环流模式对海表温度的预报,检验结果显示海表温度预报与浮标观测海表温度相关系数在0.7左右,通过了α=0.01显著性检验;(3)将基于广东茂名科学试验基地得到的拖曳系数计算方案引入风暴潮模式,可以有效地改进风暴潮模式对强台风"威马逊"风暴增水预报,2013—2015年6个风暴潮模式预报检验显示,模式可以提前20 h以上给出最大风暴增水预报,而且最大风暴增水预报与实际相差不大。

损失率评估模型在广东气象灾害损失评估中的应用

利用1995—2021年《广东省防灾减灾年鉴》《2021广东统计年鉴》资料,基于面向气象灾害损失的损失率评估模型,对近27年广东暴雨洪涝、台风、低温冷冻、干旱、强对流(含雷击)等5种主要气象灾害逐年损失和总损失进行定量评估和分析。结果表明,台风、暴雨、低温冷冻、强对流以及总损失的年损失率指数最大峰值都出现在20世纪90年代中后期,干旱年损失率指数峰值出现在2002年。广东气象灾害总损失极重有6年,其中1994年损失率指数达7.62,为研究时段内气象灾害总损失最重的年份。近27年来,广东年气象灾害总损失的损失率指数呈明显减小的趋势,2000—2020年期间指数平均值为0.17,较1994—1999年平均值减小92.54%,死亡失踪人数指数减少60.83%。

碳监测目标的广东省综合气象因子代表站论证

为广东省气象要素、大气成分观测站网优化提供依据,利用广东省86个国家气象观测站的风速、相对湿度、气温以及降水等30年气候资料,结合气候相似性理论论证了全省不同区域的综合气象因子代表站。结果表明:(1)连平站、惠来站、高州站和番禺气象局站的欧氏距离较小,气象要素理论值与观测值的相对误差平均值为3.55%,可分别作为广东省粤北、粤东、粤西和珠三角区域综合气象代表站;(2)21个地市拟选站的气象要素理论值与观测值的相对误差平均值为3.474%,可作为地市级综合气象因子代表站;(3)除了高州站之外,其它3个区域代表站与地市级拟选代表站未出现重叠,因此可以合理布局、优化区域和地市级代表站的规划设计方案。

静止气象卫星反演海温及其分析技术方法的研究

用GMS5分裂窗通道和水汽通道的资料,以及船舶浮标站实测的海温资料进行反演海温和格点分析的试验研究。比较了三种不同的海温反演方法,其中用分裂窗通道资料并考虑削弱路径的方法,与用分裂窗通道资料并考虑水汽亮温的方法精度较好(平均绝对误差分别为0.93 °C和0.95 °C)。文中还用递归滤波分析方法较好地解决了质量控制和客观分析的问题,分析出的格点场与实测海温分布基本一致。

南海台风模式对台风利奇马快速增强预报能力研究

针对台风利奇马(1909),分析中国气象局南海台风模式(CMA-TRAMS)和欧洲中期天气预报中心高分辨率模式(HRES)对台风快速增强的业务预报情况,并基于CMA-TRAMS,从水平分辨率、初始场和边界条件、物理参数化方案等角度设计并开展数值敏感性试验。CMA-TRAMS和HRES对“利奇马”增强具有一定预报能力,但对快速增强的速度预报明显低于实况,均不能满足24 h和12 h快速增强标准,可达到6 h快速增强标准。CMA-TRAMS采用3 km分辨率对“利奇马”移动路径和强度变化的预报效果优于9 km分辨率,但未改进快速增强预报效果;采用3 km嵌套9 km的方案,模式对台风快速增强的预报效果明显提升。采用MRF边界层参数化方案对台风路径、强度、快速增强的预报效果总体优于YSU方案。海温参数化结合32层垂直分辨率的初始场和边界条件的方案明显提高了快速增强预报效果,预报快速增强的频次、增强的最大速度更接近实况。分析表明,海温参数化方案使海气温差增大,在短时间内对大气、海洋之间的热量输送和交换有明显影响,海洋向大气输送的感热通量和台风内核区的潜热通量加强使内核更暖湿、气压负倾向增大,是预报效果改进的主要原因。

7—9月登陆华南热带气旋频数异常与大气环流和海温的关系

利用1949—2021年中国气象局上海台风研究所热带气旋资料、NCEP/NCAR再分析资料、NOAA重构的海表温度资料(SST)和大气向外长波辐射(OLR)资料,采用线性趋势分析、Mann-Kendall检验等方法分析了近73年7—9月登陆华南热带气旋频数的变化特征。采用合成分析的方法研究7—9月登陆华南热带气旋频数异常与同期大气环流和海温的关系。结果表明,1949—2021年7—9月,登陆华南热带气旋有243个,年均3.3个,占全年登陆总数的70.2%。登陆华南热带气旋频数具有显著的年际和年代际变化特征。1973年最多(7个),1950年最少(0个);在1990年代中期由前期偏多转为后期偏少,但没有突变发生。近73年7—9月登陆华南热带气旋频数以0.1(10 a)^(-1)的速率减少。7—9月登陆华南热带气旋频数异常与大气环流和海温异常密切相关,在异常多、少年同期:(1)大气环流差值场上,南亚高压偏强、偏东、偏北,副高偏西、偏北、偏强,110°E以东的赤道东风引导气流偏强,季风槽加强,北半球中低纬海平面气压场东高西低,北高南低,同时南海、热带西太平洋对流活动加强。(2)海温差值场上,赤道中东太平洋偏冷,西太平洋暖池偏暖,沃克环流加强。高中低层大气环流和海温这种差异可能是导致登陆华南热带气旋频数异常的原因。

广州南沙区O_3浓度变化及其与气象因子的关系

利用广州南沙区气象探测基地2010年O3浓度和常规气象观测资料,分析了O3浓度变化特征及其气象因子的关系。结果表明,广州南沙区2010年O3浓度最高时均值的最大值出现在8月,超标时数最多的是9月;O3浓度日变化呈单峰型分布,O3浓度日变化最大的季节是秋季,其次为夏季、春季、冬季;O3浓度呈现秋季>春季>夏季>冬季的变化特征。气温、相对湿度、日照时数和云量与O3浓度相关系数大,是影响南沙O3浓度的主要气象因子。秋季O3浓度高,O3主要以局地光化学反应生成为主;春季、夏季和冬季O3主要以外来源的输送为主。气团后向轨迹分析表明南沙区秋季气团主要来自污染的大陆地区,春季、夏季和冬季气团主要是来自东南沿海附近或较为清洁的南海。

中国东部地区大气水汽稳定同位素的影响因子追踪研究

大气水汽稳定同位素是现代水循环的重要示踪剂,可以有效地追踪水汽来源及其输送过程。在中低纬度季风区,局地“降水量效应”是大气水汽稳定同位素的主要特征,但是近期研究表明,水汽来源及其输送过程等非局地因素也有重要影响。因此,本文基于拉格朗日粒子扩散模式和卫星遥感观测的大气水汽稳定氘同位素数据(数值表示为千分差,δD),针对前人研究较少的中国东部石笋氧同位素区域,进行水汽源地追踪,并在季节和年际尺度上分析水汽δD的主要影响因素。结果表明,在季节尺度上,水汽δD在夏末秋初较低,冬春季较高,这种特征与局地气象因子、水汽源地贡献的关系较弱,水汽输送路径上的累积降水是影响水汽δD季节变化的主要因素,两者为显著的负相关关系。在年际尺度上,厄尔尼诺(El Nino)年夏季中国东部水汽δD较高,拉尼娜(La Nina)年夏季水汽δD较低。水汽源地贡献在ENSO(厄尔尼诺—南方涛动)不同位相的变化较小,而水汽输送路径上的累积降水在La Nina年较之El Nino年偏多,表明La Nina年热带对流活动和水汽输送过程的贫化作用更强,导致目标区域的水汽δD更低。因此,代表热带对流活动的累积降水是水汽δD季节和年际变化的主要影响因素,热带对流活动增强(减弱)将降低(增加)目标区域的水汽δD。

Hysplit后向轨迹对初始气象场水平及垂直分辨率的敏感性研究（英文）

本研究基于单质点拉格朗日集成轨迹模型(HYSPLIT),对珠三角地区2012年全年每3小时的后向轨迹进行了模拟。模拟采用了两套初始气象场来驱动HYSPLIT模型,其一为水平分辨率为0.5度的全球同化系统(GDAS)输出场,其二为水平分辨率为27 km的气象研究与预报模型(WRF)的输出场。结果显示,当用于驱动HYSPLIT来模拟后向轨迹时,GDAS数据的可靠性依赖于季节和天气条件。GDAS和WRF输出场得到的HYSPLIT后向轨迹的方向差异在冬季和春季珠三角盛行偏北及东北风场时为最大,而在秋季珠三角处在稳定系统控制下时为最小。大多数WRF输出场得到的后向轨迹的传输高度比GDAS得到的后向轨迹要高,这是由于更高的分辨率使得WRF输出场的边界层垂直运动更明显。在五种天气条件下,不同分辨率初始气象场得到的后向轨迹差别最大,分别为大陆高压,槽脊系统,鞍型场,热带气旋以及冷锋。案例分析的结果显示,绝大多数情况下,GDAS和WRF输出场得到的后向轨迹因传输高度不同导致了轨迹方向的差别,因此在模拟HYSPLIT后向轨迹时,初始气象场在垂直方向上的细节是一个尤为关键的要素。

广州市环境气象预报系统

介绍了本系统对各种资料(包括常规气象资料、空气污染物浓度资料)进行计算处理并取得各种指数值(包括空气污染指数、穿衣指数、风寒指数、城市火险、中暑指数、负离子浓度、霉变指数、舒适度指数、紫外线指数等)的过程。

基于CMA-TRAMS模式地形高度偏差的地面气温误差订正方法研究

采用一元线性方法建立南海台风模式CMA-TRAMS地形高度偏差和地面气温预报误差的回归关系,分别开展不分级、高度偏差分级和地面气温误差分级的三种订正方法的研究,并进行订正效果评估。结果表明,模式地面气温预报误差与地形高度偏差总体呈负的线性相关关系,地面气温预报绝对误差随地形高度偏差绝对值增大而增大(对模式地形高度偏低站点尤为明显),但不同时刻地面气温预报误差特征表现不同,模式对地形高度偏高(即模式地形高于测站高度)和地形高度偏差小于50m的站点,06时地面气温(世界时,下同)预报总体偏低,对地形高度偏低大于50m的站点(即模式地形低于测站高度),06时地面气温预报总体偏高;而无论站点地形高度偏差如何,模式对18时地面气温预报总体偏高。三种订正方法中地面气温误差分级法能有效地减小地面气温预报误差,该方法订正后的分析场准确率可达96%~99%,12~48小时时效预报场准确率总体可提升至90%以上,该方法具有回归关系稳定、效果显著、适用性广、简单易行等特点。

海洋性大陆地区季节内对流活动对中国东南地区冬季降水的影响

分析了海洋性大陆地区季节内对流活动对北半球冬季中国东南地区降水的影响。根据这些对流活动是否具有东传特征,进一步将它们分为连续东传的MJO(Madden-Julian Oscillation)对流事件和准静止的非MJO对流事件。结果表明,这两类季节内对流活动对中国降水的影响存在明显差异。MJO对流对中国降水影响的空间范围较大,并且降水在MJO东传过程中呈现连续南传特征;非MJO对流的影响范围较小,并且其影响的关键区域随时间由北向南跳变。当对流在海洋性大陆地区处于活跃(抑制)位相时,MJO对流会导致中国东南地区降水呈现南正北负(南负北正)的偶极型分布,而非MJO对流仅仅会导致广东和福建一带降水偏少(偏多)。当对流在海洋性大陆地区由抑制(活跃)位相向活跃(抑制)位相转换时,MJO对流会引起中国东南大部分地区降水偏多(偏少),非MJO对流则引起江西北部、福建西北和浙江西部一带降水偏少(偏多)。水汽通量诊断结果表明,两类对流事件影响中国降水都主要受到季节内尺度风场异常的调控。具体来说,季节内尺度上低层经向风的差异,进而导致其经向梯度对水汽的输送存在明显差异,最终导致两类不同的季节内对流对中国东南地区降水的影响存在差异。

茂名近海、近岸及陆地站点气象要素对比分析

基于广东省茂名近海海洋浮标站、近岸海上平台站以及陆地电白基准站1年的观测数据,对比分析了风速、风向、温度和湿度的变化特征。(1)三个站点全年的主导风向均呈双峰状,只是主导风向有差异,海洋浮标站和海上平台站以东北风为主,偏南风为辅;而电白基准站主要是东北风和东南风。三个站点的月平均风速最小值都是在8月;最大值海洋浮标站出现在1月,海上平台站为11月,而电白基准站为4月。(2)电白基准站和海上平台站温度年平均日变化呈现出“一谷一峰”型特征;海上浮标站早上有一个低谷,但是峰值不太明显。三个站点月平均温度都是上半年呈上升趋势,下半年呈下降趋势。海洋浮标站纬度更南,受到陆地影响最小,全年高温持续时间最长。(3)三个站点的湿度年平均日变化都是呈“一峰一谷”型,即早晚湿度高,中午到下午低。从日变化振幅上看,电白基准站最大,海上平台站次之,海洋浮标站最小。三个站点湿度月平均都是2—8月湿度较大,最低月份出现在东北季风盛行的11—12月。海洋浮标站出现高湿度的月份最长;海上平台站因为受到陆地的影响,在中午和下午会出现较明显的低值区域。(4)受下垫面的影响,三个站点的风速、温度和湿度的日较差全年平均值,最大值都是电白基准站,其次是海上平台站,最小是海洋浮标站。

南海夏季风对热带海洋海温异常强迫响应的GEFA估算

利用1948至2007年美国国家环境预报中心/美国国家大气研究中心(NCEP/NCAR)的再分析资料和扩展重建Reynolds的1948～2007年逐月海表温距平资料第三版(ERSSTv3)海温距平资料,运用广义平衡反馈分析法的截断EOF方法,通过估算南海海区纬向风对毗邻的热带海洋各海盆海温异常的响应,量化了南海夏季风对各海盆海温异常型的响应程度。发现:在夏季样南海地区纬向风对热带太平洋第一模态(TP1)、热带太平洋第二模态(TP2)、南太平洋第一模态(SP1)、热带印度洋第一模态(TI1)、南印度洋第一模态(SI1)有着显著的响应,其中,TP1响应最强,TP2的响应与TP1的响应反相,但受限于起海温强迫常小于TP1,以至于其响应振幅在常年远小于TP1。

热带气旋快速加强与海表温度分布统计特征研究

为加强海表温度对热带气旋快速加强影响的认识,利用中国气象局上海台风研究所整编的热带气旋最佳路径数据集和欧洲中尺度天气预报中心提供的海温数据,选取1979-2019年期间的西北太平洋热带气旋,统计分析了海温和热带气旋强度快速变化的特征。研究结果表明:(1)约90%的热带气旋快速加强发生在夏季和秋季,分别占快速加强总次数的32.8%和56.4%,绝大部分热带气旋以跨越1个强度等级的快速加强为主,由强热带风暴快速加强到台风和由台风快速加强到强台风是出现次数较多的两种情况。(2)夏季大于28℃,秋季大于27.5℃的海表温度条件有利于热带气旋快速加强,较低强度等级的热带气旋需要更高的海表温度(> 29℃)才易出现快速加强;热带气旋快速移动有利于其中心处海温维持较高状态。(3)海温的时间变率在±0.2℃/(6 h)内,水平空间梯度低于0.4℃/(°)是热带气旋快速加强的有利条件;热带气旋强度越强,越需要平稳的海表温度环境。(4)热带气旋处于强热带风暴及以上级别时,仅利用海表温度条件对其是否发生快速加强的判断准确性较好。这一工作量化了有利于热带气旋加强的海表温度环境,为业务上基于海表温度定量预报热带气旋强度演变提供了一种技术参考。

华南前汛期强降水过程雨滴谱特征研究

为了解华南前汛期暖区降水和锋面降水的微物理特征差异,利用二维视频雨滴谱仪(2DVD)资料、自动站降水资料以及ERA5再分析资料,以2017年6月17日、2023年4月6日锋面降水和2017年6月22日、2022年5月11日暖区降水过程为例,对比分析暖区降水和锋面降水的雨滴谱特征、Gamma谱参数形状因子与斜率因子(μ-Λ)关系以及雷达反射率因子与雨强(Z-R)关系。结果表明:(1)锋面降水个例和暖区降水个例中,对流降水均占主要贡献,对流降水各粒径(尤其是粒径小于1mm)数浓度高且粒径大;暖区对流降水发生时间概率和降水量贡献比例均大于锋面对流降水。(2)暖区降水和锋面降水对流发展阶段,雨强(R)的增长均滞后于雷达反射率因子(Z),暖区降水的R、质量加权直径(D_(m))和粒子数浓度(lgN_(w))极值均远大于锋面降水。(3)D_(m)和lgN_(w)分布显示,暖区对流降水粒子分布较为分散,具有较大D_(m)和lgN_(w);锋面层云降水粒子具有较小D_(m)和lgN_(w)。(4)锋面降水个例和暖区降水个例μ-Λ关系式以及Z-R关系式相差较大,且不同于经典大陆性对流云降水Z-R关系式。

青藏高原区域资料同化的变分质量控制研究:参数优化及其有效同化

青藏高原(下称高原)区域天气系统变化对其周围及下游区域的数值天气预报质量具有重要影响。然而,高原区域质量偏低且稀少的观测资料严重制约了同化分析效果和预报质量。变分质量控制方案(VarQC)具有合理利用不同质量观测资料改善同化分析性能的良好能力。鉴于此,在对高原区域观测误差非高斯分布特征分析的基础上,构建了适应高原区域观测误差特征的“高斯分布+均匀分布”的变分质量控制方案(Flat-VarQC),优化了其关键参数,使其能更准确地基于同化新息向量调整观测对同化分析的影响权重,从而提高高原区域稀少观测资料的有效同化率,改善高原区域的同化分析质量。试验结果表明:高原区域观测误差具有更明显的“厚尾分布”特征,同化过程中单纯的高斯分布假设将导致观测资料的有效同化率偏低,从而降低了高原区域有限观测资料对同化分析的贡献;适用于高原区域资料特点的变分质量控制关键参数优化是充分发挥高原区域FlatVarQC改善同化分析质量的关键;Flat-VarQC能够明显提升高原区域常规资料的有效同化率,吸收更多“有益”资料信息,剔除“有害”资料信息,从而提高观测资料对同化分析的正贡献。这对于高原区域中、小尺度天气系统的同化分析和强降水预报具有更显著的改善效果。