短期气候预测:南京信息工程大学60年回顾与展望

本文从科学发展角度回顾了国内外短期气候预测的发展历程;在此基础上,回顾了南京信息工程大学建校60 a来短期气候预测领域的团队建设及其在教学、科研和预测方面的实践,并展望其未来工作。

华西秋雨演变的新特征及其对大气环流的响应

华西(21°N-39°N,95°E-114°E)秋雨是中国秋季主要的气候特征之一,长时间连续降水对农作物生产带来不利影响。基于1961-2010年华西地区166个气象站逐日降水资料,综合降水量与降水日数两个因子定义了华西秋雨指数,采用EOF分析、小波分析等方法分析了该指数的演变和时空异常分布特征,以及秋雨异常分布型的大气环流背景。结果表明,华西秋雨有南北两个极大值中心,强度和范围在近50年中存在明显的年代际变化,进入21世纪,其北部秋雨区位置偏北、范围增大及强度增强;主要异常型为秋雨区东北东和西南西之间的反相变化和总体基本一致型;秋季,当东亚副热带西风急流中心西移,中心强风速带偏窄时,华西北部的上升运动加强,同时西太平洋副热带高压偏北、印缅槽偏深及水汽输送偏强偏北,有利于北部水汽辐合,华西秋雨出现北多西南少的异常型;反之亦然。

气候系统预测:基础创新和集成应用

随着全球变暖,极端天气气候事件增强,天气气候灾害造成的损失也愈发严重。当前气候预测的准确性远远不能满足社会需要,气候系统预测理论和方法面临着众多挑战性问题。为提档气候预测科学水平和准确率,由南京信息工程大学和中山大学承担的“气候系统预测研究中心”获得国家自然科学基金基础科学中心项目支持(2021年1月—2025年12月)。在该项目执行的前三年,项目团队开展了大量深入系统的研究,并取得了若干重要进展:1)揭示了气候系统的若干关键变化、驱动力和机制;2)剖析了海-陆-冰-气相互作用对我国重大极端气候事件的影响;3)在气候系统数值模式研发和预测系统集成方面取得重要进展;4)发展了延伸期-S2S-年代际的气候系统预测理论和方法。本文对这些进展作了扼要介绍,并针对气候与环境变化归因、古今气候环境研究融合、跨时空气候系统变异和极端气候、人工智能与气候科学、年代际预测和风险应对体系等关键科学问题做了展望。

浅谈资料正态分布检验在气象统计分析中的重要性

在利用气象统计方法进行气象科研和预报工作中,资料是否符合正态分布问题非常重要。针对"气象统计分析"课程教学中对资料正态分布检验问题重视不够,导致学生在科研工作中屡屡出错等问题,提出改进教学方法,使学生能更好地理解和利用统计学方法解决气象中的一些科学问题。

中国冬季气温月际变化特征及其对大气环流异常的响应

基于1951-2014年中国160站月气温和NCEP/NCAR再分析资料,利用季节的经验正交函数分解(S-EOF)等方法,研究了中国冬季气温月际变化的时、空演变特征及其对大气环流异常的响应。结果表明,中国冬季气温在月尺度上常常出现前、后冬相反甚至冷暖交替的现象。中国冬季气温月际变化存在3个主模态:全冬一致型、前后反相型和冷暖交替型。当西伯利亚高压冬季一致偏强(偏弱)时,冬季一致冷(暖);当海陆热力差异由强变弱、西伯利亚高压强度由强变弱,东亚西风急流比较稳定,强度偏强,位置由南向北移动时,冬季前冷后暖;当大气环流发生突变,尤其是海平面气压场和500 hPa位势高度场上大气活动中心的频繁调整,西伯利亚高压强度在月时间尺度上强弱交替时,冬季气温呈冷-暖-冷交替变化。

郑州黑碳气溶胶质量浓度及气象要素日变化特征

依据郑州大气本底站近6 a(2006—2011年)黑碳气溶胶(Black Carbon aerosol,BC)质量浓度观测数据,结合地面气象观测资料,分析了该站四季BC质量浓度日变化特征,并利用谐波分析的方法,探讨了各季BC质量浓度和地面主要气象要素(气温、相对湿度和风速)的日变化特征.结果表明:①郑州站BC质量浓度年平均值较高,在BC质量浓度高值季节(秋冬季)其日变化呈现“双峰型”,而在BC质量浓度低值季节(春夏季)则为“单峰型”;②该站四季地面气象要素的日变化均表现为“单峰型”:BC质量浓度高值时刻对应地面气温低值、地面相对湿度高值以及地面风速低值时刻;③谐波分析发现,郑州站秋冬季BC质量浓度日变化具有24 h+12 h周期,春夏季BC质量浓度日变化具有明显的24 h循环;④该站四季气象要素日变化24 h循环显著且均超前于BC质量浓度1~2 h,表明气象要素会对BC质量浓度产生影响.

中国西南地区冻雨灾害特征分析与评估

利用1961-2015年中国西南地区96个气象台站逐日气象观测资料,采用模糊信息分配法分析了我国西南地区出现冻雨天气时有利气象要素的变化规律。选取气温、湿度及日照时间确定了西南地区冻雨天气判断的评估标准:日平均气温≤2℃,日最高气温≤8℃,日最低气温≤0℃,相对湿度≥80%,日照时间≤1 h。通过重建发现发生冻雨的天数在11月-次年3月间呈现单峰型变化,其季节内冻雨日数的演变规律是少~多~少,每年的1月冻雨日数最多。经检验上述指标可用于重建西南地区各站点冻雨强度指数,并由此评估了西南地区冻雨灾害的时空分布状况。四川盆地南缘、云贵高原大部,以及湖南省东部地区冻雨指数大,表明该区域遭受冻雨灾害严重;青藏高原、川西高原地区气温虽低,但相对湿度小,日照时间长,均不满足冻雨条件,因此发生冻雨灾害的风险小。近年来我国西南地区冻雨强度总体呈现减弱的趋势。

中国西北5月和9月地表气温的年际变率机理及其预测

本文基于1961~2016年中国西北地区逐日地表气温观测资料以及全球大气再分析资料,通过统计诊断和数值模拟的方法,揭示了西北地区5月和9月地表气温年际变率规律及其机理,并在此基础上分别构建了季节预测模型。结果表明:(1)西北5月和9月地表气温年际变率经验正交函数分解第一模态均为全区一致型空间分布,但具有不同的变率特征。(2)西北5月地表气温正异常与拉尼娜衰减型海表温度异常所对应的热带纬向三极型对流(降水)异常强迫有关,对流异常激发的热带外遥相关波列导致西北地区上空受反气旋(高压)异常控制,造成局地向下太阳短波辐射增多,从而使得西北地表气温增加;而西北9月地表气温正异常与拉尼娜发展型海表温度异常所对应的热带纬向偶极型对流(降水)异常强迫有关,偶极型对流强迫能够在西北地区东西两侧激发反气旋(高压)异常,导致西北地表气温正异常。(3)基于物理机制,分别利用拉尼娜衰减和发展型的相关海表温度异常预测因子,建立针对西北地区5月和9月地表气温年际变率的季节预测模型,独立预报期间(2007~2016年)预测技巧相关系数分别可达0.74和0.62,可为西北地表气温短期气候预测提供参考。

我国延伸期预报业务现状及其协同运行机制分析

10~30 d延伸期预报是构建“无缝隙预报”的必然要求,在防灾减灾工作和各行业气象保障服务中起着至关重要的作用。我国自2002年起,对延伸期预报业务进行了多方面的探索,但仍存在预报方法和技术不纯熟、人才队伍较薄弱、预报体制不完善等问题,当前的延伸期预报业务仍较难满足业务需求。通过文献调研法、问卷调研法、访谈调研法对比分析了国内外延伸期预报业务现状、人才队伍以及协同运行机制建设现状,提出了制约我国延伸期预报业务进一步发展的可能因素,并提出了若干对策,为延伸期预报业务相关决策提供科学的支撑和依据。

基于时空结构指标的中国融合降水资料质量评估

引入空间、时间技巧评分以及结构函数3种指标,通过对比中国国家气象信息中心研制的逐日融合降水资料和美国国家海洋大气局(NOAA)气候预测中心卫星反演降水资料(CMORPH)、热带测雨卫星反演降水资料(TRMM)在中国区域的适用性和误差分布,着重考察融合降水资料的质量。结果表明,中国区域平均的融合降水资料时空精度远高于CMORPH和TRMM卫星降水资料,且融合资料和卫星资料在夏季的质量优于冬季;在中国东南区域的模拟精度普遍好于西部地区,融合降水质量最高的两个区域为江淮和华南,较差的区域则在青藏高原和西北地区。融合后降水资料比融合前CMORPH卫星降水在空间及时间技巧评分均有较大提高,其提高幅度冬季大于夏季。通过计算结构函数,发现在中国江淮、华南、华北和东北等地区,随着网格区域内任意两点距离的增大,融合产品与观测降水的结构函数曲线始终十分接近。在西北、青藏高原等区域,融合产品与观测降水的结构函数则偏离较大。西南地区地形复杂,卫星资料无法精确反映实际降水情况,高密度观测资料尤为重要。江淮、华南、华北地区的融合降水结构函数曲线增长率大于东北,也从侧面反映江淮、华南、华北地区降水分布的非均一性比东北强,降水可能受中小尺度天气系统影响较大。

两类La Niña季节演变过程的海气耦合特征对比

利用1951—2010年逐月的HadISST海表温度资料、SODA次表层海温资料和NCEP/NCAR再分析资料等,对比分析了东太平洋(EP型)La Nia和中太平洋(CP型)La Nia的海气耦合特征在季节演变过程中的差异。EP La Nia海表温度异常中心在发展年夏季出现于南美沿岸,随后向西移动,盛期最大海表温度异常中心位于赤道东太平洋,而CP La Nia海温异常中心少动,基本维持在160°W附近,其强度更强,持续时间更长。受海温分布形态影响,热带大气对两类La Nia的响应非常不同,成熟期间CP型在中太平洋偏旱的强度和范围比EP型大,且略偏西。发展年夏、秋季,北半球位势高度响应较弱;冬季,负PNA位相易伴随两类La Nia出现,但异常活动中心的位置和强度不同,在北大西洋其大气响应几乎相反,这些差异会引起显著不同的区域气候异常。

基于Cloudsat探测的一次非典型东北冷涡结构及其降水

采用ERA-Interim气象分析资料、云顶亮温TBB资料、Cloudsat云雷达资料、降雨量资料等,对2009年6月10日至12日我国东北地区的一次冷涡天气过程进行研究,重现了该冷涡的精细三维结构和演变过程.分析表明冷涡发生前,东北亚地区处于南北双槽结构之间,随后北槽向赤道发展切断后形成东北冷涡.南槽背景的冷涡热力结构特殊,强冷空气集中在涡内西北象限,暖湿空气在东北象限,南部为相对中性空气,该配置导致北部暖锋强盛,西部冷锋仅在发展初期较强,冷涡过程没有经典挪威学派的气旋锢囚锋出现.冷涡发展初期,狭长冷舌快速入侵南下,冷舌前冷锋对流降水较强,冷舌后部左侧还有暖锋降水;冷涡发展后期,冷锋减弱,冷锋上的高层云停止降水,系统内主要为冷涡北部的暖锋雨层云降水;冷涡成熟后,中心辐合加强,有较强的对流性降水.

两类厄尔尼诺事件发展年秋季印度洋海温异常特征对比

基于1951—2010年逐月海气多要素观测资料,对比分析了两类厄尔尼诺事件发展年秋季印度洋的海温异常及大气响应特征,探讨了印度洋偶极子的发生与两类厄尔尼诺事件特征的可能联系。结果表明,两类厄尔尼诺事件的发展年均会出现印度洋偶极子,但出现的概率不同:大多数东部型厄尔尼诺事件都会伴有正位相印度洋偶极子发生;而仅一半的中部型厄尔尼诺事件期间会出现正位相印度洋偶极子的异常海温型,且强度较弱。从印度洋偶极子与两类厄尔尼诺事件的物理联系上看,东部型厄尔尼诺事件期间,印度洋偶极子的发生与其强度联系密切:印度洋偶极子发生在东部型厄尔尼诺事件较强期间,两者通过海洋大陆的异常强下沉运动及大范围负异常降水相联系;东部型厄尔尼诺事件偏弱时并无印度洋偶极子出现,海洋大陆异常下沉运动及负异常降水很弱。然而,中部型厄尔尼诺事件期间印度洋偶极子的发生与其强度并无显著的关系,而与太平洋高海温区的位置存在一定的可能联系:在有印度洋偶极子发生的中部型厄尔尼诺事件发展年秋季,热带太平洋异常高海温区的位置相对偏东,海洋大陆出现显著下沉运动和大范围负异常降水,热带东印度洋为大范围强异常东风控制;但无印度洋偶极子发生的中部型厄尔尼诺事件时,热带太平洋高海温区位置相对偏西,极弱的海洋大陆下沉支对热带印度洋异常海温作用非常有限。

亚洲急流与冬季风的关系及其对中国气候的影响

利用NCEP/NCAR逐月再分析资料和中国542个台站逐日观测数据,采用奇异值分解、相关分析和合成分析等方法,研究了冬季亚洲高空急流的配置与冬季风的关系及其对地面气候的影响。结果表明,青藏高原至亚洲东部沿海的副热带急流强(弱),高纬度的温带急流弱(强)时,中国中、东部大范围地区气温偏低(高);中东急流强(弱),东亚副热带急流偏南(北),温带急流东南部较弱(强)时,西南气温偏低(高),东北气温偏高(低),中、东部地区冬季降水偏多(少)。结合水平风场的变化,副热带地区出现西风异常弱,温带出现东风异常强时,有利于东亚大槽加深并向南扩张,低层偏北风加强,东亚冬季风增强,而青藏高原反气旋环流被削弱,冷高压减弱,相应的高原季风减弱。高、低纬度急流区纬向风的差异较大时,加强了急流对低层冷、暖空气交绥的引导和汇聚作用。东亚季风指数(EAMI)与高原季风指数(PMI)在冬季多呈负相关。冬季风异常期间,若副热带急流偏强,温带急流偏弱,高纬度的干冷空气受南侧急流的汇聚作用而南侵,有利于中国大部分地区降温,降水减少;反之,低纬度的暖湿气流受到北侧急流引导而向北输送,导致中国大部分地区升温,降水偏多。

风电场邻近风电机组缺测风速集成填充方法

针对风电场中邻近多台风电机组集中出现缺损测量风速的工况,提出基于粒子群优化广义回归神经网络的风电机组缺损测量风速集成填充方法。以"成员等同性"原则引入动态时间规整算法、空间邻点法和Pearson相关系数法,分别搜寻与缺损测量风速风电机组风速演化最为相似的若干台风电机组及对应的测量风速时序,建立基于广义回归神经网络的填充子模型,采用粒子群算法对广义回归神经网络的模型参数和训练集的构成进行全局优化,之后选取较好的子模型构造自适应的熵权集成填充模型。实验结果表明:依据相似性风速序列进行缺损风速的填充能有效提高填充精度;粒子群算法优化广义回归神经网络,不仅提高了子模型的填充效果,更使得模型参数的调节有据可依,能适应不同风电场风速数据的特点;基于熵权的集成填充策略理论依据充分,集成填充的精度和稳定性优于单个子模型。

利用高分辨率ERA-Interim再分析资料对2011年夏季江淮区域水汽汇的诊断分析

利用水平分辨率接近0.7°×0.7°、垂直方向60层的ERA-Interim再分析资料,分析了2011年夏季江淮区域水汽汇的演变及各项的贡献,研究了与水汽辐合项有关的水汽输送及相应的月平均环流和天气尺度扰动。结果表明:(1)ERA-Interim再分析资料对江淮区域夏季水汽平衡有较好的描述能力。由水汽辐合项与水汽局地变化项计算的水汽汇值和用降水与蒸发求得的水汽汇值高度一致,说明该资料可用于研究江淮区域的水汽汇。(2)2011年夏季江淮区域整体处于水汽汇区,且水汽汇值具有明显的2~6天的天气尺度振荡。降水对水汽汇的贡献远大于蒸发,而水汽辐合项与水汽局地变化项对水汽汇均有较大贡献,并且对水汽汇具有超前1~2天的指示作用。(3)月平均环流和天气尺度扰动均通过与水汽输送密切相关的水汽辐合项对江淮区域水汽汇产生显著影响。月际尺度的水汽汇变化与大尺度大气环流尤其是副高有密切关系;而江淮流域及西南地区的天气扰动对江淮区域水汽汇的天气尺度振荡起到至关重要的作用。

东亚副热带急流的空间结构及其与中国冬季气温的关系

本文利用1950～2012年NCEP/NCAR逐月再分析风场资料和中国542个台站逐日观测资料研究东亚副热带急流(EAJ)的空间结构及其与中国冬季气温的关系。结果表明,东亚副热带急流在空间呈不规则管状结构,冬季急流体积最大,垂直厚度范围自500hPa至100hPa;夏季急流体积最小,仅存在于200hPa附近。急流管在秋、冬、春季略呈西南—东北走向,在夏季呈西—东走向。不同高度上的最大风速轴线在南北方向的移动不尽一致,春、秋季低层风速轴比高层偏北。东亚急流管不同区域下方的垂直运动及其年变化存在差异。冬季东亚副热带急流强度与同期中国气温关系密切,特别是高原上空的急流越强时,中国大部分地区冬季气温偏低。

4～5月南亚高压建立早晚年份环流差异及其可能成因

利用1979~2008年NCEP/NCAR逐日再分析资料和向外长波辐射(OLR)资料分析了4~5月南亚高压在中南半岛上空建立早晚年份的环流差异及可能机理。发现南亚高压建立早晚年,对流层高低层环流形势存在显著差异:在对流层高层,偏早年,菲律宾群岛以东洋面上空反气旋环流中心西移速度快,建立完成后,中南半岛上空南亚高压反气旋环流东西范围较宽,整个建立过程时间较长;偏晚年,建立开始前西太平洋上空无闭合的反气旋性环流中心,建立完成后,中南半岛上空南亚高压反气旋环流东西范围较窄,整个建立过程时间较短;在对流层低层,南亚高压建立早晚年风场和海平面气压场都呈现反相的分布形势,与之相联系的Walker环流强度也存在明显差异。中南半岛上空反气旋环流中心生成早晚与中南半岛地区对流建立发展关系密切,当中南半岛地区对流建立发展早时,中南半岛上空反气旋环流中心生成早;反之对流建立发展晚时,中南半岛上空反气旋环流中心生成晚,且中南半岛对流活跃稍早于南亚高压在该地区建立。菲律宾群岛以东洋面上空反气旋环流中心的西移快慢及有无闭合环流中心出现受该区域上空的上升运动和大气非绝热加热作用影响。当菲律宾群岛以东洋面上空的反气旋环流中心西移稳定至130°~145°E这一区域后,非绝热加热的垂直变化对该环流中心的维持及消亡起主要作用。由于前期冬春季节热带太平洋海温的异常分布,引起了后期Walker环流的强弱变化,进而影响了中南半岛至菲律宾群岛以东洋面上空的大气热力状况及上升运动,最终导致南亚高压建立期间环流的演变差异。

新标准下江淮梅雨特征的分析

根据中国气象局2014年印发的《梅雨监测业务规定》中的入、出梅标准,以及江淮地区72个气象站1960—2012年近53 a逐日气象资料,采用经验正交分解(EOF)方法和相似方法分析了江淮梅雨降水的时空变化,并以温度、湿度和雨日频率作为判据,将梅雨划分为典型和非典型两类,对其变化特征进行了讨论。结果表明:江淮梅雨期内,雨日比例减少,阴天比例增加,且发生在白天的降水比例上升;此外,中雨的贡献率显著减小,大暴雨的贡献率显著增加。相同年代际内,全区一致枯型梅雨与南枯北丰型梅雨出现概率相当,全区一致丰型梅雨则与南丰北枯型和南北丰中部枯型梅雨发生概率相近。江淮梅雨的典型程度(高湿高温多雨)在时间尺度上呈减弱趋势,非典型程度整体呈增加趋势,其中以所占比例最大的低湿高温少雨型的增长最为明显,且这种变化趋势在整个江淮地区表现一致。空间尺度上,典型梅雨发生的范围存在缩小趋势,非典型梅雨发生的范围则有扩大趋势。即近53 a来,江淮梅雨在时空尺度上均发生了由典型向非典型的转移,且2000s以来这种转变尤其显著。

青藏高原一次MCC转MCV过程研究

利用WRF(ARW)模式、WRF-3DVAR系统以及ATOVS卫星资料,对2013年7月22-23日高原上的一次MCC转化MCV的过程进行了直接同化试验和数值模拟。同化的模拟结果表明,同化不同传感器资料效果相差较大;同时同化多种传感器资料并未比单一资料效果好;连续循环同化有效改善了高原MCV的强度和位置模拟。选定循环同化AMSUB资料为最优同化方案,对此次高原MCC转化为MCV的过程进行分析:中尺度涡旋和强降水均发生在湿等熵面下陷区域。高空正的湿位涡异常叠加低层正温度异常,在此过程中经历对流不稳定度的减弱,诱生出气旋性环流并向下伸展,使得气旋性涡度发展,降水发生,而水汽的凝结潜热释放进一步加剧了湿等熵面的倾斜,从而使得垂直涡度进一步发展。同时,在此过程中受水汽加热的影响,水平相当位温梯度减弱,负的斜压项减弱,使得总的湿位涡正值增大。另外,比较了东部MCV与高原MCV的差异,发现后者由于高原的加热作用,低层的涡度值较大。