广西壮族自治区农业气象情报预报服务系统开发研究

采用模块化、函数化设计方法 ,研制成广西壮族自治区农业气象情报预报服务系统 (以下简称GXAOS)并投运 ,经济效益和社会效益显著。简介了GXAOS系统结构。

综合天气相似分析方法及其气象预报服务应用

为改进传统“切片”式天气形势相似分析方法存在的不同切片相似结果不一致、预报稳定性欠佳问题,借鉴大数据思维,将天气系统视为一个由高中低层大气相互配合、静力热力动力条件相互影响的综合体,以多种气象要素再分析格点资料为基础,采用机器学习PCA方法对原始数据进行降维、浓缩,经归一化处理后构建出适于综合天气相似分析的样本衍生特征因子矩阵;然后使用KNN算法计算样本间各特征维度的相似距离、并结合方差贡献率赋予其相应的权重,最终按综合相似距离大小排序给出目标样本在历史天气形势库中的综合最相似序列,从而实现对传统相似天气预报方法的升级改进。对比分析和测试应用表明,该方法可提供多要素、多层次“立体”综合相似下的一致性结论,有助于预报员更好地理解天气系统结构和演变过程、进而更准确地研判可能发生的相关天气现象,在精细化气象预报服务方面有良好的应用前景。在2023年以来的几次广西区域性极端降水气象预报服务中,该方法取得了较为显著的应用效果。

台风“暹芭”引发广西极端强降水成因分析

利用多源气象资料,对2022年第3号台风“暹芭”影响广西极端强降水成因进行分析。结果表明:(1)台风“暹芭”影响广西降雨具有累计雨量及日雨量大、范围广,短时强降水范围广、强度强、维持时间长及极端性强、灾害重等特征。(2)台风“暹芭”登陆及进入广西强度强,在广西停留时间长,自南向北贯穿广西东部的罕见路径是导致降水极端的主要原因。台风本体和季风卷入给强降雨区提供丰沛的水汽和能量,本体环流、低空急流风速辐合、海陆差异、地形抬升、地面和边界层明显中尺度辐合线共同作用形成的强烈上升运动是产生极端强降水的动力机制。(3)台风云系内存在明显中尺度对流系统MCS活动,形成超级单体风暴,是强降雨产生的直接原因。暖云层深厚,强雷达反射率位于5 km以下,直径大且密集降水粒子形成高的降水效率,是产生短时强降水的重要因素。(4)业务预报中,加强分析多途径的水汽来源、各种天气系统特别是中小尺度天气系统对台风降水的增幅作用,是台风极端强降水预报着眼点。

广西沿海“23.6”弱热带低压破纪录暴雨过程的诊断分析

利用多源观测资料及ERA5再分析资料,基于大气热、动力诊断方程,对2023年6月7—9日广西沿海破纪录热带低压暴雨过程的成因及低压维持的可能机制进行了分析,结果表明:(1)在中高纬度与低纬度天气系统相互作用背景下,热带低压在广西境内盘旋少动,促成了此次强降水过程。期间大气热力、水汽因子均伴有显著异常,整层水汽通量散度、大气可降水量及K指数标准化异常分别达到-5.5、3.2、1.3。(2)降水最强时段集中于夜间至凌晨,准静止的中尺度对流云团以及对流系统“列车效应”使降水不断在局地累积,造成破纪录累计雨量。(3)7日(8日)夜间至8日(9日)凌晨,热带低压东南侧(东侧)暖式切变线(边界层急流)以及陆面摩擦为强降水的发生、发展提供了动力条件。9日边界层急流辐合强于8日切变线辐合,锋生强迫更强。热带低压系统增强导致的气压梯度力增大以及位势高度经向平流对应的气压梯度力做功过程促进了局地动能增长,是边界层急流发展的原因。(4)热带低压环流不断将中国南海水汽卷入其内部,水汽辐合及垂直输送使得湿层不断增厚,有利于降水率增大。持续的暖湿气流输送有利于不稳定层结维持,使大气低层对流不稳定结构贯穿整个降水过程。其中,风垂直切变和大气斜压性的有利配置使得9日层结不稳定特征较8日更强,与动力条件相结合促使9日出现更强降水。(5)热带低压系统维持主要受水平风场辐合效应支撑,地转风分量在整个过程中贡献相对较弱,非地转风分量的水平散度项主导了局地涡度变化,与非地转风惯性旋转后向热带低压中心辐合有关。

广西初春双对流强降水带过程诊断分析

2023年3月25日20:00至26日08:00,广西出现一次双对流强降水带过程,与以往双雨带存在显著差异,主、客观预报均出现明显偏差。利用多源实况以及ERA5再分析资料,对此次过程进行了Rossby波能量频散、湿位涡及水平锋生强迫等诊断分析。结果表明:该过程发生于大尺度环流调整背景下,中高纬地区源自极涡以及黑海的两支Rossby波列共同促进了东北地区的横槽在东移过程中逐渐转竖,引导冷空气补充南下。低纬地区南支槽在此期间逐渐东移,为广西地区冷垫之上的气层抬升提供动力条件,同时也促进低层冷暖空气在广西交汇。随着冷空气补充南下、惯性振荡促使偏南风向北推进,冷暖空气在广西一带交汇增强,大气湿斜压性增强使得湿位涡发展,导致出现条件对称不稳定层结。暖湿空气自南向北倾斜爬升至700 hPa附近条件对称不稳定区后与高空槽前正涡度平流相配合触发高架对流,使得北支对流带发展。冷空气深入南下后受广西特殊地形影响,等θ_(se)线与流场的有利配置形成拉伸变形效应导致锋生强迫,使得越南东北部南支初始对流触发。北部湾中部低层较大θ_(se)纬向梯度以及强垂直风切变造成较强湿斜压性,促进南支对流系统途经时组织化发展,并由于中层干空气夹卷形成弓形回波。预报中需重点关注数值模式对中层低槽的预报以及冷垫上的热力条件,以捕捉北支锋后高架对流发生发展的关键信息。

广西南宁一次“龙舟水”暴雨空报事件对流生消成因分析

2022年6月13日,广西出现大范围暴雨过程,而南宁市区一带暴雨空报;雷达回波在南宁市区北侧衰减、东侧强度维持、南侧新生发展,过程演变复杂。文章采用常规观测资料及ERA5再分析资料,对此次过程中对流生消演变成因进行分析。结果表明:此次过程为典型广西前汛期强降雨环流形势及环境背景;然而受天气尺度冷平流及风暴冷池共同影响,冷空气快速移过南宁市区,北侧风暴出流边界远离母体,风暴前侧低层水汽输送偏东,热力、动力条件均较差,导致回波衰减消散;南宁市区东侧风暴在推进过程中出流边界紧贴母体,风暴前侧低层维持西南急流,沿出流边界不断有对流触发,风暴得以加强或维持;南侧低层高温高湿环境形成,有利于对流有效位能重建或增强。最后建立了此次过程对流生消演变机理概念模型,并通过分析冷池、出流边界、环境条件等要素演变,可对短时临近预报进行补充订正。

大气河背景下的广西暖区暴雨机理初探

利用多源实况观测资料以及ERA5再分析资料对2010-2022年夏季(6-8月)广西暖区暴雨个例中伴随大气河的特征进行统计分析,并基于波作用通量、水平锋生以及非绝热加热诊断等,从热力、动力角度分析了2022年6月2-4日大气河背景下广西典型暖区暴雨过程。结果表明:(1)绝大多数暖区暴雨个例伴随大气河。当大气河通过广西区域并维持在约1000 kg·m^(-1)·s^(-1)以下时,大气河强度增强有利于暖区暴雨降水强度增强。大多数个例中大气河呈西南-东北向,在经过广西时方向角在15°~65°。(2)典型个例中东西伯利亚阻塞高压和东北冷涡异常活跃,造成副高总体被压制,位置偏南,使得大气河维持在孟加拉湾-南海-华南-北热带太平洋一带,为暖区暴雨发生发展提供充足水汽。副高维持而低涡东移造成的气压梯度增大以及夜间季风气流加速共同作用使得局地大气河增强。(3)大气河夜间增强促进了局地水汽辐合及垂直输送使得湿层不断增厚,大气可降水量增大,有利于降水效率增大。同时,持续的暖湿输送有利于低层不稳定层结的建立和维持,使大气对流不稳定结构贯穿整个降水过程。(4)山脉地形的辐合抬升、侧向摩擦促进了上升运动、垂直涡度发展,一方面有利于山前堆积的暖湿空气被迫抬升而触发对流,另一方面有利于对流系统维持,造成更多水汽凝结致雨。此外,暖湿空气堆积产生持续的锋生强迫也有利于降水维持和增强。(5)大气河影响下的强上升造成大量水汽不断凝结释放潜热,大气受热后又加强了上升运动,在该正反馈机制下对流持续发展增强。

广西区域性暴雨深度神经网络预测模型设计与应用

遵循AI技术典型应用流程,从确定研究对象的数据表示开始,探讨从测试选用算法工具构建“区域性暴雨”深度学习预测模型,到调整优化模型超参数、对模型性能进行泛化增强,最终实现上线部署,成功对2023年广西“龙舟水”过程作出合理预测。结果表明,结合实际预报服务需求,在深入理解算法和模型架构特点基础上,选用能够模拟天气分析过程、合理解释预测机理的AI算法,可显著增强模型的实用性能。采用TimeDistributed层对样本时间层进行封装,先提取学习气象要素场空间特征和关联特征后再进一步学习时间变化知识,是一种符合天气分析思路且预测性能较好的气象AI模型构建方法。而针对“小概率”气象关注事件,在设定事件标签时适当降低气象评判指标、基于相似天气形势来增强样本数据,引导模型针对关注目标进行正向增强训练,是提升气象AI模型性能的有效技术手段,实现一个“有/无区域性暴雨发生”定性预报的基础分类模型。

2023年广西高影响强对流天气特征及预报预警回顾

利用多源气象探测资料,对2023年广西高影响强对流天气特征及预报预警难点进行综合分析。结果表明:(1)全年出现5次区域性及以上强对流天气过程,总体偏少。冰雹集中出现在3月到5月。雷暴大风主要出现在3—9月,极大风速为34.9 m·s^(-1)。(2)产生冰雹的超级单体主要触发在锋面及锋前暖区,强的对流不稳定、能量和垂直风切变条件下锋前暖区需关注迅速发展降雹的超级单体,提前发布预警信号。(3)西南涡背景下的飑线大风天气由地面静止锋和干线触发;短临预报应考虑线状对流自组织作用将落区向南调整。(4)对类高架、暖区冰雹天气数值模式预报能力差,需加强机理研究提升客观化预报预警技术。

广西夏季昼夜降水特征及其差异成因分析

利用广西89个国家气象站1979—2022年逐日降水观测数据,分别从昼、夜不同量级的降水量、降水日数的空间分布以及对总降水量的贡献率等方面,对广西昼夜降水变化及其差异特征进行研究,并利用再分析资料对导致广西降水昼夜差异的成因进行探究。结果表明:(1)在降水量和降水日数上,广西沿海地区昼夜均偏多,其余地区日间呈“桂南多,桂北少”,夜间呈“桂南少,桂北多”分布特征,且在不同量级降水中均有体现。(2)广西地区日间降水量对总降水量的贡献率高于夜间,但暴雨量级的贡献率则是夜间大于日间。(3)暴雨量级的夜间降水强度大于日间,且呈显著增大趋势(0.72 mm·a^(-1))。(4)夜间更强的偏南风、上升运动以及水汽辐合,利于桂北降水产生。(5)广西地区水汽主要以由南至北的经向输送为主,且夜间水汽输送强于日间。

基于集合预报优选台风路径订正技术的广西风雨预报研究

利用2017—2019年欧洲中心全球集合预报数据以及中国气象局热带气旋资料中心的最佳路径数据集,基于统计分析和集合预报释用技术,对影响广西的台风路径预报提出一种实时订正技术。通过优选N个误差较小的集合预报成员,生成台风路径订正产品、台风概率匹配平均降水产品和台风大风合成分析产品。结果表明,利用优选集合成员的算术平均模型预报台风路径比集合预报平均、确定性预报效果改善,且预报时效越长,改善效果越明显,24 h、48 h时效的台风路径预报误差比集合平均减小4 km和6 km,比确定性预报减小5 km和19 km;优选集合成员的概率匹配平均降水产品,在一定程度上能改善传统的集合平均降水产品,特别是对大暴雨落区预报,36 h、60 h时效大暴雨TS评分较集合平均提高10%和12%;优选集合成员的大风合成分析产品,能预报出台风影响时极大风区移动、增强、减弱的态势,36 h时效6、7、8级以上极大风的TS评分较集合平均提高18.3%、15.7%、13.4%,对9~11级以上的极大风有一定的预报能力。

引发广西一次区域性暴雨的低涡发展机制

低涡是造成广西区域性暴雨的关键系统,了解其发展维持机制对于暴雨预报具有重要意义。利用多源观测数据及欧洲中期天气预报中心ERA5再分析数据,对引发2022年6月10—11日广西区域性暴雨的低涡发展维持机制进行诊断分析。结果表明:低涡生成于桂西北后稳定少动,为区域性暴雨的发生发展提供热、动力条件,对流云团及降水落区主要分布在低涡东侧及南侧。涡度方程诊断表明,低涡的发展维持主要受涡度平流项和水平散度项影响,其中地转风分量使局地涡度不断减小,而非地转风分量则使局地涡度不断增加,水平散度项是造成低涡发展维持的主要原因。在惯性振荡机制影响下,低涡中心偏北一侧非地转风场随时间变化具有明显的顺时针旋转特征。非地转风旋转为偏北风时与低涡中心附近的偏南非地转风辐合,造成非地转风分量水平散度项对局地涡度的显著贡献,使得低涡发展维持。对流层中层附近的潜热加热正反馈也有利于低层低涡的发展维持。

1971—2023年广西冰雹日数和范围的气候特征分析

利用广西88个国家气象观测站1971—2023年逐日冰雹观测资料,采用线性趋势、低通滤波、小波分析等方法,分析广西冰雹日数和范围的变化特征,定义广西冰雹过程及综合指数,综合评价冰雹过程的持续时间和影响范围。结果表明:(1)1971—2023年,广西年冰雹日数和冰雹站数均呈显著减少趋势,春、冬季冰雹日数和冰雹站数呈减少趋势,夏、秋季呈增加趋势。(2)广西年冰雹日数和冰雹站数阶段性变化特征明显,在20世纪70年代先降后升,20世纪80年代至21世纪00年代波动下降,21世纪10年代后有所回升。年代际尺度上,冰雹日数存在12~16 a的变化周期,冰雹站数存在10~16 a和16~20 a的变化周期。(3)广西冰雹过程综合指数排在前十位的过程有6次发生在20世纪70年代至80年代,20世纪90年代有1次,其余3次发生在21世纪10年代后。

冬季热带中东太平洋海温变化对广西大雾日数的影响

利用1979—2020年广西80站逐日大雾资料、Hadley中心海表面温度资料以及NCEP/NCAR再分析资料,结合相关分析、合成分析以及信息流因果理论,分析了冬季热带中东太平洋海温变化对广西大雾日数的影响。结果表明:冬季热带中东太平洋海温是广西雾日数的显著影响源,海温偏高(偏低)一定程度上导致了广西冬季大雾天气多发(少发)。冬季热带中东太平洋海温偏暖,引起上空上升运动异常,减弱了沃克环流,导致热带西太平洋出现下沉异常。热带西太平洋下沉异常导致局地负的加热异常,从而在热带西太平洋北侧菲律宾一带对流层低层激发出反气旋异常。广西在菲律宾异常反气旋西北侧的西南风影响下,一方面动力上使得近地面层偏北冬季风风速减小,有利于大雾形成和维持;另一方面使得南海至西北太平洋一带维持显著的异常反气旋水汽环流,有利于南海水汽向华南输送,使得广西上空整层水汽通量辐合增强,对流层低层绝对湿度增大,水汽逐渐饱和,近地面层结稳定度增强,为大雾形成提供有利条件,最终导致雾日增多。冬季热带中东太平洋海温偏冷时则形势大致相反,广西大雾少发。

“22·06”广西暖区极端致洪暴雨成因与预报偏差分析

利用常规气象观测、多普勒天气雷达探测、卫星遥感及再分析等多源气象资料,通过统计及天气学诊断方法,对2022年6月17—21日广西暖区极端致洪暴雨过程成因与预报偏差进行分析。结果表明:(1)此次过程在高空槽、低涡切变、低空西南急流的共同影响下造成,以暖区对流性强降水为主。(2)强降水回波具有明显的后向传播特点,强回波带附近有偏北风和偏南风的辐合线,有利于对流系统的维持与发展,形成“列车效应”,造成局地极端强降水,桂北地形对强降水有增辐作用。(3)多个物理量的异常度分布对应着极端降水区域,其中K指数和整层可降水量与极端降水区域有较好的对应关系。(4)模式预报500 hPa高空槽强度偏弱、850 hPa急流位置偏差造成强降水落区位置偏西偏北、强度偏弱。

广西主要城市空气质量的气象要素阈值及大气环流分析

基于2002—2013年广西南宁、桂林、北海3市二氧化硫(SO;)、二氧化氮(NO;)和可吸入颗粒物(PM;)等3种大气污染物的逐日监测值,计算3种大气污染物的空气污染指数,研究3个城市空气质量、首要污染物及其月际变化特征及其与气象要素的相关关系,并利用百分位法确定2、3级空气质量过程的阈值,分析南宁市6次长时间污染过程的大气环流特征。结果表明,3个城市中南宁市空气质量相对最差;3市首要污染物均以PM;为主,占66.37%~100%,污染主要发生在秋冬春季;影响各市空气质量的主要气象要素及其2、3级对应的气象要素阈值呈现差异性;南宁市出现污染天气的主要大气环流特征是850hPa广西受东北气流影响,水汽输送条件差,无降雨产生。

广西高温灾害致灾因子时空分布特征分析

利用1978—2020年广西91个国家气象观测站和有温度观测的1598个区域气象观测站资料,分析了高温日数、高温过程次数、极端最高气温、高温过程平均和最长持续时间、高温过程平均最高气温等高温致灾因子的时空分布特征。结果表明,广西全区年均高温日数19 d,高温过程次数为4次,平均持续时间为6 d,年高温日数、过程发生次数平均每10 a以2.6 d、0.8次的速率显著增多。极端最高气温较高值主要集中分布在桂西、桂北的平原地区,部分地区在40℃以上,中部、沿海地区及海拔较高的山区较低;年高温过程次数桂北和桂中山区、桂东南及沿海地区比其他地区少;高温过程平均最高气温桂西比桂东高,河谷地区比平原高,平原比沿海高。在全球气候变暖的背景下,广西高温灾害天气过程具有范围广、持续时间长、极端性强等特点,主要是由于副热带高压、热带气旋、西南热低压等天气系统影响造成的,大气环流异常则是造成高温极端性强的主要原因。

2022年广西极端“龙舟水”暴雨过程环境场特征分析

利用实况、ERA5再分析资料对2022年广西极端“龙舟水”最强暴雨过程降雨与洪峰及环境场进行分析。结果表明:(1)近30a广西大洪水年“龙舟水”最强暴雨过程大多持续5~6d,强降雨范围、中心位置及强度与洪峰相关,洪峰出现在过程结束当日或后一日。(2)2022年过程大尺度环流背景中高纬天气形势为两槽一脊型,东槽偏弱,冷空气势力偏北,中低层大气异常深厚急流及高能、高湿,对流抑制有效位能小及抬升凝结高度低,是典型暖区暴雨。近30a过程大尺度环流背景中高纬为两槽一脊型或纬向型两类,是锋面、暖区或混合型暴雨。(3)把握“龙舟水”最强暴雨过程环境场及降雨特征是大洪水预报的关键着眼点之一。相近环境场条件下,强降雨差异是预报难点,需进一步研究。

广西专业气象服务技术的发展现状与展望

专业气象服务是中国特色现代气象服务体系的重要组成部分。广西数十年来在专业气象技术研究及业务服务方面,尤其是在电力气象、交通气象、海洋气象服务等,取得了丰富的成果。文中从专业气象的观测与分析技术、专业气象预报预测方法、预警产品发布及服务等多个方面,综述了广西专业气象服务技术的发展现状,最后指出:未来需要重点加快专业气象服务的观测站网建设、研发基于影响的专业气象预报技术、建设智能化专业气象服务平台,不断提升广西专业气象监测精密、预报精准、服务精细化的能力。

广西决策气象服务系统研发设计

采用数据智能分析、文案筛选匹配等算法,设计和研发了广西决策气象服务系统,集成了决策气象服务专家知识库,实现数据分析展示、产品快捷制作、决策研判监控等三大功能,为广西决策气象服务提供支撑。