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期刊信息/Journal information
大气科学
中国科学院大气物理研究所
大气科学

中国科学院大气物理研究所

黄荣辉

双月刊

1006-9895

dqkx@mail.iap.ac.cn;dqkx@post.iap.ac.cn

010-82995051，82995052

100029

北京德胜门外祁家豁子（北京9804信箱）

大气科学/Journal Chinese Journal of Atmospheric SciencesCSCD北大核心CSTPCD
查看更多>>本刊创刊于1976年，科学出版社出版，主编为黄荣辉院士。《大气科学》报道大气科学研究领域的创新性研究成果，包括学术论文、研究简报、专题评述、会议报道、书刊评介等。具体报道范围涉及全球变化、气候变化模拟与预测、大气环流和大气动力学、中小尺度气象学、大气物理、大气遥感和人工影响天气、大气环境和大气化学以及高新技术在大气科学领域的应用等。
正式出版
收录年代

    我国西南秋季降水影响因子分析及季节预测

    张俊凯陶丽
    2264-2283页
    查看更多>>摘要：本文主要利用信息流特有的因果关系,筛选我国西南秋季降水EOF主导模态PC系数的预报因子,并通过留一法(leave-one-out)和多元线性逐步回归建立西南秋季降水预报模型,最后对模型的预报技巧进行了评估检验.由经验正交函数(EOF)得到的1979～2020年我国西南秋季降水前两个主导模态分别为全区一致型和马鞍型,分别与东部El Niño发展型、中部El Niño发展型联系密切.回报的PC1和PC2与实际PC序列在1980～2015年拟合期相关系数分别为0.89和0.83,同号率分别为90％和83％.在后报检验的2016～2020年5年中,预报的PC1和PC2均有4年与实际PC同位相,同号率为80％.1980～2015年预报重构场与观测降水距平场的空间相关系数(ACC)36年的平均值达到0.48,超过1/2的年份ACC大于0.5,区域平均时间相关系数(TCC)为0.48.本文还通过预报的PC1和PC2进行相似年预报,以弥补重构场降水量级较小的缺陷.

    主导模态信息流西南秋季降水预报模型

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    2021年华北秋汛云系和水汽输送特征

    曹治强毛冬艳王新
    2284-2299页
    查看更多>>摘要：针对2021年华北秋汛期间3次持续性强降雨过程,利用卫星资料从大尺度、天气尺度和中尺度3个方面分析了其云系结构特征,并结合水汽输送通量计算,分析了其水汽输送特征.结果表明大尺度云系表现为暖式切变形态,强降雨出现在云系的南部,天气尺度云系表现为多次波动东移的特征,个别天气尺度云系上有中尺度对流云,但维持时间较短,强度相对较弱.3次持续性强降雨过程的整层水汽输送方向呈西南—东北走向,分层水汽输送表明水汽输送主要来自偏东方向和西南方向.其中偏东方向的水汽输送路径高度约为1000～850 hPa,是秋汛期间低层重要的水汽输送路径.卫星可见光云图上的云街排列方向与1000～850 hPa的水汽输送一致,定性的反映了低层的水汽输送方向.西南方向的水汽输送路径高度约为850～700 hPa和700～500 hPa,是最主要的水汽输送路径.

    秋汛水汽输送强降雨华北

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    基于U-net神经网络的新疆10 m风速预报订正研究

    朱延和朱寿鹏夏平孔扬...
    2300-2315页
    查看更多>>摘要：本文以新疆地区1～7 d预报时效的10 m高度处风速为研究对象,基于2000～2019年NCEP全球集合预报系统(Global Ensemble Forecasting System,GEFS)新疆地区10 m风再预报资料,构建了基于U-net神经网络的深度学习预报订正模型,并以两种传统方法递减平均、分位数映射作为参考进行订正技巧对比分析.结果表明,原始GEFS风速预报误差呈不对称分布,表现出更多的正偏差特征,且在天山和昆仑山等海拔较高地区误差较大.与两种传统方法相比,U-net模型提高了整个新疆地区的风速预报技巧,有效改善了原始风速预报的正偏差情况,且对天山和昆仑山等原始预报误差较大区域改善效果尤为显著.此外,采用基于均方误差分解的误差分解方法来分析误差来源,结果表明,预报订正前后,序列误差项始终是主要误差来源,且随预报时效显著增长.三种订正方法对风速预报的偏差项、分布误差项和序列误差项都有不同程度的改进,其中U-net模型相较于两种参考预报的优势主要在于其对序列误差项的改进效果.经过U-net模型订正后序列误差项随预报时效增长缓慢,即使在7 d预报时效下,其序列误差项比原始预报减小60％.

    新疆10m风速预报订正U-net神经网络误差分解

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    基于生成对抗网络的强对流临近预报方法及其在中国东部地区的应用评估

    曾康闵锦忠庄潇然康志明...
    2316-2328页
    查看更多>>摘要：为了缓解深度学习雷达回波外推预报中普遍存在的模糊问题,发展了一种有机融合PhyDNet方法和频域匹配生成对抗网络的雷达回波外推预报方法(PhyDNetSGAN),能够预测江苏及其上游地区未来3 h的雷达组合反射率因子,通过对比PhyDNetSGAN、PhyDNet(未使用生成对抗网络)、PhyDNetGAN和Sprog(改进的光流法)验证了新方法在强对流天气临近预报中的适用性.结果表明:(1)与光流法Sprog相比,深度学习方法能更好地体现强回波的非线性发展演变过程.(2)增加生成对抗网络的PhyDNetGAN和PhyDNetSGAN较其他两组试验能够得到更精细且符合预报员主观认知的雷达回波外推结果,缓解模糊问题.(3)新提出的PhyDNetSGAN不仅能够改善预报精细度,还能更好地捕获强回波的形态、位置和中心强度,从而获得更优的预报技巧,延长有效预报时长.(4)新提出的综合TS评分、Bias评分和FID评分的综合评分指标较TS评分能够更好地反应与预报员主观体验相一致的临近预报检验效果.

    生成对抗网络雷达回波外推模糊问题综合评分指标

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    利用雷达数据开展对流降水临近预报的循环神经网络方法试验

    黄兴友张永轩李芳李峰...
    2329-2341页
    查看更多>>摘要：中尺度对流降水预报是天气预报的重点和难点之一,天气雷达探测的高时空分辨率降水数据是开展0～2 h临近预报的主要依据.由于传统雷达回波外推方法缺乏非线性映射能力和本地环境参量变化对系统的影响等局限性,所以本研究引入带记忆解耦功能的循环神经网络方法,采用ST-LSTM单元组成的PredRNN-v2深度学习技术,对局地性对流天气系统进行临近预报.利用2010～2014年的广州雷达体扫回波强度资料,构造模型训练数据集和测试数据集.选择Huber损失函数进行训练,不但收敛速度快、而且鲁棒性更强.一般认为,强回波对系统演变的影响更大.因此,本研究为强回波分配较大权重,增强其在拟合过程中的影响程度.对采用等权重损失函数的PredRNN-v2模型和采用不同权重Huber损失函数的PredRNN-v2模型进行测试集检验以及对流降水个例分析,结果表明,测试集中后者在较长的外推时效下,对强回波预测的临界成功指数、命中率更高,虚警率更低.两次个例分析表明,在较长的外推时效下,后者峰值信噪比PSNR和图像结构相似性SSIM更高;在2h内的任意外推时效下,强回波偏差评分始终更接近于1.因此,在长预报时效以及对强回波预测效果上,采用带权重的Huber损失函数的PredRNN-v2模型更优,可以更好地模拟对流回波演变的非线性过程,并产生更合理、更准确地降水位置预报.

    对流临近预报雷达反射率深度学习ST-LSTM单元Huber损失函数

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    台风彩虹快速增强期间辐射过程对动能和位能收支的影响

    张弛李小凡刘瑞
    2342-2352页
    查看更多>>摘要：本研究通过中尺度WRF模式对2015年台风彩虹进行一系列敏感性试验,分析了快速增强期间辐射对动能和位能收支的影响.研究发现,辐射对台风的对称旋转动能和对称位能都有明显影响,其中红外长波辐射主要增强了台风的对称旋转动能,太阳短波辐射则增强了对称位能.去除辐射的敏感性试验与仅考虑太阳短波辐射的敏感性试验表明红外长波辐射导致大气不稳定,使得对称位能向对称辐散动能的转化增强,并通过对称辐散动能向对称旋转动能的转换进一步增强了对称旋转动能.

    台风彩虹太阳辐射红外辐射动能收支位能收支

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    台风"美莎克"(2020)的变性过程中降水的微物理机制研究

    杜涵平凡谭桂容周冠博...
    2353-2373页
    查看更多>>摘要：本文采用数值模式WRF4.2对2020年09号变性台风"美莎克"进行了数值模拟,再现了"美莎克"北上过程中逐渐与高纬度冷槽结合变性并产生暴雨的过程.通过将台风划分为中心低压区及外围云区,并分别分析其热力学、动力学及云微物理特征,得到了冷槽对降水强度空间分布及时间变化特征的影响及机制.研究结果表明:(1)干冷空气由中层入侵台风中心低压区,使对流高度降低,其造成的上干下湿不稳定结构维持了中低层的对流强度.在外围云区,冷空气从低层入侵从而抬升暖空气以及垂直涡度输送作用使得高层的上升运动更强.系统逐渐演变为向前倾斜的对流结构.(2)本次降水的主要云微物理过程为:由水蒸气凝华的雪在下落过程中收集了云水,并融化为雨水,雨水又收集了大量云水导致增长.还有部分雨水源自霰粒子融化和雨水收集霰粒子,霰粒子主要来自雪收集云水的过程.(3)雪融化以及雨水收集云水是雨水的两个最大来源,冷槽通过影响台风的热动力结构,影响到了云水和雪的空间分布,最终影响到降水的空间分布:在中心低压区云水更聚集于台风中心,在外围云区沿出流的方向上雪更超前于云水.而雨水主要分布在雪和云水大值相重合的区域.在量值特征方面,低层干冷空气入侵使得外围云区雪凝华和雨水蒸发效率更高,云水凝结效率低,导致了外围云区水凝物中的雪的占比更大,云水及雨水的占比更少.(4)冷槽主要是通过影响到台风的垂直速度变化,直接影响到雪的凝华和云水凝结效率,继而影响到雪收集云水、雪收集云水增加至霰、雪融化为雨水、雨水收集云水、霰融化为雨水等过程的效率,最终导致了降水量的变化.

    台风变性冷槽暴雨云微物理过程

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    基于四种资料的超强台风利奇马(1909)期间海面风变化特征对比分析

    夏天竹李肖霞于润玲张雨潇...
    2374-2388页
    查看更多>>摘要：本文对海洋气象漂流观测仪实测、CMA最佳路径数据集、第5代全球气象再分析产品(ERA5)、交叉检验多平台融合矢量风场(CCMP)四种资料的海面风在超强台风"利奇马"期间的变化特征进行分析.ERA5、CCMP两种分析/再分析风资料与实测风的对比分析表明:(1)风速:当风力＜10级时,漂流观测仪轨迹上的ERA5、CCMP风速较漂流观测仪实测风速偏小;将漂流观测仪实测风速订正到10 m高度,风力≤5级时偏差(Bias)绝对值最小,ERA5(CCMP)为4.3ms-1(4.6ms-1),风力为7～9级时Bias绝对值最大,约9.2～10.2ms-1;"利奇马"近中心海域ERA5、CCMP最大风速较CMA最佳路径数据集偏小,ERA5(CCMP)偏小约10.7 ms-1(4.6 m s-1);ERA5(CCMP)最大风速极值较CMA最佳路径数据集偏低54.5％(12.7％).(2)风向:ERA5、CCMP与漂流观测仪实测风向相关系数接近于0;风力≤5级时风向较实测偏右,风力＞5级时偏左.(3)ERA5、CCMP风向、风速在"利奇马"近中心海域偏差明显,远离中心海域二者吻合度较高.通过对ERA5、CCMP资料进一步分析发现:CCMP能清楚描述热带气旋风场结构及演变过程,"利奇马"为超强台风时结构参数η=Vr/Vmax分布上有闭合环状结构,表明该区域有环状大风速带;"利奇马"强迫时间Tf分布于移动路径两侧,ERA5(CCMP)最大强迫时间为45 h(54h).

    海面风"利奇马"漂流观测仪CMA最佳路径数据集ERA5资料CCMP资料

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    2021年"7·20"郑州暴雨极端雨强对流尺度集合预报试验

    吴卓亨陈静张涵斌江源...
    2389-2404页
    查看更多>>摘要：2021年7月20日郑州市特大暴雨过程给人民的生命财产造成了巨大损失.然而,此次暴雨降水量极端性强,数值预报不确定性极大.为提高中国气象局(CMA)数值模式对此类暴雨极端雨强预报不确定性的描述能力,利用CMA自主研发的3 km水平分辨率的对流尺度数值预报系统(China Meteorological Administration Mesoscale model,简称CMA-Meso),通过设计集合同化观测扰动方案与云分析雷达反射率滤波阈值调整方案,实现对常规观测资料和雷达反射率的微小扰动,构建对流尺度集合预报初始扰动场,开展集合预报试验,评估对流尺度集合预报的极端雨强预报不确定性特征,并与CMA全球集合预报和区域集合预报进行对比分析.结果表明:(1)基于3 km水平分辨率的对流尺度集合预报对此次极端降水的预报仍存在一定的落区偏差,但不同集合预报成员的极端雨强值具有较好的发散度,且个别成员预报的极端雨强值接近实况的624.1 mm,较好地代表了极端降水的预报不确定性.(2)通过对比CMA不同分辨率集合预报的极端雨强值、离散度及累积降水邻域分数技巧评分,发现极端雨强值及离散度与模式水平分辨率密切相关,分辨率越高,极端雨强概率预报技巧越高,表明对流尺度集合预报能够更好描述极端雨强预报的不确定性及其极端性.(3)同时扰动常规观测资料及雷达资料的对流尺度集合预报,能够在较短的预报时效内对模式水汽场及环流形势产生影响,促使降水集合预报离散度在较短的预报时效内增长起来,有效提升了极端雨强概率预报能力.总体而言,通过扰动常规观测资料和雷达资料的对流尺度集合预报有助于提高模式对极端雨强概率预报技巧.

    郑州极端暴雨极端雨强对流尺度集合预报集合资料同化

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    河南2021年"21.7"暴雨极端性特征及其与1975年"75.8"暴雨的对比

    张芳华孔期袁溢冉令坤...
    2405-2423页
    查看更多>>摘要：利用国家站降水资料分析了 2021年7月19～21日河南特大暴雨(简称"21.7"暴雨)在强降水影响范围、持续时间、降雨强度和累计降水量等方面的极端性;基于ERA5再分析数据和广义Omega方程,研究此次过程中影响垂直运动的关键物理因子,并讨论与"75.8"暴雨(1975年8月河南特大暴雨)的差异.结果表明,"21.7"暴雨中河南省约10％测站累计降水量超过500mm,20日全省平均降水量92.8 mm,居1961年以来历史首位;20日16:00～17:00(北京时)郑州的小时降水量(201.9mm)打破中国大陆小时降水极值."21.7"与"75.8"暴雨均伴有台风环流输送水汽,"21.7"暴雨水汽主要来自台风"烟花"和副高之间东南急流的水汽输送,并且水汽辐合层深厚,而"75.8"暴雨存在印度洋西南气流和西太平洋东南气流两支水汽通道.这两次暴雨中广义Omega方程的总Q矢量散度异常值区与强垂直运动区都有一定的对应关系,"21.7"暴雨的垂直上升运动、总Q矢量散度的强度略弱于"75.8"暴雨,前者的垂直运动主要由低层动力强迫和热力强迫共同造成,在低层触发和加强垂直运动,而后者的垂直运动主要由中低层的热力强迫和低层动力强迫引起,在中层加强垂直运动.垂直运动空间层次分布的差异可能是导致郑州地区更易于出现低质心、高效率的短时强降水的原因之一.

    "21.7"暴雨"75.8"暴雨水汽输送垂直运动Q矢量散度

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