1998年夏季青藏高原上东移MCS环境场特征的聚类分析

在对夏季青藏高原上中尺度对流系统(MCS)进行自动追踪的基础上,利用环境物理量场数值格点预报资料(HLAFS),运用空间聚类中的CLARANS法对东移出高原的MCS环境场进行了挖掘和分析,获得了在青藏高原地区大气低层MCS热力场(温度场、湿度场和水汽通量散度场)和动力场(涡度场、散度场和垂直速度场)的空间分布特征,从而揭示了有利于MCS形成、发展和东移出高原的动力和热力学条件。MCS环境场中的散度场、垂直速度场以及水汽通量散度场空间分布特征的变化是MCS发展、演变的重要影响因素,这为夏季青藏高原上MCS发生、发展的动力及热力学机制的研究,以及高原上MCS移动路径的预测提供了一种全新而有效的方法。     

冷涡背景下MCS的统计分析

文章首先给出冷涡的定义,根据冷涡的定义识别出冷涡,2005—2011年4—9月7年共识别出60个冷涡,主要形成在蒙古和我国的东北地区。然后根据中尺度对流系统(MCS)的标准按尺度大小将MCS分类为α中尺度对流系统（MαCS）和β中尺度对流系统（MβCS）,又按MCS的形状将MαCS分类为中尺度对流复合体（MCC）和持续拉长状对流系统（PECS）,MβCS分类为β中尺度对流复合体（MβCC）和β中尺度持续拉长状对流系统（MβECS）。利用FY 2C(2005—2009年)和FY 2E（2010—2011年）的TBB资料对60个冷涡背景下的MCS进行识别并对其时空分布特征及其与冷涡的关系进行统计分析。结果表明：(1) 60个冷涡过程识别出61个MCS,MCS通常产生在我国东北和华北,MCC和PECS生成较分散;MβCC主要集中在华北和东北地区;MβECS主要集中在东北地区。(2) 6月生成的MCS最多,有16个,9月最少。MCS大多形成于当地的下午和晚上,此时对流发展旺盛,有利于中尺度对流系统的产生,到了夜间MCS发展成熟,至凌晨—日出时分消散。(3) 冷涡背景下的MCS的移动路径多数是从西向东偏北的,其生成后主要向东移动,这和我国中纬度西风带天气系统的移动路径基本一致,但由于受冷涡等天气系统的影响,会出现不同的移动方向。位于冷涡东侧且距离冷涡中心距离较近的MCS有向东偏北方向移动的趋势;位于冷涡南侧且距离中心较远的MCS有向东偏南方向移动的趋势。(4) 冷涡背景下的MCS主要产生在冷涡的发展阶段,成熟和消散阶段相对较少。(5) 冷涡背景下的MCS主要形成在冷涡的东南部,西南部也有一小部分。(6) MβCS系统发展较MαCS系统快,持续的时间也较MαCS短。     

基于雷达组合反射率拼图和深度学习的中尺度对流系统识别、追踪与分类方法

中尺度对流系统（Mesoscale Convective System,MCS）是很多对流性天气的主要致灾体,可导致严重的气象和水文灾害,如雷暴大风、冰雹、龙卷风和山洪。对MCS进行准确的识别和追踪,并根据追踪轨迹及获得的MCS特征实现MCS的分类,对灾害天气的分析和预报有重要意义。基于京津冀地区2010—2019年的雷达组合反射率拼图资料,分别使用支持向量机（SVM）、随机森林（RF）、极度梯度提升决策树（XGBoost）和深度神经网络（DNN）4种机器学习方法,研发了京津冀地区MCS的自动识别算法。使用时、空重叠追踪法对识别的MCS进行追踪匹配,得到包含强度、时间和空间信息的MCS追踪数据资料。在区分线状对流系统和非线状对流系统的基础上,进一步从经典的尾随层云（Trailing Stratiform,TS）、前导层云（Leading Stratiform,LS）和平行层云（Parallel Stratiform,PS）三类准线性MCS的概念模型和结构特征出发,根据追踪轨迹计算MCS的运动方向和MCS近似长轴两侧层状云和强对流云的面积占比,建立准线性MCS的分类算法。MCS的识别属于二分分类问题,以命中率（POD）、虚警率（FAR）、临界成功指数（CSI）和准确率（ACC）为评价指标,综合对比各项指标发现DNN模型较SVM、RF和XGBoost模型对MCS的识别效果更好。使用时、空重叠追踪法对DNN模型识别的MCS进行追踪,结合对两个追踪实例的分析,发现本研究所用的算法取得了很好的追踪结果,也进一步说明了深度学习方法识别MCS的准确性和优势。根据追踪轨迹计算某时刻MCS的运动方向,结合识别的层状云和强对流云的分布位置,准确实现了TS、LS和PS型准线性MCS的分类,为准线性MCS的生命史预测及其致灾天气特别是短时强降水的强度、位置和持续时间的客观预报提供了一种技术思路。      

2013—2017年夏季东北冷涡下东北地区MCS的统计特征

利用2013—2017年6—8月FY-2E和FY-2G地球静止卫星相当黑体温度（Black Body Temperature,TBB）资料、NCEP/NCAR再分析资料,对我国夏季东北冷涡下东北地区MCS的分布和活动特征进行了统计分析,结果表明：（1） MCS的活动具有明显的月际变化和日变化特征,6月对流活动最活跃。MCS的主要移向是东、东北和东南,平均移动距离3.99个经纬距。（2） MCS成熟时刻的面积、偏心率和生命史均小于江淮地区以及中国中东部,云顶高度低于江淮地区,整个生命史表现出发展快消亡慢的特征,与江淮地区相反。（3）基于MCS的定义得到的Z标准,对2016—2017年的MCS作了统计分析并与J标准统计得到的MCS进行对比,得出,两种定义下的MCS环境场特征基本一致,主要表现为MCS多生成于500 hPa槽前和槽后,对流层高层MCS位于双急流之间靠近北支急流的辐散区,南侧急流高度在200 hPa,北侧的急流高度在250 hPa。低层,位于低空急流左侧,低涡南侧、东南侧,有较强的水汽和动量输送。槽前生成的MCS南侧中层存在垂直反环流向MCS输送干暖空气与位涡,槽后生成的MCS两侧均有大值位涡向其输送,同时北侧冷干空气的输送使锋区及上升运动加强,更有利于MCS的形成。（4）两种标准下的MCS造成的降水明显不同,在统计强降水方面Z标准要优于J标准。由于Z标准空间与时间尺度较小,统计得到的MCS较多;但同时会遗漏部分相对弱的MCS。     

2007年夏季两次强雷电过程的气象卫星资料分析

利用FY2一C、FY2一D高时空分辨率可见光云图和FY2一C云顶亮温资料,选取了2007年6月24—25日和7月10一11日2次强雷电过程,对雷电时空分布与强雷暴云团（MCS）演变特征的相关性进行了分析。结果表明：（1）对于不同MCS来说,落雷次数和落雷密度都与MCS的强度密切相关,即MCS强度越大,对流越强,落雷次数越多,落雷密度越大。（2）落雷集中的时段主要都出现在MCS成熟之前、水平尺度为中口尺度的时段内。（3）对于同一MCS来说,在MCS成熟之前,当前以及未来1h的落雷密集区都不是位于当前大范围较低亮温区所覆盖的区域,而是位于MCS移动方向前方和最低云顶亮温中心前方TBB梯度最大的区域内,未来1h的落雷密集区比当前的落雷密集区偏东30—50km。在MCS成熟之后,落雷密集区位于MCS主体外新生的尺度小、生命史短的雷暴云团附近TBB的密集区内。     

2016年夏末南疆地区中尺度对流系统(MCS)活动特征

2016年夏末南疆地区短时强降水天气频发,中尺度对流系统活动频繁。利用强降水频发时段2016年8月8日至9月16日逐时FY-2G红外亮温（TBB）资料对南疆地区中尺度对流系统（MCS）进行分析,共获得92个生命史≥3小时的中-β尺度对流系统（MβCS）,包括β中尺度对流复合体（MβCCS）和β中尺度持续拉长状对流系统（MβECS）。根据南疆地区的极端干旱气候背景,本文中-β尺度对流系统的尺度判定标准为云顶亮温（TBB）≤-32℃的连续冷云区直径≥20 km。对MCS的分布和活动特征进行了分析,结果表明：圆状MCS和带状MCS发生的频次相当。天山南坡和昆仑山北坡是MCS活跃区,MCS移动方向主要以偏东或东北方向为主,南疆地区活动最频繁的MCS生命史为3～4个小时。南疆地区MCS具有明显不同的日变化特征,午后和傍晚是MCS最活跃的时段。与MβCCS相比,MβECS具有更明显的夜发性特征。昆仑山北坡MCS的最活跃时段早于天山南坡MCS,而天山南坡MCS夜间和凌晨形成的特征更为显著。生命史为3～5小时的短生命史MCS主要在午后和傍晚形成发展,并在形成后2小时达到成熟,生命史超过6小时的长生命史MCS多发于午后和凌晨,并且其发展阶段更长。本文给出了1个引发短时强降水的MβCCS和1个MβECS的云团演变特征。     

凝结加热和地表通量对华南中尺度对流系统(MCS)发生发展的影响

通过有无凝结加热和地表通量影响的数值模拟对比研究，分析了非绝热过程对一次华南暴雨MCS发生发展过程的影响。结果表明：（1）凝结加热对MCS的降水影响很大，在MCS发展的各个时期，如不考虑凝结加热，MCS的降水强度很快减弱，无法继续发展。（2）凝结加热在MCS涡旋的形成期最为重要，在涡旋形成之后，影响相对减弱。（3）凝结加热通过对MCS发展过程的影响从而也影响了MCS环境场中尺度低空急流、高层辐散等中尺度结构特征的形成。（4）地表感热、潜热通量等边界层非绝热过程对MCS的形成也有重要影响；在暴雨MCS发生前期，地表非绝热过程造成气压下降，导致华南南部来自海洋的偏南风加大，辐合加强，从而使低层的湿度增大，气层变得更加不稳定，有利于对流的启动。     

梅雨锋上短时强降水系统的发展模态

利用2010、2011年5～7月我国东部地区梅雨锋盛行期的58次强降水个例,对产生短时强降水的中尺度对流系统回波演变模态及其系统特征进行了统计分析。本文中短时强降水特指小时降水超过30 mm。结果表明,与梅雨锋相伴的短时强降水系统回波演变模态主要为纬向型、经向型、转向型和合并型四类。纬向型、经向型和70%的转向型发展模态中中尺度对流系统（MCS）呈线状,合并型则主要为卵状。纬向型、转向型和合并型MCS以后向传播为主,但它们的生命史、移速和产生强降水持续时间有很大差别:纬向型生命史最长,强降水持续时间比转向型短;三类发展模态中转向型移速最快,生命史较纬向型短,但强降水持续时间最长;合并型移动最慢,生命史最短,强降水持续时间也最短。经向型MCS前向传播为主,移动最快,系统持续史短,约为纬向型的一半,30 mm h-1、50 mm h-1以上强降水持续时间约为转向型的1/3和1/5。纬向型MCS可向东或向南移动,经向型MCS通常向东或向西运动,合并型MCS可往任意方向移动,并且只有该发展模态中MCS会向北运动。虽然转向型MCS带来的短时强降水（尤其50 mm h-1以上）持续时间最长,经向型和合并型MCS产生短时强降水持续时间短,但四类发展模态中MCS的回波强度和回波高度的统计特征无明显区别。推测强降水持续时间可能与MCS的传播关系更加密切:经向型和合并型MCS前向传播占很大比重,生命史和产生的强降水更短;转向型和纬向型MCS的后向传播比重大,尤其转向型中不存在前向传播,对应短时强降水持续时间最长。     

淮北地区一次弱天气尺度强迫背景下MCS过程分析与模拟

利用多源观测资料和WRF中尺度数值模式对2016年8月7日淮北地区一次中尺度对流系统（Mesoscale Convective Systerm，MCS）过程进行诊断分析和模拟。结果表明，本次MCS过程发生在弱天气尺度强迫背景场下，系统性上升运动较弱，对流层低层存在较弱的源自西北太平洋的偏东风转东南风的水汽输送作用；MCS移动和形态变化与地面辐合线演变特征较为一致，地面流场的演变与降水强度之间有着密切的联系；WRF模式较好地模拟出本次降水的分布特征以及MCS演变过程中对流活动和地面辐合线相互作用的特征。模拟结果表明，本次过程中MCS在逐渐南移过程中完成了对流单体的更替，地面辐合线在此过程中发挥重要作用，并且处于不同发展阶段的对流单体环境场的对流不稳定度的垂直分布存在明显差异。     

陕西渭北带状中尺度对流雷达回波统计特征

根据雷达回波的形态,把陕西渭北2000—2006年71次带状MCS个例分为拖曳层状、先导层状、平行层状和断裂带状MCS等4种类型,并分析了4类带状MCS的雷达回波统计特征。结果显示:各类带状MCS发生频次的年际变化较大,断裂带状MCS发生的次数最多;拖曳层状MCS的平均最大带长最长,平行层状MCS的平均最大带长最小;带状MCS的移动方向主要为东南;带状MCS在不同朝向上的移动速度差异较大,朝向东南移动的拖曳层状MCS的平均速度最大;拖曳层状MCS降雹概率62%,位居各类MCS之首,造成的灾害最为严重。     

平流层臭氧变化对大气加热率及到达地面紫外辐射的影响

平流层臭氧的变化对平流层的温度结构，整个大气环流以及到达地面的紫外辐射均有影响。本文采用一个计算臭氧吸收太阳辐射的参数化方法和有关资料，研究了臭氧变化对大气最大加热率和到达地面的紫外辐射通量密度的影响情况。文中给出的参数化方法可直接应用于大气环流模式计算臭氧吸收太阳辐射的加热率。     

组合法确定近地面层湍流通量和通用函数

本文发展了确定近地面层湍流通量的组合法,得到了它们的一般表达式。并用这种方法确定近地面层MO相似性函数。利用ITCE的观测资料作为实例计算,结果表明这种方法是可行的。     

大气运动的动能在湍流边界层中的耗散

在大气能量学中,大气平均运动的动能通过湍流摩擦力转化为脉动运动的能量并最终转化为内能的“变性能量”是大气动能的“汇”,正确估计其大小对研究动能的收支,以至天气系统的生衰,发展均有一定意义。此项由于与湍流通量有关,因而难于从大尺度气象参数计算。以往的研究中,或是将动能平衡方程中其余各项算出,而将此项作为余项估计出,或用地转风由粗浅的边界层模式算出。     

指数平滑法在趋势产量预测上的应用及广东省早稻产量预报模式

本文介绍的产量预报方法是由趋势产量预报和气象产量预报两部份合成。其中趋势产量的分解及预测量采用系统预测方法中的三次指数平滑法进行,气象产量模式则是由一组时效不同、逐步迫近的非线性回归方程组构成。经试用效果甚佳。      

飞机播撒催化剂扩散问题的数值解法

本文利用有限差分法对飞机播撒催化剂的扩散问题进行了求解。在题解中考虑了催化剂质点的下落速度随高度的变化,并将该法与解析解法计算的结果进行了对比分析,找出了它们之间的异同。     

论最优预报因子与最优预报方程

本文根据预报量与预报因子关系的实际情况,提出了预报因子的四种类型,并且利用最优化方法原理选取最优的预报因子,同时还利用强迫引进重要因子的办法选取最优预报方程。从实例计算证明,最优预报因子基本上是非线性的,所以用逐步回归或逐步判别方法建立的预报方程也是非线性的,并且还证明,非线性预报方程比线性预报方程效果有明显的提高。本文最后还指出,此种非线性预报方法可推广到各个领域有关多元分析的定量和定性预报工作中去。     

离散型应变量的回归诊断和离散回归法

本文从大量天气预报实例的普查结果,归纳了离散型应变量的回归残差分布模式。回归诊断表明模式的单向性是由一些高杠杆点引起。对这些高杠杆点的进一步分析可以看到,它们的残差存在着统计预报意义上的不合理性,不合理性又造成回归系数LS估计的误差。针对这些问题,本文提出了离散回归法。     

降水粒子的最大直径对速度三阶中心矩法的影响

本文大用多普勒雷达垂直探测的速度估测大气垂直速度的方法－速度三阶中心短法（简称M3法）的基础上，利用雨滴谱资料，分析了降水粒子的最大直径Dmax对M3法的影响，并从实际工作出发，用反射率因子和多普勒谱宽拟合了Dmax和雨强（I),提高了大气垂直速度的估计精度。     

THE COMBINATORY METHOD FOR DETERMINATION OF THE TURBULENT FLUXES AND UNIVERSAL FUNCTIONS IN THE SURFACE LAYER

A combinatory method of determining the turbulent fluxes in the surface layer has been developed and their generalrepresentations have been thus obtained.The universal functions of the (M-O) similarity in the surface layer can be de-termined by the method.The results calculated by using the ITCE's data indicate that the method is feasible.