GRAPES-SDM沙尘模式预报与卫星遥感监测结果对比

GRAPES-SDM沙尘模式和卫星遥感监测是目前沙尘暴监测预报业务中重要的工具.本文使用天气学检验方法,对中国气象局兰州干旱气象研究所目前使用的GRAPES-SDM沙尘模式2012年春季沙尘天气预报情况以及FY-2D卫星遥感产品沙尘指数IDDI的监测效果进行检验评估.结果表明:沙尘模式在西北沙尘暴预报业务中具有很好的预报参考价值,卫星遥感沙尘指数也具有较好的监测效果,但两者均存在一定的问题.沙尘模式对大范围沙尘暴过程有较好的预报能力,但对沙尘强度预报偏强;卫星遥感沙尘指数虽然不能定性地表示沙尘强度,但是在一定程度上能够反映沙尘强度的变化,不过反映沙尘强度的数值及其分布区间还有待于进一步完善.卫星遥感在南疆盆地常会将大片深厚的沙尘气溶胶区域误判为云区,造成对沙尘天气特别是沙尘暴天气未能识别的现象,另外IDDI指数不能用于夜间沙尘监测.     

沙尘浓度资料与AMSU辐射率资料同化在GRAPES_SDM沙尘暴模式中的应用

利用GRAPES_SDM沙尘暴模式及GRAPES_3DVAR系统,设计了4种试验,分别为没有同化的CTRL控制试验、仅同化探空资料的noPM试验、同时同化探空和PM10的PM试验和同时同化探空和AMSU辐射率资料的NOAA试验,对2011年4月28日-30日发生在中国北方地区的一次大范围沙尘暴过程进行了分析和对比模拟试验。结果发现：仅同化探空资料时,模式能够反映出沙尘天气系统的发展演变情况,但沙尘天气分布范围和强度的模拟效果没有明显改进;初始场中考虑了PM10沙尘浓度的分布后在很大程度上能够改善GRAPES_SDM沙尘暴模式对沙尘分布范围和强度的模拟效果;同化AMSU辐射率资料后,模式对500 hPa环流形势和200 hPa高空急流均有较好的模拟效果,从而模式对沙尘分布范围的模拟能力也有较好的改善,但对沙尘天气强度的模拟略有增强。这不仅说明PM10和ASMU辐射率资料的使用对于提高沙尘暴过程模拟效果是可行的、必要的,而且也为这两种资料用于沙尘暴预报奠定了一定基础。     

内蒙古沙尘天气少发季节沙尘天气预报技术分析

本文对2010年11月沙尘天气少发季节出现在内蒙古自治区西部地区但漏报的一次沙尘天气过程进行了详细的分析,从实际预报的角度出发,利用实际预报工作中可以用到的高空、地面、数值预报产品等相关资料,从产生沙尘天气的有利条件、大尺度环流形势演变及可能造成的其他灾害性天气、沙尘气候概率等角度较全面剖析了此次沙尘天气过程的漏报。分析得出:(1)沙尘天气不是单一出现的,都会伴随大风天气,但沙尘和大风的落区不尽相同,往往先出现大风再有沙尘天气出现,强沙尘暴区都伴有大风天气;(2)沙尘天气出现前会出现明显升温,无有效降水,沙尘过后有时伴有寒潮、雨雪天气;(3)大气的强斜压不稳定是产生沙尘大风的主要因素;(4)锋前上升运动较强,可达对流层中上层（400 hPa以上）;(5)沙尘出现时段整层对应正涡度区;(6)在沙尘暴过程中,午后产生深厚混合层的区域容易产生高空动量下传并形成地面大风。通过对漏报原因的分析提醒广大预报员在今后的预报工作中要增强多种灾害天气同时出现的预报敏感性,一定要在关注重点灾害的同时,避免对沙尘天气少发期沙尘天气漏报的现象。     

连续强沙尘天气的发展和时空演变机制的数值模拟

2002年4月6-8日由蒙古气旋和地面冷锋引发了一次连续沙尘暴天气,特别是内蒙古中东部、华北和东北大部分地区沙尘持续影响时间较长,强度大。利用与非静力平衡中尺度气象模式完全耦合的区域沙尘数值模式,模拟研究这次强沙尘天气过程中沙尘浓度的空间分布结构和时间演变趋势。模拟结果与地面天气观测、定点沙尘颗粒物浓度观测资料进行对比和检验。结果表明:沙尘数值模式较逼真地刻画出这次连续强沙尘天气的形成、发展、移动、减弱的全过程;客观地揭示了强沙尘天气过程的垂直分布结构和沙尘浓度的时空演变机制;模拟的强沙尘以及输送至下游的浮尘天气范围、强度和出现时间与实况基本一致,特别是对我国华北和东北沙尘的模拟相当成功。高时空分辨率的数值模式对研究沙尘的发生、发展机制和预报预警有重要意义。     

西北春季区域性沙尘天气MOS预报方法探讨

使用T106数值预报产品建立了西北地区春季短期沙尘天气预报方程，提出对小概率事件的MOS预报方法的改良办法，结果表明，通过天气分型及天气事件等级划分的方法可以修正沙尘天气的概率分布，使得用MOS方法制作的沙尘天气的预报结果能够达到较好的效果。     

陕西一次强沙尘暴过程诊断与分析

2006年陕西共发生沙尘天气13次,其中4月11日的沙尘天气最为严重,危害最大,这也是陕西近10 a来最为严重的一次沙尘暴天气过程。这次沙尘天气带来一系列的天气演变过程,它持续时间虽然只有8~9 h,但覆盖面积大,影响范围广,全省70%~80%左右的区域都受到了影响。运用FY-2卫星红外云图及MICAPS2.0模式中的数值预报进行分析,发现红外云图呈现出异常状态,高低空形势配合较好,气压梯度、温度梯度密集,狂风突起等状况,试图揭示与解读沙尘天气在发生过程中某些气象因子的特征及其对沙尘天气的影响机理,为今后预报沙尘暴强度和发生区域提供一定的理论依据。     

概率回归方法在宁夏分级沙尘天气预报中的应用检验

利用2010-2013年的2~5月T639模式产品和同时段宁夏25站沙尘实况资料,应用概率回归方法建立了宁夏春季2~5月沙尘和强沙尘两个等级的72 h沙尘概率预报方程,并使用B评分、B_s评分、B_(ias)及T_S评分方法对2014年2~5月预报结果进行了检验。检验结果表明:Bs都为正值,该方法对宁夏春季分级沙尘有预报能力;气候概率越大,预报方程选取的预报因子代表性和物理意义越明确,预报效果也越好;沙尘过程范围越大、强度越强,过程预报效果越明显;且随着预报时效临近,模式调整,预报能力也显著提高;但由于宁夏沙尘正样本数相对较少,尤其是强沙尘气候概率小,因此导致漏报率较高,概率预报偏差率呈现出一致的偏少倾向。     

2011年春季中国北方沙尘天气过程及其成因

2011年春季,中国共出现了7次沙尘天气过程,其中沙尘暴4次,强沙尘暴2次,沙尘天气频次总体偏少、强沙尘暴偏多,影响范围较广。通过对2010/2011年冬季及2011年春季天气气候特征的分析表明:①2010/2011年冬季,冷空气偏强,气温偏低,有利于土壤冻结,同时新疆大部、内蒙古西部及东北部分地区降水偏少,使得前期地面植被状况偏差,进入2011年春季,中国北方大部地区降水仍偏少,地面植被状况虽未得到改善,但气温仍偏低,土壤解冻较晚,而2011年春季冷空气较常年偏弱,使得2011年沙尘暴发生时间较常年偏晚,且沙尘天气过程偏少;②中国北方沙尘天气常发区域土壤湿度较常年偏高,土壤状况良好,土质不够疏松,是2011年春季沙尘天气偏少的一个重要因素;③2011年春季蒙古国及内蒙古大部地区纬向风为偏西风的负距平区,不利于起沙及沙尘粒子向东输送。     

GRAPES_SDM沙尘模式在新疆的客观检验

使用天气学检验方法,对新疆2008-2013年春季沙尘天气GRAPES_SDM沙尘模式预报情况进行检验评估,通过TS、预报效率等检验统计量分析了在新疆的预报效果,通过平均误差、均方根误差、误差标准差等格点误差和站点误差量的分析,分析了主要预报要素的客观检验结果,指出近地面气温和风速的误差为初始条件的不确定以及观测和预报分辨率尺度不一致造成的随机性误差。在此基础上给出了新疆南疆盆地和新疆东部地区数值预报业务的误差特征,并根据检验结果定性地分析了模式预报系统性和非系统性误差的可能来源。     

高空急流对一次强沙尘暴过程沙尘传输的影响

使用GRAPES_SDM沙尘暴数值模式,对2011年4月28-30日中国北方强沙尘暴天气进行分析,讨论高空急流在此次过程中对沙尘传输的影响,得出以下结论:（1）GRAPES_SDM沙尘暴模式较好地模拟了此次沙尘暴过程的范围和强沙尘暴中心,整体模拟效果较好;（2）沙尘天气发生时间及移动路径与200 hPa高空急流的加强、移动发展有很好的对应关系;（3）高空强纬向风速的加强能够促使中低层形成垂直环流圈,其下沉支流使高空动量有效下传到近地面,进而在地面形成大风及扬沙和沙尘暴天气,强沙尘暴中心位于此垂直环流圈的下沉支;（4）等熵位涡与高空急流及地面沙尘浓度分布演变有很好的对应关系,等熵位涡位于高空急流北侧,地面沙尘浓度中心位于高空急流出口区、等熵位涡中心西南侧、等值线密集带;高层高值位涡区向下延伸的路径与高空急流北侧纬向风速等值线密集带有非常好的对应关系。本文还通过对高空急流轴线动力、热力结构垂直剖面的分析,探讨了高空急流对大范围沙尘天气影响的可能机制。     

新疆春季沙尘天气与前期月环流特征量的关系

用新疆春季(3～5月)的沙尘日数和北半球500hPa月环流特征量等资料,使应用相关和逐步回归分析方法,研究了新疆春季沙尘天气与前一年的月环流特征量的关系,相关分析和统计结果表明：(1)新疆春季的沙尘天气不仅与同在中纬度地区的西风带上的经向环流、东亚槽等有关,还更多地与中低纬地区的副热带高压以及高纬地区的极涡等系统的月环流特征量有关。(2)新疆春季沙尘天气与前一年夏、秋季的大气环流之间存在明显的隔季相关现象。(3)利用前一年月环流特征量建立了新疆春季沙尘天气日数之间的9个回归模型,9个分析模型都通过了0．001信度检验。其中,南疆的3个模型沙尘暴、扬沙、浮尘和全疆的扬沙、浮尘模型试报效果最好。     

中国北部一次沙尘过程中沙尘气溶胶的时空分布及输送特性

利用CALIPSO(Cloud-Aerosol Lidar Infrared Pathfinder Satellite Observations)卫星观测资料,结合气溶胶模式模拟,分析了2011年4月28—30日发生的强度较大的一次沙尘远距离输送过程中气溶胶的时空分布特征及输送特性。结果表明,此次沙尘过程有两个源区,分别为中国南疆盆地和蒙古国中南部,并在沙尘输送过程中交汇于内蒙古西南部和甘肃地区;源区一（南疆盆地）沙尘主要分布高度在1 km以下,退偏振比平均在0.35左右,色比值平均在0.6左右,且沙尘在输送过程中被抬升到自由对流层,并先后影响内蒙古西南部、甘肃、宁夏等地区,输送到内蒙古、甘肃地区时沙尘主要分布在2.5～3 km高度,退偏振比主要分布在0.3～0.5,色比值主要分布在0.5～0.9。源区二（蒙古国中南部）沙尘先后影响内蒙古中西部地区、甘肃、山西北部、内蒙古中东部地区、河北北部、北京天津和东北地区西部部分地区,沙尘输送到中国内蒙古东部、北京、河北等地区时主要分布在1～4 km高度,退偏振比值主要集中在0.3～0.5,色比值主要在0.7～1.2。     

一次沙尘暴过程TSP质量浓度的连续观测和分析

采用大流量大气采集器对2001年4月6~7日特强沙尘暴期间内蒙古阿拉善左旗、包头、呼和浩特、四子王旗、集宁、化德、二连浩特、苏尼特右旗等地大气中TSP浓度进行了连续观测并结合天气资料进行了分析。结果表明,此次沙尘暴过程中,TSP浓度的绝对值大,变化幅度也大,最小值为1.896 mg·m-3,最大值为52.153 mg·m-3,平均值为13.399 mg·m-3。各地TSP浓度变化的时序反映了沙尘暴的影响范围和移动状况的变化,TSP浓度绝对值的变化反映了沙尘暴强度的变化,从开始的较小值逐渐增至最大值,最后再回落到较低水平。内蒙古西部沙尘暴主要源于蒙古国的远距离输送,局地起沙对中部沙尘暴形成具有重要贡献。本次过程TSP浓度最大值达到空气污染程度最为严重的城市冬季TSP浓度极值的10~50倍,表明沙尘天气导致的空气污染远大于一切人为排放源造成的污染。     

内蒙古沙尘暴天气系统及预报指标探讨

根据21 世纪15 a 来出现在内蒙古的沙尘暴个例,归纳形成沙尘暴的高空环流背景和地面天气系统,提炼预报指标。结果显示：沙尘暴是强冷空气爆发南下的过程,具有冷空气强、锋区强、高空急流强的特征;造成内蒙古沙尘暴的高空环流背景可分为高脊移动型、冷槽下滑型、横槽型和低涡旋转型等四个类型;强烈发展的蒙古气旋和冷锋是造成沙尘暴的主要地面天气系统。沙尘暴预报应主要着眼于高空急流轴的位置、乌拉尔山高压脊、高空锋区、蒙古气旋及冷锋、地面变压中心、高空正涡度平流中心与地面气旋相叠置的区域等方面。     

BP网络模型在沙尘暴预测中的应用研究

依据锡林郭勒地区30 a气象资料,应用人工神经网络(ANN)中不同BP网络结构和算法,探索建立沙尘暴预测模型的方法。研究认为,在建立锡林郭勒地区沙尘暴预测模型时,选择年大风日数、年平均地温、年蒸发量、相对湿度4个气象因子作为模型的输入因子是合理的;经过输入因子确定,层数、节点选择,每层激活函数和输出因子的确定,锡林郭勒地区沙尘暴预测模型可采用三层网络结构（4-6-1）。比较和试算显示,快速BP算法较普通BP算法的训练速度快,收敛精度高64.47%;快速BP神经网络的沙尘暴预测模型的预测精度可达到98%,较传统的多元线性回归数学模型高。因此,应用快速BP神经网络建立沙尘暴预测模型简捷、方便,具有精度高、智能化等特点,可在区域沙尘暴预测预报领域推广。     

欧亚大气环流对中国北方夏季沙尘天气的影响

根据1960-2010年全国701个地面站沙尘天气观测资料分析了中国夏季沙尘天气的空间分布和年际变化,发现南疆和内蒙古两个沙尘源区的夏季沙尘指数51年来均呈现出减小的趋势。通过分析夏季沙尘指数典型高、低值年环流场发现：500 hPa高度场上强烈发展的高原-贝加尔湖平均脊和减弱的东亚大槽,减少了高空低值系统对南疆和内蒙古中西部地区的影响,地面场上“北负南正”的变压场分布使得两个地区西风和西北风减小,最终导致夏季南疆和内蒙古地区沙尘天气减少。沙尘指数高值年时影响两个地区天气系统的差异在于：影响南疆地区的天气系统主要是高空的西路冷空气和地面场上发展的南疆热低压,而影响内蒙古地区的则是北路和偏北路冷空气以及地面场上强烈发展的蒙古-内蒙古热低压。     

Modern dust storms in China: an overview

This paper discusses the sources, spatial distribution, frequency and trend of dust storms in China. Most dust storms in China originate from one of three geographic areas: the Hexi (River West) Corridor and western Inner Mongolia Plateau, the Taklimakan Desert, and the central Inner Mongolia Plateau. Dust is most likely from deteriorated grasslands, Gobi, alluvial, lacustrine sediments and wadis at the outer edge of deserts. But deserts themselves contribute only slightly to the dust storm directly. Two geographic areas frequently have dust storms: one is in the western Tarim Basin, a ground surface of deteriorated land and wadi, but it only affects its neighboring areas, and the other one is in the western Inner Mongolia Plateau, a ground surface of Gobi, alluvial and lacustrine sediments, but it causes most of the dust storms in north China. Generally speaking, dust storms have reduced in most regions of China from the 1950 to 2000. Dust storms are highly correlated with human activities and climate changes.     

内蒙古牧区暴风雪风险评估研究

暴风雪天气是内蒙古草原牧区危害严重的气象灾害之一。为了更确切的了解暴风雪灾害天气的特征，分季节对暴风雪天气进行了类型，即秋末初春暴风雪天气、隆冬暴风雪天气、春末初夏湿雪冷雨型暴风雪天气；通过因子分析法、灰色关联分析对三种类型暴风雪天气进行分析，发现上述三种类型暴风雪天气都为风、雪、寒潮灾害群天气；每个季节最主要的影响因子不同，导致的灾害程度不同；因此掌握各个季节暴风雪天气的特征对预报员提高预报预警水平很有实际意义。尝试使用BP神经网络法、支持向量机对暴风雪灾害等级进行评估，通过与根据灾情评定的灾害等级对比分析，发现SVM方法的评估效果优于BP神经网络法，因此，基于数值预报产品通过SVM方法做暴风雪灾害预警产品成为可能，可为暴风雪灾害预报预警业务提供客观参考依据，能够提升预报服务效果，减少灾害损失。     

中国北方沙尘暴现状及对策

中国北方主要包括:甘肃河西走廊及内蒙阿拉善盟;新疆塔克拉玛干沙漠周边地区;内蒙阴山北坡及浑善达克沙地毗邻地区和蒙陕宁长城沿线四个主要沙尘暴中心和源区。我国沙尘暴从20世纪50年代以来呈波动减少之势,90年代在减少中有回升,2000年和2001年更是急剧增加,预示着新一轮沙尘暴活跃期已经开始。生态环境恶化和气象条件的变化是我国北方沙尘暴增多的原因。目前人类控制天气的能力还很有限,减缓沙尘暴灾害频度与强度的关键在于搞好地面的生态保护与建设。坚持"预防为主、保护优先、防治并重"的生态保护与建设方针;建立和完善生态保护的法规和政策体系,停止导致生态环境继续恶化的一切生产活动,对于超出生态承载能力的地区可以采取一定的生态移民措施。