Machine Learning-based Weather Support for the 2022 Winter Olympics

正1.A key support for the 2022 Winter Olympics The XXIV Olympic Winter Games are scheduled to take place from 4 to 22 February 2022, followed by the Paralympic Games from 4 to 13 March, in Beijing and towns in the neighboring Hebei Province, China. Weather plays an extremely important role in the outcome of the games (Chen et al., 2018). It can not only cause a difference between a medal or not, but affect the safety of athletes. Success of the Winter Olympics will greatly depend on weather conditions at the outdoor competition venues, dealing with many weather elements including the snow surface temperature, apparent tem-     

Projection and possible causes of summer precipitation in eastern China using self-organizing map

Self-organizing map (SOM) is used to simulate summer daily precipitation over the Yangtze–Huaihe river basin in Eastern China, including future projections. SOM shows good behaviors in terms of probability distribution of daily rainfall and spatial distribution of rainfall indices, as well as consistency of multi-model simulations. Under RCP4.5 Scenario, daily rainfall at most sites (63%) is projected to shift towards larger values. For the early 21st century (2016–2035), precipitation in the central basin increases, yet decreases occur over the middle reaches of the Yangtze River as well as a part of its southeast area. For the late 21st century (2081–2100), the mean precipitation and extreme indices experience an overall increase except for a few southeast stations. The total precipitation in the lower reaches of the Yangtze River and in its south area is projected to increase from 7% at 1.5 °C global warming to 11% at 2 °C, while the intensity enhancement is more significant in southern and western sites of the domain. A clustering allows to regroup all SOM nodes into four distinct regimes. Such regional synoptic regimes show remarkable stability for future climate. The overall intensification of precipitation in future climate is linked to the occurrence-frequency rise of a wet regime which brings longitudinally closer the South Asia High (eastward extended) and the Western Pacific Subtropical High (westward extended), as well as the reduction of a dry pattern which makes the two atmospheric centers of action move away from each other.     

基于雷达和微波辐射计的湖北省冷季“高架雷暴”特征分析

利用常规观测、加密自动气象站、三维闪电定位仪、天气雷达和地基微波辐射计资料等,对湖北冷季（2014年11月）发生的3次高架雷暴过程进行了分析。（1）3次过程发生在地面冷锋后部地面冷气团中,主要以短时强降水和频繁的雷电活动为主,是典型的冷季“高架雷暴”,对流区位于地面冷锋后部500 km左右。（2）地面到925 hPa的冷垫,迫使暖湿气流爬升,在925 hPa逆温层附近触发对流,冷垫之上西南暖湿气流越强,对流越旺盛,雷达径向速度剖面可以明显看到1 km之下的冷垫。（3）冷季高架雷暴雷电活动剧烈,CG（地闪）占总闪比例60%以上,而+CG则占CG的40%左右,闪电频次和降水有很好的时空对应关系,CG出现在较强降水中心附近及周围,IC和CG突增对降水均有一定的时间提前量。CG更靠近强回波中心,且和≥30 dBZ的回波位置对应较好,IC则分布在雷暴单体外侧回波强度≥15 dBZ的区域。0 ℃等温线以上的（最大）回波强度达到43 dBZ以上或者18 dBZ回波顶高超过7.5 km是湖北冷季高架雷暴是否发生雷电的重要预警因子。（4）地基微波辐射计温度、湿度廓线和探空曲线基本吻合,可以看到明显的冷垫、逆温层及西南急流。基于微波辐射计资料计算的不稳定指数变化特征对冷季高架雷暴的短临预报有重要的实际应用价值。当A指数、TT指数、K指数和T_850-500出现快变抖动时,伴随抖动加剧可以判断将会有雷暴天气发生,当波动曲线开始下降并变得平稳,表示雷暴减弱消亡;θ_{se 850}在雷暴出现后跃增并在320 K附近抖动,雷暴结束后下落到290 K的平稳状态;T_d850在雷暴活跃阶段近乎为0 ℃;T_850-500在雷暴发生前是一个缓慢下降的过程,雷暴结束后大气趋于稳定。      

引发强降水的一次东移高原云团的能量演变特征研究

利用日本气象厅葵花-8卫星亮温资料、欧洲中心ERA5（the fifth generation of European Centre for Medium-Range Weather Forecasts Reanalysis）再分析资料,根据时间尺度分解的局地能量诊断方法,本文从能量学多个角度研究了2016年6月5日00时（协调世界时,下同）至6日15时（持续40小时）一次东移并引发强降水的高原对流云团,得到了以下主要结论。本次事件中,高原东移对流云团在不同阶段的主要影响系统有所不同。移出高原前,其主要受高原涡和高原短波槽的共同影响,随着云团移出高原,高原涡消亡,而高原短波槽则随时间发展加强,成为东移云团的最主要影响系统。高原东移对流云团具有显著的深对流特征,自西向东引发了一系列的降水,移出高原后,其对流重心显著降低,降水达到最强。不同阶段高原东移对流云团的能量转换特征显著不同。云团位于高原上时（第一阶段）,背景场通过动能的降尺度能量级串为造成强降水的扰动流直接提供能量,这是此阶段扰动流动能维持的主要方式;云团移出高原过程中（第二阶段）,降水凝结潜热明显增强,由此制造的扰动有效位能也显著增强。在垂直运动配合下,扰动有效位能斜压释放所制造的动能是本阶段造成强降水扰动流动能维持的最主要能量来源;云团移出高原后（第三阶段）,背景场对造成强降水扰动流的影响再次增强,但是不同于第一阶段的直接影响方式,该阶段背景场的作用是以一种间接的影响方式出现。其首先通过有效位能的降尺度级串将背景场的有效位能转换为扰动流的有效位能,然后通过扰动有效位能的斜压能量释放为扰动流的动能维持不断地提供能量。此外,本阶段内还出现了扰动流向背景场动能的升尺度级串供给（即扰动流的反馈）,但其强度不足以对背景场的演变产生显著影响。     

1984—2014年北京地区不透水地表的时空变化及其温度效应研究

研究城市地表覆盖与地表温度（LST）的关系对改善城市生态环境具有重要科学意义。在Landsat TM数据支持下,利用线性光谱混合分析模型提取不透水地表信息,结合LST和地表热通量,分析不透水地表覆盖度（ISA）和LST的时空变化特征及其相互关系,探讨不透水地表对LST的影响机理。结果表明:1984—2014年北京不透水地表面积迅速增长,中覆盖度比例下降,高覆盖度比例增加;LST从市中心向郊区递减,高温区向外扩张;LST和ISA呈显著正相关,但不是简单的线性关系;ISA处于0.6~0.9时LST上升速率最快,减少ISA在此范围内的不透水地表集中分布可缓解高温区集中的现象。     

利用WRF-Chem模拟研究京津冀地区夏季大气污染物的分布和演变

应用WRF—Chem（Weather Research and Forecasting Model with Chemistry）模式模拟研究了2007年8月京津冀地区近地面O3、NO2、PM2.5浓度的时空变化特征,将模拟结果与观测数据进行详细对比,结果表明,模式可以较好地模拟O3、PM2.5,浓度的空间分布和时间变化特征,成功再现了8月33和PM2.5的几次积累增加过程,其中O,的模拟值与观测值的相关系数为0．69～0．86,PM2.5的相关系数为0．44～0．49,但模式对NO2的模拟相对较差,相关系数为0．27～0．43。北京、天津地区为O3月均低值区,月均体积浓度约30×10^-9,渤海及京津冀以西地区O3月平均体积浓度可达60×10^-9;PM2,呈现南高北低的分布特征,变化范围为120～240μg／m3。14时月平均03体积浓度在北京、天津地区低于周边地区,约为60×10^-9;而PM2.5质量浓度在环渤海地区和河北南部较高,为100～120μg/m^3。8月17日北京出现一次典型的高浓度O,污染事件,14时北京地区温度达到33℃,O3体积浓度为80×10^-9～110×10^-9。在局地排放、化学反应和外来输送的共同作用下,渤海西岸和北岸PM2.5的质量浓度超过120μg／m3,其中二次气溶胶质量浓度为50～100μg／m3,一次排放人为气溶胶质量浓度为10～20μg／m3,海盐质量浓度为1～7μg／m3,二次气溶胶是该地区PM2.5的主要贡献者。     

基于田间试验的水稻模型ORYZA2000区域参数比较

利用江苏南京、安徽宣城两地的水稻田间试验数据和气象资料,对ORYZA2000模型基本作物参数进行调整,包括不同发育阶段的发育速率、干物质分配系数、比叶面积等。两试验点的作物营养生长参数(DVRJ)和生殖生长参数(DVRR)差异很大,反应了模型的区域差异性。模拟效果均能准确反应叶面积指数、生物量的动态变化过程,在地上部生物量的模拟准确度最高。两试验点的叶面积指数、地上部生物量、绿叶生物量、茎生物量和穗生物量的归一化均方根NSMSE值分别为9%、19%、18%、13%、25%和16%、25%、17%、19%、24%,因而南京试验点的模拟效果比宣城好,参数更具区域适应性。     

三套NDVI长时间序列植被指数的对比——以玛曲为例

NDVI／MODIS、NDVI／GIMMS和NDVI／NSMC是时间长度不同、空间分辨率相差甚远的3套ND—VI数据集,如何集成应用这些不同时间长度、不同分辨率的数据进行相关研究,数据集间的比较是最基础的工作。本文以甘肃省甘南州玛曲县为例,用直方图、相关分析、趋势分析等方法研究了这3套NDVI产品数据集的相互关系。结果表明：1）NDVI／NSMC与NDVI/MODIS的直方图具有类似的图像分布特征,但是NDVI／MODIS数据分布范围更大;2）3套NDVI在数值上表现为NDVI／MODIS〉NDVI／GIMMS〉NDVI／NSMC;3）3套数据集空间图像特征一致,两两间均具有十分显著的空间相关性,其中1月份相对最弱,5、10月份最强,三者相比NDVIfNSMC与NDVI／MODIS的空间相关性更强;4）1—3月、5—8月及年均的NDVI／GIMMS与NDVI／NSMC值存在显著的时间相关性,但两者逐年变化趋势存在较大差别,两者气候倾向率相差最大的高达5倍之多。NDVIfNSMC数据集在处理过程中可能未进行大气订正及交叉定标,这是造成共同源的NDVIfGIMMS与NDVI／NSMC差异较大的重要原因。     

2010年6月中下旬南方暴雨过程变形场作用分析

利用常规原始报文资料,采用基于Lanczos窗口滤波器的合成分析方法,对2010年6月13-27日的形势场、物理量进行合成分析,计算并分析了低空合成风场的总变形.结果表明:500 hPa大陆中、高纬地区存在一“Ω”形类阻塞高压,西北冷空气从其东部源源不断向长江及以南地区输送,与副热带高压西北侧的西南暖湿气流在我国南方地区交汇.700、850 hPa大陆高压与西太平洋副热带高压之间形成的鞍型场,位于长江以南地区,鞍型场鞍点附近及其东部膨胀轴是暴雨发生的主要区域.在南方地区上空200 hPa西北气流辐散产生的抽吸作用,对这次长时间、高强度的降水起了重要作用.发生在鞍型场和切变线上的低空中尺度气旋,是造成暴雨的重要天气系统.鞍型场膨胀轴附近,总变形最大,其位置、走向均与雨带基本一致,有利于锋生和中尺度气旋形成.低空冷暖气流交汇区域形成低空强θse梯度,在垂直剖面图上,等θse线呈现十分倾斜状态,该区域强θse水平梯度与低空总变形、正涡度区一致,可能是特大暴雨发生的重要因素.