Contributions of Fuqing ZHANG to Predictability,Data Assimilation,and Dynamics of High Impact Weather: A Tribute

This article reviews Fuqing ZHANG’s contributions to mesoscale atmospheric science,from research to mentoring to academic service,over his 20-year career.His fundamental scientific contributions on predictability,data assimilation,and dynamics of high impact weather,especially gravity waves and tropical cyclones,are highlighted.His extremely generous efforts to efficiently transmit to the community new scientific knowledge and ideas through mentoring,interacting,workshop organizing,and reviewing are summarized.Special appreciation is given to his tremendous contributions to the development of mesoscale meteorology in China and the education of Chinese graduate students and young scientists.     

Application of a cloud-texture analysis scheme to the cloud cluster structure recognition and rainfall estimation in a mesoscale rainstorm process

It is thought that satellite infrared (IR) images can aid the recognition of the structure of the cloud and aid the rainfall estimation. In this article, the authors explore the application of a classification method relevant to four texture features, viz. energy, entropy, inertial-quadrature and local calm, to the study of the structure of a cloud cluster displaying a typical meso-scale structure on infrared satellite images. The classification using the IR satellite images taken during 4–5 July 2003, a time when a meso-scale torrential rainstorm was occurring over the Yangtze River basin, illustrates that the detailed structure of the cloud cluster can be obviously seen by means of the neural network classification method relevant to textural features, and the relationship between the textural energy and rainfall indicates that the structural variation of a cloud cluster can be viewed as an exhibition of the convection intensity evolvement. These facts suggest that the scheme of following a classification method relevant to textural features applied to cloud structure studies is helpful for weather analysis and forecasting.     

美国退出《巴黎协定》对全球温室气体排放的影响

现有研究表明美国退出《巴黎协定》将会在2025年导致其国内排放增加约1.2 Gt CO₂-eq,然而美国退出《巴黎协定》对全球气候治理的影响不仅限于此,还包括资金效应、政治效应,以及惯性效应等对全球排放的间接和长期影响。本文通过构建体现不同效应的全球温室气体排放情景,分析了美国退出《巴黎协定》后对全球温室气体排放可能造成的不同影响。结果表明,美国退出《巴黎协定》的自身效应、资金效应、对伞形国家的政治效应和对发展中国家的政治效应,将分别导致全球2030年的年温室气体净排放量(扣除碳汇吸收量后的温室气体排放量)上升2.0、1.0、1.0和1.9 Gt CO₂-eq,并导致全球2015—2100年的累计排放量分别上升246.9、145.3、102.0和270.2 Gt CO₂-eq。为防止美国退出《巴黎协定》的不利影响进一步扩大,中国应积极引领全球气候治理制度的建设与发展,与各国紧密合作全面平衡地推进《巴黎协定》的落实和实施。     

MICAPS4服务端系统架构设计

MICAPS4体系采用客户端/服务器的系统架构,其中服务端系统是MICAPS4的重要部分,利用分布式存储与分布式计算技术,构建可容纳102 TB量级的气象实时数据,千万数据总量,面向数百并发用户的服务器集群系统。MICAPS4服务端系统在国内率先实现全部气象实时数据由文件到数据库、从集中式系统到分布式系统的迁移,该系统自2015年起在全国推广使用。在海量气象数据和大量用户并发访问的环境下,表现出很高的稳定性和优越的读写性能,同时具有便捷的扩展性和可维护性。MICAPS4服务端系统分为分布式存储系统、分布式前处理系统、站点实况轮询系统、查询服务器系统和监控系统5个子系统,分布式存储子系统为MICAPS4客户端提供了近实时数据的高速随机与顺序读取服务,分布式前处理系统利用对等分布式架构实现了海量气象实时数据的流式计算,站点实况轮询系统实现了跨系统的实况数据异构副本的同步功能,查询服务器系统利用多线程服务器技术实现了MICAPS4客户端的实时计算请求,监控系统利用部署于每个节点的探针实现监控信息的主动上报。     

涡动相关仪和大孔径闪烁仪观测通量的空间代表性

在对涡动相关仪和大孔径闪烁仪足迹模型进行敏感性分析的基础上,利用北京密云站2006年8月至2007年12月期间的观测资料,应用足迹模型对观测通量的空间代表性做了初步的分析.结果表明:涡动相关仪和大孔径闪烁仪的源区对风向、Monin-Obukhov长度,空气动力学粗糙度和观测高度/有效高度等因子比较敏感.密云站涡动相关仪的源区白天主要分布在仪器的西南与南面,而夜间则在东北与北面.大孔径闪烁仪的源区为西南一东北向分布.涡动相关仪各月源区形状不同,但大致分布在南北长1000 m、东两宽850 m的范嗣内,而LAS各月源区为西南一东北向分布,长约2060 m,最宽处约为620 m.对涡动相关仪通量有贡献的下垫面主要为园地(67%)和耕地(19%).其中园地的通量贡献比例在夏、秋季比较大,冬、春季稍小,而耕地则相反.大孔径闪烁仪的主要通量贡献源区为园地、耕地和居民地,通量贡献比例分别为49%,28%和11%.其中园地和耕地通量贡献率的变化趋势与涡动相关仪的观测结果一致,但没有涡动相关仪的变化明显.     

2009年冬季至2010年春季黑龙江省气温持续偏低成因

利用常规观测的温度资料和中国国家气候中心提供的环流特征量、NCEP/NCAR再分析资料及美国气候预测中心（CPC）提供的AO指数等,分析了2009年11月至2010年4月中高纬大气环流异常特征,探讨了AO与同期气温的关系。分析表明：黑龙江省冬春气候异常与500 hPa大尺度环流背景有关。冬春持续偏冷,对应北半球欧亚中高纬地区呈“-+-”的波列分布,90°-180°E呈现出“北正南负”的环流形势;北半球极涡面积偏大,冬季东亚大槽位置偏西,春季东亚大槽强度偏强,冬春AO指数持续异常偏强,显著负位相。     

国家级天气预报检验分析系统建设与应用

为了适应精细化预报和业务管理的发展需求,国家气象中心建设开发了基于Web的国家级天气预报检验分析系统。系统分为预报检验、检验文件解析处理、检验数据查询分析与检验平台管理4个功能模块,关键技术包括标准化的数据管理、开放式的算法模块管理与调度和检验数据的可视化分析。系统建立了规范高效的检验业务数据流程,兼容处理预报分析制作系统（MICAPS）数据、GRIB2数据、城镇报数据、自动气象站数据等其他专业气象数据,涵盖了国家级省级智能网格预报、全国城镇天气预报、定量降水预报、大城市空气质量预报等数十项检验业务产品,给出了空间分布、柱状图及数据表格等展现形式。系统为全国各级预报员、模式开发人员和管理人员提供预报检验反馈信息,为各省以及国家级预报业务考核提供了信息支撑;同时系统提供逐旬、月、年度的智能网格预报以及城镇天气预报的检验结果对比,有力支撑了智能网格预报产品业务研发和业务试验。     

基于时空不确定性的对流尺度集合预报效果评估检验

针对对流尺度天气系统的高度非线性特征和高分辨率模式预报结果存在时、空不确定性现象,以及当前邻域概率法主要考虑高分辨率预报结果的空间位移误差,而不能有效解决预报结果存在时间超前与滞后问题,将时间因素引入到邻域概率法中,结合一次强飑线过程进行对流尺度集合预报试验,并基于改进后的新型邻域概率法与分数技巧评分,对降水预报进行了不同时、空尺度的效果评估检验。结果表明:（1）邻域集合概率法和概率匹配平均法在极端降水的分数技巧评分远高于传统集合平均,弥补了集合平均对极端降水预报能力偏低的缺陷。（2）对于此类飑线过程的对流尺度天气系统而言,邻域半径为15—45 km的空间尺度能够改善降水位移误差的空间不确定性,并使其预报效果达到最优,其中15—30 km的邻域半径对于尺度更小的大量级降水事件预报能力更强。（3）对流尺度降水预报考虑时间尺度与降水强度存在着对应关系,不同时间尺度可以捕获到不同量级降水的时间不确定性。同时,时间尺度与空间尺度对于降水预报效果的影响是相互关联的。（4）改进的邻域概率法能够同时体现高分辨率模式预报结果在对流尺度降水事件上存在的时、空不确定性,实现了对流尺度降水在时、空尺度上的综合评估,并能为不同量级降水提供与其时、空尺度相匹配的概率预报结果。      

Effect of Stochastic MJO Forcing on ENSO Predictability

Within the frame of the Zebiak-Cane model,the impact of the uncertainties of the Madden-Julian Oscillation(MJO) on ENSO predictability was studied using a parameterized stochastic representation of intraseasonal forcing.The results show that the uncertainties of MJO have little effect on the maximum prediction error for ENSO events caused by conditional nonlinear optimal perturbation(CNOP);compared to CNOP-type initial error,the model error caused by the uncertainties of MJO led to a smaller prediction uncertainty of ENSO,and its influence over the ENSO predictability was not significant.This result suggests that the initial error might be the main error source that produces uncertainty in ENSO prediction,which could provide a theoretical foundation for the data assimilation of the ENSO forecast.     

一次强降水过程涡旋状MCS结构特征及成因初步分析

利用新一代天气雷达资料分析了造成2011年6月18日湖北省江汉平原强降水涡旋状中尺度对流系统(MCS)发生发展过程的结构特征,联合常规观测、地面加密观测及雷达四维变分风场反演资料初步研究了MCS可能成因。结果表明:(1)成熟阶段的强降水涡旋状MCS回波表现为气旋性弯曲的多条螺旋对流回波带、周围被大片层状云回波所包裹的结构特征,后期因冷空气侵入演变出冷暖锋式结构。回波合并和旋转式列车效应是产生强降水的主要运动特征。(2)涡旋状MCS是在有利环境场下,主要由鄂西山地一江汉平原过渡带边界层中尺度涡旋系统强烈发展组织的结果。(3)中尺度涡旋系统形成发展与地面暖倒槽发展、西南低涡前侧降水和特殊地形作用有密切关系,来自不同方向气流形成的强烈辐合是其前期形成发展的主要机制,后期发展可能与潜热释放有关,涡旋环流向上发展到700 hPa。