Verification and Assessment of Real-time Forecasts of Two Extreme Heavy Rain Events in Zhengzhou by Operational NWP Models

In the present study, the performances of the NWP models on two heavy rainfalls on 20 July and 22 August 2021 over Henan Province were investigated. The impacts of the water vapor transport to the extreme rainfall were further discussed. The results showed that the regional model system in the Guangzhou Meteorological Service generally showed high scores on the extreme rainfall over Henan. The maximum 24h accumulative rainfall by the 24h forecasts by the CMA-GD reached 556 mm over Henan Province. The 24-h and 48-h Threat Score (TS) of heavy rainfall reached 0.56 and 0.64. The comparisons of the Fraction Skill Score (FSS) verifications of the heavy rainfall by CMA-GD and CMA-TRAMS at the radium of 40km reached 0.96 and 0.87. The water vapor transport to the extreme rainfall showed that the vertically integrated water vapor transport (IVT) of the whole layer before the occurrence of the heavy rainfall exhibited a double-eyes distribution in case 7 · 20. The north eye over Henan reached the same magnitude of IVT as the typhoon eye (Cempaka) over south China. The IVT over the lower troposphere (<500 hPa) showed an overwhelming magnitude than the upper level, especially in the planetary boundary layer (<700 hPa). More practical technical needs to be developed to improve its performances on the forecasting of extreme rainfall, as well as more experiments need to be conducted to examine the effects of the specific terrain and physical schemes on the extreme rainfall.     

CINRAD-SA双偏振雷达资料在降水估测中的应用初探

对基于水平反射率ZH和差分传播相移率K_(DP)的降水估测综合法R(C)进行了改进,并对广州S波段双偏振雷达2016年2次飑线和2次台风降水过程的Φ_(DP)使用小波分析进行滤波处理,在此基础上使用变距最小二乘法拟合得到K_(DP)的值。分别使用R(C)和R(Z_H)法对2次飑线和2次台风降水过程进行降水估算,将估算结果和雨量计小时雨量进行了对比,并将两种方法的评估结果进行了对比。结果表明:(1)对于飑线类型降水,R(C)法对5 mm·h~(-1)以上的降水估测精度要好于R(Z_H)法,且降水率越大,R(C)法优势越明显,当降水率≥20 mm·h~(-1)时,两次过程R(C)法比R(Z_H)法的平均相对误差(RE)降低了17. 2%,平均绝对误差(AE)减少了1.89 mm,平均均方根误差(RMSE)减少了1.66 mm;(2)对于台风类型降水,R(C)法对5 mm·h~(-1)以上的降水估测精度也好于R(Z_H)法,当降水率≥20 mm·h~(-1)时,两次过程R(C)法比R(Z_H)法的平均RE降低了33. 19%,平均AE减少了3. 95 mm,平均RMSE减少了4.05 mm;(3)对于飑线和台风两种类型降水R(C)法都明显改善了降水率较大时的R(Z_H)法低估问题,但R(C)法在降水率10 mm·h~(-1)时也存在低估,可能是由雨滴谱资料观测误差导致拟合的系数偏小或雷达硬件造成的观测偏差等造成的。     

“雨燕”中风暴算法在北京奥运天气预报示范项目中的应用及改进

介绍了临近预报系统“雨燕”中的风暴系列算法, 包括风暴识别、 风暴追踪、 基于TREC技术的风暴位置预报, 以及预报位置实时评分算法等。利用2008年北京奥运期间出现的多个强对流天气, 统计出该风暴产品在30 min和60 min预报时效的绝对距离误差分别约为13 km和23 km。分析了北京奥运天气预报示范项目期间该风暴产品误差较大的原因, 主要集中于TREC技术本身及其适用范围, 以及风暴预报方案中处理细节的不足, 具体为TREC技术不适用于孤立的回波单体, 雷达探测边界对TREC技术的影响, TREC矢量有时呈现出一定的空间不连续性, 以及对孤立少动单体的不当处理等。针对上述原因, 提出了一系列的改进方案, 包括对用于风暴位置预报的TREC矢量增加一致性检验, 利用风暴的历史轨迹校正不恰当的TREC矢量; 对TREC技术中象素阵列大小进行统计分析, 选择最适合北京地区的阵列大小; 风暴预报位置超出回波范围时新的处理技巧等。利用北京奥运期间的强对流资料, 对改进后的风暴算法进行评估。结果表明, 一方面, 改进后的算法能较好地控制风暴预报位置的绝对误差, 在30 min和60 min预报时效, 绝对误差分别减小了25%和26%。另一方面, 由于预报位置精度的提高, 能够提升相邻时刻风暴匹配的效率, 使得与以前算法相比有更多的风暴样本参与了各个预报时效的评分。     

临近预报系统(SWIFT)中风暴产品的设计及应用

介绍了临近预报系统"SWIFT"(Severe Weather Integrated Forecasting Tools)中的风暴产品的设计,包括风暴识别、风暴追踪和风暴预报。在识别风暴时,采用了多反射率因子阈值、特征核抽取和相近单体处理技术,并保留远距离上的强的2D风暴,该方法在面对成串或成簇多单体时,能够分离多个单体核,并准确定位。在风暴追踪和预报算法中,对当前时刻识别出来的风暴,利用匹配方案,将其与前1时刻的风暴建立对应关系,追寻历史轨迹,匹配方案是在空间位置相关的前提下,按照相似原则进行;风暴预报采用TREC(Tracking Radar Echoes by Correlation)技术获取的移动矢量场进行外推,提供未来1小时内的风暴移动位置。在北京奥运会天气预报示范项目(Forecast Demonstration Project,简称FDP)第二次测试期间,该风暴产品得到应用。分析表明:在预报时效为30分钟时,风暴产品在X轴和Y轴上的平均绝对误差为7.1和6.2 km,样本数为3891个;随着预报时效的增加,风暴产品的平均绝对误差增大,且在经向上的误差略大于纬向上;在径向上,风暴产品的预报出现了系统性的偏慢,而在纬向上,预报出现了系统性的偏快。     

地形对黄土高原滑坡的影响

高分辨率地形与影像数据的缺乏已成为研究地表现象、特征与过程的重要瓶颈。低成本无人机设备和摄影测量技术的发展,打开了地学领域获取高分辨率数据的大门,大大提高了地质灾害野外调查与灾害编目的精度与效率。本文通过无人机野外调查和遥感室内目视解译,构建了一个包含307个黄土滑坡属性的数据库。在此基础上,通过数字地形分析和数理统计等方法,总结归纳了黄土滑坡样本数据的分布规律,探讨了地形对黄土滑坡分布的影响,阐述了地形相对高差对最长滑动距离、滑坡周长、滑坡面积的影响,提出了基于传统经验公式拟合的滑坡规模快速预测公式。结果表明：① 滑坡规模—频率分布具有明显的规律性,不同最大长度、最大宽度和周长的黄土滑坡数量分布均呈现正偏态分布,而不同面积的滑坡数量分布则服从幂函数分布;② 地形对黄土滑坡发育控制作用明显,不同地形高差、平均坡度、坡形的斜坡单元滑坡发育数量差异较大;③ 地形相对高差与滑坡的最长滑距、周长和面积的拟合曲线很好地符合幂律分布规律,但不同地形区的拟合效果有所差异,黄土丘陵区拟合效果最好,黄土高原全区次之,黄土台塬区最差;④ 本文建立的黄土滑坡规模快速预测模型,为黄土滑坡灾害调查提供了经验公式支撑。     

广东省气象台SWIFT业务平台简介

重点介绍广东省气象台开发的SWIFT(雨燕)业务平台的系统架构、主要功能模块和系统关键支撑技术。该系统架构分成数据源、气象数据处理、数据存储、服务组件和WEB应用等5层。主要功能模块包括实况观测与统计、强对流监测预警、数值预报、台风预报等。关键支撑技术包括雷达回波的外推技术、雷达回波外推和数值模式融合技术、数值模式解释应用技术。另外,采用数据库和NetCDF文件相结合的方式来存取数据,自主研发多线程色斑图渲染技术和等值线追踪技术,提高平台响应速度。     

陕西省子午岭生态功能区水源涵养能力研究

应用InVEST模型和SCS模型,计算得出研究区多年平均水源涵养量约为3×108 m3,涵养深度69.79 mm,表明研究区具有比较突出的水源涵养服务功能,特别是在森林和灌丛分布相对集中的子午岭自然保护区内,水源涵养能力处于较高水平。不同土地利用类型的水源涵养能力有较大差别。由于灌丛具有较好的降水截留能力和较小的蒸腾作用,水源涵养能力最强;而森林由于蒸腾旺盛,加之冠层截留的大部分降水用于蒸发而无法积累,使其水源涵养能力稍低于灌丛;草地和农田覆盖地区,降水极易流失,因而草地和农田的水源涵养能力较差,对区域总水源涵养量的贡献也最小。此外,研究区多年平均产水深度139.4 mm,整体趋势是从东南向西北方向减小,与区域降水量空间变化趋势一致,在土地利用类型的影响下,这一趋势更加明显;多年平均径流深度71.1 mm,空间上大致由南向北减少,同时,由于径流深度还受到降水时间分配、土地利用类型、土壤质地的影响,因此呈现出较为复杂的空间分布特征。     

不同视角下InVEST模型的土壤保持功能对比

土壤保持是生态系统的重要服务功能之一。黄土高原是世界上水土流失最严重的地区,黄河中游地区是黄河泥沙的主要来源,继续开展黄河中游地区土壤保持研究,对于当地的水土保持、土地利用结构调整、退耕还林、生态补偿以及水库管理具有重大意义。以黄河一级支流无定河的源头(营盘山库区)为研究区,采用生态系统服务和交易的综合评估模型InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs),从水文和土地利用两个角度出发,对研究区地块截留能力、输出能力和保持能力进行对比研究,重点探讨哪种角度的结果更科学合理,并进一步研究清淤情境下2010年营盘山库区的土壤保持能力及其空间格局特征。结果表明：① 基于子流域边界和土地利用边界的计算结果差异悬殊,水文学意义的子流域边界可以保证沉积物沿水文路径迁移过程的完整性,评价结果更科学合理;InVEST沉积物模型应该采用水文意义上的自然流域边界,而不宜将土地利用边界作为子流域单元进行评价。② 2010年营盘山库区在清淤情境下的沉积物截留总量为586482.60 t,输出总量为129868.61 t,平均输出量为12.93 t/hm²,保留总量为1559198.40 t,平均保留量为151.57 t/hm²。③ 地块的沉积物截留能力从上游至下游逐渐增强,而沉积物输出能力却刚好相反。无定河西侧支流的土壤保持能力比东侧支流偏高,两大支流平均土壤保持量低值区均出现在河流上游地区。     

空间坐标系下地下岩体结构面数学描述方法初探

钻孔摄像技术能够采集到大量地下岩体内的结构面数据,分析其数据有助于进一步揭示结构面的空间分布规律和组合关系。针对钻孔内获得的结构面几何参数的特殊性,提出了综合倾角、倾向和位置深度等参数的特征点描述方法,在局部坐标系下对结构面特征点的描述方法及计算过程进行了阐述,推导出了结构面几何参数与特征点坐标之间的转换公式,在全局坐标系下对特征点坐标进行了归一化处理,最后对空间坐标系下特征点的分布规律进行了探索。研究结果表明,（1）空间坐标系下的结构面特征点是结构面几何参数和空间位置的综合反映;（2）特征点在空间的分布反映了结构面的空间组合关系。为结构面的统计分析提供新的思路和方法,有助于开展结构面的空间分布规律和交切关系研究,对钻孔摄像技术的发展和以结构面几何特征为基础的岩体稳定性评价起到积极的推动作用。     

云地闪初次闪击算法的设计

首先介绍了闪电形成的概念模型,在此基础上提取反射率因子、环境等温层高度、最大反射率因子的对应垂直高度变化和垂直积分液态含水量来构建广东云地闪初生算法.其次,利用2007年广东新一代雷达和闪电定位系统收集的大量强对流资料,对广东云地闪初生算法进行应用评估.对于138个风暴样本,CSI为69％,POD为89％,FAR为25％,空报较多.利用雷达垂直剖面资料分析误差产生的原因.算法漏报有两种情况:一是由于雷达天顶盲区的影响,使得该区域内的风暴垂直探测严重不足;二是环境等温层高度的估算存在困难,实际操作中选择了探空资料-15℃层的平均高度值.空报的主要原因在于一些风暴虽然达到或超过了反射率因子阈值,但是其强反射率因子核区在垂直方向上伸展不够,相对较薄,说明垂直运动不够充分,难以将水凝物输送到较高的环境等温层高度上,从而不会产生闪电.最后,根据误差分析对云地闪初生算法进行改进.一方面增加反射率垂直梯度因子的判别,减少因风暴垂直发展不足所造成的算法空报;另一方面,适当降低环境等温层的高度,选择7 000 m替代此前的7 757 m.再次利用前面构建的强对流资料集,评估算法改进后的效果.改进后的算法在一定程度上控制了空报率,空报单体由此前的31个减少到23个,FAR由25％降低至19％,但CSI则从69％增加到74％.