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Quantitative Applications of Weather Satellite Data for Nowcasting: Progress and Challenges (点击获取全文)
作者：李俊，郑婧，李博，闵敏*，等
在短时间内监测和预测局地天气事件，通常需要提前几分钟到几个小时不等，对决策者和公众非常重要。天气事件的临近预报一般依赖于雷达监测和外推，而卫星观测能提供强对流阶段的环境特征信息，对态势感知和风暴预警具有非常重要的作用。结合先进的气象卫星高分辨率成像和探测观测，并利用机器学习，可以加强气象卫星资料在临近预报中的定量应用。这些应用包括对风暴不同阶段(初生、触发、发展和衰减)的位置监测，对影响区域、强度、水汽条件、大气不稳定度、降水及其他物理性质的判断，以及对风暴类型(风、雪、冰雹等)的识别和对风暴演变的预测。本文概述了卫星资料在临近预报中定量应用相关的进展及其挑战，并对未来的前景进行了讨论和展望。
Time-Series Embeddings from Language Models: A Tool for Wind Direction Nowcasting (点击获取全文)
作者：Décio ALVES，Fábio MENDONÇA，Sheikh Shanawaz MOSTAFA，Fernando MORGADO-DIAS
风向临近预报在很多应用领域都是至关重要的，特别是在确保航空运行安全方面。本文采用一个复杂的深度学习架构——基于长短期记忆网络(LSTM)的时间序列嵌入语言模型TELMo，来加强风向的临近预报。TELMo是利用葡萄牙马德拉国际机场复杂地形中四个站点的三年风向及风速数据训练开发而成，结合了水平(东西)风u和(南北)风v分量，大大减少了预报误差。在风向变化较大的天气，TELMo在9毫秒/步的快速时间框架内完成了2分钟、10分钟和20分钟的预报，平均绝对误差分别为5.66、10.59和14.79；而基于风向角度的常规分析预报表现较差；说明强调u和v分量组合的有效性。相比之下，代表浅学习方法的Vanilla神经网络在所有分析中表现不佳，说明深度学习方法在风向临近预报中具有优势。TELMo是一个高效的模型，它能够准确预测空中交通运作中的风向，预测误差小于20°的概率为97.49%，符合国际推荐的阈值。该模型的设计使其适用于不同的地理位置，有望成为全球航空气象的通用工具。
作者：张玮航，田梦，海尚飞，...，盛立芳*
渤海海域的风速具有变化剧烈、成因复杂、破坏力强等特征，因此实现对其的准确预报在业务预报及科学研究中均是重点和难点。天津市位于渤海湾西侧，作为环渤海区域的经济重心，对准确的风速预报有着更强的需求。本研究采用了三种机器学习算法作为后处理方法，对天津地区WRF数值预报偏差进行修正并进行了对比。结果表明，随机森林(RF)算法在改进预测方面具有更好的综合性能，因为它显著改善了模型偏差，且计算资源成本较低。此外，本研究还指出了影响天津市风速的主要预报量：10 m风u/v分量、2 m相对湿度、925 hPa纬向风、海平面气压、500 hPa温度和2 m温度。本研究强调了数值模式和机器学习相结合对局地精细化天气预报的重要意义。
作者：嵇立群，陈海山*
基于1981–2020年中国东部516个地面观测站日最高温度（Tmax），在考虑气候学区域差异的基础上，采用相对阈值来定义并划分长、短寿命热浪事件，进而探讨中国东部夏季长短寿命热浪事件群发性下的空间特征和大尺度环流演变特征与差异。结果表明：长、短寿命热浪事件发生频数空间分布上存在区域性差异，在持续时间和强度特征空间上均具有比较统一的形式，但是量级上存在差异。经验正交分解（EOF）分别揭示了长、短寿命热浪三个主导空间模态。第一模态短热浪在北方和南方均明显发生，而长热浪主要发生在北方。第二模态均为经向偶极子型。第三模态短热浪为空间四极型而长热浪为三极型。由于500 hPa位势高度异常和850 hPa风场异常的中心位置不同，影响了对流层中下层暖气柱、云量和水汽输送，决定了每个模态典型热浪事件的温度和降水异常分布的差异。进一步研究表明，长热浪和短热浪不同模态典型事件的大气环流演变过程与不同遥相关型相联系。长（短）热浪三个模态典型事件前后，波通量活动较强（较弱）且往往有多条（一条）传播路径。300 hPa上空更强烈的西大西洋波列活动激发了经向与纬向波通量的协同作用，有利于加强和维持500 hPa位势高度正异常，从而可能促进更长时间热浪的形成。研究结果加深了对夏季高温热浪事件的认知，对其预测提供了一定的参考。
The Effect of Moisture in Different Altitude Layers on the Eastward Propagation of MJO (点击获取全文)
作者：朱小玉，钟中*，朱益民，李昀英，等
利用ERA5资料驱动WRF模式对2007/2008年冬季热带大气中MJO的东传进行了研究。采用描述MJO特征较差的Grell 3D方案，对模式所有垂直层(Ndg_all)、低层(Ndg_low)、中层(Ndg_mid)和高层(Ndg_upp)的水汽进行了4次nudging试验。当模式中的水汽接近观测值时，模拟效果得到了很大提升，其中，Ndg_all表现最好。虽然Ndg_mid对MJO尺度的水汽剖面模拟较好，但Ndg_low和Ndg_upp在模拟MJO东传方面更有优势。Ndg_low在模拟MJO尺度的850 hPa纬向风和降水时效果最好，因为低层水汽对模拟MJO对流中心以东低层的凝结加热很重要。Ndg_upp在模拟OLR的东传时表现最好，因为Ndg_upp可以模拟出与MJO深层对流相关的湿度和云顶温度。这些结果表明，低层水汽在MJO东传过程中更为重要，观测到的MJO尺度的中层水汽大值区可能是伴随深对流出现的，而不是控制MJO东传的主要因素。
作者：于怡秋，吴捷*，房一禾，赵春雨，等
基于参加次季节-季节(Subseasonal to Seasonal Prediction, S2S)预测计划的BCC和ECMWF模式的数据集，系统检验了模式对东北冷涡活动特征的模拟能力，并从确定性预测和概率预测两方面评估了S2S模式在次季节尺度对冷涡的预测技巧。结果表明：BCC和ECMWF模式均能较好的模拟出东北冷涡活跃日数、强度和空间分布的季节变化，但是模拟的冷涡日数偏少、强度偏弱。确定性预报方面，BCC(ECMWF)模式对于东北冷涡候尺度日数和强度的预测时效为4–5(5–6)候，集合平均的预测技巧可较单成员提升1–2候。概率预报方面，BCC和ECMWF模式对于日尺度冷涡概率预报技巧分别为7和11 day左右。模式对冷涡事件的模拟能力和预测技巧都呈现出季节性差异，冬季的结果优于夏季。本研究为进一步提高东北冷涡的次季节预测提供有效参考。
作者：崔丽曼，李浩然，苏爱芳*，张扬，等
利用郑州区域Parsivel OTT资料，揭示了2021年7月20日郑州极端降水过程的雨滴谱分布(DSDs)具有显著的时空变化特征，其中郑州站变化最为剧烈，在1500–1600 LST (Local Standard Time) 期间，该站点小时降水量破纪录地达到201.9 mm。该小时降水具有较高的大雨滴浓度，质量加权雨滴直径随着降水速率的增加而增加，在降水速率约为50 mm h−1时达到DSDs的平衡状态；同时，郑州站近地表的差分相移(Kdp)和差分反射率(Zdr)最高。针对雷达定量降水估算(QPE)中降水微物理参数的时空变化，提出一种反射率分组拟合方法，对雷达反射率-降水率(Z–R)进行参数优化，并利用雨量计数据验证其可行性。结果表明：与固定Z–R参数化相比，当降水强度大于20.0 mm h−1时，平均偏差比由0.57提高到0.79，均方根误差由23.69降低到18.36。
作者：阮虞清，夏茹娣*，宝兴华，郑栋，等
对2008–2017年前汛期期间广东省沿海和内陆降水和闪电时空分布特征进行了对比分析，结果表明：在内陆(ITR)，降水集中在中部和东部山区；日变化呈下午主峰、上午次峰的双峰分布；在季风爆发后，由于降水频率增加，午后峰值明显增大。在沿海区域(CTR)，降水集中在山地周围。季风爆发前，CTR降水弱于ITR，这主要与CTR低层水汽外流有关，而季风爆发后，由于水汽流入增多，CTR降水明显增强。受降水频率和强度变化的影响，季风爆发后CTR的降水日变化由季风爆发前的双峰型向宽单峰型转变。与降水相比，闪电的时空分布在季风爆发前后阶段相对稳定，其最强中心位于ITR降水中心西侧平原，次中心位于CTR西部平原。闪电活动在季风爆发后显著增强，主要是由于闪电时数增多。ITR和CTR的闪电密度和闪电时数均呈现午后单峰型，且ITR峰值时刻比CTR晚约2 h。环流合成分析表明：清晨，低层大气偏中性层结，暖湿不稳定气流与地形分布有利于对流的形成。午后，太阳辐射增强，热力不稳定增大，导致对流频率和强度增强。季风爆发后，更加暖湿的条件有助于降水和闪电的增多。此外，闪电的发生与对流有效位能、低层垂直风切变和上升气流强度密切相关。
作者：陈梓桐，李昀英*，张志伟，孙京，等
目前中国中部地区强降水的准确预报仍充满挑战，原因之一在于缺少对流系统的认识。本研究基于2016–2018年4–9月高分辨率降水及雷达观测数据，采用雨团追踪算法，定量分析了湖南省595个短时强降水事件中对流系统(CSs)的宏观特征(尺度、强度、维持时长等)。研究表明，CSs具有显著的季节性和日变化特征。相比夏季，春季CSs回波面积更广、对流核更强、总降水量更大。当地1400–1600时发展的CSs强度最强，典型面雨量为0.5–1 mm km–2，但回波面积较小、持续时间较短、总降水量也较少。进一步分析CSs宏观特征和降水量之间的关系，发现回波面积与总降水量显著线性正相关，而生命史和降水量的关系与面积膨胀率(AER)相关。当AER超过50%时，CSs面积随总降水量的增加而增加，但生命史较短。研究结果为中国中部地区短时强降水的预报提供了科学参考。
作者：王睿，端义宏*，冯佳宁
云微物理特征对热带气旋的强度和降水有重要影响。本文对超强台风莫兰蒂(2016)的快速增强过程进行了高分辨率的数值模拟研究，并通过对多源卫星观测资料的云微物理特征进行了验证。与其他水成物相比，在快速增强过程中，雪和冰的含量增加得最快。并不是所有的水成物的含量都在继续增加。霰含量在降水过程中先增加后减少。此外，针对海表温度的敏感性实验表明，虽然热带气旋的强度随着海表温度SST的升高而增加，但并非所有水成物都增加。霰的含量随着海温的增加而持续增加，这主要是由于在相应高度积累了更多的低温过冷水蒸气。随着海表温度的增加，雪的含量减少，这是由于相应高度的垂直运动更强，影响了冰晶的淞附。
作者：王英杰，吴建平*，任开军
在数值天气预报中，地形拖曳参数化对表述次网格地形效应发挥着重要作用。次网格地形参数又是地形拖曳参数化的关键输入，直接影响着参数化方案对地形效应的表述程度。目前大多数值模式中次网格地形参数是基于多年前的高程数据集制作，分辨率与质量均偏低。本文基于最新且较高质量的高程数据集和之前的相关研究，考虑次网格地形参数的适用尺度范围，构建了地形重力波拖曳(OGWD)参数化中所需要的次网格地形标准差、各向异性、方位角、坡度等地形参数。我们将新构建的地形参数引入到银河全球谱模式(YHGSM)，优化了数值天气预报模式对地形效应的描述，明显改进了数值模式对河南和北京两个典型强降雨过程的模拟。
作者：刘宁微，夏玲君*，窦有俊，董少柔
利用温室气体观测卫星(GOSAT)反演的全球大气二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)逐月柱浓度(XCO2和XCH4)数据，在确定其可靠性的前提下分析了2010–2022年中国XCO2和XCH4的变化，并进一步研究了2015–2016年强El Niño事件对中国XCO2和XCH4变化的影响。结果表明：中国XCO2春、冬季高，XCH4秋季高，XCO2和XCH4都从东南部分别向西北和东北方向逐渐降低，变化范围分别在401–406 ppmv和1.81–1.88 ppmv；高值区都位于长江中下游。2010–2022年中国温室气体柱浓度整体升高，XCO2和XCH4快速增长区与XCO2和XCH4高值区基本一致。2016年中国XCO2和XCH4的显著增加可能与2015–2016年强El Niño–Southern(ENSO)事件密切相关。在2015年全球变暖背景下，2016年中国XCO2和XCH4分别增加了0.768%和0.657%。数据分析表明，XCO2和XCH4的变化可能反映了ENSO事件对青藏高原冰川融化的显著影响。
作者：俞布，陈锋*，康汗青，朱彬，等
基于2014–2020年杭州地区的大气环流和PM2.5数据，利用环流分型法划分为27种天气型，分析环流型及局地污染的关联性特征。通过量化气团气温、风和气压等判定指标，筛选了影响杭州地区的89例暖气团和94例冷气团，研究冷暖气团对PM2.5浓度的输送或清除作用。结果表明：冷气团导致的污染事件频率高于暖气团，但冷气团对大气污染的输送作用不如暖气团明显。冷气团对PM2.5输送和清除的比例分别为48%和52%，而暖气团的输送和清除比例分别为60%和40%。强冷气团以污染清除特征为主，而弱冷气团则主要以污染输送为主。强冷气团通过后的4小时内，PM2.5浓度急剧下降，而强暖气团则在通过后14小时内，PM2.5浓度呈缓慢下降趋势。研究结果将会提升对冷、暖气团影响局地污染的认识。
作者：丁明虎*，张琳，窦挺峰，黄怡，等
在极地边界层和对流层下层经常观测到逆温。在这些地区，特别是南极，低层逆温的未来变化仍然知之甚少。由于南极观测资料的缺乏，在南极气候变化研究中经常使用再分析资料和数值模拟。本文首先基于ERA-Interim、ERA5、JRA-55和NCEP–NCAR再分析产品，研究1979–2020年南半球秋冬季南极低层逆温层厚度的时空变化。结果发现，(1) 更厚的逆温发生在南极大陆的高原地区；(2) 基于Mann–Kendall检验的ERA-Interim和ERA5数据分析显示，1992–2007年南极秋冬逆温厚度呈上升趋势，之后基本保持不变，2016年前后开始显著下降，冬季最后两个月下降趋势更为明显；(3) 总体而言，JRA-55数据较好地反映了逆温层厚度的空间分布，而ERA-Interim数据具有较好的年际变率。其次，本文用地球系统模式大集合(CESM-LE) 30个成员模拟了南极逆温，并与1979–2005年JRA-55数据进行对比，发现CESM-LE与JRA-55有较好的一致性，故将CESM-LE用于预估RCP8.5下2031–2050年南极低层逆温厚度的变化。CESM-LE预估结果表明，(1) 21世纪末南极地区逆温变浅，秋季厚度减小幅度大于冬季；(2) 特别是，逆温在无冰海洋上空减弱，而在冰盖上空保持稳定，表现出一定的空间异质性和对下垫冰冻圈表面条件的季节性依赖；(3) 此外，逆温厚度的减小与海冰的减少密切相关，表明全球变暖对南极热结构变化有强烈影响。
作者：周立波*，朱金焕，孔琳琳，李鹏，等
近年来北极快速增温，与地气系统的能量收支异常直接相关。冰川是北极重要的下垫面之一，占北极陆地总面积的三分之一以上。在北极变暖背景下，北极冰川下垫面的能量交换发生了根本性改变。因此，分析研究北极冰川下垫面上的能量收支对于正确认识整个北极地区能量平衡至关重要。由于观测资料有限，目前对北极冰川上的能量交换过程研究极少。本研究基于2019年夏季北极冰川下垫面上获得的观测资料，分析研究了近地面能量交换过程。结果指出，夏季冰川下垫面获得的太阳辐射能远低于苔原地区，与冰川的高反照率有关；冰川获得的能量主要传输到了冰川内部，从而导致冰川融化。近地面大气能量交换存在强烈的逐日变化，主要受局地动力和热力过程的显著影响。
