高原气象

高原气象

目录 封面 第44卷 第6期 2025-12-28   

青藏高原及全球气候变化

  • 青藏高原有、 无积雪下垫面反照率及微气象特征对比研究
  • 王梓月, 罗斯琼, 王景元
  • 2025 Vol. 44 (6): 1413-1426.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2025.00085    CSTR:32265.14.gyqx.CN62-1061/P.2025.00085
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  • 积雪作为冰冻圈的重要组成， 是地球系统中不可或缺的部分， 也是全球气候变化的“指示器”。积雪对气候系统的影响主要源于其高反照率和低导热率等物理特性。由于气候系统对地表反照率的变化十分敏感， 地表反照率的微小变化会显著影响气候系统的能量平衡， 进而通过积雪反照率反馈作用快速影响高原及其下游地区的大气条件。鉴于青藏高原积雪较薄， 且具有反复积累和消融的特征， 本文旨在深入研究积雪有无条件下青藏高原土壤水热过程及地表能量通量的变化特征。本文基于日尺度数据， 通过设定反照率大于0.5的判据， 探讨不同下垫面类型下积雪对地表微气象特征的影响。研究结果表明青藏高原多年平均地表反照率为0.22， 且呈现“西北高、 东南低”的空间分布特征和“冬春高， 夏秋低”的季节变化模态。青藏高原地表反照率受积雪的影响， 区域和季节性差异显著。终年积雪区的面积较小， 仅占总面积的0.55%。选取位于不同气候区的那曲站、 纳木错站和垭口站地表存在积雪覆盖和无积雪条件下的土壤水热特征及地表能量通量特征进行分析， 主要结论如下： （1）在有积雪存在时， 正午时段的地表反照率通常超过0.6， 而在无积雪条件下， 正午时反照率通常低于0.3； （2）在积雪存在的情况下， 土壤水热协同作用较为稳定。具体而言， 在那曲站， 尽管积雪存在状态不稳定， 保温效应较弱， 但积雪的存在可以减小土壤温度的波动。纳木错站和垭口站的积雪状态稳定， 保温效果较为明显， 与无积雪条件下相比， 土壤温度和土壤含水量较高， 且变化幅度较小， 土壤冻结深度较浅； （3）在积雪覆盖情况下， 地表能量的闭合率较低， 湍流通量与有效能量之间的相关性较强。由于那曲站和垭口站不同的积雪条件， 两个站点在地表能量分配方面有明显差异。无论有无积雪覆盖， 那曲站净辐射主要分配给感热通量， 但较浅的积雪覆盖使潜热通量占比增加； 垭口站积雪连续， 有积雪覆盖时净辐射主要分配给潜热通量， 无积雪覆盖时净辐射主要分配给感热通量； 在有积雪覆盖时， 下垫面湿润， 波文比大都在1.0以下， 而在无积雪覆盖时， 波文比较大； （4）冬季， 当有积雪覆盖时， 积雪的保温作用使得土壤温度高于大气温度， 土壤热通量主要向大气传递。随着积雪的逐渐融化， 地表接收到的能量逐渐增加。

  • 青藏高原降水氧同位素的多模式模拟评估研究
  • 施雨卿, 胡俊, 刘光生, 陈旭, 牛岩岩
  • 2025 Vol. 44 (6): 1427-1440.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2025.00035    CSTR:32265.14.gyqx.CN62-1061/P.2025.00035
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  • 青藏高原降水氢氧稳定同位素及其相关的代用资料对深入认识青藏高原气候和水文变化规律具有重要意义。引入水稳定氢氧同位素模块的大气环流模式有助于理解降水同位素及相关古气候代用资料的气候意义。近年来， 有研究将松弛逼近方法应用于这些模式中， 通过融合再分析资料的环流信息减小模式误差。然而， 该方法对降水同位素模拟能力的改善程度还需进一步研究。本研究利用青藏高原同位素监测网络（TNIP）数据， 评估了4种带有水同位素模块的大气模式以及它们融合不同再分析资料后的青藏高原降水氧同位素模拟结果。结果表明， 四种模式均能较好地再现降水δ 18O的气候平均态和季节变化， 模式对青藏高原地区年际变化的模拟能力较低。模式融合再分析资料的青藏高原降水δ 18O空间分布和季节循环变化模拟效果明显优于自由运行模式。模式间的差异比再分析资料之间的差异对降水δ 18O模拟结果的影响更大。综合来看， 再分析资料的融合能有效地订正模式对青藏高原周边大气环流的模拟误差， 从而改善模式对降水和降水δ 18O的模拟能力。本研究为改进青藏高原降水及其稳定同位素模拟提供了有益参考。

  • 青藏高原巴木错季风期水量收支变化特征及成因分析
  • 石乐乐, 马伟强, 马卫垚, 马耀明, 左洪超, 王宾宾, 谢志鹏, 苏荣明珠, 柏灵, 马龙腾飞, 陈霆炜, 陈映怡
  • 2025 Vol. 44 (6): 1441-1451.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2025.00041    CSTR:32265.14.gyqx.CN62-1061/P.2025.00041
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  • 封闭性湖泊水量收支变化是研究湖泊对气候变化响应的理想研究对象， 但现有研究多关注青藏高原湖泊的长期水量变化。由于数据稀缺， 青藏高原湖泊水量年内动态变化及平衡要素的贡献尚不明确， 制约了青藏高原湖泊水量收支和对气候变化响应的研究。本文基于巴木错水文气象观测数据、 再分析资料以及水量平衡方程和入湖径流量计算方法， 分析了巴木错2021 -2023年季风期水量平衡方程各要素——湖面降水P、 入湖径流 R s、 湖面蒸发E、 水位H和水位差值ΔH的动态变化特征； 不同月份、 年份的水量平衡因子相对贡献率； 以及水文要素和气象要素——气温、 向下辐射和相对湿度的年际变化。研究结果表明： （1）巴木错水量收支具有显著年际差异， 其中2021年充沛的P与 R s驱动H上升， 2022年P与 R s骤减导致H下降， 2023年P与 R s的增强抵消E的增强使得H再次上升； （2）ΔH受 R s与E主导调控， 月尺度上 R s贡献率呈“V”型波动、 E贡献率反向变化， 年际尺度上 R s主导正向波动（2021年和2023年）、 E主导负向波动（2022年）； （3）气象要素通过调节P-E动态平衡影响ΔH， 2021年中等气温、 高湿度和中等辐射条件下， E/P比值相对中等， ΔH正向波动（+231 mm）； 2022年， 气温升高、 湿度降低、 辐射增强导致E/P值上升， 叠加P和 R s减少， 引发ΔH负向波动（-75 mm）； 2023年， 气象条件改善， E/P比值下降， 水热条件的恢复驱动ΔH正向变化（+350.6 mm）。本研究揭示了典型季风区湖泊水循环的特征， 对支撑“亚洲水塔”生态安全屏障建设和推动高原可持续发展有重要意义。

  • 2019 -2023年夏季青藏高原闪电时空分布特征研究
  • 安江浩, 陈生, 胡泽勇
  • 2025 Vol. 44 (6): 1464-1472.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2025.00039    CSTR:32265.14.gyqx.CN62-1061/P.2025.00039
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  • 青藏高原海拔较高， 闪电和对流活动相较于其他低海拔地区具有一定的特殊性。为了揭示青藏高原地区闪电活动的时空分布特征， 基于风云四号A星闪电探测仪LMI（Lightning Mapping Imager）获取的2019 -2023年夏季（6 -8月）闪电“组”数据， 本文对青藏高原地区的闪电活动进行时空分布特征的统计分析。分析结果表明： 青藏高原的闪电频次存在显著的地域性差异， 频次高值区主要集中在青藏高原的东部、 中部（喜马拉雅山脉以北， 那曲市及其周边地区）和南部（山南市和林芝市南部）。青藏高原夏季的闪电活动主要发生在6月和7月， 其中6月的闪电活动多集中在东部和南部地区； 7月中部地区的闪电活动有所增强， 东部地区的闪电活动则有向东南部和东北部转移的趋势； 8月东部地区的闪电活动有所减弱， 而南部和中部地区的闪电活动则有所增强。在闪电频次日变化上， 傍晚和夜晚［18:00（北京时， 下同）至次日03:00］是青藏高原闪电活动的高发时段。白天的闪电辐射强度呈现“双峰”特征， 大部分时间闪电辐射强度可达到400 μJ·m-2·ster-1以上； 夜晚闪电辐射强度则呈现“单峰”特征， 辐射强度通常在400 μJ·m-2·ster-1以下， 白天闪电辐射强度明显高于夜晚。多数闪电活动的辐射强度小于100 μJ·m-2·ster-1， 5年平均数量占比达到67.13%。在日变化分布上， 青藏高原中部和东部地区的闪电活动趋势基本一致， 峰值出现在20:00 -21:00和02:00左右， 南部地区在05:00 -06:00达到峰值。三个地区闪电活动高发月份均为7月， 南部地区在8月相较6月、 7月与中部和东部地区相比更为活跃。本研究为进一步理解该地区的气候变化和灾害防御提供了科学依据。

  • 基于SWAT+模型的黑河上游山区水文要素变化模拟与预测
  • 张璇, 朱睿, 尹振良, 陈泽霞, 方春爽, 李乐杰
  • 2025 Vol. 44 (6): 1473-1487.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2025.00028    CSTR:32265.14.gyqx.CN62-1061/P.2025.00028
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  • 在全球气候变暖的大背景下， 明晰内陆河流域山区水文要素的变化特征及趋势， 对保障水资源安全意义重大。本研究以黑河流域上游山区为研究对象， 借助SWAT+模型， 结合CMIP6中5个全球气候模式集合平均数据， 预测SSP1-2.6、 SSP2-4.5、 SSP3-7.0和SSP5-8.5四种情景下水文要素时空变化。结果表明： （1）SWAT+模型在校准期（NSE=0.92， R²=0.93， PBIAS=-7.09%）和验证期（NSE=0.89， R²=0.91， PBIAS=4.74%）的评价系数较高， 说明SWAT+在黑河流域上游山区径流模拟方面适用性良好； （2）四种情景下， 未来出山径流较基准期分别增长12.2%、 8.1%、 10.4%和19.2%， 秋、 冬两季径流量增长尤为显著； 近（远）未来时期， 流域平均总产水量增加量介于6.2~25.4 mm（22.2~35.7 mm）， 平均地下流量增加量介于1.6~7.4 mm（7.4~12.1 mm）， 远未来时期各水文要素增加量更大； （3）水文要素空间分布方面， 降水量、 蒸散发量、 地表产流量、 地下径流量空间分布呈西北向东南递增， 总产水量和侧向流量则是中部高、 北部低； （4）各水文要素变化量的空间分布格局差异较大， 近未来（2021 -2060年）时期不同情景间水文要素变化量的空间分布差异相对较小， 远未来（2061 -2100年）时间空间分布差异更大。综上， SWAT+模型能够较好地刻画内陆河流域山区水文过程及水文要素的时空变化。

  • 青藏高原不同区域蒸散发变化特征及影响因子分析
  • 陈霆炜, 马耀明, 谢志鹏, 王宾宾, 左洪超
  • 2025 Vol. 44 (6): 1488-1507.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2025.00048    CSTR:32265.14.gyqx.CN62-1061/P.2025.00048
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  • 为探究青藏高原不同气候区内蒸散发的长期变化特征及其主要影响因子， 加深对高原地区地气相互作用及生态水文过程的理解， 本研究选取了慕士塔格站、 那曲站、 珠峰站和藏东南站作为典型观测点， 并基于站点长期观测数据及卫星遥感资料， 计算各站点不同时间尺度下的实际蒸散发量， 同时分析其与环境因子的相关性， 并利用路径分析方法量化季风期内各环境因子对日蒸散发量的影响。结果表明： （1）在年蒸散发量方面， 那曲站最高， 多年平均值达592.17 mm， 藏东南站略低， 为521.34 mm； 慕士塔格站次之， 为422.84 mm； 珠峰站最低， 仅206.33 mm， 远低于其他站点。（2）对于年蒸散发与降水的比值而言， 慕士塔格站由于降水较少， 其比值最大， 为3.34； 其次是那曲站， 为1.11； 珠峰站的比值接为0.96， 局地水分收支接近平衡， 蒸散发水分主要来源于降水； 而藏东南站的比值最低， 仅为0.68， 表明该站点下垫面较强的水土保持能力， 较多的降水盈余有利于水资源的积累和植被生长。（3）年际变化趋势分析显示， 慕士塔格站、 那曲站及藏东南站的年蒸散发量均呈上升趋势， 其中慕士塔格站的增加主要归因于净辐射的持续增强； 那曲站的蒸散发增长与土壤含水量的增加密切相关； 藏东南站的上升趋势则主要受气温升高的驱动。相比之下， 珠峰站的蒸散发量呈下降趋势， 主要受季风期降水减少的影响。（4）各站点蒸散发受不同环境因子的控制。慕士塔格站的蒸散发主要受净辐射和土壤含水量控制， 水分来源于冰川融水补给； 珠峰站因水汽输送有限， 蒸散发主要受降水控制； 那曲站的蒸散发受净辐射和土壤含水量共同调控， 受能量因子的限制作用更强； 藏东南站降水充沛， 蒸散发受水分限制较弱， 主要受净辐射和气温影响。（5）植被覆盖对蒸散发的调控作用在那曲站和藏东南站较明显， 而慕士塔格站和珠峰站由于植被稀疏， 相关性较弱。（6）在非季风期， 各站点水汽供应显著减少， 除藏东南站外， 其余站点土壤冻结， 土壤含水量处于全年最低水平， 蒸散发过程主要受净辐射控制， 而藏东南站由于水汽输送减少， 蒸散发更多依赖降水供给。

  • 基于台站观测资料的高原感热对高原季风影响研究
  • 李义鑫, 张少波, 赵勇, 杨显玉
  • 2025 Vol. 44 (6): 1508-1518.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2025.00045    CSTR:32265.14.gyqx.CN62-1061/P.2025.00045
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  • 为了研究高原感热与高原季风之间的关系， 本文使用1979 -2016年站点感热资料和ERA5（ECMWF Reanalysis V5）再分析资料， 计算不同高原季风指数， 并利用相关分析与合成分析方法对高原感热和高原季风的变化特征和相关关系进行分析， 探讨高原感热对高原季风的影响。结果表明： （1）IPMtang和IPMzhang两种高原季风指数因定义角度不同导致对高原感热的响应存在显著时效性差异， 其中对于夏季高原季风与夏季感热的关系， IPMzhang呈显著负相关（r=-0.30， p<0.1）， 而IPMtang呈弱的负相关但不显著； 对于夏季高原季风与5月感热的关系， IPMtang呈显著正相关（r=0.32， p<0.1）， IPMzhang呈显著负相关（r=-0.44， p<0.01）， 反映了5月感热对于高原季风强弱的影响。（2）对于夏季感热和夏季高原季风的空间相关分布特征， IPMtang为东西反向， 而IPMzhang则呈南北相反。尽管不同指数反映的相关区域存在差异， 但均可以与季风和降水的相关性有效对应， 反映了季风活动下， 因为降水所带来的土壤湿度变化后， 对高原感热的抑制作用。（3）对于5月感热而言， 5月高原南部感热偏强时， 会激发夏季对流层高层高原主体异常低压系统以及中纬度“-＋-＋-”型波列生成， 配合低层上升的垂直结构以及对流层中高层的异常高低压系统， 为高原东南部降水提供动力-热力协同作用， 促进该地区的降水生成。600 hPa上高原东南部的异常低压系统和高原北部的异常西风分量， 也分别有利于IPMtang的偏强与IPMzhang的偏弱， 揭示了5月感热对于夏季季风活动的影响。

灾害性天气与短期气候预测

  • 基于决策树算法的青海省高原地区冰雹预报及关键特征因子分析
  • 刘杰, 张国晶, 王晓英, 管琴
  • 2025 Vol. 44 (6): 1519-1533.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2025.00044    CSTR:32265.14.gyqx.CN62-1061/P.2025.00044
  • 摘要 ( ) PDF (7262KB) ( )

  • 青海省因其独特的地理环境， 成为冰雹天气频发的地区。针对中国高原复杂地形区域， 尤其是青海高原的特殊性， 本文利用2009 -2023年青海省52个地面气象站的冰雹观测数据及同期冰雹灾情资料， 结合ERA5大气再分析数据集， 构建了适用于青海高原的冰雹预报数据集。基于此数据集， 本文采用随机森林、 XGBoost和LightGBM三种决策树集成学习模型进行冰雹预报建模。实验中， 分别对直径≥2 mm和≥5 mm的冰雹样本进行了实验与讨论。实验结果表明， LightGBM模型在两种样本上的表现均优于随机森林和XGBoost算法， 尤其在大冰雹样本（直径≥5 mm）的预报中效果更佳。具体而言， LightGBM模型在小冰雹样本（直径≥2 mm）上的命中率、 误报率、 临界成功指数、 准确率和召回率分别为0.923、 0.041、 0.858、 0.946和0.924； 在大冰雹样本（直径≥5 mm）上的命中率、 误报率、 临界成功指数、 准确率和召回率分别为0.938、 0.038、 0.908、 0.960和0.964。基于实验结果， 本文深入分析了高原复杂地形区域的冰雹预报模型， 发现在众多特征因子中， 对于青海省冰雹天气预报影响较大的特征因子依次是热力条件（温度垂直积分p54.162、 热能垂直积分p60.162、 2 m露点温度d2m）、 特性高度层条件（100 hPa温度t100、 400 hPa温度t400、 20 hPa位势高度z20）以及动力条件（500 hPa风的东西方向分量u500、 200 hPa风的南北方向分量v200和200 hPa风的东西方向分量u200）。通过对特征因子核密度估计曲线分析， 发现大部分特征因子的核密度估计曲线未能呈现明显的分离性， 单一特征因子难以决定冰雹天气的发生。个例分析表明， 基于LightGBM的冰雹预报模型展现出良好的空间预报能力。通过对关键物理量的24 h演变特征分析发现， 茶卡站发生较大尺度冰雹事件与多个天气要素的显著变化密切相关： 温度垂直积分（p54.162）呈现较大波动， 表明对流活动剧烈； 2 m露点温度（d2m）维持在较高水平， 反映近地面水汽充沛； 500 hPa东西向风速（u500）较大， 暗示中层大气存在显著的动力条件； 100 hPa温度（t100）偏低， 体现了高层大气的特征。这些物理量的协同演变特征不仅揭示了强对流天气系统发展的关键环节， 也为完善青海省区域冰雹潜势预报方法提供了科学依据。

  • 云南电线不同类型覆冰期天气系统分析
  • 侯瑞钦, 谭桂容, 徐蓉蓉
  • 2025 Vol. 44 (6): 1534-1546.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2025.00026    CSTR:32265.14.gyqx.CN62-1061/P.2025.00026
  • 摘要 ( ) PDF (5364KB) ( )

  • 云南滇东及滇东北地区是云南省的重冰区。本文利用电网传感器和人工观测覆冰资料、 欧洲中心再分析资料（ERA5）等， 针对2023年12月云南昭通地区持续一周的覆冰天气进行了诊断分析。结果表明： 该过程覆冰区主要位于高原北部迎风坡处， 观测覆冰厚度高值点对应地形高度1500~2000 m。过程覆冰类型复杂多样， 不同类型与冷空气影响时段相对应。其中， 高温高湿型（GG型， 气温>0 ℃， 湿度≥75%）出现在冷空气影响的初始阶段； 当冷暖空气对峙， 静止锋维持时， 低温高湿型（DG型， 气温≤0 ℃， 湿度≥75%）覆冰大范围发生， 该类型出现频次最多； 冷空气影响趋于结束时， 覆冰类型以低温低湿型（DD型， 气温≤0 ℃， 湿度<75%）为主； 高温低湿型（GD型， 气温>0 ℃， 湿度<75%）出现频次最少。覆冰形成期， 区域上空500 hPa为西风气流或有短波槽影响， 700 hPa为西南风或西南急流， 为降水提供了充沛的水汽。700 hPa有时形成切变线， 配合地面静止锋， 为覆冰降水提供了良好的动力抬升条件。GG型和DG型覆冰发生时， 水汽条件充沛， 上升运动强， 覆冰是与冻雨（毛毛雨）、 雨夹雪或小雪及雾相关的混合结冰。DD型和GD型发生在冷空气影响的末期， 湿度和动力条件均较差。DD型覆冰可能与夜间辐射降温作用下形成的冻雾及雾中毛毛雨有关， 而GD型覆冰的形成可能更多的是与局地下垫面热力或微地形抬升引起的雾或弱降水有关。

  • 基于深度学习方法改进CMIP6模式对中国东部沿海复合极端风雨事件的模拟能力
  • 谭淇昌, 张宇, 葛非, 蒋毅飞, 邬钰嫣, 王康宁
  • 2025 Vol. 44 (6): 1547-1561.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2025.00029    CSTR:32265.14.gyqx.CN62-1061/P.2025.00029
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  • 相对于单一极端天气气候事件， 由极端强风和极端降水造成的复合极端风雨事件（Compound wind and precipitation extremes， CWPE）对沿海地区的经济和人民生活造成巨大的影响。本文利用第六次国际耦合模式比较计划（Coupled Model Intercomparison Project Phase 6， CMIP6）中17个模式模拟1961 -2000年中国东部沿海地区CWPE作为训练集， 采用多层感知机神经网络建立深度学习（Deep Learning， DL）模型。通过构建适用于CWPE损失函数的方式对模型进行优化， 发展适用于降低CMIP6模式对CWPE模拟偏差和不确定性的DL模型。研究结果表明， 大多数CMIP6模式对中国东部沿海地区CWPE有较好的模拟能力， 其中多模式集合平均值（Multi-Model Ensemble Mean， MME-Mean）和多模式集合中位数（Multi-Model Ensemble Median， MME-Median）的结果相对于单一模式的评估表现更好。以均方误差（Mean Squared Error， MSE）函数作为损失函数构建的DL模型， 在泰勒技巧评分（Taylor Skill Score， TS）和均方根误差（Root Mean Squared Error， RMSE）评分上的表现不如多模式集合统计结果。在MSE损失函数基础上加入气候评估指标中的标准差之比（Ratio of the Standard Deviation， RSD）和构建的低估值约束函数， 可以有效提高DL模型在TS和RMSE评分上的表现。因此， 将由MSE、 RSD以及低估值约束函数构建的加权损失函数训练的DL模型定义为DL-MRM， 仅以MSE作为损失函数训练的DL模型定义为DL-MSE。对比分析2001 -2014年间两个DL模型对中国东部沿海CWPE模拟表现以及DL-MRM相对于多模式集合方法的表现得出： （1）两个DL模型模拟结果均表现低估， 但DL-MRM的偏差相比于DL-MSE更低且更接近观测， 其中在研究区域内DL-MRM的相对偏差低于DL-MSE的面积约为63%， 且相对偏差平均降低了约20%； （2）DL-MRM相较于MME-Mean和MME-Median， 整体偏差较低， 其模拟结果更接近观测， 在研究区域内DL-MRM的相对偏差较低的面积占比分别为67%和62%， 且相对偏差分别平均降低约10%和20%。总体而言， 通过融合RSD和低估值约束函数构建加权损失函数的方式对模型进行优化， 建立了适用于提高CMIP6模式模拟CWPE能力的DL模型， 并表明结合深度学习方法相对于传统多模式集合方法能更有效地降低CMIP6模式模拟CWPE的偏差。

  • 昆明准静止锋冰冻天气过程的雨雪转化特征
  • 郑皎, 施元浩, 李英发, 郭学良
  • 2025 Vol. 44 (6): 1562-1575.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2025.00022    CSTR:32265.14.gyqx.CN62-1061/P.2025.00022
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  • 低温雨雪冰冻天气往往出现多种降水相态， 从而显著增加了预报难度。基于C波段双偏振雷达和分钟级降水粒子谱观测数据， 对2022年2月22日云南红河州一次罕见低温雨雪冰冻天气过程， 研究了其产生的大气环流、 云垂直微物理结构和降水粒子谱分布特征。结果表明： 昆明准静止锋的加强西进与青藏高原南支西风槽的配合， 是导致此次雨雪冰冻天气过程的主要原因， 锋面摆动和冷暖大气层结交替变化， 直接造成了地面降水相态的雨-雪转换。地面降水发生时， 在温度为-15~-10 ℃的高层， 差分反射率（Z DR）和比相位差（K DP）突增， 相关系数（CC）显著降低， 表明枝状冰晶呈现显著增长现象。融化层附近具有明显的亮带特征， 冰粒子融化增强。不同相态降水粒子谱分布特征差异显著， 大雪花的形成主要通过小雪花结霜增长和碰并增长机制。降雪时， 平均粒子数浓度达到最高， 对应下落末速度为1.1 m·s-1， 较雨或雨夹雪时的平均末速度（2.2 m·s-1）偏小； 平均降水粒子谱为单峰谱， 雨夹雪和雪的谱宽为0.312~7.5 mm， 较雨滴谱宽（0.312~5.5 mm）更宽。雨夹雪时， 粒径在5.5 mm处出现拐点， 转为雪后， 大粒径的粒子数浓度明显增加。该结果可为冬季降水相态的临近预报提供重要参考。

  • 南北方冰雹云环境条件差异及雹云发展演变特征的个例研究
  • 王清源, 郭凤霞, 邓洁, 何苗, 付航航, 陈禹坛
  • 2025 Vol. 44 (6): 1576-1588.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2025.00047    CSTR:32265.14.gyqx.CN62-1061/P.2025.00047
  • 摘要 ( ) PDF (7112KB) ( )

  • 不稳定能量、 强的水平环境风垂直切变和0 ℃层高度是影响地面降雹的重要因素， 为探讨我国南北方冰雹云环境层结差异， 本文对比了陕西旬邑和福建西北部两次冰雹过程发生前的环境层结特征， 并利用三维冰雹云数值模式通过敏感性实验对两次过程在不同扰动温度下的发展特征进行了模拟， 并模拟讨论了强垂直风切变对福建冰雹个例的影响。结果表明， 陕西个例对流有效位能（CAPE）大， 垂直风切变很弱， 而福建个例CAPE值相对较小， 但具有强垂直风切变。两个冰雹云的0 ℃高度较统一。陕西冰雹云形成的大气环境水汽含量较少， 云底高度较高， CAPE转化为上升气流动能的效率更高。福建冰雹云的低层大气湿度更大， 云底高度更低， 不稳定能量更易于释放。对流越强， 垂直风速的峰值越大且出现的时间越早， 冰雹的含量越多且持续时间越长， 固液态降水强度越强、 降水量越多。福建个例的强风切变使对流的强度减弱、 生命期变短， 对流越弱， 影响越明显， 同时强风切变使固液态降水减弱， 无风切变时， 冰雹比含水量和数浓度值更大， 存在范围更广泛且时间更长， 出现时间也更早， 但降雹范围更小。

主要气象要素和天气现象预报

  • 基于多尺度特征融合的深度学习常德市格点气温预报
  • 黎璐, 游枭雄, 陈静静, 胡振菊, 卢姝, 李琼
  • 2025 Vol. 44 (6): 1600-1612.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2025.00040    CSTR:32265.14.gyqx.CN62-1061/P.2025.00040
  • 摘要 ( ) PDF (6456KB) ( )

  • 本研究旨在通过融合高空和地面多尺度特征， 提高城市格点气温预报的精度。基于2021 -2024年4 -9月常德地区的欧洲中期天气预报中心（ECMWF）模式预报数据和中国气象局高分辨率陆面数据同化系统（HRCLDAS）逐小时气温格点实况数据， 采用高分辨率MU-NET（Multi-Scale U-Net）模型， 设计了三组试验来构建一个能够预测常德市未来24 h每小时气温的深度学习模型。试验结果表明， 融合了地面和高空特征的MU-NET模型在研究区域内展现了最佳的订正效果， 其平均绝对误差（MAE）和均方根误差（RMSE）相较于EC模式分别降低了22%和25%， 并且在日变化中， MU-NET模型的MAE值最低， 尤其在日最高气温预报中表现突出， 平均降低了0.4 ℃。在空间尺度上， MU-NET模型在高海拔地区相较于EC模式实现了60%~80%的预报技巧评分提升， 在平原和洞庭湖地区提升幅度最大。在2024年的两次关键天气过程中， MU-NET模型由于融合了地面和高空特征， 展现了稳定的预报性能， 尤其在处理复杂天气现象时的适用性。本研究的发现为提高气温预报的准确性提供了新的视角， 并为实际的气象预报业务提供了有价值的参考。

  • 茅台机场低能见度天气特征及主要影响因子研究
  • 廖红羽, 许东蓓, 严小杰, 方祥超, 王雨琪, 李耀辉, 肖子怡
  • 2025 Vol. 44 (6): 1613-1629.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2025.00046    CSTR:32265.14.gyqx.CN62-1061/P.2025.00046
  • 摘要 ( ) PDF (13547KB) ( )

  • 利用2017 -2023年茅台机场AWOS（Automated Weather Observing System）自动观测资料、 ERA5（ECMWF Reanalysis v5）再分析资料以及美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的ETOPO2v2地形数据， 采用天气学分析、 统计分析与诊断分析等方法， 对机场低能见度天气特征及其影响因子进行了研究， 并利用HYSPLIT后向轨迹模型对低能见度天气的水汽源地进行追踪。结果表明： 茅台机场全年湿度较高， 秋冬季低温、 高湿、 低风速等特征明显， 更有利于低能见度天气的形成和维持。机场全年各月均会出现低能见度天气， 其中10月至次年2月以及春末夏初低能见度出现日数高于平均值。一天中低能见度天气发生频率从傍晚开始逐渐升高， 春季在06:00 -08:00（北京时， 下同）发生频率达到最高， 夏季和秋季05:00 -07:00发生频率达到最高， 冬季03:00 -05:00发生频率达到最高。除较低风速外， 影响低能见度天气的主要影响因子还包括地形、 环流背景、 逆温、 温度平流以及水汽条件等。低能见度天气发生时机场风向主要为WNW， 与赤水河谷地形以及冷空气的活动密切相关。春、 秋、 冬季三季， 机场上空高层主要受偏西气流影响， 低层偏北气流与偏南气流在云贵高原上交绥形成云贵准静止锋。锋面逆温有利于水汽在近地面聚集达到饱和状态， 低能见度天气多发生于锋后冷区中。夏季机场上空逆温多为辐射逆温， 低能见度天气以辐射雾为主。HYSPLIT水汽追踪结果表明， 低能见度天气1500 m高度主要水汽来源有两个， 分别是青藏高原南侧的孟加拉湾和机场西北部的赤水河谷； 3000 m高度水汽则主要来源于孟加拉湾。

  • 黄土高原典型塬区边界层高度反演方法对比研究
  • 张翔, 余晔, 董龙翔, 赵果, 马腾, 祁少锋, 赵素平, 李江林, 张彤
  • 2025 Vol. 44 (6): 1630-1644.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2025.00032    CSTR:32265.14.gyqx.CN62-1061/P.2025.00032
  • 摘要 ( ) PDF (5966KB) ( )

  • 大气边界层高度是大气环境、 天气和气候研究中最重要的参数之一。随着地基遥感探测技术的发展， 对大气边界层高度进行连续监测成为可能。然而， 基于地基遥感得出的边界层高度取决于所使用的反演方法， 且受复杂大气条件的影响。本研究采用中国科学院平凉陆面过程与灾害天气观测研究站2020年8月27日至2023年8月1日云高仪、 累计降水量和天气状况观测记录， 以及2023年夏季加强观测期探空等观测资料， 结合位温廓线识别的边界层高度， 对比分析了几种基于云高仪后向散射梯度反演边界层高度算法的有效性， 提出了白天［08:00（北京时， 下同） -19:00）］和夜间（20:00至次日07:00）分别采用不同后向散射梯度算法并限制检索高度的边界层高度反演混合算法。结果表明： 不同后向散射梯度算法（最大负梯度法、 三大负梯度评估法、 百分比波动法、 拐点法和Flamant法）反演结果存在差异， Flamant法、 三大负梯度评估法和最大负梯度法反演的边界层高度与位温廓线反演结果相关性较高， 平均绝对偏差较小， 拐点法和百分比波动法反演的边界层高度绝对偏差较大。对后向散射廓线进行适当平滑并采用混合算法能显著提升边界层高度识别的准确度， 其中SG 25/25平滑方案结合Flamant和最大负梯度混合算法反演效果最好， 得到的边界层高度与位温廓线反演结果的相关性为0.56， 平均绝对偏差约为406 m， 与云高仪内部算法结果的相关性为0.64。混合算法可很好地识别和反映边界层高度的日变化特征， 当边界层较高时， 其反演结果波动较大， 通过时间平均能有效提升其连续性。利用本文给出的混合算法可以得到连续性及分辨率高的边界层高度信息， 可作为边界层高度等基础数据的补充方案。

  • 基于观测与模拟的北京光解速率长期变化特征研究
  • 李春燕, 赵舒曼, 武淑敏, 刘昆, 胡波
  • 2025 Vol. 44 (6): 1645-1655.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2025.00037    CSTR:32265.14.gyqx.CN62-1061/P.2025.00037
  • 摘要 ( ) PDF (1902KB) ( )

  • 为探究北京地区大气光化学基础参数的演变规律及气溶胶的影响机制， 本研究基于2018年9月至2019年8月期间北京地区近地面观测的二氧化氮光解速率J（NO2）和紫外辐射数据， 结合辐射传输模型TUV模拟与气溶胶光学参数分析， 分析了J（NO2）的时空变化特征， 并探讨了气溶胶对J（NO2）的影响。此外， 本研究还重构了2013 -2023年的长期光解速率数据集， 进一步揭示了长期变化趋势与气溶胶特征的相关性。研究结果表明， J（NO2）日变化呈现典型的单峰型分布， 峰值通常出现在正午时段［12:00（地方时， 下同） -13:00］， 受太阳天顶角变化的直接影响。夏季J（NO2）的极值为冬季的1.9倍， 分别为5.65×10-3 s-1和2.95×10-3 s-1， 表明夏季由于太阳辐射强度更高， 光解速率显著增加。季节变化特征表现为夏季（3.77×10-3 s-1）>春季（3.51×10-3 s-1）>秋季（2.97×10-3 s-1）>冬季（2.25×10-3 s-1）， 主要受到太阳辐射强度季节性变化及夏季多雨天气影响的双重作用。此外， 利用紫外辐射晴空指数（KUV）与太阳天顶角余弦值构建的J（NO2）估算模型， 计算值与观测值之间的线性拟合相关系数达0.99， 且平均相对误差为8.8%， 均方根误差为0.00036。结果验证了该模型在复杂大气条件下的较高适用性， 提供了有效的预测手段。通过该模型重构的长期数据集表明， 北京地区J（NO2）2013 -2023年总体呈显著上升趋势， 年均增幅达2.73%。2023年均值为4.20×10⁻³ s⁻¹， 比2013年（3.20×10⁻³ s⁻¹）增长了31.3%。这一上升趋势与同期PM2.5浓度和气溶胶光学厚度的持续下降密切相关， PM2.5浓度年均降幅为5.51%， AOD年均降幅为5.74%。这些变化表明， 随着大气清洁化措施的推进， 颗粒物的减少降低了对紫外辐射的衰减作用， 间接促进了光解速率的提升。研究发现， 在污染条件下， J（NO2）显著降低。当PM2.5浓度高于75 μg·m-3时， J（NO2）极值比无污染条件下降了22.8%。这一发现表明， PM2.5的浓度变化是影响光解速率的一个重要因素。通过对气溶胶光学特性的分析发现， J（NO2）与AOD及波长指数（AE）呈负相关， 而与单次散射反照率（SSA）呈正相关。敏感性试验表明， 当AOD从0.5增加到2.5时， J（NO2）日极值降低了45.6%。尤其是在AOD为2.5时， 正午时段的衰减率达49.8%。相反， 当SSA从0.2增至1.0时， 气溶胶的散射能力增强， 使得J（NO2）日极值增加了43%。当AE从0.5增加至2.0时， J（NO2）极值仅降低3.0%， 相较AOD和SSA， AE的变化对J（NO2）的影响较小。气溶胶对光化学过程的影响排序为： AOD > SSA > PM2.5 > AE， 其中AOD对J（NO2）变化的影响最为显著， 揭示了气溶胶的消光作用对光化学过程的抑制作用占据主导地位。此外， 本研究还通过对TUV模型的验证， 确认了其在模拟J（NO2）时空变化中的可靠性， 模拟值与观测值的相关性达0.93。该验证结果为量化气溶胶-辐射-光化学耦合机制提供了重要的方法支撑。

  • 全球动态植被模型中竞争与共存研究进展综述
  • 向佳怡, 袁华, 曾晓东, 刘卓, 董文宗, 柳莹莹, 林莞仪, 戴永久
  • 2025 Vol. 44 (6): 1667-1682.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2025.00036    CSTR:32265.14.gyqx.CN62-1061/P.2025.00036
  • 摘要 ( ) PDF (3236KB) ( )

  • 植被的竞争与共存是全球动态植被模型（Dynamic Global Vegetation Model， DGVM）中的核心生态过程， 直接影响植物群落的结构与功能， 并在一定程度上塑造全球植被的地理分布格局。深入理解不同DGVM中植被竞争与共存的表达方式差异， 对于减少生态系统预测的不确定性、 提升预测精度具有重要意义。本文从隐式与显式两大分类出发， 系统梳理了各种DGVM中植被竞争与共存的不同表达方式， 并通过模型分析与文献调研探讨了各自对模拟结果的潜在影响， 对比分析了不同表达方法的优劣势。研究表明： （1）隐式与显式表达的核心差异源于对植被结构的不同假设。隐式表达假设冠层结构水平均匀， 不同冠层相互独立且互不遮挡， 难以直接模拟对光照等资源的竞争过程， 通常通过简单假设（如竞争优先级）来调整植被覆盖度。这种简化处理在计算效率上具有优势， 但可能忽略了复杂的资源竞争机制。相比之下， 显式表达通过刻画植物的三维结构与及其与环境的相互作用， 能够直接模拟资源竞争过程， 反映更为复杂和动态的竞争结果， 而非固定的等级结构。（2）竞争表达方式显著影响群落动态模拟。通过三种模拟对比实例（DGVM中有无植被竞争、 显式和隐式方案对比、 隐式参数敏感性分析）， 定量评估了不同竞争表达方式对植物群落空间分布、 总碳生物量等结果的显著影响， 其中差异幅度可达48.6%。在基于Lotka-Volterra模型的隐式表达中， 环境资源与种群密度的关系是影响植物能否共存的关键。若采用非线性关系则能体现植物“丛聚”效应， 从而促进多种植物功能型的共存， 而线性关系假设则可能造成非主导物种在竞争中被排除， 模拟出不符合实际的单一物种存在结果。（3）该综述还探讨了隐式与显式建模的优缺点及其适用场景。隐式表达因其假设简单， 易于实现且计算效率高， 广泛应用于大尺度地球系统模式中。然而隐式表达可能导致一些关键过程的模拟偏差， 如高估被遮阴植物的光合作用效率。相比之下， 显式表达能够更精确地模拟小尺度集群行为， 理论上更符合实际生态过程， 但其计算成本较高， 且存在一定的随机性与不确定性， 这使得显式表达在大规模模拟中的应用仍受到限制。最后对DGVM的未来发展方向提出了一些看法： 一方面加强模型比较计划的同时， 构建植被分布与结构基准数据集， 为不同模型提供可靠的验证依据； 另一方面完善模型设计， 在控制不确定性的前提下逐步引入显式表达， 以缩小模型间的预测差异， 提高预测的准确性。通过这些措施， 有望进一步加深植物群落动态变化与碳循环机制的理解， 并为应对气候变化提供更加可靠的科学依据。

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