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“23.7”华北特大暴雨过程小时强降水时空分布特征 被引量:9
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作者 唐永兰 徐桂荣 +2 位作者 唐国瑛 张文 闵爱荣 《大气科学学报》 CSCD 北大核心 2024年第5期778-788,共11页
由于西北太平洋副热带高压、2023年第5号台风“杜苏芮”、第6号台风“卡努”等共同作用,2023年7月29日08时—8月2日08时(北京时)华北地区发生极端特大暴雨,造成了重大社会影响。利用中国气象局国家气象信息中心提供的国家级气象站逐小... 由于西北太平洋副热带高压、2023年第5号台风“杜苏芮”、第6号台风“卡努”等共同作用,2023年7月29日08时—8月2日08时(北京时)华北地区发生极端特大暴雨,造成了重大社会影响。利用中国气象局国家气象信息中心提供的国家级气象站逐小时降水资料,分析了此次特大暴雨过程中的小时强降水(Hourly Heavy Rainfall,HHR)时空分布特征,并对不同历时类型强降水事件(Heavy Rainfall Event,HRE)的统计特征进行了对比。结果表明:1)此次特大暴雨HHR强度高、局地性明显,其对总降水量的贡献超过20%,北京西部、河北中部和西南部等太行山东麓为HHR降水量大值区和降水频次活跃区,双台风将水汽源源不断地输送到华北平原,受到太行山等山脉阻挡抬升,利于HHR增幅和持续。2)HHR降水量、降水频次经历6次峰值后减弱,其中第3次峰值时段的HHR降水量最大、降水频次最多、持续时间最长;而在“杜苏芮”残涡螺旋影响、暖式切变线和偏东风影响以及偏南或西南急流影响的3个主要降水阶段中,“杜苏芮”残涡螺旋影响阶段HHR最为活跃,共发生257次HHR,HHR最大降水量达73.5 mm。3)在3种类型HRE中,长历时(>12 h)最多,占比54.5%,短历时(1~6 h)次之,占比32.9%,中历时(7~12 h)最少,占比12.6%;长历时HRE降水量多>180 mm,短历时、中历时HRE的降水量多为[20,60)mm;HRE的最大降水量表现为短历时<中历时<长历时,而最大降水强度表现正相反,3种历时HRE的最大小时降水量多为[20,30)mm。4)不同类型HRE降水量、频次和平均降水强度的空间分布显示,长历时HRE因频次高于短历时和中历时,加之历时长,其降水量也高于后两种类型,北京、河北等地是长历时HRE降水量和频次大值区。 展开更多
关键词 华北 特大暴雨 小时强降水 强降水事件 时空分布 台风 地形
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中国主雨季极端小时降水时空分布和日变化特征 被引量:6
2
作者 汪小康 崔春光 +1 位作者 刘柯 王晓芳 《气象》 CSCD 北大核心 2024年第4期393-406,共14页
基于国家级气象站逐小时降水资料,采用百分位阈值的极端降水定义方法,统计研究了中国1951—2021年4—10月小时降水时空分布和日变化特征。结果表明,中国主雨季极端降水阈值东南大、西北小,存在四个分别位于华南、环渤海、长江中下游和... 基于国家级气象站逐小时降水资料,采用百分位阈值的极端降水定义方法,统计研究了中国1951—2021年4—10月小时降水时空分布和日变化特征。结果表明,中国主雨季极端降水阈值东南大、西北小,存在四个分别位于华南、环渤海、长江中下游和四川盆地的大值区,随着极端性增强,北方小时降水阈值的增大较南方更显著,大值中心北移。月尺度上,小时降水的最高频次月份由南向北从5月推迟至8月,华西地区最晚(9—10月),随着极端性增强,最高频次月份由6月、7月推迟到7月、8月,且地区差异减小。日变化特征上,全国范围内小时降水频次占比,呈现午后到夜间的谷峰主循环和后半夜到上午的次循环,且随着极端性增强,主循环振幅增大,次循环峰值减小。不同地理位置看,四川盆地的极端小时降水峰值时刻出现在凌晨,其他三个大值区则与全国平均较为一致,日变化振幅从南到北逐渐减小,西部最大。小时降水峰值时刻具有空间聚集的特征,夜间峰值主要集中在南方沿海和华北、东北,早晨—上午峰值集中在中部、东部、西南和西北部分地区,空间分布中出现的逐渐推迟和突变特征与海陆分布和大地形密切相关。小时降水峰值时刻空间占比与频次占比的日变化特征类似,均有上午峰值平缓、夜间峰值陡峭的特征,这是因为不同站点到达夜间峰值的时刻接近,而到达上午峰值的时刻不同;两者主要区别在随着极端性增强,频次占比夜间主峰值显著增大,而峰值时刻空间占比主峰值几乎不变,这是因为频次的变化主要是由同一些站点上的次数变化导致,而非不同站点之间的差异。 展开更多
关键词 极端小时降水 百分比阈值 时空分布 日变化
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岷沱江、嘉陵江流域致宜昌大洪水暴雨过程的特征及天气成因 被引量:1
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作者 王孝慈 孟英杰 +2 位作者 李双君 王继竹 李波 《气象》 CSCD 北大核心 2024年第8期981-996,共16页
为揭示岷沱江、嘉陵江流域致大洪水暴雨过程的天气成因及宜昌控制站雨洪规律,加深对宜昌站大洪水发生发展机制的研究,基于NCEP/NCAR再分析资料及常规气象水文观测资料,采用统计学、天气学等方法分析研究了1980—2020年发生在岷沱江、嘉... 为揭示岷沱江、嘉陵江流域致大洪水暴雨过程的天气成因及宜昌控制站雨洪规律,加深对宜昌站大洪水发生发展机制的研究,基于NCEP/NCAR再分析资料及常规气象水文观测资料,采用统计学、天气学等方法分析研究了1980—2020年发生在岷沱江、嘉陵江流域的19例致洪暴雨过程特征、雨洪关系、致洪暴雨源地及下垫面特征、天气系统配置等。结果表明:宜昌作为长江流域主要控制站,当前期起始入库流量达到19000 m^(3)·s^(-1)以上,且刚好遭遇连续性暴雨过程,则发生大洪水概率会显著提高。从岷沱江或嘉陵江的连续性暴雨过程开始至洪峰产生所需时长平均在6 d左右。暴雨持续时间和累计面雨量与洪峰有较好的对应关系,每次大洪水的形成都需要一次持续3 d以上的暴雨过程,多数在4~6 d。大洪水过程全部发生在7—9月。致洪暴雨过程以准静止类雨带为主,其次是东移类和转向类。89%的过程雨带呈东北—西南向的带状分布。强降水中心源地与特殊地形关系密切,主要分布于3处:岷江下游与青衣江交汇处,转向类降水多发;嘉陵江中下游、涪江流域及渠江流域,多以准静止类为主;涪江中游及渠江流域北部,东移类暴雨过程多发。孟加拉湾热带低压系统的存在对上游产生连续性暴雨至关重要,其次是南海地区的低值系统,两者参与过程占比达68%。低压系统不仅为岷沱江、嘉陵江流域带来充足能量和水汽,其东侧水汽的卷入容易在岷沱江、嘉陵江流域触发低涡,再配合特殊地形,产生强的上升运动。降水过程分为准静止持续性降水和移动性持续降水2类。易发大洪水的天气概念模型有3类:Ⅰ型为西太平洋副热带高压边缘、西风短波东移触发暴雨型,Ⅱ型为青藏高原低值系统东移触发暴雨型,Ⅲ型为低层偏东气流暴雨型。 展开更多
关键词 岷沱江 嘉陵江 致洪暴雨 宜昌大洪水 天气概念模型 准静止类
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基于GNSS水汽和地面假相当位温观测的短时强降水阈值预报方法研究 被引量:2
4
作者 余洋 万蓉 +1 位作者 付志康 向怡衡 《气象》 CSCD 北大核心 2024年第5期603-615,共13页
基于2019年和2020年6—7月GNSS水汽监测网大气可降水量(PWV)资料和并址气象站的地面雨量、温、压、湿等同步观测数据,利用临界成功指数(CSI)和命中率(POD)两个检验指标,探索建立了基于PWV、6小时水汽增量(PWV*)及假相当位温距平(θ_(se... 基于2019年和2020年6—7月GNSS水汽监测网大气可降水量(PWV)资料和并址气象站的地面雨量、温、压、湿等同步观测数据,利用临界成功指数(CSI)和命中率(POD)两个检验指标,探索建立了基于PWV、6小时水汽增量(PWV*)及假相当位温距平(θ_(se)*)的短时强降水阈值预报方法,并利用2021年6—7月降水样本对该预报方法进行检验,结果显示CSI和POD分别为0.167和0.593,其评分高于目前常规业务方法对短时强降水的客观预报评分,其中约48%的短时强降水发生在预警之后的24小时内,约78%发生于48小时内。研究区域内78.6%的短时强降水样本发生在连续15小时PWV*的累积值(∑PWV*)≥75 mm且连续24小时θ_(se)*累积值(∑θ_(se)*)≥30 K的条件下;PWV高值区叠加∑PWV*和∑θ_(se)*的大值区对梅雨期短时强降水以及暴雨发生区域有较好的指示性。 展开更多
关键词 短时强降水 GNSS 大气可降水量 假相当位温 客观预报
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基于地基GNSS观测的典型暴雨过程水汽特征
5
作者 余洋 万蓉 +1 位作者 付志康 刘冲 《大地测量与地球动力学》 北大核心 2025年第4期356-361,共6页
利用湖北省地基GNSS观测网2020-06-25—07-09、河南省地基GNSS观测网2021-07-13—26观测数据反演大气可降水量(PWV),结合地面自动气象站小时雨量资料,分析2020年“暴力梅”和2021年河南“7·20”极端暴雨过程中PWV的时空变化特征及... 利用湖北省地基GNSS观测网2020-06-25—07-09、河南省地基GNSS观测网2021-07-13—26观测数据反演大气可降水量(PWV),结合地面自动气象站小时雨量资料,分析2020年“暴力梅”和2021年河南“7·20”极端暴雨过程中PWV的时空变化特征及其对降水的影响。结果表明,2020年梅雨季中PWV超过65 mm的区域对暴雨落区具有较好的指示性;暴雨发生前PWV存在阶段性陡增现象,降水强度与PWV含量几乎同时达到峰值。2021年河南“7·20”极端暴雨过程全省范围内水汽充足,PWV高值区对暴雨落区的指示性相对较弱;PWV总体上表现出缓增快减趋势,降水前PWV在高值波动并缓慢增长,PWV快速下降时降水停止。2020年和2021年汛期暴雨前1~2 h,PWV均表现出增加趋势,该特征可为暴雨预警提供一定的参考。 展开更多
关键词 GNSS 可降水量 “暴力梅” 河南“7·20”暴雨
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秋汛期汉江上游致洪暴雨过程特征及天气概念模型分析
6
作者 王孝慈 田刚 +5 位作者 孟英杰 王海燕 王继竹 周耘逸 徐卫立 祁海霞 《气象》 北大核心 2025年第2期207-220,共14页
利用NCAR/NCEP再分析资料及常规气象、水文观测资料,以秋汛期汉江上游15例编号洪水为研究对象,研究其洪水峰型特征及对应天气系统的演变规律,构建了致洪暴雨天气概念模型。结果表明:秋汛期汉江上游编号洪水单峰型过程最多,洪水过程线具... 利用NCAR/NCEP再分析资料及常规气象、水文观测资料,以秋汛期汉江上游15例编号洪水为研究对象,研究其洪水峰型特征及对应天气系统的演变规律,构建了致洪暴雨天气概念模型。结果表明:秋汛期汉江上游编号洪水单峰型过程最多,洪水过程线具有多样性;双峰型洪量大、洪峰高、涨水和退水较为迅速,形态多为尖瘦型;多峰型洪量最大,历时最长,峰值高低不等。单峰型洪水过程持续时间短,逐日面累计降水量起伏较大,成峰迅速,均为尖瘦型;双峰型过程持续时间一般不少于11 d,暴雨过程间隔较短,主峰和副峰差值不大,峰值在20000 m^(3)·s^(-1)以上;多峰型降水过程历时最长,阴雨天气可持续20 d以上,主峰峰值低于双峰型。从大尺度环流形势来看,中高纬地区:双峰型一般会出现3次较为明显的形势调整,环流经向度较大;多峰型环流形势调整较少,贝加尔湖南侧多为小槽小脊活动;单峰型无明显形势调整。中低纬地区:多峰型西太平洋副热带高压(以下简称副高)西进发展最为强盛,无台风或热带气旋活动;双峰型副高东西摆动频繁,常有热带气旋参与;单峰型多伴有大陆高压与海洋高压合并现象,少有台风或热带气旋活动。秋汛期汉江上游致洪暴雨天气概念模型主要有5类:高空槽-急流强迫型(A-Ⅰ)、高空槽-低涡切变型(A-Ⅲ)、副高外围-急流强迫型(B-Ⅰ)、副高外围-偏南气流弱强迫型(B-Ⅱ)和副高内部-低涡切变型(C-Ⅲ),其中,双峰型洪水多以A型为主、多峰型多以B型为主、单峰型A型和B型均有出现,且C型仅为单峰型所特有。此外,地面Ⅰ型和Ⅱ型也常与A-Ⅰ、A-Ⅲ、B-Ⅰ等组合出现,当3层天气系统配置较好时,致洪概率将会大幅度增加。 展开更多
关键词 汉江上游 编号洪水 洪水峰型 致洪暴雨过程 致洪天气概念模型
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三峡库区蓄水前后夏季小时降水变化特征 被引量:3
7
作者 唐永兰 徐桂荣 祁海霞 《气象》 CSCD 北大核心 2024年第9期1081-1092,共12页
利用国家气象信息中心小时降水资料,结合三峡库区地形的多样性,分析了库区蓄水前(1992—2002年)和蓄水后(2003—2021年)夏季(6—8月)小时降水时空变化以及不同类型强降水事件(HRE)变化特征。结果表明:蓄水后小时降水的降水量和频次减少... 利用国家气象信息中心小时降水资料,结合三峡库区地形的多样性,分析了库区蓄水前(1992—2002年)和蓄水后(2003—2021年)夏季(6—8月)小时降水时空变化以及不同类型强降水事件(HRE)变化特征。结果表明:蓄水后小时降水的降水量和频次减少,而强度增加;降水变化存在明显的地理分布规律,降水量、频次、强度在库区中北部增加,且多位于长江以北地区;降水量、频次在库区西南部减少,强度在库区中南部和西北部减弱,且多位于31°N以南。蓄水前后小时降水的日变化峰值时间位相的空间差异程度表现为降水强度>降水量>降水频次;蓄水后降水量、频次、强度呈增加趋势的站点增多,且降水量和强度的日变化峰值时间位相在高海拔山区具有位相前移特征。蓄水前后各等级小时降水的降水概率和降水占比变化不明显,其中降水概率在(0.1,0.5)mm等级最大,≥20 mm等级最小;降水占比在(1,5)mm等级最大,(0.1,0.5)mm等级最小,≥20 mm等级约为15%。蓄水后小时降水的日变化特征更加明显,其中≥20 mm等级的小时降水量和频次的双峰结构更为突出,其他等级的小时降水量和频次的峰值时间范围有扩大趋势,而各等级小时降水强度的次日尺度波动更频繁。蓄水前后HRE均是短历时型最多,长历时型最少,且短历时型HRE多开始于下午,中历时型和长历时型HRE多开始于夜间;蓄水后有利于HRE维持,短历时型HRE在中午和下午开始的概率增加,中历时型和长历时型HRE在清晨开始的概率增加。 展开更多
关键词 三峡库区 蓄水 小时降水 强降水事件 日变化 地形
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高、低空急流耦合对山东“利奇马”台风暴雨增幅影响的诊断研究 被引量:1
8
作者 张端禹 王俊超 +2 位作者 王晓芳 崔春光 叶金桃 《大气科学》 CSCD 北大核心 2024年第2期445-462,共18页
受登陆北上台风“利奇马”等影响,2019年8月9~12日山东省出现连续暴雨,其中10日夜间出现降雨峰值。利用中国气象局上海台风研究所(Shanghai Typhoon Institute of China Meteorological Administration,简称CMA-STI)热带气旋最佳路径数... 受登陆北上台风“利奇马”等影响,2019年8月9~12日山东省出现连续暴雨,其中10日夜间出现降雨峰值。利用中国气象局上海台风研究所(Shanghai Typhoon Institute of China Meteorological Administration,简称CMA-STI)热带气旋最佳路径数据、山东省自动气象站逐时降雨量、常规观测资料、中国风云二号地球静止气象卫星(FY-2G)0.1°×0.1°逐小时云顶相当黑体亮温和美国环境预报中心(National Center of Environmental Prediction,简称NCEP)1°×1°逐6 h再分析等资料,主要运用纬向风局地变化方程与大气动能方程,诊断分析降雨明显增幅与高、低层风场变化的关系。结果表明:(1)暴雨主要影响系统有高低空急流、500 hPa西风槽、850 hPa台风倒槽及“利奇马”本体环流等。10日200 hPa中纬度大尺度西南风急流东南移影响鲁西北,当天08:00(北京时,下同)850 hPa因双台风活动而形成的大尺度东南风急流突然北伸越过山东省。台风倒槽对流云与本体环流对流云先、后北移经鲁中,累积效应造成该地区10日夜间雨量最大。(2)10日20:00850 hPa章丘站东北侧出现了过程最快东风增幅,纬向运动方程诊断结果表明,东风平流是东风增加最主要原因,地转偏向力项则不利于东风增加。(3)10日20:00章丘站200 hPa西南风风力明显加大形成急流,10日08:00至11日08:00青岛站850 hPa维持东南风低空急流。同时位于高空急流右后侧与低空急流左前方是鲁中附近10日夜间降雨增幅的重要原因。章丘200 hPa与青岛850 hPa都是在最大风力之前12 h动能增加最快。动能方程诊断表明,最有利于鲁西北高空急流形成的是位能平流项,最有利于鲁东南低空急流形成的是动能垂直通量散度项。(4)10日20:00至13日08:00“利奇马”本体环流一直在影响山东,暴雨期间山东中部地形的动力作用也一直存在,而降雨的峰值是出现在10日夜间,说明10日20:00前后高、低空急流的耦合可能是山东暴雨增幅的主要影响因子。其主要作用至少有加强山东中部的垂直运动、整层水汽输送与静力不稳定度等方面。 展开更多
关键词 登陆北上台风 降水增幅机理 高空西南风急流 低空东南风急流 动能诊断
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基于不确定性的多尺度暴雨强度和外江洪水位联合分布研究
9
作者 王俊超 彭涛 刘佳明 《自然灾害学报》 CSCD 北大核心 2024年第3期39-55,共17页
城市洪涝治理方案以及排涝设施规模建设都与城市暴雨强度和外江洪水位息息相关,因此需要对暴雨强度与外江洪水位联合概率分布进行深入研究。以武汉市为例,采用Copula函数建立小时尺度城市暴雨强度和外江洪水位的联合分布,使用极大似然... 城市洪涝治理方案以及排涝设施规模建设都与城市暴雨强度和外江洪水位息息相关,因此需要对暴雨强度与外江洪水位联合概率分布进行深入研究。以武汉市为例,采用Copula函数建立小时尺度城市暴雨强度和外江洪水位的联合分布,使用极大似然估计值(Max-Likelihood)、模型选择准则、RMSE和NSE拟合优度来评估不同Copula模型的性能,利用局部优化(Local optimization,LO)和马尔科夫链蒙特卡洛(Markov chain Monte Carlo,MCMC)方法来分析Copula模型的不确定性。结果表明:暴雨强度和外江洪水位两要素存在明显的正相关,1 h最大连续降水量和最大日水位相关性最高,最优联合分布函数为Gumbel Copula函数;模型不确定性分析表明MCMC模拟的最优参数与理论参数值基本吻合,效果明显优于局部优化算法,且模型不确定性结果与拟合优度评价结果一致,进一步验证了联合分布函数参数的有效性。相同频率情况下,单变量值低于两变量联合频率对应的暴雨强度和外江洪水位值,高于两变量同现频率对应的暴雨强度和外江洪水位值;两变量同现重现期高于单变量设计重现期,而联合重现期低于单变量设计重现期。同频率下的暴雨强度与水位的组合风险率都远远低于单变量情况下的频率值,50 a以上排涝风险率大于设计暴雨重现期,但最大不超过联合风险率。 展开更多
关键词 COPULA函数 联合概率分布 拟合优度 联合重现期
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2021年7月20—22日豫北地区暴雨过程中尺度低涡和垂直运动发展的位涡动力学诊断 被引量:1
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作者 刘柯 毛江玉 +3 位作者 汪小康 生宸 张冠舜 任靖 《气象学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第3期306-318,共13页
2021年7月17—23日,河南省发生了一次大范围的强降水过程(简称河南“21.7”特大暴雨)。20—22日暴雨中心移至豫北地区,在太行山东侧新乡、鹤壁等地引发了洪涝灾害。基于自动雨量站观测和ERA5再分析数据,利用位涡倾向方程和垂直运动分解... 2021年7月17—23日,河南省发生了一次大范围的强降水过程(简称河南“21.7”特大暴雨)。20—22日暴雨中心移至豫北地区,在太行山东侧新乡、鹤壁等地引发了洪涝灾害。基于自动雨量站观测和ERA5再分析数据,利用位涡倾向方程和垂直运动分解方法,对河南“21.7”特大暴雨事件中豫北地区暴雨过程中中尺度低涡及垂直运动发展的热动力学机制进行了诊断分析。结果表明:豫北地区强降水凝结潜热引起的大气非绝热加热,因其垂直分布在低空随高度上升而制造位涡,使得低层大气位涡增强,表明中尺度低涡发展;另外,加深的中尺度低涡又使得等熵面进一步下凹、倾斜坡度增大,从而增强大尺度东南暖湿气流向豫北地区的辐合与抬升,特别是沿等熵面上滑的上升运动分量和与凝结潜热有关的上升运动分量,导致降水进一步加强。由此,中尺度低涡、垂直运动和强降水发展之间形成一定的正反馈,在豫北造成持续性暴雨过程。 展开更多
关键词 河南暴雨 位涡 垂直运动 非绝热加热 中尺度低涡
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淮河流域骤旱时空分布特征分析
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作者 陈悦 段春锋 +3 位作者 李清泉 王朋岭 卢燕宇 霍彦峰 《气象》 CSCD 北大核心 2024年第12期1429-1440,共12页
淮河流域位于我国南北气候交界带,地理环境复杂,提升对淮河流域骤旱的认识对于保障农业生产具有重要意义。文章基于ERA5、ERA5-LAND、GLDAS 2.1和GLEAM 3.8a四套土壤湿度资料分析了2000—2020年淮河流域骤旱的时空分布特征及资料不确定... 淮河流域位于我国南北气候交界带,地理环境复杂,提升对淮河流域骤旱的认识对于保障农业生产具有重要意义。文章基于ERA5、ERA5-LAND、GLDAS 2.1和GLEAM 3.8a四套土壤湿度资料分析了2000—2020年淮河流域骤旱的时空分布特征及资料不确定性。针对全年的骤旱统计结果表明:ERA5的骤旱平均发生次数整体偏多,空间分布相对均匀,其余三套资料呈北少南多的空间分布;骤旱平均历时与骤旱发生次数的空间分布大致相反;骤旱平均发生次数决定了骤旱发生率的空间分布;骤旱发生次数的年际变化较大,且具有较大的资料不确定性。淮河流域骤旱多发于作物生长季(4—9月),聚焦作物生长季,骤旱平均发生次数的空间分布与全年结果相似;骤旱平均历时相对全年结果偏短。淮河流域南部地区在作物生长季内骤旱多发,其年际趋势同样具有较大的资料不确定性。 展开更多
关键词 淮河流域 骤旱 土壤湿度 时空分布特征 资料不确定性
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深度学习技术在洪水预报中的应用进展及思考
12
作者 祁海霞 彭涛 +6 位作者 智协飞 季焱 殷志远 沈铁元 王俊超 向怡衡 胡泊 《气象》 北大核心 2025年第4期446-459,共14页
洪水预报是降低洪灾损失、提升防灾减灾能力非工程措施的有效途径,实现精准洪水预报是水文领域的关键技术挑战之一。目前,基于物理机制的洪水预报模型在模拟精度和效率上仍有不足,而采用深度学习技术构建的预报模型则得到了迅猛发展。... 洪水预报是降低洪灾损失、提升防灾减灾能力非工程措施的有效途径,实现精准洪水预报是水文领域的关键技术挑战之一。目前,基于物理机制的洪水预报模型在模拟精度和效率上仍有不足,而采用深度学习技术构建的预报模型则得到了迅猛发展。文章全面回顾和总结了洪水预报领域所应用的深度学习模型的原理和特点,及其在洪水定量和概率预报中的应用进展和存在问题。聚焦介绍和探讨了深度学习模型与洪水物理模型在物理过程参数化、可解释性研究、洪水预报模型误差校正等方面的契合点和应用前景。分析认为,深度学习未来将走向与物理模型的深度耦合,成为洪水时间序列预报的重要发展范式,并将是实现未来水利智慧化的重要研究内容。最后针对深度学习在洪水预报中的难点给出几点思考,对当前面临的挑战提出几点相应的解决方案,以便更好地在洪水预报领域探索应用深度学习技术。 展开更多
关键词 深度学习 洪水预报 定量预报 概率预报 耦合物理模型
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融合时空重构单元和Transformer的雷达回波外推算法
13
作者 方巍 王淏西 《郑州大学学报(工学版)》 北大核心 2025年第5期137-144,共8页
针对现有基于深度学习的雷达回波外推算法时空特征提取能力不足和建模能力有限的问题,提出了一种融合时空重构单元(SRU)和Transformer的雷达回波外推模型SRU-Former。首先,在模型的编码器和解码器中引入新设计的时空重构单元,通过分离... 针对现有基于深度学习的雷达回波外推算法时空特征提取能力不足和建模能力有限的问题,提出了一种融合时空重构单元(SRU)和Transformer的雷达回波外推模型SRU-Former。首先,在模型的编码器和解码器中引入新设计的时空重构单元,通过分离、变换和重构的策略来提取雷达图像精细化时空特征;其次,在编码器和解码器之间引入Transformer的变体架构模型Poolformer,用全局平均池化操作代替自注意力机制,帮助模型对高度动态变化的雷达序列进行建模;最后,在江苏省气象雷达数据集和上海市气象雷达数据集上训练和测试,与目前主流的深度学习模型进行对比。实验结果表明:在2 h外推任务中,CSI、FAR、MSE和SSIM 4个指标均取得最优值,在江苏省数据集上CSI提升了0.020,上海市中数据集上CSI提升了0.048;SRU-Former能够有效提升模型的预报准确率,外推后期对强回波区域的捕捉更加精确,细节纹理更加丰富清晰。 展开更多
关键词 深度学习 雷达回波外推 TRANSFORMER 时空重构单元 全局平均池化
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秋汛期汉江上游大洪水事件特征及大尺度环流分析
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作者 王孝慈 孟英杰 +4 位作者 周耘逸 王海燕 王继竹 李波 祁海霞 《气象》 北大核心 2025年第7期817-829,共13页
为给秋汛期汉江上游大洪水天气预报提供参考,基于NCEP/NCAR再分析资料及常规气象水文实况观测资料,研究了2000年以来汉江上游秋汛期大洪水的水情、雨情特征、大尺度环流形势特征以及致洪暴雨成因,结果表明:进入21世纪秋汛期汉江流域洪... 为给秋汛期汉江上游大洪水天气预报提供参考,基于NCEP/NCAR再分析资料及常规气象水文实况观测资料,研究了2000年以来汉江上游秋汛期大洪水的水情、雨情特征、大尺度环流形势特征以及致洪暴雨成因,结果表明:进入21世纪秋汛期汉江流域洪水过程逐渐增多。致洪暴雨中心主要位于汉江上游南部和西部,即汉江流域南侧的米仓山、大巴山一带,安康水库以上的沿江河谷一带,及外方山南麓和伏牛山西南坡处的丹江河段。洪水峰值呈现单峰、双峰和多峰型。单峰型洪水过程持续时间最短,多峰型持续时间最长。从过程最大降水开始至洪峰出现,平均历时43 h,当起始入库流量超过4500 m 3·s^(-1)以上时,洪峰形成所需时长将大为缩短。从大尺度环流特征来看,汉江上游秋汛期降水偏多与欧亚中高纬阻塞系统强盛,西太洋副热带高压偏强、偏西,南亚高压及副热带西风急流偏北密切相关,高空辐散场大值区对应汉江上游所在区域,低层至高层的垂直运动增强,有利于致洪暴雨的发生。汉江上游秋汛期大洪水年源自阿拉伯海经由印度半岛和南海南部向北输送的水汽异常增多、西太平洋向西输送的水汽异常增多,为致洪暴雨的发生提供了异常充足的水汽供给。 展开更多
关键词 汉江秋汛 大洪水 致洪暴雨过程 丹江口水库 雨洪响应 环流异常
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青藏高原三江源和河湾区夏季降水变化特征及对高原夏季风的响应 被引量:2
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作者 杨浩 李红莉 +2 位作者 王斌 张文刚 崔春光 《大气科学》 CSCD 北大核心 2023年第3期881-892,共12页
本文利用1981~2020年观测数据和ERA5再分析资料,将青藏高原腹地三江源和东南重要水汽通道河湾区作为典型研究区域,分析了降水不同时间尺度变化特征及其典型强弱年对高原季风环流系统的响应,结果表明:(1)三江源和河湾区降水的季节变化均... 本文利用1981~2020年观测数据和ERA5再分析资料,将青藏高原腹地三江源和东南重要水汽通道河湾区作为典型研究区域,分析了降水不同时间尺度变化特征及其典型强弱年对高原季风环流系统的响应,结果表明:(1)三江源和河湾区降水的季节变化均呈双峰型分布,峰值出现在7月初和8月下旬。夏季降水在21世纪初发生年代际转折,尤其是三江源降水量在近20年增加明显。两个高原季风指数DPMI(Dynamic Plateau Monsoon Index)和ZPMI(Zhou Plateau Monsoon Index)的夏季风爆发时间均超前于河湾区和三江源降水的明显增加期。三江源夏季降水年际变化与两个高原夏季风指数有较好的相关性。三江源与河湾区虽然相邻很近,但三江源夏季降水受高原季风影响程度远大于河湾区。当高原夏季风增强(减弱)时,三江源降水量偏多(少)。(2)三江源降水偏多年,南亚高压偏东偏强,低层高原主体低压异常,有利于西南风和东南风在三江源区域交汇,南方暖湿空气能够深入高原腹地导致水汽辐合偏强。河湾区降水偏多年,河湾区及整个高原主体附近高度场并没有明显异常,河湾区的水汽输送主要有两条路径,一条来自孟加拉湾沿高原南坡的西南路径,另一条来自中亚地区穿过高原上空的西北路径,两条路径在高原东侧汇合继续向东输送。 展开更多
关键词 降水 高原夏季风 大气环流 三江源 河湾区
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赤道辐合带月平均位置的能量约束研究
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作者 黄炜充 赵树云 +2 位作者 马馨宇 王五科 邓琪敏 《热带气象学报》 北大核心 2025年第3期440-454,共15页
当前,不少研究提出在能量框架下理解赤道辐合带(ITCZ)的南北位置及移动。能量通量赤道(EFE)是能量框架下用于指示ITCZ位置的指标。已有研究发现,在年平均尺度上,EFE与ITCZ能很好地匹配,但在月尺度上情况如何,尚缺乏深入讨论。利用欧洲... 当前,不少研究提出在能量框架下理解赤道辐合带(ITCZ)的南北位置及移动。能量通量赤道(EFE)是能量框架下用于指示ITCZ位置的指标。已有研究发现,在年平均尺度上,EFE与ITCZ能很好地匹配,但在月尺度上情况如何,尚缺乏深入讨论。利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的第五代再分析资料(ERA5)计算了1979—2021年逐月的ITCZ和EFE位置,并探讨了二者在月平均上的匹配关系。在计算ITCZ和EFE位置时,既采用了已有的计算方法,也提出了改进的方法。结果发现,在气候态月平均上,ITCZ与EFE在印度洋和海洋性大陆上匹配效果好,而在太平洋上较差,但新的EFE算法能在一定程度上改善太平洋上二者的匹配情况。在典型年份月平均(超强El Niño事件)中,ITCZ发生显著的南北位置异常,EFE能在一定程度上指示ITCZ的异常。通过ITCZ与EFE在不同月份和经度上的长期相关分析发现,二者在部分区域和月份具有显著的线性相关关系。结合850 hPa辐散风场、能量通量垂直积分辐散分量场,发现ITCZ与EFE在印度洋和海洋性大陆上匹配效果好的直接原因在于850 hPa环流的辐合位置(代表ITCZ)与能量通量的辐散位置(代表EFE)对应关系很好,而在太平洋上二者的位置有一定距离。结论说明,在月尺度上EFE在一定条件下可用于指示ITCZ的位置、季节变化和年际变化,即能量框架对研究ITCZ位置及其南北摆动具有一定的适用性,具体适用与否受到EFE算法、研究区域和季节的影响。 展开更多
关键词 赤道辐合带 能量框架 能量通量赤道 月尺度 超强El Niño
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MEPM模型:基于深度学习的多变量厄尔尼诺-南方涛动预测模型 被引量:1
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作者 方巍 张霄智 齐媚涵 《地球科学与环境学报》 CAS 北大核心 2024年第3期285-297,共13页
厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)是发生在热带太平洋年际时间尺度的海-气相互作用的异常现象,并由Nino3.4指数表征其发生情况;除此之外,ENSO与众多极端气候事件密切相关。因此,有效的ENSO预测对于预防极端气候事件和深入研究全球气候变化具有... 厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)是发生在热带太平洋年际时间尺度的海-气相互作用的异常现象,并由Nino3.4指数表征其发生情况;除此之外,ENSO与众多极端气候事件密切相关。因此,有效的ENSO预测对于预防极端气候事件和深入研究全球气候变化具有重要意义。然而,目前基于深度学习的ENSO预测大多数是预测一个指数或者单一变量,对于模拟多气候要素下的ENSO预测研究较少。通过提出一种利用多气候变量的ENSO预测模型——MEPM模型,其中包括多变量信息提取模块(MIEM)和时空融合模块(STFM),捕获不同气候变量在时空上的相互依赖性,进而提高ENSO预测的准确性。选取了纬向风应力异常(τ_(x))、经向风应力异常(τ_(y))、海表温度异常(SSTA)和海表下150 m温度异常(SSTA150)4个变量的距平值进行ENSO预测。结果表明:MEPM模型在提前11个月的Nino3.4指数相关技巧上分别比北美多模型集合中的动力预报系统CanCM4、CCSM3和GFDL-aer04高10%、20%和14%。此外,MEPM模型在中期Nino3.4指数相关技巧上显著优于其他深度学习模型,并可提供长达17个月的有效预测。 展开更多
关键词 气候变化 厄尔尼诺-南方涛动 多气候变量 深度学习 时空序列预测 卷积神经网络
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基于深度学习的月平均2 m气温订正方法
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作者 方巍 王冰轮 《热带气象学报》 CSCD 北大核心 2024年第6期906-917,共12页
作为减少短期气候预测误差的技术,数据订正成为了重要的研究方向。而深度学习作为一种新兴方法已经应用到数据订正技术中,其中常用的模型是U-Net,但它存在不可避免的缺陷。第一,U-Net基于卷积神经网络,但是受限于卷积神经网络的小感受野... 作为减少短期气候预测误差的技术,数据订正成为了重要的研究方向。而深度学习作为一种新兴方法已经应用到数据订正技术中,其中常用的模型是U-Net,但它存在不可避免的缺陷。第一,U-Net基于卷积神经网络,但是受限于卷积神经网络的小感受野,这导致U-Net不能从全局的角度学习空间特征;第二,U-Net的下采样操作容易丢失图像细节信息。这两点都影响了该模型的订正性能。因此采取以下两个措施进行改进,一是将原模型与能够学习图片全局特征的Vision Transformer有机结合起来,使其能够从全局的角度学习空间特征;二是引入UNet 3+模型中的全尺度连接操作,弥补原下采样中丢失的图像细节信息。改进之后的模型称为UNet-Former 3+,在CMIP6中月平均2 m气温的春季和冬季数据集上进行订正实验,ERA5为实验标签。模型会与分位数映射、岭回归、U-Net、CU-Net、Dense-CUnet和RA-UNet这六种订正方法进行对比。实验结果表明,此模型在两个季节的平均绝对误差都下降49%,均方根误差都下降57%,两者都低于上述六种方法。总之,UNet-Former 3+在春季和冬季的订正效果优于上述六种方法。 展开更多
关键词 短期气候预测 数据订正 Vision Transformer 全尺度连接 UNet-Former 3+
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2024年长江中下游梅雨集中期大气环流特征分析
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作者 邱辉 马艺铭 祁海霞 《人民长江》 北大核心 2024年第12期30-38,共9页
为提高梅雨期强降雨过程的预报水平,利用长江流域逐日雨量站资料和NCEP再分析资料,对2024年长江中下游梅雨集中期异常特征及其大尺度环流成因进行了分析,并与2016年梅雨集中期特征进行了对比。结果表明:①2024年长江中下游梅雨有明显的... 为提高梅雨期强降雨过程的预报水平,利用长江流域逐日雨量站资料和NCEP再分析资料,对2024年长江中下游梅雨集中期异常特征及其大尺度环流成因进行了分析,并与2016年梅雨集中期特征进行了对比。结果表明:①2024年长江中下游梅雨有明显的阶段性特征,6月17日至7月2日为梅雨集中期,期间发生4次强降雨过程,主雨区均位于长江中下游干流附近及两湖水系中北部;7月2日后主雨区北抬至长江干流北部,梅雨集中期结束,长江流域降雨形态由南多北少转为北多南少。②梅雨集中期间,高、中、低层环流系统的耦合是长江中下游强降雨形成和维持的大尺度环流背景。4次降雨过程,中高纬度均呈现“两槽一脊”经向型环流配置,西太平洋副高主体呈稳定的带状分布,来自孟加拉湾和西太平洋的水汽输送强盛,通过强烈的西南风将暖湿气流向长江中下游地区输送,冷暖空气长时间在长江中下游干流南北两侧交汇,导致梅雨集中期降雨过程不断,降雨异常偏多。③2024年和2016年梅雨集中期有诸多共同特点,如梅雨特征相似、强度基本相当,均出现在厄尔尼诺事件的衰减阶段,副高偏强、偏西,西南暖湿气流偏强。研究成果可为长江流域梅雨期防洪减灾工作提供参考。 展开更多
关键词 强降雨 梅雨集中期 大气环流 长江中下游 2024年长江洪水
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基于Swin-Transformer和时空融合注意力机制的ENSO预测
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作者 张霄智 方巍 王淏西 《海洋学报》 CSCD 北大核心 2024年第12期111-121,共11页
厄尔尼诺-南方涛动预测是气候变化研究的热点问题之一。本文将Swin-Transformer模型与时空融合注意力机制相结合,采用1850-2014年CMIP6多模式模拟历史数据、1871-1979年SODA同化数据和1980-2023年GODAS同化数据,构建厄尔尼诺-南方涛动... 厄尔尼诺-南方涛动预测是气候变化研究的热点问题之一。本文将Swin-Transformer模型与时空融合注意力机制相结合,采用1850-2014年CMIP6多模式模拟历史数据、1871-1979年SODA同化数据和1980-2023年GODAS同化数据,构建厄尔尼诺-南方涛动预测模型,即ENSO-STformer。该模型通过在CMIP6和SODA数据集上进行充分的训练,并在GODAS数据上进行评估,结果表明:本文模型在提前11个月的Ni?o3.4指数相关技巧的平均值上分别比CanCM4、CCSM3、GFDLaer04动力预报系统高出5.1%、21.6%和12.4%,同时,在中长期的Ni?o3.4指数相关技巧上显著优于其他深度学习模型,并可以进行长达24个月的有效ENSO预测,此外,在对2015-2016年厄尔尼诺事件模拟中表现出较强的应对春季预报障碍能力。 展开更多
关键词 深度学习 ENSO预测 时空融合注意力机制 卷积神经网络 Ni?o3.4指数
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