云贵静止锋影响下的地面气温差异分析及预报研究.pdf

云贵静止锋影响下的地面气温差异分析及预报研究李 刚杨秀庄姚 浪汤天然杜小玲(贵州省气象台贵州 贵阳 毕节市气象局贵州 毕节)摘 要:为探索静止锋减弱北抬时气温预报准确率偏低这一特性选取 年 月至 月的 细网格、和 温度预报资料以及地面综合观测资料对其间贵州境内静止锋减弱北抬个例进行选取并对相应 的逐日最高、最低气温预报展开研究 通过静止锋减弱北抬时主要因子逆温层的定量化建立多元线性回归客观预报模型()发现其结果相对于一元线性回归客观预报模型()、数值预报()及其在静止锋北抬减弱时()的气温预报无论平均均方根误差还是预报准确率均有大幅度改进 内 气温预报相较于 平均准确率提升 平均 下降 在 各阈值上相对 平均 下降 平均预报准确率提升 在 预报中贵州省的西北部和南部地区 下降 以上准确率在省的西部、中北部改进可达 以上大幅度超越 平均状态改进和提升了静止锋减弱北抬期间贵州省气温预报性能关键词:云贵静止锋气温客观预报预报准确率中图分类号:.文献标识码:文章编号:()():.()()()().:地理、环境科学/第 卷 引言云贵准静止锋也称西南准静止锋是指东亚地区冷空气爆发南下扩展时受高原大地形阻挡与孟湾的西南暖湿气流共同作用而形成的特殊天气系统 不少学者也指出云贵准静止锋是地形产物且受地形影响是地面冷高压沿青藏高原东侧遇高原阻挡而形成 云贵准静止锋一年四季均有出现相对夏半年偏弱偏少冬半年较强较多在春夏和秋冬交替季节存在骤降弱升的突变通常云贵静止锋两侧的天气特征截然不同单纯准静止锋影响时天气一般较单一和稳定主要随南、北两支气流势力强弱而摆动锋前为西南暖湿气流影响、天气晴朗锋后为冷空气影响、阴雨绵绵 但当静止锋与南支槽等其他天气系统结合时极易产生剧烈天气如造成冬、春季强降水、暴雨和冰雹、大风和大雾等天气 当云贵准静止锋加强向西南移出平均位置时会造成锋后区域贵州、云南等地区的降温、降雨如冷空气较强且维持时间长则会形成锋后的低温、雨雪和冰冻灾害而在锋前云南、贵州西南部地区则会形成持续的晴朗少雨天气容易出现旱情 此外云贵静止锋具有夜间南进、白天东北退的显著日变化并在几十至上百甚至于数千米内做东西向的摆动针对云贵静止锋国内外学者有不少研究取得一些有意义的结论 如张亚男对昆明准静止锋的生消机理及移动成因进行了分析与探讨 杜正静对云贵静止锋演变的大气结构和特征进行分析归纳出 类云贵静止锋的结构、天气和大气环流特征 李英通过典型个例分析给出了当有南支槽等天气系统配合时产生强天气静止锋形势结构此外杜小玲发现造成冬季强冻雨的准静止锋一般具有锋上暖湿云、锋下冷湿云的特点 为揭示各类锋区的特征还分析了冻雨和强对流天气的锋区结构以及冻雨和冰粒、雪等在不同相态下的锋区结构特征 总体上以往研究均是针对冬季时段较典型或明显的静止锋活动下进行的特征分析或机理研究相对而言在每年深秋初冬时节(月至 月)冷空气表现弱静止锋特征不及冬季明显这个时节如静止锋稳定维持或减弱北抬后不再南压西进其预报服务相对容易但它在减弱北抬的当天一般较难预测和预报不但天气现象难以把握尤其对其影响期间的气温预报更是造成了极大困难部分观测站点相对误差可达 甚至更大给预报服务及生产出行带来极大负面影响 因此本文主要针对 月至 月静止锋减弱北抬当天的气温预报差异进行分析与研究并建立客观预报模型以期得到更好的结果服务于地方气象此外气温预报一直以来均是贵州最为棘手的问题特别是在静止锋影响期间气温预报的差异非常突出尤其每年的 月至 月其表现特征更难捕捉 近年来关于贵州气温预报已有一些研究成果其主要是纯统计下的某一技术方法的某种或多种预报资料、预报因子的研究应用而对于气温预报中天气系统的影响考虑和融入少有开展 基于此本文从影响贵州天气系统云贵静止锋出发不单考虑了纯统计下的气温预报同时也兼顾了天气系统的影响对云贵静止锋减弱北抬时气温预报展开研究 资料与方法.资料预报资料采用 年 月至 月日常业务应用的欧洲中期天气预报中心()所提供的、温度及地面 气温预报该资料每日 时(北京时下同)起报属 第 类数据格式分辨率为.经纬网格时效为 内逐 预报实况资料选取对应时段的逐 地面气压场()、地面综合观测资料和卫星资料用于静止锋减弱北抬次数筛选同时还选用逐日最高()、最低()气温(时)观测值进行静止锋北抬期间气温差异评估及客观预报模型对比分析.预报方法.一元线性回归在一元回归预报模型中每个站点或格点上应用 提供的日最高、最低气温预报与对应观测值序列建立回归预报模型对未来时刻气温进行预报具体模型如下:()式中:指 时刻某站点或格点预报值指 时刻贵 州 科 学():对应站点的观测值、为回归系数.多元线性回归针对定量引入逆温层变量的客观预报模型的建立主要采用多元回归方法其计算如下:()式中:是预报结果是第 个预报因子、是回归系数()由最小二乘法计算而得是服从正态分布的随机误差.检验方法.预报准确率采用国家气象局业务评分标准参考关于下发中短期天气预报质量检验办法(试行)的通知(气发 号)相关规定其中对气温预报准确率检验以 作为检验标准即预报值 实况值 为准确否则为错误 其计算公式如下:()式中:为预报准确率为预报正确的站(次)数为预报的总站(次)数.平均均方根误差 ()()式中:为均方根误差为预报值为观测值 为资料长度()个例选取及 气温预报性能评估.个例统计据实况资料针对 年 月至 月即深秋初冬时节期间静止锋减弱北抬时的个例进行选取本文按照文献中静止锋划分方式选出 年间共 个个例(过程中仅把静止锋减弱北抬的当天作为 次个例)其中 年、年出现次数最多达 次 年最少仅为 次(图).气温预报能力评估为更好地进行气温预报研究分析对 提ZY3图 年 月至 月静止锋减弱北抬次数统计供的气温预报在静止锋减弱北抬当天的预报能力进行评估了解其预报性能 图 为 数值预报在静止锋减弱北抬当天()内逐日最高、最低气温预报与每年 月至 月的平均状态()预报准确率、平均均方根误差对比分析 图、中在每年深秋初冬时节 气温预报在 预报内其性能较稳定日最高、日最低气温平均预报准确率在 之间总体上最低气温预报准确率高于最高气温约 个百分点 当静止锋减弱北抬时其日最高、日最低气温预报准确率受到显著影响平均准确率降至 之间下降幅度为 图()、()为平均均方根误差()对比平均状态下的日最高、日最低气温的 在 之间 当静止锋发生减弱北抬时其误差大幅度增加平均 在 之间而在静止锋减弱北抬当天的过程中部分测站误差可达 甚至更高严重影响预报及服务效果IBICIDIE&$+;&$+;&$+;&$+;图 年 月至 月静止锋减弱北抬时()与平均状态()内逐日气温预报的平均预报准确率及平均均方根误差()对比(其中:()、()为()、()为)为进一步了解静止锋减弱北抬当天对预报的具地理、环境科学/第 卷体影响情况以 最高气温预报为例对此期间与平均预报状态下的 平均预报准确率和 在空间上进行对比分析 图 中整体上平均状态准确率为 静止锋减弱北抬期间平均准确率 其预报准确率下降 从图()空间分布上看平均状态下 最高气温预报在贵州中部偏北偏西的平均准确率均在 以上优于南部和东部的预报能力相比静止锋减弱北抬时(图()其平均预报准确率大幅度下降特别是贵州西北部及西南部准确率不到 平均 表现上平均状态下为 静止锋减弱北抬时为 相比之下 增加了 空间分布上(图略)平均状态下贵州中部偏北及偏西地区 在 以下误差小于南部和东部在静止锋减弱北抬影响时其误差 大幅度增加特别是贵州西北部及南部边缘一带最大可达 以上BC&/&图 年 月至 月 最高气温平均预报准确率的空间分布 结果分析受静止锋减弱北抬影响 气温预报误差较平均状态明显偏大其平均 均在 以上绝对误差部分测站甚至超过 以上严重影响预报质量及对外服务效果 为提高和改进静止锋减弱北抬影响当天气温预报准确率本文将采用建立客观预报模型方式改进和提升气温的预报能力.一元线性回归预报模型为改进和提高静止锋减弱北抬当天日最高、日最低气温预报准确率 利用 内逐日最高、最低气温预报与对应的各国家观测站站点观测值序列在每个站点上建立气温的客观预报模型 为优化预报效果在所建模型中均采用了滑动系数与气候偏差订正图 中为 内滑动系数与气候偏差相结合下的传统的客观预报()相对静止锋减弱北抬时在最高、最低气温预报方面均有效改进和提升了预报准确率和降低平均均方根误差 如在最高气温预报中平均准确率由 提升至 而在最低气温预报中平均准确率从 上升到 即总体使平均准确率改进约 个百分点而对于平均 最高气温误差由 下降至 最低气温则由 下降至 总体上平均 下降 可见通过传统一元线性回归客观预报模型的建立预报效果取得了一定改进 尽管如此虽然建立的客观预报模型对静止锋减弱北抬时的气温预报有所改进但其预报效果却不如 平均状态难以满足现行业务需求IBICIDIE+;:&$%:+;:&$%:+;:&$%:+;:&$%:图 年 月至 月 平均状态()、静止锋减弱北抬时()、一元线性回归()与定量引入逆温层的多元线性回归客观气温预报()的平均准确率及 对比(其中:()、()为()、()为).多元线性回归客观预报模型通过上述分析一元线性回归客观预报模型对静止锋减弱北抬时气温预报订正虽然一定程度上较直接数值预报应用有所改进但依然难以对静止锋减弱北抬影响时气温预报进行刻画和达到所需的服务效果 因此本节中将从静止锋减弱北抬的天气系统影响出发找出其主要影响因子并引入预报模型进一步改进预报性能贵 州 科 学():在静止锋减弱北抬时其大气环流形势与平均状态下有所不同 在中低层均存在明显的逆温层考虑贵州平均海拔高度因此选取 之间温度层结对其间逆温层进行量化即在.的基础上增加 作为主要影响因子采用多元线性回归建立客观预报模型探讨静止锋减弱北抬时气温变化规律以期改进气温预报在静止锋摆动时由于考虑了逆温层变化的影响所建预报模型的最高、最低气温预报均有明显改进其效果不但优于单因子一元线性回归客观模型的预报还超越了 预报性能图 中还给出了 平均状态()、一元线性回归客观预报模型()、定量引入逆温层变量的多元回归客观预报模型()和静止锋减弱北抬时()气温预报的平均预报准确率和平均 对比分析 图()中 内最高气温预报准确率在各时次上均有改进其准确率超过、和 平均状态的预报效果 整体上平均准确率由 改进至 提升了 个百分点效果不但超过 预报的 还超过直接数值预报 平均状态下的 大幅度改进了静止锋减弱北抬时的预报准确率 图()中最低气温预报表现更为突出其改进程度明显优于最高气温预报平均准确率从 上升到 提升了 百分点特别在 预报中改进为 个百分点 对于平均 图()中最高气温由 下降至 误差平均降低 低于 平均状态 最低气温平均 则由 下降至 总体上下降 可见在预报模型中定量引入影响静止锋天气系统的主要因子逆温层变化后其预报准确率得到了极大的改善超越了 的平均状态为进一步了解逆温层定量引入客观预报模型的效果仍以 日最高气温预报为例 在空间分布上图()、()中预报准确率整体改进 不等其中贵州西部、中北部改进最为明显从静止锋北抬期间不足 提升到 以上局地突破 甚至在 平均预报效果较好的安顺、黔西南地区预报准确率也从 提升至以上 在平均 对比分析中(图略)预报相对静止锋减弱北抬期间预报 平均 整体减少 特别在贵州省的西北部与南部地区平均 由原来的 以上降至 左右预报误差得到了极大的改善显著地提升了预报能力BC%:/&图 年 月至 月 最高气温平均预报准确率的空间分布以最高气温预报为例对各类预报进行量化表、表 分别列出、和 在不同预报时效、不同阈值的平均 和预报准确率所占全省预报区域的百分率由表 可见在 内各预报随着各阈值的增大其平均均方根误差所占区域百分率均明显增加同一阈值下随着预报时效的增加所占区域百分率也逐渐减小而在静止锋减弱北抬当天各阈值所占区域百分率显著减小 预报中 小于 的区域仅为 通过一元线性回归客观预报模型订正后相对静止锋摆动时其 小于 的区域可达 但不如 平均状态 经过定量引入逆温层的多元线性回归客观预报模型订正后阈值小于 的区域达到 阈值小于 的区域达到 超过了 的平均预报状态 在 、预报中均有着同样趋势阈值小于 的区域占全省的比例从 增至 以上显然 预报在静止锋减弱北抬期间展现了最优的预报效果极大地改善了气温预报能力表 年 月至 月、和 的地面最高气温在不同预报时效、不同阈值下的平均均方根误差占贵州省的百分比(单位:)平均 阈值 时效 时效 时效.的区域.的区域.的区域的区域的区域的区域的区域 小结通过对 年深秋初冬时节(月至 月)期间的静止锋减弱北抬个例次数进行统计对其影响当天与平均状态的气温预报进行评估分析 并针对静止锋减弱北抬时的主要影响因子逆温层的变化进行量化将其定量引入客观预报模型通过对比分析日常业务应用资料 细网格提供的气温预报()、一元线性回归客观预报()、定量引入逆温层变量的多元线性回归客观预报()以及静止锋减弱北抬时的气温预报()得到如下结论()年 月至 月期间共出现静止锋减弱北抬 次 年间 年、年出现次数最多达 次 年仅为 次()静止锋减弱北抬时 内日最高、日最低气温平均预报准确率显著偏低较平均状态下 提供的气温预报减少 平均 增加 单站绝对误差超过 ()利用 气温预报建立的一元线性回归客观预报模型()相对静止锋北抬时 预报内其预报准确率有一定提升平均改进 个百分点平均 下降 但仍然达不到 的平均预报状态()通过采用 的温度层结对静止锋减弱北抬期间主要影响因子逆温层的变化进行量化而建立的多元线性回归客观预报模型()在 预报中各阈值上其平均预报准确率和 的改进幅度显著提升 相对 全省平均 下降 平均预报准确率提升 在 预报中省的西北部和南部地区平均 下降 以上省的西部、中北部准确率提升可达 以上大幅度超越 平均状态贵州地形复杂影响系统多变气温预报一直是预报业务中的难点 特别在静止锋活动期间直接的数值预报几乎丧失预报能力需综合考虑其主要的影响系统并将其定量引入客观预报模型才能有效改进预报性能 本文针对静止锋减弱北抬时主要影响因子逆温层的变化进行量化很好地改进了静止锋影响期间气温的预报性能超越了 平均状态可为地方气象服务提供较好的参考和业务指导参考文献【】寿绍文励申申王善华等.天气学分析.北京:气象出版社.():.王曼朱莉段旭等.昆明准静止锋移动影响因子数值模拟试验.气象科技():.段旭李英孙晓东.昆明准静止锋结构.高原气象():.杜正静.滇黔准静止锋对贵州地区天气的影响.南京:南京信息工程大学.贵 州 科 学():纳米二氧化钛负载水葫芦基生物炭的制备及其对亚甲基蓝的吸附性能研究孟文超欧阳泽郭园萍赵梦轩余军霞池汝安(武汉工程大学 化学与环境工程学院湖北 武汉)摘 要:通过原位沉淀法制备了二氧化钛负载水葫芦基生物炭吸附剂并探讨了浓度、吸附时间、酸度、共存离子等因素对其吸附亚甲基蓝的影响以及吸附剂的降解循环再生性能 和 分析结果表明纳米二氧化钛成功负载在生物炭表面所制备的/对亚甲基蓝的吸附符合 模型最大吸附容量为 吸附为快速吸附过程可在 内完成符合准二级动力学模型 降解循环再生实验结果表明二氧化钛负载水葫芦基生物炭具有良好的循环使用性在 次循环实验后依然保持 的吸附活性可望用于染料废水的处理关键词:原位沉淀生物炭吸附亚甲基蓝纳米二氧化钛中图分类号:文献标识码:文章编号:()梁维亮屈梅芳赖珍权等.广西地区一次强雷暴天气过程雷达特征及环境场分析.气象与环境学报():.唐延婧胡跃文谢清霞.滇黔准静止锋大暴雨的锋面特征及其对 的影响.气象科技():.李英舒智.云南春季冰雹、大风天气的中尺度扰动特征.气象():.马晓刚.年 月我国南方罕见冰冻雨雪灾害性天气诊断分析.气象与环境学报():.彭艳青张昆王起唤等.怀化市一次大范围暴雪天气成因分析.贵州科学():.张腾飞鲁亚斌张杰等.一次低纬高原地区大到暴雪天气过程的诊断分析.高原气象():.赵荻.昆明准静止锋的生成机制研究.昆明:云南大学.张亚男.昆明准静止锋进退及维持诊断分析.昆明:云南大学.张亚男段旭.年初昆明准静止锋生消及移动成因分析.云南大学学报(自然科学版)():.杜正静丁治英张书余.年 月云贵静止锋在演变过程中的结构及大气环流特征分析.热带气象学报():.李英.伴随强天气的昆明准静止锋结构和动力学诊断.南京:南京大学.杜小玲彭芳武文辉.贵州冻雨频发地带分布特征及成因分析.气象():.杜小玲高守亭彭芳.年初贵州持续低温雨雪冰冻天气成因研究.大气科学():.李刚甘文强谢清霞.贵州最高气温预报方法研究.中国农学通报():.邓苏罗旋冉先果等.铜仁市气象近 年时空变化特征分析.贵州科学():.李刚杨秀庄刘彦华等.基于 的贵州最高气温预报方法研究.干旱气象():.收稿日期:修回日期:基金项目:中国气象局预报员专项()国家自然科学 基 金()中 国 气 象 局 公 服 中 心 创 新 基 金 项 目()毕节市气象局登记制项目()作者简介:李 刚()男正高级工程师硕士研究方向:主要从事中短期预报及数值预报解释应用研究地理、环境科学/第 卷