GPM卫星降水产品在台风极端降水过程的误差评估

以雨量站观测数据为基准,利用相关系数(CC)、相对偏差(RB)、均方根误差(RMSE)以及分级评分指标(探测率POD、误报率FAR、临界成功指数CSI),对全球降水计划GPM多卫星融合产品4. 4版本准实时产品IMERG_ER(简称IMERG)在2017年接连登陆广东的3个台风"天鸽"、"帕卡"和"玛娃"极端降水过程性能进行评估。广东省内"天鸽"、"帕卡"和"玛娃"的CC分别为0. 80,0. 68和0. 47,RB为-12. 00%,-47. 06%和-29. 10%,RMSE达33. 00,40. 03和26. 40 mm。雨区的CC分别为0. 59,0. 48和0. 33,RB为2. 21%,-43. 58%和-25. 94%,RMSE为44. 34,51. 04和40. 64 mm。IM ERG低估了"天鸽"、"帕卡"、"玛娃"的总体降水强度,主要源自于对雨区的低估。从散点分布来看,IMERG高估了强降水,低估了弱降水的强度,对极端强降水的估测能力存在较大的不稳定性。降水量时序变化特征表明,IMERG较好体现了降水峰值和谷值的数量及变化趋势,但时间和强度有偏差。误差来源于复杂地形、PMW观测时间分辨率不足和IR反演降水准确度不足对卫星估测降水的影响。分级检验结果显示,相同量级内,雨区的POD更大,FAR更小,CSI评分更高,IMERG对雨区的反演能力更强。IMERG对"天鸽"估测效果最好,POD较高,FAR较小,CSI较高;"帕卡"POD较低,暴雨及以上的FAR较高,CSI下降显著;"玛娃"POD比"帕卡"高,但FAR也高,CSI中等。可见IMERG对小量级降水具有较好的估测能力,强降水估测显著偏高,暴雨及以上的降水误差起了主要贡献。     

GPM卫星降水数据在沿海地区的适用性分析——以三亚市为例

选取2016年1—12月GPM(Global Precipitation Measurement)卫星的IMERG月尺度降水数据为研究对象,以同时期的气象站点实测降水数据为参考,利用相关系数、标准偏差、相对误差等多种统计分析指标对其在沿海地区估测能力进行评价。结果表明:IMERG月尺度降水量与站点实测降水数据相关性较好,IMERG估测的降水与气象站点实测降水量的时空变化规律也较为一致,但是量化到具体数值而言,其对山区、海岛站的估测能力不及地势平坦的区域;同时,选取降水个例对IMERG日尺度和半小时尺度降水数据的分析表明,日尺度IMERG估测的不同等级降水量也存在偏差,半小时尺度IMERG降水数据对海岛站的降水估测偏高。总体而言,IMERG降水数据对降水的时间变化规律和空间分布格局估测较为合理,但是对山区、海岛地区,其降水估测值还存在偏差,在今后应用中需结合地形特征加以合理利用。     

2010年汛期长江中游对流降水日变化特征分析

利用2010年6月16日至7月31日每3h一次的探空资料、逐小时地面加密观测和卫星云图黑体辐射亮温（TBB）等资料,对长江中游的对流降水及大气物理量的日变化特征进行了分析。结果发现：对流降水具有明显的日变化特征,降水在15时（01时）左右具有峰（谷）值。地面气象要素和大气探空物理量也具有明显的日变化特征。地面温度的日变化特征最为明显,平均日变化幅度约9℃,露点温度的日变化幅度不到1℃,相对湿度的日变化主要由温度日变化造成。地面温度日变化的空间分布受到地形的影响,白天（夜间）高地形区升温（降温）幅度较平原地区大。地形差异造成的温度梯度日变化可驱动地形性热力流,白天山峰（平原）地区为地形性辐合（辐散）热力流,夜间恰好相反。白天低层大气稳定度降低和对流有效位能增大,有利于热对流的发展;夜间抬升凝结高度降低、相对湿度升高和大气可降水量增大有利于清晨长生命史对流系统的发展。     

GPM/IMERG产品在鲁南地区的精度评估

为了评估GPM/IMERG产品在鲁南地区的精度,利用2016年1—12月鲁南地区35个国家气象站的降水观测数据,采用定量和分类评分指标的方法,从时间、空间和降雨强度等方面对GPM/IMERG产品在鲁南地区的适用性进行评估。结果表明:IMERG数据在鲁南地区具有较高的精度,IMERG与站点观测数据相关系数为0.8,均方根误差为5.47mm/d,相对偏差为2.27%;从时间上来看,IMERG与站点观测区域平均日降水和月降水总体变化趋势是一致的,夏季的估算精度高于其他季节;从空间上来看,年降水量偏多的台站,IMERG数据会低估,年降水量偏少的台站,IMERG数据会高估,IMERG对中纬度山地和丘陵的估测精度优于平原;IMERG产品的估计精度与降雨强度有关,当降水量级为微量降水(小于1mm/d)时,卫星估测能力较弱,当降水强度为小雨及以上量级时,卫星估测降水产品与实际观测概率密度差异较小;IMERG估算稳定性降水的能力较强,在降水较多月份,IMERG的探测准确率较高、空报率较低、临界成功指数较好。     

GPM卫星降水数据在广东的适用性分析

为评估全球降水观测(GPM)卫星降水数据在广东地区的适用性,利用广东省86个国家地面站点实测降水数据,选用5个评价指标从降水误差、季节平均降水量等方面进行精度验证。结果表明：(1)GPM卫星降水数据与站点实测数据相关性随时间尺度增加呈递增趋势,探测能力在月尺度上表现较好。(2)GPM卫星降水数据在季节尺度上对平均降水量有一定的表征能力,但季节间有明显差异,在夏季表现较差。(3) GPM降水数据受气候、地理位置和地形等因素影响较大,降水精度易受影响。     

GPM反演降水数据IMERG在浙江省的适用性研究

【目的】为了研究全球降水测量计划（GPM）综合多卫星检索降水产品（IMERG）在浙江省的适用性。【方法】以浙江省为研究区域,基于浙江省自动观测站降水数据,利用相关系数、均方根误差、相对偏差、分类指数统计法分别从年尺度、季尺度、月尺度、日尺度以及小时尺度GPM在浙江省的适用性。【结果】（1）春、秋、冬季的GPM和自动站对应效果远好于夏季,月尺度、日尺度、小时尺度下GPM和自动站降水数据对应效果较好,但整体上存在高值区略低估、低值区略高估现象;（2）年尺度与季尺度下GPM与自动站降水平均值的变化趋势一致,但GPM降水平均值较高,其中秋季表现最好;（3）年、月、日3个尺度下,尺度越精细化,相关系数越高、相对偏差越小,均方根误差越小;小时、日、月3个尺度下,降水阈值越低,产品尺度越粗糙,估测能力越高;降水阈值越低,产品尺度越精细,误报降水的比例越低;降水阈值越低,综合探测能力越高;（4）在小时尺度下,在0.5~1 mm·h-1区间,GPM虽然对降水事件略有高估,但拟合效果较好。【结论】综合来看,GPM日尺度降水数据产品精度在浙江省有较大应用潜力。     

江苏南部汛期降水日变化特征分析

利用江苏南部20个气象观测站2008—2012年汛期(5—10月)逐小时降水资料,应用降水频率来分析了江苏南部地区降水日变化基本特征和区域差异。研究表明:降水日变化特征地域性差异较强,西部站、东部站和东北沿海站都存在一定的特征差异。东部站降水量的最大值主要出现在下午和傍晚;西部站降水量主峰值出现在下午,并且在清晨和夜间还有两个次峰值;东北沿海站呈现出午前、午后的双峰值形式。2008—2011年降水量下午高值区有先减弱后增强并提前的趋势,而上午的高值区有总体减弱并推迟的特征。2011年后有明显减弱的趋势。江苏南部总体来说,短时强降水(大于20和25 mm/h)在16—19时出现主峰值,07—09时也有相对较小的次峰值。     

我国东南沿岸及复杂山地后汛期降水日变化的数值研究

利用2009~2017年7~9月福建省逐小时地面加密自动站资料和2015~2017年7~9月厦门站的探空资料,通过K均值聚类法和中尺度数值模式(WRF3.9.1.1版本)理想数值模拟,分析了我国东南沿岸及复杂山地(福建)后汛期降水日变化特征,揭示了地形热力环流以及海陆风环流在热对流降水日变化形成中的作用,探讨了环境温湿廓线及风垂直廓线对热对流降水日峰值强度和日峰值出现时间的影响。结果发现:我国东南沿岸复杂山地(福建)后汛期降水日变化受地形热力环流和海陆风环流的影响和调制,白天辐射加热在复杂山地形成的局地热力环流激发出对流降雨带,午后受海风环流的影响,对流降雨带组织发展达到峰值,之后随着地形热力环流和海风环流减弱雨带逐渐减弱。武夷山及周边复杂山地的降水日变化主要受地形热力环流的影响,在午后对流降水达到峰值,夜间减弱几近消失。理想数值试验进一步证实了我国东南沿岸复杂山地地形热力环流对对流降雨的触发以及海陆风环流在山地对流雨带组织发展中的作用,环境温湿廓线以及风垂直廓线对热对流降水日峰值强度以及日峰值出现的时间具有重要影响,其中环境温湿廓线的大气抬升凝结高度、大气可降水量、大气的对流不稳定度以及大气中低层湿度分布的不同,会影响热对流降水日峰值强度,并通过影响山地热力对流触发时间,改变热对流降水日峰值时间,而环境风垂直廓线的低层气流强度和方向、中低层垂直风切变的不同,会影响地形热力对流系统的启动、组织发展和移动等特征,进而影响热对流降水日峰值强度以及热对流降水日峰值时间。     

辽宁省夏季降水的日变化特征

文章利用辽宁省25个气象观测站1961—2008年夏季6—8月的逐时降水自记资料,分析了辽宁省夏季降水日变化的基本特征。发现：降水日变化特征地域性较强,沿海站与内陆站存在差异。总体来说,沿海站降水量的最大值基本出现在午前04-08时,内陆站点则呈双峰值的形式,峰值分别出现在午前和午后,午后1 4—20时为降水量最大值出现的时间;降水频次的日变化特征和降水量基本相同;持续时间长的降水多在午前达到峰值,持续时间短的降水多在午后达到峰值;沿海站点午前的降水峰值区基本是由持续时间在6 h以上的长时间降水造成,内陆站点午后最大降水峰值则为持续时间6 h以内的短时降水,这与内陆下午对流能量强相适应。研究表明,降水日变化的存在能够影响到降水预报的评分。     

基于CMPAS产品的河西走廊汛期降水日变化特征

利用CMPAS格点和河西走廊国家气象站、区域气象站逐小时降水量数据,运用常规的气候统计方法,分析了河西走廊2018—2022年汛期（5—9月）降水量、降水频次、降水强度的空间分布和日变化特征。结果表明：（1）受地理位置、海拔高度、纬度以及影响系统影响,降水总量、降水频次及降水强度的空间分布总体上表现为由西北向东南增加,低纬度高海拔的走廊中东部及沿山区大于高纬度低海拔的走廊西部及平原区;（2）受青藏高原东北侧午后湿对流和凌晨到上午气温较低影响,降水量、降水频次和降水强度日变化均表现为双峰型分布,峰值时间段出现在16—23时和06—10时,谷值出现在12—14时;（3）持续7～12 h的降水量和1～3 h的降水频次最多,持续13～24 h的降水频次和降水量最少,不同持续时长降水量和降水频次大值都集中出现在傍晚和凌晨。     

EFFECTS OF SEA SURFACE TEMPERATURE AND ITS DIURNAL VARIATION ON DIURNAL VARIATION OF RAINFALL: A PARTITIONING ANALYSIS BASED ON SURFACE RAINFALL BUDGET

The effects of sea surface temperature(SST) and its diurnal variation on diurnal variation of rainfall are examined in this study by analyzing a series of equilibrium cloud-resolving model experiments which are imposed with zero large-scale vertical velocity.The grid rainfall simulation data are categorized into eight rainfall types based on rainfall processes including water vapor convergence/divergence,local atmospheric drying/moistening,and hydrometeor loss/convergence or gain/divergence.The rainfall contributions of the rainfall types with water vapor convergence are insensitive to the increase in SST from 27°C to 29°C during the nighttime,whereas they are decreased during the daytime.The rainfall contributions of the rainfall types with water vapor convergence are decreased as the SST increases from 29°C to 31°C but the decreases are larger during the nighttime than during the daytime.The rainfall contributions of the rainfall types with water vapor convergence are decreased by the inclusion of diurnal variation of SST with diurnal difference of 1°C during the nighttime,but the decreases are significantly slowed down as the diurnal difference of SST increases from 1°C to 2°C.The rainfall contributions of the rainfall types with water vapor convergence are insensitive to the inclusion of diurnal variation of SST during the daytime.     

SENSITIVITY OF PRECIPITATION TO SEA SURFACE TEMPERATURE AND ITS DIURNAL VARIATION: A PARTITIONING ANALYSIS BASED ON SURFACE RAINFALL BUDGET

The sensitivity of precipitation to sea surface temperature(SST) and its diurnal variation is investigated through a rainfall partitioning analysis of two-dimensional cloud-resolving model experiments based on surface rainfall budget.For all experiments,the model is set up using zero vertical velocity and a constant zonal wind and is integrated over 40 days to reach quasi-equilibrium states.The 10-day equilibrium grid-scale simulation data and a time-invariant SST of 29°C are used in the control experiment.In the sensitivity experiments,time-invariant SSTs are 27°C and 31°C with an average value of 29°C when the minimum and maximum values of diurnal SST differences are 1°C and 2°C,respectively.The results show that the largest contribution to total rainfall is from the rainfall with water vapor convergence and local atmospheric drying and hydrometeor gain/divergence(~30%) in all experiments.When SST increases from 27°C to 29°C,the contribution from water vapor convergence decreases.The increase of SST reduces the contribution of the rainfall with water vapor convergence primarily through the decreased contribution of the rainfall with local atmospheric drying and hydrometeor gain/divergence and the rainfall with local atmospheric moistening and hydrometeor loss/convergence.The inclusion of diurnal variation of SST with the diurnal difference of 1°C decreases the rainfall contribution from water vapor convergence primarily through the decreased contribution of the rainfall with local atmospheric moistening and hydrometeor loss/convergence.The contribution of the rainfall from water vapor convergence is barely changed as the diurnal difference of SST increases from 1°C to 2°C.     

广西汛期大范围持续性强降水特征与天气学分型研究

利用1979—2019年国家级气象观测站日降水资料、ERA5再分析资料以及CMA热带气旋最佳路径集,对51例发生在广西的汛期大范围持续性强降水过程进行了统计分析与天气学分型研究,重点探索了不同类型过程的关键环流特征与锋生结构差异。主要研究结论如下：大范围持续性强降水过程有华北槽、南支槽、低涡切变、副高边缘、热带气旋以及季风低压等六种主要类型,均以稳定天气环流背景为共同特征。华北槽型发生频率最高,南支槽型平均持续时间最长且平均影响范围最广。华北槽、南支槽和低涡切变型过程的降水强度相当,主要落区在桂东北,由该区特殊地形及其与冷暖空气交绥共同作用而引起锋生,较强锋生起始高度较高且不深厚,但在中低层都存在一定干冷空气的侵入,尤以华北槽型最明显,有利于增强大气不稳定度以及锋生发展;另外,南支槽型在沿海伴有暖区雨带。副高边缘、热带气旋和季风低压型降水强度较大,主要落区位于桂南,大多则由地形抬升暖空气、狭管效应以及地形摩擦辐合作用而引起锋生,触发和维持高效的暖云降水,后两者强锋生起始高度较低且深厚,暖云降水效率更高,而南支槽型沿海锋生区和副高边缘型强锋生相较浅薄。     

基于日降雨数据的广东省降雨侵蚀力初步分析

降雨侵蚀力是反映降雨引起土壤侵蚀的潜在能力。利用广东省26个基本气象站点的多年逐日降雨资料，计算分析了降雨侵蚀力的空间分布和时问变化特征。结果表明，广东省降雨侵蚀力的空间分布呈沿海地区向内部山区逐渐递减趋势，分布特征与多年平均降雨量分布类似；降雨侵蚀力主要集中于4-9月份（雨季），占全年的84．8％，根据季节分布特征，可划分为三个类型区：第一类型区分布于粤北、粤东北、粤西北的内陆山区，第二类型区分布于粤中、粤东和粤西部分地区，第三类型区分布于广东省南端的电白、吴川和雷州半岛地区，各类型区之问的季节分布有明显差异；在降雨侵蚀力的年际变化上，1961-2001年间大部分地区呈现不同程度的正趋势，最大趋势系数（r）可达0．326，其年际变化特征与降雨量和降雨强度相关密切。     

青藏高原地面加热场日变化对亚洲季风区大气环流的影响

利用1982-1996年每天两次的NCEP丙分析资料，研究青藏高原地面加热场的日变化对亚洲季风区环流的影响。结果表明；青藏高原地面加热场的日变化是引起亚洲季风区大气环流日变化的主要因子，青藏高原地区，阿拉伯海，盂加拉湾和菲律宾附近地区是四个主要的日变化显著区，青藏高原地区是垂直运动的负值日变化中心，其它三个区域的日变化与青藏高原地区的日变化有反相关系，这种特征一年四季都存在，但各显著区域范围的大小，中心位置及环流日变化的强度随季节有不同程度的变化，青藏高原加热场日变化对我国东部地区环流的影响主要发生在夏季。     

非汛期影响海南热带气旋的活动变化特征

根据1949～2002年共54年的台风资料对非汛期(10月～次年4月)西北太平洋台风活动的气候特点进行了统计分析,指出:非汛期内影响、严重影响海南的热带气旋频次均无明显的减少趋势,其频次存在准10年、15～20年的主周期,其年代际变化表现为1950年代中期～1960年代后期偏少,1970年代前期偏多,1970年代后期偏少,1980年代偏多,1990年代偏少;非汛期内严重影响海南的较强的热带气旋主要出现在拉妮娜年且其年代际变化也存在15～20年的主周期,1950年代后期到1960年代前期活动的热带气旋偏弱,1960年代后期～1970年代前期偏强,1970年代后期偏弱,1980年代偏强,1990年代又偏弱;较强的热带气旋(中心极值940hPa以下)均生成于135°E以东的洋面,而其源地越西,其强度越小;非汛期登陆海南的热带气旋的登陆点均处于海南岛的东侧海岸线上,1970年代中期以后,登陆点有南移趋势,且均以台风形式登陆。     

南海夏季风爆发前后华南前汛期降水日变化对比分析

利用华南地区248个国家级地面气象站逐小时降水数据和14个探空站数据,分析了2003—2016年4—6月华南前汛期降水日变化特征。据南海夏季风爆发时间,将降水分为爆发前后两个时段。华南地区主要存在两条大雨带,一个位于云贵高原至南岭山脉以南,另一个位于广东沿海地区。偏北雨带集中发生在后半夜至清晨时段,偏南雨带集中发生在中午至下午时段。南海夏季风爆发前后,降水量不存在明显相关性,相关系数较大时次位于中午至下午时段。前后期年降水标准差在0.5附近,变化幅度明显时段主要集中于凌晨至清晨。午后出现3 h多年降水量变化幅度最大值,最小时段为中午12时。降水量、降水频率和降水强度的经向分布特征明显且相似:降水量和降水频率在112 °E附近出现日变化转折,以西多出现不稳定夜雨,以东白天降水波动较大。在南海夏季风爆发前,降水特征主要表现为西部高频、南部高强,在清晨更多作用于对暴雨系统的增长;季风爆发后则表现为西北-东南南的高频率高强度降水形态,在傍晚更多作用于增加降水发生频率。      

DIURNAL VARIATION OF GLOBAL PRECIPITATION: AN ANALYSIS OF CMORPH DATA

In this study, the observed CMORPH precipitation data from 1998 to 2015 are used to analyze diurnal variation of global precipitation. The results reveal that the strong diurnal signals of precipitation occur over equatorial continental areas where the annual precipitation centers are located. The phase of diurnal variation of global precipitation reveals a distinct land-sea contrast with nocturnal peaks at sea and afternoon maxima over continents. The analysis of six selected area reveals that precipitation peak over equatorial land areas occur in afternoon and maximum diurnal signals appear in autumn or winter. Eastern equatorial Intertropical Convergence Zone (ITCZ) barely shows diurnal signals in the entire year. Precipitation over Sichuan Basin and northwestern Pacific shows nocturnal peak and the maximum diurnal amplitude in summer. Precipitation over coastal areas off eastern China shows an afternoon peak and the largest diurnal amplitude in summer.     

中国汛期月降水量年际异常型的相关性分析

用1958～2000年中国160站月降水量通过经验正交函数分解方法研究了中国汛期4～9月相邻及相隔月份降水量年际变化异常型的相关性。结果表明,就相邻月份而言,当5月份中国东南部地区降水偏多（少）,则6月份长江中下游至江南地区的降水也偏多（少）;7月长江流域的降水量异常与8月长江和黄河之间地区的降水量异常有很好的同号性;8月沿江西-湖南-广西一带的降水偏多（少）,则9月在华南中、东部的降水也偏多（少）。另外,对相隔月份,6月南方的降水量与8月广西北部-湖南-江西一带的降水量有显著的反相关系;而7月广西北部-湖南-江西一带的降水量则与9月华南中东部降水量有显著反相关。     

DIURNAL VARIATION OF SST IN RELATION TO SEASON AND WEATHER PHENOMENA IN THE BOHAI REGION

This study investigated the relationships between sea surface temperature(SST) and weather phenomena in different seasons in the Bohai region(China). Five categories of weather phenomena were screened(i.e., fine, cloudy,foggy, rainy and windy conditions) and their relationships with the difference between air temperature and SST observed at Oil Platform A during 2003-2010 were analyzed statistically. The effects of the difference between air temperature and SST in different weather phenomena were examined using the flux method of the atmospheric boundary layer and a formula for the difference between air temperature and SST. The results revealed diurnal variation of the difference between air temperature and SST of-1.0 to +1.0 ℃, i.e., air temperature above the sea surface is subtracted from the SST in corresponding weather phenomena in different seasons in the Bohai region. Moreover,according to the formula for the difference between air temperature and SST, wind and shortwave radiation are the most important factors in terms of the effects of SST on weather processes. In conclusion, the effects of SST on weather phenomena are manifest via the exchange of momentum and energy from sea to air. When the air temperature above the sea surface is lower than the SST, the SST helps develop mesoscale convection systems within the synoptic system through moisture and sensible heat fluxes. When the air temperature above the sea surface is greater than the SST,synoptic systems transfer energy into the sea through heat flux, which affects SST variation. Moreover, a mesoscale convection system will weaken if the synoptic system passes over a colder underlying surface.