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Volume 42 · Issue 3 · Pages 411-592

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Uncertainties in Tornado Records and Potential Solutions from the Perspective of Damage Surveys

Li, Z. M., Z. Y. Meng, L. Q. Bai, K. L. Cai, and X. H. Wang, 2025: Uncertainties in tornado records and potential solutions from the perspective of damage surveys. Adv. Atmos. Sci., 42(3), 411−416, https://doi.org/10.1007/s00376-024-4061-6.

摘要: 确认龙卷的发生与评估龙卷的强度等级是一项相当具有挑战性的工作，特别是对于较长路径的龙卷及龙卷爆发。由于现场灾害调查的缺失或者不充分，尤其是在人口稀少的地区，造成龙卷记录存在很大的不确定性。本文介绍了一些有效降低龙卷记录不确定性的潜在方法，比如龙卷爱好者的报告、社交媒体的搜索与星载探测设备的摄影，这些方法已被证明在收集灾害信息、刻画灾害路径及确定龙卷记录方面是有效的。无人机航拍可能有助于有效评估龙卷强度等级。自2021年以来，上述的一些方法已经在中国气象局龙卷风重点开放实验室和佛山市龙卷风研究中心进行了测试或业务运行，并证明是有效的。这些方法也将推进全国或者世界范围内的龙卷与下击暴流等灾害调查、龙卷气候学评估方面的发展，特别是在中国东北等人口稀少的地区。

关键词: 龙卷爆发，灾害调查，无人机，星载摄影

Original Paper

Optimal Coupling Height of the Atmosphere and Land Surface—An Earth System Modeling Perspective

Liu, S. F., and Coauthors, 2025: Optimal coupling height of the atmosphere and land surface—An earth system modeling perspective. Adv. Atmos. Sci., 42(3), 417−426, https://doi.org/10.1007/s00376-024-3338-0.

摘要: 在地球系统模拟中，陆面通过地表湍流通量与大气耦合。这些通量基于地表和大气某个参考高度之间的平均变量差来计算，在实际应用当中，该参考高度通常设为大气模式的底层。但是，通量计算对参考高度的依赖性，尚未受到太多关注。我们基于不稳定条件下的高分辨率大涡模拟（LES）数据，发现在当前近地层理论框架内，不同参考高度设置的影响不可忽略。我们发现，通过设置合理的空气动力粗糙度长度（遵循LES中的设置），当参考高度接近于近地层顶部时，表面通量计算的误差最小，尤其是动量通量。这一结果对于感热通量来说不受动量/热量粗糙度比的影响。无论是基于经典的还是修订的近地层理论，结论都成立。我们将来可使用陆面-大气反馈观测试验数据来进一步检验。本工作成果为地球系统模拟中设置合适的参考高度提供了科学指导。

关键词: 地表通量计算，参考高度，陆面过程模拟，陆-气耦合，大涡模拟

ENSO-induced Latitudinal Variation of the Subtropical Jet Modulates Extreme Winter Precipitation over the Western Himalaya

Bharati, P., P. Deb, K. M. R. Hunt, A. Orr, and M. K. Dash, 2025: ENSO-induced latitudinal variation of the subtropical jet modulates extreme winter precipitation over the Western Himalaya. Adv. Atmos. Sci., 42(3), 427−437, https://doi.org/10.1007/s00376-024-4057-2.

摘要: 本研究探讨了延伸冬季(11月-3月)期间西风扰动(WDs)、厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)与西喜马拉雅(WH)极端降水事件(EPEs)之间的复杂关系。研究发现，WH西部的西风扰动与97%的记录极端降水事件相关联，对WH区域总降水量贡献显著(冬季32%，全年11%)。与拉尼娜期相比，厄尔尼诺期西喜马拉雅西部地区的西风扰动频率降低了6%，但强度增加了4%。在厄尔尼诺年，与极端降水事件共存的西风扰动强度显著高于拉尼娜年，且在西喜马拉雅关键区（WH box，即西喜马拉雅冬季降水主要发生区域）的水汽输送增加了17%。这导致厄尔尼诺期间的极端降水频率是拉尼娜期间的两倍。在厄尔尼诺期间，副热带急流(STJ)轴向南偏移显著(约180千米)，使西风扰动路径更靠近其主要水汽源(特别是阿拉伯海)。研究结果表明，强度更强且路径更偏南的西风扰动，其垂直积分水汽通量（VIMF）显著高于其他西风扰动。最强的第5个百分位西风扰动的VIMF辐合是最弱第5个百分位的5.7倍，而第二低纬度第5个百分位的VIMF辐合是最高纬度第5个百分位的3.4倍。本研究揭示了与冬季副热带急流相关的西风扰动纬向位置和强度变化，与水汽辐合之间的直接联系，这种联系导致了ENSO不同位相期间WH地区极端降水的发生。

关键词: 西喜马拉雅，极端降水，西风扰动，ENSO，水汽通量，冬天

Influence of the Scandinavian Pattern on Summer Extreme Precipitation over the Eastern Slopes of the Tibetan Plateau

Chen, Q. L., Z. Q. Zhang, Y. Li, Y. J. Liao, and D. D. Dong, 2025: Influence of the Scandinavian pattern on summer extreme precipitation over the eastern slopes of the Tibetan Plateau. Adv. Atmos. Sci., 42(3), 438−452, https://doi.org/10.1007/s00376-024-3112-3.

摘要: 斯堪的纳维亚（SCA）遥相关是调节青藏高原东侧夏季极端降水变异性的一个重要气候信号。SCA遥相关与高原东侧夏季极端降水之间存在强烈的负相关，相关系数为-0.57。对水汽收支方程的分析表明，SCA遥相关引起的纬向和垂直水汽平流的动力分量异常在高原东侧极端降水变异性中起主导作用，而纬向和垂直水汽平流的动力分量异常仅与纬向风和垂直速度的变化相关。SCA遥相关异常通过罗斯贝波向下游传播，导致东亚北部和伊朗高原上空形成气旋式环流。在气旋式环流南侧的偏西气流的作用下，形成高原东侧上空的显著西风异常。一方面，异常西风将青藏高原上空的平均湿空气输送至高原东侧，形成正的纬向水汽平流异常。另一方面，异常西风将青藏高原上空的平均暖空气输送至高原东侧，形成暖平流异常，导致显著的上升运动，将集中在对流层低层的水汽向上输送，形成正的垂直水汽平流异常。最终，在正纬向水汽平流异常和正垂直水汽平流异常的共同作用下，使得高原东侧夏季极端降水偏多。

关键词: 大气环流，极端降水，斯堪的纳维亚遥相关，水汽收支方程

The Enhancing Effect of the East Asian Subtropical Westerly Jet on Summer Extreme High-Temperature Events over Central-Eastern China Since the Late 1990s

Gao, C. J., and Coauthors, 2025: The enhancing effect of the East Asian subtropical westerly jet on summer extreme high-temperature events over central-eastern China since the late 1990s. Adv. Atmos. Sci., 42(3), 453−466, https://doi.org/10.1007/s00376-024-4027-8.

摘要: 近几十年来，中国中-东部地区（Central-Eastern China, CEC）极端高温天气事件的频率和强度都明显增加，对社会发展和人民生活造成了严重影响。利用1979-2020年的观测资料和再分析资料，本文探讨了夏季东亚副热带西风急流（East Asian subtropical westerly jet, EAJ）对CEC极端高温事件的影响。一般而言，CEC位于高空急流出口区域的右侧，当夏季EAJ相对较强且向北移动时，CEC会遭受到更多、更强的极端高温天气事件。这是由于异常EAJ引起的异常下沉气流所致。然而，这种急流-极端高温事件的关系在过去40年并不稳定，且具有明显的年代际变化。20世纪90年代末以前，EAJ年际变化主要表现为异常的经向位移变化，纬向风异常大值区偏东。与此同时，异常的大气环流响应基本上位于CEC以东，故EAJ对CEC极端高温天气事件的影响较小。自20世纪90年代末以来，EAJ的变化特征主要是急流中心的强度变化，纬向风异常大值区较为偏西，异常的大气环流响应也相应地向西移动。因此，在2000-2020年期间，EAJ对夏季CEC极端高温天气有更显著的影响。本研究结果有助于加深认识极端天气气候事件的形成机制，为短期气候预测提供科学依据。

关键词: 夏季极端高温事件，东亚副热带急流，大气环流，中国中-东部，年代际变化

Impact of Assimilation of FY-4A GIIRS Three-Dimensional Horizontal Wind Observations on Typhoon Forecasts

Wang, H., W. Han, J. Li, H. Chen, and R. Y. Yin, 2025: Impact of assimilation of FY-4A GIIRS three-dimensional horizontal wind observations on typhoon forecasts. Adv. Atmos. Sci., 42(3), 467−485, https://doi.org/10.1007/s00376-024-4051-8.

摘要: 来自地球同步轨道卫星上的红外高光谱(HIR)探测器的观测数据不仅能提供大气热力场信息，还可以反演出高时间分辨率的动力场信息。追踪台风Maria(2018) 15分钟时间分辨率和台风Lekima(2019) 30分钟时间分辨率的干涉式大气探测仪(GIIRS)的观测中水汽的运动，可反演出三维(3D)风场。本研究聚焦于利用中国气象局业务区域数值预报系统(CMA-MESO)，研究同化3D风场的影响，关注高时间分辨率动力场信息同化带来的潜在优势。观测模拟差的标准差表明，15分钟分辨率的3D风场精度高于30分钟分辨率的3D风场。同化试验结果表明，同化系统能够有效吸收3D风场信息，来自晴空区的动力场信息可以传递到台风中心区域。台风预报中，3D风场同化对台风路径的影响最大，对最大风速的影响较小。3D风场的同化对台风Maria(2018)的整个36小时预报的路径误差减少了17.4%，对台风Lekima(2019)预报的路径误差减少了3.5%，同时改善了CMA-MESO对暴雨的预报。研究表明同化动力场信息能够改善数值天气预报效果。

关键词: 干涉式大气探测仪，三维风场，台风，中国气象局区域业务数值预报系统

Simulations of GaoFen-5 Directional Polarimetric Camera (DPC) Observations Using the Advanced Vector Discrete Ordinate Radiative Transfer Model

Xie, Y. C., Z. Q. Zhu, F. Z. Weng, Z. Q. Li, and X. Z. Han, 2025: Simulations of GaoFen-5 Directional Polarimetric Camera (DPC) observations using the Advanced Vector Discrete Ordinate Radiative Transfer Model. Adv. Atmos. Sci., 42(3), 486−500, https://doi.org/10.1007/s00376-024-4162-2.

摘要: 近年来，极化遥感观测信息在气象科学中的应用日益广泛。为了更精确地模拟极化特性，本研究基于矢量离散坐标辐射传输模型（Vector Discrete Ordinate Radiative Transfer Model, VDISORT），通过引入海表双向反射分布函数（Bidirectional Reflectance Distribution Function, BRDF）进行改进，形成了先进版本A-VDISORT。该模型采用考虑风致粗糙度和阴影效应的菲涅尔反射矩阵来表达海洋BRDF特性。A-VDISORT模型的模拟结果在瑞利散射大气条件下与SCIATRAN模型进行了对比评估。此外，利用PSTAR（Polarized System for Transfer of Atmospheric Radiation）模型分析了离水辐亮度对观测的影响。针对高分五号卫星（GF-5）搭载的多角度偏振探测仪（Directional Polarimetric Camera, DPC）所获取的数据，本研究结合极化和多角度观测信息实现了对洋面晴空像元的精准识别，并重点模拟了受离水辐亮度影响较小的极化反射率。研究结果显示，A-VDISORT模型展现了出色的模拟精度，其偏差仅为−0.0053，且模拟值与实际观测数据之间的差异符合标准正态分布规律。

关键词: 矢量辐射传输方程，先进的矢量离散坐标辐射传输模型，海洋BRDF，GF-5 DPC

Statistical Analysis of North Pacific Storm Track Precipitation Based on GPM Observation Data

Wang, L. Y., and Y. F. Fu, 2025: Statistical analysis of North Pacific storm track precipitation based on GPM observation data. Adv. Atmos. Sci., 42(3), 501−514, https://doi.org/10.1007/s00376-024-4104-z.

摘要: 北太平洋风暴路径（NPST）是中纬度气旋的高频发生区域，也是低纬度与中高纬度之间水汽和能量输送的重要通道。尽管此前针对该区域的天气与动力学研究已取得重要进展，但由于缺乏海洋表面降水观测数据，关于该区域降水的统计研究仍显不足。本研究基于GPM DPR（全球降水测量双频降水雷达）观测数据及ERA5大气参数，对NPST降水的时空分布特征进行了统计分析，并结合大气参数进行了深入解析。研究发现，与低压系统相比，气压梯度对气旋活动和降水分布的影响更为显著。该特征与北太平洋海域水汽南高北低的经向分布共同导致了降水高频区域相对于风暴路径的偏移。此外，北太平洋的海表温度分布影响了风暴路径的纬向分布，导致沿风暴路径的天气扰动和降水从西向东呈现出北向延伸的特征。本研究深化了对NPST在全球尺度水汽与能量平衡中作用的认识，并对提高气候模型对中纬度气旋降水的预测精度具有重要意义。

关键词: 北太平洋风暴路径，GPM DPR，温带气旋，降水

Airborne Investigation of Riming: Cloud and Precipitation Microphysics within a Weak Convective System in North China

Hu, X. F., and Coauthors, 2025: Airborne investigation of riming: Cloud and precipitation microphysics within a weak convective system in North China. Adv. Atmos. Sci., 42(3), 515−526, https://doi.org/10.1007/s00376-024-4137-3.

摘要: 凇附过程显著影响云的微物理特征。本研究利用2017年5月22日华北中南部地区一次积层混合云的飞机和雷达观测数据，对比分析了对流泡附近和层云区的微物理结构特征及过程。重点关注了凇附对融化层上边界附近微物理特性的影响，以及影响凇附效率的因素。协同观测结果表明，尽管对流泡附近和层云区的粒子谱分布特征相似，但冰晶形态和粒子凇附程度存在显著差异。融化层以上，对流泡附近丰富的较大尺寸板状冰晶和过冷液滴（D > 50 μm），使得冰粒子和过冷水滴之间的碰并效率提高。对流泡附近较大的垂直气流扰动增强凇附过程活跃度，促进重度凇附冰粒子（如霰粒子）的形成。同时，机载探头原位观测数据表明，融化层以上凇附过程主要有两个阶段：首先，过冷液滴填充冰雪晶内部结构，使得冰粒子质量增加但尺度维持不变；此后，过冷液滴在冰晶表面冻结增长，显著增加冰粒子尺度。

关键词: 凇附，碰并效率，气流扰动，粒子形态，飞机观测

Influence of Synoptic Pattern on the Spatiotemporal Features and Diurnal Variation of Extremely Persistent Heavy Rainfall over the Sichuan Basin, China

Xia, F., X. G. Huang, J.-F. Fei, J. Wang, X. P. Cheng, and C. Zhang, 2025: Influence of synoptic pattern on the spatiotemporal features and diurnal variation of extremely persistent heavy rainfall over the Sichuan Basin, China. Adv. Atmos. Sci., 42(3), 527−550, https://doi.org/10.1007/s00376-024-3358-9.

摘要: 四川盆地是中国极端持续性强降水（EPHR）事件的高发区。2009至2019年四川盆地内的EPHR主要集中在盆地北部和西北部的迎风坡以及中部区域，且主要发生在6至9月，特别是7月，日峰值则出现在0300LST。基于ERA5再分析资料和客观天气分型方法，发现盆地内EPHR事件发生期间主要有三种典型天气形势，且均伴随西南涡，西南涡的位置和强度、青藏高原的热力强迫以及低层风场对EPHR的强度和空间分布有重要影响。当西南涡位于盆地西部且存在偏南低空急流时，低层辐合和上坡风会在盆地西北部或北部迎风坡触发EPHR事件。当没有低空急流且整个四川盆地处于西南涡中部时，夜间西南涡内部环流和青藏高热力强迫产生的上升气流会在盆地中部触发EPHR，但降水强度相对较弱。盆地东南侧入口是低层风场主导EPHR在夜间到达峰值的关键区域，该区域夜间增强的偏南低空急流是边界层惯性振荡导致的。该地区的地形摩擦会产生偏东以及东北非地转风，在输送动量和水汽进入盆地的过程中发挥重要作用。

关键词: 极端持续性强降水，天气型，低空急流，日变化，非地转风

Advantages of the Multimodel Ensemble Approach for Subseasonal Precipitation Prediction in China and the Driving Factor of the MJO

Guo, L., J. Wu, Q. Q. Li, and X. L. Jia, 2025: Advantages of the multimodel ensemble approach for subseasonal precipitation prediction in China and the driving factor of the MJO. Adv. Atmos. Sci., 42(3), 551−563, https://doi.org/10.1007/s00376-024-4107-9.

摘要: 本研究基于次季节至季节（S2S）预测计划中5个S2S模式的历史回报数据，系统评估了多模式集合方法对中国夏季次季节降水的预测性能，并进一步揭示了多模式集合技巧提升的原因。评估结果表明，单模式对中国夏季降水的次季节预测时效在3候左右，而多模式集合的预测时效可达4候，在华南地区最高可达6候。多模式集合在确定性预测和概率预测方面均优于单模式，尤其在概率预测中表现更为突出。其技巧优势主要来源于模式多样性和集合成员数量的提升，其中成员数量的贡献更大，特别是显著提高了概率预测的可靠性。进一步研究表明，MJO是多模式集合方法提升中国夏季降水次季节预测性能的主要驱动因子。多模式集合不仅提高了对MJO本身预测的技巧，更重要的是能够更准确地把握住MJO与中国夏季降水之间的关系。本研究为认识多模式集合方法在中国夏季降水次季节预测中的技巧优势，进一步改进S2S预测提供了科学依据。

关键词: 多模式集合，次季节预测，夏季降水，S2S模式，MJO

Impact of Skin Temperature Control Variable on the Assimilation of Microwave Temperature-sounding Channels in Regional Numerical Weather Prediction

Chen, Y. D., Q. H. Yang, L. Y. Qin, Y. B. Wang, D. M. Meng, and X. S. Yan, 2025: Impact of skin temperature control variable on the assimilation of microwave temperature-sounding channels in regional numerical weather prediction. Adv. Atmos. Sci., 42(3), 564−578, https://doi.org/10.1007/s00376-024-4070-5.

摘要: 准确的地表温度是成功同化地表敏感卫星辐射率资料的关键因素之一。然而，模式背景场中的地表温度可能不够准确。为克服这一问题，在变分同化框架中提出了一种耦合地表温度控制变量的同化方案，该方案建立了地表温度与大气变量之间背景场误差的相关性。一系列单观测试验表明，通过应用本方案，不仅可以实现对地表温度的直接分析，还可以在同化过程中建立地表温度与大气变量之间的相互作用，实现地表温度与大气变量的协调分析。为期10天的循环同化试验表明，该方案改进了地表温度的分析，进而减小了地表变量和低层气温预报的均方根误差；该方案还减少了地表敏感的微波和红外通道模拟亮温与观测亮温之间的差异，表明该方案改进了这些通道的辐射模拟，从而有利于受地表影响卫星资料的有效同化。

关键词: 辐射率同化，地表温度控制变量，微波温度通道，数值天气预报

Data Description Article

CAS-ESM2.0 Dataset for the G1ext Experiment of the Geoengineering Model Intercomparison Project (GeoMIP)

Cui, M., and Coauthors, 2025: CAS-ESM2.0 Dataset for the G1ext experiment of the Geoengineering Model Intercomparison Project (GeoMIP). Adv. Atmos. Sci., 42(3), 579−592, https://doi.org/10.1007/s00376-024-4177-8.

摘要: 太阳辐射干预可能成为缓解温室气体排放引发全球快速变暖的备用措施。本文利用中国科学院地球系统模式2.0（CAS-ESM2.0）模拟研究了地球工程模式比较计划（GeoMIP）中的太阳辐射干预试验G1ext，该试验通过突减太阳辐射来平衡大气CO2浓度突增四倍导致的辐射强迫，并持续100年。本文简要描述了CAS-ESM2.0开展G1ext试验的基本情况。初步结果表明，该模式能够有效地通过减少全球太阳辐射而抵消大气CO2浓度突增四倍所引起的辐射强迫。CAS-ESM2.0在G1ext试验下合理呈现了辐射调整、地表气温和降水形态在全球及区域尺度的变化。试验生成的数据集已发布在地球系统网格联盟数据服务器上，可用于研究太阳地球工程措施的潜在效能和影响。

关键词: 中国科学院地球系统模式2.0版本，地球工程模式比较计划，地球工程，辐射调整，温度，降水

举