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Volume 42 · Issue 5 · Pages 817-1043

News & Views

Extreme Impacts of Four Landfalling Tropical Cyclones in China during the 2024 Peak Season

Wu, L. G., R. L. Yu, C. Y. Xiang, H. Yu, Y. C. Feng, and X. Y. Zhou, 2025: Extreme impacts of four landfalling tropical cyclones in China during the 2024 peak season. Adv. Atmos. Sci., 42(5), 817−824, https://doi.org/10.1007/s00376-025-4465-y.

摘要: 《2025全球风险报告》将极端天气事件列为未来十年全球风险的首位。2024年7月至9月期间，四个具有极端特征的热带气旋登陆中国，凸显了气候变化对热带气旋活动的潜在影响。超级台风格美登陆台湾和福建省，打破了江西、湖南和辽宁等地14个气象站的日降水量纪录。作为秋季登陆中国的最强台风，台风摩羯保持超强台风强度，在海南、广东省和越南广宁省登陆。台风贝碧嘉和热带风暴普拉桑在四天内先后登陆上海，其中贝碧嘉成为自1949年以来袭击上海和江苏省的最强台风。世界气象归因（WWA）报告指出，由于气候变化，像超级台风格美这样的降水事件变得更加频繁，在菲律宾北部每20年发生一次，在台湾每5年发生一次，在湖南省每100年发生一次。气候变化使台湾省和湖南省的台风降水量分别增加了14%和9%。因此，深入研究气候变化如何影响登陆台风的极端事件是未来研究的重要方向。

关键词: 台风, 气候变化, 极端天气, 台风降水

【封面故事】吴立广团队：2024年7-9月登陆中国四个台风的极端影响

Review

Large Ensemble Simulations of Climate Models for Climate Change Research: A Review

Lin, P. F., and Coauthors, 2025: Large ensemble simulations of climate models for climate change research: A review. Adv. Atmos. Sci., 42(5), 825−841, https://doi.org/10.1007/s00376-024-4012-2.

摘要: 近几十年来，气候模式的大样本集合模拟（large ensemble simulation; LENS）或超大样本集合模拟（super-LENS; SLENS）试验，包括现在和未来气候的模拟，在气候变化、气候变率、气候预测及其扩展领域得到了广泛应用。本文综述了气候系统中大样本集合模拟的研究进展，归纳了其定义、初始化、重要性及相关科学问题。此外，在文中还归纳回顾了大样本集合模拟的发展历程、相关理论、方法以及主要的应用领域。基于单模式大样本集合模拟得出的结论比单模式少样本集合模拟更为可靠。文章特别强调了大样本集合模拟在模式偏差、强迫响应与内部变率间的相互作用研究中具有新的价值。最后，文章展望了大样本集合模拟基于气候模式或地球系统模式的未来发展轨迹。超大集合模拟、高分辨率大样本集合模拟、结合地球系统模式的大样本集合以及LENS与人工智能的融合，将极大推动未来气候研究及其相关应用的发展。

关键词: 大集合, 内部变率, 气候系统模式, 气候变化, 外部强迫

Original Paper

Analysis of the Rapid Intensification Mechanism for a Super Arctic Cyclone Based on a New Surface Pressure Tendency Equation

Zhong, W., Q. Qian, Y. Yao, D. Y. Zhang, Y. Sun, and H. D. Du, 2025: Analysis of the rapid intensification mechanism for a super arctic cyclone based on a new surface pressure tendency equation. Adv. Atmos. Sci., 42(5), 842−854, https://doi.org/10.1007/s00376-024-4154-2.

摘要: 本文基于WRF模式对2016年8月一次超级北极气旋（AC16）的演变过程进行模拟，并采用新型地面气压倾向方程（SPTE）诊断分析了影响AC16快速增强的关键因子及其相对贡献，揭示了AC16两次快速增强的主要物理机制。研究表明，WRF模式对AC16的移动路径、强度变化和结构特征具有较好的模拟能力。SPTE诊断结果较好地再现了AC16两次快速增强过程，研究发现整层气柱的位温变化对AC16强度演变最为重要，而上边界压力扰动对AC16强度影响较小。进一步分析表明，水平位温平流是引起气柱变暖的主要因子。具体而言：高空急流的强风速所形成的高层暖平流造成了AC16初始快速增强，对流层顶极涡的强位温梯度所形成的高层暖平流造成了AC16二次快速增强。然而，垂直位温平流与凝结潜热的共同作用以及辐射过程会引起气柱变冷，对AC16快速增强具有负贡献。

关键词: 北极气旋, 快速增强, 地面气压倾向方程, 对流层顶极涡

Short- and Long-lived Break Events during the South China Sea Summer Monsoon and Their Associations with Intraseasonal Oscillations

Bi, M. H., K. Xu, X. X. Zhao, and R. Y. Lu, 2025: Short- and long-lived break events during the South China Sea summer monsoon and their associations with intraseasonal oscillations. Adv. Atmos. Sci., 42(5), 855−869, https://doi.org/10.1007/s00376-024-4096-8.

摘要: 本文对1979–2020年间南海地区长持续性（9–24天）和短持续性（3–8天）季风中断事件进行了对比研究，旨在揭示两类事件在统计特征及维持机制上的异同。结果表明，这两类季风中断事件均伴随着显著的抑制对流和反气旋异常，但这些对流–环流异常在短持续性事件中分布较为局地，而在长持续性事件中则强度更大，空间范围更广。进一步研究表明，热带季节内振荡在长、短持续性事件中的作用存在明显差异，从而造成两类事件维持性的不同。在短持续性事件中，10–25天振荡在激发和终止中断方面起主导作用，而30–60天振荡的影响相对较弱，因而中断期较短；而在长持续性事件中，不仅10–25天振荡有助于中断发展，30–60天振荡也显著增强且决定了中断维持时间的延长。此外，我们还发现，长持续性事件在发生前两周左右出现的季节内振荡信号可以作为有效的预测因子。当这些信号出现时，随后长持续性中断的发生概率将由原始的11.21%提升至35.43%。

关键词: 南海夏季风, 季风中断, 季节内振荡, 大气环流, 对流

Urbanization Impacts on South China Greater Bay Area Extreme Rainfall—Sensitivity to Synoptic Systems during the Pre-Monsoon Period

Hu, C. X., F. C. Y. Tam, Z. Q. Wang, X. Y. Fang, and Z.-L. Yang, 2025: Urbanization impacts on South China Greater Bay Area extreme rainfall—Sensitivity to synoptic systems during the pre-monsoon period. Adv. Atmos. Sci., 42(5), 870−891, https://doi.org/10.1007/s00376-024-4114-x.

摘要: 城市化对华南大湾区（GBA）前汛期极端降雨的影响及其与不同天气系统的关系尚未得到充分研究。本研究利用逐时站点观测资料和耦合单层城市冠层模式的天气研究与预报模式（WRF-SLUCM）模拟，探究了城市化对前汛期降雨的影响。观测表明，大湾区城市的前汛期极端降雨强度大于周边乡村地区，城市热岛效应（UHI）加强了城市降雨强度和概率。极端降雨个例被分为锋面型和切变线暖区型，由城市热岛引起的城市降雨增强在切变线和暖区系统下更为显著。利用WRF-SLUCM对4个锋面型和4个切变线型个例进行动力降尺度模拟，并进行了四组平行实验："Nourban"（城市下垫面替换为农田）、"AH0"、"AH100"和"AH300"[正常城市下垫面，SLUCM中城市人为热（AH）日变化峰值分别设为0、100和300 W m−2]。在锋面型个例中，与农田相比，AH0中城市降雨显著减少，这是由于城市地表蒸发减少（风场辐散增强）所致。强北风和冷空气入侵在降雨过程中抑制了AH0和AH100的城市热岛效应，仅在AH300中出现城市降雨增强。相比之下，在切变线型个例中，城市摩擦和热岛效应促进了局地对流和风场辐合，导致所有城市化实验相较于Nourban均出现显著的城市降雨增强。总体而言，城市化对华南前汛期极端降雨的影响对天气系统类型具有高度敏感性，这需要对该季节的城市降雨进行进一步研究。

关键词: 城市化, 极端降水, 天气系统, 热岛效应

Effect of the Blocking High-East Asian Trough on Three Extreme Cold Events in Eastern Asia

Zhang, Z. Q., H. Y. Cui, F. L. Qiao, B. X. Chen, Y. Song, X. H. Sun, and C. Gao, 2025: Effect of the Blocking High-East Asian Trough on three extreme cold events in Eastern Asia. Adv. Atmos. Sci., 42(5), 892−903, https://doi.org/10.1007/s00376-024-4029-6.

摘要: 2016、2021年1月和2023年12月，东亚发生了三次极端寒潮事件。阻塞高压和东亚槽（BH-ET）结构作为大气环流异常的重要信号在三次极端寒潮事件中起了关键作用。阻高以两种不同的方式影响了寒潮的发展：（1）推动式阻高：在2016年和2023年寒潮发生之前，阻高将冷空气向南推，导致缓慢而渐进的降温，东亚的降温速率（CR）分别为1.34°C d−1和1.2°C d−1；（2）溃散式阻高：2021年1月，阻高的突然崩溃导致冷空气迅速袭击中纬度地区，CR为1.87°C d−1。就东亚降温速率而言，2021年气温的下降速率比2016年和2023年分别快38.8%和55%。同时，东亚槽通过调节气压梯度来改变寒潮的风向。寒潮发生前，东亚槽附近的经向风是负的，形成西北风或东北风，持续影响至东亚南部。2021年1月的经向风比2016年和2023年的更加显著，是2021年寒潮程度更强的原因之一。最后，根据1980-2023年气温的经验正交分解（EOF）的结果证实了BH-ET结构在三次寒潮事件的作用，表明特殊的气候模态为寒潮的发生提供了气候背景。

关键词: 极端寒潮, 阻塞高压, 东亚槽, 降温速率

The Role of Regional Ocean–Atmosphere Coupling in Simulating the 2020 Extreme Mei-yu Event

Li, K., and Coauthors, 2025: The role of regional ocean–atmosphere coupling in simulating the 2020 extreme mei-yu event. Adv. Atmos. Sci., 42(5), 904−920, https://doi.org/10.1007/s00376-024-4065-2.

摘要: 2020年夏季，江淮河流域经历了破纪录的极端梅雨事件。本研究通过对比区域地球系统模式的海-气耦合模式（CP）和仅大气模式（WRF）的模拟结果，探讨了区域地球系统模式中海-气耦合在模拟本次极端梅雨事件中的作用。研究发现，CP显著改善对这次极端梅雨的空间分布和日平均变化特征的模拟，减少了WRF模式中明显的湿偏差。机制分析表明，区域海-气耦合通过调节海-气界面的水汽和湍流热通量，进而影响大气不稳定度，并调整西北太平洋副热带高压（WNPSH）强度和位置，最终导致相关环流系统的变化。此外，区域海-气耦合导致的海陆热力差的调整，也会对这次极端降水产生影响。这些结果凸显了区域海-气耦合在区域地球系统建模和理解东亚极端梅雨事件中的关键作用。

关键词: 2020年极端梅雨, 区域海气耦合, 环流系统, 海陆热力差

Improvements and Persistent Biases in the Ocean Climatology Simulated by the Beijing Climate Center Climate System Models from CMIP5 to CMIP6

Ma, L. B., and Coauthors, 2025: Improvements and persistent biases in the ocean climatology simulated by Beijing Climate Center Climate System Models from CMIP5 to CMIP6. Adv. Atmos. Sci., 42(5), 921−951, https://doi.org/10.1007/s00376-024-4049-2.

摘要: 本文评估了北京气候中心气候系统模式（BCC-CSMs）在耦合模式比较计划第五阶段（CMIP5和第六阶段（CMIP6）中对海洋气候的模拟性能。与参与CMIP5的BCC模式相比，参与CMIP6的BCC模式在再现海洋状态方面通常表现更佳；特别是高分辨率模式BCC-CSM2-HR，通过更新海洋分量模式，其在整体上表现出最佳的模拟性能。例如，只有BCC-CSM2-HR能够准确再现太平洋的南赤道洋流，这表明更新海洋分量具有显著优势。然而，从CMIP5到CMIP6的BCC模式中，仍然存在一些持续性偏差，包括北极海洋表面盐度的显著偏差、中层和深层海洋的海温暖偏差、以及北印度洋的显著盐度偏差；这些偏差在其他CMIP5和CMIP6模式中也普遍存在。此外，本文还评估了BCC模式对气候变率模态的模拟能力，如厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）、太平洋年代振荡（PDO）和北太平洋环流振荡（NPGO）。最后，本文概述了未来改进BCC海洋分量模式的计划，包括在线集成海洋表面波模式和提高模式分辨率，以增强BCC模式对海洋气候模拟中的准确性和可靠性。

关键词: 北京气候中心气候系统模式, 耦合模式比较计划, 水文特征, 海洋环流

A New Method to Calculate Nonlinear Optimal Perturbations for Ensemble Forecasting

Ma, J. J., W. S. Duan, Z. M. Liu, and Y. Wang, 2025: A new method to calculate nonlinear optimal perturbations for ensemble forecasting. Adv. Atmos. Sci., 42(5), 952−967, https://doi.org/10.1007/s00376-024-4069-y.

摘要: 正交条件非线性最优扰动（O-CNOPs）方法已被成功应用于产生集合预报样本，有效提升了高影响天气和气候事件的预报技巧。然而，高效计算O-CNOPs仍是一项挑战。该研究融合梯度迭代优化算法与施密特正交化方法，通过采用并行算法，发展了一种高效计算O-CNOPs的优化方法。采用著名的Lorenz-96模式，从集合预报技巧和计算效率两方面，考察了该优化方法较原优化方法的优势。结果表明，新优化方法不仅成功产生了可靠的集合样本，获得了与原优化方法相当甚至更高的集合预报技巧，而且大幅减少了O-CNOPs的计算时间。因此，新优化方法为O-CNOPs的高效计算提供了有效途径，为将O-CNOPs方法广泛应用于高影响天气和气候事件的实时集合预报奠定了算法基础。

关键词: 初始不确定性, 条件非线性最优扰动, 最优化方法, 集合预报

Application of Three-Dimensional Wind Fields and Dual-Polarization Signals of an X-band Phased Array Weather Radar in Diagnosing Vertical Motion and Cloud Electrification in Convective Storms

Yang, Z. W., P. W. Chan, Y. W. Chan, K. Zhao, H. Q. Chen, C. R. Chen, and Y. Y. Xu, 2025: Application of three-dimensional wind fields and dual-polarization signals of an X-band Phased Array Weather Radar in diagnosing vertical motion and cloud electrification in convective storms. Adv. Atmos. Sci., 42(5), 968−980, https://doi.org/10.1007/s00376-024-3286-8.

摘要: 香港天文台于2021年在沙螺湾气流剖析仪站部署了一部X波段相控阵天气雷达，以提升对香港高影响天气的监测能力。该相控阵雷达具备快速立体扫描能力，可在1分钟内完成对目标区域的扫描，空间分辨率达到30米。本研究利用沙螺湾相控阵雷达所提供的双偏振参数，包括差分反射率(ZDR) 、差传播相位常数（KDP) 及粒子相态分类产品，结合数据变分同化技术构建的三维风场，对中尺度对流风暴的垂直运动和闪电特性进行了深入分析，并验证沙螺湾相控阵雷达的观测数据。本研究选取分别发生在2022年9月18日及2023年6月17日的两个中尺度对流风暴事件作为研究个例。研究结果表明：（1）ZDR负值代表中尺度对流风暴内产生强烈的下沉气流，这与三维风场分析结果相符；（2）KDP负值表示风暴内的冰晶体呈垂直方向排列，这种排列有利于云层产生起电作用；（3）粒子相态分类产品显示，冰晶及霰混合存在于0°C融化层以上，促进了云间及云对地闪电的产生。以上研究结果表明，沙螺湾相控阵雷达的观测数据，结合三维风场分析，能够显著提高我们对中尺度对流风暴动力过程和云层起电机制的理解。

关键词: 相控阵天气雷达, 双偏振参数, 中尺度对流风暴, 下沉气流, 云层起电过程

Evaluating and Enhancing Fengyun AGRI Cloud Detection with the Ensemble Learning Algorithm

Xiao, M. J., D. S. Fu, H. R. Shi, G. C. Wang, H. C. Lei, X. L. Han, and X.-A. Xia, 2025: Evaluating and enhancing Fengyun AGRI cloud detection with the ensemble learning algorithm. Adv. Atmos. Sci., 42(5), 981−993, https://doi.org/10.1007/s00376-024-4206-7.

摘要: 云检测对于卫星遥感算法及下游应用至关重要。本研究基于中国地区两年的云气溶胶激光雷达与正交极化（CALIOP）数据，对风云四号A星（FY-4A）高分辨率静止辐射成像仪（AGRI）提供的官方云掩膜（CLM）产品进行了评估。评估结果表明，FY-4A的CLM在日间和夜间的准确率（ACC）分别为79%和80%，表现中等。然而，FY-4A CLM在假阳性率（FPR）方面存在偏高的问题，日间FPR为35%，夜间为23%，常将晴空误判为云层。为了解决这一问题，本研究开发了一种基于随机森林（RF）的云检测算法，利用时空匹配的CALIOP观测数据作为参考标签进行模型开发和验证。模型根据太阳天顶角分为日间和夜间两类。特征工程表明，添加时间信息、空间纹理信息和动态地表特征能显著降低FPR。日间（夜间）模型的ACC分别提高了13.6%（10.2%）。所提的RF模型在云检测中表现出色，日、夜间的ACC和真阳性率（TPR）均超过90%，PR低于10%，优于FY-4A CLM。与MODIS和FY-4A CLM相比，基于RF模型的CLM在面对沙尘、积雪和高污染等复杂条件下，能够更准确地识别云层。该研究为提升FY-4A成像仪的云检测能力提供了一个有前景的替代方案。

关键词: 云检测, 随机森林, AGRI/FY-4A, CALIPSO

DSD Characteristics with Different Synoptic Patterns in the Southeastern Tibetan Plateau Region

Li, R., G. L. Wang, J. S. Sun, Sonam, and T. Wang, 2025: DSD characteristics with different synoptic patterns in the southeastern TP Region. Adv. Atmos. Sci., 42(5), 994−1009, https://doi.org/10.1007/s00376-024-4048-3.

摘要: 墨脱位于雅鲁藏布大峡谷水汽通道入口处，是青藏高原降雨最多且海拔最低的地区。本文研究了不同环流形势下与降雨的雨滴谱分布（DSD）特征和微物理过程差异。研究中采用客观分类方法，将对墨脱地质灾害影响较大的强降水（日降雨量＞10 mm），根据天气环流背景分为四类：西南气流型（SWA）、南支槽型（SBT）、强斜压型（IBC）和地形强迫降水型（TFP）。SWA型降雨发生频率最高，约70%，日均降雨量约22 mm。TFP型降雨发生频率仅7.7%，但日均降雨量达到了29 mm，SBT和IBC型的降雨发生频率均在12%左右。在这些类型中， SWA主要发生在季风期，水汽充足，小雨滴浓度最低。TFP型降雨伴随频繁的对流活动，大雨滴浓度最高且雨滴谱最宽，具有更大的质量加权平均直径（Dm）和更高的降雨率（R）。对于层状云降雨，四种环流形势下Dm的差异较小，可忽略不计，但SWA型降雨具有最大的归一化截距参数(NW)平均值，而IBC型降雨的NW平均值最小。对流云降雨中，由于IBC型主要受到来自北方冷空气的影响，降雨混合相过程占主导，因此雨滴较大而雨滴数浓度较低，接近大陆性降雨；而SWA型主要发生在季风期，小雨滴浓度较高，接近海洋性降雨。就拟合的Dm–R和µ–Λ关系而言，四种环流形势存在显著差异。此外，还分析了四种环流形势下雨滴谱分布的日变化。这些研究结果有助于加深对不同环流形势下强降水事件微物理过程的理解，同时为数值模式的微物理参数化提供参考。

关键词: 环流形势, 雨滴谱分布, 青藏高原

Impact of Assimilating Pseudo-Observations Derived from the “Z-RH” Relation on Analyses and Forecasts of a Strong Convection Case

Shen, F. F., L. X. Song, J. Z. Min, Z. X. He, A. Q. Shu, D. M. Xu, and J. J. Chen, 2025: Impact of assimilating pseudo-observations derived from the “Z-RH” relation on analyses and forecasts of a strong convection case. Adv. Atmos. Sci., 42(5), 1010−1025, https://doi.org/10.1007/s00376-024-3215-x.

摘要: 水汽条件对强对流系统的维持和发展至关重要。在雷达反射率因子的间接同化中，同化从反射率因子反演得到水凝物和水汽，以避免观测算子非线性问题。在一种广泛应用的水汽反演方案中，当雷达反射率因子超过某一阈值时，假设云内达到饱和。本研究使用“Z-RH”（雷达反射率因子-相对湿度）线性统计关系替代传统的反演方案，用于水汽含量估算，从而减少由经验关系引入的不确定性。该“Z-RH”关系是基于Z-R（雷达反射率因子-降水率）关系，通过结合不同温度区间内的湿度和降水强度观测进行统计得出。本文分析了以上两种反演方法对雷达反射率分析和预报的影响。结果表明，两种方案在反射率因子分析上相似，且“Z-RH”方案的反射率因子强度略高。使用“Z-RH”方案显著改善了湿度和风场的分析与预报，产生更合理的热力和动力结构。由于“Z-RH”关系是通过实时统计得到的，能为特定区域的水汽反演提供科学依据，因此，使用“Z-RH”方案有助于获得更准确的反射率因子预报。“Z-RH”方案的降水预报评分较传统方案提高了约10%–20%。

关键词: 雷达反射率因子, 间接同化, 水汽反演, 强降水预报

Investigation of Summer Raindrop Size Distributions and Associated Relations in the Semi-arid Region over Inner Mongolian Plateau, China

Sha, L. N., J. J. Lv, B. Zhu, C. S. Lu, Y. Zhou, S. J. Niu, H. X. Gong, and L. Su, 2025: Investigation of summer raindrop size distributions and associated relations in the semi-arid region over Inner Mongolian Plateau, China. Adv. Atmos. Sci., 42(5), 1026−1042, https://doi.org/10.1007/s00376-024-4059-0.

摘要: 本研究调查了内蒙古高原半干旱地区夏季雨滴谱特征及其相关关系，利用位于中国东乌旗的PARSIVEL²雨滴谱仪进行了为期五年的连续观测。研究发现，在15664个1分钟降水样本中，仅有7.94%对流性降水对总降水量的贡献达到63.87%。其中，大粒径雨滴（D >3 mm）仅占对流性降水总数的1.73%，但贡献了40.72%的降水。进一步研究表明，平均的质量加权平均直径（Dm）较大（2.43 mm）而归一化截断参数（lgNw）较低（3.19），与“类大陆型”特征一致，主要受云内冰相过程和云下环境背景的共同影响。此外，形状-斜率（μ-λ）、雷达反射率-雨强（Z-R）和降雨动能（KEtime-R和KEtime-Z）的经验关系都具有局地性特征。为定量分析雨滴谱参数对动能估算的影响，基于归一化Gamma分布推导出幂律KEtime-R和KEtime-Z关系。Nw比μ对乘积系数的变化影响更大，特别是对于KEtime-R关系，其乘积系数与Nw−0.287成正比。值得注意的是，尽管夏季对流性降水的比例较低，但具有较低Nw和较大Dm的雨滴会产生更高的KEtime，这将给内蒙古高原半干旱地区带来更高的土壤侵蚀潜在风险。

关键词: 半干旱地区, 雨滴谱, 动能, 冷云过程, 内蒙古高原