于曉晶，李淑娟，辛渝，琚陳相，李曼，馬玉芬

（中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002）

DOGRAFS邊界層方案對(duì)新疆氣象要素預(yù)報(bào)影響初探

于曉晶，李淑娟，辛渝，琚陳相，李曼，馬玉芬

（中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002）

基于沙漠綠洲戈壁區(qū)域同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)（Desert Oasis Gobi Regional Assimilation Forecast System，簡稱DOGRAFSv1.0）不同邊界層方案（YSU，ACM2）對(duì)2013年1月和7月的預(yù)報(bào)結(jié)果和實(shí)況資料，利用客觀檢驗(yàn)方法，初步探究不同邊界層方案對(duì)地面氣象要素預(yù)報(bào)的影響，結(jié)果表明:ACM2方案對(duì)地面氣象要素預(yù)報(bào)效果總體優(yōu)于YSU方案，尤其對(duì)1月份ACM2方案預(yù)報(bào)結(jié)果優(yōu)勢(shì)顯著；對(duì)于2 m溫度，ACM2方案對(duì)低溫預(yù)報(bào)偏高的問題有一定改善，但對(duì)高溫預(yù)報(bào)偏低的問題有所加重；對(duì)于10 m風(fēng)速，ACM2方案的預(yù)報(bào)誤差明顯低于YSU方案；對(duì)于降水，ACM2方案在一定程度上改善了1月漏報(bào)和空?qǐng)?bào)的問題，但對(duì)7月改進(jìn)不明顯，這主要由于ACM2方案在穩(wěn)定或中性層結(jié)下采用的局地閉合算法削弱了邊界層頂卷挾和邊界層內(nèi)混合作用，進(jìn)而抑制了邊界層物理過程與對(duì)流過程的耦合作用。

DOGRAFS系統(tǒng)；邊界層方案；地面氣象要素；客觀檢驗(yàn)

大氣邊界層主要位于大氣低層1～3 km，由于受下墊面影響其湍流交換作用十分顯著，在地球大氣各種能量、通量與物質(zhì)等的輸送中扮演著重要角色。與天氣、氣候系統(tǒng)相關(guān)的邊界層過程、不同大氣邊界層模式發(fā)展以及不同層次大氣數(shù)值模式中的邊界層參數(shù)化問題一直是大氣邊界層研究中的重要分支[1]。作為中尺度數(shù)值模式中的重要物理過程之一，邊界層過程對(duì)低層氣象要素預(yù)報(bào)的影響尤為明顯，低層大氣通過湍流、擴(kuò)散及平流等過程影響更高及更大范圍的大氣。因此，區(qū)域數(shù)值模式須引入更能準(zhǔn)確描述本地邊界層過程的邊界層參數(shù)化方案，才能有效提高對(duì)本地氣象要素的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

目前數(shù)值模式中通常采用參數(shù)化方法描述大氣邊界層過程，根據(jù)原理的不同，不同邊界層參數(shù)化方案各有特點(diǎn)，其預(yù)報(bào)效果也有所差異。張碧輝等[2]通過重點(diǎn)分析MYJ和YSU方案下溫度層結(jié)、低層風(fēng)場、邊界層高度等氣象要素的差異，比較了兩種邊界層方案對(duì)沈陽冬季大氣邊界層結(jié)構(gòu)模擬的影響。張龍等[3]基于半干旱氣候觀測站（SACOL）冬季地面感熱、潛熱、溫度和風(fēng)速的實(shí)測資料，對(duì)比分析YSU、MYJ和ACM2三種邊界層方案對(duì)各要素日變化的影響。張小培等[4]針對(duì)黃山及周邊大氣邊界層氣象要素的變化特征，探究4種邊界層方案對(duì)各要素模擬的影響。另外，很多研究表明不同邊界層方案對(duì)暴雨[5-8]、臺(tái)風(fēng)[9]以及高原低渦[10]的模擬結(jié)果也有較大影響。

以往新疆地區(qū)多針對(duì)中央氣象臺(tái)下發(fā)的T639、德國、ECMWF細(xì)網(wǎng)格等數(shù)值模式產(chǎn)品進(jìn)行天氣學(xué)檢驗(yàn)評(píng)估[11-13]，而對(duì)本地區(qū)域數(shù)值模式的客觀檢驗(yàn)評(píng)估相對(duì)較少。新疆氣候中心于2011年完成新疆快速更新循環(huán)同化數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)（Rapid Update Cycle，簡稱“RUC”）的構(gòu)建[14]，2013年9月該系統(tǒng)移植到中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，并進(jìn)行每天4次的實(shí)時(shí)運(yùn)行?？紤]到新疆下墊面的復(fù)雜和特殊性，后將該系統(tǒng)更名為Desert Oasis Gobi RegionalAssimilationForecastSystem，簡稱“DOGRAFS”。該系統(tǒng)進(jìn)行至今（DOGRAFSv1.0），只有模式版本的更新及運(yùn)行流程的調(diào)整，其分辨率、各種物理參數(shù)化方案等均不變，且以往XJ-RUC系統(tǒng)對(duì)新疆中部地區(qū)風(fēng)場[15]、輻射[16]預(yù)報(bào)性能的客觀檢驗(yàn)評(píng)估較多，而對(duì)常規(guī)天氣要素的預(yù)報(bào)性能檢驗(yàn)較少。因此，為探究DOGRAFSv1.0系統(tǒng)不同邊界層方案對(duì)地面氣象要素（2 m溫度、10 m風(fēng)場和降水量）預(yù)報(bào)的影響，文中基于兩種邊界層方案（YSU和ACM2）下DOGRAFSv1.0系統(tǒng)對(duì)2013年1月和7月的回算預(yù)報(bào)結(jié)果和實(shí)況資料，利用均方根誤差、預(yù)報(bào)偏差、降水評(píng)分等客觀檢驗(yàn)方法對(duì)各要素進(jìn)行評(píng)估，以期為DOGRAFSv1.0系統(tǒng)本地化工作提供一定的參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 DOGRAFSv1.0系統(tǒng)

WRF（Weather Research and Forecasting）中尺度數(shù)值模式是美國多部門聯(lián)合開發(fā)研究的新一代細(xì)網(wǎng)格中尺度預(yù)報(bào)模式和同化系統(tǒng)[17]。DOGRAFSv1.0系統(tǒng)基于WPSv3.5、WRFv3.5和WRFDAv3.4.1，通過WRF-3DVAR系統(tǒng)每隔6 h同化一次中國氣象局下發(fā)的GTS全球觀測資料（包括地面、探空、航空、衛(wèi)星等觀測資料），得到對(duì)大氣狀態(tài)的更新估計(jì)，然后利用高分辨率WRF模式進(jìn)行短期預(yù)報(bào)。目前該系統(tǒng)每天實(shí)時(shí)運(yùn)行4次，以逐3 h一次的GFS資料為初始場，其中00 UTC和12 UTC為冷啟，預(yù)報(bào)時(shí)效為84 h，06 UTC和18 UTC為暖啟，預(yù)報(bào)時(shí)效為36 h。由于00 UTC和12 UTC兩時(shí)刻的同化資料類型和數(shù)量相比06 UTC和18 UTC兩時(shí)刻較多，這兩個(gè)時(shí)刻的起報(bào)對(duì)模式預(yù)報(bào)效果起著重要作用[14]，因此，文中選取這兩個(gè)時(shí)次的預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。如圖1所示，DOGRAFSv1.0系統(tǒng)的模擬中心為（87.85° E，43.55°N），模擬區(qū)域設(shè)置為27 km、9 km、3km三重嵌套網(wǎng)格，其格點(diǎn)數(shù)分別為211×181、289×208、76×61，其中，9 km分辨率（d02）區(qū)域覆蓋全疆。模式主要物理過程參數(shù)設(shè)置如下：WSM6云微物理方案，K—F對(duì)流參數(shù)化方案，Noah陸面方案，RTMM長波輻射方案和Dudia短波輻射方案。目前日常天氣業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中主要應(yīng)用9 km分辨率的輸出結(jié)果，因此，下面將針對(duì)9 km分辨率區(qū)域的模式結(jié)果進(jìn)行客觀檢驗(yàn)評(píng)估。

圖1 沙漠綠洲戈壁區(qū)域同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)（DOGRAFSv1.0）的模擬區(qū)域

1.2 邊界層參數(shù)化方案

WRF模式中，邊界層過程實(shí)際上可看成一維垂直運(yùn)動(dòng)過程，主要負(fù)責(zé)處理一維大氣柱內(nèi)能量和物質(zhì)的垂直交換和輸送。邊界層方案的不同主要體現(xiàn)在閉合方案的選擇和不同穩(wěn)定條件下處理方式的差異。文中進(jìn)行對(duì)比的YSU和ACM2方案均為非局地閉合模型。

YSU方案[18]是一階非局地閉合方案，在不穩(wěn)定狀態(tài)下使用反梯度通量來處理熱量和水汽。利用由局地自由大氣得出的Richardson數(shù)處理垂直擴(kuò)散項(xiàng)，在邊界層中使用增強(qiáng)的垂直擴(kuò)散通量算法，以適應(yīng)強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下更深厚的混合作用，邊界層高度由浮力廓線決定。

ACM2方案[19]在由Blackadar對(duì)流模式發(fā)展形成的ACM方案基礎(chǔ)上加入了渦動(dòng)擴(kuò)散模塊。邊界層高度由臨界Richardson數(shù)得出，近地層以上主要考慮熱力湍流作用，向下采用局地K混合。其特點(diǎn)是綜合考慮局地和非局地閉合算法，在穩(wěn)定或中性情況下ACM2方案會(huì)關(guān)閉非局地交換而采用局地閉合算法。

1.3 檢驗(yàn)方法

MET（Model Evaluation Tools）是NCEP和NCAR在美國空軍及NOAA的支持下共同開發(fā)的，集成世界上先進(jìn)的模式檢驗(yàn)技術(shù)，適用于WRF模式及其他數(shù)值模式輸出結(jié)果的檢驗(yàn)。文中利用MET先將檢驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格點(diǎn)預(yù)報(bào)值采用反距離權(quán)重法插值到站點(diǎn)上，再與對(duì)應(yīng)站點(diǎn)的觀測資料進(jìn)行比較并計(jì)算評(píng)分。對(duì)逐6 h預(yù)報(bào)的2 m溫度和10 m風(fēng)場進(jìn)行檢驗(yàn)，分別對(duì)00 UTC和12 UTC的48 h預(yù)報(bào)結(jié)果計(jì)算均方根誤差和平均誤差統(tǒng)計(jì)量，其定義分別為：

其中，F(xiàn)i為第i點(diǎn)上的預(yù)報(bào)值，Oi為第i點(diǎn)上的觀測值。

鑒于精細(xì)化預(yù)報(bào)的要求[20]，對(duì)逐6 h累積降水量預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。采用目前較普遍的Ts（Threat Score）評(píng)分和預(yù)報(bào)偏差（Bias Score），分別對(duì)00 UTC和12 UTC的36 h預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。根據(jù)新疆降水特點(diǎn)，6 h累積降水量的檢驗(yàn)閾值依次取為0.1、3.1、6.1、12.1、24.1、48.1 mm，分別計(jì)算對(duì)應(yīng)的評(píng)分值。

Ts定義為

對(duì)于給定的降水閾值，Na表示觀測和預(yù)報(bào)中都存在降水的站點(diǎn)數(shù)，Nb表示空?qǐng)?bào)站點(diǎn)數(shù)（即觀測中沒有降水而預(yù)報(bào)中有降水的站點(diǎn)數(shù)），Nc表示漏報(bào)站點(diǎn)數(shù)（即觀測中有降水但模式?jīng)]有預(yù)報(bào)出的站點(diǎn)數(shù)），Ts值即預(yù)報(bào)正確的站點(diǎn)數(shù)占所有發(fā)生降水站點(diǎn)數(shù)的百分比。Ts值越大，說明模式降水預(yù)報(bào)能力越強(qiáng)。

即統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)某一降水閾值的預(yù)報(bào)降水站數(shù)與觀測降水站數(shù)的比值。因此，預(yù)報(bào)偏差越接近1，說明該量級(jí)預(yù)報(bào)范圍越接近實(shí)況，Bias>1說明該閾值預(yù)報(bào)范圍較實(shí)況偏大，Bias<1說明該閾值預(yù)報(bào)范圍較實(shí)況偏小。

2 檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

2.1 2m溫度

圖2 DOGRAFSv1.0系統(tǒng)不同邊界層方案預(yù)報(bào)的2013年代表月2 m溫度檢驗(yàn)結(jié)果

圖2為DOGRAFSv1.0系統(tǒng)不同邊界層方案預(yù)報(bào)的2013年代表月的2 m溫度檢驗(yàn)結(jié)果。從均方根誤差來看，YSU和ACM2方案對(duì)2 m溫度的模擬效果無明顯差異，1月均維持在2.5℃左右，7月均維持在1.8℃之間。從預(yù)報(bào)偏差來看，1月2 m溫度預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)邊界層方案的敏感度明顯高于7月，兩種方案的預(yù)報(bào)偏差均隨預(yù)報(bào)時(shí)效呈現(xiàn)出一致的周期性變化，這主要是由初始場誤差引起的。在00 UTC（08:00 BJT）出現(xiàn)預(yù)報(bào)偏差的極大值，預(yù)報(bào)結(jié)果偏高；但極小值的時(shí)間點(diǎn)兩代表月有所差異，1月在12 UTC（20:00 BJT）時(shí)刻為極小值，7月在06 UTC（14: 00 BJT）時(shí)刻為極小值，預(yù)報(bào)結(jié)果均偏低。在1月尤其是12 h之后的預(yù)報(bào)結(jié)果中，YSU方案的預(yù)報(bào)偏差均高于ACM2方案。對(duì)于夜間的低溫預(yù)報(bào)，YSU方案較優(yōu)，其預(yù)報(bào)偏差絕對(duì)值低于ACM2方案約0.2℃；對(duì)于白天的高溫預(yù)報(bào)，ACM2方案較優(yōu)，其預(yù)報(bào)偏差低于YSU方案0.2～0.4℃。在7月，YSU和ACM2兩種方案的預(yù)報(bào)偏差非常接近，即在夏季，邊界層方案對(duì)溫度預(yù)報(bào)的影響不明顯。

2.2 10m風(fēng)速

圖3為DOGRAFSv1.0系統(tǒng)不同邊界層方案預(yù)報(bào)的2013年代表月的10 m風(fēng)場檢驗(yàn)結(jié)果。從均方根誤差和預(yù)報(bào)偏差來看，1月10 m風(fēng)場對(duì)邊界層方案的敏感度顯著高于7月，整體而言，ACM2方案的預(yù)報(bào)效果優(yōu)于YSU方案。1月ACM2方案對(duì)10 m風(fēng)速預(yù)報(bào)的均方根誤差和預(yù)報(bào)偏差均明顯低于YSU方案約0.1 m/s，尤其隨預(yù)報(bào)時(shí)效的增加，ACM2方案表現(xiàn)出較穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，大部分預(yù)報(bào)時(shí)效的均方根誤差和預(yù)報(bào)偏差低于YSU方案。7月兩種方案預(yù)報(bào)的均方根誤差比較接近，維持在1.6 m/s附近；對(duì)于大部分預(yù)報(bào)時(shí)效結(jié)果，ACM2方案的預(yù)報(bào)偏差略低于YSU方案，總體維持在在1.2 m/s附近。

2.3 降水

圖4為DOGRAFSv1.0系統(tǒng)不同邊界層方案預(yù)報(bào)的2013年1月6 h累積降水檢驗(yàn)結(jié)果。從Ts評(píng)分來看，在大部分預(yù)報(bào)時(shí)效ACM2方案的預(yù)報(bào)結(jié)果優(yōu)于YSU方案。對(duì)于0.1 mm/6 h閾值的降水，ACM2方案預(yù)報(bào)的降水Ts評(píng)分相比YSU方案均有一定提高。對(duì)于3.1和6.1 mm/6 h兩個(gè)閾值的降水，12 UTC的預(yù)報(bào)結(jié)果中ACM2方案優(yōu)勢(shì)明顯。對(duì)于12.1 mm/6 h以上的大閾值降水，在00 UTC ACM2方案有一定的預(yù)報(bào)能力。另外，兩方案預(yù)報(bào)結(jié)果中Ts分值大部分均為0.0，這主要是由于新疆冬季強(qiáng)降水過程較為罕見所造成的。從預(yù)報(bào)偏差來看，除個(gè)別預(yù)報(bào)時(shí)效外，ACM2方案預(yù)報(bào)的降水Bias值總體優(yōu)于YSU方案。相比YSU方案，尤其在00 UTC，ACM2方案結(jié)果中的Bias預(yù)報(bào)偏差高值明顯降低、低值也有所升高，在一定程度上對(duì)1月份各閾值降水的空?qǐng)?bào)和漏報(bào)問題有所改進(jìn)。

圖3 DOGRAFSv1.0系統(tǒng)不同邊界層方案預(yù)報(bào)的2013年代表月10 m風(fēng)場檢驗(yàn)結(jié)果

圖5為DOGRAFSv1.0系統(tǒng)不同邊界層方案預(yù)報(bào)的2013年7月6 h累積降水檢驗(yàn)結(jié)果。從Ts評(píng)分來看，7月降水預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)邊界層方案的敏感程度不如1月，兩種方案對(duì)6 h累積降水的預(yù)報(bào)結(jié)果差異較小，ACM2方案在部分預(yù)報(bào)時(shí)效優(yōu)于YSU方案。從預(yù)報(bào)偏差來看，兩種方案對(duì)6.1 mm/6 h以下的小閾值降水Bias預(yù)報(bào)偏差結(jié)果比較接近，但對(duì)于12.1 mm/6 h以上的大閾值降水，兩種方案的Bias預(yù)報(bào)偏差整體偏高。在00 UTC時(shí)刻的結(jié)果中，ACM2方案Bias偏差高值相比YSU方案有所減小；但在12 UTC時(shí)刻的結(jié)果中，ACM2方案對(duì)大閾值降水出現(xiàn)更為嚴(yán)重的空?qǐng)?bào)和漏報(bào)情況。

圖4 DOGRAFSv1.0系統(tǒng)不同邊界層方案預(yù)報(bào)的2013年1月6 h累積降水檢驗(yàn)結(jié)果

圖5 DOGRAFSv1.0系統(tǒng)不同邊界層方案預(yù)報(bào)的2013年7月6 h累積降水檢驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

文中基于沙漠綠洲戈壁區(qū)域同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)（DOGRAFSv1.0）YSU和ACM2兩種不同邊界層方案下2013年1月、7月的預(yù)報(bào)結(jié)果和實(shí)況資料，利用客觀檢驗(yàn)方法，初步探究不同邊界層方案對(duì)新疆區(qū)域地面氣象要素預(yù)報(bào)的影響，主要結(jié)論如下：

（1）ACM2方案對(duì)地面氣象要素預(yù)報(bào)效果優(yōu)于YSU方案，尤其在1月ACM2方案預(yù)報(bào)結(jié)果優(yōu)勢(shì)明顯，這可能是因?yàn)?月多穩(wěn)定或中性層結(jié)，ACM2方案采用局地閉合算法有效抑制了虛假對(duì)流的發(fā)生、發(fā)展；而7月多對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)，ACM2和YSU方案均采用非局地閉合算法。

（2）對(duì)于2 m溫度和10 m風(fēng)場的預(yù)報(bào)，ACM2方案總體顯著優(yōu)于YSU方案；尤其在1月，ACM2方案對(duì)低溫預(yù)報(bào)偏高的問題有一定改善，但高溫預(yù)報(bào)偏低的問題有所加重，對(duì)10 m風(fēng)速的預(yù)報(bào)誤差也顯著減小；是由于ACM2方案采用的局地閉合算法削弱了邊界層頂卷挾和邊界層內(nèi)混合作用，在一定程度上抑制了邊界層以上高溫和大風(fēng)的向下傳播所致。

（3）對(duì)于6 h累積降水的預(yù)報(bào)，ACM2方案優(yōu)勢(shì)仍在1月份較為顯著；對(duì)于6.1 mm/6 h以下的小閾值降水，ACM2方案較YSU方案Ts評(píng)分有所提高，而Bias預(yù)報(bào)偏差高值有所降低，即ACM2方案對(duì)降水的空?qǐng)?bào)有一定改善；而對(duì)于12.1 mm/6 h以上的大閾值降水，ACM2方案一方面降低了Bias高值，另一方面又增加了Bias低值，即對(duì)強(qiáng)降水的空?qǐng)?bào)和漏報(bào)問題均有一定改善；由于邊界層物理過程對(duì)于對(duì)流性降水影響顯著，而局地閉合算法抑制了邊界層物理過程和對(duì)流過程的耦合作用，進(jìn)而增加了層結(jié)的穩(wěn)定性，使得虛假對(duì)流性降水大大減少。

通過以上分析，ACM2方案總體上較YSU方案對(duì)DOGRAFSv1.0系統(tǒng)的預(yù)報(bào)結(jié)果有所改進(jìn)。但文中僅對(duì)2013年代表月（1月、7月）進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)估，評(píng)估的對(duì)象也主要針對(duì)常規(guī)地面氣象要素，后面將進(jìn)一步針對(duì)高空要素場進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。另外，還將選取強(qiáng)降水個(gè)例，深入探究不同邊界層方案對(duì)低層環(huán)流形勢(shì)和降水落區(qū)、量級(jí)的影響。

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The Effect of Different Boundary Layer Schemes on the Forecasting Surface Meteorological Factors

YU Xiaojing，LI Shujuan，XIN Yu，JU Chenxiang，LI Man，MA Yufen
（Institute of Desert Meteorology,China Meteorological Adnimistration，Urumqi 830002，China）

Based on the forecasts of Desert Oasis Gobi Regional Analysis and Forecast System（DOGRAFSv1.0）by two PBL schemes（namely YSU and ACM2）and observation data during January and July in 2013,using the objective verification method,the effect of different boundary layer schemes on the forecasting surface meteorological factors is analyzed preliminarily.The results indicate that the performance of the ACM2 scheme takes more advantages than the YSU scheme on the whole,especially in January.For 2 m temperature,the ACM2 scheme has reduced the bias of forecasting low temperature while magnifying the bias of forecasting high temperature.With regard to 10 m wind speed,the forecasting bias of the ACM2 scheme is considerably below the YSU scheme.And for the forecasting precipitation,the ACM2 scheme has reduced the missing rate to some extent in January.That might be given rise to the local term under the stable or neural conditions,which contributes to weakening the entrainment of the top of PBL and eddy diffusion of the inner PBL so that the coupled PBL physics and convective process is restrained to a certain degree.

DOGRAFS system；boundary layer scheme；surface meteorological factors；objective verification

P456.7

A

1002-0799（2014）05-0016-07

10.3969/j.issn.1002-0799.2014.05.003

2014-03-30；

2014-08-07

中央級(jí)公益科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)（IDM201302）、中國沙漠氣象科學(xué)研究基金（SQJ2013014）和中國氣象局氣象關(guān)鍵技術(shù)集成與應(yīng)用重點(diǎn)項(xiàng)目（CAMGJ2012Z20）共同資助。

于曉晶（1987-），女，助理研究員，主要從事數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和中尺度數(shù)值模擬等工作。E-mail：yxj1301@126.com

于曉晶，李淑娟，辛渝，等.DOGRAFS邊界層方案對(duì)新疆氣象要素預(yù)報(bào)影響初探[J].沙漠與綠洲氣象，2014，8（5）：16-22.