L波段高空气象探测系统测风算法改进探讨

对我国高空气象观测业务中的平均风计算方法及其存在的问题进行了分析和探讨,提出了完全采用矢量平均风算法来求取高空规定层风的业务流程改进方案;用锡林浩特站和阳江站同球施放的RS92GPS探空仪与L波段雷达-GTS1探空仪的对比观测数据集,对20~200s时间窗口下的各种矢量平均风计算方案及其规定风层计算结果进行了分析比对,提出未来改进的L波段高空气象观测系统可以测试使用时间窗口为30~45s的矢量平均风、使得计算风层达到每150~350m高程一个,以便进一步提高与GPS测风结果的一致性、更好地满足预报服务部门对高空风垂直分辨率的应用需求。     

可业务化应用的L波段探空系统高空风改进算法

为进一步挖掘L波段高空气象探测业务系统原始资料潜力、优化改进现行测风业务算法,本文基于新疆博斯腾湖东岸L波段系统机动站累积的2 a探空原始资料,提出了可业务化运行的高空风改进算法。该算法首先对雷达原始秒点坐标进行严格的质量控制,采用低通滤波、加权最小二乘法、线性补缺等方法去除探空仪摆动、雷达测量误差等对秒点坐标造成的扰动;然后采用逐秒点坐标滑动计算矢量平均风,通过与同球施放的GPS探空做比对分析得出,在全程使用50~60 s计算时间窗口或前50 min使用30~40 s时间窗口、50 min以后使用50~60 s时间窗口条件下,雷达矢量平均风廓线与GPS矢量平均风廓线吻合较好;规定高度层风和固定垂直分辨率高度层风采用查找表方法确定,其结果不仅能在风场结构上与现行业务算法一致,同时能呈现出明显的风层中小尺度扰动信息。     

可业务化运行的L波段探空系统高空风改进算法

为进一步挖掘L波段高空气象探测业务系统原始资料潜力、优化改进现行测风业务算法,本文基于新疆博湖东岸L波段系统机动站累积的两年探空原始资料,提出了可业务化运行的高空风改进算法。该算法首先对雷达原始秒点坐标进行严格的质量控制,采用低通滤波、加权最小二乘法、线性补缺等方法去除探空仪摆动、雷达测量误差等对秒点坐标造成的扰动;然后采用逐秒点坐标滑动计算矢量平均风,通过与同球施放的GPS探空做比对分析得出,在全程使用50-60s计算时间窗口或前50分钟使用30-40s时间窗口、50分钟以后使用50-60s时间窗口条件下,雷达矢量平均风廓线与GPS矢量平均风廓线吻合较好;规定高度层风和固定垂直分辨率高度层风采用查找表方法确定,其结果不仅能在风场结构上与现行业务算法一致,同时能呈现出明显的风层脉动信息。     

“B型”“701型”测风计算盘在高仰角时的使用

“B型”(又称莫氏)和“701型”测风计算盘是计算高空风的两种常用工具。使用这两种计算盘都存在一个共同的问题,就是遇到高仰角时点绘很困难,并且影响测风精度,尤其是对风向的影响更为严重。目前台站在使用这两种计算盘进行测风点绘中遇到高仰角时,一般都采用两种办法来处理,第一种办法是将高度(用“B型”计算盘点绘)或斜距(用“701型”计算盘点绘)换算成水平距离,再用方位角和水平距离改用“A型”计算盘点绘;第二种办法是不顾误差大小用估计方法强行在“B型”或“701型”上继续点绘。前者由于要更换计算盘手续繁多,影响时效,后者则影响测风的精度。根据“B型”、“701型”计算盘的制造原理和使用实践,我们发现这两种计算盘不需要在高仰角时改换计算盘,也可以点绘高仰角记录。     

用测风绘图板求平均矢量风

青海都兰县气象站袁瑞忠同志来稿提出,在用查算表查算出高空月平均矢量风的东、北分量后,可用绘图板点绘,按量取风向风速的方法,直接求取月平均矢量风的风向和风速。 由于月平均矢量风是由东、北分量风合成的,即     

矢量法处理双经纬仪测风资料及其计算程序

在大气探测中,常用双经纬仪测量大气边界层中的风向风速。传统的方法是用投影方法处理双经纬仪资料。而在1962年,Norman Thyer提出了一种新的计算方法,即“矢量法”。用这种方法,我们在APPLE-Ⅱ微机上,使用BASIC语言编写的双经纬仪测风计算程序,处理了500多份双经纬仪探测资料,取得了令人满意的效果。     

双经纬仪小球测风计算程序

对流层下层各高度的风向风速资料可以通过施放小球并用经纬仪跟踪其运动获得。双经纬仪测风,由于计算量大,不用计算机是难以实现的。常用的计算方法有投影法和矢量法,比较二者,矢量法优于投影法。我们用矢量法在PC-1500袖珍机上编制了双经纬仪小球测风计算程序。它具有输出原始资料,监视观测误差和输出不同高度的风向、风速值等功能。实际应用,效果较好。     

风杯风速仪过高效应的订正研究

该文基于对风杯风速仪动力方程的数值计算和风杯风速仪与超声风速仪平行对比的观测结果,发现专用于近地面层精细风廓线测量的轻型低阈值风杯风速仪测风的过高效应引起的u-error约为1%,因风速平均方法不同（标量平均和矢量平均）引起的DP-error是风杯风速仪测风过高的主要原因,在小风情况下更为明显。DP-error经修正后可获得合理的风速值。     

卫星风推导和应用综述

该文介绍了卫星风推导和应用的进展, 包括卫星风的算法, 卫星风在数值天气预报中的应用, 卫星风在天气分析和预报中的应用以及卫星风的研究工作动向。目前各个卫星数据处理中心卫星风的算法大体一致和稳定。风矢量的追踪用相关匹配法, 而风矢量的高度指定依靠双通道物理方法。卫星风的质量是从图像定位和定标开始的许多工作阶段的综合结果, 确保每个工作段的高质量对于风矢量的计算都十分重要。卫星风的高度指定仍然是最有挑战性的课题。因为物理定高方法进展不明显, 近期内尤其要重视几何定高技术的研究和使用。静止气象卫星的风对数值预报的影响在热带和南半球是正反馈; 由于在极地地区各种资料都十分匮乏, 极地卫星风对数值天气预报有非常明显的正反馈。卫星风与云图叠合显示, 在主要雨带、副热带高压、强对流和热带气旋的诊断、分布、预报中十分有用。     

基于尺度不变特征变换的云导风计算方法

提出了基于尺度不变特征变换的云导风计算方法,通过计算图像的尺度不变特征点并进行特征点匹配得到云导风矢量结果。选取风云2号卫星拍摄的卫星云图作为实验基础数据,运用传统的最大相关系数法和基于尺度不变特征变换的匹配方法,对得到的两种计算结果进行对比分析。结果表明:基于尺度不变特征变换的匹配方法计算得到的有效风矢量较多,且分布有规律,能很好地应对不同情况的云团情况计算出合理的风矢量结果。     

厚度合成风的计算

厚度合成风(亦称高度合成风)是指从地面到某一高度或某两个高度之间气层的矢量平均风。它主要用于国防、航空、大气污染、建筑设计等方面对空降或空投物的修正。本文专门讨论从测风原始记录中求取厚度合成风的计算方法。 一、厚度合成风的计算原理 测风气球在空中飘移的水平投影,即它在各观测分钟(t_1、t_2……t_n或t_1′、t_2′……t_n)所到达的位置,其矢量图如附图。 不论气球水平投影的轨迹如何变化,从地面O点     

半透明云风矢量高度算法中云下背景辐射的估计

半透明云风矢量高度指定是卫星风矢量算法的重要部分,需要来自半透明云体的辐射和云下背景辐射两个变量。云下背景辐射发生在云层下面,未被卫星直接观测到,为了在半透明云风矢量高度指定算法中更精确地获得云下背景辐射,使用风矢量附近无云区的红外/水汽散点图,估计云下背景辐射。分析表明:在追踪区域里存在无云区的情况下,追踪区的最高红外亮温可代表红外通道的背景辐射;而水汽通道的背景辐射,却在红外亮温高值区段内水汽亮温相对较低区段。追踪区内找不到无云区时应扩大搜索范围,找到无云区后可估计云下背景辐射。在半透明云风矢量高度指定算法中使用云下背景辐射估计的改进算法前后,计算FY-2气象卫星进行风矢量,并将结果与欧洲中期天气预报中心（ECMWF）分析场进行对比表明,在半透明风矢量高度指定算法中使用云下背景辐射估计,FY-2气象卫星风矢量误差明显降低。     

基于奇异矢量的优化短期集合预报

在1-2 d的短期预报中,由奇异矢量构建的初始扰动主要是线性发展,为了防止在积分终止时刻,由同一奇异矢量导出的正负初始扰动的积分在集合平均时互相抵消,文中首先通过理论推导和实际计算证明了对集合成员进行优化的必要性,以及从不同奇异矢量导出的集合成员中,表现好于控制预报的一组成员相对于控制预报的离差恒大于或恒小于表现劣于控制预报的另一组成员,利用这个特征,在做集合预报时,把奇异矢量导出的正负两组预报分成离差相对大一组、离差相对小一组,就可以避免求集合平均时成员相互抵消,从而提出了一种优化基于奇异矢量的短期集合预报的方法.文中使用NCAR/PSU(美国国家大气研究中心/宾夕法尼亚大学)中尺度有限区域模式MM5第1版,及其对应切线性、伴随模式,对1999年夏季发生的两个梅雨锋低涡个例作了分析,在计算奇异矢量时采用了干能量模,分析结果表明:相对于正负两个初始扰动都入选的集合,严格按照这种方法挑选出来的优化集合可以有效地提高集合平均的精确度.在生成初始扰动的方法上,文中的计算表明,相对于用单个奇异矢量生成初始扰动,把正交的多个奇异矢量累加起来导出的初始扰动具有更大的增长率,能有效地增大集合成员间的离差,提高集合成员的预报精度.     

云迹风计算中的两个几何问题

文章分析了云迹风计算工作中所遇到的两个几何问题，即图像匹配问题和风矢量计算问题。图像匹配问题是指用于计算云迹风的两幅图像如果定位网格不一致，如何通过图像匹配来减少云迹风的计算误差。风矢量计算问题是指在已得到示踪云位置时，如何准确地求出风向风速。云迹风的计算在本质上是一个几何问题，几何处理周密是减少云迹风计算误差的一个重要途径。     

半透明云风矢量高度算法中代表运动像元的使用

半透明云风矢量高度指定是卫星风矢量算法的重要部分,需要使用来自半透明云体的辐射和云下背景辐射两个变量。为了更精确地获得来自半透明云体的辐射,采用像元对追踪相关系数的贡献和红外亮温两个变量进行统计分析,将追踪图像块中的像元分为3个部分:小贡献像元、暖区段大贡献像元和冷区段大贡献像元;对暖区段、冷区段内大贡献像元的特征进行考察表明,冷区段的大贡献像元更能代表追踪图像块运动,称为代表运动像元。选择代表运动像元参与计算来自半透明云体的辐射,对半透明云风矢量高度指定算法进行改进,在该算法中分别使用和不使用代表运动像元,计算FY-2气象卫星风矢量,将结果与欧洲中期天气预报中心（ECMWF）分析场进行对比表明,在半透明云高度指定算法中使用代表运动像元,FY-2气象卫星风矢量误差明显降低。     

用高度调整法进行云迹风高度的质量控制

本文提出了一种对云迹风高度进行质量控制的方法。该方法运用流体流动在一定范围内存在空间连续性的原理,分别计算各高度层上各云迹风矢量与其周围风的一致性系数,一致性较差的风被认为是不合理的,然后将它放到其它的层次上计算它与这些层次上的环境风场的一致性,哪一层上的一致性系数较大则将之凋整到那一层。所做工作表明,此方法能有效地把一些明显不合理的风调整到它应有的高度层次上。     

旋转式风敏元件的静特性

目前广泛使用的风敏元件,绝大多数仍然是风杯式叶轮和螺旋桨叶轮。因此,本文仅就风杯和螺旋桨的静特性做些介绍。 一、风杯的静特性 图1为四杯式叶轮在速度为V的气流中的瞬间位置示意图。为了便于讨论和计算,设杯子中心旋转的线速度为v=ωr,其中r为杯子中心的旋转半径,ω为角速度。杯子跟气流的相互作用,和一个其方向与矢量ωr方向相反的气流的作用是等价的。相对速度U,是矢量V和-v的几何和,即     

WAFS产品中GRIB资料中国区产品评估

为了给使用WAFS产品的用户提供量化参考依据，选取WAFS产品中常用区域和层次的GRIB数据，利用由国家气象中心提供的风、温客观分析网格点资料，与WAFS中同时刻的预报场产品（风、温网格点资料），用均方根误差进行数字化形式分析比较。结果表明：WAFS提供的风、温预报，通常是短时效的风、温预报比长时效的风、温预报更接近客观分析场；低层的预报比高层的预报更接近客观分析场；风的预报以v矢量的预报优于u矢量的预报；风的误差主要来源于u矢量的误差。     

风向的统计方法研究

在核安全分析和环境影响评价中,必须使用到的是小时气象数据。对自动气象站小时风向的计算方法和小时数据如何统计,地面气象规范中和核安全导则中还没有定论,因此本文对小时风向统计方法展开讨论。目前小时风向值的计算方法有算术平均法、滑动平均法、矢量平均法和频率最高法,针对算术平均法和滑动平均法对经过0°的风向统计容易出现误差,本文提出对此的修正方法并对4种计算方法进行了比较。结果表明：文中过零风向修正方法简便准确,小时数据统计方法为正点前10min数据时,修正算术平均法更可靠,但该方法对风速为零时的判断容易出现误差,因此在小风、静风频率高的地方推荐矢量平均法。关于小时数据的划分方法,美国核管会RG1.23与我国核安全导则及地面气象规范中的规定不同,因此文中利用实测资料对不同小时数据统计方法所得结果比较,分析表明,取整点前或其他时段的10min和15min的数据进行平均的风向相关矩阵一致性为97.87%;取4个15min平均值的平均或6个10min数据平均值的平均作为小时值的风向相关矩阵一致性为99.96%,这两种统计方法与取10min和15min的一致性为86.00%,相对较差;取60min时段的平均值作为小时值则与其余方法一致性最差。     

基于地心坐标系的卫星导航测风平滑算法

本文从高空风探测原理出发，提出可业务化运行的卫星导航探空系统高空风平滑计算方法。该算法首先根据北斗〖CD*2〗GPS（Global Positioning System）双模式探空仪提供的大地坐标秒间隔数据，基于地心坐标系计算原始高空风；然后，采用矢量滑动平均法对原始数据进行平滑处理。通过与同球施放的芬兰RS92探空系统做比对分析得出，滑动平均窗口在0～32 km高度范围内设置为34 s、在32 km高度以上设置为60 s条件下，卫星导航探空系统与RS92探空系统高空风测量结果吻合较好。该算法计算结果同基于站心坐标系计算的30 s滑动平均风基本相同，但其风速分量误差范围在32 km高度以下略优、在32 km高度以上减小明显，升空全程误差范围更为稳定。