华东沿海地带台风风廓线特征的观测个例分析

利用2007年的“韦帕”、2009年的“莫拉克”、2010年的“凡亚比”和2011年的“梅花”四个台风的GPS探空数据,本文对华东近海和沿海地带的台风风廓线特征进行分析。首先求出梯度风速及其对应的高度,在此基础上利用指数律和对数律对风廓线进行拟合,并对幂指数、10米高度的地表风速和梯度风速的风速比,以及由对数律定义的常通量层高度等参数进行计算,并对梯度风高度和常通量层高度进行比较。结果表明:登陆台风沿海地带风廓线的梯度风高度和常通量层高度有明显差异。本文还对登陆台风平均风廓线的各参数进行了计算,并对梯度风高度以下风廓线偏离对数律的原因进行了讨论。     

基于风廓线雷达的广东登陆台风边界层高度特征研究

针对8个登陆广东省的热带气旋,利用经过数据质量控制的风廓线雷达连续、高时空分辨率的风场观测数据,对热带气旋边界层特征进行了分析。研究结果表明:热带气旋边界层中切向风速大值区垂直范围越大、风速越强、持续时间越久,则热带气旋强度越大、登陆后强度维持时间越久。眼区外入流层厚度越大,入流层气流越强,热带气旋登陆后强度维持时间则越久。风廓线雷达信噪比垂直梯度对大气湍流信息有一定的指示作用,对于入流层高度在2000 m以下的热带气旋,其入流层顶所在高度与信噪比梯度最大值所在高度相近,对于入流层较为深厚的热带气旋,用信噪比垂直梯度确定的边界层高度虽接近入流层顶高,但仍有一定差距。不同特点的热带气旋其边界层高度并不相同,对于登陆后强度迅速减弱的热带气旋边界层高度在500~1000 m;登陆后强度持续时间短的热带气旋,其边界层高度约1000~2000 m;登陆后强度持续时间长的热带气旋,其边界层高度在2000 m之上,最高可达5000~7000 m。这些结果加深了对登陆台风边界层高度演变特征的认识。     

海面与海岸陆面风速廓线特征

利用位于江苏海岸陆地的两座测风塔以及福建海面的一座测风塔气象要素资料,分析了这两种下垫面风速、湍流等要素的日变化规律及廓线特征,探讨了这两种不同下垫面特征导致的风力特征差异。结果表明:海岸陆面日最大风速出现时间较内陆滞后,最小风速出现时间与内陆相差不大,风速日变化位相随高度滞后,日振幅随高度减小,冬季70 m高度风速日变化特征与10 m高度风速日变化特征相反,夜间大于白天,说明冬季的过渡层转换高度低于夏季;海面风速的日变化位相、日振幅等特征随高度变化很小。两种下垫面的风廓线用对数律、指数律拟合的效果相当,海岸陆面的风廓线指数呈现的规律为离岸风组大于向岸风组,冬季大于夏季;海面风廓线指数呈现的规律则是向岸风组大于离岸风组,夏季大于冬季。     

浙江近海冬季大风风速推算和ASCAT风速订正方法探讨

利用2010—2014年12月至次年2月浙江省自动气象站测风资料和ASCAT散射计反演的风场资料,通过模糊聚类空间分型,选取有代表性的站点建立浙江近海冷空气大风的风速推算公式,并对ASCAT近海风场产品进行误差分析和风速订正。结果表明:冷空气影响时浙江北部近海多数自动站与舟山浮标站相比有偏南风矢量差,南部近海自动站比温州浮标站有东南风矢量差,自动站风速一般小于浮标站。海拔高度与自动站和浮标站风速差值δ相关性不显著,站点离岸距离是影响δ的主要因子。冷空气影响时浙江近海ASCAT反演风速与实况相关系数的分布具有平行于海岸线且自西向东增大的特征,相关系数超过0.5的站点一般离岸30 km以上,舟山和温州12个浮标站测风与ASCAT反演风具有较好的相关性。浙江近海ASCAT风速的误差空间差异较大,经订正后的风速分布也具有平行于海岸线、自西向东逐渐增大的特征,且与观测的误差绝对值一般小于2 m·s~(-1)。     

登陆台风边界层风廓线特征的地基雷达观测

为了分析登陆台风边界层风廓线特征,利用2004—2013年中国东南沿海新一代多普勒天气雷达收集的17个登陆台风资料,采用飓风速度体积分析方法,反演登陆台风的边界层风场结构特征。与探空观测对比表明,利用雷达径向风场可以准确地反演登陆台风的边界层风场结构,其风速误差小于2 m/s,风向误差小于5°。所有登陆台风合成的边界层风廓线显示,在近地层(100 m)以上,边界层风廓线存在类似急流的最大切向风,其高度均在1 km以上,显著高于大西洋观测到的飓风边界层急流高度(低于1 km)。陆地边界层内低层入流强度也明显大于过去海上观测,这主要是由陆地上摩擦增大引起。越靠近台风中心,边界层风廓线离散度越大,其中,径向风廓线比全风速以及切向风廓线离散度更大。将风廓线相对台风移动方向分为4个象限,分析边界层风廓线非对称特征显示,台风移动前侧入流层明显高于移动后侧。最大切向风位于台风移动左后侧,而台风右后侧没有显著的急流特征,与过去理想模拟的海陆差异导致的台风非对称分布特征一致。     

基于频谱补偿和数值模拟技术的江苏近海大气边界层百米高度处极端风速研究

在平均风速基本满足近海风力发电需求的前提下,近海大气边界层百米高度处极端风速的合理估算成为中国海上风电开发领域的研究热点。与低纬度海域台风极端风速的广泛研究不同,由于缺乏有效的技术手段,对于台风影响相对较少的中纬度海域,极端风速的科学认识明显不足。研究以江苏近海为例,通过频谱分析技术,定量刻画了数值模拟风速能谱在高频波段的能量衰减和截断特征;进而利用风速能谱曲线在频率域的积分及其在高频波段的补偿,实现无观测区域年最大风速的估算。与台风风场数值模拟技术相结合,综合考虑了中国中纬度海域受寒潮大风和热带气旋大风影响的复杂、特有气候特征,建立了一套可推广应用的近海大气边界层百米高度处极端风速估算的新方法。据此推算了江苏近海100 m高度处50年一遇的极端风速。结果表明:受寒潮大风影响,江苏北部海域的50年一遇风速超过40 m/s;少量北上的热带气旋则造成响水和如东附近海域40 m/s,甚至44 m/s以上的50年一遇风速;中部盐城附近海域的50年一遇风速则普遍低于35 m/s。研究成果不仅为该海域近海海洋工程的开发设计及安全运行提供重要的科学支撑,同时也有助于加深对中国极端气候事件的科学认识和大气边界层科学理论的发展。      

1951-2013年影响广东近海养殖的登陆热带气旋风险特征分析

利用1951-2013年登陆广东的热带气旋资料,采用气候趋势系数法、极值Ⅰ型概率分布函数拟合等方法,分析对近海水产养殖影响较大的热带气旋登陆频数、强度、初(终)旋日、台风季长度等气候特征参数,并分区域计算了广东沿海区域热带气旋风险及不同重现期的大风风速,结果表明:(1)年均登陆广东地区的热带气旋3.6个,且有减少趋势;(2)平均风力等级9.6级,有增大的趋势;(3)台风季持续时间有缩短趋势,平均初旋日期有微弱的推迟趋势,平均终旋日显著提前;(4)沿海各地近海养殖热带气旋风险大小排序为,茂名、阳江西部及香港沿海约4年一遇,风险最高;揭阳、汕尾、惠州、深圳、珠海和雷州半岛东部沿海约5年一遇,风险次之;其余地区大约6-10年一遇,风险相对较轻;(5)沿海各区域20年一遇平均风速在31.3m.s-1-36.6m.s-1之间,50年一遇平均风速为37.7m.s-1-43.7m.s-1,100年一遇平均风速为42.4m.s-1-48.9m.s-1.     

3000Q型车载式边界层风廓线雷达测风资料的验证

利用L波段无线电探空仪、GPS探空仪及Vaisala边界层风廓线雷达,与3000Q型车载式边界层风廓线雷达进行对比观测,验证其测量值的准确性。多次对比试验结果表明,3000Q型风廓线雷达与其他测风手段的观测结果具有较好的一致性,所测得风速、风向值之间的差异不明显。     

边界层风廓线雷达测风精度分析

利用CLC-11-D型边界层风廓线雷达的5波束观测数据,对比分析了晴空、稳定性降水和对流性降水等不同类型气象条件下边界层风廓线雷达测风的准确性,并对2016年3月1日—2017年2月28日共计7300时次的晴空观测资料进行了测风质量评估,得出结论如下:在晴空条件下大气均匀稳定,水平风速和风向测量精度要优于稳定性降水和对流性降水天气,降水出现前后环境大气扰动较大是导致稳定性降水和对流性降水天气下测风精度较差的原因;150 m以下近地层高度的测风质量较差,与地杂波干扰较强有关;夏季有效探测高度最高可达6300 m左右,春秋季有效探测高度比较接近,分别为2000 m和2500 m左右,冬季有效探测高度最低,仅为1100 m左右;4个季节测风质量评估达标高度分别为900、4000、2200 m和1100 m,大气环境的湿度条件和水平风速、风向标准差的波动是影响测风质量评估的重要因素。     

上海组网边界层风廓线雷达与宝山二次雷达测风数据比较分析

文章利用上海边界层风廓线雷达网中3台分别布设在松江泖港和嘉定F1赛车场的TWP3型风廓线雷达以及嘉定外岗的LAP3000型风廓线雷达,在2010年初冬和2011年盛夏各一个月时段的连续原始测风数据,逐个与上海宝山GFE(L)-1型二次探空雷达在相同时段中的原始测风数据进行了对比分析研究.并且还将同布设在嘉定地区的两台不同型号的风廓线雷达进行了测风数据的互比分析.在基本稳定的天气条件下,嘉定F1赛车场、松江泖港以及嘉定外岗风廓线雷达各自与宝山GFE(L)-1型二次雷达探空测风数据进行对比分析的匹配样本数依次是6733、7350和7013对,其在盛夏时段对比统计的各层风速的平均标准差分别是3.34、3.37和4.03m·s-1,在初冬时段则为3.22、3.22和3.42m·s-1.参与互比分析的F1赛车场TWP3型风廓线雷达和外岗LAP3000型风廓线雷达之间的匹配样本数是71981对,其在盛夏时段互比统计的风速平均标准差是3.63 m·s-1,在初冬时段为4.12 m·s-1.有统计曲线表明,本研究中两台TWP3型风廓线雷达与宝山GFE(L)-1型二次雷达探空测风的误差均为2～4 m·s-1,其比对精度明显优于嘉定外岗的LAP3000型风廓线雷达.文章还提出了风廓线雷达的“有效探测高度”新概念.     

边界层风场对深圳秋冬季灰霾天气的影响

为研究边界层风场对深圳秋冬季灰霾天气的影响,统计分析2011—2014年秋冬季深圳石岩边界层风廓线雷达各层风向风速数据和深圳国家基本气象站数据,结果表明:(1)秋冬季节边界层(1 500 m以下)风力越小灰霾出现的概率越大。(2)秋冬季400~1 500 m层风速与灰霾天气关系最密切,有霾时该层平均风速在4 m·s-1左右;无霾时平均风速明显加大到6 m·s-1。(3)秋冬季边界层为较弱的偏北方向风时易导致灰霾天气,而较强的偏南方向风有利于霾的消散。     

冬季北京城市近地层的气象特征

运用2001年1～3月北京大气边界层和大气化学综合试验期间,中国科学院大气物理研究所铁塔上所获得的8～320 m 15层风、温度和湿度梯度资料,对冬季北京城市边界层特征进行了诊断分析.结果表明,在冬季北京城市边界层中,平均而言地表粗糙度为1.34、零平均位移约为20 m;温度基本上随高度呈线性变化;风速随高度的变化并不总遵循对数关系,尤其是在午前和夜间,风速与高度之间对数关系的不显著率可达30%～40%.不能简单套用在Monin-Obuhov相似理论中由Businger-Dve风廓线层结订正获得的近地面层动量、热量和水汽湍流输送计算公式.     

用风廓线资料分析热带气旋“帕布”的风场结构

使用香港风廓线资料,进行时空转换,得到热带气旋“帕布”近香港时的水平和垂直风场剖面结构：气旋近地面层风场以径向风为主;气旋东西两侧水平风场结构明显不同,东侧偏东风明显,西侧随高度增加切向风不断增强,并监测到东北风急流的向下传播;尽管两侧风场结构不同,水平风速却表现出较好的对称性,但气旋西侧由于急流的存在,风速总体较东侧高;近中心上升气流明显偏于中心西侧,下沉气流总体较上升气流要强,且更对称。     

多普勒雷达VAD风廓线资料的质量评估

将2004—2007年浙江省温州多普勒雷达VAD风廓线和相邻洪家探空站同期经修正的探空风廓线资料进行对比统计,分析了两者之间的差异和相关性;对不同高度层以及三种不同降水系统中(大面积连续性降水、阵性降水、热带气旋降水)VAD反演方法的精度进行了研究,并分析误差来源。结果表明,VAD方法反演的风廓线与探空廓线之间具有较高的相关性。VAD方法对大面积连续性降水的风向和风速的反演质量最好,其次是热带气旋降水。风向、风速偏差最大的均为阵性降水。      

登陆台风启德近地层强风特性观测研究

根据Airda3000Q型边界层风廓线雷达获取的台风启德(1213)强风观测数据,分析了强风条件下的近地层风廓线特征,发现以下观测事实:台风中心经过前后风速呈现尖耸的"M"形双峰变化,台风眼壁强风区风速最大,台风眼区经过前后100m高度极大10min平均风速分别为35.7、35.4m/s,眼区经过时出现最小风速为16.2m/s;而风廓线幂指数α则呈现比较平缓的"M"形双峰变化,风廓线幂指数α出现极大值的时间比风速出现极大值的时间分别提前约1h和延后3.5h,台风眼区经过时风廓线幂指数α接近最小,甚至出现负值;台风影响期间,风的垂直变化主要发生在200m以下的低空,风的垂直变化率有波动,最大值出现在台风眼壁强风区和台风中心过境后的外围大风区。     

江苏北部沿海风电场气象灾害风险评估

在对江苏北部沿海9个国家基本(一般)气象站近60年来热带气旋样本统计分析基础之上,结合近4年闪电定位仪资料,分析了影响江苏北部沿海地区的热带气旋、沿海大风和闪电的时空分布规律及其可能对该区域风电场造成的影响。结果表明:①影响江苏北部沿海地区的热带气旋以西北行路径和登陆后北上出海居多,占总数的73.2%;②建国以来影响该区域的热带气旋中,有87.7%的热带气旋可为风电场带来经济效益,进行适当防御后不会造成损失的占12.3%,尚无破坏型热带气旋个例;③江苏北部沿海地区雷雨季节(6—8月)应加强对机组的防雷检查,特别是江苏北部沿海地区的盐城区段更应加强雷电防护监测工作;④江苏北部沿海地区50年一遇最大风速和极大风速符合国家Ⅲ/Ⅱ型风机安全运行标准。     

汕尾浮标站的风况特征分析

利用广东省汕尾红海湾大型浮标站的近4年观测资料,统计分析汕尾红海湾近海海面风的日变化特征、季节变化特征和大风特点.分析表明：红海湾近海海面秋、冬风速大,夏季风速小,风向以东北风为主;平均情况下中午前后风速较小,早晚较大,风向以东北风为主;冷空气和热带气旋是造成红海湾近海大风的主要天气系统;大风平均阵风系数较小,最大阵风系数在热带气旋影响下出现.     

湍流频散对边界层风廓线的影响

应用包括湍流粘性和频散的新的Reynolds平均动量方程，分析了边界层的垂直风速廓线，发现包含湍流频散的地面层的风速廓线对经典的风廓线指数规律有一个对数规律的修改；而且在不稳定层结下比在稳定层结下，湍流的频散效应更为显；在中性条件下，指数规律退化为对数规律并且Karman常数被另外一个常数所代替，而这个新常数也可以通过相似理论来获得。     

琼州海峡南岸近地面层大风观测分析

利用2009年7月—2011年6月琼州海峡南岸东西两侧2部梯度测风塔2年实测资料,分析了海峡区域近地面层风向风速、阵风系数、风随高度变化的特征。结果表明:海峡东西两侧风参数大小有较大差异。在地面10 m高度风速＜10 m/s时,海峡风向风速有明显日变化,体现了以海陆风为主导的局地环流特征;海峡西侧的日最大风速及风速日较差分别比东侧大0.6 m/s和1.1 m/s;地面10 m高度的阵风系数及风随高度变化的幂指数α分别比东侧小0.03和0.02;阵风系数与α值随地面风速的增大而减小。当海峡地面10 m高度风速≥10 m/s时,阵风系数与α值并未随地面风速增大而减小。天气系统对海峡大风的阵风系数、风向风速演变趋势有一定影响,但对α影响较小。热带气旋大风过程的平均阵风系数比冷空气过程大。中心经过型、近距离经过型和外围影响型热带气旋大风过程的风速演变特征分别为双峰型、单峰型和平台型。过境型、锋消型以及冷暖系统共同影响型的冷空气大风过程的风速演变特征分别为平台型、单峰型和多峰型。      

热带气旋影响下的深圳港湾码头最大阵风预报方法研究

通过分析深圳三个沿海港口码头自动气象站(盐田港、妈湾港、蛇口码头)的瞬时极大风资料与热带气旋的主要特性(即热带气旋强度、热带气旋离气象站的距离、热带气旋相对于气象站的方位角的关系),提供了一个气象站在热带气旋影响下的最大阵风定量预报方法。同时分析了2004—2014年6月的所有距离气象站700km范围内的热带气旋以及3个气象站的同期小时极大风观测。研究结果表明,瞬时极大风具有间歇性,热带气旋对观测站的风力影响受周边环境影响大,越开阔的地域,热带气旋风力影响越大。一般情况下,深圳的3个沿海自动站中盐田港受热带气旋风力影响的程度远大于妈湾港和蛇口码头。当热带气旋靠近华南沿海,热带气旋对东北象限的风影响最大。在此象限中,强热带风暴级别以上的热带气旋引发盐田港瞬时大风的距离可以达到400km以上。热带气旋引发的深圳沿海自动站瞬时极大风(阵风17.2m·s~(-1))统计模型在2014年7月至2016年9月得到了很好的验证。本研究对深圳市气象局针对港口码头抗台防风的精细化预报服务以及全市的台风预警发布提供了有价值的参考。