基于高分辨率模式的京津冀地区无人机航路风向风速模拟分析

随着中国低空空域的陆续开放,依靠现有的低空飞行气象保障技术为低空安全飞行提供服务略有不足,对飞行影响最大的风进行预报也有一定的困难。论文基于WRF(Weather Research and Forecasting Model)中尺度数值模式,对2015—2019年京津冀地区的风速风向进行模拟,并将模拟结果与气象站观测数据进行对比分析,可为该地区无人机低空航路飞行安全提供保障。结果表明:WRF模式能够较好地模拟风速的季节变化趋势,平原地区的模拟效果优于山区,山区模拟的风速偏大,但误差在可接受的范围内(RMSE<1.5 m·s^-1)。平均风速、最大风速最小值均出现在夏末,平均风速最大值出现在春季(山区4.43 m·s^-1、平原4.13 m·s^-1);最大风速在冬、春、夏初呈波动递增,夏季中旬开始减少,夏末秋初降至最小。京津冀地区风速呈西北向东南递减,泊头站(-0.02 m·s^-1·(5 a)^-1)和天津站(-0.02 m·s^-1·(5 a)^-1)平均风速呈下降趋势,其余站点风速呈上升趋势,唐山站上升率最大(0.08 m·s^-1·(5 a)^-1);在风速季节空间分布中,平均风速以上升趋势为主,站点所占比例为春季45.45%、夏季90.91%、秋季63.63%、冬季81.81%。平原地区盛行风呈东北—西南向;山区站点怀来站风向以WNW(18.70%)和W(15.01%)为主,蔚县站风向以N(16.79%)和NNW(12.03%)为主,相较于平原地区,山地地区风速8.0 m·s^-1的大风数量显著上升。1000 m高度的平原地区大风出现频率显著增加,增长速度高于山地地区,不利于无人机飞行,风速17.0 m·s^-1以上出现的概率明显高于山地地区。     

我国风蚀区风速日变率时空变化特征

基于我国风蚀区239个气象站点逐时风速数据,采用谐波分析方法分析我国风蚀区风速日变率特征。结果表明：85.3%的站点有且只有第一个谐波通过F检验,日变率以24 h为周期;14.2%的站点第一和二个谐波通过检验,日变率以24 h为主周期,以12 h为副周期;西藏墨竹工卡站第一和三个谐波通过检验。日平均风速变化范围为0.96~8.36 m·s^-1,均值为2.42 m·s^-1;风速>3 m·s^-1站点集中分布在内蒙古北部高原、青藏高原地形平坦的高原区、甘肃河西走廊及新疆东北部。季节风速表现出春季 > 冬季 > 夏季 > 秋季的特征;第一个谐波振幅变化范围为0.28~3.28 m·s^-1;相位变化范围为-1.55~4.67,集中在3.21~4.67,表明大部分站点在午后风速值达到最大。研究可为逐时风速的随机模拟提供基础,进而为风蚀区风蚀量估算提供更好的数据支撑。     

1960-2013年南北疆风速变化特征分析

利用较为均匀分布在新疆的45个气象站1960-2013年平均风速数据,通过气候趋势分析、气候突变分析、Morlet小波分析、Pearson相关分析等方法,研究近50 a来南北疆平均风速变化特征,结果表明：（1）1960-2013年南北疆地区年平均风速分别以0.15 m·s^-1·（10 a）^-1和0.14 m·s^-1·（10 a）-1的速率显著降低,1960-1990年南北疆年均风速分别以0.21 m·s^-1·（10 a）和0.18 m·s^-1·（10 a）^-1速率降低;1991-2013年北疆以0.01 m·s^-1·（10 a）^-1的速率下降,而南疆却以0.17 m·s^-1·（10 a）^-1的速率上升,各季节风速变化趋势与年序列相似。（2）四季中,南北疆的年递减率均是夏季最为显著,北疆是冬季变化不明显,而南疆其余各季节相差不大。（3）从空间分布上显示,北疆各站点总体较南疆明显,低海拔区递减幅度较大。（4）风速的长期变化具有一定的突变性,南北疆的平均风速均在1980年前后出现明显的突变点,从各季节平均风速来看,北疆春、夏、秋季突变出现的时间稍早于冬季,南疆春季突变出现的时间稍早于夏、秋和冬季。（5）Morlet小波分析结果显示,南北疆风速变化均存在4 a、8 a及15～20 a左右的变化周期,春夏秋冬各季节表现出强弱不一致,体现出季节性变化。（6）城市化发展对风速的变化产生了一定影响,但不是风速显著下降的主要原因,大气环流变化和气候变暖才是造成风速减小的可能原因。     

1979—2017年冬半年京津冀区域大风的变化及其环流背景分析

利用1979—2017年冬半年(从11月至次年3月)站点的日平均风速和ERA-Interim再分析资料,分析了京津冀冬半年区域大风的变化及其环流背景。结果表明,研究时段共计有556次区域性大风日,风向以偏北风为主(约占90%)。近40 a资料显示：区域性大风日频次在显著减少,线性趋势达-1.77 d·(10 a)^-1 (P<0.1);同时大风平均风速也在减弱[-0.07 m·s^-1·(10 a)^-1,P<0.05]。同期北半球大气环流的异常显示,东亚西风急流强度偏强时大风日频次易偏多;同时,大风日频次的变化与北半球对流层中低层大尺度的环流异常存在明显相关,北大西洋和欧亚大陆存在多个显著异常中心,其中北大西洋地区南北向的偶极子型异常与大风日频次及风速的相关系数均接近0.30(P<0.1)。表明京津冀区域性大风的变化,不仅与东亚地区大气环流有关,还可能受上游地区环流及北半球大尺度环流的影响。这对理解风速逐渐减小的原因具有重要的参考价值。     

中国北方风蚀区风速变化时空特征分析

利用北方风蚀区155个气象站点1971-2015年平均风速数据,采用气候趋势分析、空间插值和小波分析等方法分析北方风蚀区平均风速的时空变化趋势。结果表明：近45 a来,北方风蚀区年平均风速为2.70 m·s^-1,呈明显减小趋势,其递减速率为0.017 m·s^-1·a^-1（α=0.001）,1980s风速减小最快,1990s减小最缓慢,2010s风速出现增大趋势;我国北方风蚀区四季的平均风速均呈现下降趋势,下降速度春季>夏季>秋季>冬季（α=0.001）,不同年代不同季节风速变化存在较大差异,2010s除春季外其他季节风速均呈现增大趋势;空间分布上显示,风速变化幅度空间分布差异明显,北方风蚀区内的新疆西北部和东南部、青海、内蒙古中部和东北部、黑龙江以及吉林为风速降低较快的区域,甘肃东南部、宁夏、陕西和山西北部以及新疆的东北部和西部等地区是风速降低不明显的区域。春季和夏季风速降低较快的区域面积扩大,冬季和秋季风速降低较缓的区域扩大;平均风速存在多时间尺度的周期性结构特征,28 a时间尺度左右为风速变化的主周期,平均变化周期为18 a。     

1962-2016年阿勒泰地区风速变化分析

利用阿勒泰地区6个气象站点1962-2016年平均风速日值数据资料,采用滑动趋势分析、Mann-Kendall突变检测、Molet小波分析、ArcGIS中插值等方法,研究近55 a来阿勒泰地区平均风速的变化趋势。分析表明：（1）阿勒泰地区风速整体呈显著下降趋势,平均以0.021 1 m·s^-1·a^-1的速率逐步降低,四个季节风速变化趋势与全年一致,其中,夏季下降最突出,递减率为-0.025 4 m·s^-1·a^-1。（2）平均风速空间分布差异明显,总体表现为自西向东逐渐降低。（3）Molet小波分析显示,全年及四个季节平均风速变化均存在25~28 a变化周期,春、夏、秋、冬季表现强弱不同,体现出季节性差异。（4）全区年平均风速于1990年发生突变,但不同季节突变年份存在较大差异,春季、夏季和秋季平均风速突变分别发生在1994年、1993年和1990年,而冬季发生在1983年。（5）城市化进程不是风速显著降低的关键原因,相对于城市化进程,大气环流的变化可能是引起阿勒泰地区风速降低的关键因素。     

普里兹湾区域风和温度资料对比分析: 以2007 年为例

通过分析再分析资料与站点观测资料的差异评估了普里兹湾区域5 套再分析资料的风速、风向以及 温度产品。这5 套再分析资料包括欧洲中心再分析资料(ERA-I)、日本25 年再分析资料(JRA-25)、日本55 年再分析资料(JRA-55)、美国国家环境预报中心再分析资料(CFSR)和美国国家航空航天局再分析资料 (MERRA)。采用的观测资料来自两个人工观测站和三个自动气象站。月平均和季节差异分析结果表明, Mawson 站点再分析资料的风速一般小于站点风速, 其他站点再分析资料一般风速过大, 所有的站点风向与 再分析资料风向差异不大, 再分析资料的2 m 温度总体低于人工观测站的温度, 自动站和再分析资料的差 异则没有一致的差异特征。通过6 h 风速资料对比, 发现当Mawson 站点风速低于5 m·s^–1 时, 再分析资料偏 高, 当站点风速高于15 m·s^–1 时, 再分析资料偏低, 且该站点记录的极端强风次数远多于再分析资料。     

近55 a辽宁省风速时空变化特征分析

风速时空演变特征分析是气候变化研究的主要方面之一,对气候异常评估与防风预测预报工作有重要意义。以辽宁省为研究区,利用1960-2014年省内23个气象站点逐日气象数据,采用线性回归、Mann-Kendall法分析风速多时间格局演变情况。借助ArcGIS软件中反距离权重插值与表面分析模块对研究区进行空间分析,并通过Pearson相关性检验探讨风速与气温、气压的相关关系。结果表明：（1） 从时间格局上看,1960年以来辽宁省平均风速总体呈显著下降趋势,年内下降趋势为“双峰型”,递减率0.559 m·s^-1·（10 a）^-1;年际递减率为0.22 m·s^-1·（10 a）^-1;四季风速递减率春季 > 冬季 > 秋季 > 夏季。（2） 就空间格局而言,空间分布特征由中部向东西两侧递减,季节差异性较小。（3） 辽宁省风速降低与气温、气压变化有关,且风速与气温呈负相关,与气压呈正相关。     

基于Budyko假设的党河径流变化归因

流域水资源变化特征及其归因识别一直是水文研究的重要科学问题。本文以党河流域为研究区,采用线性倾向估计等方法分析了流域气象、下垫面和水文要素变化特征,基于Budyko水热耦合平衡方程量化了气候变化和人类活动对径流变化的贡献。结果表明：(1)流域内气温呈升高趋势,降水呈增加趋势,气候向暖湿化方向发展;(2)林地、草地、耕地、水域和建设用地面积增加,未利用地面积缩减;冰川退缩速率为3.86 km²·a^-1;多年平均最大冻结深度平均递减速率为1.14 cm·a^-1;(3)党河径流年际递增速率为0.21亿m³/10a,年内分配为“双峰型”,降水和气温对径流年内变化贡献分别为57.2%和42.8%,气候变化和人类活动对径流变化贡献分别为59.46%和40.54%。     

气象因子对乌鲁木齐市一次重污染天气过程影响研究

利用大气质量的观测资料和气象要素的数据,详细分析了2015年冬季乌鲁木齐市一次重污染天气的主要气象因子和空气质量特征。研究结果表明：在污染过程中,风速的变化趋势：减小-增大-减小（平均风速0.9~2.5 m·s^-1）;风向的转化趋势：东南风-东北风-西北风-西南风-东北风;湿度增大-减小-增大;大气混合层厚度的变化趋势：降低-升高-降低。同时,通过SPSS12.0分析了空气污染前后风速,湿度和PM_2.5质量浓度的相关性。PM_2.5质量浓度与风速呈显著负相关,与湿度呈正相关。风速与PM_2.5质量浓度间通过了显著性水平为0.01的相关性检验。表明乌鲁木齐市的气象因子（风速）对当地大气污染影响十分明显。     

基于ASCAT散射计数据的2012年南极周边海面风场特征分析

利用2012年全年的ASCAT散射计风场数据,对55°S以南的南极周边海域海面风场开展了时空分布特性统计分析。结果表明:对于南极周边海域,7月平均风速最大,为12 m·s-1,12月平均风速最小,为8 m·s-1,冬季大于夏季;该区域平均风速主要在9—12 m·s-1之间,全年出现的天数280天,约占全年的77%;风速10 m·s-1所占比例也是冬季大于夏季。从全年来看,南极周边海域在冬季(4—6月)和春季(7—9月)风速普遍较大。该区域0°W—60°W海域内风速明显比其他海域要小。     

新疆博斯腾湖流域风沙环境特征

通过风资料的统计和计算,对博斯腾湖流域风沙活动强度环境特征进行了系统的研究。结果表明:博斯腾湖流域年平均风速较小,一般1.6～3.0 m·s^-1;有效起沙风作用时间存在明显的区域差异,其中巴音布鲁克起沙风天数占全年总天数的55.59%,焉耆、轮台、巴音郭楞及和静分别为18.75%、12.72%、11.48%、11.23%,其余各站均低于10%;随着风速等级的增加,起沙风出现的频率相应减少,基本上都集中在6.1～10.0 m·s^-1;研究区方向变率指数(合成输沙势/输沙势,RDP/DP)0.49~0.68,属于中比率,风况特征属于纯双峰风况或锐双峰风况。输沙势属于低风能环境,且存在较大的区域差异。     

1971—2018 年陕西省人体舒适度时空分布特征研究

根据陕西省 94 个气象观测站 1971—2018 年逐日气象资料，对人体舒适度指数（I_CHB）时空分 布特征及其影响因子权重进行了统计分析。结果表明：（1）陕西近 48 a 省 I_CHB 呈现显著上升趋势， 线性趋势达到 0.07?a^-1，陕北、关中和陕南地区年际变化与全省变化趋势基本一致。四季 I_CHB 变化均 呈上升趋势，其中春季上升趋势最为显著，冬季次之，秋季最低，四季I_CHB 在 2000 年以来增幅减缓。 各区四季 I_CHB年际变化与全省趋势一致，各区I_CHB 夏季差异最小，冬季最大。I_CHB 月变化呈单峰型，1 月最低，7 月最高。（2）陕西各地 I_CHB介于 26～52 之间，体感属于冷、凉和凉爽等级。I_CHB 空间分布差 异显著，陕南地区最高，其次是关中，陕北地区最低。四季 I_CHB 分布特征与全年分布特征相似，均呈 现自北向南逐步升高的趋势。（3）R/S 分析预测未来气温将升高，风速则呈减少趋势，I_CHB 将继续升 高，四季气候舒适性将发生改变。（4）温度（湿度、风速）与 I_CHB 存在显著的正（负）相关关系，温度和 风速是影响陕西省I_CHB的最主要因子，且二者影响程度基本相当，湿度主要通过温度影响 I_CHB。3 个 地区温度的正影响和风速的负影响均较大，关中地区 3 个要素之间互相影响较大；陕北和陕南地区 各要素之间互相影响较小，对 I_CHB的直接影响较大。     

腾格里沙漠周边地区1960-2012年气候变化特征

根据腾格里沙漠周边地区9个气象站点1960-2012年逐月平均气温、平均最高气温、平均最低气温、降水量、平均相对湿度、日照时数和平均风速的观测资料,利用线性回归、滑动平均和Mann-Kendall突变检验分析了该区1960-2012年气候变化特征。结果表明:1960-2012年,腾格里沙漠周边地区年平均气温以0.34 ℃/10a的速率呈显著上升的趋势,并于1989年发生显著突变;从季节变化来看,冬季升温幅度最大,达0.52 ℃/10a;年平均最高、最低气温均呈显著上升的趋势,但是年平均最低气温的升温速率0.44 ℃/10a明显大于最高气温升温速率0.25 ℃/10a,增暖的不对称性导致年平均气温日较差以0.18 ℃/10a的速率显著减小。年降水量以1.08 mm/10a的速率增加,但变化趋势不显著,四季降水量均有不同程度的增加;湿润指数的变化亦不显著,年、春季、夏季和秋季湿润指数均有减小趋势,冬季湿润指数有增加趋势;年、季平均风速皆呈显著减小的趋势,年平均风速减小的速率为0.15 m·s^-1·(10a)^-1,日照时数以5.6 h/10a的速率呈不显著的增加趋势,各季节日照时数有不同的变化趋势,春季和夏季日照时数呈增加趋势,而秋季和冬季的日照时数呈减小趋势。