多普勒测风激光雷达三波束反演方法与实验

为研究激光测风技术中五波束和三波束风廓线反演方法的异同,采用波长1.5μm的相干多普勒测风激光雷达在中国海洋大学崂山校区进行风场测量。利用三波束风廓线反演法对13 d的多普勒激光雷达观测数据进行计算,设定信噪比和数据获取率门限阈值,对数据质量进行控制,将计算结果与五波束风廓线反演法的计算结果进行比对分析。与五波束风廓线反演法相比,三波束风廓线反演法仅用三个方向的径向数据反演风廓线,可缩短观测时间跨度,从而提高数据刷新率,在气流不稳定的情况下可获取更多的风场特征参数。比对结果表明,两种风廓线反演法的计算结果在不同高度上均表现出良好的一致性。90 m测量高度处的风速决定系数为0.9825,风向决定系数为0.9769;随着湍流强度增大,两种风廓线反演法之间的差异呈增大趋势。     

辽宁绥中地区海陆风的多普勒测风激光雷达观测与特征提取

2019年3月,利用相干多普勒测风激光雷达首次在辽东湾西部绥中地区进行了风廓线测量试验。根据研究区域海岸线走向采用风向的十六分位法定义局地海风和陆风,分析和提取海陆风特征验证了多普勒测风激光雷达在春季季风间断期间观测海陆风的可行性,并计算和分析了大气边界层湍流能量的变化以及回流水平变化等特性。结果表明:1)绥中地区春季存在明显的海陆风环流特征,测风激光雷达观测海陆风出现的时间与地面自动气象站观测的数据较为一致,符合海陆风日的定义。2)海陆风日发生时,水平局地回流指数(RF)较小,1. 2 km以下的RF值小于0. 5,使得污染物循环累积,较易形成雾霾天气;但是海风时大气边界层的高度可达1 km以上,有利于低层大气污染物向高层扩散,减轻低层大气污染。研究结果为该地边界层参数化方案的设计和污染的防治提供了参考依据。     

2006年8月青岛国际帆船赛期间海陆风特征及三维结构分析

利用2006年青岛国际帆船赛期间(2006年8月9~31日)的观测资料,对赛场附近的海陆风特征进行了分析,并根据激光雷达和多普勒雷达资料分析了海风的三维结构,结果发现:(1)青岛国际帆船赛期间海陆风发生的频率非常高;陆风时间一般在03:00~09:00时;在副高控制下,赛场全天风速较弱,一般在2.5 m.s-1以下,风向也不集中,陆风多为东北北方向,海风的方向则以东-东南风为主。海风形成的时间较迟,而副高边缘的海陆风较明显,海风形成时间相对较早。海风形成后,风速一般在3~4 m.s-1,为一天中风速最大的时段;风向也较集中,陆风以北-西北北风向为主,海风以东南风为主;(2)海陆风消亡时,风速往往迅速减小,海陆风越强,风速减小得越厉害。(3)海陆温差不是决定海风强弱的唯一因子。(4)海风在垂直方向一般比较浅薄,多在300 m以下。发展强盛的海风垂直高度可达1.5 km左右,向内陆推进100 km左右。多普勒雷达风廓线产品却可以较好地反映赛场附近海风风向的转变和垂直结构。     

夏季北极太平洋扇区和白令海对流层结构分析

利用我国第六次—第九次北极科学考察雪龙船走航探空数据,计算北极太平洋扇区和白令海的夏季对流层高度,分析对流层内的风速、温度、水汽廓线,从而确定对流层结构,并分析各要素的垂直分布和经向分布特征。结果表明:夏季北极太平洋扇区和白令海的递减率对流层顶、冷点对流层顶平均值分别为10 003 m、10 116 m,对流层高度随纬度增加而降低。夏季北极大气对流层低层和对流层顶存在逆温,对流层顶的逆温高度和厚度随纬度增加而降低。大气可降水量与纬度呈负相关,且集中于对流层中低层。近地面的风速受地表摩擦力的影响较明显,对流层内的风速随高度增加而增大,高空急流的强度和高度随纬度增加而减小,风廓线和急流易受天气尺度过程的影响。研究结果揭示了夏季北极太平洋扇区和白令海的对流层结构,并可用于检验数值预报模式对北极大气垂直结构的预报效果、评估再分析资料描述北极大气垂直结构的能力。     

台风“利奇马”引发山东极端暴雨的多尺度特征分析

利用常规气象资料、NCEP FNL 1°×1°再分析、风廓线雷达、云顶亮温(black body temperature, TBB)及逐时自动气象站降雨量资料,对2019 年8 月10—13 日由台风“利奇马”引起山东极端暴雨的多尺度特征进行分析。结果表明：(1)此次台风特大暴雨主要为中低纬系统相互作用及台风倒槽本体直接影响产生,其与冷空气密切相关。冷暖空气交汇有利于山东大部地区稳定性降水长时间持续发生。冷空气从低层侵入暖湿气流底部,形成冷垫,使得暖湿气流在冷垫上滑行,加大降水强度。(2)低空急流指数的变化提前1 h 预示了降水的出现及未来小时雨量的增减,其峰值出现预示着未来3 h 的强降雨时段,即对强降雨时段的出现和雨强大小有一定的预示性,低空急流向低空的快速扩展对应着短时强降水的开始。可以用于强降水的短时临近预报。(3)Q 矢量散度负值的强弱对于未来6 h 的雨强大小有较好的指示意义。(4)淄博西河镇出现全省最大降雨量与其朝向东北的喇叭口地形和对流层低层东北风倒灌有关。(5)TBB 场能较直观地反映强降水过程中降水的分布和强度。风廓线雷达超低空风场的变化对雨强大小和出现最大雨强的时段有着明显的指示意义。     

舟山摘箬山岛风能资源评价

文章利用摘箬山岛风电场70 m高测风塔2011年1月—2014年1月的观测资料,对平均风速、风速频率、风向频率、风能频率、有效风力时数及风功率密度等风能参数进行计算分析,并依据国标《风电场风能资源评估方法》(GB/T18710-2002)中风功率密度等级划分标准对风电场的风能资源进行评估。结果表明:风电场各高度年平均风速在3.28~6.56 m/s,风速频率主要集中区间为1~8 m/s,有效风力时数为54.5%~86.9%,年平均风功率密度为54.8~283.2 W/m2。风电场10 m和70 m处主导风向分别为N风和S风,频率分别为13.0%和13.4%,主导风能分别为N风和NNW风,频率分别为14.7%和14.8%。该风电场风功率密度接近3级,具有一定开发利用价值。     

涠洲岛海域风侯和波侯特征分析

根据涠洲海洋监测站多年风和波浪实时观测资料,分析得出:涠洲岛海域累年强风向为N和NNE,其平均风速分别为5.9 m/s和5.3 m/s;常风向为NNE和ENE,其频率分别为18.2％和12.4％;夏季(6-8月)月平均风速最大,春季(3-5月)月平均风速最小.涠洲岛海域累年强浪向为SSW,其波高(H1/10)平均值为0...     

CALIOP数据在星载相干多普勒测风激光雷达性能仿真中的应用

利用2007—2008年21个月CALIOP测量的夜间气溶胶后向散射系数的全球三维平均分布数据取代传统仿真中的气溶胶模型数据,对晴空条件下的2.1μm相干多普勒测风激光雷达的测风性能进行了计算机仿真研究。仿真结果表明,采用合理的系统参数设计,在20°S至40°N之间4.5km海拔之下单激光脉冲的径向风速误差普遍小于1m/s。以1m/s作为可接受风速误差的标准,符合标准的最大可测量海拔高度向两极方向递减,在南极附近减至1~2km。若10个激光脉冲平均测量,在对流层下层风速误差可降至0.5m/s以内,且在35°N附近最大可测量海拔高度可达5.5km。     

一种基于气象要素梯度观测分析海表特征的方法试验

利用常规气象观测、浙江省自动气象站及宁波凉帽山高塔梯度观测资料,对浙江近海2010年12月28日一次冷空气大风个例进行风、温等气象要素边界层特征分析,计算摩擦速度、粗糙度和粘性副层厚度等特征参数,探讨冷空气大风对浙江近海海面粗糙度的影响,进一步给出了摩擦速度、粗糙度与风速之间的定量关系,并对2010年12月29日21时—30日24时和2015年1月21日19—22日10时两次冷空气大风个例进行风廓线拟合检验,基于此推算这两次个例海面10 m风速,并与浮标站进行对比。结果表明:锋面逐渐靠近时风速随高度递增率明显大于锋面过境远离时段。摩擦速度与风速呈线性关系,粗糙度与风速呈二次多项式增长。光滑流时对数律风廓线对100 m以下高度风速拟合效果最好,当低层风速较小时,对数律拟合风速易偏小,反之则易偏大。     

基于递推原理的风观测数据处理方法

风速风向数据的观测与处理是海洋环境监测中的重要内容,数据的采样与处理应符合海滨观测规范的要求,规范要求每分钟的风速风向数据需做10 min的滑动平均处理。通常使用的计算方法是采用卷积法对采集到的10 min内的采样数据做矢量平均得到符合规范要求的数据,卷积法计算量大、耗时久、计算效率低。提出了一种基于递推原理的数据处理方法,某一时刻的风速风向数据由当前采集的数据与之前的计算值得出,递推法可有效减少计算量,提高效率。此方法不仅适用于海滨观测中风速风向数据的处理,在其他需要做滑动平均处理的应用中仍是一种有效的算法。     

涌浪对大气边界层风廓线的影响

以往研究表明, 涌浪存在时, 近海面大气边界层内Monin–Obukhov相似性理论(Monin–Obukhov Similar Theory, MOST)将会失效, 风廓线模型的建立需要考虑波致应力的影响。基于此, 本文首先研究了包含涌浪影响的Ekman模型和常通量层模型求解的风廓线。结果表明: 两种模型估算的风廓线均对涌浪的波衰减率系数c_β有较高的依赖性, 在c_β<–50时, 模型求解的风廓线均出现近海面风速极大值, 但科氏力对近海面风廓线的影响可以忽略。在不同的大气层结下, 分析发现海浪边界层(直接受波浪影响的区域)内风速明显小于海浪边界层之上MOST廓线在相同高度的外推值, 体现了涌浪引起明显的剪切增强。通过对比分析广东省茂名市附近海上观测平台的实测数据发现, 在涌浪存在时, MOST普遍无法描述风廓线; 统计分析表明常通量层模型估算的风廓线在8 m处的风速与实测数据高度一致。考虑以往研究基本局限于中性大气层结条件, 而涌浪经常显著影响着浮力作用明显的中低风速条件, 我们的研究将有助于理解不同大气层结条件下涌浪对风廓线的影响。     

一种新型激光雷达测风浮标设计及海试应用

精确获取剖面风数据对海上风电场规划选址、风能资源评估等至关重要。针对测风塔建设成本高、拆卸移动困难,而传统浮标电源供给较小、摇晃角度大等缺点,设计一种新型激光雷达浮标,实现了对目标海域的风资源剖面数据的观测、解算与自存储。在南海海域进行海试应用,并对观测的剖面风数据和传统大型海洋资料浮标风数据进行同步比测分析。结果表明,激光雷达测风浮标的测量结果与大型浮标测风数据吻合较好,风速R~2相关系数达到0.975,风向R~2相关系数达到0.932。该研究成果可为激光雷达测风浮标在海上风电开发和开展风场变化的科学研究等提供参考。     

龙口海洋站风况特征分析

根据龙口海洋站观测得到的2007年逐时10分钟平均风速、风向资料,对平均风速风向、大风风速风向、大风日数等方面进行了分析,得出结论:龙口海洋站的风具有典型的季风性气候特征,冬夏季主风向有180°的变化,平均风速的月际变化出现两峰两谷的趋势;常风向为S向和NE向,强风向为偏北向;偏东风的平均风速和出现频率最小;大风风力以6级为主,大风的年平均风速为13.3 m/s,出现大风的月最高概率为63.3%;大风年主导风向为NW-NE以及S,风速以偏北大风较大,偏东风最小;秋冬季节以偏北大风为主,春季偏南大风与偏北大风交替出现,夏季是大风最少的季节。     

台风“妮妲”(1604)登陆期间近地层风特性分析

利用深圳350 m气象梯度观测铁塔获取的台风"妮妲"(1604)登陆期间近地多层风观测资料,分析"妮妲"登陆期间风场和阵风系数等变化特征。结果显示:"妮妲"登陆期间,近地面风速随时间呈增强—减弱—增强—减弱的"M"型特征,风向由西北方向转为南东南;风速随高度增加而增加,其中风速垂直变化最大的时段为"妮妲"后风圈经过期间;垂直方向上,"妮妲"前外围向前风圈过渡期间风向多变,而其他时段风向随高度基本不变;在"妮妲"前外围、前风圈和眼区经过期间,350 m高度以下的风速随高度的变化遵循对数关系,而在"妮妲"后风圈和后外围时段仅适用于150 m以下高度;在"妮妲"登陆过程中,铁塔观测的粗糙度长度约为0.52 m;阵风系数随高度增加而减小,"妮妲"登陆前和眼区的阵风系数较大;另外,阵风系数与风速呈负相关关系,随着风速增加而减小,尤其是风速小于10 m/s时。     

风廓线雷达结合RASS反演湍流耗散率的方法

为探索反演湍流耗散率的最优方法,促进湍流规律和机理研究以及相关方法的业务化应用,文章根据风廓线雷达和无线电-声探测系统的探测原理,选取实例数据,通过虚温计算的布维频率和大气湍流引起的谱宽反演湍流耗散率。研究结果表明:该方法较为有效和简便,适用于加装无线电-声探测系统的风廓线雷达;湍流耗散率并不完全随高度增加而递减,而存在某高度层内湍流较强的现象;湍流耗散率与大气稳定度相互影响。     

基于区域海气浪耦合模式的海洋风场预报性能研究

为评估面向海洋风场的耦合模式预报性能,针对西北太平洋海域,基于一次有无台风过程开展了区域海气浪耦合模式的72 h风场预报应用研究,并重点对1 000 m以下低空风预报进行了GPS观测数据的比对检验评估。结果表明:无论是海面10 m风还是1 000 m以下低空风,耦合模式对无台风日的风场预报效果相对更好;有无台风过程的检验评估均显示,海面低空风预报随时间变化趋势与GPS观测的基本一致,且各高度上均是u分量预报效果好于v分量的;针对台风的耦合模式预报需从模式初始场和物理过程参数化等加以发展完善。     

辽宁东南部一次强降雪天气的成因分析

利用常规观测资料、NCEP再分析资料、多普勒雷达资料等对2015年2月25日辽宁东南部一次强降雪过程进行分析。结果表明:此次强降雪过程发生在低空切变线东侧暖湿区对应高空急流出口区左侧的辐散区内,有强的水汽辐合中心;地面偏南气流受山前地形抬升作用在强降水区形成风向辐合和850 hPa以下急流中心,是造成强降雪的主要原因之一;暴雪过程开始前6 h出现温度平流随高度减小的配置,假相当位温空间分布上锋区的形成,有利于不稳定层结的建立; 8～12 h前正涡度平流、中低层风向辐合带、近地面冷空气层的建立以及次级环流的形成加强了上升运动,对强降雪预报具有很好的指示作用;在降水相态是雨或雨夹雪时,雷达回波最大强度达到40～45 dBZ,而强降雪时回波强度为20～25 dBZ;当大连本站850 h Pa温度以及1 000 hPa与850 h Pa两层等压面之间的厚度处于雨雪转换临界值时,大连南部为雨或雨夹雪,北部为雪,此时出现强降雪,回波高度基本在6 km以下,最强回波25～35 dBZ维持在1 km以下,近地层为弱偏北风,与其上的西南风在边界层形成切变层,将暖湿气流抬升,为强降水提供动力条件。     

激光在春季江淮气旋降水中的衰减特性研究

在雨中舰载激光武器和激光雷达的工作效能受到制约。因此,研究激光在降水中的衰减特性对军事行动具有重要的科学意义。基于WRF中尺度气象研究模式,对2015年3月30日-4月2日的降水过程进行模拟分析,江淮气旋由于倒槽锋生产生,江苏地区和朝鲜半岛、日本等的降水过程就是高空西风急流与低空急流耦合的结果,与此同时还有700 h Pa切变线的配合。在气旋降水条件下,传输性能较好的10.6μm远红外波仍然受到衰减,在小雨的情况下(降雨率为0.25mm/h)探测距离可损失10%;在中雨的情况下(降雨率为2.7 mm/h)探测距离为正常情况下的70%;而在大雨情况下(降雨率为6 mm/h)探测距离仅为正常情况下的50%。     

利用多年卫星资料分析青岛和茂名附近海域海面风场变化

文章围绕青岛海洋经济开发和茂名海洋气象基础科学综合试验对附近海域基础环境数据的需求,利用多年卫星资料开展了青岛和茂名附近海域海面风场统计分析研究。结果表明:青岛附近海域风向频率和风速频率最大的方向均为北,相对应的平均风速值为3.5m/s;茂名附近海域风向频率最大方向为ENE,风速频率最大方向为NNE,茂名附近海域平均风速值全年均大于青岛附近海域平均风速值,研究成果可为开展海洋气象业务观测和科学试验提供基础数据支持,为"一带一路"海上风能资源开发与利用提供决策支撑。     

青岛一次局地大暴雨的中尺度环流特征分析

利用多普勒雷达、地面自动站、垂直风廓线及GPS 水汽分布等多种新型探测资料,对2008 年8 月14 日下午,奥帆赛期间发生在青岛地区的局地大暴雨天气的影响系统和中尺度强降雨形成的动力机理进行了综合分析,并通过0.5 km WRF模式的数值模拟给出了有地形阻挡情况下海风环流模型.研究结果表明:副高减弱东撤和弱冷空气南下在中低空形成闭合低涡是造成这次过程的主要天气尺度影响系统.海风中尺度辐合带上有风向切变辐合、大暴雨中心有明显的雷暴高压等中尺度天气系统.海风锋区辐合扰动向上传播,引发边界层扰动,是青岛局地大暴雨形成的主要抬升因素,而来自东南海洋上的暖湿平流为大暴雨的产生提供了充沛的水汽和能量.海风锋区辐合带上触发的强对流是大暴雨形成的直接原因;来自于海上的低空急流带来的大量水汽对强降雨的发生具有重要作用.海风在深入陆地后所发生的辐合和上升运动,对造成海风所触发的局地大暴雨有着极其重要的作用.