面向资料同化的风廓线雷达风场特征分析及其质控方法

以美国国家环境预报中心全球预报系统（National Centers for Environmental Prediction/Global Forecast System,NCEP/GFS）0.5°×0.5°分析场作为数值预报背景场,结合地面降水资料,面向资料同化分析了2017年1～12月逐日00时、06时、12时、18时（协调世界时）福建12部L波段风廓线雷达（其中CFL-03系列3部、CFL-06系列9部）水平风产品质量特征,并初步探讨了不同质量控制方案的影响差异。结果表明:（1）CFL-06系列雷达在水平风的最大探测高度、有效数据获取率和低层水平风质量等方面明显优于CFL-03系列;（2）相同系列的不同风廓线雷达探测水平风的数据获取率、有效探测高度、标准差、相关系数及偏差的垂直分布特征等存在极大差异,该差异与风廓线雷达所处的地理位置（沿海或内陆）、海拔高度等并无直接关系;（3）各雷达站探测u风速相对背景场存在明显系统性负偏差,小于背景场,不满足资料同化对背景场的无偏需求,资料同化时需进行偏差订正;v风则相对较好;（4）降水对风廓线雷达探测影响较大,有降水时数据获取率在中低层有所减小,但在中高层则大幅提高;u、v风标准差在中低层有所增加,而在中高层v风标准差有所增加,u风标准差则大幅降低;（5）针对不同风廓线雷达,提出了不同高可信度区间和不同有效探测高度两种质量控制方案,并与固定有效探测高度方案进行了对比,结果表明,这两种质量控制方案皆具有明显优势。不同高可信度区间方案的质量控制效果更为显著,不同雷达站水平测风数据得到更加充分和有效识别,既减少了雷达资料不必要损失,又可将质量差的数据进一步剔除;该方案在有降水情形下也有较好效果。     

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TWP3型边界层风廓线雷达探测性能评估

在简述上海TWP3型风廓线雷达系统的基础上,从雷达运行情况、风数据获取率和产品资料分析3方面对该型号雷达探测性能进行评估。通过统计分析不同高度层上平均测风数据全年和逐月的数据获取率,发现TWP3风廓线雷达在3km以下具有较高的数据获取率,对于边界层的探测能力要远高于高层,且夏季的数据获取率明显高于冬季。利用风廓线雷达提供的信号噪声比SNR、垂直速度和折射率结构常数C2N等资料分析了一次弱降水探测过程,二次产品可以清晰地反映降水的始末时间,且降水期间探测高度增高2km左右。评估结果表明TWP3型边界层风廓线雷达具有较低的故障率和较好的探测性能,产品资料具有可靠性和应用价值。     

夏季不同天气条件下风廓线雷达探测精度分析

利用2016年6—8月沈阳地区TWP8-L型风廓线雷达观测资料,判断大气的均匀性,计算风廓线雷达的探测精度,并与探空气球的观测资料进行对比分析,得到晴空和不同降水条件下的风廓线雷达探测精度随高度的变化情况。研究结果表明,1000m高度以下风廓线雷达的探测精度较高。在无降水和均匀降水条件下,风廓线雷达的水平探测范围内大气均匀稳定,东西波束和南北波束测得的径向风对称性较好,(U_W-U_E)和(V_S-V_N)的平均差和标准差值较小;与GTS1型探空仪风速精度相差小于2.9m/s,两者相关性较好,风廓线雷达探测水平风的准确性较高。在探测范围不均匀的降水条件下,大气在风廓线雷达的水平探测范围内不均匀,东西波束和南北波束测得的径向风的对称性较差,垂直速度变化差异较大;U_W-U_E和V_S-V_N平均差和标准差值较大;与GTS1型探空仪风速精度相差大于2.0m/s,两者相关性较差,风廓线雷达探测水平风的准确性较低,需要进一步改进算法,改善数据质量,提高探测性能。     

利用雷达作台风0～3h雨量等级预报

通过对1989～1992年台风影响浙江期间,杭州数字化雷达回波及对应的地面58个气象站和156个水文站自记1h雨量资料,进行了统计分析,得到在浙江仅有台风单一系统引起降水时,杭州数字化雷达回波强度Z与雨强I.根据Z=A·I^b关系得出A、b系数在不同探测范围的值,以得到Z与I关系,并结合雷达回波的移动情况,制作了浙江省台风0～3h雨量等级预报。     

双基地天气雷达系统的有效照射体积

根据"有效照射体"的基本概念,采用微分理论来回避椭球面近似为平面的假设,推导了双基地雷达系统有效照射体积表达式,证明双基地雷达系统有效照射体积与单基地雷达有效照射体积之比值V_b/V_m,在数值上等于双基地系统主站极轴长度R_t相对于半长轴长度a的导数.有效照射体积数值计算结果与以往相同,放宽了推导过程中的假设条件,显得更加严谨、易懂.还给出了双基地雷达系统各几何量(如V_b/V_m、R_t、主站共面方位Φ、辅站极轴长度Rr、辅站共面方位Φ_r、双基地角β)之间的一些关系式,分析了在双基地雷达系统探测过程中有效照射体积随有关量变化的特征,为双基地偏振雷达系统天线控制、资料处理、旁瓣影响分析、探测精度提高等提供理论依据.     

风廓线雷达测风精度评估

采用风廓线雷达5波束探测模式的数据对测风精度进行评估分析,用垂直波束和其中两个相邻倾斜波束的探测数据构成一对计算因子,通过对同一距离高度上的4对计算因子进行误差分析,评估风廓线雷达的测风精度,得到水平风在垂直指向连续高度上的精度。对北京延庆CFL-08风廓线雷达2010年3,6,9,12月4个典型代表月份逐日连续探测资料进行了处理分析,结果表明:该雷达满足风速误差不大于1.5 m·s-1、风向误差不大于10°探测精度要求的最大探测高度6月、9月为8 km,3月、12月为6 km,基本符合该雷达探测高度的设计要求。信噪比、大气风场的不均匀性是影响雷达测风精度的主要因素:信噪比影响了高空的测风精度,-15 dB可以作为判断雷达测风可信数据最大探测高度的阈值;晴空大气出现的风场不均匀性对风廓线雷达的测风精度影响不大,降水出现时环境风场不均匀性造成水平风向、风速的测量误差较大,不能满足测风精度要求,特别是对流性降水发生前的1~2 h,水平风向、风速的方差增长迅速,可以作为强降水出现的预警指标。     

风的空间不均匀分布对风廓线雷达数据质量影响研究

风廓线雷达基于均匀风场假定条件计算水平风,在不考虑雷达系统测量误差的情况下,探测波束内风的不均匀性是影响雷达数据质量的主要因素。通过5波束风廓线雷达计算出两组独立的水平风分量Ue、Uw和Vn、Vs,利用旋转坐标系方法将风的水平速度不均匀分布和垂直速度水平不均匀分布对雷达测风的影响进行分离,对北京延庆CFL-08风廓线雷达2012年全年数据进行时间一致性平均质控处理,针对一小时分辨率数据分析了两种不均匀对测风数据质量的影响程度。结果表明：(1) 雷达波束空间内的水平不均匀和垂直不均匀对水平风测风数据的质量均有影响,影响程度与风速大小有关;(2) 晴空条件下垂直速度较小,水平不均匀是影响测风质量的主要因子,水平不均匀与垂直不均匀对测风质量影响比约为2:1;(3) 降水期间水平不均匀和垂直不均匀程度均大于晴空,二者对测风质量影响比约为1:1。本文分别分析了晴空和降水情况下风的空间不均匀分布对测风质量影响的可能原因,是改进水平风数据质量算法的预研究。     

风廓线雷达探测大气返回信号谱的仿真模拟

利用2008年1—9月北京延庆地区对流层CFL-08风廓线雷达和2009年7—12月广东东莞地区边界层CFL-03风廓线雷达晴空大气探测资料,对大气返回信号功率谱密度分布及雷达系统噪声幅度统计特征进行分析。基于大气返回信号的谱分布符合高斯分布的统计结果,采用高斯模型对大气返回信号谱进行模拟;雷达系统噪声是白噪声,其谱线幅度的统计特征呈高斯分布,在此基础上,通过生成高斯分布随机函数对雷达探测输出信号进行信号谱分布的仿真模拟,并采用雷达探测信号的谱参数对仿真模拟进行检验,效果较好。该文应用仿真模拟的数据,对风廓线雷达信息处理方法及其处理精度进行了初步试验和分析。     

临安一次梅雨锋暴雨过程的风廓线雷达探测资料分析

利用临安CFL-03型边界层风廓线雷达探测资料对2017年6月23—24日的一次梅雨锋暴雨过程进行了详细分析,结果表明风廓线雷达能够揭示江淮梅雨系统中的中尺度切变线特征,低空切变线是这次暴雨过程的降水主要集中在降水前段和后段的主要原因,高空西风急流使降水得以维持发展。由功率谱数据估算的回波强度反映了此次暴雨过程的发展变化细节,降水集中区的降水云体发展深厚,达到5 km以上。垂直速度和大气折射率结构常数(C_n~2)与降水的变化趋势一致,10 mm的降水量对应的垂直速度接近7 m/s,C_n~2对数值接近-11。由于与降水的良好对应关系,风廓线雷达产品可以应用于强降水灾害天气的监测业务。     

不同地貌上风速风向逐秒变化的观测

风力在速度与方向上的不稳定性可引发结构的振动并可导致结构损坏。由于气象资料取值周期较长而结构自振周期一般在钞的数量级，因此现有描述风不稳定性的数据常不符合结构动力分析的需要。对滨海、高山及城郊等不同地貌测点其风速、风向同时逐秒的变化进行了观测和记录。数据分析显示，滨海测点风不稳定性较小，高山测点在不同风向下所测风皆有一定程度的不稳定性，而城郊测点风不稳定性较大，表明自然风在风速、风向方面的不稳定主要与地貌及地形条件有关。认为在不利地形条件下工作的结构应进行必要的风动力分析。     

一种新的台风海面风场的拟合方法

基于台风风场的经验风公式和修正的梯度风方程并考虑了台风气压场的非对称性,提出了一种新型的台风风场合成模式。经过对10多个不同类型热带气旋(台风)的检验,结果表明,新的模式可以模拟出各种强度及不同眼半径台风的海面风场,比以往常用模式能更真实地反映实际台风风场。     

2006年4月11—13日湖北省大风致灾分析

2006年4月11—13日湖北省各地出现大风天气,给农业、供电、城市公共设施造成极大破坏。根据《建筑结构荷载规范》,利用各站逐时风速资料,对该过程所产生的基本风压和结构风压进行了详细计算并与历史个例进行对比。结果表明,该次过程产生的在离地10m高度造成的最大风压(瞬时)为0.53kN.m-2,30m铁塔最大结构风压(瞬时)高达2.60kN.m-2,其破坏力比基本风压放大了5倍,足以对铁塔、房屋、广告牌等构筑物产生严重破坏。     

包头地区风和风能资源

风能是地球表面空气流动所产生的动能,也是提供给人类的一种可利用的重要能源.文在第三次气候区划的基础上,对包头地区近40a(1971-2010)风及风能资源做了统计分析.结果表明,包头地区风能资源丰富,开发利用风能资源有着巨大的发展潜力.     

ASCAT近岸风在山东沿海的适用性分析

利用2013年1月—2014年12月山东近海的8个浮标站、海岛站和自动站资料与ASCAT近岸风速和风向进行对比,以分析ASCAT反演风场在山东沿海的适用性。研究发现：总体上看,ASCAT近岸风速与代表站实况风速正相关,ASCAT近岸风速在山东沿海误差较小,风向有明显的偏离。ASCAT近岸风在渤海、渤海海峡和黄海北部的适用性优于黄海中部。风力不同时,ASCAT近岸风速与实况偏差有明显差别,表现为当实况出现6级及以上的大风,ASCAT近岸风速小于实况;当实况出现6级以下的风,ASCAT近岸风速大于实况。就ASCAT风速偏差而言,6级以下的风速偏差小于6级及以上风。ASCAT近岸风向与实况偏差也有明显差别,当实况出现6级及以上的大风,ASCAT近岸风向与实况的偏离变小;当实况出现6级以下的风,ASCAT近岸风向与实况的偏离变大。因此,ASCAT近岸风速在山东沿海有较好的适用性,6级以下风更优;ASCAT近岸风向也有一定的适用性,6级及以上风向可用性比6级以下强。     

A Comparative Study of Stationary and Non-stationary Wind Models Using Field Measurements

We present a comparative study of the conventional stationary wind speed model and a newly proposed non-stationary wind speed model using field measurements. The concept of, and the differences between, the two wind models are briefly reviewed. Wind data recorded by a field measurement system for wind turbulence parameters (FMS-WTP) of 1-year duration are analyzed using the two wind models. Comparisons were made between the wind characteristics obtained from the two models, including hourly mean wind speed, turbulence intensity, the wind spectrum, integral length scale, root coherence function and probability density function. The effects of wind types (monsoon or typhoon), statistical properties (stationary or non-stationary), and surface roughness (open-sea fetch or overland fetch) on wind characteristics are discussed. The comparative study demonstrates that the non-stationary wind model appears to be more appropriate than the conventional stationary wind speed model for characterizing turbulent winds of one-hour duration over complex terrain.     

基于风速高相关分区的风电场风速预报订正

为了提高风电场风速预报和功率预测的精度和准确率,并考虑风机测风数据的不稳定因素,以多年服务的内蒙古中部某风力发电场A为研究区,在勘察风电场地形及风机布局后,按照季节、风向进行风机间风速时空相关性分析,划分出风机轮毂高度风速高相关为典型特征的风机网格分类片区,采用卡尔曼滤波方法,通过直接和间接两种订正方案,分别进行风机片区风速订正。结果表明:风速高相关风机片区的划分,对于提高风电场风速预报及功率预测精度和准确率具有一定作用,利用风电场区测风塔梯度观测风速,对风机片区进行间接订正,可有效改善数值模式预报风速,15个片区类型下相关系数由0.18~0.72提高至0.67~0.91,误差绝对值由1.6~2.9 m·s-1降低至1.0~1.5 m·s-1。     

山东即墨风电场风力资源分析

以即墨气象站风速风向为参考,利用其30年风速资料确定风电场代表年,根据铁塔气象观测资料分析即墨风电场的风力资源状况;依据“风能资源评价技术规定”对即墨风电场的风速风向进行了检验修正。分析了测风塔各高度风速日、年变化,风向频率年月变化。计算分析了测风塔不同高度平均风速、风功率密度、有效小时数等风能参数。计算了不同风电机型60~70 m轮毂高度年发电量及其随高度变化规律;估算了风电场年发电量。得出即墨风电场达到3级风场标准,具有开发价值。     

呼和浩特市不同观测频次风资料对比及对应污染风频分析

文章对呼和浩特市每日24观测频次和每日4观测频次的平均风速、最大风速、风向频率及对应污染风频进行了对比分析,结果表明:两者在平均风速、风向频率及主导风向污染风频方面具有比较一致的变化特征;而在最大风速、最大污染风频、静风污染风频上相差较大,差值分别达2.1 m﹒s-1、1.4%、3.0%。说明两者在定性判断上具有较好的一致性,而在专项研究和定量分析上,每日24观测频次较每日4观测频次风资料更具客观性。     

估算灾区最大风速的一种方法

根据邮电等部门的长途明线线路的有关杆线强度设计的资料，得出了在无气象观测记录的灾区估算最大风速的方法和经验公式，并给出了实例。