L波段探空雷达测风质量控制方法研究

以美国NCEP的FNL再分析场和我国GRAPES初估场为参考对北京探空雷达测风从平均偏差、标准偏差、概率密度分布、峰度系数、偏度系数、相关系数和均方根差等多参数进行评估。基于评估结果对雷达测风资料进行质量控制,并再次求解参数进一步评估质量控制效果。结果表明：L波段探空雷达测风质量较高,平均偏差基本在±1 m/s内,其与参考标准一致性随气压减小而减小;风的东西分量和南北分量的一致性基本保持一致;四个季节中夏季数据一致性最高;基于FNL的评估结果优于GRAPES,即基于FNL的所有参数相对于GRAPES的参数更接近最优值。基于评估结果质控后的测风一致性得到提升,保留了原有特征。该质量控制方法能够有效地消除季节性差异,且质控后两个背景场的评估结果差距缩小。     

L波段雷达探空高度评估及其质量标识

以美国NCEP FNL分析数据和我国GRAPES_GFS预报数据为背景场,对2016年7月1日-2017年6月30日北京探空站的L波段秒级探空位势高度（探空高度）从观测余差、平均偏差、标准偏差、概率密度分布、峰度系数、偏度系数、相关系数和均方根误差等参数进行误差分析。根据分析结果对探空高度进行质量标识,并根据质量标识的结果再次求解参数,评估质量标识效果。结果表明:探空高度质量较好,无论是基于NCEP FNL还是GRA-PES_GFS,探空高度的误差基本在±5 dagpm以内。探测高层的观测余差平均偏差和标准偏差表明基于GRAPES_GFS的评估优于NCEP FNL的评估。单一个例选取的可疑点和错误点阈值具有误差特征、自适应的特点。     

华云高精度导航探空仪在甘肃庆阳干旱气候夏季的温湿数据对比分析

以美国国家环境预报中心(NCEP)的FNL(Final)分析场为对比场,分析评估甘肃庆阳地区2017年5—9月的探空温湿数据的质量。通过分析,得出结论:1)探空的温度数据质量较高,表现了很好的一致性,细微结构清晰,误差基本在±0.5 ℃以内;2)探空的湿度数据质量较好,一致性相对温度略差,误差基本在±10%以内,夜间偏湿,下午偏干;3)无论是温度数据还是湿度数据,它们的观测余差都现随气压减小呈现先增加后减小的趋势;4)无论是温度还是湿度,02时误差最小,数据质量最佳,08时和14时的质量相当。     

GRAPES全球三维变分同化业务系统性能

近年来,GRAPES全球三维变分同化系统分析性能和稳定性有了长足进步。该文简要介绍了近两年GRAPES全球:三维变分同化技术的发展与改进情况,包括同化框架技术、资料同化应用技术与系统稳定性等方面。分析诊断了两年的同化循环试验结果,以探空资料作为参考,对ERA-Interim再分析场、NCEP FNL分析场和GRAPES全球三维变分分析场的统计特征进行了比较;以ERA-Interim再分析场作为参考,对NCEP FNL分析场、T639分析场和GRAPES全球三维变分分析场进行比较。结果表明:GRAPES分析场的质量明显优于T639分析场,性能上达到了业务化的要求,但相比NCEP FNL分析场还有一定差距,特别是对流层内湿度分析场的误差还比较大。     

GRAPES全球四维变分同化分析场质量的初步诊断分析

为了深入认识全球四维变分同化系统(Global Regional Assimilation and Prediction System Four-Dimensional Variational, GRAPES 4DVAR)分析场质量,利用2019年3月1日至2020年2月29日GRAPES 4DVAR 7层等压面的高度、温度、纬向和经向风等4个要素的分析场及同期ERA5再分析场资料和探空观测资料,基于Pearson相关系数、偏差统计和EOF分解等多种统计分析方法,对GRAPES 4DVAR分析场质量进行了评估。结果表明:(1)GRAPES 4DVAR各要素分析场与ERA5再分析场具有显著的正相关(相关系数均通过α=0.01显著性水平检验),其中高度场和温度场的相关系数大于0.99,风场的相关系数大于0.85,GRAPES 4DVAR分析场和ERA5再分析场与探空观测的均方根偏差值的大小及分布相似,表明GRAPES 4DVAR同化分析场具有较高的质量,且北半球和南半球的分析质量优于热带地区;(2)GRAPES 4DVAR温度和风的分析场与ERA5再分析场在北半球和南半球的偏差存在较明显的季节变化和空间变化,表现为夏半年偏差小于冬半年,中层偏差小于低层和高层,且在对流层低层(高层),南半球(热带地区)的偏差大于北半球和热带地区(南半球);(3)不同要素分析偏差的特征显示,温度分析偏差主要出现在对流层低层,极大值区位于北极和南极地区,而风场分析偏差主要位于对流层中高层,极大值区主要分布于青藏高原、非洲大陆西部及北部、东太平洋及大西洋赤道附近区域。     

两个模式对平流层温度模拟的比较与分析

利用第5代欧洲中心—汉堡大气环流模式ECHAM5全球大气环流谱模式和中国气象局自主研发的GRAPES全球同化与预报模式分别对2010年1月1—6日全球平流层温度进行了模拟分析,结合相应时段的全球最终分析资料FNL,对比评估了两个模式对平流层温度的模拟效果,并对较为显著的误差现象进行了分析与探讨。结果表明:对于50 h Pa高度上的温度,ECHAM5模式模拟的温度与FNL资料的结果在研究时段内随时间的变化很小,而GRAPES模式模拟的结果在南半球随时间变化显著偏暖。进一步将ECHAM5和GRAPES模式所用的温度初始场进行对比研究表明,两者的分布形态非常形似,尤其是在南半球地区,大部分差值接近于零。将ECHAM5采用的全球臭氧廓线应用于GRAPES模式中,对比发现南半球平流层异常增温的现象仍然存在。因此,温度初始场和臭氧廓线的选取不是造成GRAPES模式模拟出现南半球平流层异常增温的主要原因,需要对GRAPES模式中其他动力及物理过程或参数选取做进一步的深入分析,以弄清其在平流层温度模拟中出现较大偏差的原因。     

探空观测黑名单检查在变分同化系统中的应用

针对探空观测资料使用造成的某些区域GRAPES分析场存在虚假的高、低压系统问题,该文通过对比全球探空资料的位势高度观测与NCEP分析场,统计站点中观测质量较差的时次出现频数,确定探空位势高度观测黑名单。研究表明:500 hPa在印度地区、北大西洋和南极洲附近的探空位势高度观测与NCEP分析场的均方根误差在30 gpm以上的站点较多,且位势高度观测不可靠观测比率为20%以上的站点主要集中这些区域,以上观测站均列入黑名单。文中在GRAPES全球三维变分分析场的质量控制中加入探空位势高度观测黑名单检查,通过6 h分析预报循环试验表明:探空位势高度观测黑名单检查能有效提高分析场质量,GRAPES位势高度分析场在南极洲附近和印度地区有所改善。     

华南地区中尺度模式预报的初值影响分析

基于GRAPES 3D-Vat同化系统，介绍了根据静力平衡关系由高度场的增量来计算温度场的增量的方法，并结合常规探空资料同化，针对影响华南地区的一次冷空气过程的个例，分析了常规观测资料对初始场的影响。采用GRAPES区域中尺度模式进行了控制试验和同化试验，观测资料的检验表明，资料同化对GRAPES中尺度模式预报有正面影响，初始时刻预报敏感性较大并且变化较快，靠近地面的低层预报敏感性较为复杂，常规探空资料对高层大气预报能力的提高相对于中低层较小。     

多源观测资料在LAPS中尺度分析场中的作用分析

利用LAPS系统,分别针对华中、华南两个区域,将2008—2010年5—7月采集的观测资料进行融合同化分析,设计几种敏感性试验方案,以探空资料为客观标准,对比分析各种观测资料对LAPS分析场各要素误差的作用。将LAPS分析资料和FNL再分析资料做比较,给出融合多种观测资料后LAPS分析场的误差精度。结果表明,LAPS融合同化雷达资料、探空资料、地面观测资料后所得到的分析场误差最小;雷达资料和探空资料的融合对于改善风场及温度场的分析具有正效果,并可减小低层相对湿度误差;融合地面资料后能改善低层的温度场和湿度场分析,但对中高层无影响。对比试验期间各要素总均方根误差可发现,LAPS分析的温度、风向和风速较FNL再分析资料有明显改善,各要素误差在观测误差范围内;高度误差在中低层小于10 m,高层小于20 m;温度误差在1℃左右;相对湿度误差在中低层小于20%,高层误差较大;850hPa以上风向误差较小,不超过20°,风速误差小于2m·s-1。     

面向同化的探空温度数据质控参数优化及误差特性分析

针对双权重标准差法对探空温度质量控制中阈值参数不确定的问题,提出了以正态波形指标偏度和峰度为判定依据的阈值Z参数优化算法。利用2017年福建3部探空温度资料和ERA5模式再分析温度数据,对探空温度增量数据进行不同数据集质控前后对比分析总结出：峰偏值C_KS随阈值Z的分布曲线表明阈值Z偏大则会造成质控不完全,阈值Z偏小则会造成过度质控;以峰偏值C_KS所确定的最优阈值Z双权重标准差法比固定阈值的更符合模式同化系统正态分布要求,为探空温度数据在模式同化的应用提供了更好的质控方法。在质控前后温度增量分布特征上,温度观测增量总是以某一固定增量值在整个气压高度上剔除离群值,其中57.15%的离群点主要分布在0～100 hPa范围内,42.85%的离群点均匀分布在100～1000 hPa范围内,其中0～100 hPa范围内温度增量绝对值大于10℃的异常点是由于温度传感器受太阳辐射等因素影响超出了正常探测误差范围,这些异常点可以在质控前提前剔除,进一步提升探空温度数据质量。     

气候序列不连续点的小波分析和混合聚类分析

不论是单纯的小波分析还是单纯的非参数分析法都有其局限性.当样本量很大时,Fisher算法的计算量也是很大的,而且它不具有谱系结构,因此,为了保证谱系结构以及较快的计算速度,作者以小波变换和聚类分析相结合的方法来研究各类不连续点,给出了相应的算法和实验分析,并且实验结果给出了各类不连续点位置的比较精确的估计.     

2016年吉林省“7•26”暴雨天气综合分析

利用NCEP 1°×1°再分析资料、FY-2G卫星云图、多普勒C波段天气雷达以及吉林省区域自动站和加密自动站资料,运用统计分析和天气动力学诊断方法,综合分析2016年7月25—26日吉林省暴雨天气过程,此次暴雨和大暴雨落区位于吉林省四平东部、辽源、吉林和通化北部,此次暴雨过程出现东北冷涡天气背景下,25日14—22时的短时强降水由东北冷涡前部局地对流活动的加强触发中尺度对流系统(MCS)生成。500 hPa为两脊一槽形势,受西太平洋副热带高压阻挡,东北冷涡较为稳定,吉林省位于东北冷涡前沿的西南气流中,850 hPa西太平洋副热带高压西侧的西南急流直达吉林省中南部,在其北端产生西南—东南向暖锋式切变,并与地面黄河气旋暖锋区相对应。在地面中尺度辐合线、地形抬升触发下,造成中尺度对流,形成短时强降水。通过FY-2G卫星相当黑体温度(TBB)产品分析,发现吉林省上空TBB低于-52℃时,就会产生短时强降水,而TBB高于-48℃则MCS趋于消失;此次强降水的新一代C波段天气雷达回波具有较明显的强回波低质心结构特征,降水效率较高,持续时间短,但达到短时强降水标准。卫星TBB产品和雷达监测可为以后吉林省东北冷涡暴雨定时、定点暴雨预警提供依据。     

LAPS分析场资料在暴雨中尺度分析中的应用

利用常规地面探测、高密度自动雨量站、高空探测资料,并且融合多普勒雷达拼图产品,LAPS可输出比较精细的分析场。针对2008年6月21～22日一次暴雨天气过程,基于LAPS不同时空分辨率的中尺度分析场,分析了雷达回波、风场、高度场以及物理量场,比较不同时空分辨率LAPS分析场之间的差异。结果表明:(1)此次强降水过程可划分为2个阶段。第一阶段雨量集中在沿淮地区,呈纬向带状分布;第二阶段集中在大别山地区,其雨强更大,是中尺度局地性降水。(2)大别山区的地形抬升对低涡增强或减弱的演变具有重要影响,是低涡增强、发展的触发机制。当低涡接近大别山区时,低涡明显加强;当低涡逐渐远离大别山区时,低涡则减弱。(3)第一阶段有风的切变线,第二阶段有风的辐合,说明风场的辐合和切变促进云和降水的发生、发展,因此它们是产生暴雨的触发条件。(4)高分辨率的LAPS结果对于风场和云的变化刻画地更为细致。雷达回波发生在风的切变线处,或者风场辐合处;大别山区暴雨过程中,在其西侧有闭合性的涡旋,低涡缓慢东移,回波位于涡旋东侧,强降水发生在低涡东侧。(5)K指数、沙氏指数、整层可降水量与这次大别山地区暴雨过程具有较好的对应关系,与暴雨落区基本相同。这些指数在暴雨落区预报与应用方面具有一定参考价值。     

Advanced Combination Of Spectral And Wavelet Analysis (`Spavelet' Analysis)

An advanced statistical approach named ``spavelet analysis' is described. The proposed technique combines conventional spectral and wavelet analyses to yield information about duration and periodicity of a phenomenon. The procedure consists in estimation of spectra of the wavelet coefficients at different wavelet scales. Graphic presentation of the calculated spectra in the form of a contour plot versus period and wavelet temporal scale clearly shows the predominant repetition period and durationof the analysed phenomenon. The efficiency of this technique is demonstrated using as examples both model and real atmospheric processes. This approach can have wide practical applications, being a useful tool to analyse not only atmospheric phenomena, but any kinds of random events having some certain duration and periodicity.     

变分分析技术在城市气象资料分析中的应用

随着城市气象研究和城市气象服务的深入开展,越工需要分辨率更高、精度更高的观测资料,同时,随着城市气象观测网的不断完善,已能提供较多的常规和非常规观测资料。为了得到更完善的气象要素分布场,首先应对这些常规和非常规观测资料进行客观分析。使用上海市的气象哨、常规气象观测站的观测资料和非常规观测资料进行客观分析。使用上海市的气象哨、常规气象观测站的观测资料和上海市的地表分类信息,对变分分析技术进行了实验。     

基于时频分析的裂纹转子碰摩故障特征研究

为研究转子系统耦合故障特性,采用有限元方法建立了含有横向裂纹、转静碰摩的非线性转子动力学模型。首先研究了不同转速下裂纹、碰摩单一故障下转子系统的振动响应,其次研究了两种故障耦合情况下系统的振动响应特征。采用波形图、FFT谱图、瞬时频率和Hilbert-Huang时频谱(HHS)相结合的方法对故障转子振动信号进行了分析。分析结果表明:运用多种时频分析相结合的方法可以较为全面地了解转子的故障特征,裂纹转子在1/5、1/3临界转速时会发生较为明显的5X、3X谐波,且裂纹的产生会导致响应幅值增大,从而引起更为严重的碰摩。      

东胜区污染状况分析

文章利用东胜区主要污染源排放情况以及2005年9月1日-2007年8月31日每日SO2、NO2、PM10浓度监测值和2005-2007年SO2、NO2、PM10平均值,分析了东胜区主要污染类型、污染物来源以及东胜区近3年SO2、NO2、PM10监测值日、月、季、年分布特征和变化规律;提出了消减大气污染物排放的对策。     

雷雨大风与河北电网灾害特征分析

利用1983—2008年26年河北省灾情直报数据资料,统计分析大风灾情记录及大风灾害对河北电网设施损坏的时空分布特征。结果表明：（1）7～12级大风是造成电网安全事故的主要灾害性大风;（2）大风灾害致电网安全事故年变化存在显著差异,最多高达43起/年,最少年仅为2起/年;（3）月分布呈显著的单峰曲线变化,6 8月为大风灾害电网安全事故高峰期,占全年大风灾害总次数的83%;（4）空间分布极不均匀,燕山南麓、太行山东麓以及沿海地区是电网灾害事故相对多发区域;（5）通过典型个例分析、成因分析,提出灾害性天气服务对策,为加强河北省电力行业气象服务及防灾减灾提供参考。     

相对日射资料的谱分析

采用文献［１］所述的相对日射计，将它测量晴天连续日变化资料；用谱的统计方法，来分析研究大气边界层中端涡活动。对１９８０年１月１４和１５日天两资料，用两种取样时段（总记录时间），分别进行谱的统计分析，结论：整个白天（８小时）和２小时内确有不同频率或周期的波动，以低频部分贡献大（２／３总能量），其次高频部分一般为几分钟周期变很明显。因而作者设想把它作为研究大气边界层中湍涡活动的一种探测工具，用它能测得     

台风伊布都分析

利用常规气象业务资料对0307号台风伊布都运动路径特点、造成内陆和沿海风灾(12级)以及大范围暴雨天气的环流特征进行分析,认为：①副高稳定加强西伸,是导致台风运动路径平稳偏西北移的主要原因;②副高脊线南北向摆动幅度小,台风北抬过程中,台风与副高之间气压梯度增大,以及台风登陆前后,北、南风风速梯度出现明显的交替骤变,导致局部出现异常强对流,是导致台风深入内陆后大风维持时间长并造成风灾的主要原因;③热带地区西南风急流稳定维持,向广西上空输送充沛水汽和不稳定能量是造成大范围暴雨的重要原因。