三种探空资料在各类强对流天气中的应用对比分析

使用2007和2008年5-9月常规探空资料、微波辐射计和风廓线数据构建的特种探空资料以及BJ-RUC模式探空资料计算的常用热动力物理参量,比较了在冰雹、雷暴大风和短时暴雨等强天气中特种探空和常规探空的各参量之间的差异,探讨了特种探空在强对流天气判别中定量应用的可靠性,最后选取不同强对流天气个例,详细对比分析了三种探空...     

RPG-HATPRO-G3地基微波辐射计反演产品评估

RPG-HATPRO-G3地基微波辐射计采用“多通道并行测量技术”,性能稳定,反演精度高。应用该微波辐射计和常规L波段探空数据,比较了微波辐射计反演数据与探空测值的差异。结果表明：温度、水汽密度与常规探空资料比较有很好的线性相关性,对仪器维护后可以提高数据质量;相对湿度数据离散度较高。比较无降水时不同高度下微波辐射计反演数据的精度,温度在1 000 m以下低层平均误差和均方根误差较小;水汽密度的平均误差和均方根误差均为近地面较大,随高度而减小;相对湿度的平均误差和均方根误差都明显较大,温度和水汽密度的准确性高于相对湿度。降水时不同高度的温度、水汽密度和相对湿度的平均误差和均方根误差变化趋势均与无降水时相似,但是误差值明显偏大;降水时反演温度在2 000 m以下误差较小,水汽密度在3 000 m以下反演值较探空测值大,相对湿度在降水时的误差较大。     

湖北省不同资料反演大气可降水量的误差分析

利用常规探空、秒级原始探空、GPS/MET、微波辐射计、GFS再分析资料以及区域中尺度WRF模式的预报场资料计算整层可降水量,对多种资料计算的整层可降水量进行误差特征和原因分析,结果表明:秒级探空和常规探空计算的整层可降水量基本一致。GPS/MET、微波辐射计、GFS以及WRF计算的整层可降水量与常规(秒级)探空的相关系数分别为0.94、0.92、0.93、0.80,有降水时GPS/MET和微波辐射计与常规探空的相关系数分别下降到0.85和0.81,但有降水时GPS/MET误差分布较集中,而有降水时微波辐射计误差显著增大,主要由于1~2 km处水汽密度误差异常增大。除微波辐射计和GFS宜昌站计算的整层可降水量为相对常规探空偏高,其他资料均为偏低,GPS/MET宜昌和恩施站平均偏低3 mm,GFS武汉和恩施站分别偏低1和7 mm,WRF恩施平均偏低2 mm,WRF武汉和宜昌平均偏低6~8 mm。GFS恩施站可降水量偏低是由于GFS资料中恩施地面气压比实际偏低,但其露点温度整层均比常规探空偏高。除GFS恩施站外,GFS武汉、GFS宜昌和WRF 3站的露点温度相对常规探空资料露点温度均表现为:850 hPa以下偏低,850 hPa以上偏高。WRF 12 h预报场的整层可降水量与常规探空整层可降水量的相关性和误差均优于24 h预报场。     

MP-3000A型地基微波辐射计探测性能及其在乌鲁木齐降水天气中的初步应用

利用乌鲁木齐MP-3000A型35通道地基微波辐射计与L波段高空气象探测系统2010年逐日探测的温湿度,分析微波辐射计探测温湿度性能及其在降水天气中的特征。结果表明：微波辐射计与探空测量温、湿度具有很好的相关性和一致性,两者观测58层高度的温度、相对湿度、水汽密度和整层可降水量的相关系数分别为0．99、0．74、0．92和0．94,均达到0．01显著性水平。10km以下垂直廓线分析表明：微波辐射计测量的温度值均小于探空测量值,相对湿度和水汽密度大于探空测量值,存在系统误差。可降水量偏差冬季最小,夏季最大。降水发生时两者探测的温湿度廓线变化趋势一致,温度和2000in以上水汽密度受降水天气影响相对较小,微波辐射计能较好地反映大雨和暴雨天气发生和结束过程中热力和水汽参数的时空分布和剧烈变化特征。     

MWP967KV型地基微波辐射计反演产品的质量评估

利用MWP967KV型地基微波辐射计和L波段探空资料,采用了平均误差、相关分析、回归分析等统计方法,评估了微波辐射计和L波段探空在降水和无降水时温度、相对湿度、水汽密度的差异,了解地基微波辐射计的性能。研究结果表明:(1)微波辐射计和探空探测温度、相对湿度和水汽密度为显著性的线性相关,两者相对湿度相关性不如温度和水汽密度高,且离散度较大。(2)无降水时,相对湿度和水汽密度平均误差小,有降水时,温度和相对湿度的均方根误差大;在低层时,无降水时温度平均误差小,水汽密度的均方根误差大,中高层时,有降水时温度平均误差小,水汽密度均方根误差大。(3)温度和水汽密度为显著性正相关;相对湿度在有降水时表现为0~2km的显著性正相关和9.25~10km的显著性负相关,无降水时表现为0~8km的显著性正相关。总体来看,微波辐射计能弥补探空时空不足的问题,相对湿度的可信度需要进一步提高,降水对微波辐射计影响较大。      

地基微波辐射计探测资料质量控制方法

微波辐射计具有24 h不间断工作、时间分辨率高等优点,是常规探空的有益补充。天线罩上的积水、无线电干扰等会导致微波辐射计探测数据出现错误。因此,开展质量控制是合理使用微波辐射计探测资料的基础。该文利用上海宝山站历史探空资料和世博园站MP-3000A型地基微波辐射计温湿度数据,设计了极值、时间一致性、空间一致性检查等适用于微波辐射计探测资料的质量控制方法,针对2012年1月-2013年12月降水、有云（有云无降水）、晴空等不同天气条件下得到的微波辐射计探测资料分别开展质量控制,并对质量控制效果进行定量分析。结果表明:上述方法能有效查找温（湿）度超过极值、温（湿）度突变、温度层际变化大等各类疑误廓线,疑误廓线类型和频数与天气条件有关,其中降水天气的各类疑误廓线频数远远高于无降水天气（有云和晴空）。去除疑误廓线后,与同期探空资料的相关系数增加,均方根误差减小。     

RPG-HATPRO微波辐射计反演的温度和湿度数据适用性分析

以太原地区常规探空观测资料为参考,选取2015年2月13日至2016年6月21日地面、925 hPa、850 hPa、700 hPa、500 hPa、400 hPa、300 hPa的00时次和12时次温度与露点温度的配对数据,采用统计学方法对比分析同址德国RPG-HATPRO型微波辐射计反演的温度和湿度数据。结果表明:不同等压层微波辐射计反演的温度与探空观测的温度数据存在一定的偏差,微波辐射计反演的温度数据相对探空观测的温度数据系统性偏小。微波辐射计反演的和探空观测的温度数据同步性较强,二者相关系数为0.89以上,二者露点温度数据的相关系数为0.60以上。综合分析可知,降水对微波辐射计反演的温度和湿度数据影响均较大。为了验证不同等压层微波辐射计反演温度数据的偏差准确性,在对比分析的基础上建立微波辐射反演温度的订正模型,采用滑动均值订正法和配对样本T检验验证法对微波辐射计反演的温度进行订正,订正偏差为0.5℃以内。     

北京快速更新循环预报系统（BJ-RUC）模式探空质量评估分析

快速更新循环(Rapid Update Cycle)预报技术在国外已有多年研究并用于日常业务数年。北京市气象局2007年在国内建立了首家快速更新循环预报系统(BJ-RUC),并成功应用于奥运气象保障服务。使用单站(54511)实况探空,检验分析了BJ-RUC系统的探空预报性能。分析结果表明,BJ-RUC预报的模式探空与实况各要素的变化趋势有很好的一致性。其中,温度预报与实况相关性最好,风的预报次之,露点温度(尤其400 hPa以上)最差。对不同层次各要素的预报,中层最好,低层次之,高层较差。系统预报的温度、露点温度和南风分量偏大,风速和西风分量偏小。BJ-RUC对温度和中低层露点温度的预报系统误差明显,可以通过对初始场的订正等方法对其进行系统订正。初始时刻各要素与实况的相关性最好,各预报时效误差分布趋势与初始场的一致。大多数情况下,随着时效的增长预报误差增大。BJ-RUC对基本要素的预报误差使得系统对K指数预报平均偏大、CAPE偏小、高空垂直风切变偏小。但系统对K指数、CAPE和高低空垂直风切变等物理量的变化趋势预报较准确。无论基本要素,还是计算的物理参量,12小时时效内的预报误差较小、与实况的一致性较好,在短时临近预报中具有较高的参考价值。     

不同天气条件下微波辐射计和风廓线雷达探测数据误差特征分析

为探讨微波辐射计和风廓线雷达探测数据的准确性和可用性,利用天津全运会期间获取的GPS探空资料,分析不同天气条件下微波辐射计探测温湿度、风廓线雷达测风的误差特征。结果表明：晴天、云天和雨天条件下,微波辐射计反演低空温度廓线效果均较好,反演高空温度廓线误差较大,云天条件下,反演的整层温度廓线与探空实测值相关性最优;3种天气条件下,微波辐射计反演相对湿度廓线的误差均较大,与探空实测值的相关性也较差;晴天和云天条件下,风廓线雷达探测风向、风速的误差均较小,雨天风廓线雷达测风效果较差;晴天和云天条件下1750 m以上,雨天3000 m以上,风廓线雷达探测风速数据与探空实测值相关性较好,低空探测风速与探空相关性较差;3500 m以下,3种天气条件下风廓线雷达探测风向与探空实测值相关性较差,3500 m以上相关性较好,数值在0.6—1.0之间波动变化。     

用探空资料检验中尺度数值模式对强对流天气的诊断分析能力

提高对流天气临近预报准确率的关键问题之一是了解大气的垂直稳定度和垂直风切变。中尺度数值模式产品提供了高时空分辨率的大气稳定度和垂直风切变信息，需要首先检验其精度才能进一步考虑其在对流天气预报中的应用。利用北京加密探空资料检验北京市气象局3km分辨率的MM5模式结果，对强对流天气的背景参数包括温湿风垂直廓线、对流有效位能CAPE和垂直风切变进行模式分析和预报与探空对比检验。结果表明：模式模拟的各种大气廓线中，风廓线和温度廓线都具有一定的参考价值，与实况有较好的一致性，但在廓线出现转折的地方，如：逆温层和风向转折时，模式预报较差。露点（湿度）廓线的预报误差较大，不能反映出真实水汽场的分布。因此，模式预报的深层（地面至500hPa）垂直风切变与探空具有较好的一致性，而模式给出的对流有效位能CAPE由于露点预报结果不理想，其值与实际偏差较大。因此模式输出的对流有效位能CAPE必须经过适当订正才能用于诊断强对流天气发生的可能性。     

基于中尺度数值模式快速循环系统的强对流天气分类概率预报试验

在利用实况探空资料、微波辐射计和风廓线构建的特种探空资料对北京地区强对流天气进行判别,以及快速更新循环同化预报系统(BJ-RUC模式)探空资料可应用性分析的基础上,针对模式探空基本要素计算多种热力、动力、综合不稳定物理量,根据统计的强对流天气判别指标,计算模式格点上的强对流发生概率,并进一步针对冰雹(雷暴大风)和强对流短时暴雨天气下不同物理量的阈值范围,初步探索中尺度数值模式对强对流天气分类预报的可能性.通过不同组合的预报方案进行的对比分析表明,利用北京地区中尺度数值模式快速循环系统(BJ-RUC)的格点探空资料进行强对流天气概率的预报是可以实现的,强对流天气的分类概率预报也存在一定的成功率.     

南岳高山站风对赣北暴雨的指示作用

利用2005—2013年4—6月南岳站逐时风场观测资料、常规探空资料、自动站雨量资料及NCEP/NCAR全球再分析资料（2.5°×2.5°）,分析南岳站气象要素对对流层低层环流场的代表性以及该站风演变对汛期赣北暴雨的指示作用。主要结果是：（1）南岳站逐日风与NCEP资料850 h Pa风场相关系数最大中心（0.72~0.78）位于南岳山附近,该站风对当地850 h Pa风具有较好的代表性;该站风与NCEP资料850 h Pa风场的平均相关系数（0.75）较之其与925 h Pa风场的平均相关系数（0.68）高,证明该站风与当地850 h Pa风场特征更接近。（2）探空站与南岳站距离越近（远）,其各种气象要素的相关性越好（差）,进一步证实南岳站气象要素对当地850 h Pa相应要素具有较好的代表性。（3）汛期,当满足＂南岳山西南风＋切变指标＂时,未来24 h赣北出现局部或区域暴雨的概率达89.8%;当满足＂南岳山西南风＋切变指标＂时,且当日20时至次日08时南岳站由非西南风转为西南风或由弱西南风转为较强西南风后,可预报未来4~18 h（平均10 h）赣北开始产生暴雨;赣北出现暴雨后,当南岳站由持续西南风转为偏北风后1~3 h强降水区开始逐步南压东移,6~17 h（平均10.5 h）后强降水区南压或东移出赣北。     

基于风廓线雷达的湖北梅雨期暴雨中小尺度特征

针对2016年湖北梅雨期3次(“6·19”、“7·5”和“7·19”)暴雨过程,首先对比了汉口站探空数据与汉口、咸宁两个风廓线雷达站水平风速、风向,发现“6·19”和“7·5”过程汉口风廓线雷达站3 km以下水平风速和探空数据较为接近,而3次过程中咸宁风廓线雷达站8 km以下水平风向、风速和汉口站探空数据基本吻合。在此基础上利用风廓线雷达资料并结合常规、加密自动气象站资料,对3次过程中水平风场、平均垂直速度及其变率、水平风速垂直切变、大气折射率结构常数(C_(n)^(2))等进行分析。结果表明:(1)降水开始前西南风速明显增大,中层干冷空气入侵和地面冷池形成的中尺度偏东气流是“6·19”过程50站出现大于等于17.2 m·s^(-1)大风的主要原因,“7·5”和“7·19”过程西南急流长时间维持及1 km以下的偏东气流则是短时强降水持续时间较长的诱因;(2)梅雨期暴雨期间风廓线雷达观测的水平风速垂直切变、平均垂直速度及其变率随高度变化较小,较强上升运动区域主要集中在4 km高度以下;(3)C_(n)^(2)显示强降水发生前大气水汽含量有一增加过程,且整层水汽含量深厚,C_(n)^(2)大值区的消失对应降水结束。     

风能资源数值模拟评估的分型方法研究

为了实现时间跨度较长(20—30年)的风能资源数值模拟评估,建立了一种新的分型方案,采用地面和探空观测资料,以风速、风向和最大混合层高度作为分型因子,针对每种类型随机抽取5%的日数进行真实算例的数值模拟。根据中国所有地区典型日的平均风能参数和30年观测平均结果的对比分析,得出以下结论:(1)中国所有分型站点挑选典型日的平均风速与30年平均风速的绝对误差均小于0.10 m/s,相对误差均低于6.50%;挑选典型日各风向频率值与30年结果的绝对误差平均值为0.28%—0.48%,风速频率绝对误差的平均值为0.09%—0.54%。(2)通过模拟区域分型站点以外探空气象站的风向频率和风速频率的对比检验发现:沿海地区风向频率绝对误差为0.27%—0.63%,风速频率绝对误差为0.14%—0.49%;内陆复杂山地风向频率绝对误差基本在0.57%以下,风速频率绝对误差为0.22%—0.60%;结果表明选取一个分型站点能够代表整个模拟区域内的风能资源特性。(3)根据沿海和内陆山地模拟区域重合范围内的探空站分型结果对比分析发现:对于模拟区域重合范围内的探空站,采用所有模拟区域分型站典型日结果加权平均后的风能参数对比误差大大低于各自模拟区域分型站点的对比误差。     

北京地区夏末秋初气象要素对PM2.5污染的影响

利用北京宝联站及北京上甸子大气本底站2006-2008年的7-9月PM2.5连续观测资料以及北京市观象台的探空数据、海淀气象站的风廓线雷达和降水量等资料,对北京地区夏末秋初PM2.5的质量浓度特征及其与气象要素的关系进行了统计分析.结果表明:城区站各月平均PM2.5质量浓度明显高于郊区站,高空偏南气流的输送是造成城区及本底地区出现细颗粒物污染的主要原因.从地面风速来看,城区当北风和南风分别达到2m·s-1和3.5 m·s-1以上时能起到扩散作用;郊区在低风速的北风条件下也能起到扩散和稀释作用,而南风基本上对郊区的颗粒物无扩散作用.PM2.5质量浓度在降水前后的清除量与降水量、初始质量浓度均呈正相关关系,城区及郊区的云下清除过程更多取决于降水前污染物的浓度,降水量作用较弱.当混合层高度突破1500 m时,垂直扩散对污染物的稀释扩散效果明显.     

大气污染对太行山中部地区地表风的影响

为了研究大气污染对太行山中部地区地表风的影响,我们对阳泉、榆社(高山站),石家庄、邢台(平原站)4个站点1966~2005年间的能见度、近地面温度、近地面风速数据进行了统计计算与趋势分析。结果显示:在平原站能见度相对山坡站下降更加明显的背景下,平原站的近地面温度、近地面风速、850hPa风速都呈下降趋势;而山坡站的近地面温度、近地面风速呈上升趋势。分析表明:(1)由于气溶胶的辐射效应与冷却效应,抑制了垂直通量的上下传输,致使平原站下午的近地面气温呈下降趋势,平原站和高山站的地表风速呈相反的变化趋势。(2)平原站850hPa (与高山站高度相近)风速呈现下降趋势,印证了高山站的近地面风速增加是气溶胶的辐射效应减弱了垂直能量交换造成的。      

利用GPS定位资料分析L波段雷达测风性能

新研制的GPS探空仪是在我国高空站网上普遍使用的L波段雷达-数字探空仪系统中增加GPS定位模块,高空风数据不但可以通过GPS定位数据计算获得,同时还可以通过L波段雷达单测风方式进行计算,这样使其自身获得了多方面的动态比对试验。通过对23份对比施放记录分析发现:在一般情况下,经过同等的适当滑动平滑后,从L波段雷达和GPS定位两个独立系统得出的高空风廓线基本一致,说明L波段雷达的测风精度基本可以达到GPS测风水平。但在探空仪上升到高空小风速区且远离测站时,雷达测风精度明显较GPS测风精度低,需要对原始数据进行更大范围的平滑。对照分析表明:目前高空站的L波段雷达观测业务还有较大发展潜力。     

阿克苏初秋一次暴雨过程诊断分析

本文利用常规地面与高空观测资料、自动站逐时资料、NECP1°×1°再分析资料,对阿克苏地区2015年9月7日局地暴雨进行分析。结果表明,造成此次暴雨的主要原因有(1)中尺度分析暴雨发生前阿克苏处于高能高湿不稳定区域;(2)08时至20时探空图中湿层、风向以及不稳定能量的突变预示了强对流天气的发生;(3)暴雨过程的大部分水汽是通过低层偏东气流输送,水汽的来源主要为孟加拉湾,其次北疆短波槽及蒙古槽也提供了少量水汽(4)锋区加强、垂直风切变增大、水平风速辐合提供了热力及动力条件,垂直速度伸展高度影响了对流云厚度及高度。(5)地面风速辐合触发对流,加之较好的地面热力条件以及一定的地形增益暴雨强度。(6)地面辐合线及偏东风输送位置影响暴雨落区。     

呼和浩特2009年近地层风特征分析

利用呼和浩特探空站2009年高空风资料,分析了呼和浩特近地层距离地面300、600、900m高度的风向、风速变化特征。     

球载式下投国产北斗探空仪测风性能评估

基于球载式下投北斗探空仪测风观测试验,建立了针对下投式的测风试验评估方法.试验结果表明上升段北斗测风的准确度接近RS92探空仪的探测准确度要求,两者一致性较好;下降段RS92测风误差基本上与上升段的属于同一量级水平,下降初期测风数据在使用时需要做预处理或者有效控制;下降段BD探空仪测风误差与下降段RS92的基本相当,除了球炸初期外,基本上接近WMO的测量要求,此外初期的急速下降对导航定位测风提出了更高的技术要求.整体而言,球载式下投探空观测在时间上可以实现对原有的1次探空进行加密,在空间上可以增加1个区域的探测,并为对现有探空站网分布进行合理优化提供依据,具有良好的应用前景.