阵风因子与大气边界层要素的关系及预报试验

利用2008—2016年舟山4个海岛气象站大风资料和欧洲中心的ERA-interim再分析资料,分析了阵风因子随平均风速、风向、小时、月份等分布的气候特征,统计阵风因子与边界层的大气稳定度、250～1000m风速与10m风速的比值、6h变温等要素的相关后,选取最佳预报因子,利用BP人工神经网络方法,根据不同因子组合对阵风进行循环试报。结果表明:①平均风速较小时阵风因子波动范围大;靠近大陆站点的阵风因子及来自陆地方向气流的阵风因子偏大。②白天11:00—16:00受太阳辐射影响大气湍流相对较强,阵风因子偏大。7—9月沿海受台风影响频繁,其阵风因子要大些,而11—12月阵风因子偏大则与来流方向的地表粗糙度较大有关。③阵风因子和边界层不同高度的风速与10m风速比值,及气温具有明显正相关,与边界层大气稳定度参数具有负相关,相关结果印证了阵风主要物理成因与动量的垂直湍流输送有关。④阵风循环试报表明最佳组模型试报的绝对误差及方差均比对比组模型减少约11%～25%,具有较好的预报效果。     

浙江沿海台风阵风系数的影响因子分析

利用2004—2015年影响浙江海岛的台风及沿海气象站资料,分析台风阵风系数与平均风速、台风强度、测站高度、岛屿位置、台风与测站之间距离、台风象限和月份等因子的关系。结果表明,当平均风速较小时阵风系数的均值和波动幅度较大。在相同风速情况下,台风中心强度较强时的阵风系数会大些且其变化幅度随高度增大;而台风强度较弱时的阵风系数随高度变化不明显。最大阵风系数一般出现在台风与测站距离为150~250 km的区域内。台风第一和第四象限不仅其影响风力明显比第二和第三象限的强,且阵风系数变化幅度也较大。近海岸岛屿测站的阵风系数比远海岸岛屿测站要大。9月阵风系数波动范围比7—8月的小。从台风的自身环流来看,中低层的高度场、垂直速度场和湿度场等因子与阵风系数相关密切。      

浙江海岛台风和冬季大风阵风特征的对比分析

为了提高阵风预报准确率,利用2006—2016年浙江7个海岛气象站资料和ERA-interim资料,分析了台风和冬季大风的阵风因子与10 m稳定风速、风向、Brunt-Vaisala频率、总体理查逊数、边界层250~1 000 m风速及其与10 m稳定风速比值等的关系,对比两种大风系统阵风的主要成因差异,最后对冬季大风的阵风因子进行拟合。(1)从总体上,台风阵风因子比冬季大风要大0.1~0.2,波动幅度也一般比冬季大风偏大0.3~0.5。有些站点在稳定风速较大时,阵风因子随稳定风速变化不明显,而有的站点变化幅度较大。(2)站点不同方位的地表特征差异明显,导致台风和冬季大风的阵风因子在某个风向上有较统一的最大值和最小值,两者差值一般为0.2~0.3。(3)大气边界层台风样本主要表现为气流辐合上升及正涡度,而冬季大风样本主要表现为辐散下沉及负涡度,台风垂直速度、涡度和散度的强度均明显大于冬季大风样本;从Brunt-Vaisala频率来看,边界层750 m处冬季大风样本总体为静力不稳定,而台风样本总体为静力稳定;从总体理查逊数来看,台风样本和冬季大风样本两者边界层250 m处动力不稳定程度接近。(4)台风和冬季大风的阵风主要形成机制不同,冬季阵风与边界层上层气流向下动量传输引发的辐合辐散有关,而台风阵风可能更多与边界层气流的水平动量输送引发的辐合辐散有关。(5)基于风向、边界层1 000 m处风速和10 m稳定风速的冬季大风阵风因子的拟合模型,比仅考虑10 m稳定风速的拟合模型的绝对误差减少了20%~50%,误差方差也减少了10%~30%。      

浙江省几种灾害性大风近地面阵风系数特征

阵风特性研究是大风预报和服务的基础。基于2011-2013年浙江省自动气象站逐日逐10 min测风资料,分析了浙江省陆地和近海海面冷空气、热带气旋和强对流大风的阵风系数特征。结果表明:冷空气和热带气旋大风阵风系数空间分布基本相同,大风主要发生在近海海面和沿海地区,海面阵风系数一般小于1.5,等值线平行于海岸线且自西向东逐渐减小,陆地阵风系数一般大于2.0,山区可超过3.0,表现出地形对阵风系数的增强作用。强对流大风阵风系数明显高于业务规范平均值,发生地点遍及浙江省各地,但发生概率超过10%的站点主要位于沿海地区和近海海面。风向基本不影响阵风系数空间分布。冷空气和热带气旋站点阵风系数与海拔高度有较高正相关性。模糊聚类分析发现:浙江省400 m以上山区站与70 m以下的低海拔站点在阵风系数特征上分属不同空间类型;基于逐步回归建立站点阵风系数预报模型,检验表明:模糊聚类可帮助提高模型阵风系数预报能力。     

一种概率方法在沿海海岛台风阵风预报中的应用试验

利用2004—2013年浙江影响台风及9个沿海海岛气象站风力资料,分析了各站阵风系数总体特征,及其与站点纬度、海拔高度和海岸线距离等因子的关系。结果表明,随着平均风速的增大,对应的阵风系数有减少趋势;距离海岸线近的站点和海拔高度小的站点其阵风系数也相对要大些。分析台风参数与阵风系数关系,得出阵风系数与台风7级风圈半径和站点离台风中心距离的比值具有最好相关。利用分位数回归方法建立概率预报模型,试报表明大部分站点阵风的50%和90%概率范围的击中率都符合预期,其波动范围一般在3%以内,模型表现比较稳定,对业务有一定的指导价值。     

高斯过程回归方法在浙江沿海海岛冬春季阵风预报中的应用试验

利用2006—2016年冬春季浙江四个海岛气象站10 m大风观测资料和ERA-interim资料,首先分析了阵风因子和阵风风速的概率分布特征;然后统计阵风与10 m至500 hPa层的气温、风速、散度、涡度、比湿、垂直速度、浮力能等要素的关系,选取高相关的预报因子;最后采用高斯过程回归方法建立阵风概率预报模型,并进行试报。(1)平均风速相同时对应的阵风因子变化较大,导致阵风也出现大的差异,说明阵风数据分布具有混沌性;阵风风速具有正态或准正态分布特点,在自然对数处理后完全符合正态分布,表明采用高斯过程回归方法建立阵风概率预报模型合理可行。(2)阵风与大气低层的动力因子相关较好,而在近中层则与热力因子相关较好。(3)阵风大值样本在大气低层具有更强的下沉速度,有利于上层动量向下输送,且大值样本对应的中层气温和比湿相对大些,说明中层暖湿气流有利于湍流的发展和不稳定能量的交换。(4)试报模型的因子权重尺度分析表明,最佳预报因子绝大多数集中在875 hPa层以下,说明大气低层因子对近地面阵风起主导作用。(5)高斯过程回归模型试报表明,大部分站点阵风预报的50%概率区间上下界跨度约为2.5 m/s,75%概率区间跨度约为4.5 m/s,样本的50%和75%概率区间击中率均符合预期。      

大连地区阵风系数特征分析

利用2015年5月至2020年4月辽宁省大连地区9个国家气象站、2017年165个区域气象站逐10 min测风资料, 从风向、风级、月际变化、日变化、空间分布和天气影响系统等对大连地区最大、平均、最小阵风系数进行统计分析。结果表明: 1—12月平均阵风系数的变化范围为1.66~1.77, 秋末冬初平均阵风系数偏大, 春夏季节偏小; 与冷空气相对应风向的平均阵风系数大于与暖空气相对应的风向; 随着风级的增大, 最大、最小阵风系数向平均阵风系数收敛; 不同风级下阵风系数的频率分布均呈单峰型分布, 风级越大, 分布范围越窄。除西南风外, 其他风向的阵风系数均表现出白天大、夜间小的特点。大连地区阵风系数具有明显的地域特点, 东南和西北部沿海区域的阵风系数比内陆和西南沿海偏小, 风向基本不影响阵风系数的空间分布。大连的大风过程多受海上气旋和高压前部双系统共同影响, 气旋、台风以及雷暴大风的平均阵风系数大于同风级的平均值。     

江苏沿海近地层风阵性及台风对其影响

为了研究风阵性特征,尤其是在受台风影响时湍流特征对安全开发利用风能资源的影响,利用江苏沿海5座测风塔2009年6月—2012年11月的梯度风观测数据,分析了近地层风阵性基本特征,并筛选了7个对江苏产生较大影响的台风,包括罕见的正面登陆台风达维（1210）,分析台风影响下风阵性特征。研究发现:江苏沿海地区低层的风脉动性比高层强,10 m高度的年平均阵风系数和湍流强度分别为1.50和0.20;海陆分布明显影响风阵性,离岸风的湍流强度明显大于向岸风;当风速等级小于6级时,风阵性随风速增大而一致性减小,之后则稳定少变;在台风中心附近,受风速、风向快速多变的影响,湍流强度和阵风系数均远大于台风外围和没有台风影响的情况,湍流强度和阵风系数在30~50 m高度之间增加,在6~7级风时出现风阵性的局部峰值区。     

Analysis of aircraft measurements of momentum flux in the subcloud layer over the tropical atlantic ocean during gate

The momentum flux data obtained by the gust probe aboard the NOAA DC-6 aircraft during GATE are analyzed. Vertical profiles are obtained for Phases I and III and correlated with vertical wind velocity profiles using the geostrophic departure method. Reasonable agreement is obtained using the horizontal equations of motion with negligible advective acceleration. The vertical profiles of momentum flux and wind speed variance compare well with the numerical model results of Deardorff (1972) and Wyngaard et al. (1974). Vertical distributions of power spectra for vertical eddy motion and cospectra corresponding to the momentum flux components are obtained along with the height variation of the dominant length scales of vertical eddy motion and the dissipation rate of turbulence kinetic energy. When normalized by mixed-layer similarity, these results agree well with previous determinations in the boundary layer over tropical oceans and over land.     

北京雷暴大风日环境特征分析

雷暴大风是指由对流活动带来的除龙卷以外的地面灾害性强阵风。根据北京地区21个观测站2000～2007年的观测资料,将出现在该期间的雷暴大风按强阵风出现时降水量的大小划分为干、湿两种类型,探讨了两类雷暴大风日环境大气的热力稳定度条件、环境风垂直分布及演变等特征。结果表明,绝大多数干型雷暴大风产生在对流有效位能较小但对流层中低层环境风垂直切变却比较大的环境中,因此反映热力不稳定性的对流参数在干型雷暴大风的预报中具有一定的局限性,给对流初生的预报带来了一定难度。而湿型雷暴大风则多发生在热力不稳定的条件下。两种类型雷暴大风日环境大气温湿廓线有较大差别是造成热力不稳定性不同的原因之一。因此在预报雷暴大风时,除了环境大气的热力不稳定性外,还应考察环境风垂直切变等因素。下沉气流的热力稳定性和对流层中下层环境风速的演变是判断对流活动能否给地面带来短时强阵风的两个重要因素。下沉对流有效位能（DCAPE）的分析结果表明,多数雷暴大风日临近时刻的下沉对流有效位能大于600 J·kg-1,而且86%的干型个例和59%的湿型个例在地面大风出现前DCAPE呈现增加的趋势,这对雷暴大风特别是干型雷暴大风的潜势预报具有一定的意义。在雷暴大风来临前,抬升凝结高度以下的环境温度直减率明显增加,这种演变趋势也可为临近预报提供有用的信息。此外,风廓线仪观测资料是对常规探空的有效补充。分析表明,有一些雷暴大风的产生与高空水平动量下传有关。在雷暴大风出现前,高空环境风陡增,具有较高数值的等风速线连续下落,在雷暴大风产生时到达地面。有效地使用风廓线仪观测资料,将有利于提高雷暴大风的临近预报和预警水平。       

基于ERA5再分析资料的余姚地区阵风预报模型探究

利用2007—2017年余姚地区44个气象自动站观测数据和欧洲中心ERA5再分析资料,对余姚地区日极大风分布进行了统计分析,并提出一种本地化的经验阵风预报模型(雷暴日除外)。研究发现:余姚地区日极大风呈正态分布,风力峰值为4～5级,平均每年大风日占比达7.03%,累计大风时次占比3.32%,年平均大风日26 d。风力越小,阵风与平均风之间的线性拟合效果越好。影响阵风预报的因子主要有10 m平均风速、925 hPa风速、地面粗糙度、摩擦速度和3 h变压。6级及以下阵风预报中,业务中的阵风经验系数1.4容易造成余姚本地阵风预报偏低,适用于余姚本地阵风预报经验系数为1.775;6级以上阵风预报经验方程考虑了平均风速、垂直动量下传、水平动量传输、地面摩擦和海拔高度订正,其与925 hPa风速的平方呈正相关,与摩擦速度呈自然指数相关,经验方程相对于经验阵风系数的预报拟合优度提升了59.61%;经验阵风预报方程通过了2018—2019年的数据检验,该方程对1～2级阵风预报偏高,3～5级效果最好,6级阵风的预报偏低;6级以上的阵风等级预报准确率达55.2%。地形摩擦作用在冷空气大风与台风大风过程中尤为重要,这两类过程阵风系数分布类似,但台风带来的动量下传比冷空气更为明显。     

Adaptive Wind Gust and Associated Gust-factor Model for the Gust-producing Weather over the Northern South China Sea

Wind gusts are common environmental hazards that can damage buildings, bridges, aircraft, and cruise ships and interrupt electric power distribution, air traffic, waterway transport and port operations. Accurately predicting peak wind gusts in numerical models is essential for saving lives and preventing economic losses. This study investigates the climatology of peak wind gusts and their associated gust factors(GFs) using observations in the coastal and open ocean of the northern South China Se...     

2009年“莫拉克”台风登陆过程阵风特征分析

利用上海台风研究所移动观测车获取的“莫拉克”台风登陆过程中超声风、温等观测资料对地面阵风特性进行了诊断分析.结果表明,在风速时间序列中叠加有周期为3-7 min的阵风扰动,显现出明显的相干结构,即沿顺风方向阵风风速峰期有下沉运动,谷期有上升运动;阵风扰动的各向异性特征明显,沿顺风方向的阵风扰动能量最大,其次是沿侧向和垂直方向的扰动能量;沿顺风方向的阵风垂直动量通量向下传播,而沿侧风方向阵风扰动动量垂直通量总体贡献接近于0.阵风扰动沿顺风方向的积分空间尺度和时间尺度最大,沿侧风方向和垂直方向其次,均明显大于湍流的积分空间和时间尺度.此外,阵风扰动的其他特征还包括:感热垂直通量极小;当平均风速较大时阵风风向变化幅度较小,而风速较小时阵风风向变化幅度则较大;动力学分析表明,阵风扰动主要表现出重力内波的一些特性.     

In search of a gust definition

We propose a simple gust definition based on the theory of excursions by Rice (1944 and 1945). We discuss the relation to the distribution of extreme events and demonstrate theoretically and experimentally that the most probable extreme event is very close to being identical to the gust according to our definition. We demonstrate how it is possible to predict the gust on the basis of the measured mean wind and variance rather than rely on actually measured extreme excursions. Our gust definition also allows us to predict the average duration of a gust.Supported by the Catalonian Research Council (CIRIT), Spain.     

Turbulence Intensity Parameters over a Very Complex Terrain

Detailed knowledge of turbulence structure is important for the understanding of atmospheric phenomena in the boundary layer, especially over complex terrain. In the present study, turbulence intensity parameters are analyzed for different conditions regarding stability, wind speed and wind direction over a mountainous region. The purpose of the analysis is to verify whether the observed parameters follow Monin–Obukhov similarity theory (MOST), despite the terrain heterogeneity. The dataset was collected during an experimental campaign at the Nova Roma do Sul site, in southern Brazil, with a micrometeorological tower located near a sharp slope, approximately 400 m high. The results show that the normalized standard deviations of the vertical velocity component as well as the normalized standard deviation of temperature follow Monin–Obukhov similarity for all stability regimes, regardless of the wind direction. However the normalized standard deviation of the horizontal components of the turbulent velocity obeys the similarity relationship only for a limited range of the stability parameters.     

基于历史资料的热带气旋大风定点预报及检验

热带气旋是沿海地区最具破坏力的自然灾害之一。研究近海热带气旋对深圳三个重点港湾码头站的定量阵风预报。在前人研究的基础上,除了考虑热带气旋强度、热带气旋相对于气象台站的距离、方位角等热带气旋特性因素外,进一步详细分析了热带气旋尺寸对热带气旋引发重点区域的定点阵风预报影响。研究使用2014年以前的港湾码头站在热带气旋影响期间的小时极大风观测记录与各热带气旋特性因素建立预报模型,用2015—2018年的14个近海热带气旋对港湾码头站的小时极大风影响来检验预报模型的实用性。结果发现在进一步考虑了热带气旋尺寸因素对热带气旋引发定点大风影响后,预报模型可以精准地预报重点区域的最大阵风值,其预报结果可为行业气象风险评估提供有价值的参考。      

台风登陆过程中南海近海阵风因子特征

阵风预报对于输电铁塔线路设计、风力发电、建筑和桥梁设计以及航空气象安全等至关重要。目前,基于不同观测资料和计算方法,学者们给出了不同的阵风或阵风因子参数化公式,没有公认的一致结果。利用中国气象局南海(博贺)海洋气象科学试验基地离岸4.5 km和6.5 km的两个海洋气象观测塔在2008—2018年七个台风期间观测的10 Hz高频湍流脉动数据,分析了观测高度、平均时间、下垫面特征和大气稳定度对阵风因子计算结果的影响,研究了近海海上台风过程中阵风因子与平均风速和湍流特征参数的关系。不同于以往研究给出阵风因子是常数,给出了阵风因子随10 m风速变化的计算公式,为阵风预报及相关防灾减灾提供参考依据。      

Gust and downward momentum transport in the atmospheric surface layer

The intermittent structure of the turbulent wind field in the atmospheric surface layer is investigated by conditional sampling methods. The results show that downward momentum can be transported efficiently during a peak gust. The horizontal structure of the gust is also revealed by observing the spatial structure of wind speed fluctuations from a network of 28 anemometers. The high wind region consists of a gust front with a sudden increase of wind speed at the front and a slow decrease to its rear. The development of the gust front is related closely to the momentum flux during the short time of passage of the gust.     

Gust Front Statistical Characteristics and Automatic Identification Algorithm for CINRAD

Gust front is a kind of meso-and micro-scale weather phenomenon that often causes serious ground wind and wind shear. This paper presents an automatic gust front identification algorithm. Totally 879 radar volume-scan samples selected from 21 gust front weather processes that occurred in China between 2009 and 2012 are examined and analyzed. Gust front echo statistical features in reflectivity, velocity, and spectrum width fields are obtained. Based on these features, an algorithm is designed to recognize gust fronts and generate output products and quantitative indices. Then, 315 samples are used to verify the algorithm and 3 typical cases are analyzed. Major conclusions include： 1） for narrow band echoes intensity is between 5 and 30 dBZ, widths are between 2 and 10 km, maximum heights are less than 4 km （89.33%are lower than 3 km）, and the lengths are between 50 and 200 km. The narrow-band echo is higher than its surrounding echo. 2） Gust fronts present a convergence line or a wind shear in the velocity field;the frontal wind speed gradually decreases when the distance increases radially outward. Spectral widths of gust fronts are large, with 87.09% exceeding 4 m s-1 . 3） Using 315 gust front volume-scan samples to test the algorithm reveals that the algorithm is highly stable and has successfully recognized 277 samples. The algorithm also works for small-scale or weak gust fronts. 4） Radar data quality has certain impact on the algorithm.