典型复杂地形风能预报的精细化研究

选取江苏和内蒙古分别作为中国沿海滩涂与内陆复杂高原山地的典型地形代表,通过中尺度模式WRF V3.3.1两种不同边界层参数化方案(YSU/MRF)的对比检验,选择WRF/Noah/YSU作为典型地形的风场预报系统,并利用该预报系统对2010年研究区域分别进行了1 km水平分辨率、10 min时间分辨率的48 h风场滚动预报,进一步通过功率谱检验、风向风速玫瑰图检验、季节变化检验,以及日变化检验表明,WRF/Noah/YSU的风场预报方案能够较准确地预报出测风塔的风场特征和风场的能量频谱分布,风场的日变化与季节变化的预报特征基本与测风塔观测结果一致。预报系统对春、秋季的预报效果优于夏季,日变化的预报效果因地形而异,无统一变化规律。     

基于WRF-CALMET的精细化方法在大风预报上的应用研究

针对当前风场预报普遍精细程度偏低,动力降尺度改善风场预报应用偏少的问题,利用CALMET模式的动力诊断模块,结合高分辨率的地形资料对WRF模式输出的风场预报数据进行了动力降尺度处理,进而提高风场的精细化预报。其方法充分借助地形动力学效应,使大尺度的近地层风场经过坡度流与阻碍效应等修正后得到更精细的风场且体现出与局地地形相符的特征。试验部分以广东省为研究区域,并选取个例用观测资料与陆地同化系统资料对模拟结果进行对比检验,结果表明动力降尺度之后的风场较之前更为精细且含有更多与地形相关的信息;与观测资料对比的总体相关性较好,误差也更小,与陆地同化系统资料对比变化趋势基本一致,且误差不大,这表明WRF-CALMET方法不仅能有效地提高风场预报数据的时空分辨率而且其结果更趋近于真实,对风场的精确预报具有重要的参考价值。     

GRAPES地面风场同化方案研究

随着预报准确度要求以及同化分析循环周期的缩短,具有高时空分辨率的地面观测资料在同化系统中也越来越受到重视,而且一个好的资料同化系统应该能够给出模式近地面动力、热力和湿度状况的合理分析。利用GRAPES区域同化预报系统(GRAPES——Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System),在近地层Monin_Obukhov相似理论的基础上,考虑了边界层的动力和湿热力约束,建立新的地面风场观测算子。将此新方案与目前GRAPES系统使用的三次样条插值的地面同化方案进行高度场预报试验、统计试验以及降水预报的TS评分比较,结果表明,加入新方案地面风场资料同化后,预报效果和对降水的预报能力都比旧方案有所提高。     

风廓线与测风塔资料在地面风场预报中的应用研究

运用四维同化方法将风廓线雷达和测风塔资料应用到WRF模式中,通过对比资料同化前后模式对地面风场的预报效果可知,加入风廓线雷达和测风塔资料后模式对风速的预报效果有明显提高,对风向的预报也有一定程度的改善;资料同化结束后,模式预报在49h内对地面风场预报效果仍有明显改善,但随着模式预报时间的增加,在模式积分49h以后,同化资料前后模式对地面风场的预报效果无明显变化。另外,通过对资料同化前后模式对风速预报误差的分析可知,在对模式风场预报的改进中风廓线雷达资料的贡献大于测风塔资料的贡献。     

近海水汽初值和对流影响一次华南前汛期沿海强降水对流系统发展过程的机理研究

本研究在对华南季风降水试验（SCMREX）观测资料分析的基础上,采用数值模拟试验探讨南海北部区域湿度场初值误差和海上对流对2014年5月8日华南沿海地区的一次强降雨过程的中尺度对流系统（MCS）的发展和移动的影响。加密探空和风廓线观测分析表明在珠江口地区有西南风和偏东风急流形成的辐合区,为对流在该地区增强发展提供了条件。增加和减少近海湿度以及关闭积云和微物理过程潜热释放,所造成的温度场以及风场的变化对广东沿海地区的对流的强度和移动路径都有明显的影响。特别是增加海上关键区的湿度,由于海上对流的发展改变了整个区域的环流,抑制了陆地上对流的发展。关闭海上关键区对流过程潜热的释放,导致低空急流到达更加偏北的位置,对流系统在模拟的后期向东北移动。通过这些试验表明,海上的湿度等要素场和对流活动对沿海地区的降雨预报有着十分重要的影响,需要进一步加强海上观测及其资料同化方法。     

基于WRF-3DVAR同化多源融合数据对近海风模拟的改进试验

本文利用WRF模式及其3DVAR同化系统,以2008年4月20日00时—23日00时的江苏近海10 m风场为研究个例,对Quik SCAT、Wind SAT、多源测风融合数据进行同化试验,通过比较WRF-3DVAR同化系统对模拟风场初始场和预报场的改进,检验了同化不同类型资料后WRF模式对研究区域内单点及区域近地层风速的预报效果。结果表明:同化试验对初始场有改进,且对预报场的改进较FNL资料明显;不同资料对风场模拟的影响不同,同化星星、星地多源融合资料效果最佳,Quik SCAT次之,Wind SAT最差。此外,在模式分辨率一定的情况下,提高观测资料的分辨率并不一定能够改善模拟效果,资料的稀疏分辨率存在最佳选择。     

用于风电场功率预测的逐时风速预报

为满足风电场精细化风速预报的需要,利用MM5模式的格点输出数值预报产品以及福建沿海地区两座海上测风塔的逐时气象资料,采用逐步回归的统计方法,将MM5数值预报产品与测风塔实测气象资料要素指标值共同引入回归方程,拟合两座测风塔特定高度的逐小时风速预报方程,详细介绍了该方法的实现过程.通过一年的预报效果指标以及15日的独立样本效果检验,结果表明该方法对于逐小时风速的预报有一定的应用价值.     

湖陆山地复杂地形下近地层风速预报研究

以鄱阳湖区典型湖陆山地复杂地形为试验区域,采用WRF模式MRF和MYJ两种边界层参数化方案,对2010年该区域近地层风速进行高时空分辨率预报,并结合3个测风塔观测资料对预报结果进行检验。结果表明:WRF模式对鄱阳湖区70 m高度风速预报效果较好,预报值能够较好地反映近地层风速变化,且边界层MRF方案预报效果略好于MYJ方案。地形对近地层风速预报影响明显,地形相对平坦的吉山预报效果最好,而地形最为复杂的狮子山预报效果相对较差。不同强度的近地层风速预报效果差异较大,5~25 m·s^-1风速段预报效果明显优于0~5 m·s^-1风速段。位相偏差是造成鄱阳湖区近地层风速预报误差的主要来源,其贡献率在60%以上,而系统偏差和振幅偏差的误差贡献率相对较小,通过线性订正方法可在一定程度上提高该区域风速预报效果。     

利用WRF-3DVAR同化常规观测资料对近地层风速预报的改进试验

利用WRF 3DVAR同化系统和Evenson提出的方法在分析时刻添加扰动形成扰动型初始场,并在此基础上同化常规观测资料(包括固定站点的探空观测和常规地面观测),通过比较WRF3DVAR系统对整层大气的初始(分析)场及预报场的改进,检验了同化常规观测资料后WRF模式对研究区域内近地层风速的预报效果。结果表明,同化常规观测资料对初始场有改进,且对低层大气风场和温度场的改进较FNL资料明显;GFS同化常规观测资料后生成的初始场和FNL资料提供的初始场对风速和温度的预报在不同气压层存在不同的预报时效,低层(1000 hPa)风速和温度预报在前36 h改善明显,而在较高的500 hPa和200 hPa上风速预报在前36 h改进明显,温度预报则只在前12 h得到了改善;无论是采用FNL资料还是同化常规观测资料作为初始场,对近地层风速预报均在前36 h有改进,表明对于近地面风速这种短时间内变化较大的变量,同化与之时间和空间上较为接近的资料可能改善其预报效果。     

散射计风场的三维变分对海雾数值模拟的影响

为了评估同化QuikSCAT海面风场资料对海雾模拟的影响,对发生在2006年4月3—5日的海雾过程,首先通过3个敏感性试验,研究了不同边界层参数化方案对海雾模拟的影响,发现YSU边界层参数化方案更适合海雾过程的模拟。然后对2006年4月3—5日平流雾过程和2005年6月23—24日辐射雾过程利用WRF-3DVAR系统将QuikSCAT海面风场资料同化到模式中,并以未同化和同化了QuikSCAT海面风场资料的数据为初始场,应用WRF模式进行模拟预报,同时对模拟预报得到的结果与实况 (卫星云图和地面观测) 进行对比,结果表明:QuikSCAT海面风场资料的三维变分同化能够改善低层其他要素场,对海雾预报有明显的正效应,但对高层的影响相对有限。     

近海岸风速衰减特征及形成机理分析

为更好理解沿海区域近地面风速衰减规律及其内在机制并获取适用于业务观测风速数据的分析方法,通过引入内边界层厚度的发展机理,推导获得风速随离岸距离变化的数学解析拟合式。结合浙江省温州市境内一沿海区域6个自动气象站2014—2019年逐时风速观测数据应用该拟合式分析了风速随离岸距离的关系,结果表明不管是逐时风速还是逐日最大风速,其平均值均与离岸距离有着良好的负相关,并发现其衰减系数与风速有着密切关系。向岸流及离岸流的风速衰减特性均可以结合该拟合式用线性及幂数律拟合来体现,但后者可以更好地解释风速随离岸距离变化特征,并在较大风速(3~10 m/s)向岸流的背景条件下,获得合理可信的分析结果,说明该方法可以适用于近海岸区域风速观测数据的应用研究。      

Low-Level Wind Forecast over the La Plata River Region with a Mesoscale Boundary-Layer Model Forced by Regional Operational Forecasts

A mesoscale boundary-layer model (BLM) is used for running 12-h low-level wind forecasts for the La Plata River region. Several experiments are performed with different boundary conditions that include operational forecasts of the Eta/CPTEC model, local observations, as well as a combination of both. The BLM wind forecasts are compared to the surface wind observations of five weather stations during the period November 2003–April 2004. Two accuracy measures are used: the hit rate or percentage of cases with agreement in the wind direction sector, and the root-mean-squared error (RMSE) of the horizontal wind components. The BLM surface wind forecasts are always more accurate, since its averaged hit rate is three times greater and its averaged RMSE is one half smaller than the Eta forecasts. Despite the large errors in the surface winds displayed by the Eta forecasts, its 850 hPa winds and surface temperature forecasts are able to drive the BLM model to obtain surface winds forecasts with smaller errors than the Eta model. An additional experiment demonstrates that the advantage of using the BLM model for forecasting low-level winds over the La Plata River region is the result of a more appropriate definition of the land–river surface temperature contrast. The particular formulation that the BLM model has for the geometry of the river coasts is fundamental for resolving the smaller scale details of the low-level local circulation. The main conclusion of the study is that operational low-level wind forecasts for the La Plata River region can be improved by running the BLM model forced by the Eta operational forecasts. L. Sraibman and G. J. Berri—Members of Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) of Argentina. An erratum to this article can be found at     

近海与远洋飓风边界层特征高度的差异分析

使用1998—2016年大西洋40个飓风2 032个GPS下投式探空仪观测数据,以距离海岸线300 km为界分为近海和远洋两组,利用合成分析方法探讨了飓风边界层特征高度的差异。边界层特征高度的定义方法包括最大切向风高度、入流层高度、混合层高度和理查森数法高度。对比分析不同定义方法下近海和远洋边界层高度,结果表明：根据最大切向风和入流层强度定义的边界层高度,近海边界层高度低于远洋边界层高度,且近海边界层高度随径向增加至2倍最大风速半径后趋于稳定;基于混合层定义的边界层高度明显低于动力边界层高度,且近海与远洋混合边界层特征高度无明显差异;近海理查森数边界层高度在最大风速半径内与远洋的无明显差异,而在最大风速半径外略高于远洋的。     

大气层结和海气交换作用影响的海面风剖面研究

风速剖面是各类工程结构抗风设计的关键参数。为了准确估算近海各类工程建筑结构承受的风荷载作用,通过在对数风剖面中引入大气稳定度函数和拖曳系数来刻画大气层结和海气交换作用对近海风速剖面的影响并建立相应的模型,最后利用强台风“黑格比”(0814号)的实测数据对模型进行了验证。研究结果表明:大气层结和海气交换作用对台风“黑格比”风速剖面有一定的影响,考虑大气层结和海气交换作用的风速剖面较对数剖面更能准确描述台风过程的风速剖面特征。      

Inertial oscillations near the coast of Nova Scotia during CASP

Abstract

Analysis of current, temperature and salinity records in the nearshore region of the Scotian Shelf during the Canadian Atlantic Storms Program (CASP), reveals that the inertial wave field is highly intermittent, with comparable amplitudes in the surface and deep layers. Clockwise current energy in the surface layer is concentrated at a frequency slightly below inertial, consistent with Doppler shifting by the strong mean current and/or straining by the mean flow shear, whereas the spectral peak in deep water is at the local inertial frequency. Clockwise coherence is high (γ² ≥ 0.8) horizontally over the scale of the array (60 km × 120 km) and in the vertical, with upward phase propagation rates of 0.15–0.50 × 10^?12 ms^?1, inversely proportional to the local value of the Brunt Väisälä frequency. Clockwise current energy decreases in the onshore direction and appears to be completely inhibited on the 60‐m isobath.

A case study of the response to the CASP IOP 14 storm indicates that the inertial waves may be generated by a strong wind shift propagating onshore at a speed of 10 ms^?1. On the eastern side of the array (Liscomb line), clockwise current oscillations propagate onshore in the surface layer at a rate (8.1 ± 0.9 m s^?1) comparable with the speed of the atmospheric front, while waves in the pycnocline move offshore at a lower (internal wave) speed (1.8 m s^?1). Furthermore the temperature and salinity fluctuations are in (out) of phase with longshore current in the deep (surface) layer. However, on the western side of the array (Halifax line), the inertial waves are more complex. A sharp steepening of phase lines at the coast indicates that the phase speed of clockwise current oscillations is considerably reduced and the evidence for offshore propagation of internal waves is less clear. The discrepancies between observations on the two lines suggest that the internal wave field is three‐dimensional.

Results of simple mixed‐layer models indicate that the inertial response near the surface is sensitive to the accurate definition of the local wind field, but not to certain model physics, such as the form of the decay term. The observations also show some qualitative similarities with models for two‐dimensional response to a moving front (e.g. Kundu, 1986), but the actual forcing terms are more complicated, based on IOP 14 wind measurements.     

BJ-RUC系统对北京夏季边界层的预报性能评估

以北京市观象台2010年8月、2011年8月每日3次 (08:00, 14:00, 20:00,北京时,下同) L波段探空秒间隔数据为实况,对BJ-RUC系统 (rapid updated cycle system for the Beijing area) 分析和预报边界层性能进行了初步评估。结果表明:BJ-RUC系统对北京地区夏季白天边界层的细致特征具有较好的预报能力,但也存在明显的系统性误差。08:00边界层偏冷; 14:00和20:00 1 km以下的边界层则显著偏暖, 边界层内明显偏湿。整体上模式对边界层内温度、湿度的预报误差均高于自由大气。该系统对北京地区边界层内早晨 (08:00) 从夜间山风向白天谷风环流过渡、午后 (14:00) 到日落后 (20:00)1500 m以下盛行西南偏南气流的日变化特征具有较强的预报能力。系统预报的14:00边界层顶高度与评估时段内实际对流边界层高度的变化趋势一致。但预报的对流边界层顶偏高,这与BJ-RUC系统采用YSU边界层参数化方案的垂直混合更强有关。     

Turbulent dispersion in coastal atmospheric boundary layers: An application of a Lagrangian model

A Lagrangian model is applied to simulate the dispersion of passive tracers (in particular, water vapour) in coastal atmospheric boundary layers under onshore wind conditions. When applied to convective boundary layers over uniform surfaces, the model gives results in agreement with those of similar studies. Numerical simulation of turbulent dispersion in coastal areas also reproduces the basic features known from experimental studies. Under onshore wind conditions, the humidity field is plume-shaped with the maximum vertical transport being over land downstream of the coast line. The model shows that the surface sensible heat flux over land, the static stability of the onshore air flow and the onshore wind speed are the most important factors determining the basic features of turbulent dispersion in coastal areas.     

北京夏季城市热岛现状及楔形绿地规划对缓解城市热岛的作用

通过遥感技术与地面测定相结合的方法，对北京城市热岛现状作观测研究，得到北京城市地面的温度分布特点。使用北京大学城市边界层模式从气象观点就“楔形绿地”规划对北京城市气候的影响进行研究和评价，模式通过对城市地表复杂性和多样性的特征进行细致描述，建立了一个细致模拟城市特点的城市边界层能量平衡模式，并用此能量平衡模式得到的地面温度作为下边界条件，中尺度气象模式MM5做初始场和侧边界条件，建立一个最小分辨率为500 m的城市边界层模式系统，来研究城市边界层在中尺度背景场作用下的精细结构。通过个例模拟，模式能够较准确地模拟城市边界层的风温场分布情况，可以用来对楔形绿地规划进行模拟试验。通过对规划后的气象场在特定的气象条件下进行模拟，结果显示，建造大型的楔形绿地后，绿地区域及绿地周围约1 km以内的地区温度有所降低，降低的程度由规划前后的地表类型改变的剧烈程度、风速大小及与绿地的距离决定，但是这种规划方案却会因城市的下风方向的风速减小而导致通风不畅。     

Evaluation of atmospheric boundary layer characteristics simulated by the regional model

Carried out is the comparison of the temporal courses of temperature and wind speed at different levels as well as of the wind and temperature profiles in the atmospheric boundary layer obtained from the WRF regional model forecasts and using the upper-air in situ and remote measurements in Moscow region. The errors in temperature and wind speed forecasts at different levels are computed as well as the statistical estimates of the forecast of temperature inversions, atmospheric stratification types, and monthly mean wind speed profiles on the basis of model forecasts and acoustic sounding.     

Use of the regional non-hydrostatic model for determining meteorological variables in forecasting radionuclides propagation and fallout

The first stage of works on coupling the regional hydro-dynamical model of meteorological field predictions and software for the radioactive situation predictions (NOSTRADAMUS) used for the operational forecasting of the radioactive species propagation to tens and hundreds kilometers is described. Results of the experiments with the different parametrizations of the boundary layer are presented. It is shown that the best predictions of the wind characteristics were obtained by using the Pleim-Chang parametrization (PCP) of the boundary layer [17]. In spite of that the characteristics of precipitation are simulated slightly better in the Eta parametrization, the observed underestimation of the precipitation estimates compared with those for PCP is insignificant and, thus, the latter can be preferred for further work.