旋翼无人机盐城试验观测资料分析及其在一次浓雾天气观测中的应用

2018年3月28—30日、6月20—26日和9月5—13日在江苏省盐城市射阳站开展了旋翼无人机大气边界层垂直结构观测试验,并与L波段雷达探空资料进行对比,验证无人机观测资料精度。结果表明无人机观测的温度、相对湿度、风向、风速廓线与探空观测资料具有较好的一致性。二者温度、相对湿度的相关系数均为0.98,温度绝对偏差为0.57℃,相对湿度绝对偏差为4.25%,风向相关系数为0.98,绝对偏差为11.5°,二者风速的相关系数为0.91,绝对偏差为1.88 m·s~(-1),且无人机探测的风速为对应高度上的瞬时风速,可以更好地反映出边界层内风速细节变化特征。试验期间,无人机观测到一次夏季浓雾过程边界层结构细致变化特征,其观测的雾的边界层结构特征和宏观特征与探空观测基本一致。验证结果表明无人机在边界层气象观测中具有很好的应用前景。     

北京城区大气边界层高度的反演研究

采用北京市国家大气探测试验基地2017年5月1日至2019年8月31日的微波辐射计观测结果,通过位温气块法反演了该地区的大气边界层高度,统计其日变化和月际变化特征,并与相应的探空反演结果进行对比.结果表明:日间大气边界层高度的变化特征与日照时长对应关系很好.除热力作用外,边界层高度受地面风速的影响较大,近地面的较强大风...     

青藏高原纳木错湖区大气边界层结构分析

利用2007年8月8~19日期间系留气球低探空和GPS无线电探空资料,分析了纳木错湖区大气边界层高度、风、温、湿等要素的垂直结构。结果表明:纳木错湖的冷湖效应推迟了边界层湍流混合及对流边界层出现的时间,边界层高度日变化非常明显,对流边界层高度最高可达1750 m;在晴天条件下,边界层内湖陆风日变化非常明显,湖陆风控制范围常超过边界层高度,可达对流层中部;边界层内比湿变化呈V型变化,白天减小,夜间增大,早晨08:00出现峰值。     

济南边界层风廓线雷达与L波段雷达探空测风资料对比研究

采用统计、相关分析等方法,对2014年济南站边界层风廓线雷达观测资料和L波段雷达探空资料进行了长期时空变化规律的对比,进而研究了地面无降雨、有降雨时段两者的风向、风速数据的相关关系及差值。结果得出全年有降雨、无降雨时段两者的风向、风速总体一致性较好,相关性较高,并具有较好可比性和互补性的结论,对了解固定式边界层风廓线雷达探测的准确性,改进观测资料质量控制方法等具有很好的参考价值。     

加密探空资料同化对北京地区边界层数值模拟的影响

基于2016年8月28日至9月2日在北京市宝联站、朝阳站、大兴站获得的逐3 h加密探空资料,利用WRF V3.9.1模式和WRF-3DVar系统,对北京地区大气边界层进行数值模拟试验,研究加密探空资料同化对边界层数值模拟的影响。结果表明:同化形成的分析场较背景场更接近观测值,更能表现边界层内真实大气的热力、湿度状态及动力特征。位温、比湿、纬向风、经向风、风速分析场的均方根误差分别较背景场的减少了86%、59%、24%、44%、19%,体现出同化的较强修正作用。加密探空资料同化的预报效果在模式积分6 h内最好,之后同化作用的大小及范围逐渐减弱。加密探空资料同化对边界层内大气湿度状态在整个预报时段内均有改进,对边界层内大气热力状态的改进持续6 h,对于边界层内大气动力特征的改进,纬向风改进较多,经向风和风速不明显,这与风的自身属性、北京市的复杂地形有关。另外,加密探空资料的站点数在空间水平方向上比较少也是导致同化在分析场的改善作用明显但是效果难以持续较长时间的原因之一。     

黑河实验中系留探空系统探测精度的分析

在ＨＥＩＦＥ实验ＩＯＰ－２和ＩＯＰ－３期间，在戈壁、绿洲和沙漠观测站上同时用系留探空系统进行了大气边界层结构探测。本文详细地分析了系留探空系统的探测精度与资料处理方法，指出系留探空系统探测方法造成的误差往往大于仪器本身的测量误差，采用正确的操作方法和资料处理方法可以得到可靠的结果。黑河实验中３个站上使用的仪器有良好的一致性。     

利用探空气球升速判定敦煌夏季白天边界层高度的分析

大气边界层高度是表征大气边界层的一个重要参数。利用2009年8月20～23日在甘肃敦煌进行的9次探空试验资料,分析了位温和探空气球的上升速度随高度的变化特征。结果表明,探空气球的上升速度也可以作为大气边界层高度的判定指标。通过分析用位温与探空气球上升速度所定的边界层高度,得到敦煌盛夏的边界层高度最高可达到4 300 m...     

珠峰地区大气边界层结构的一次观测研究

利用2005年8月31日~9月5日中国科学院珠穆朗玛峰综合观测研究站的LAP3000风廓线仪的观测资料,分析了该地区气温日变化和大气边界层风廓线结构。结果表明,该地区1500 m以下大气边界层主要受高原山地地形及珠峰地区冰川环境的影响,冰川风可能是引起观测期间下午强风天气的主要原因;1500 m以上高空受西风气流影响程度增大,但东南风仍占有一定比例。     

从毛里求斯国际探空系统对比看全球探空技术的发展

文章介绍了2005年2月7~25日在毛里求斯举行的由芬兰、日本、美国、法国、英国、德国、瑞士6个国家的厂商生产的探空系统参加的探空系统国际对比试验,本次对比试验堪称高精度探空系统对比。文中主要介绍分析了这些探空系统技术结构和性能特点。这些探空系统具有体积小、重量轻、信号接收和数据处理自动化、通信频道窄、采用GPS技术测风、传感器体积小、响应速度快的技术特点,体现了全球探空技术发展趋势。     

藏北那曲地区大气边界层特征分析

利用“全球协调加强观测计划(CEOP)亚澳季风之青藏高原试验”(CAMP／Tibet)2002年8月预试验期间(PLOP)藏北高原观测站(BJ站和安尼站)的无线电探空仪的探空资料,分析了藏北那曲地区的大气边界层位温、比湿、风速的日变化特征及稳定边界层和对流边界层特征。结果表明,藏北那曲地区边界层日变化大,对流混合层高度最高可达1800m,下雨天形成对流边界层的时间晚于阴天和晴天的时间。     

中国西北地区大气边界层高度变化特征——基于探空资料与ERA-Interim再分析资料

利用中国西北地区2015年9月至2016年8月38个站点L波段探空观测、2016年7月加密探空观测和ERA-Interim边界层高度资料,对比分析了西北地区大气边界层高度变化特征。观测资料表明,在中国西北地区,08:00(北京时,下同)冬季边界层高度最高; 20:00春季边界层高度最高,边界层高度从西部到东部有显著降低的趋势。ERA-Interim资料基本能表现出边界层高度的区域分布,但相对于探空观测得到的边界层高度,除夏季20:00外,ERA-Interim再分析资料边界层高度均偏低。全年平均而言,08:00(20:00)偏低160 m(170 m),其中在08:00(20:00),冬季(春季)偏低最显著。08:00边界层高度与低层稳定度、近地层温度和风速相关更加显著; 20:00边界层高度与低层稳定度和相对湿度相关更加显著。2016年7月加密观测资料对比表明,ERA-Interim资料的对流(中性)边界层高度显著偏高;低层稳定度、相对湿度偏小,风速偏大可能是造成边界层高度偏高的原因; ERA-Interim资料的稳定边界层高度偏低,与低层稳定度和近地层温度偏低相关,但其影响因素相对更加复杂。     

南极东部高原夏季大气垂直结构分析

利用中国第28次南极内陆考察队在东南极冰盖最高点Dome A获取的2012年1月南极夏季20次珍贵的GPS探空资料,对该地区的大气垂直结构和边界层特征进行了研究。结果表明:南极高原对流层中部平均垂直温度递减率为5.2℃·km-1,低于全球平均对流层中部的递减率(6.5℃·km-1),递减率(LRT)对流层顶平均高度和平均温度分别为4.6 km和-51.3℃。水汽主要集中在距地2 km以下的对流层中。边界层中存在多层逆温结构,强逆温层出现在500 m以下高度,边界层平均高度为890 m,并具有早晩低、午间高的日变化特征。     

气溶胶激光雷达和无线电探空观测边界层高度的对比分析

利用北京地区2017年11月至2018年1月连续3个月的激光雷达资料和无线电探空数据,按照清洁天、污染天和多云天3种天气条件,对大气边界层高度的计算方法和结果进行对比分析。结果表明,基于激光雷达消光系数的梯度法、标准差法和小波法都能够较好地提取边界层高度。清洁天标准差法计算的边界层高度高于梯度法和小波法,08:00（当地时间,下同）和20:00由无线电探空得到的清洁天边界层高度平均值分别为1176 m和1224 m。污染天标准差法的计算结果要低于梯度法和小波法,污染天无线电探空得到的边界层高度平均值约为956 m,和清洁天相比降低了两百多米,重污染时最低降低至562 m,逆温层高度和PM2.5浓度具有明显的反相关关系。有云时,梯度法和小波法确定的边界层高度和云高非常接近,标准差法计算的结果略低。总体而言,气溶胶激光雷达计算的边界层高度随着污染等级的提高没有明显的降低趋势,相反在重度污染情况下反而有所增加,这可能是由于污染物的不断堆积导致的。梯度法确定的边界层高度易受到污染物传输过程的影响,略高于逆温层高度。另外,激光雷达确定的边界层高度受到残留层影响时,也会高于逆温层。     

利用探空资料估算青藏高原及下游地区大气边界层高度

利用三个时段的探空加密试验资料,分别采用气块法和Richardson数法来估算青藏高原及下游地区的对流边界层和稳定边界层的高度特征。结果显示:(1)高原中部对流边界层结构的出现概率高于高原东侧及下游地区,而四川盆地稳定边界层结构的出现概率远高于高原和长江中游。(2)高原中部和东侧的对流边界层高度春季高而夏季低,其中高原中部的对流边界层高度高于高原东侧;四川盆地和长江中游的对流边界层高度冬季低、夏季高,而高原东侧的对流边界层高度的变化趋势则相反;四川盆地的对流边界层高度低于长江中游。(3)高原的稳定边界层高度春季高而夏季低;冬季四川盆地的稳定边界层高度高于高原东侧和长江中游,而夏季长江中游的稳定边界层高度高于高原东侧和四川盆地,冬夏差异导致的稳定边界层高度的变化幅度在长江中游最明显,四川盆地次之,而高原东侧最小。(4)高原东侧及下游地区的平均边界层高度的日变化具有相似的演变特征,平均边界层高度在白天高夜间低,而高原中部的平均边界层高度在日出左右较低,之后随时间逐渐增高,并在晚上达到最大值;高原的平均边界层高度的日变化振幅大于下游地区,且其日变化振幅随站点海拔高度的增加而增大。     

急流和地形对阳江一次特大暴雨的影响

利用中尺度数值模式WRF对2020年6月1日的阳江特大暴雨进行模拟和分析。结果表明：WRF的模拟结果很好地再现了该次暴雨的过程。通过控制试验和地形敏感性试验对比，发现将阳江及附近地区的山地移除后，降水区远离阳江地区，发生在粤西北山区。进一步分析表明，边界层急流为这次降水的发生发展提供了充沛水汽的前提条件。阳江附近山地对边界层急流的阻挡和抬升作用是降水发生发展的关键因素：一方面地形阻挡边界层急流增强相当位温水平梯度，增强对流不稳定性；另一方面，地形对边界层急流的抬升作用增强辐合上升运动产生对流。同时，边界层急流出口区配合低空急流入口区的抽吸作用，导致降水系统发展强盛。     

塔克拉玛干沙漠腹地晴天与沙尘暴天气大气边界层对比分析

根据2017、2019年7月塔克拉玛干沙漠腹地GPS探空和地面观测数据,利用位温廓线法等方法,对比分析了沙漠腹地夏季晴天和沙尘暴天气大气边界层结构变化特征。结果表明：晴天和沙尘暴天气大气边界层结构特征显著不同。晴天大气边界层各气象要素垂直分布较为均一,白天对流边界层深厚,高度接近5 km,夜间稳定边界层一般在500 m左右。沙尘暴天气边界层内位温和比湿垂直变化较小,风速较大,可达24.0 m/s,其白天对流边界层在1.5 km左右,夜间稳定边界层在1 km左右。晴天辐射强烈,地表升温迅速,湍流旺盛,是形成晴天深厚对流边界层的主要因素。大尺度天气系统冷平流的动力条件,以及云和沙尘减弱了到达地表的辐射强度是形成沙尘暴天气独特的大气边界层结构的主要因素。     

相干多普勒测风激光雷达反演厦门市风场及边界层高度的可靠性分析

利用2019年11月5日至12月13日厦门国家高空气象观测站的无线电探空仪数据和同期布设的多普勒测风激光雷达资料,对比分析二者的风速风向和通过梯度法反演的边界层高度。结果表明:(1)风速和风向的决定系数R~2分别达到0.91和0.98,一致性良好,450～1300 m高度范围内,对比效果最佳;(2)利用探空数据的温度廓线和测风激光雷达的雷达回波强度信号通过梯度法分别反演边界层高度,二者一致性很高,只是在边界层出现急流、云层和明显的污染等复杂情况时,探空数据反演的结果会明显大于测风激光雷达;(3)在出现降雨时,雷达探测高度明显降低,无法有效反演边界层高度。测风激光雷达不仅可以满足边界层内风场的精细化连续探测,也可以反演边界层高度。     

敦煌夏末大气垂直结构和边界层高度特征

本文利用西北干旱区陆-气相互作用野外观测试验 (NWC－ALIEX) 2008年8月11～18日的探空试验资料, 分析了中国西北干旱区敦煌地区的大气垂直结构和边界层高度特征。结果表明, 对流层顶大约在距地15000 m高度左右, 为第二 (副热带) 对流层顶; 水汽主要集中在距地6500 m以下对流层, 0℃层在距地3000～4000 m高度波动, 逆湿层高度在0℃层左右摆动; 在距地5000 m以上的对流层基本被西北风或偏西风统治, 在距地9000～13000 m左右的对流层高层, 存在一个风速为25～50 m/s的西北风或偏西风极大值; 敦煌夏末存在特厚边界层, 对流边界层高度可达4200 m, 稳定边界层高度可达1300 m。     

北京边界层参数化敏感性模拟研究

利用中尺度数值天气预报模式WRF(Weather Research and Forecasting Model)模拟晴天条件下北京边界层的气象场特征,并通过敏感性试验研究四组边界层参数化方案(YSU、ACM2、MYJ和BL)对辐射、地表能量、近地面气象要素以及边界层结构的模拟差异。结果表明:四种边界层参数化方案都可以准确模拟向下短波辐射,对长波辐射的模拟能力相似。YSU方案模拟的感热通量最低,四种参数化方案对地表净辐射通量的模拟差异主要受到短波辐射的影响。MYJ方案模拟的2 m温度效果最好,YSU方案对2 m比湿以及10 m风速的模拟效果最优,综合而言,YSU方案对近地面气象要素的模拟效果较好。与探空数据对比,得到四种边界层参数化方案模拟的高层温度廓线偏冷,湿度偏高,风速偏低。与气象铁塔观测数据对比,白天四组试验都能够较为准确地反映温度垂直廓线,YSU方案在15 m以上模拟的相对湿度结果最接近观测值。YSU方案模拟的边界层高度最高,非局地方案模拟的边界层高度相对局地方案更高,MYJ方案模拟的边界层高度误差较大。     

蒙自地区冬季边界层逆温特征

采用云南省蒙自探空站2010年和2011年冬季的高分辨率探空资料,统计分析蒙自地区边界层逆温特征。结果表明：蒙自地区冬季边界层逆温出现的频率非常高,多出现2～3层的逆温结构。边界层逆温强度绝大部分不超过3℃,极值达到5℃。逆温厚度的变化范围较大,存在明显的早晚变化。逐日比较发现,逆温出现的时间和高度具有不规则性。