北极低空急流和低层逆温特征观测分析

利用北冰洋冰表面热量平衡计划1997年10月中旬至1998年10月上旬的探空气球探测结果,分析了北极地区近地层逆温和低空急流特征.结果表明,96％的观测时次(11:15和23:15,协调世界时)出现近地层逆温,其中22％的逆温为贴地逆温,70％的逆温厚度在250～850 m之间,冬半年贴地逆温发生频率、逆温层厚度和逆温层内的温度变化都明显要大于夏半年.全年间低空急流出现频率为41％,平均高度为520 m,最大频率出现在150 m附近,70％的急流出现在600m高度以下.急流平均风速为10.6m·s-1,风速在4～13 m·s-1范围内的急流约占总数的75％,东和东南方向为全年急流的主导风向.根据对急流核和地面风速之间转换角分布的分析,惯性震荡可能是北极低空急流的主要成因.     

塔克拉玛干低空急流特征分析

利用2000~2013年ERA-Interim再分析资料对塔克拉玛干地区风速廓线进行分析,发现在多年平均状态下边界层内存在风速极大值中心,表明该地区可能长时间、广泛存在低空急流。为进一步判定、分析可能存在的低空急流及其季节变化特征,本文从最大风速发生高度、逆温以及风切变3个方面考虑,给出了低空急流的具体判定条件。通过客观判定表明,塔克拉玛干地区常年存在偏东方向低空急流,具有较高的发生频率,最大频率出现在8月份达68.4%,最小频率在12月份,为54.5%。急流中心高度和最大风速均存在显著的季节变化:夏季低空急流发展最高,平均高度位于地面以上339.6 m,冬季高度最低,平均高度237.7 m,春、秋季高度相近约为290 m左右;急流最大风速春、夏季最强,平均值高于7.5 m/s,秋季风速减弱为6.3 m/s,冬季达到最小值5.0 m/s。此外,分析还发现急流最大风速先随高度上升而增加,达到地面以上某一高度范围后,又随高度增加而减小。     

不同季节天气条件下风廓线雷达测风精度分析

采用建瓯风廓线雷达(CFL-06)观测资料,分析不同季节天气条件下风廓线雷达的测风精度,同时还选取了永安风廓线雷达(CFL-03)数据进行了对比分析。结果表明,四个季节在探测高度低于4 km时,获得的对称波束水平风分量差值的平均值很小,且小于0.5m·s~(-1),标准差值也比较一致,且小于10 m·s~(-1),探测精度均较好。当探测高度超过4 km后,春、冬两季对称波束水平风分量差值的平均值和标准差值开始增大,在7.1 km高度平均值和标准差值达到最大,分别为9 m·s~(-1)和28 m·s~(-1),夏、秋两季探测精度高于春、冬两季的。在探测高度低于4 km时,不同季节4种方法计算的垂直速度基本一致,以春季大气最为均匀,其次是冬季的,夏、秋两季的最差。在探测高度超过5 km后,春、冬两季4种方法计算的垂直速度偏差增加较快,最大分别为0.9 m·s~(-1)和1.0 m·s~(-1),夏季4种方法计算的垂直速度偏差较小。夏、冬季水平风向和风速测量精度优于春、秋两季的,秋季测量精度最低,水平风速标准差值在0.0～1.5 m·s~(-1)和水平风向标准差值在0～15°范围内所占比例分别只有51.6%和54.0%。总的来说,风向和风速测量精度普遍不高,需要进一步改进算法,减少计算误差,提高探测性能。     

利用风廓线雷达对广东前汛期短时强降水类暴雨过程低空风场特征的研究

为了更加深入地了解暴雨中尺度系统,利用风廓线雷达资料,对2012—2014年发生在广东前汛期的短时强降水的暴雨过程临近时次的低空急流强度、低空急流高度、低空急流指数以及各层垂直风切变等物理量进行了分析研究。研究结果表明:（1）在广东前汛期,86%的暴雨过程都会有短时强降水的出现; （2）2 km高度以下最大风速呈正态分布特征,主要集中在10~21 m/s之间,60%以上的强降水发生前3小时低空急流便已经存在,且随着强降水的临近,低空急流的比例逐渐增大,超过80%的过程强降水出现时有低空急流相配合; （3）暴雨发生前低空急流强度基本维持,最低高度逐渐降低。强降水出现时次,低空急流表现出逐渐加强的特征,最低高度也明显下降,从而导致低空急流指数I增大; （4）地面到不同等压面的垂直风切变随着高度的增加而逐渐减小,其中强降水发生时地面到925 hPa垂直风切变相较于暴雨发生前有所增大,而地面到850 hPa及700 hPa垂直风切变在强降水发生时则表现出下降的特征; （5）选取暴雨发生前各类物理量的中值作为暴雨发生的阈值,则低空急流强度在13.5 m/s左右,最低高度为1 km左右,低空急流指数I为6×10-3 s-1左右,地面到925 hPa、850 hPa以及700 hPa之间的垂直风切变分别在7.3×10-3 s-1、6×10-3 s-1以及4×10-3 s-1左右。      

基于多普勒测风激光雷达的低空急流观测研究

基于相干多普勒测风激光雷达于2018年8月在山东德州获取的为期一个月的风廓线观测数据,进行了低空急流的判定、识别与统计分析。参考BONNER对低空急流的判定标准,对1 500 m高度以下的每10 min平均风廓线数据进行低空急流识别与统计,急流发生频率仅为3.6%。参考张世丰对低空急流的判定标准,统计了350 m高度以下10 min平均风廓线的低空急流风速、高度、风向及风切变等结构特征。急流发生频率为24.9%,急流速度主要介于6～10 m·s-1之间,急流高度出现3个峰值,分别位于110 m、160 m和220 m左右,急流风向主要为偏东风和偏南风。结果表明,多普勒激光雷达可以获取高时空分辨率的风廓线数据,进而可以有效检测低空急流结构的存在及其特征。     

第24届冬奥会海坨山赛区近两年冬季地面风场特征

基于北京市海坨山赛区4个自动气象站2014、2015年冬半年地面风场资料,分析第24届冬奥会海坨山赛区冬季地面风场分布特征。结果表明:(1)各站冬季地面风场具有明显的风向取向以及风速值分布区间特征,其中海拔较高的A1492站风向呈明显的西西南至西北4个方位取向,10.0 m·s~(-1)以上风速的发生频率约为49.1%,月平均风速均10.0 m·s~(-1);(2)各站月平均风速最大值均出现在1月,A1489、A1490和A1491站风速最小值均出现在11月,A1492站最小值出现在3月;(3)各站日逐小时平均风速呈典型的日变化特征,08:00—16:00风速逐渐增大、16:00—18:00缓慢减小。     

风廓线雷达在高空风场分析中的应用

利用大连风廓线雷达高时空分辨率风场观测资料,统计2011年雷达站上空各层水平及垂直风速的分布特征.通过分析发现:最大水平风速通常出现在12 km上下,受高空急流的影响,各季节高空最大水平风速出现高度不同,4 km以下高空水平风速随高度的变化各月份存在一定差异,4 km以上至最大风速层,水平风速随高度的升高而增大,最大风速层以上至雷达测量的上限水平风速随高度增加先减小后增大;高空垂直风速在夏季较为明显,秋季次之,冬春季节最小;6月是全年月均垂直风速最大的月份,在500～1300 m高度层存在一个上升气流中心,平均风速大于0.6 m/s,2月各高度平均垂直风速全年最小.     

开封市空气重污染典型天气背景分析与潜势预报模型研究

利用2014-2016年高空、地面气象资料和大气环境监测资料,对开封市空气重污染日持续时间和发生月份特征、 500 hPa高空环流和地面气压场形势、污染物浓度与气象要素的相关性和分布特征进行了统计分析。结果表明:开封市重污染日主要发生在11月至次年1月,重污染日的首要污染物为PM_(2.5)和PM_(10),出现频率分别为97%和3%;秋冬季重污染常具有连续性,连续1～2天的重污染累计频率为44%,连续3～6天的累计频率达到56%。发生重污染时500 hPa形势主要分为平直纬向环流型、低槽型和西北气流型,出现频率分别为47%、43%和10%;地面气压场形势主要分为高压前部型、均压场型、低压南部型、倒槽型和东高西低型,其中高压前部型出现频率最高,达63.4%,其次均压场型占18.3%,其他3种类型出现频率都在5%～7%。重污染日逆温层高度主要分布在925-1000 hPa,但当逆温层高度达到850 hPa时,其发生重污染的概率达到40%;重污染日850-925 hPa风速多在10m·s~(-1)以下,1000 hPa风速多在5 m·s~(-1)以下,地面早晚间风速多为1～3 m·s~(-1);地面早晚间相对湿度主要分布在60%～90%。根据统计结果,选取低层风速、逆温、地面风速、地面相对湿度、云量等作为预报因子,应用"配料"法,建立6个空气重污染潜势预报模型。经检验评估,24-72 h模型预测准确率达到85%以上。     

利用风廓线雷达资料对南京地区低空急流的统计分析

为了解南京地区低空急流的活动特点,对两部风廓线雷达在2005—2008年收集的风廓线数据,分别从低空急流的月变化、日变化、急流中心特征以及伴随的天气情况等几方面开展了统计分析和对比研究。结果表明,低空急流存在明显的月变化及日变化规律,春、夏季出现低空急流次数多于秋、冬季;凌晨和夜间是低空急流活动的活跃期,且午夜出现极大风速的概率最大;低空急流中心主要出现在1 400 m高度以下,且低空急流中心速度的增强有利于降水的发生。夏季低空急流的出现有利于暴雨的发生。边界层风廓线雷达和对流层风廓线雷达的统计结果具有较好的一致性,两部雷达都能够较好地连续监测低空急流的发生发展。      

沈阳地区对流层顶气候特征分析

对1977～1992年1,4,7,10月沈阳第一和第二对流层顶月平均高度和温度数据进行分析。结果表明:沈阳是以第一对流层顶为主的地区,第二对流层顶只有夏季发生频率较高;第一对流层顶的高度、温度以及出现频率都表现出明显的季节变化特征,其中高度在1月最低,7月最高;温度在3月最低,8月最高。第二对流层顶高度的季节变化表现为冬春季高、夏秋季低。温度表现为冬季高,夏季低。第一对流层顶在各个月份温度都随高度增高而降低,降幅1月最小,7月最大,4月和10月居中。第二对流层顶温度随高度变化只在7月显著递减;第一对流层顶高度在10月显著降低,降幅为453m/10a,其他月份变化趋势不明显。第一对流层顶在7月显著降温,降幅为1·8℃/10a,10月增温显著,升幅为2·0℃/10a。第二对流层顶高度在不同月份都表现出弱升高趋势,但不显著。1月和10月的降温和升温显著,降幅和升幅分别为1·7℃/10a和1·2℃/10a。     

江苏省雾霾天气特征分析

根据2007年1月—2013年12月江苏省国家基准气候站的逐日地面观测资料,分析了江苏省雾、霾日数的气候变化特征以及霾天气发生时的主要气象要素场特征。结果表明:(1)雾日数分布从江苏省东部向西部逐渐减少,霾分布由南向北逐渐递减。(2)年际变化上,雾日数呈现一定的波动,霾日数逐年增长。秋、冬两季雾日数较多;霾日数在夏季最少。雾、霾天气分别在08时和14时发生次数最多。(3)淮安中度霾居多,微风、高湿情况下霾发生概率最高,不同季节风向分布不同。(4)风速与能见度成正相关关系,春、夏季的相关性较差,秋、冬季相关性相对较好。能见度与相对湿度春、冬两季两者之间呈明显的线性负相关,而夏、秋季拟合曲线呈非线性负相关。     

NBE和IBP始发的闪电初始特征

基于闪电低频电场探测阵列（LFEDA）所获得的全闪三维定位数据,研究了2015年8月15日14:30—16:10广州一次雷暴过程中具有明显始发脉冲的闪电初始放电特征及放电规律。结果表明:212例近距离云闪和地闪中,32例闪电由窄偶极性放电事件（NBE）始发,占15%;180例闪电由初始击穿脉冲（定义初始击穿脉冲簇的首个脉冲为FIBP）始发,占85%。作为始发的窄偶极性放电事件（INBE）,其相对孤立且具有较大的相对幅度,INBE与后续闪电的第1个脉冲的时间间隔为7 ms,幅度比为3.5,远大于FIBP相对应的时间间隔0.6 ms和幅度比0.8,INBE后多跟随传统的IBP脉冲。多数正极性INBE与FIBP对应初始向上发展的闪电,而负极性对应初始向下发展的闪电。INBE始发闪电前15 ms的平均发展速度随始发高度的增大而减小,快于FIBP,这与INBE具有更快的速度相关。估计的INBE速度为4.7×107 m·s-1,FIBP速度为1.5×107 m·s-1,两者速度差异也体现在脉冲上升时间方面,INBE具有更快的上升沿。     

WRF/CALMET/BP预报系统对内陆山区风电场的一次滚动预报检验北大核心

利用以中尺度数值模式WRF/CALMET作为风电场预报系统的动力模块,及BP神经网络法(BP-ANN)作为风电场预报系统的统计订正方法,对重庆市齐跃山风电场进行了一次时间分辨率为5 min的24 h风速、风功率的滚动预报试验,探讨了适用于中国典型内陆山区的风电场预报系统。结果显示:以WRF/CALMET/BP组成的动力—统计预报系统能够较好地模拟出内陆山区的风场特征,系统对正午至傍晚时段的风速预报准确率较高。WRF/CALMET动力模式对于风速中心振幅的模拟能力较好,经过BP神经网络订正后,模拟结果会趋于均值。不同风速段中,模式对低风速段(3~8 m·s^(-1))的预报效果较好,BP神经网络对中风速段(8~14 m·s^(-1))预报结果的订正效果最明显。     

一次弓形回波结构和演变机制的观测分析

基于单多普勒天气雷达观测和双多普勒雷达反演风场,对2009年6月3日河南商丘发生的一次弓形回波的结构和演变机制进行细致分析。系统发生前的环境均具有中等对流有效位能和中等偏弱低空垂直风切变。雷达分析显示,该弓形回波从超级单体开始,经过风暴合并发展而成的经典弓形回波结构,生命史约3 h。在超级单体阶段,具有中纬度典型超级单体的低层钩状回波、中层有界弱回波区和中气旋结构。超级单体减弱后,因强降水拖曳和降水蒸发冷却,引起云内强的下沉运动,将云外干冷空气带到云内,形成中层后方入流,并在地面形成强冷池,触发干冷后向入流,回波逐渐演化成为弓形。弓形回波成熟阶段,风暴相对后向入流急流在对流区后部2 km高度加速下沉,系统前沿增强至20 m·s^-1。在中层,系统后侧南北两端形成气旋和反气旋涡旋对,此中层涡旋对后向入流强度贡献约20%。在系统前缘低层（1.5 km）、出流边界附近,存在一气旋式涡旋。受后向入流急流和此低层涡旋的共同作用,在顶点附近产生超过32 m·s^-1的最大地面相对风速。至减弱期,低层出流扩展至系统前方20 km,截断了低层暖湿入流,使其快速减弱。     

环境场对西北太平洋热带气旋快速增强过程的影响

利用美国联合台风预警中心整编的西北太平洋1970—2012年热带气旋(TC)最佳路径数据集及ERA-Interim再分析资料,利用极端天气法确定TC快速增强(RI)的阈值为30 kn,分析了快速增强(RI)TC的时空分布特征;从RI的样本中选取9个个例,采用动态合成分析法,对TCRI过程的环境场进行比分析。研究表明:(1)菲律宾群岛以东(10~15°N,130°E)海域为RI发生频数最多的区域,南海地区发生RI的情况明显偏少。(2)RI在1972年发生的概率最大,而在2005年发生的概率最小,1997年后,RI发生的概率波动性较大。(3)西风与西南风水汽输送结合150h Pa附近的反气旋强辐散作用,有利于TCRI过程的进行。(4)RI发生前24 h至RI发生后的6 h,TC中心附近区域平均东风切变较快增大,其值由0.5 m·s~(-1)增加到2.5 m·s~(-1)左右,之后保持在2.0~3.0 m·s~(-1),使TC处于一个有利于其RI过程的纬向风切变环境。     

小型水体对气温观测环境影响的初步模拟分析

为研究水体对气温观测环境的影响,应用WRF中尺度模式,通过对四季晴天小风、阴天大风背景天气下有无水体算例模拟结果的比较,分析了浙江青山湖水体(6.5 km2)对周边2 m高度处气温的影响。模拟结果表明:(1)冬季天气条件通常较稳定,水体对下风方的影响最为明显;春、秋季节水体对下风方的影响次之,夏季局地热力环流复杂,水体对下风方气温影响不若其他季节明显。(2)青山湖水体对下风方约5 km内的气温可能产生明显影响,非下风方缩短为0.4 km。(3)水体面积越大,对周边气温影响距离越大。(4)当风速大于6.2 m·s-1时,水陆热力性质差异迅速被平流项输送携带走,水体对下风方气温影响不明显。而湍流扩散项则将水体与陆面热力性质的差异向上传递,湍流强度大于0.5 m2·s-2时,水体对下风方气温的影响不明显。     

基于A-Train卫星编队资料的热带气旋强度估算

准确估算热带气旋(TC)强度,对于预测TC发展、减少财产损失具有重要的意义。前人将TC看作满足静力平衡和梯度风平衡的轴对称涡旋系统,基于云顶高度、云顶温度、海表面气压等物理量建立了TC强度估算模型,该模型未考虑环境垂直风切变对TC强度的影响。本文提出一种修正模型,通过统计拟合手段将垂直风切变加入原模型中。从2006—2015年的Cloud Sat资料中筛选出穿心个例共63个。针对云雷达(CPR)数据特点,提出根据反射率因子的垂直分布确定眼墙和外围边界位置的方法。分别用原模型与修正模型对这63个TC个例进行强度估算。与最佳路径数据相比,原模型结果总体偏大,尤其对风切变较大、强度较小的个例估算效果不佳。修正模型对于风切变大于5 m·s~(-1)的个例误差明显减小,平均绝对误差MAE、均方根误差RMSE和平均绝对误差百分比MAPE分别从5.8 m·s~(-1)、7.7 m·s~(-1)和19.5%变为3.5 m·s~(-1)、4.9 m·s~(-1)和11.5%。在一定强度范围内,修正模型估算效果随着强度的增强而提升。修正模型对于成熟阶段的个例效果更好,北半球的估算精度高于南半球,纬度越高,估算误差越小。试验结果表明,用该修正模型估算TC强度是可行的,可以对现有的技术进行辅助和补充。     

基于ASCAT风场数据的中国近海风能资源评估

卫星反演海面风场资料能够弥补海上气象测风资料缺乏的不足,对近海风能资源评估具有重要意义。通过ASCAT(Advanced Scatterometer)风速数据与美国及中国近海岸浮标测风资料的对比分析,结果表明,ASCAT风速的均方根误差为1.27 m·s-1。比较利用近海岸浮标逐小时风速及与其相匹配ASCAT瞬时风速计算的各项风能参数,得出ASCAT与浮标的平均风速和风功率密度的残差分别在±0.5 m·s-1和±50 W·m-2以内,该残差占浮标计算结果的比例分别在±8%和±12%以内。使用ASCAT风速资料拟合的Weibull分布函数与浮标的结果较吻合。因此,ASCAT风速资料也能够为海上风能资源评估提供有用的风能参数信息。最后使用ASCAT瞬时风速数据分析了中国近海10 m及70 m高度处的风能资源的空间分布特征,结果表明,台湾海峡平均风速和风功率密度最大。     

南京风廓线雷达测量性能评估及应用初探

对2012年以来南京市江宁区边界层风廓线雷达每6 min的风场资料质量进行了评估,并对其在暴雨、大雾以及风切变等灾害性天气监测的应用进行了探讨。研究表明:南京风廓线雷达自投入使用以来,能够连续、稳定地获取边界层风场,四季的大部分资料获取率达80%以上,但是自2013年秋季—2014年春季的580~1 130 m层次出现获取率相对较低区,并在2014年春、夏季在770 m高度以下获取出现隔层不连续的现象(获取率50%)。通过对比每日两次的探空资料发现,边界层风廓线雷达探测得到的水平风速与常规探空资料观测基本一致,两者的偏差标准差基本在2.5 m·s~(-1)附近。夏季两种资料的匹配度最高,而冬季匹配度最差,其中大风事件与低匹配度事件有一定的联系,有必要进一步进行质量控制以提升资料质量。进一步利用雷达风廓线资料计算了南京地区垂直风切变事件的季节变化,发现冬半年中度以上等级的垂直风切变事件发生频率明显大于夏半年,其中冬季严重事件发生频率能达3%。