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。      

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。      

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%。      

大气边界层阵风相干结构的产生条件

壁湍流相干结构的发现是近代湍流研究的重大进展之一,从20世纪50年代开始,在大气边界层湍流中也发现了相干结构——对流云街,并进行了系统的研究。近些年来,人们发现在近地层湍流中也存在相干结构。利用北京325 m气象塔对城市下垫面中大风和小风天气的风速分析,发现较有规律的周期3~6 min的阵风,且有明显的相干结构,而对不同下垫面的阵风研究,均发现存在这种相干结构,这种阵风相干结构对通量输送有不可忽视的作用。本文利用2012年4月甘肃省民勤县巴丹吉林沙漠观测塔的超声风速和平均场风速、温度观测资料,对阵风相干结构的产生条件进行了分析。采用傅立叶变换,将三维超声风速按频率分成基流(周期10分钟以上)、阵风扰动(周期1到10分钟)、湍流脉动(周期小于1分钟)三部分,结合平均场的资料分析发现:阵风相干结构出现在静力中性、不稳定甚至略微稳定的条件下,或者说机械作用主导的大气边界层,阵风区就会出现相干结构,热力作用对其有抑制和干扰的作用。从而,阵风的相干结构和壁面相干结构都出现在中性条件下,是机械湍流的现象,都主导着动量能量的输运。阵风区的相干结构并不等同于对流云街,他们出现在不同的大气稳定度条件下且尺度不同。     

台风“山竹”登陆前后广东沿海珠三角机场阵风预报方法研究

利用WRF模式对1822号台风"山竹"的登陆过程进行数值模拟试验,分析台风产生的大风特征,比较不同的阵风参数化方法在机场大风预报中的效果,结果表明:(1)试验基本模拟出了台风的路径和强度变化过程,模拟的珠三角机场平均风速大小和变化趋势与观测非常接近。(2)地面最大风速区出现在距离台风中心大约50-100km的位置上,垂直方向上风速从低层到高层逐渐减小,湍流动能的大值区集中在1.5km以下的边界层内。(3)台风登陆过程中广州、深圳和珠海机场的平均阵风因子分别为1.45、1.51和1.46,且随着平均风速的增大,阵风因子有减小的趋势。(4)基于湍流动能的阵风参数化方案在珠三角机场阵风预报中效果最好,平均预报误差只有3.9m/s,可以考虑应用到台风天气过程中机场阵风的业务预报。     

冬奥会延庆赛区气象要素分布特征分析

基于2019—2020年1—3月延庆赛区11个站点的实况观测数据,分析了2022年北京冬奥会延庆赛区风、气温的时空分布特征,建立了阵风因子与平均风速、湍流强度之间的关系,为延庆赛区气温、风场尤其是阵风因子预报提供参考.结果表明:平均来讲,各站点在15时或16时出现日最高气温,06—08时出现日最低气温,气温日较差随海拔...     

北京地区一次特大强风过程边界层结构的研究

利用北京325 m气象塔资料对1993年4月9日北京地区出现的一次特大强风过程的边界层结构（风、温、风切变及阵风特征）进行了分析。随着该次大风的过境，边界层内风场出现数个风速高值中心，高度位于200～300 m，时间间隔1～3 h。伴随上层风速垂直切变和阵风特性。湍流能谱的计算结果表明了大尺度涡旋对边界层湍流微结构的影响。     

基于天津255m气象塔对近年天津近地面风和气温变化特征的研究

通过分析2010—2018年天津气象塔风、温度资料,对近年来天津城市边界层粗糙度、大气稳定度和逆温特征进行研究。结果表明:随着城市发展,气象塔周边各方向粗糙度和零平面位移明显增高,气象塔周边建筑物对80 m高度以下风场的影响较为明显。受湍流强度日变化影响,各季节中气象塔高层和低层风速日变化特征差异明显。通过温差-风速法计算大气稳定度发现稳定类层结多出现在秋冬季的夜间,稳定层结条件下逆温情况多发,其逆温强度、逆温层厚度和贴地逆温比例也明显高于不稳定和中性层结。天津城市热岛强度的时间分布表现出夜间强于白天,秋冬季强于春夏季的特征。城市热岛强度与大气稳定度时间分布具有一定相关性。     

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。     

土地扩张对城市边界层风热环境影响的模拟研究——以沈阳市为例

利用WRF模式中的UCM+AH城市冠层方案,以2005年8月两个晴天为天气背景,对比研究了1993年与2005年不同下垫面情况下,沈阳市城市扩张对近地层风热环境及边界层的影响。结果表明:UCM+AH方案能够较合理准确地模拟出城市范围的2 m气温与10 m风速的日变化特征,且对2 m气温的模拟效果要优于10 m风速;模拟2 m气温的日较差偏大,模拟10 m风速系统性偏高0.5—1.0 m·s-1;城市土地扩张后,城区普遍增温,且夜间增温幅度较大,扩建城区夜间最大增温能达到7℃,老城区在夜间增温幅度最大可达3℃,上风向增温幅度较大;城区日间增温不明显,在0—1℃;城市土地扩张后,老城区风速普遍减小,但减小值1 m·s-1;扩建城区风速减小近1 m·s-1,城区内可能出现的高温辐合中心对周围近地层风速有加速作用;城市扩张对边界层最显著的影响体现在午后,城区的扩张增大了湍流动能的影响范围,湍流动能在数值上增加0.2—0.3 m2·s-2;扩建城区上空的边界层高度在14时抬升100—200 m,且下风向边界层内部的局地环流与垂直上升运动增强。     

风廓线雷达对塔克拉玛干沙漠晴天边界层的探测分析

利用塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站2010年8和10月边界层风廓线雷达资料,分析了沙漠晴天边界层湍流、大气温度、水平风速风向以及垂直速度的发展演变特征和日变化规律。研究表明：（1）大气折射率结构常数（C_n~2）能较好地反映晴空湍流对电磁波的后向散射能力,可以详细刻画湍流发展旺盛区域的高度、强度及其演变特征;沙漠夏季白天湍流发展剧烈,旺盛区域顶部可达4000 m高度左右。（2）RASS系统对沙漠边界层大气温度的探测具有较好的可信度,其近地边界层温度符合一般的日变化规律,昼夜温差显著,白天高温维持时间长,升温过程相对滞后于近地表气温。（3）风廓线雷达对大气风场的探测结果与地面风速风向一致,沙漠晴天主要受东风和东北风控制,风速较小,平均在2.0～6.0 m·s~（-1）范围变化。（4）沙漠腹地大气垂直速度变化符合静力平衡理论,铅直方向运动很弱,一般在-1.0～1.0 m·s~（-1）范围波动。     

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。     

北京地区一次典型大雾天气过程的边界层特征分析

利用中国科学院大气物理研究所325 m铁塔15层风、温、湿梯度观测资料和3层超声资料,对2002年12月1~4日发生在北京地区的持续大雾天气过程进行近地面层大气边界层特征分析。结果表明,近地面大气边界层较大的相对湿度(70%)、较小的风速(3.0 m.s-1)和风速垂直切变(0.02 s-1)、稳定的层结结构以及较低的气温是北京持续大雾天气形成的主要原因。冷空气的侵入使得边界层相对湿度迅速减小,风速和风速垂直切变增大,破坏近地面大气边界层的结构,导致大雾的消散。分析还发现,大雾的维持与消散主要受风场等动力因素的影响,热力层结是大雾维持和消散的必要条件。冷空气的侵入自上而下影响平均风场,而对湍流风场的影响则是自下而上的。尺度分析结果表明,大雾期间,近地面边界层内中尺度动量通量和感热通量都大于湍流尺度的,中尺度动量通量与平均风速基本呈反相关;冷空气的侵入使得湍流通量显著加强,是导致大雾天气消失的主要原因。     

台风“山竹”期间深圳近地面水平风的垂直特征

基于深圳356 m气象梯度塔风速观测资料,采用统计分析的方法,以台风"山竹"为例分析了台风过程中深圳近地面水平风阵风因子、风廓线指数和湍流强度的垂直变化特征。结果表明:台风"山竹"影响期间,受城市下垫面影响近地面风湍流强度大于高层,阵风因子和湍流强度随高度变化符合指数规律,风速大于6级后逐渐趋于稳定;风廓线指数随高度增加、风速增大逐渐减小。此外,利用全部样本计算得到风廓线指数平均值约为0.23,符合《建筑结构荷载规范》的推荐范围,但利用该值推算近地面不同高度的风速值略大于实测值。     

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。     

乌鲁木齐冬季大气边界层温度和风廓线观测研究

为了进一步认识乌鲁木齐冬季大气边界层的结构特征及其对大气污染的影响,为改进城市空气污染预报和污染治理提供科学依据,利用2008年1月11—13日系留气艇对乌鲁木齐市城区大气边界层过程进行观测试验的资料,分析了观测期间乌鲁木齐风、温廓线和混合层厚度的变化特征,并探讨了大气边界层结构对乌鲁木齐大气污染的影响。结果表明:观测期间乌鲁木齐近地面全天存在悬浮逆温,且有时为多层逆温,大气层结稳定;受逆温层的影响,近地面全天风速都很小,均在4m/s以下,风向随高度变化规律明显;观测期间乌鲁木齐大气混合层厚度平均为274m。乌鲁木齐冬季大气边界层风、温廓线的特征及混合层厚度,对大气污染的影响作用显著,是造成该地区冬季多污染的主要原因之一。     

农林复合带一维非静力大气边界层模式及其模拟分析

建立了一个农林复合带地区一维非静力大气边界层能量闭合模式，对1000m以下的大气边界层内的风、温、湿作了24h的预报，并对下垫面3种不同参数化方案(农作物、森林、无植被)的输出结果与实测值进行了分析和比较；同时通过敏感性试验，突出比较了农作物和森林下垫面对大气边界层垂直流场，湍流垂直交换和湍能的影响。结果表明，本模式能改善边界层风速、位温和湿度预报的模拟效果，下垫面植被对边界层气象要素大小和分布有显著的作用，对湍能垂直分布有一定影响。     

高风速相干结构对通量输送影响的实验研究

切变湍流的相干结构是湍流研究中的重大发现,它表明湍流运动并非完全随机,其中具有可检测的有序结构.本文通过处理南京浦口地区大气边界层观测数据,来分析不稳定层结中高风速相干结构特征.本次观测项目包括对场地中央的气象铁塔上2 m和40 m高度上超声风速仪的脉动速度、温度测量以及风廓线雷达对边界层风速廓线的测量.对超声水平风速时间序列数据进行小波变换 (时间尺度400 s),通过阈值来识别这种高风速相干结构.与多普勒风廓线雷达测量结果对比后发现,这种方法确定的相干结构符合常规的认识,具有较长的时间尺度和较大的垂直尺度 (接近边界层厚度).分析三天相干结构特性得到无量纲空间间隔约为6,即每隔6个边界层厚度的水平位置出现一个高速相干结构.通过与垂直风速小波系数的比较,发现高风速相干结构与向下垂直风速之间有较好相关,这与湍流中 “阵风” 现象的研究结论相似.使用四象限分析方法分类得到两种动量通量输送为负的运动:较小水平风速的上扬 (ejection) 运动 (简称为上扬运动) 和较大水平风速的下扫 (sweep) 运动 (简称为下扫运动),这两种运动在整个湍流活动中处于主导地位.高风速相干结构通过促进下扫运动和抑制上扬运动来影响动量通量的输送.     

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。     

北京北郊冬季大风过程湍流通量演变特征的分析研究

利用中国科学院大气物理研究所325 m气象观测塔1993年12月～1994年1月大气边界层实验资料, 计算分析了大风过境过程中47 m和120 m高度湍流通量演变特征及其影响因子, 以及与风速、 稳定度等参数的关系。结果表明: 大风过程对近地面层的物质能量输送有着重要影响, 大风之前出现短时间动量上传和热量下传; 大风过程中的湍流通量数值明显高于过境后, 水平方向湍流通量数值和能量增加幅度大于垂直方向; 当风速大于临界值5 m/s时, 湍流通量与风速、 湍流动能的相关迅速增大; 湍流谱特征表现为湍流能量的低频部分增加、 湍流谱曲线变宽; 大风能强烈影响近地面层的能量收支。