基于不同时间尺度风切变指数推算风资源的对比分析

利用2014—2018年辽宁省探空资料分析了水平风速的垂直风廓线分布特征。用2座代表性测风塔逐时梯度风观测分析了采用不同高度组合方案计算出风切变指数的月、日变化特征, 分别用月、小时、年风切变指数推算高层风速和风功率密度, 并与实测对比。结果表明: 沈阳相较于大连地区风速随高度增加较快, 180 m高度以上风速基本保持不变, 而大连因其纬度低且靠近海洋, 300 m以下风速均匀上升。在非复杂地形情况下, 距地面10 m高度以上间隔一定高度设立4层风观测, 基本可以满足近地层风资源评估需求。受太阳辐射、下垫面、海陆热力性质差异等影响, 辽宁省风切变指数日变化特征比月变化更显著。利用小时风切变指数推算高层风速和风功率密度的方案优于采用月、年风切变指数方案。风切变指数日变化越显著, 采用逐时风切变指数推算方案越优于其他计算方案。     

强台风海鸥登陆期间近地层风特性分析

利用位于海南文昌市的90 m测风塔观测的强台风海鸥多层测风数据,分析了台风海鸥登陆期间近地层风场时空特征、湍流强度、垂直风切变及阵风因子等风场特性,分析结果表明:台风海鸥登陆期间,近地层各高度风速呈现"M"型双峰特征,最大风速出现在台风后风圈;台风过境前后,风向旋转了180°;近地层风速随高度升高而增大,各高度风速垂直切变符合对数和指数规律;粗糙度长度、风廓线幂指数、湍流强度、阵风系数等风场特性与风速呈负相关关系,随着风速的增加而降低;从台风外围至台风眼,粗糙度长度随风速呈现"增大-减小-增大"特征;台风眼内部风速垂直切变剧烈,前后风圈的风速垂直切变较弱;强风区湍流强度较弱,弱风区湍流强度较强;台风风圈的湍流强度随高度增加而减小,台风眼内湍流强度随高度先减小再增加;台风影响各阶段阵风系数随高度升高而减小,各高度层阵风系数遵循指数定律;阵风系数随风速的增大而减小,当风速达到一定强度时,阵风系数随风速变化不明显。     

新疆哈密复杂地形风场的数值模拟及特征分析

为了实现复杂地形下高分辨率风场的数值模拟及特征分析,采用中尺度气象模式WRF(Weather Research and Forecasting M odel)结合牛顿松弛逼近Nudging资料同化技术,实现哈密地区水平分辨率1 km的近地层风场数值模拟计算。基于模拟区域测风塔实测数据的对比检验发现,同化观测资料后风速风向的模拟结果均与实测更加接近,70 m高度风速模拟结果的绝对误差降低0. 25 m·s~(-1),同化后的模拟结果可以较好的修正风速较小时模拟值偏高和风速较大时模拟值偏小的问题,同时风廓线的模拟结果也与实测更加吻合。通过分析哈密复杂地形下水平分辨率1 km逐10 min风场输出结果发现:(1)哈密地区地形比较复杂,风速平面分布差异很大,4月份风速较大区域主要分布在山北地区和西部山南垭口附近,而7月份风速较大区域则位于西部的山坳南部和北部地区;(2)复杂地形下风速较小时风速为负切变,且平均风速越小负切变值越大,地形越复杂负切变值越大;风速较大即使是复杂地形下同样为正切变,但是正切变值比平坦地区的值要小,平坦地形下风速越大正切变值越大;(3)哈密地区复杂地形下,风速12～25 m·s~(-1)的风速占比在时间和空间上分布差异较大,风速较大的4月份,大部分地区占比达到20%以上,尤其是山北和西部垭口附近,占比甚至达到了50%以上,风速为12～25 m·s~(-1)的情况下80 m高度平均风速比60 m高0. 60～0. 80 m·s~(-1),比月平均风速的垂直变化值要大;(4)风速较大时,风向10 min变化不明显,风速较小时,风向变化值较大,且地形较平坦地区风向变化值较大,地形复杂地区变化值较小;(5)风向的垂直变化与风速大小关系比较明显,风速越小,其垂直变化越大,风向垂直变化的区域分布与地形复杂程度相关,地形越复杂风向的垂直变化值越大。     

舟山地区各气象站风速的高度订正法

为有效利用舟山沿海各站点的风速资料,去除因高度差异而产生的风速偏大问题,使各站点风速资料更具代表性、可比较性和可应用性,将各站点风速资料统一订正到同一高度,运用风速廓线的指数律模式,结合最小二乘法原理,对舟山各气象站的多年风速资料进行研究。发现风速随高度的变化与气象站下垫面、风速大小和大气层结的状态密切相关,不同的下垫面对应不同的切变系数;随着风速增大,地面的摩擦作用变小,改变风速的能力越弱,切变系数越小;一天当中由于大气层结状态不同,切变系数存在日变化,中午最大,凌晨最小。     

环境风速垂直切变对西北太平洋热带气旋强度变化的影响

利用2000—2006年中国气象局《热带气旋年鉴》和NCEP再分析日资料,对环境风垂直切变对西北太平洋热带气旋（TC）强度变化的影响进行统计分析。首先比较了不同高度层之间、不同水平区域平均的全风速垂直切变和纬向风速垂直切变对TC强度变化的影响,结果表明,全风速切变对TC强度变化的抑制作用显著大于纬向风速垂直切变;以200～800 km的圆环区域平均计算的风速垂直切变与TC强度变化的负相关最显著;中高层的风速垂直切变与TC强度变化的相关优于中低层。其次,全风速切变大于8 m/s后抑制TC增强,且这种抑制作用存在6～60 h的滞后。全风速垂直切变大时,滞后时间较短:当全风速切变为8～9 m/s（9～10 m/s）时,TC强度在未来60（48） h开始减弱;当全风速切变大于10 m/s时,TC在6 h内开始减弱。最后,利用偏最小二乘回归建立TC强度变化的预报模型PLS-STIPSV。结果表明,加入风速垂直切变因子后对TC强度预报有所改进,并通过分析标准化回归系数进一步证实了上述的统计结果。      

边界层抽吸引起的旋转减弱

本文在边界层顶垂直速度正比于地转涡度和地转风速,并与下垫面粗糙度有关的前提下,研究了边界层抽吸引起的涡度变化,在圆对称气压系统内得到了不同粗糙度情况下的涡度场和气压场的变化速率,修正了经典理论的结果。在湍流交换系数是地转风速及高度的函数的前提下,推导了地形存在时边界层顶垂直速度的公式,并用来讨论地形存在时的旋转减弱问题。     

台风莫拉克 (0908) 影响期间近地层风特性

通过对台风莫拉克 (0908) 影响范围内的33座测风塔观测资料的分析可知:台风莫拉克越靠近陆地,风场的非对称性越明显,其行进方向的左侧测风塔风向呈逆时针旋转,右侧测风塔风向顺时针旋转。在远离台风莫拉克的地方风向稳定,湍流强度变化较平稳;在台风莫拉克登陆点附近,风向、风速和湍流强度均会出现突变。台风莫拉克影响期间,湍流强度与风速的关系未出现IEC标准曲线那样随风速增大稳定减小,其I₁₅达B级和A级及以上的平均湍流强度会在风速7~17 m·s-1形成一个峰值;无论南风或北风,风速越大,各层湍流强度差异趋于减小,同等风速、高度的湍流强度偏南大风均大于偏北大风。位于台风莫拉克登陆点北侧测风塔湍流强度随风速的增加先减小后增大,最终各高度全部超过IEC标准A级曲线,而位于南侧测风塔湍流强度随风速的变化比北侧小,并随风速增大趋于标准A级曲线;另外北侧测风塔湍流强度大于南侧,且各高度偏北大风湍流强度之间的差异比南侧相应风向明显,表明北侧垂直方向的扰动更强。台风莫拉克阵风系数为1.2~1.7,其随高度变化与地形有关,一般情况下随高度升高而减小,在复杂地形条件下不符合随高度升高减小的规律。     

江苏沿海近地层强风风切变指数特征研究

利用江苏沿海5座测风塔长序列(连续42个月)、高时间分辨率(10 min一次)的梯度风、气温、气压等观测资料,分析不同地区、不同高度层的风切变指数变化规律,并筛选出对江苏产生较大影响的7次台风和17次寒潮天气过程,分析强风条件下的风切变指数变化特征。结果表明:(1)风切变指数随环境在0. 15～0. 26之间变化,风机有效风速段和15 m·s-1特征风速段的风切变指数分别平均为0. 20和0. 19,不同高度层之间风切变指数随高度增加而减少,随风速增大呈对数关系减少。(2)台风影响时垂直混合运动强烈,风切变指数变小,平均为0. 19。台风中心经过时的风切变指数和风速具有M型变化形态,最低为0. 05,加上风向剧变,易对风机叶片产生破坏。(3)寒潮影响时的风切变指数平均为0. 22,小于同期平均。风速倒置现象明显,在50～100 m之间风切变指数为负值的出现概率超过8%,50 m高度处容易出现近地层的最大风速层。     

稳定大气边界层中风向脉动的特征

本文对稳定大气边界层中风向脉动的特征进行了讨论。用美国波德大气观测台(BAO)气象塔上超声风速仪的观测资料,计算了三种不同稳定大气结构条件下垂直风向σ_w/U和横截风向σ_v/U随时间的变化。结果表明σ_w/U和σ_v/U随平均时间的变化分别与垂直风速和横向风速的能谱分布有关。σ_w/U和σ_w/U随平均时间变化的峰值与能谱峰值的时间尺度相当。 在重力内波的情况下,边界层大气中往往伴随有风向切变。由于稳定大气边界层的结构十分复杂,通常,风向脉动参数和Ri数及高度之间无简单规律。只有在一层逆温时,在风速和Ri数均随高度增加的情况下才有一定的简单关系。     

海面与海岸陆面风速廓线特征

利用位于江苏海岸陆地的两座测风塔以及福建海面的一座测风塔气象要素资料,分析了这两种下垫面风速、湍流等要素的日变化规律及廓线特征,探讨了这两种不同下垫面特征导致的风力特征差异。结果表明:海岸陆面日最大风速出现时间较内陆滞后,最小风速出现时间与内陆相差不大,风速日变化位相随高度滞后,日振幅随高度减小,冬季70 m高度风速日变化特征与10 m高度风速日变化特征相反,夜间大于白天,说明冬季的过渡层转换高度低于夏季;海面风速的日变化位相、日振幅等特征随高度变化很小。两种下垫面的风廓线用对数律、指数律拟合的效果相当,海岸陆面的风廓线指数呈现的规律为离岸风组大于向岸风组,冬季大于夏季;海面风廓线指数呈现的规律则是向岸风组大于离岸风组,夏季大于冬季。     

环渤海区域强风过程的气候特征模拟分析

采用欧洲中期天气预报中心ERA-interim再分析资料驱动WRF模式,对环渤海区域1981—2012年123次强风过程进行了模拟,并对不同天气系统形势下环渤海区域强风过程的气候特征进行了分析,得到以下结论：1）WRF数值模式可以较好地模拟环渤海区域强风过程的发展演变特征。2）西北路冷锋过程引起的环渤海区域强风强度较其他过程偏强,强风集中在辽东半岛西部、渤海海峡和山东半岛东部。黄河气旋引起的强风过程与冷锋相比,分布特征有着明显的不同,强风主要集中在山东半岛东部及黄海海域,渤海海域的强风相对偏弱。3）强风过程存在明显的季节变化,秋冬季强风持续时间长,风速大,春季次之,夏季最弱。4）强风过程在渤海海域的最大风速呈增加趋势,而在渤海海峡以东海域和山东半岛南部呈减小趋势。     

2019年冬季北京海陀山局地环流特征及机理分析

海陀山作为北京冬(残)奥会的主要室外赛场之一,其复杂的地形对风场的精细化预报提出了严峻的挑战,亟需开展加密的风场观测提高对复杂地形下局地环流特征及其影响机理的认识,并为提升赛区精细化预报与服务提供数据支撑.基于2019年度海陀山观测试验,利用加密自动气象站、激光测风雷达、涡动相关仪、云高仪等多源数据,对海陀山风场的水平...     

延庆-张家口地区复杂地形冬季山谷风特征分析

基于2016年12月—2017年2月和2017年12月—2018年2月两年冬季的近地面自动气象站逐时观测数据以及张家口探空数据分析延庆-张家口一带（包括张家口崇礼、赤城、海坨、小五台山区,延怀、怀涿、洋河、蔚县盆地以及北京延庆、昌平、怀柔部分平原地区）复杂地形的风场精细化时、空分布特征,揭示不同复杂地形下局地风场的时、空变化规律,加深对复杂地形动力、热力作用对近地面风场影响的认识,为冬季山区风场预报以及复杂地形数值模式改进提供参考。结果表明:晴朗小风天风持续性作为矢量平均风速和标量平均风速的比值,可以作为研究风场变化规律的重要参数。根据风持续性的日变化特征,可以将研究区域内所有站点分为10种类型,分别代表不同局地地形特征的影响,风持续与风向变化的相关也很强。研究区域主要有3种类型的地形风:斜坡风、峡谷风以及较大尺度的山区平原风。不同地形特征下的风场、风持续性存在明显不同的日变化特征,山风和谷风相互转化的时间也不同,山区最早,盆地次之,平原区最晚;山风时段持续时间较谷风时段长,风速小;晴朗小风天实测风反映了实际风场的特征,而排除环境背景风场,弱化地形动力作用后整个冬季的局地风作为理论山谷风,更能反映热力作用下的山谷风特征。      

长沙机场阵列天气雷达风场验证

利用2019年4—9月高时空分辨率的长沙机场阵列天气雷达资料开展三维变分（three-dimensional variational data assimilation,3DVAR）风场反演研究。为验证该算法的反演效果,选取外场试验中10次降水过程,在阵列天气雷达的三维精细探测区内,采用阵列天气雷达合成风场和1部L波段边界层风廓线雷达产品作为参考值对阵列反演风场进行验证评估。结果表明:在稳定性降水条件下,阵列反演风场与阵列合成风场、风廓线雷达产品的结果较为一致;在对流性降水条件下,由于不均匀性会造成风廓线测风精度下降,风廓线雷达产品与阵列反演风场和阵列合成风场差异较大。阵列反演风场与阵列合成风场在稳定性、对流性降水条件下水平风速相对偏差分别低于19%,29%,水平风向差分别低于14.92°,26.35°,稳定性降水条件下阵列反演风场更优,误差在可接受范围内。两种算法得到的风场结构符合各类天气系统的基本特征,水平风场空间分布和风速、风向非常接近。     

庐山雨凇积冰日数变化特征及其与海气场关系

利用江西省气象信息中心提供的1970-2016年逐日庐山站电线积冰、NOAA重构延长的逐月海表温度(SST)及NCEP再分析风场等资料,采用线性趋势分析、Man-Kendall检验、Morlet小波分析、合成分析等方法,研究了庐山雨凇积冰日数的变化特征及其与海气场的关系,结果表明:1)庐山雨凇积冰基本发生在当年11月至次年3月。2)雨凇积冰日数总体呈显著下降趋势,且在1981年和2001年分别存在一显著突变,即1970-1980年庐山雨凇积冰日数异常偏多,1981-2001年庐山雨凇积冰均值基本接近常年,2001-2005年庐山雨凇又异常偏少。3)庐山雨凇积冰日数存在2~4年、6~8年及20年左右的振荡周期,2~4年周期变化在20世纪70年代、80年代末到90年代末及2005年以后振荡显著。4)庐山雨凇积冰异常偏多年代,前期410月整个热带太平洋海温异常偏低,同期113月庐山受贝加尔湖异常反气旋东南侧东北气流和来自东太平洋偏南气流的共同影响,有利于出现雨凇积冰。     

大连机场典型低空风切变的成因分析

风切变是指空间两点之间的风的矢量差,风切变分为水平风切变和垂直风切变。航空气象学中,低空风切变通常是指近地面600 m高度以下的垂直风切变,低空风切变严重危害航空活动安全,尤其是在飞机起飞和着陆阶段。为了提高对低空风切变的预报准确率和提前预警时间,利用大连机场话音方式航空器报告统计大连机场出现的低空风切变特点。大连机场低空风切变出现最多的季节是秋末和春季,其中以西北大风和偏北大风造成的低空风切变最为典型,这种切变常常出现在地面风向为360°或350°、平均风速9 m·s^-1、阵风风速16 m·s^-1的观测时次附近。选取3个大连机场典型低空风切变的天气个例,利用NCEP/NCAR FNL(1°×1°)资料分析大连机场出现典型低空风切变时的天气形势特点,利用WRF模式输出资料,分析了大连机场出现典型低空风切变时低层的风场特征。分析结果表明,WRF模式输出的风场变化较小,不能体现低空风切变的突变特征,利用模式输出资料计算得到的反映偏差风相对大小的I值与风切变的出现有明显关系,当I大于0.5且逐渐增加时,容易出现低空风切变,当I小于0.5且逐渐减小时,不易出现低空风切变,可以利用I值及其变化情况进行风切变的预报预警。     

山东沿海风能资源分布特征及评估

利用山东省沿海测风塔70 m高度完整1 a的观测资料计算分析风能资源参数特征.结果表明：山东沿海地区平均风速与有效风功率密度分布特征相似,烟台沿海区域平均风速及有效风功率密度最大分别达到6.7 m/s、463.5 W/m²,沿海北部地区风能资源最为丰富,日照地区最少;受海陆风作用,春季风能资源最好,其次是冬季,夏季最差,风速最大值基本出现在14-16时;年有效风能时数及百分率分别为7 440 h、85%;风能密度分布基本以偏北或偏南方位较大.沿海区域风能资源分布特征与长年代评估结果及数值模拟结果基本一致.     

利用激光雷达判别机场晴空风切变事件成因

为了研究高原机场的风切变特征,本文利用丽江机场自动观测站资料、NCEP再分析资料,引入三维激光雷达测风资料,对丽江机场2020年3月29日晴空低空风切变特征进行分析。结果表明,此次低空风切变过程主要是受地面变压风辐合、地面增温湍流加强以及动量下传等因素共同影响而形成的。风切变发生期间低空环境风场与地面风场变化基本吻合。5次低空风切变事件中,出现在11:00—12:20风向转变期间的2次风切变为侧风风向切变,出现在12:20—14:20风速逐渐增大期间的3次风切变为风速切变。风切变指数均大于0.1(1/s),切变强度为中度及以上,严重影响飞行安全。研究结果为机场风切变的激光测风雷达监测预警提供了参考依据。     

风廓线仪系统探测试验与应用

在简述大气风廓线仪和电声探测系统结构及探测原理的基础上, 对廓线仪探测资料与同步探空仪资料进行了对比, 验证了风廓线仪资料的可信度, 并应用风廓线资料分析了梅雨锋期间中尺度降水的对流特征和相关问题。结果表明:大气风廓线仪对水平风的垂直结构有较强的探测能力, 能实时监测中尺度降水期间风的垂直切变和对流特征, 有助于提高临近天气预报的精度, 准确预报降水。     

近50年我国风向变化特征

利用我国基本和基准气象台站1956—2005年的一日4次风向和风速资料, 对近50年我国风向变化做了尝试性分析。分析发现:我国大部分地区年最大风向频率呈减小趋势, 其中西北、华南和西南地区最大风向频率减小趋势最为显著, 只有西部个别地区略有增加; 全国大部分地区年最大风向频率对应的风速均呈明显的减小趋势。同时, 年最大风向频率对应的风速减小趋势比年平均风速的减小趋势更为显著, 最大风向频率对应的风速减小是平均风速减小的主导因素; 我国冬季主要盛行的偏北风和夏季主要盛行的偏南风都呈明显的减小趋势。偏北风（冬季）和偏南风（夏季）的减小主要是亚洲冬季风和夏季风减弱造成的。