测风激光雷达与风廓线雷达的探测性能评估及数据融合

测风激光雷达和风廓线雷达作为L波段探空测风的有效补充,均可以提供高时空分辨率的大气风场信息,然而由于工作原理和适用条件存在明显差异,在探测性能上各有优缺点,单一设备的探测数据已不能满足精细化预报的要求。本研究使用2020年1—5月北京南郊观象台的L波段探空资料对同址观测的测风激光雷达和风廓线雷达进行了数据质量评估,结果表明测风激光雷达与探空的一致性较高,U、V分量的相关系数分别为0.97和0.98,均方根误差分别为1.1和0.95 m·s-1,然而在2 km以上数据获取率较低且偏差较大;风廓线雷达与探空相比,U、V分量的相关系数分别为0.94和0.93,均方根误差分别为2.94和2.91 m·s-1,风廓线雷达的探测距离虽然更远,但在0.5 km以下和6 km以上的测量偏差较大。考虑到两种测风雷达在不同探测高度上的性能优缺点,提出分段曲面拟合法对两者的水平风资料进行融合处理,并选取个例对融合效果进行验证,结果表明,融合后的风廓线与融合前相比,风向和风速的一致性均得到明显提升。     

强台风海葵登陆前后强度变化的观测分析

1211号台风海葵强度强,在近海及登陆前后中、日、美三个国家的业务定强差别较大。云图分析“海葵”强度强,近海后云顶亮温长时间在-70℃以下。雷达资料表明“海葵”登陆前后,结构对称,眼区清晰,范围增大。登陆点附近沿海测站出现了长时间的强大风,过程13级及以上阵风共持续了26 h,东矶、大陈、石浦最大风速的极大值分别是：46.9、39.4和36.8 m·s-1。风场垂直分布差别500 m以内普遍在7~8 m·s-1。这些陆基观测资料表明“海葵”可能达到了强台风标准,中央气象台定强是合理的。近海或登陆台风强度的确定在使用Dvorak技术的基础上,还应更多地参考陆基探测资料。     

闽北地区边界层移动风廓线雷达对比试验评估

为了更好地把握风廓线雷达的探测性能和数据精度,对移动风廓线雷达与L波段探空雷达资料进行对比统计分析,结果表明：移动风廓线雷达的有效数据获取率达到80％的高度为3500m,符合边界层风廓线雷达的有效探测高度。移动风廓线的径向速度平均差和标准差随着高度的增加而增加,东西方向的径向速度误差比南北方向的高约0．5—1．0m／s。风廓线雷达自身数据的准确性良好,但是降雨对数据的准确性影响比较大。这次对比试验结果表明,对比试验应该选择比较平稳的天气过程。由于秋冬季节大气环流比较稳定,降雨类型多为层状云降雨,因而风廓线雷达数据可靠性高;对流性降雨过程往往造成风廓线雷达资料可靠性降低。     

丘陵地区边界层风廓线雷达数据统计特性分析

采用数据获取率来分析和评价风廓线雷达的探测能力, 对通过2012年的风廓线数据进行统计分析。结果表明:数据获取率和信噪比都随季节变化, 夏季探测能力大于冬季。按照数据获取率达到80%的要求, 确定边界层风廓线雷达无降雨天气有效探测高度为3 km, 并确定低模和高模最佳衔接高度为0.6 km, 能够获得更好的数据获取率。在无降雨天气, 信噪比随高度呈现对数函数单调递减的变化规律, 夏季信噪比的衰减程度比冬季大;在降雨天气, 信噪比随高度呈现一次函数的变化规律, 其斜率范围在-10.44~-2.47之间, 而夏季信噪比的衰减程度比冬季小。     

两部近距离风廓线雷达资料的对比分析

在不同天气条件下,对大连市金州区固定式风廓线雷达和大连市新机场车载移动式风廓线雷达资料进行对比分析,研究结果表明:1)随着数据的可信程度越高,两组探测风速的相关性越好,标准差越小,两种风廓线雷达资料质量可信的风速数据,相关系数达到了0.92,标准差为4.31 m/s。2)质量可信的两组风速数据,绝对误差小于3 m/s的累计概率达到了92%。3)随着高度的增加,两部风廓线雷达探测的风速偏差增大,在1 km以下偏差增大的幅度较大,3 km以上增加的幅度较小。在1 km以下随着高度的增加,两组探测风速的相关系数明显的增大。4)在探测数据完整度和可信度高的情况下,在大风天气、气旋系统、强冷空气天气过程中,两部风廓线雷达的探测风速,均表现出了较高的一致性,随着高度的增加,这种一致性表现出减小的趋势,多表现在4 km以上一致性较差。     

利用两类雷达探测资料分析超强台风“威马逊”登陆期间结构演变特征

利用实时多普勒天气雷达、边界层风廓线雷达和自动站资料对超强台风“威马逊”第4次登陆广西沿海时台风结构的演变特征进行研究,结果表明：台风眼区气压呈“漏斗”形变化,具有气压低、风速弱、空气干而暖的特征;登陆过程中眼区保持圆形,半径约为30 km,是典型强台风结构;天气雷达径向速度大风区具有非对称性,右象限大于左象限;风廓线雷达水平风场能够精确、直观地描述台风不同部位经过测站时的垂直结构特征,从低层到高层风向先后经历了“东北风—东风—东南风—南风”的转变过程,风速整体上呈现随高度先增大后减小的特点,其垂直速度和大气折射率结构常数(C2n)能够很好地反映台风的结构及其云和气流的变化特征;两种雷达风场产品的风向一致,但是VWP产品的风速比风廓线雷达的要小,VWP产品出现无效数据时,可以用风廓线雷达产品作为补充。     

风廓线雷达与多普勒天气雷达风矢产品对比及相关分析

利用成都地区2010年8月和北京沙河地区2011年7—8月风廓线雷达以及多普勒天气雷达的风廓线探测资料,结合对应时段的天气现象相关记录,通过对比分析得到以下结论:①弱降水条件下,在300~2100m高度内,风廓线雷达与多普勒天气雷达探测具有很好的相关性,风向相关系数平均值为0.596,风速相关系数平均值为0.736,在做预报时两者可以同时应用,互为补充;②强降水天气条件下,风廓线雷达与多普勒天气雷达探测的风向、风速变化趋势基本一致,特别是在300~2100m之间各个高度上风向、风速相关性较好,风向相关系数平均值为0.573,风速相关系数为0.508,且风廓线雷达比多普勒天气雷达探测到的各层风向、风速变化更为详细、直观;③阴天条件下风廓线雷达与多普勒天气雷达的风向、风速相关性低层比高层好;④晴天条件下,风廓线雷达更适合用于预报和监测天气。     

登陆台风启德近地层强风特性观测研究

根据Airda3000Q型边界层风廓线雷达获取的台风启德(1213)强风观测数据,分析了强风条件下的近地层风廓线特征,发现以下观测事实:台风中心经过前后风速呈现尖耸的"M"形双峰变化,台风眼壁强风区风速最大,台风眼区经过前后100m高度极大10min平均风速分别为35.7、35.4m/s,眼区经过时出现最小风速为16.2m/s;而风廓线幂指数α则呈现比较平缓的"M"形双峰变化,风廓线幂指数α出现极大值的时间比风速出现极大值的时间分别提前约1h和延后3.5h,台风眼区经过时风廓线幂指数α接近最小,甚至出现负值;台风影响期间,风的垂直变化主要发生在200m以下的低空,风的垂直变化率有波动,最大值出现在台风眼壁强风区和台风中心过境后的外围大风区。     

不同台风降水强度下风廓线雷达适用性

以2019年8月在浙江舟山对1909号超强台风“利奇马”的移动观测试验为基础,利用同一地点释放的9次GPS探空气球,对比了风廓线雷达和多普勒激光测风雷达与GPS探空的吻合程度,并利用车载雨滴谱仪对风廓线雷达在不同台风降水强度下的适用性进行了研究。结果表明,在100~300 m高度范围内激光测风雷达观测风速比风廓线雷达更准确。由水平风速对比结果可知,风廓线雷达在3~4 km高度范围内偏差最小(3.59 m/s),相关性最高(0.86),而在1 km高度下偏差最大(6.39 m/s),相关性最低(0.54);在中雨及大雨条件下适用性最差,最大风速偏差约为18 m/s。由水平风向对比结果可知,风廓线雷达与GPS探空总体上吻合较好,相关系数均大于0.85,均方根偏差均小于11 °。另外,降水强度对风廓线雷达的风向观测影响较小,风向偏差随降水强度的变化总体趋于平稳,基本分布在-20 °~20 °之间。      

丘陵地区大气边界层风廓线雷达适用性分析

本文利用2010年夏季福建省三明市开展的大气扩散实验资料,研究了大气边界层风廓线雷达在福建丘陵地区的适用性,并探讨了风廓线雷达探测的误差特征和修正方法。结果表明：大气边界层风廓线雷达水平风场的探测结果在300~2 000 m高度范围的偏差与高度和风速具有一定统计关系;通过与100 m气象铁塔水平风场资料对比,说明风廓线雷达对丘陵地区低层大气风场的探测具有一定局限性。经过修正的风廓线雷达探测结果可以较好地反映实验区域大气边界层水平风场的垂直结构。     

基于均生函数的风电场风速短临预报模型

风电场风速短临预报是风电预报业务的重要环节之一.选取2011年1、4、7和10月河北及内蒙古两地的两座测风塔观测资料,综合采用均生函数、灰色关联度和多元回归等多种统计预报方法,建立了一套分站点的、15 min动态滚动的未来0～4 h风速短临预报模型.实际对比分析表明,所建模型比传统ARMA模型的月平均预报误差减少了2.2％～10.8％,在实际中具有重要的应用价值.     

陆/海风电场群对局地湍流和风切变影响差异初步分析

风电场存在着明显的局地气候效应，但陆/海两种不同类型风电场是否存在局地风环境效应的明显差异？以河北尚义陆地风电场和江苏如东海上风电场为例，利用风电场周边气象站及测风塔典型年份观测资料，开展了陆/海风电场对湍流强度（TI）和风切变指数（WSE）的影响差异初步分析研究。研究结果表明：陆/海风电场对TI和WSE会产生显著影响；其中，陆/海风电场对TI均为增强效应，建设后年均TI分别增加31%和37%，最大增幅分别发生在春季（47%）和冬季（49%）；影响差异主要为陆地风电场TI增幅在高层明显大于低层，夜间大于白天，而海上风电场不同高度TI增幅及日变化则较为平稳；陆/海风电场对WSE影响差异显著，陆地风电场建设后WSE白天增加、夜晚降低，日变化明显减小，年均降低8%，最大降幅发生在秋季（12%）；海上风电场建设后WSE白天、夜晚均明显增加，年均增加24%，最大增幅发生在春季（37%）。     

西北太平洋热带气旋强度与环境气流切变关系的气候分析

采用NCEP/NCAR再分析资料和JTwC(美国关岛联合台风警报中心)资料,对1974～2004年5～10月西北太平洋热带气旋(TC)强度和环境风垂直切变进行了趋势特征、振荡周期和空间结构分析.结果表明:西北太平洋热带风暴强度以上TC的最大风速和环境风垂直切变在时间上有相反的变化趋势,弱的环境风垂直切变有利于TC强度的增大;前12 h的环境风垂直切变对TC强度的发展影响最大.环境风垂直切变在两北太平洋TC最强的年份表现为环境风切变值小,TC发生密集;最弱的年份表现为环境风切变值大,TC发生稀疏.     

北京地区夏末秋初气象要素对PM2.5污染的影响

利用北京宝联站及北京上甸子大气本底站2006-2008年的7-9月PM2.5连续观测资料以及北京市观象台的探空数据、海淀气象站的风廓线雷达和降水量等资料,对北京地区夏末秋初PM2.5的质量浓度特征及其与气象要素的关系进行了统计分析.结果表明:城区站各月平均PM2.5质量浓度明显高于郊区站,高空偏南气流的输送是造成城区及本底地区出现细颗粒物污染的主要原因.从地面风速来看,城区当北风和南风分别达到2m·s-1和3.5 m·s-1以上时能起到扩散作用;郊区在低风速的北风条件下也能起到扩散和稀释作用,而南风基本上对郊区的颗粒物无扩散作用.PM2.5质量浓度在降水前后的清除量与降水量、初始质量浓度均呈正相关关系,城区及郊区的云下清除过程更多取决于降水前污染物的浓度,降水量作用较弱.当混合层高度突破1500 m时,垂直扩散对污染物的稀释扩散效果明显.     

风廓线雷达与天气雷达风廓线数据的融合及应用

风廓线雷达与多普勒天气雷达风廓线产品均可以获取高时间分辨率的高空风信息,但两种遥感测风的探测原理及时空代表性不同。在对风廓线雷达进行质量控制处理、剔除降水粒子空间不均匀分布对数据可信度影响之后,根据风廓线雷达与天气雷达风廓线数据探测原理差异,进行不同时间代表性的风廓线数据的空间匹配试验,确定与天气雷达风廓线数据进行融合的风廓线雷达数据最优时间分辨率,结果为1 h。利用2015年7月北京南郊观象台的探空、风廓线雷达、天气雷达测风数据进行三种高空风的一致性比对,结果表明三种测风数据具有较好的一致性,均方根误差分别为2.3和2.5 m·s~(-1);60、30以及6 min不同时间代表性风廓线雷达数据与天气雷达风廓线数据之间的均方根误差分别为2.6、2.8及3.1 m·s~(-1),60 min数据的融合效果最佳,低空尤其明显。利用广东省2014年5月的风廓线雷达观测网以及天气雷达网风廓线数据进行了高空风场的融合分析试验,融合分析场提供了更为丰富的高空中尺度水平风场信息,低空的涡旋更加明显。     

河北省干热风对小麦千粒重影响分析

利用河北省冬麦区1971~2005年5月10日至6月10日逐日降水、气温、湿度、风速及1981~2005年逐年小麦千粒重等资料,采用小波分析、回归分析等统计方法,对冬麦区35年来干热风时空分布、周期等特征进行分析;同时还就河北省干热风对小麦千粒重的影响进行了初步分析。分析表明:轻度和重度干热风年平均发生日数分布具有一致性,而轻度和重度干热风的年代际变化等也具有相同特征,干热风总日数与小麦千粒重具有负相关关系。     

地面风对上海城市热岛影响的观测分析

首先利用上海77个区域站2011—2014年逐时气温和风资料,研究了地面风对上海城市热岛(urban heat island,UHI)的影响及UHI季节性空间分布特征的成因,并从海陆热力差异初步揭示了向岸风对热岛强度(urban heat island intensity,I_(UHI))的影响。其次利用上海7个国家站1961—2014年逐月气温和风资料,研究了上海各季地面风速与I_(UHI)的年际变化关系。结果表明:(1)UHI中心出现的位置与风向、风速有密切的关系,特别是夜间UHI中心有向城市下风方向漂移的特征,其平均漂移风速阈值为2 m·s~(-1),UHI区域随风速增大向城市下风方向延伸,I_(UHI)随风速的增大而减小。(2)上海各季夜间UHI特征明显,尤以秋冬季最为明显,春季次之,夏季最弱。春夏季夜间UHI中心出现在城区西北侧,而秋冬季夜间UHI中心稳定在城区,表现为典型UHI。各季白天均表现为下风方大范围增暖现象。季节地面盛行风决定了UHI季节性空间分布特征。(3)白天向岸风具有抑制升温作用(春夏季最为明显),受其影响气温大值区易出现在内陆地区,春夏季城市偏东区I_(UHI)小于偏西区;夜间向岸风具有抑制降温作用(秋冬季最为明显),受其影响秋冬季东部沿海地区出现明显增暖且城市偏东区I_(UHI)大于偏西区。海陆热力差随季节不同和盛行风风速大小决定了向岸风这种作用的大小及影响范围。(4)各季年平均地面风速与I_(UHI)均呈显著负相关,1961—2014年上海各季风速均表现为递减趋势(春冬季最明显),为I_(UHI)增大提供有利条件。21世纪以来各季I_(UHI)均呈现减缓特征(夏秋季最明显),风速并不是导致I_(UHI)减缓的主要因素。     

A Statistical Analysis on the E ect of Vertical Wind Shear on Tropical Cyclone Development

Using tropical cyclone (TC) best track and intensity of the western North Pacific data from the Joint TyphoonWarning Center (JTWC) of the United States and the NCEP/NCAR reanalysis data for the period of 1992-2002, the effects of vertical wind shear on TC intensity are examined. The samples were limited to the westward or northwestward moving TCs between 5°N and 20°N in order to minimize thermodynamic effects. It is found that the effect of vertical wind shear between 200 and 500 hPa on TC intensity change is larger than that of the shear between 500 and 850 hPa, while similar to that of the shear between 200 and 850 hPa. Vertical wind shear may have a threshold value, which tends to decrease as TC intensifies. As the intensifying rate of TC weakens, the average shear increases. The large shear has the obvious trend of inhibiting TC development. The average shear of TC which can develop into typhoon (tropical depression or tropical storm) is below 7 m s-1 (above 8 m s-1).     

Improved Wind and Precipitation Forecasts over South China Using a Modified Orographic Drag Parameterization Scheme

To improve the wind and precipitation forecasts over South China, a modified orographic drag parameterization(OP) scheme that considers both the gravity wave drag(GWD) and the mountain blocking drag(MBD) effects was implemented in the Global/Regional Assimilation and Prediction System Tropical Mesoscale Model(GRAPES-TMM). Simulations were performed over one month starting from 1200 UTC19 June 2013. The initial and lateral boundary conditions were obtained from the NCEP global forecast system output. The simulation results were compared among a control(CTL) experiment without the OP scheme, a GWDO experiment with the OP scheme that considers only the GWD effect, and an MBD experiment with the modified OP scheme(including both GWD and MBD). The simulation with the modified OP scheme successfully captured the main features of precipitation, including its distribution and intensity,and improved the wind circulation forecast in the lower troposphere. The modified OP scheme appears to improve the wind forecast by accelerating the ascending air motion and reinforcing the convergence in the rainfall area. Overall, the modified OP scheme exerts positive impacts on the forecast of large-scale atmospheric fields in South China.     

副热带北太平洋大气季节内振荡时空特征的诊断研究

用时空谱分析和小波变换方法,对1958—2002年NCEP/NCAR再分析资料经、纬向风速和位势高度的年时间序列进行了波谱分析,并重点研究了北太平洋副热带区域经向风30—60天振荡(ISO)的时空特征。研究结果表明,北半球经向风与纬向风和位势高度的30—60天振荡特征迥然不同,代表风场经向低频扰动的经向风ISO在副热带和中高纬度最为活跃,而在热带地区的活动十分微弱;北半球副热带850 hPa高度场和纬向风在10—90天内(季节内)振荡的主要能量集中在纬圈波数为1、周期为30—60天的波动上,而850 hPa经向风季节内振荡的主要能量集中在纬圈波数为4—6、周期为30—60天以及70—90天的波动上,上述3个物理量30—60天振荡向西传播的能量都强于向东传播的能量。一年当中,东亚到北太平洋的副热带地区,经向风ISO在东亚—西北太平洋与东北太平洋两个区域的活动最强,且在这两个区域存在明显的季节振荡,即东北太平洋的ISO在冬季最强在夏季最弱,而东亚—西北太平洋区域的ISO在夏季最强冬季最弱。850 hPa经向风ISO的年际和年代际变化分析表明,在东亚副热带区域其活动1958—1975年较强,1976—1990年明显减弱,而1991—2000年最强;其在ENSO发生期间有较为明显的异常活动,但其强弱变化没有显著的定势,然而2—7年的带通滤波分析表明西北太平洋ISO的年际活动含有较显著的ENSO信号,9年的低通滤波分析表明,年代际时间尺度上,西北太平洋ISO的活动与ENSO循环有较为显著的反相关特征,而东北太平洋区域ISO与ENSO循环有较为显著的正相关关系。