基于旋翼无人机的大气边界层环境气象垂直观测及订正方法的研究

基于旋翼无人机开展大气边界层观测可为气象要素和大气污染物垂直结构的研究提供具有高时空解析能力的新方法,有助于深入理解低层大气物理化学变化机制。本文详述了旋翼无人机在开展大气边界层环境气象垂直观测实验的应用及优势。基于自主研发的旋翼无人机环境气象观测平台,通过开展传感器在无人机上不同的搭载位置,以及旋翼无人机与探空气球、高塔的对比观测实验,明确了旋翼无人机对气象环境观测的影响及合理的搭载方式。研究进一步在湖北重污染天气条件下开展了0—1000 m的大气边界层垂直观测,并研发了基于旋翼无人机姿态数据的大气边界层气象要素及污染物垂直观测的订正方法。结果表明:实验获取了2—10 m垂直分辨率的高质量大气廓线数据,可精细捕捉大气边界层及其逆温层高度和污染物浓度等要素的垂直变化特征。本文旨在为无人机观测的科研应用提供一种技术可行且数据可靠的观测手段。     

高速公路交通事故与气象条件的关系研究

恶劣天气是高速公路交通事故发生的重要诱因。为了解气象条件对高速公路交通事故的影响程度,基于2006—2008年汉宜高速公路交通事故数据,统计分析了该路段交通事故的月际和日变化特征,利用事故率和日交通事故指数区分定义了交通事故频次和灾害严重程度,采用多项式曲线拟合了气象条件与事故指数的关系,确定了事故突发增长的临界气象指标。结果表明:汛期5—9月是汉宜高速公路交通事故高发时期,冬季其次,春季3—4月及秋季10—11月事故发生较少。高速公路交通事故存在明显日变化特征,03—04时和14—17时为事故高发时段。汉宜高速公路交通事故频率主要受中到大雨和夏季高温天气的影响,事故灾害严重程度主要受强降水和冬季低温天气的影响。大风强降水天气条件下的事故率要高于一般强降水条件下的事故率,夏季潮湿、闷热天气条件下的事故率要高于一般高温天气条件下的事故率。当高速公路沿线平均日雨量达到中到大雨时,事故率达到高峰;当沿线平均雨量超过20 mm时,事故灾害突发严重。当公路沿线平均高温超过33℃时,事故率突发增长;0~3℃的低温对事故灾害程度影响较大。     

湖北省夏季降水日变化特征

利用2001—2014年湖北省77个气象观测站的整点逐时降水数据,通过划分不同区域和三种量级降水的方法,分析了夏季(6—8月)降水日变化特征。结果表明:1)湖北省夏季降水日变化特征非常明显,降水量曲线呈双峰结构,峰值出现在08时和17时(北京时间,下同),降水频次与降水强度均呈现"一主一次"的双峰结构,这主要与青藏高原东移来的天气系统自西向东的滞后性以及局地热力强迫有关,发生在傍晚(15—18时)的降水强度有明显的年际增强趋势。2)湖北省降水日变化特征区域差异显著,鄂西北与鄂西南降水峰值主要出现在傍晚和夜间,谷值出现在正午,鄂东三个区域的降水峰值出现在上午和傍晚,谷值出现在午夜。3)近14 a强度为0~20 mm/h的降水呈现减少趋势,主要发生在鄂西地区。其日变化曲线为"一主一次"的双峰结构,主(次)峰值出现在07(17)时。与之相反,短时强降水(≥20 mm/h)的发生概率东部大于西部,平原大于山区,有增加趋势的站点占总站点数的53.24%,峰(谷)值出现在17(12)时。短时特大强降水(≥50 mm/h)峰值出现在15—20时,03—14时出现概率较低。     

WRF模式模拟的地表短波辐射与实况对比分析

利用中尺度数值模式WRFV3对2009年1、4、8和10月进行了约4个月的逐日（0～36小时）到达地表短波辐射模拟,将输出结果转换成逐小时太阳总辐射,并以武汉站为例,与地表实测逐小时总辐射值进行对比分析。结果表明：（1）模拟结果与观测结果有较好的对应关系,4个月的日间模拟和观测值的相关系数均在0.8以上,均通过了置信度0.01的显著性检验。（2）日间各时刻模拟值与实况相比,平均预报误差早晚小,中午大;平均绝对误差变化趋势与平均预报误差相同,平均绝对百分比误差则一般早晚大,09—15时较小且变化幅度小,可信度高于其他时刻。（3）WRFV3模式对太阳总辐射,在各种气象条件下均有一定预报能力,尤其以晴天表现最佳。距直接使用模式输出的地表短波辐射结果作为光伏发电系统初值用于发电量预报还有一些误差,可以尝试采用误差订正等方法修订,提高数值预报结果的可用性。     

中国夏季降水多模式集成概率预报研究

基于TIGGE资料中的中国气象局（CMA）、欧洲中期天气预报中心（ECMWF）、日本气象厅（JMA）、美国国家环境预报中心（NCEP）以及英国气象局（UKMO）五个中心2007-2011年5月25日-8月31日中国地区逐日12-36 h、36-60 h、60-84 h、84-108 h、108-132 h与132-156 h累积降水集合预报资料,分别利用PoorMan （POOL）和多模式消除偏差（MBRE）两种方法对2011年各中心降水概率预报进行集成,并采用RPS和BS评分方法对预报效果进行评估。结果表明,对于12-156 h逐24 h累积降水量概率预报,多模式集成预报效果优于单模式预报效果,且多模式消除偏差概率预报效果最好;针对小雨、中雨以及大雨以上降水,PoorMan和MBRE概率预报较单中心预报效果均有提高,MBRE概率预报效果优于PoorMan方法。     

2013年湖北一次大暴雨β中尺度分析和模拟诊断

利用地面加密自动站资料、FY 2E卫星TBB和NCEP/GFS 0.5°×0.5°分析场资料,对2013年7月5—6日发生在湖北鄂东的大范围暴雨过程β中尺度系统活动特征进行了研究,并利用WRF中尺度模式输出的高分辨率资料进行诊断分析。诊断分析表明：该次鄂东大暴雨过程发生在深厚低槽前正涡度区、低空切变线前部急流核附近与高空强辐散气流以及不稳定能量重合区域中,暖湿气团的抬升凝结高度较低,具有较高的降水效率;产生暴雨的直接原因是由3个不同时间和地域的近圆形β中尺度对流系统先后移动经过形成;采用WRF中尺度模式对这次大暴雨过程做了数值模拟,中尺度模式模拟总水物质（水汽+云水+云冰+雨水）通量散度降水率的诊断分析,得出7月5日夜间β中尺度对流系统中有多个γ小尺度单体活动,此物理量值一定程度上可以定量估算雨团的小时雨强,而模拟最大可能对流可降水率的诊断分析,可以反映雨团内部的水汽、热力条件与降水量之间关系。     

基于 ＩＰＣＣ-ＡＲ４模式资料的地面气温超级集合预测

利用参与IPCC-AR4的8个全球气候系统模式对20世纪气候模拟情景下地面气温的模拟结果,对其进行多模式集成处理。在此基础上,对这些全球气候系统模式在各种能源之间的平衡（A1B）情景下2010—2030年的地面气温进行多模式超级集合预测。结果发现,8个全球气候系统模式模拟的地面温度均方根误差都比多模式简单集合平均的大。超级集合相对于各个模式及简单集合平均的模拟效果更好,其均方根误差比最好的模式误差减小了13℃。在A1B情景下,超级集合预测未来20 a北半球平均地面气温将普遍升高,大洋上的增温幅度比陆地上小。中国东部地区以及青藏高原、新疆大部未来20 a气温将明显升高,内蒙东部和辽宁西部最高升温可达20~24 ℃,其余地区升温在20 ℃以内。     

2015年冬季湖北省PM2.5重污染传输特征及影响天气系统的数值模拟

为了研究湖北省两种污染来源的重污染天气特征及其形成机制,采用WRF/Chem零排放情景模拟方案,将2015年冬季湖北省PM2.5模拟浓度分离为外源传输量和本地累积量,基于对数值模拟结果的统计分析,确定了湖北省污染传输通道和外源传输贡献率,研究了敏感区天气系统对两种污染来源的影响作用。结果表明,外源污染物输送在湖北省内有两条主要通道,一是由南襄盆地夹道直接输送汇入江汉平原,二是沿京广线从信阳到随州、孝感、武汉至江汉平原。湖北长距离跨区域传输的潜在污染源区为河南、安徽、江苏、山东等地。2015年冬季湖北省17个地（市）平均外源贡献率为42%,而对于重污染过程,平均外源贡献率高达66%,外来源输送对湖北重污染过程贡献非常显著。对外源传输型,我国东南地区为主要敏感区,气压（气温）变化与PM2.5输送显著负（正）相关,对维持南、北两支矢量带（PM2.5输送与风场相关）,推动偏南和偏东气流起到积极作用。此外,伊朗高原天气系统通过上下游效应对东亚地区大气环流起到一定影响,从而也间接影响了区域污染输送。对本地累积型,冬季风环流系统为主要影响天气系统,在弱的冬季风环流形势下,蒙古高压系统偏弱、西太平洋地区海平面气压值偏高,对应湖北本地累积污染总量贡献大。     

利用Logistic回归方法的高速桥（路）面结冰风险等级预警模型

为提升湖北省高速公路交通气象预报服务能力,丰富高速公路沿线桥、路面结冰预警预报产品,开展特色专业气象服务,利用武英高速凤凰关交通气象站2009—2011年3年冬季桥、路面温度观测数据,基于Logistic回归模型解析了桥、路面结冰温度条件频率随环境气温的变化规律,建立了道路结冰温度条件风险概率模型,并由此构建了武英高速桥(路)面结冰风险等级预警模型,得到以下结论。武英高速公路桥面先于路面结冰的临界环境气温存在2℃差效应,桥(路)面结冰温度条件的低、中、高风险频率对应环境气温3基点为1℃(-1℃)、-0.6℃(-2.7℃)、-2.2℃(-4.4℃)。环境气温降低到0.3~-1.6℃(-1.7~-3.8℃)是武英高速桥(路)面结冰频率变化的快增期,-0.6℃(-2.7℃)左右是桥(路)面结冰频率变化最敏感基点。研究以等级形式发布武英高速公路桥、路面结冰风险预警产品,用户可根据条件主动选择防范或规避风险。     

基于多尺度SPI的中国南方大旱监测

用标准化降水指数(SPI)对2003年南方大旱发生、发展、持续、缓解进行全过程监测。2002年12月—2003年5月中国西南地区东部以及华南南部两广交界一带发生冬春连旱,其中西南地区东部冬旱最为严重,华南南部一带春旱最为严重。入夏以来南方大范围地区6—12月逐月均表现亏水,尤以7、8、10月亏水面积最广,强度最大。2003年6—12月长江以南大范围地区持续夏秋冬三季连旱,旱情极为严重,局部地区出现极端干旱,而长江以北则持续偏涝。2003年3月—2004年2月全年属于典型的"南旱北涝"型分布。基于多尺度SPI进一步统计南方地区1951—2007年历史上严重的夏秋冬季连旱事件。结果表明1980s以前发生过3次,分别是1956、1967、1978年,每11 a出现一次;1980s以后仅2003年发生1次。而这4次连旱的强度却是一次高于一次。