风廓线与测风塔资料在地面风场预报中的应用研究

运用四维同化方法将风廓线雷达和测风塔资料应用到WRF模式中,通过对比资料同化前后模式对地面风场的预报效果可知,加入风廓线雷达和测风塔资料后模式对风速的预报效果有明显提高,对风向的预报也有一定程度的改善;资料同化结束后,模式预报在49h内对地面风场预报效果仍有明显改善,但随着模式预报时间的增加,在模式积分49h以后,同化资料前后模式对地面风场的预报效果无明显变化。另外,通过对资料同化前后模式对风速预报误差的分析可知,在对模式风场预报的改进中风廓线雷达资料的贡献大于测风塔资料的贡献。     

Intercomparison of the performance of MM5/WRF with and without satellite data assimilation in short-range forecast applications over the Indian region

The present study is conducted to verify the short-range forecasts from mesoscale model version5 (MM5)/weather research and forecasting (WRF) model over the Indian region and to examine the impact of assimilation of quick scatterometer (QSCAT) near surface winds, spectral sensor microwave imager (SSM/I) wind speed and total precipitable water (TPW) on the forecasts by these models using their three-dimensional variational (3D-Var) data assimilation scheme for a 1-month period during July 2006. The control (without satellite data assimilation) as well as 3D-Var sensitivity experiments (with assimilating satellite data) using MM5/WRF were made for 48 h starting daily at 0000 UTC July 2006. The control run is analyzed for the intercomparison of MM5/WRF short-range forecasts and is also used as a baseline for assessing the MM5/WRF 3D-Var satellite data sensitivity experiments. As compared to the observation, the MM5 (WRF) control simulations strengthened (weakened) the cross equatorial flow over southern Arabian sea near peninsular India. The forecasts from MM5 and WRF showed a warm and moist bias at lower and upper levels with a cold bias at the middle level, which shows that the convective schemes of these models may be too active during the simulation. The forecast errors in predicted wind, temperature and humidity at different levels are lesser in WRF as compared to MM5, except the temperature prediction at lower level. The rainfall pattern and prediction skill from day 1 and day 2 forecasts by WRF is superior to MM5. The spatial distribution of forecast impact for wind, temperature, and humidity from 1-month assimilation experiments during July 2006 demonstrated that on average, for 24 and 48-h forecasts, the satellite data improved the MM5/WRF initial condition, so that model errors in predicted meteorological fields got reduced. Among the experiments, MM5/WRF wind speed prediction is most benefited from QSCAT surface wind and SSM/I TPW assimilation while temperature and humidity prediction is mostly improved due to latter. The largest improvement in MM5/WRF rainfall prediction is due to the assimilation of SSM/I TPW. The assimilation of SSM/I wind speed alone in MM5/WRF degraded the humidity and rainfall prediction. In summary the assimilation of satellite data showed similar impact on MM5/WRF prediction; largest improvement due to SSM/I TPW and degradation due to SSM/I wind speed.     

济南边界层风廓线雷达与L波段雷达探空测风资料对比研究

采用统计、相关分析等方法,对2014年济南站边界层风廓线雷达观测资料和L波段雷达探空资料进行了长期时空变化规律的对比,进而研究了地面无降雨、有降雨时段两者的风向、风速数据的相关关系及差值。结果得出全年有降雨、无降雨时段两者的风向、风速总体一致性较好,相关性较高,并具有较好可比性和互补性的结论,对了解固定式边界层风廓线雷达探测的准确性,改进观测资料质量控制方法等具有很好的参考价值。     

伊犁河谷初冬降水条件下风廓线雷达评估分析

对伊犁河谷地区初冬降水条件下风廓线雷达资料评估其数据获取率并与探空资料进行对比分析,定义两者风向偏差在10°以内或风速偏差在1 m/s范围的样本为有效样本,分别用E_v和E_d表示风速有效样本比率(风速有效样本数/总样本数)和风向有效样本比率(风向有效样本数/总样本数)。结果显示:超过80%数据获取率的高度,降雨时为3000 m,降雪时达到预设2000 m;降雪时E_v和E_d均比无降水时高,且降雪量大小与风廓线的探测高度呈正相关,降雪量大小对E_d有明显影响,对E_v无明显影响;比较不同高度数据,降雪时0～3 km范围的E_v和E_d值均比无降水时高30%左右,无降水时3～5 km范围的E_d接近100%。     

华南区域高分辨率数值模式前汛期预报初步评估

基于华南地区自动站逐小时观测资料, 采用传统站点评分、邻域法等评估华南区域高分辨率数值模式(包括GRAPES_GZ_R 1 km模式和GRAPES_GZ 3 km模式)对降水、地面温度和风场等要素的预报能力。结果表明: GRAPES_GZ_R 1 km模式的降水预报技巧优于GRAPES_GZ 3 km模式, 模式预报以正偏差为主。对于不同起报时间的预报, 00时(世界时, 下同)起报的预报效果优于12时。GRAPES_GZ_R 1 km模式的TS评分是GRAPES_GZ 3 km模式的两倍以上, 对不同降水阈值的评分均较高。分数技巧评分(FSS)显示GRAPES_GZ_R 1 km模式6 h累计降水预报在0.1 mm、1 mm及5 mm以上的降水均可达到最低预报技巧尺度, 对所检验降水对象的空间位置把握能力更好。2 m气温和10 m风速检验结果表明两个模式均能较好把握广东省温度的分布特征, GRAPES_GZ_R 1 km模式对2 m气温预报结果优于GRAPES_GZ 3 km模式, 预报绝对误差更小; 两个模式对风速的预报整体偏强, 预报偏差在1~4 m/s之间, 但相比之下GRAPES_GZ 3 km模式在风场预报上表现更好。GRAPES_GZ_R 1 km模式的2 m气温和10 m风速预报偏差随降水过程存在明显波动, 强降水过后温度预报整体偏低, 风速预报偏强, 在模式产品订正、使用等需要考虑模式对主要天气系统的预报情况。总的来说, GRAPES_GZ_R 1 km模式的预报产品具有较好的参考价值。      

霰粒子参数对强对流云降水和催化影响的数值模拟研究

本文利用三维对流云AgI催化模式, 开展了霰粒子密度和落速参数的敏感性模拟试验, 以研究高凇附度时霰粒子参数的选取对催化模拟结果的影响。敏感性试验中对七个霰微物理过程进行了调整。分析发现改变霰落速参数和霰密度, 可以引起3小时模拟的总降水量增加4.9%。催化后改变了敏感性试验中霰落速和上升气流的配置, 并影响到霰碰并云水和冰晶的过程, 及霰融化成雨水的过程。在高凇附度云中如果只增加霰密度而没有增加相应的落速系数, 将使云中霰含量大幅增加。霰参数也影响了自然云和催化云的降水效率。过量催化使得催化云的降水效率低于自然云。增加霰密度的同时也增加霰落速系数, 将使其降水效率高于对照试验, 从而影响催化效果。在高凇附度云中采用大密度和较大下落系数, 并且利用比数浓度平均落速计算霰粒子比数浓度的下落过程, 会使催化效率从25%减少到15%, 极大地改变催化效果。所以在高凇附度的暴雨个例中, 应当采用高霰密度和相应的高霰落速, 否则减雨的催化效果将会被大幅夸大。     

GRAPES_TCM模式对影响浙江省热带气旋风力的预报评估

基于2006—2011年热带气旋影响时浙江省气象站实测风力和上海台风研究所GRAPES_TCM模式输出资料分析得出:模式地形高度与实际差异越大则直接输出风速平均误差越大,通过对浙江沿海模式地形高度误差绝对值在10 m以内的站点进行风力预报评估,结果发现:12~72 h模式直接输出风速存在一定的系统性误差。模式对浙江沿海站点风力预报的TS评分随风力等级的提高而降低,主要缘于空报率的增大。BS评分则表明,模式对越强的风力越有过度预报的倾向。模式20时预报的TS评分一般好于08时,主要得益于漏报率的降低。经MOS释用后可以在一定程度上提高站点风力预报与实况的正相关和预报稳定性,同时提高不同等级风力预报的TS评分;12、24 h模式站点,6级以上风力预报能力与主观预报相当。     

Simulation of monsoon depressions using MM5: sensitivity to cumulus parameterization schemes

Summary The sensitivity of the simulation of the monsoon depressions to the cumulus parameterization schemes used in a numerical model is studied using the Pennsylvania State University – National Center for Atmospheric Research (PSU-NCAR) model MM5 version 3.6.2. Three different cases of monsoon depressions were studied with a two way interacting domains of 45 km and 15 km resolutions. Two different cumulus parameterization schemes namely Grell (GR) and Kain-Fritsch (KF) were used for the sensitivity study. The model was integrated for 48 hours with the initial and boundary conditions of European Center for Medium Range Weather Forecasting Reanalysis (ERA-40) data. The results show that both the schemes are able to simulate the large scale features of the monsoon depressions realistically. However, both the schemes failed to simulate the exact location of the depression after 24- and 48-hour simulation. The rainfall simulations of both the schemes were very different. The model with the GR scheme tends to over predict the rainfall. The KF scheme could simulate the distribution of the rainfall comparable to the observations. The KF scheme could simulate the maximum observed rainfall but due to locational errors of the simulated depression, the location of the maximum rainfall was not exact. It is also seen that the resolution of the model has a positive impact on the rainfall simulation. The GR and KF schemes were able to realistically simulate the apparent heat sources, but the apparent moisture profile simulated with KF scheme was more comparable to the verifying analysis. The root mean square errors of mean sea-level pressure, temperature, zonal wind and meridional wind were smaller for KF simulation compared to the GR simulation. Permanent affiliation: Center for Development of Advanced Computing, Pune University Campus, Ganeshkhind, Pune-411 007, India.     

大气层结和海气交换作用影响的海面风剖面研究

风速剖面是各类工程结构抗风设计的关键参数。为了准确估算近海各类工程建筑结构承受的风荷载作用,通过在对数风剖面中引入大气稳定度函数和拖曳系数来刻画大气层结和海气交换作用对近海风速剖面的影响并建立相应的模型,最后利用强台风“黑格比”(0814号)的实测数据对模型进行了验证。研究结果表明:大气层结和海气交换作用对台风“黑格比”风速剖面有一定的影响,考虑大气层结和海气交换作用的风速剖面较对数剖面更能准确描述台风过程的风速剖面特征。      

风廓线雷达资料对GRAPES_MESO数值预报系统影响的初步研究

针对一个南方切变线系统降水个例,通过观测系统模拟试验(OSSEs)对我国拟建风廓线雷达观测网内的不同类型风廓线雷达观测资料在GRAPES_MESO系统中的影响、对风廓线雷达观测和探空观测及两者混合使用时在GRAPES_MESO系统中的影响差异进行了初步分析和讨论。试验结果表明,在GRAPES_MESO系统中,风廓线雷达资料对500 hPa高度以下水平风速分析场的修正作用明显优于探空资料;风廓线雷达资料对水平风速分析场的影响高度极限大约在300 hPa附近,经过6h的传播,其影响可以向上继续传播至250 hPa以上高度;在300 hPa高度以下,同化对流层Ⅱ型风廓线雷达资料对水平风速分析场的影响比边界层型风廓线雷达资料略大;单独同化风廓线雷达资料对降水预报的贡献较弱,与探空观测混合使用时有助改进降水预报。     

基于数值模拟和统计分析及智能优化的风速预报系统

风速预报是风力发电研究中的关键问题,也是一个十分困难的问题,其预测、评估技术还有待进一步提高.在预测短期风力(提前48～72 h对每小时的风速进行预测)时,通常采用数值天气预报模型进行预测.然而,初始扰动和模式物理过程的不确定性会影响气象数值预报的精度.将为数值天气预报模式提出一种新的后处理优化方法作为主要的思路,利用数据挖掘得到的关联规则来优化气象数值预报的结果,在中尺度模式WRF对风电场风速进行预报的基础上,将模式预测与统计分析及智能优化算法相结合,针对中国风电场的气候特征,利用一种新的修正模式误差的方法,极大地提高了风电场风速预报精度,提出了适合中国风力发电场的有效风速预报系统方案.     

风廓线雷达组网资料初步对比分析

以L波段探空雷达探测到的水平风为标准对全国风廓线雷达探测到的水平风的可信度进行评估,得到:风廓线雷达探测到的水平风在700 hPa高度以下与L波段探空雷达测风有较好的一致性;并且将风廓线雷达探测到的垂直速度与同址地面自动气象站观测到的1 h雨量进行相关性分析,得出垂直速度大小能很清楚地反映降水的开始、结束以及降水的强度;最后将全国风廓线雷达探测到的水平风进行组网对比分析,得出全国风廓线雷达探测得到的水平风在700 hPa高度下是可信的,风向可信度随探测高度的增加而增大。风速可信度随探测高度的增加而降低。     

风廓线雷达测风精度评估

采用风廓线雷达5波束探测模式的数据对测风精度进行评估分析,用垂直波束和其中两个相邻倾斜波束的探测数据构成一对计算因子,通过对同一距离高度上的4对计算因子进行误差分析,评估风廓线雷达的测风精度,得到水平风在垂直指向连续高度上的精度。对北京延庆CFL-08风廓线雷达2010年3,6,9,12月4个典型代表月份逐日连续探测资料进行了处理分析,结果表明:该雷达满足风速误差不大于1.5 m·s-1、风向误差不大于10°探测精度要求的最大探测高度6月、9月为8 km,3月、12月为6 km,基本符合该雷达探测高度的设计要求。信噪比、大气风场的不均匀性是影响雷达测风精度的主要因素:信噪比影响了高空的测风精度,-15 dB可以作为判断雷达测风可信数据最大探测高度的阈值;晴空大气出现的风场不均匀性对风廓线雷达的测风精度影响不大,降水出现时环境风场不均匀性造成水平风向、风速的测量误差较大,不能满足测风精度要求,特别是对流性降水发生前的1~2 h,水平风向、风速的方差增长迅速,可以作为强降水出现的预警指标。     

系留气艇探测风速的误差订正及其应用评估

使用系留气艇探空系统在常州、苏州、南京市区对边界层风速、温度、湿度廓线进行了观测,原始数据表明探测结果存在明显的系统误差。本文主要讨论风速订正问题,分析发现风速误差与高度和风速有关,据此提出了依据高度和依据风速的两种订正方案。对比结果表明:两种方案都能有效修正系留气艇测量风速的系统误差,高度订正方案表现更好。本文还用订正后的系留气艇探测结果与苏州市气象局的风廓线雷达资料进行对比,结果显示风廓线雷达探测结果在500 m以下系统偏小。     

新型探测资料在滇西北高原一次暴雨过程监测中的应用

应用新型探测资料对2012年9月1日至3日在云南大理发生的暴雨天气过程进行了分析,结果表明:微波辐射计在降水时段的云底高度保持在1km以下,液态水含量越大降水强度越强,温度出现较大的波动,相对湿度高层小值区与较强降水有很好的对应关系;降水时段风廓线雷达的探测高度增高,水平风从地面到高空顺时针旋转(暖平流),垂直风速小于-4m/s,信噪比值大于40dB,信噪比强度与降水强度有正相关关系,分析结果有利于对暴雨天气展开更详尽的监测研究。     

新疆地区一次对流性降水的三维中尺度风场研究

利用2004年外场试验获得的乌鲁木齐和五家渠C波段双多普勒雷达资料, 分析了双多普勒雷达风场反演方法和资料的可靠性, 研究了2004年8月8日发生在乌鲁木齐和五家渠的一次强对流性降水的回波和风场中尺度结构及演变过程。结果表明:这两部雷达观测的回波强度相关很好, 雷达基线上的径向速度基本一致, 资料可靠, 适合进行双多普勒雷达观测; Cressman插值的影响半径的变化对风场的中尺度结构基本没有影响, 径向速度误差引起的风场反演误差与该点所处的位置有关, 1 m/s径向速度误差也不会改变风场的中尺度结构。该过程为对流单体发展为对流带状回波的过程, 在对流单体的左侧生成新的对流单体, 逐步发展为长度约90 km范围的带状对流系统, 该系统恰与较强的东北风和较弱的西风形成的辐合相对应, 上升气流与强对流回波相对应, 不同对流单体有各自相独立的风场结构。用双多普勒雷达观测得到对流系统的内部风场有利于了解对流系统的内部动力过程, 从而探讨降水的形成和演变机理。     

Performance Evaluation of the GRAPES Model in Wind Simulations Over South China

In the present study, the performance of the GRAPES model in wind simulation over south China was assessed. The simulations were evaluated by using surface observations and two sounding stations in south China. The results show that the GRAPES model could provide a reliable simulation of the distribution and diurnal variation of the wind. It showed a generally overestimated southerly wind speed especially over the Pearl River Delta region and the south of Jiangxi Province as well as the coastal region over south China. GRAPES also exhibited a large number of stations with the opposite surface wind directions over the east of Guangxi and the south of Jiangxi during the nocturnal- to-morning period, as well as an overall overestimation of surface wind over the coastal regions during the afternoon. Although GRAPES could simulate the general evolutional characteristics of vertical wind profile, it underestimated wind speed above 900 hPa and overestimated wind speed below 900 hPa. Though the parameterization scheme of gravity wave drag proved to be an effective method to alleviate the systematic deviation of wind simulation, GRAPES still exhibited large errors in wind simulation, especially in the lower and upper troposphere.     

北京城市化发展对大气边界层特性的影响

利用中国科学院大气物理研究所大气边界层物理与大气化学国家重点实验室的北京325 m气象塔1993年～2003年夏季 (7月～9月) 的观测资料, 统计分析了各年的风速与温度廓线分布特征。统计分析结果表明, 随着城市化的发展, 相对风速有逐年减小的趋势, 并且越靠近地面, 相对风速的减小越明显, 这反映了城市建筑对近地面层空气流动的摩擦作用。对风速廓线进行线性拟合得到风速随高度的垂直递增率, 发现无论是100 m以下的近地面层还是较高层, 风速的垂直递增率都随城市化发展存在逐年增大的趋势, 表明粗糙下垫面的影响已经向高层扩展。根据温度廓线计算了各年的温度垂直递减率, 发现其有增大的趋势, 这表明城市化发展对边界层热力结构同样有显著影响。本文还依据统计整理得到的近中性层结下的风速廓线资料, 利用莫宁-奥布霍夫相似理论计算了下垫面的空气动力学参数, 结果表明, 地表粗糙度、 零平面位移随着城市化发展皆有明显增加的趋势。同时, 分析了各空气动力学参数与平均风速及无量纲风速的关系。其中, 摩擦速度和平均风速二者基本成正相关, 且摩擦速度随平均风速的增大而增大的趋势越发明显。本文研究结果对研究城市化发展对区域大气边界层结构、 气候和环境影响有参考意义, 可为城市大气边界层模式和区域气候模式提供参数化依据。     

福建热带气旋风雨空间分布特征及风险评估

根据1961—2010年热带气旋资料,按登陆地段或移动路径将登陆影响福建的热带气旋分为11种路径,分析各种路径的致灾因子空间分布特征,结果表明:热带气旋雨灾最严重的区域位于北部和中部沿海,风灾最严重的是南部沿海;从路径来看,降水强度最强是登台入闽北路径,强风区域最大的是直接登陆闽南路径和登台入闽中部路径,风力最强的是登台入闽南路径。采用相关系数客观赋权法建立了致灾因子风险评估模型,分析不同热带气旋路径致灾因子风险等级,登台入闽中和登台入闽北路径风险最大,其次是直接登陆闽南和登陆珠江口及以东路径;高风险区域 (包括次高危险和高危险区) 集中在沿海地区、闽西和闽北的局部。     

一次降雨过程风廓线雷达回波特征

为应用风廓线雷达监测降水天气,通过对2006年南京地区一次春季降雨过程的边界层风廓线雷达探测数据与自动站雨量数据进行对比分析和相关性统计,研究降水发生、维持和消亡期间风廓线雷达资料的变化特征,分析风廓线雷达垂直速度、速度谱宽与降雨强度之间的相关性。结果表明：当降雨临近时,风廓线雷达水平风廓线上的空洞逐渐消失,当降雨结束时空洞再次出现,且伴随着低空急流的出现降水明显增强。随着降雨的发生,风廓线雷达产品的垂直速度、速度谱宽和折射率结构常数值均明显增大。整个降水期间,550 m高度层以下的垂直速度与降水量存在显著线性负相关,450—950 m高度层之间的速度谱宽与降水量存在显著线性正相关,可见垂直速度、速度谱宽的变化与降水强度关系密切;当垂直负速度变小或速度谱宽变大时,降水增强的可能性增大。研究结果揭示了风廓线雷达垂直速度、速度谱宽与降雨强度之间的内在联系,可为风廓线雷达应用于降雨天气监测提供参考。