三维湖陆风的数值模式试验

利用地形坐标建立了一个三维湖陆风的预报模式，其中对边界层及模式层顶高度采用预报方程求解，对边界层参数作了较仔细的考虑。计算表明，模式运行十分稳定，对复杂地形条件下的湖陆风扰动系统有着很好的描述能力。     

应用非线性振荡理论研究云南局地气温的演变规律

将描述局地气温变化的非线性振荡方程应用到云南省17个测站局地气温演变研究中,根据各测站1958年1月—2000年12月逐旬气温距平资料和反演理论获得具体描述各测站局地气温变化的非线性振荡方程。以经典非线性振荡理论为依据,研究了云南省17个测站的局地气温演变规律。结果表明,云南局地气温系统是弱的非线性系统;其演变的固有周期大致在6～10旬之间;在无外源强迫的条件下,云南局地气温振幅随时间增加总是衰减;考虑外源强迫的作用后,云南局地气温系统在其演变过程中只随外源强迫的振荡而振荡。应用反演获得的描述各测站局地气温变化的有外源强迫非线性振荡方程做出未来云南局地气温演变趋势预报,其平均预报准确率约为78．9％。说明该模型具有良好的预报能力和预报稳定性。     

一种用于短期天气预报的高分辨率气团变性模式

本文描述了一个高分辨率气团变性(AMT)模式。该模式试图对低层大气的温度、湿度廓线,边界层结构、边界层高度、云量进行预报。它由一个一维多层边界层模式组成,多层模式沿着轨迹从气团源区平移至接收点,轨迹是在一较大尺度(有限区域)模式中计算出。温度和湿度的初始廓线从探空仪资料获得。本文描述了此模式的物理和动力学背景。用此模式作了北海上空层积云发展的个例研究,并且我们模拟了陆上晴空的表达。把此模式的输出结果 ECMWF 模式和目前业务中用的单层气团变性模式的输出结果进行了比较。还讨论了模式对初始、边界条件的敏感性。除个例研究外,在77次常规预报中采用此模式作为业务预报工具,其结果由彼此独立的预报员作了评价,因模式执行情况良好,且不须大型计算设备,因此,对短期天气预报员该模式是一个有用的预报工具。     

CMA-GFS全球模式海洋边界层高度的主要偏差特征

海洋边界层高度是表征海洋上空大气的水汽、热量、物质等垂直分布的重要特征量,同时在气候、污染、模式预报上有关键作用。然而,利用海洋边界层高度观测对数值天气预报模式进行诊断的研究很少。因此,本文利用2019—2020年GPS掩星资料计算出的海洋边界层高度的分布特征,对CMA GFS全球模式的预报性能进行分析,同时借助ERA5再分析资料对CMA GFS模式的偏差进行讨论。主要结论如下：①CMA GFS全球模式在西太平洋、南太平洋、南大西洋绝大部分海域预报的边界层高度比较合理;②模式在热带辐合带海域和南太平洋辐合带存在高估预报,初步分析与模式对热带深对流的抬升凝结高度的预报偏高有关。③模式和ERA5在南半球层积云所在区域均存在边界层高度预报偏低,初步分析可能是模式对南半球层积云顶辐射冷却驱动的湍流扩散偏小造成。④模式在有云的大气下主要呈现为预报偏高,中心值在200 m左右,而在晴空区域模式预报较为合理,偏差值范围较小,ERA5也存在类似的特点。     

弱频散条件下大气运动的非线性演变过程

研究非线性过程对大气运动影响的一个常用方法是在一定条件下,将大气运动力学方程化为一些熟知的典型非线性演变方程,再利用数学中已有的结果进行讨论。Long、Redekopp等从地转涡度方程出发,证明了迭加在带状切变气流中的长的Rossby波的演变可以用著名的Kdv方程来描述。此     

斜压边界层风场的动力学特征

在大气边界层中,当温度分布在水平方向不均匀时,斜压性必须予以考虑。本文在地转动量近似条件下,采用Agee[1]公式来描述湍流粘性系数K,求得斜压边界层中风场分布的解析表达式。由求得的解析解和个例的图解均分析得出一些与经典Ekman理论很不相同的动力学特征。例如,在边界层上部,冷平流使气旋中的风速随高度增大而一直增大,且一直指向低压一方,不再呈Ekman螺线状。在边界层下部,例如20米处,引进热成风将使风向改变达25°左右。这对预报边界层风场是很重要的修正。     

边界层结构及地面对浓度影响的数值模拟

本文使用北京市北郊气象塔实测资料,根据边界层结构的理论和实验研究结果,计算得到了描述边界层结构的参数值,并利用非定常二维平流扩散方程对边界层结构及地面对浓度的影响进行数值模拟. 结果表明,浓度场对边界层结构的日变化有明显响应;混合层高度是影响地面浓度的一个重要因子,且对高架源来说,混合层从低于排放高度发展到高于排放高度是产生“熏烟”现象的必要条件;当V_d≤0.001m sec~(-1)时,地面边界可按全反射处理;相反,V_d≥0.01m sec~(-1)时,地面边界的影响显著,应予以充分重视.     

评述专著《动力系统自忆性原理——预报和计算应用》

由己知系统的过去历史推测该系统未来演变过程是预测问题原始实际提法。经典数理方程中的初、边值问题仅是预测问题的一种抽象和简化。要提高实际系统预测准确率 ,必须推广经典理论。动力系统自忆性原理就是这种推广中的一种。曹鸿兴教授的专著《动力系统自忆性原理———预报和计算应用》(地质出版社出版 ,2 0 0 2 )系统地论述了动力系统自忆性原理及其应用。那么什么是自忆性原理呢 ?通常 ,动力系统是用微分方程、积分方程、差分方程等来描述的 ,而对用含时间导数的方程描述的动力系统 ,在引进记忆函数并运用内积、分部积分和中值定理后可…     

青藏铁路沿线地面气温演变的非线性振荡规律研究

将描述局地气温变化的非线性振荡方程应用到青藏铁路沿线9个测站(安多、当雄、托托河、班戈、格尔木、那曲、西宁、拉萨及五道梁)局地年气温演变研究中，根据各测站1966—1997年逐年年气温距平资料和反演理论获得具体描述各测站局地气温的非线性振荡方程。在不考虑外源强迫项的情况下，以经典非线性力学理论为依据，研究青藏铁路沿线9个测站的气温演变规律。结果表明，青藏铁路沿线9个测站局地气温系统是明显的非线性系统，其演变周期大致在3～6年之间，气温振幅随时间增加而衰减。其平均预报准确率为75．4％，有较好的预报能力。     

预报模式识别的扰动方法

本文从数值天气预报模式并不完全准确描述实际大气过程的观点出发,提出利用观测的近期演变资料确定模式中的未知部份(模式识别),以改善预报结果.叙述了一种模式识别的扰动方法,用正压涡度方程模式作了模拟实验,证明方法是有效的.     

基于WRF模式的风电场短期风速集成预报方法研究

风能始源于大气的运动,具有很大的随机性和间歇性。风速预测是风电场风功率预测的基础,其准确性具有重要的意义。对于复杂地形条件下,风速的预报一直是各国研究的难点和重点。为了提高风电场短期风速预报的准确性,本研究采用多种边界层参数化方案来集成预报风速,将各单一边界层参数化方案预报的风速及相应的实测风速数据,应用随机森林算法建立集成预报模型,对风电场的短期风速进行集成预报研究。试验结果表明,采用集成预报风速方法,预报的风速误差相比于单一边界层参数化方案预报的风速误差明显减小,对研究区域的风速、风向等气象要素有着较好的模拟效果,能够有效提高风速预报的准确率。     

不同参数化方案对风预报效果影响个例研究

中尺度气象模式对风场的预报效果与参数化方案的适应性紧密相关.以内蒙古高原丘陵地形、江苏平缓的海陆交界地形2种典型下垫面试验风电场为模拟区域,分别用WRFV3.2 （Weather Research and Forecast Model）模式自带的6种物理过程参数化组合方案预报了2010年1月和7月两个风电场区域的风速和风向,对比分析了参数化组合方案差异对风场预报的影响.结果表明：①内蒙古试验区,边界层MRF方案描述的边界层结构较MYJ方案合理;微物理方案WSM3在夏季的风速预报能力优于WSM6,而冬季相反;复杂地形区域的风场预报需考虑陆面过程参数化方案,尤其是夏季降水发生后,陆面过程对于边界层结构的影响增大,选用Noah优于无陆面过程.②江苏试验区,边界层MRF方案描述的边界层结构较MYJ方案合理;1月陆面过程RUC方案优于陆面热量扩散和Noah;7月陆面热量扩散方案优于RUC和Noah.③风向预报6个方案的预报风向统计与实际记录风向统计有较好的一致性,风向概率分布相似,盛行风向一致且稳定.     

边界层参数化方案对不同性质降水模拟的影响

利用MM5模式的4种边界层方案(ETA方案、MRF方案、Blackadar方案、Gayno-Seman方案),对2008年9月22～27日发生在四川盆地先是对流性,后来是稳定性的暴雨过程进行了该4种不同边界层方案的数值模拟比较试验。整体而言,ETA方案对雨带的预报能力较差,但对对流性降水有一定的预报能力;MRF方案对雨带(特别是稳定性降水)的预报能力相对最强;Blackadar方案对后24h强降水最具能力,且对对流性和稳定性降水的预报能力没有太大差别;Gayno-Seman方案对后24 h强降水预报能力较差。边界层对物理量场的影响随时间增大。在预报积分的前10 h以内,各方案的涡度、相对湿度、垂直速度等物理量预报几乎无异;积分10～24 h,它们的量值间出现差异;24 h后,不同方案的预报不仅量值上有差异,甚至变化趋势都不尽相同。高度场受边界层的影响最小,受边界层方案影响最大的是U场,V场受边界层的影响呈高度和时间的分段函数,湿度场受到的影响有明显的时间滞后性特征。对于温度场而言,600 hPa似乎是温度场受边界层影响的一个拐点,边界层影响在通过600 hPa后改变了影响规律。     

一次强飑线边界层气象要素模拟分析

使用WRF中尺度数值模式,分别选用两种不同边界层参数化方案（MYJ,YSU）,对2006—06—25洛阳地区一次强飑线边界层结构进行模拟,对比分析近地面层风场、温度场以及边界层日变化特征,结果发现：WRF模式基本模拟出了强飑线过程边界层变化特征;在边界层方案中,MYJ方案描述的边界层结构较YSU方案合理。这表明,用WRF模式能较好地模拟预报飑线的边界层气象要素特征。     

广州地区湿球黑球温度指数预报研究

利用广州地区2009年10月至2010年3月的湿球温度、干球温度、黑球温度,以及附近自动气象站相同时刻的温度、风速、湿度资料进行统计分析,在对广州地区湿球黑球温度（Wet Bulb Globe Temperature,WBGT）统计、特征分析的基础上,分别采用昼夜两段模式和分时模式构建出WBGT预报方程。利用WBGT的实测资料,对上述两种预报方程和直接引用的香港天文台WBGT预报方程一同分析预报误差,对比发现：直接引用的香港天文台的预报方程预报效果最差,分时段WBGT预报模式总体偏差最小;三种预报方法在夜间比白天预报偏差小,昼夜预报法和分时预报法预报偏差不超过1℃,两者对夜间的WBGT预报能力相当,但在白天时段分时预报法明显比昼夜预报法的预报偏差小。据此,文章选取预报效果最好的分时模式建立预报方程,文中最后针对预报方程中温度、相对湿度因子由于预报误差而导致的WBGT预报误差进行了讨论。基于此研究成果,气象部门为第16届亚洲运动会的马术比赛提供了准确、周到的气象服务,为马术比赛的赛事安排及比赛的成功举办提供了重要的决策依据。     

广西主要气候要素与500hPa位势高度的非线性关系探讨及其预报

研究500hPa位势高度与广西主要气候要素之间的非线性关系。采用抛物线模型选择单个预报因子,用逐步回归方法建立集成预报方程、并给出了实例,     

BJ-RUC系统对北京夏季边界层的预报性能评估

以北京市观象台2010年8月、2011年8月每日3次 (08:00, 14:00, 20:00,北京时,下同) L波段探空秒间隔数据为实况,对BJ-RUC系统 (rapid updated cycle system for the Beijing area) 分析和预报边界层性能进行了初步评估。结果表明:BJ-RUC系统对北京地区夏季白天边界层的细致特征具有较好的预报能力,但也存在明显的系统性误差。08:00边界层偏冷; 14:00和20:00 1 km以下的边界层则显著偏暖, 边界层内明显偏湿。整体上模式对边界层内温度、湿度的预报误差均高于自由大气。该系统对北京地区边界层内早晨 (08:00) 从夜间山风向白天谷风环流过渡、午后 (14:00) 到日落后 (20:00)1500 m以下盛行西南偏南气流的日变化特征具有较强的预报能力。系统预报的14:00边界层顶高度与评估时段内实际对流边界层高度的变化趋势一致。但预报的对流边界层顶偏高,这与BJ-RUC系统采用YSU边界层参数化方案的垂直混合更强有关。     

在细网格模式中引入总体边界层参数化方案的数值试验

本文把MM4模式中的总体边界层参数化方案引入到十一层细同治原始方程数值模式中去，用它与仅考虑简单边界层国擦的细网格模式对一典型江淮气旋天气过程分别作了24小时对比模拟试验；初步试验结果表明：边界层总体参数化方案的引入是可行的，对模式的预报效果在某些方面有显著改进．     

烟囱和逆温高度对污染物输送和扩散的影响

早期扩散模式都假定平均风是单向的、均一的,因而可以应用高斯分布。不过,高烟囱的出现使愈来愈多的污染源处在地面边界层之上。在行星边界层里风向和风速都随高度改变,污染物的输送和扩散与均匀流场里的情况大大不同。本文给出烟囱高度和大气热力层结对行星边界层里污染物浓度分布的影响。一、方程和扩散模式行星边界层里的平均风和温度在水平方向可认为是均一的,水平尺度比垂直尺度大得多,扩散方程、运动方程和热力方程分别为     

利用探空资料估算青藏高原及下游地区大气边界层高度

利用三个时段的探空加密试验资料,分别采用气块法和Richardson数法来估算青藏高原及下游地区的对流边界层和稳定边界层的高度特征。结果显示:(1)高原中部对流边界层结构的出现概率高于高原东侧及下游地区,而四川盆地稳定边界层结构的出现概率远高于高原和长江中游。(2)高原中部和东侧的对流边界层高度春季高而夏季低,其中高原中部的对流边界层高度高于高原东侧;四川盆地和长江中游的对流边界层高度冬季低、夏季高,而高原东侧的对流边界层高度的变化趋势则相反;四川盆地的对流边界层高度低于长江中游。(3)高原的稳定边界层高度春季高而夏季低;冬季四川盆地的稳定边界层高度高于高原东侧和长江中游,而夏季长江中游的稳定边界层高度高于高原东侧和四川盆地,冬夏差异导致的稳定边界层高度的变化幅度在长江中游最明显,四川盆地次之,而高原东侧最小。(4)高原东侧及下游地区的平均边界层高度的日变化具有相似的演变特征,平均边界层高度在白天高夜间低,而高原中部的平均边界层高度在日出左右较低,之后随时间逐渐增高,并在晚上达到最大值;高原的平均边界层高度的日变化振幅大于下游地区,且其日变化振幅随站点海拔高度的增加而增大。