500hPa气候异常高度场强度及谱结构的季节变化与半球际差异

用半球气候异常场强度及球函数分析改进方案，分析了北、南半球500hPa气候异常高度场的环流特征，得到如下主要结论：1)半球异常冬强于夏,北半球强于南半球。2)500hPa气候异常位势高度场具有低阶、低维的特征，它们主要由超长波及长波波段(0≤m、k≤6)的球函数构成。3)北半球500hPa气候异常位势高度场集的球函数谱结构较南半球复杂．夏季较冬季复杂。仅用超长波及长波波段的球函数拟合半球500hPa异常位势高度场，就可保证其有足够的精确度。     

一种地学要素场透视方位投影图的原理及应用

给出了一种地学要素场透视方位投影图的原理,它是将地球球面上任意点O（称投影中心）正上方h高度处A点（称视点）看到的球冠区要素场透视投影在相应球缺的底面（即投影面）上。借助球面三角计算公式,导出了球冠区任意点q与其在投影面上投影点q′的坐标转换关系;给出了绘图步骤,利用MATLAB设计了绘图程序。实际绘图效果表明,所绘图形具有球面立体感和直观性,该透视方位投影图可广泛用于绘制地学要素场图像。     

南票地区大气扩散参数实测计算

利用南票地区野外平衡球观测资料分别计算了不同稳定度下的大气扩散参数,并将不同稳定度下的结果与其他扩散参数进行了比较。结果表明:在不同条件下,由于南票地区地形相对复杂,该地区的σy和σz值均大于同级Briggs公式给出的结果;试验结果仅适用于远距离的高架源排烟扩散计算,而对于近距离(如2 km以内),则需采用其他试验结果。     

T63L16气候模式预报能力的空间尺度分布研究

采用球谐谱展开和方差分析方法,利用1970-2003年NCEP再分析500 hPa高度场资料和国家气候中心T63L16月动力延伸预报业务回报1982-2002年的结果,研究了T63L16模式逐日预报可预报能力的空间尺度依赖特征和对于中期预报的可预报稳定分量.分析表明,T63L16模式预报能力在总波数n上具有各向同性,其主要的误差发生在波数为5-10的天气尺度波.基于对T63L16气候模式500 hPa位势高度场球谐系数内部方差和该物理量气候外部方差之比R演变特征的分析,本文定义了模式26-40 d预报的方差比的平均作为R的临界值来定量地确定T63L16模式对不同空间尺度气象场的可预报期限,并引入波能谱为权重系数研究了模式可预报期限与纬向波数和总波数的关系.结果显示该模式的逐日可预报期限与纬向波数和总波数、以及季节均有关系.可预报期限在整体上随着空尺度的减小而逐渐缩短,但并不是纯粹的单调递减;对于纬向2波分量的可预报期限比3-5波要短,町能是由于该模式对表征东亚大槽和北美大槽的2波的刻画相对不够好.另外,对季节平均的中期预报可预报稳定分量的考察表明,就全球而言,对于提前6 d以上的预报,夏季具有的可预报稳定分量为纬向波数小于12或总波数在17以内,其他季节为纬向波数小于7或总波数小于13;对于提前11-15 d的预报,冬夏两季的可预报稳定分量为纬向波数小于5或总波数小于10,春(秋)季节为纬向波数小于3(2)或总波数不大于8(7).这为针对该尺度发展新的预报策略和方法、改进预报效果,提供了依据.     

局地山区地形对大气扩散参数影响初探

本文通过特殊喇叭口山谷地形下实测的平衡球资料对大气扩散参数的估算,表明在一定的地形条件下,稳定稳定度下的垂直扩散参数σz 可大于中性稳定度下的σz。得出在山区某些特殊地形的局部区域,不能用现有的同类稳定度的扩散参数提级的办法来代替该地区该稳定度下的扩散参数。而用平衡球资料估算扩散参数这种粗糙的方法,也要比用现有的扩散参数精确。     

北京市火险气象等级预警数值模拟研究

利用考虑了森林植被效应的M-γ尺度三维准静力平衡大气-土壤耦合模式, 对北京市各气象要素场进行了数值模拟试验, 并在此基础上, 给出了火险气象等级的空间分布。结果表明, 各气象要素场的模拟效果较好, 并能正确反映城市和山区不同下垫面上的一些基本气候特点和变化规律; 火险气象等级的界定也较为合理, 结果能够较真实地反映出北京市的火险空间分布情况, 从而具有一定为城市火灾预警及减灾提供科学依据的能力。     

随机物理倾向扰动方案在西部山地对流尺度集合预报中的研究

为了研究随机物理倾向扰动(SPPT)方法在复杂地形条件下对对流尺度集合预报中的影响,针对SPPT随机扰动场的时间尺度、空间尺度和格点标准差三个参数进行敏感性试验,分析扰动变化规律,探讨其预报效果。结果表明:空间尺度90 km、时间尺度3 h和格点标准差0.525参数构造的SPPT随机扰动场结构对西部山地对流尺度集合预报整体效果较好,该试验不同层次高空要素(纬向风场、温度场和湿度场)和近地面要素(10 m风和2 m温度)的离散度增长较快,考虑预报误差的离散度/RMSE也好于其他试验。虽然最优配置试验的3 h累积降水的集合平均相对于其他参数试验没有明显在各个量级上都有提高,但在≥10 mm、≥25 mm和≥50 mm的降水等级的ETS评分接近或者高于控制试验,概率预报技巧较好。综合来看,空间尺度参数的选取比时间尺度对离散度的影响更加明显,增加扰动振幅对离散度的增加也起到积极的作用,同时可以提高不同量级降水的概率预报技巧。     

秦山地区大气扩散参数和流场特征

本文用标记粒子即平衡气球法对秦山核电站厂址地区进行了大气扩散试验.研究结果表明:该地区地势平坦,平衡气球运行轨迹反映秦山地区低空大气流场均匀平直,实测扩散参数接近平原地区的Pasquill值.     

三次样条函数(格式)准拉格朗日积分方案Ⅰ——准均匀经纬网格样条格式准拉格朗日平流方案与理想场试验

研究经纬网格三次样条函数(样条格式)变换准拉格朗日平流方案,推导给出样条格式准拉格朗日预报方程通式,设计一种准均匀经纬网格,对气压、气温、风及广义牛顿力(加速度)场做"经纬网格-准均匀经纬网格"双三次曲面拟合,实现各个变量场在球面上的二阶可导,从而显式迭代插值求得上游点路径与预报变量值,上游点气块被限定在具备样条格式的斜率、曲率和挠率之变量场上运动。为验证样条格式求经纬网格上游点的可行性,采用了国际上通行、有效的一套理想场试验方案:平衡流试验、过极地气流试验和Rossby-Haurwitz波试验,用以检验经纬网格样条格式准拉格朗日平流方案的可行性、一致性、精确性及程序正确性。理想场试验表明,样条格式求上游点预报误差来源于三次样条函数"2阶空间余差"数学误差和上游点路径达不到精确轨迹的截断误差,其累积(积分)误差使得波动振幅变平,而波动位相传播无误差,且误差具有收敛性、球面对称性和单调有界性,同时证明,三次样条函数变换能够解决极区经纬网格点过密和极点奇异的经典问题。     

一种数值积分方案用于球函数分析的试验

针对半球月平均位势高度场球函数分析的实际问题,分析比较了吴新元提出的数值积分公式与常用的梯形积分公式、辛卜生积分公式在标准化缔合勒让德函数^↑Pm^m＋2k模、交角计算中的误差。结果表明：对m=0,1,吴新元数值积分公式的^↑Pm^m＋2k模、交角计算精度明显高于常用的两种积分公式;对m≥2,吴新元数值积分公式的精度虽低于梯形积分公式,但其模、交角误差低于10^-4、2×10^-3°。由于半球月平均位势高度场球函数方差谱具有低维、低阶的基本特征,故用吴新元数值积分公式替代常用积分公式可明显提高月平均位势高度场球函数分析精度。     

强度尺度方法在模式定量降水预报检验中的应用

介绍了Casati于2004年提出的强度尺度检验技术,并将该方法应用到上海区域中尺度模式的预报检验中。结果表明,强度尺度检验技术可以提供一种从不同降水率闽值和空间尺度对模式定量降水预报进行评估的方案。该方法首先对预报场和观测场进行降水率闽值获得二进制误差场,并通过二维离散Haar小波对二进制误差场进行各个空间尺度的分解,从而评估模式在各个降水率闯值和空间尺度上的均方差和预报技巧。通过计算各空间尺度二进制误差场的均方差百分比和能量平方偏差,可分析不同的降水特征尺度误差对总体误差的贡献情况以及预报降水与观测的偏差情况。     

平衡球释放器及使用

本文详细介绍了平衡球释放器的制作原理和使用方法。一学就会。极易掌握。经过几百次的使用,平衡球释放器定时准确,安全可靠,成功率百分之百,十分满意。平衡球释放器的生产和使用,是改进施放平衡球手段上的一个突破、一次创新。     

三维变分同化中多变量平衡约束设计

在现代变分同化系统中,背景场误差协方差起着决定观测信息的空间分布特征、匹配不同变量间的关系和保证分析增量平衡的作用。基于NMC(National Meteorology Centre)方法,设计了一个新的多变量平衡约束算子:在物理变换中,构建相对湿度和其余控制变量间的平衡约束算子;同时分别采用经验正交函数方法和递归滤波器来模拟控制变量(ψ,χ_u,T_u,h_ru,p_su)^T的垂直误差协方差和水平误差协方差。利用2009年6月2日到8月9日间WRF模式的预报差值场,对新的背景场误差协方差进行模拟分析。单点观测试验表明,新的背景场误差协方差实现了观测信息在干湿变量之间的传递,而且相对湿度具有与温度相似的增量场分布。     

非线性平衡方案在三维变分同化系统中的应用

文中考虑气流出现明显的弯曲和辐合时,资料变分同化方案中的风压场间动力学约束问题。在强涡旋、锋面等剧烈变化的系统中,地转平衡和线性平衡方程均不能很好地描述风压场关系,非线性平衡方程考虑了流场曲率的作用,能更恰当地反映风压场的关系。把非线性平衡方案应用于三维变分同化分析系统中,可以得到和天气形势相关联的模式变量背景误差协方差,对热带气旋进行同化试验后得到的分析场更协调。结果表明,非线性平衡方程的应用,可以提高强涡旋系统中三维变分同化分析场的质量,对热带气旋强度预报有一定的改善。     

纬度依赖背景场误差协方差及其对台风同化和预报的影响研究

合理的背景场误差协方差矩阵是做好变分同化的关键。为进一步认识背景场误差协方差矩阵在中尺度预报中的作用,对背景场误差协方差中平衡关系的纬度依赖特征及其对中尺度同化及预报效果的影响进行了研究。为使得平衡关系既包含纬度依赖特征,又降低纬度依赖带来的非平衡的噪音信息,在背景场误差协方差矩阵构造的平衡变换过程中引入了递归滤波的方法,对平衡变换中的回归系数进行了滤波平滑。同化单点观测的理想试验表明纬度依赖的背景场误差协方差具有更合理的动力关系,且滤波后的背景场误差协方差既保持了纬度依赖特征且明显平滑了噪音信息。台风“莫拉克”同化数值模拟试验表明纬度依赖的背景场误差协方差明显提高了36 h及以上的中心海平面最低气压和路径预报的预报效果。      

冬季青藏高原地面辐射平衡

本文根据实测资料建立了冬季青藏高原上地面辐射平衡与日照百分率、地面反射率之间的经验公式,并用此公式试验了纬度、时间、地面反射率和日照百分率对地面辐射平衡的影响。试验结果表明:冬季高原地面辐射能收支的盈亏状况是由地理纬度和地面反射率决定的。天空遮蔽状况(本文用日照百分率表示)仅影响其盈亏值的大小。亦即地面辐射平衡的地理分布形式由地理纬度和地面反射率所决定,但正、负中心的数值还受天空遮蔽状况的影响。冬季青藏高原地面辐射平衡场是一个由地理因子(地理纬度和自然地理带)作用下形成的基本场叠加上一个地面积雪区形成的扰动场。长江和黄河源区的巴颜喀拉山和藏北草原是冬季高原地面加热场最可能出现异常的关键区。     

用统计模式重建热带太平洋环流场资料的可行性试验

在一种恢复总辐射场序列的统计模式的基础上,建立由海温场推算同期热带太平洋环流场的统计模式,对1982至1989年期间冬季(1、2、3月)月平均500hPa高度场资料验证表明,恢复效果稳定。于是利用该地区现有的月平均海温场资料,外推重建了1966年至1978年间冬季(1、2、3月)月平均500hPa高度场资料。这一试验证明,可进一步利用海温场资料恢复更长时期的热带环流场资料。      

多个气象场之间的联合REOF相关分析及场的预报模式

本文将EOF分解应用于由不同性质,不同空间点数的气象变量场组成的联合场,并对特征场作Varimax正交旋转。试验表明,该方法对于分析多个气象变量场之间的空间相关特征十分有效。分析所取的变量包括长江中下游地区19个站的月平均气温,降水量以及欧亚500hPa月平均高度,本文用33年的资料系统地分析了三者之间的关系,得到了一些有意义的结果。 用联合REOF方法建立统计预报模式,以500hPa高度场作为因子预报同时段的地面气温场和降水场,独立试验证明,其效果比较理想。     

实际预报可预报性的时空依赖性分析

本文利用国家气象中心1990年1月1日至1992年2月29日的1～5 d、500 hPa高度场业务预报结果研究了不同球谐函数谱分量和经验正交函数(EOF)谱分量的可预报性。对球谐函数谱分量的研究表明可预报性并不是随着空间尺度的增加呈现单调的递减关系，主要表现为在总波数n等于5附近具有最大可预报性。可预报性主要依赖于总波数n，经卷大圆上的波数和纬向圆周上的波数对可预报性具有完全相同的重要意义。对EOF谱分量的分析表明，随着EOF指数(即序号数)的增大，可预报性依次减小。从EOF和球谐函数的关系发现前几个EOF分量正是对应着最可预报的球谐函数分量。进一步分析表明，最可预报的分量对应大气运动的慢变流型。这些结果对如何使用数值预报产品以及如何进行延伸预报具有重要意义。     

一个用于气候模式的三维变分资料同化系统——方案设计及检验

介绍了一种适合格点模式的三维变分同化方案,并应用于中国科学院大气物理研究所的9层大气环流格点模式（IAP9L2°×2.5°-AGCM）中。同化方案考虑质量场和风场的动力约束关系,并通过变量变换将模式变量转化为互不相关的控制变量：流函数、非平衡速度势、非平衡位势和比湿;同时采用共轭梯度法求解代价函数避免了直接计算背景误差协方差矩阵逆的困难。通过理想试验、模式连续同化积分试验以及对东亚地区特殊寒潮天气的同化试验,结果表明：该系统能够正确反应多变量之间的相互关系,并且长时间运行稳定,更重要的是同化不仅可以明显改善直接参与同化的物理量,而且经过模式的动力调整也改善了未参与同化的物理量（如海平面气压、近地面气温、降水等）,这为大气的持续性信息存储于陆面物理量提供了可能,从而可为IAP9L2°×2.5°-AGCM提供陆—气相协调的初始场。