三层模式背风波的理论研究

文中建立了一个背风波的三层理论模式 ;当三层Scorer参数在中层最大、高层次之、下层最小的情况下 ,利用该模式求得了背风波的理论波长及扰动的解析解 ,并对一个典型的个例计算了其背风波波长 ,并在此基础上分析了背风波波长对上、中、下三层Scorer参数变化的敏感性 ,结果表明波长对中层Scorer参数的变化比较敏感 ,对下层Scorer参数的大小和符号都不敏感 ,但在计算背风波波长时不能忽略下层的Scorer参数。     

三层模式中地形对背风波振幅的影响

利用一个三层模式和钟形山脉研究了中尺度地形参数对背风波振幅的影响。理论分析表明,若保持地形高度不变,变化地形宽度时,当山脉半宽为背风波频率的倒数,波动的振幅可以达到最大;若地形高度和半宽按不同比例变化时,波动振幅的变化是不确定的;若高度和半宽按相同比例变化时,即保持山脉形状不变的情况下,半宽为频率的倒数的2倍时,振幅达到最大。最后利用ARPS模式对地形参数的变化进行了敏感性试验,模拟结果与理论结果相吻合。     

三维三层背风波的理论和数值研究

建立了一个三维三层背风波的理论模型，求出当Scorer参数满足中间层大，上、下两层小的情况下，三维三层背风波的理论波长和扰动分布。利用该理论模型对一个实际的背风波个例进行了计算，得到的理论波长与实际波长十分接近。理论结果还表明波动的最大扰动振幅在中层附近。利用ARPS（The Advanced Regional Prediction System） 模式对此个例模拟的结果表明，模拟得到的波长、锲角及波动位相的分布都与理论模型的结果较为一致。     

层结性对大气边界层风场的影响

本文在地转动量[1]近似下，采用与Agee[2]公式相近的分段常数来描述湍流粘性系数K及其一阶导数（湍流摩擦力所包含的两项和均得到考虑），求得了层结大气中的边界层风场分布和边界层顶垂直速度的解析表达式。计算结果表明；不稳定层结的K比稳定层结的大，且Ekman抽吸作用强；在边界层低层，不稳定层结的全风速比稳定层结的大，而在中层以上则相反。还有，摩擦力中的一阶导数项和二阶导数项量级相同，以往忽略一阶导数项的做法会导致在边界层低层，不稳定层结的全风速反而较小，这与事实不符。因而考虑一阶导数项将进一步完善边界层动力学的理论和应用。     

水汽和潜热释放对背风波影响的数值试验

利用中尺度数值模式ARPS进行了理想场的数值模拟,分析研究了水汽和潜热释放对大气层结稳定度的影响以及其在背风波的发展和演变过程中的作用,研究发现,潜热释放对大气层结分布的影响要远大于水汽对大气层结分布的直接影响,如果没有潜热的释放,水汽对背风波的发展和演变的作用非常小,而潜热释放可以使湿层结稳定度急剧下降,迅速破坏原有的层结分布,使这个区域出现非拦截的强烈的垂直运动,波动的崩溃更加迅速和明显。但需要说明的是在试验中,将数值模式里控制潜热释放的参数设为:0、1/2、2的假定情况,则在实际的大气运动过程中是不可能存在的。     

中尺度区域模式层顶高度对高空风场数值模拟的影响分析

本文基于中尺度区域模式WRF,开展模式层顶高度变化对高空气象要素,特别是高空风场数值模拟影响的研究。通过设计模式顶高45、5 hPa两个试验,同化来源于NOAA-15、NOAA-18、NOAA-19和METOP-2的AMSU-A辐射计高通道数据,表明提高模式层顶能够使卫星更多的高通道样本数量进入同化系统,达到减小背景场误差,同时减小高于层顶通道辐射能量对低层通道影响的目的,一定程度上改进了同化效果,从而改善高空气象要素,特别是风场的模拟效果,与观测值的均方根误差减小了约0.4~0.5 m·s^-1。     

中尺度地形背风波的作用及其应用

文中探讨了中尺度地形背风驻波及对天气系统发生发展的影响问题,通过建立一个含类似大别山地形作用的简化数学模型并进行了数值计算,结果表明,当过山气流u取１０１ｍ／ｓ量级,层结参数Ｎ取１０(－３)ｓ(－１)量级,其比值Ｕ／Ｎ约为３×１０３～４×１０３时可出现一种相当正压的地形背风波,其波长近于Ｕ／ｆ～１０２ｋｍ（ｆ为柯氏参数）。结合上述理论结果和实际暴雨个例,分析指出在江淮梅雨期间,当有移动性的暴雨区移至大别山定常背风波的适当位置时,暴雨会得到增幅。     

两层海洋对风场气候异常响应的解析解及其讨论

利用一个β通道线性化两层正压准平衡海洋模型,解析求解了两层海洋流场对时变风场(风场异常)的响应,得到了时变风场强迫下该海洋流场响应的斜压模态,而该模型中的正压模态则因其与实际情况不符,应弃之.在海洋上层该斜压模态中,西边界附近的海洋流场响应表现为一对由气旋性曲率和反气旋性曲率组成的涡旋偶;在时刻t=0和t=T/2(T为风场变化周期),β通道中线上分别有西风异常和东风异常最大,故响应表现为东向流和西向流;而在β通道的南北侧边界上响应表现为逆流;此时响应变化较缓慢,但强度大.在时刻t=T/4和t=3 T/4,虽无大气风场异常强迫,但因海洋运动的惯性,响应仍不为0;此时,响应变化较剧烈,但强度小,且.其流向也发生反转,这时上述涡旋偶也表现得最清晰.存海洋下层,海洋流场响应的强度和时间变化与上层相似,但流向却相反,而这体现了响应的斜压性.该海洋流场响应的频率与时变风场异常的频率相同,但存在位相差.因模型中采用了无辐散近似,故响应的性质为准平衡涡旋波,当风应力强迫和瑞利摩擦不太大时,即为海洋Rossby波.对该流场响应的振幅做了估计,发现风应力越大,β通道半宽越大,耗散越小,风应力变化的频率越低,则该响应就越大;在其他因子相同时,低频的风应力异常比高频的能激发出更大的海洋流场响应.得到的斜压模态的解析解与中纬度北太平洋在日本本州岛以东、以南的实际海洋上层流场异常相像,故其在一定程度上能够反映中纬度北太平洋海洋上层流场对实际风应力异常的响应情况;且其较我们以前得到的结果要优,适用性也更广,而这有助于揭示该响应的性质和机理.     

初始强迫风场对Zebiak-Cane海气耦合模式预报能力的影响研究

结合观测的海表温度距平（SSTA）对925hPa NCEP／NCAR再分析风应力距平（以下简称NCEP风应力距平）资料与FSU风应力距平资料进行了比较分析。对比分析了分别以NCEP、FSU风应力距平作为初始强迫风场时的Zebiak-Cane海气耦合模式（简称ZC耦合模式）的预报能力。结果表明：1980、1990年代NCEP风应力距平较FSU风应力距平与观测SSTA匹配更为合理。NCEP风应力距平不仅较FSU风应力距平对ZC海洋模式初始化效果好,尤其在1990年代更为显著,而且在1980、1990年代以NCEP风应力距平替代FSU风应力距平作为ZC耦合模式的初始强迫风场,都提高了该耦合模式预报能力,尤其是可提前6-8个月成功地预报出1997／1998年EI Nifio事件。进一步分析表明,在1997／1998年EI Nifio事件前兆、爆发阶段,NCEP风应力距平驱动海洋模式产生的SSTA比FSU风应力距平驱动海洋模式产生的SSTA更接近观测SSTA的水平冷、暖分布特征,这为ZC耦合模式提供了更为合理的预报初始强迫场,从而有利于提高其预报能力。     

动量平流对混合连界层中的风场及其扰动稳定性的影响

提出了线性动量近似方案，并利用该方法讨论了动量平流对混合连界层中的风速、垂直速度、大气动能耗散的影响。同时讨论了动量平流、摩擦对风场扰动稳定性的影响，得到了一些有意义的结果。     

Sensitivity of a numerical wave model on wind re-analysis datasets

Wind is the dominant process for wave generation. Detailed evaluation of metocean conditions strengthens our understanding of issues concerning potential offshore applications. However, the scarcity of buoys and high cost of monitoring systems pose a barrier to properly defining offshore conditions. Through use of numerical wave models, metocean conditions can be hindcasted and forecasted providing reliable characterisations.This study reports the sensitivity of wind inputs on a numerical wave model for the Scottish region. Two re-analysis wind datasets with different spatio-temporal characteristics are used, the ERA-Interim Re-Analysis and the CFSR-NCEP Re-Analysis dataset. Different wind products alter results, affecting the accuracy obtained. The scope of this study is to assess different available wind databases and provide information concerning the most appropriate wind dataset for the specific region, based on temporal, spatial and geographic terms for wave modelling and offshore applications. Both wind input datasets delivered results from the numerical wave model with good correlation. Wave results by the 1-h dataset have higher peaks and lower biases, in expense of a high scatter index. On the other hand, the 6-h dataset has lower scatter but higher biases. The study shows how wind dataset affects the numerical wave modelling performance, and that depending on location and study needs, different wind inputs should be considered.     

关于风力发电场风机光影影响防护距离的研究

风力发电场的建设,极大地推动了地方经济的发展;但如果风机布置不科学,极有可能对周围民宅产生光影闪烁影响。关于风力发电场风机的光影闪烁影响预测,国家目前尚无相应的标准和规范,也无可借鉴资料。综合分析了辽宁省环境工程评估审核中心所评估的个例环评报告,初步探讨了风机产生的光影闪烁影响的各种情况,提出了风机光影影响防护距离的概念和计算方法。     

台风“碧利斯”的雷达反演及改进

利用两步变分反演方法,研究2006年第4号台风“碧利斯”,对照单部雷达资料和两部雷达资料的反演结果。结果表明：利用单部雷达资料不能很好的反演出台风的风场结构特征,而两部雷达资料在第一步反演背景场时,可以看出台风的涡旋特征。通过检验发现,此次台风过程的水平切向风在最大风速半径内部与Rankine模型相近,外部与Chen 3模型接近。为了更有效地利用单部雷达的观测信息准确定位台风的移动路径,故在单部雷达资料第一步反演背景场时加入模型弱约束。反演结果表明,加入模型弱约束后,反演的背景风场就能看出台风的涡旋特征,通过第二步反演后与两部雷达资料结果相近;加模型弱约束的单部雷达反演结果与两部雷达反演结果间u、v分量的相关系数均在0.8或以上,2-7 km高度层u、v分量的均方根误差明显减小。     

一次大范围海效应暴雪的雷达反演风场分析

用EVAP(Extended Velocity Azimuth Processing)方法对2010年12月30日发生在山东半岛的一次海效应暴雪过程进行风场反演,以了解暴雪过程中雷达回波和低层风场的特征。得出以下结论:(1)烟台和威海暴雪发生时间不同步,降雪带有明显东移的过程,对应烟台强回波带逐渐向东移动,而威海回波位置少动。(2)雷达回波开始产生于渤海,减弱也始于渤海;强回波带的位置与风场的辐合区有很好的对应关系。(3)反演风场水平切变线的移动,会引起强回波带的波动;烟台北部切变线相对稳定,南部切变线西移,致使强回波带沿顺时针方向旋转;威海南部切变线位置相对稳定,北部切变线西移,引起强回波带沿逆时针方向旋转。(4)辐合切变线是由经过辽宁南下的东北风与山东半岛的西北风(西风)辐合构成;切变线受西风分量减弱的影响而发生移动。     

台风“碧利斯”的雷达反演与改进

利用两步变分反演方法研究2006年第4号台风＂碧利斯＂,比较单部雷达资料和双部雷达资料的反演结果。结果表明：利用单部雷达资料不能很好地反演出台风的风场结构特征,而双部雷达资料在第一步反演背景场时,可以显示出台风的涡旋特征。通过检验发现,此次台风过程的水平切向风在最大风速半径内部与Rankine模型相近,外部与Chen 3模型接近。为了更有效地利用单部雷达的观测信息准确定位台风的移动路径,故在单部雷达资料第一步反演背景场时加入模型弱约束。反演结果表明,加入模型弱约束后,反演的背景风场可以看出台风的涡旋特征,通过第二步反演后与双部雷达资料结果相近;加模型弱约束的单部雷达反演结果与双部雷达反演结果间u、v分量的相关系数均为0.8或以上,2—7 km高度层u、v分量的均方根误差明显减小。     

A Model Study of Three-Dimensional Wind Field Analysis from Dual-Doppler Radar Data

ＡＭｏｄｅｌＳｔｕｄｙｏｆＴｈｒｅｅ－ＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＷｉｎｄＦｉｅｌｄＡｎａｌｙｓｉｓｆｒｏｍＤｕａｌ－ＤｏｐｐｌｅｒＲａｄａｒＤａｔａＫｏｎｇＦａｎｙｏｕ（孔凡铀）；ＭａｏＪｉｅｔａｉ（毛节泰）（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＧｅｏｐｈｙｓｉｃｓ...     

新源县复杂地形下的风电场风场结构特征分析

利用新源县风电场周边气象站及测风塔观测资料、ERA5-Land再分析资料和数值模拟结果,分析新源县风电场的风场结构特征。结果表明：（1）风电场周边气象站的逐小时10m风速均呈现出早、晚偏低,中午偏高的变化规律。喀拉布拉镇站和公安农场站的风向主要以东风和南风为主,肖尔布拉克沟站的风向则以南风为主。测风塔4302的风速随着高度变化不明显。测风塔4301-4306均存在南风和北风,但各风向占比有一定差异。随高度升高,测风塔南风风向呈现出东南转西南的趋势。（2）ERA5-Land资料不能很好地再现研究区域风场变化。（3）数值模拟的风场变化具有一定山谷风特征。夜间的风向以东南风为主,白天则低海拔河谷地带风吹向山顶,北部谷风逐渐主导东北风向。20时,风电场区域主要以西北风为主。     

基于三台测风激光雷达的大气湍流和三维风场研究

为了获取大气湍流和空间三维风场结构,利用3台同型号的测风激光雷达开展协同观测试验。(1)利用虚拟铁塔协同观测技术开展大气湍流探测,与香河102 m铁塔安装的三维超声风速仪观测结果做对比,32 m处高频(10 Hz)风速的相关系数高达0.92,平均误差为0.77 m/s,均方根误差为0.41 m/s;大气湍流强度(TKE)的相关系数高达0.99,平均误差为-0.02 m²/s²,均方根误差为0.08 m²/s²,并且协同观测的高频风速与三维超声风速仪的观测结果具有相同的频谱结构。(2)利用扫描协同观测技术开展三维风场探测,与铁塔上的常规测风设备相比,其90 m高度处的水平风速和风向的相关系数分别为0.92和0.93,平均误差为-0.41 m/s和0°,均方根误差为0.73 m/s和34°。相比于单台测风激光雷达,基于3台测风激光雷达协同观测技术具有一定的优势:不需要风场水平均匀的假设、探测精度更高等。但其对观测环境的要求较高:观测路径上不能有遮挡、观测必须协同等。在科研业务应用中,需要根据实际的观测需...     

风电场风速降尺度预报方法对比分析

使用中尺度数值天气预报业务模式9 km和3 km分辨率的模式输出产品,分别应用小尺度模式CALMET模式和双线性插值(BLI)方法将预报风速进行降尺度处理,并对比预报风速和风塔观测资料。结果表明：WRF模式9 km分辨率的模式输出经过CALMET模式降尺度以后得到的风速预报效果比3 km分辨率的模式输出略好。同时,由于中尺度数值预报模式分辨率本身较高,使用BLI也可以得到较好的风速预报。将风速分为0 m·s^-1≤风速<5 m·s^-1,5 m·s^-1≤风速<10 m·s^-1和风速≥10 m·s^-1共3个等级,检验3个风速等级的预报偏差百分比得出,CALMET模式和BLI方法对10 m·s^-1以上的大风的预报效果相对较差;如何对大风预报进行订正对风速预报准确率的提高具有重要的意义。