探空资料同化应用研究:（Ⅰ）两种质量控制方法对比

本文以探空温度资料和T639模式资料为基础,对比双权重质量控制方法与传统标准差法质量控制的差异,结果表明:传统法得出的平均值、标准差均偏大。离群点的判断对标准差敏感度高,受平均值的影响小。两种质量控制方法得出的平均值相差较小,标准差相差较大,质量控制后,传统法对平均值和标准差的改变较大,而双权重法使平均值、标准差略有变化,因此双权重标准差法的稳定性好。质量控制结果显示:双权重法能全部剔除由传统法确定的离群点,还能检查出传统法不识别的离群点。两种方法在探空高层离群点判断上存在较大有差异,虽然双权重标准差法使得离群点增加很多,但提高了观测增量的精确度,有效保障了探空资料质量。双权重质量控制结果使探空观测与T639模式的温度增量的相关系数与标准差均有改进,尤其在西藏东部改进较大。      

探空温度资料质量控制技术研究

探空资料质量控制是探空资料在数值模式同化应用取得较好效果的重要保障,随着模式分辨率不断提高,探空资料飘移信息越来越需要应用到同化算子。本文通过全球谱模式T639L60(简称T639)分析场和掩星探测系统COSMIC资料对2011年7月我国119个探空站温度资料进行分析,同时结合探空气球随高度飘移信息以及温度残余误差等因素,开展探空温度质量控制技术研究。研究结果表明：探空气球飘移距离随高度而增大,在300~100 hPa之间飘移速率较大;基于探空温度资料残余误差和飘移因素建立的双权重标准质量控制方法能有效保障资料质量,是否考虑温度残余误差和飘移信息对质量控制结果有明显影响。当考虑温度残余误差时,300 hPa以上离群资料量显著减少;考虑飘移信息时,高层飘移速率较大区间离群资料量明显减少;模式地形与测站地形的高度差异对质量控制结果有明显影响,当测站地形高度低于模式地形时,易出现离群点,且两种地形差异大小与离群点呈正相关,即地形差异越大,低层离群资料越多。     

两种面向数值同化的风廓线雷达资料质量控制方法比较分析北大核心

本文利用2018年2月2—11日福建9部CFL-06风廓线雷达小时风场与ECMWF模式背景再分析资料观测增量数据,首先制定了基于迭代加权最小协方差行列式(IRMCD)和双权重标准差(BSD)方法在处理观测增量数据时获得最优参数的判定指标峰偏值KS,然后对两种方法在处理风场离群值的性能和特性上展开比较分析。结果表明:总体上来说,两种方法在判定风廓线雷达风场数据的离群值都具有良好的效果,但是从波形指标、统计指标、概率密度分布、Q-Q图上看IRMCD比BSD方法能判定更多的离群值,各项指标都更接近于正态分布;从散点分布上看,IRMCD方法获得的非离群值的分布近似“椭圆形”特征,BSD方法获得的非离群值分布近似“方形”特征,同时BSD方法在判定离群值的“方形”四个角中存在一定量的误判,这是由各自机理所决定的,IRMCD方法能够同时处理二维向量并具有防止假阳性误判的机制,而BSD方法在处理二维向量时只能分别进行判定离群值;在风羽图的分析中也能看出IRMCD方法能够有效剔除与实际大气不合理的高低空风。因此,IRMCD方法更适合应用于循环数值同化的风廓线雷达水平风质量控制。     

风云三号卫星微波辐射率资料的质量控制

利用双权重算法对观测增量（卫星观测亮度温度与用辐射传输模式模拟的背景场亮度温度之差）进行质量控制,模式背景场采用的是NCEP再分析资料,观测算子使用的是RTTOV（9．3v）（thefast radiative transfer for （A）TOVS model）。质量控制分两步进行：粗检验和离群值检验,目的是剔除受地表发射率或云影响的离群资料。结果表明：质量控制后观测增量标准差显著减小,偏差接近无偏正态分布,FY-3卫星微波温度探测器辐射率数据的质量得到很大的改善,为FY-3微波温度计观测亮温资料在数值预报资料同化系统中的应用奠定基础。     

GPS掩星气压的评估及质量控制

以探空数据为参考,将2014年1月1日—12月31日的COSMIC掩星气压作为GPS掩星试验样本,将中国区域划分为4个气候区,从双权重平均值、双权重标准差及相关系数角度对GPS掩星气压进行评估,并根据其统计结果进行质量控制。结果显示:双权重平均值和双权重标准差相较传统方法统计出的平均值和标准差更不易受异常数据的影响,评估结果更加准确。4个气候区之间气压的双权重平均值差异较小;双权重标准差在亚热带季风气候区的数值较小(小于6 hPa)、在温带季风气候区较大(最大可达15 hPa)。以探空数据为参考,气压偏差的统计表明,亚热带季风气候区从低层到高层都为正偏差(0.8 hPa左右),其他三个气候区在6 km以下多为负偏差、6 km以上为正偏差(0.5 hPa左右)。根据相关系数的统计,将相关系数确定为0.80,并根据各气候区不同的统计结果划分阈值区间;质量控制结果显示,错误点大多分布在GPS掩星气压与探空气压相差较大的区域,两步质量控制的错误数据百分比大部分在5%以内;对比质量控制前后GPS掩星气压与探空气压之间的相关系数表明,质量控制后两者的相关性得到明显改善。     

近地层高空温度数据人工质控方法探究

通过分析茫崖探空站正点探测时次地面至400hPa每隔20hPa为一层的近地层高空温度资料,尝试对近地层高空温度数据进行人工质控。结果表明,在选取正常、大风和偏湿三种天气条件下的数据进行相关性分析,回归系数及相关系数可信度检验都较为理想,并对人工质控后的探测数据进行对比检验,其值与原始值相吻合甚至部分时次优于系统软件的拟合值。     

COSMIC反演大气温湿廓线与模式客观分析场的比较

利用2009年不同季节COSMIC湿反演的大气温度和相对湿度廓线数据,分别与时、空相匹配的ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,欧洲中尺度天气预报中心)、NCEP(National Centers for Environmental Prediction,美国环境预报中心)模式客观分析场和无线电探空观测数据,进行全球范围的比较分析.初步研究表明,无论夏季还是冬季,各种资料源之间相互比较的偏差和标准差分布相似,与季节无关.就温度而言,三种资料源的温度水平、垂直分布都很接近,ECMWF模式数据比NCEP不论是温度廓线还是湿度廓线都更接近COSMIC反演值.模式的水汽客观分析场在对流层基本上都比无线电探空观测值偏湿,对流层中高层在大部分海洋地区也比COSMIC反演场偏湿.COSMIC反演的相对湿度相对于无线电探空整层偏大,具有明显正偏差,在300 hPa偏差达最大值(约30%).     

L波段分钟数据在WRF模式中的变分同化应用试验

为探讨蕴含气球漂移信息的高垂直分辨率L波段分钟探空数据在同化预报中的应用及影响,在初步讨论其基本特征的基础上,采用廓线和逐点两种同化方式,开展单站、降水个例及批量分钟探空同化试验,并与常规探空同化试验对比,得到以下主要结论:分钟数据可补充常规探空无法解析的垂直信息并提供气球漂移精确定位数据;同化分钟探空可有效增加观测在分析中的权重,使分析场更接近实况,逐点较廓线同化的结果差异主要在对流层上层;同化整个预报区域的分钟数据对模式的分析和预报性能有一定影响,漂移造成的风场同化差异在200 hPa及我国北方高空急流位置更明显;整体而言同化分钟数据可一定程度提升模式初始场(高层风场和低层水汽场)品质,主要改善对流层高空风和大量级降水预报性能.     

面向数值同化应用的L波段秒级探空资料的质量控制方法研究

世界气象组织于2003年提出探空报文格式改革,推动探空资料从传统报文转向二进制秒级存储,这一举措促使秒级探空资料在数值预报模式中的应用成为未来的发展趋势。资料的质量控制是同化应用前极为重要的基础性工作,L波段秒级探空观测误差特点与传统常规探空显著不同,因此,本文发展了面向同化应用的L波段秒级探空资料的两步质量控制方法。第一步质控在集成常规探空质量控制方法的基础上,针对秒级探空的资料特性增加对应检查步骤,旨在尽可能剔除人为观测误差;第二步质控在同化系统中引入动态黑名单检查模块,同时借助同化系统自带的背景场检查来剔除观测和背景间偏离较大的资料,目的在于控制观测的代表性偏差。本文通过对比和分析质量控制前后观测样本的统计特征,并结合数值模式的实际同化分析结果,综合论证了两步质量控制方案的合理性：两步质控后资料异常大幅减少,观测背景差更接近高斯分布,资料的同化适用性更强,同化应用效果更优。本文的研究工作为今后L波段秒级探空资料在GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction System)模式中的实现业务应用奠定了基础。     

基于探空资料因子组合分析方法的冰雹预报

以1978—2007年四川省宜宾探空站200 km范围内共45例降雹事件与非降雹事件作为时间样本,将利用T-lnp探空资料计算表征热力、动力、水汽条件、温度、高度等物理参数作为预报因子,采用因子组合分析方法对3244个预报因子进行筛选,找出影响宜宾探空站附近降雹的预报因子,并计算得到它们的阈值及组合关系,建立了冰雹预报指标判别式。两个主要因子为400 hPa饱和湿静力温度与850 hPa湿静力温度之差 (T_σ400*-T_σ850) 和400 hPa与地面垂直气压梯度之差 (G_z400-G_zsurface),两个条件因子为700 hPa水汽压与饱和水汽压之差 (e₇₀₀-e_s700) 和700 hPa露点温度与饱和湿静力温度之差 (T_d700-T_σ700*)。将2008年全年732例时次的T-lnp探空资料代入判别式进行试报,探测率为84%,空报率为67.7%,成功指数为30.4%,试报结果表明:基于探空资料因子组合分析方法得到的冰雹预报指标判别方法可行,具有一定准确性。     

2005年夏季中国东部气候异常分析--中国科学院大气物理研究所短期气候预测检验

简要比较了中国科学院大气物理研究所对2005年夏季中国降水跨季度预测与实况的异同,并对2005年夏季我国主要雨带及降水偏少区的形成与东亚热带、副热带以及中高纬度大气环流系统的配置进行了分析。对2005年夏季西太平洋副高的异常活动预测不好,这是造成跨季度降水预测有失误之处的主要原因之一。2005年夏季在亚洲对流层中高层,沿着副热带急流轴准静止Rossby波有几次能量传播过程,西太平洋副高的北抬与西伸与副热带急流中Rossby波的活动强度有一定的对应关系,因而产生了亚洲不同地区高影响性的灾害性天气。     

不同下垫面条件下土壤含水量时空变化特征的对比分析

根据淮河三站1998-05-21－08-31逐日土壤水分6层观测资料和黑河1991-06-20－08-21、1990-12-17－1991-02-15逐日土壤水分4层观测资料，分析了邻近绿洲的沙漠区、河网区（湿润区）几种典型下垫面土壤水分含量的时空变化特征。结果表明，不同类型的下垫面条件下，夏季土壤水分在湿润研究区呈明显的单峰偏态分布，且以β分布拟合效果为最好；而在邻近绿洲的沙漠研究区则呈多峰分布，冬季呈Γ分布，且湿润的研究区域夏季土壤水分在时间上呈显著的10－25d的周期变化。     

热带气旋眼墙非对称结构的研究综述

热带气旋的眼墙非对称结构与其发展过程密切相关。在热带气旋移动过程中,非对称风场伴随着边界层内非对称摩擦而引起的辐合,影响着热带气旋眼墙内的对流分布。此外,风垂直切变作为影响热带气旋强度的重要因子,将上层暖心吹离表层环流,引起眼墙垂直运动的非对称,导致云、降水在方位角方向的非均匀分布。当存在平均涡度的径向梯度时,罗斯贝类型的波动可以存在于涡旋内核区域,影响眼墙非对称结构。海洋为热带气旋提供潜热和感热形式的能量,是热带气旋发展的重要能量来源,关于海洋如何影响热带气旋眼墙非对称结构的相关研究较少。文中着重回顾了热带气旋与海洋相互作用的研究成果,并提出海洋影响热带气旋眼墙非对称结构的机制。海洋对热带气旋最显著的响应特征是冷尾效应,该效应通过降低海表温度,减少海洋向大气输送的潜热和感热,从而影响热带气旋眼墙非对称结构。此外,海浪改变海表粗糙度,通过边界层影响移动热带气旋的眼墙结构。     

RG13型雨量传感器测量结果的不确定度评定

国内民航机场主要使用的雨量观测设备为芬兰维萨拉公司生产的RG13型雨量传感器,为保证雨量测量数据的真实可靠,对其测量结果的不确定度分析很有必要。根据自动气象站现场校准方法,分别进行大雨强和小雨强的重复测试,并依据JJF1059.1-2012测量不确定度的评定与表示要求,进行A类不确定度评定。分析测量过程中的B类不确定度来源,进行B类评定,最终给出扩展不确定度。结果表明：在小雨强下,测量不确定度为U95=0.17mm,包含因子k=2。在大雨强下,测量不确定度为U95=0.16mm,包含因子k=2。该研究完善了雨量传感器的现场校准工作流程,对雨量传感器测量结果的可信度评定具有参考价值。     

乌鲁木齐市空气污染现状分析

从纵横两个方面对乌鲁木齐市空气污染现状进行了系统分析，包括与全国其它重点城市之间的比较分析、季节变动分析和趋势变动分析。     

贵州玉屏四季气候季节的划分及特征分析

利用玉屏国家地面气象观测站1961—2016年逐日平均气温资料,采用《气候季节划分》(QX/T15—2012)方法,对玉屏县四季起始日期及长度进行分析。结果表明:(1)玉屏县常年四季起始日期:入春3月5日,入夏5月23日,入秋9月22日,入冬11月28日;四季长度:春季79 d,夏季122 d,秋季67 d,冬季97 d。(2)56 a来玉屏县春季起始日期呈提前趋势,长度呈增加趋势,两者均在20世纪90年代前后出现了转折,但未发生气候突变;夏季起始日期及长度趋势变化不明显;秋季起始日期呈推后趋势,长度变化不明显;冬季起始日期变化不明显,长度呈减少趋势;春季长度增加、冬季长度减少主要为春季起始日期提前所致。(3)玉屏县四季起始日期的年际变幅大,起始日期比常年偏早(晚)连续2候以上的异常年份,春季为23%,夏季为27%,秋季为32%,冬季为25%。(4)玉屏县春季开始后出现低于季节指标≥1候的概率达41%,表明玉屏县春季出现倒春寒天气的概率很大。(5)比较气象行标法与稳定通过法的四季起始日期及长度,气象行标法对玉屏县的四季划分更能满足于农业生产的需要。     

广西汛期暴雨若干特征分析

对１９５９—２０００年广西汛期（４～９月）暴雨的年、月分布和广西汛期暴雨天气过程的季节分布及主要影响天气系统进行深入分析，得到了广西汛期暴雨的若干重要特征，对广西汛期划分提出了改进意见。     

锋面形成和维持的动力机制研究

β近似下,在等压面上的锋区可变换成孤立子.因此,为了了解锋面形成和维持的动力机制,本文从锋面方程组出发,设基态流场定常,利用地转动量假定及在平衡态附近按Taylor级数展开的方法,最后导出KdV方程。通过讨论,我们得出,锋面是由于非线性过程与频散过程共同作用并达到平衡而形成的,其中形变场对锋面形成是至关重要的.在线性情况下形成不了锋面.锋面移速与锋区强度、基态流场及非绝热加热等有关,而等压面上锋区宽度与锋面强度、切变场等有关,与形变场无直接关系.斜压性对锋面形成是必须的,而凝结加热也具有重要的辅助作用.     

球载式下投国产北斗探空仪测风性能评估

基于球载式下投北斗探空仪测风观测试验,建立了针对下投式的测风试验评估方法.试验结果表明上升段北斗测风的准确度接近RS92探空仪的探测准确度要求,两者一致性较好;下降段RS92测风误差基本上与上升段的属于同一量级水平,下降初期测风数据在使用时需要做预处理或者有效控制;下降段BD探空仪测风误差与下降段RS92的基本相当,除了球炸初期外,基本上接近WMO的测量要求,此外初期的急速下降对导航定位测风提出了更高的技术要求.整体而言,球载式下投探空观测在时间上可以实现对原有的1次探空进行加密,在空间上可以增加1个区域的探测,并为对现有探空站网分布进行合理优化提供依据,具有良好的应用前景.     

Evaluation of different versions of NCUM global model for simulation of track and intensity of tropical cyclones over Bay of Bengal

The global UK Met office Unified Model (UM) is currently operational at National Centre for Medium Range Weather Forecasting (NCMRWF), the global model named as NCUM. An inter-comparison of two different versions of NCUM has been carried out for simulating the track and intensity of Tropical Cyclones (TCs), which formed over the Bay of Bengal (BoB). For this purpose, two series of numerical experiments named as NCUM25 (New Dynamical core with NCUM N512 resolution) and NCUM17 (ENDGame core with NCUM N768 resolution and upgraded physics and data assimilation scheme) are carried out with seven different initial conditions (ICs) for two TCs. The results suggested that the location, intensity, and vertical structure of the TCs are reasonably well predicted by the NCUM17 over the NCUM25. The Direct Position Error (DPE) and landfall error of TCs are reduced in the NCUM17 in comparison to the NCUM25 for all initial conditions. The mean DPEs and intensity error are reduced by 21–41% and 18–21% in NCUM17 over NCUM25 in both the cases respectively. Improvements in mean landfall position errors are shown to range from 43 to 65% in the NCUM17 as compared to the NCUM25. The mean statistical skill scores for rainfall are considerably improved in NCUM17.