三基线测风原理和计算程序

一、引言 双经纬仪基线测风可直接计算气球高度,从而获得高空风向、风速等资料。这在大气边界层风场结构研究方面使用广泛。观测数据的处理目前有三种方法:水平面和垂直面投影法及矢量法。其中,水平面投影法计算简便,精度一般较高。但气球靠近通过基线的垂直面时,误差很大甚至不能     

如何提高探空气球的飞升高度

1引言 大气中各高度上气压、温度、湿度随时间和空间分布的资料，对于研究大气中的各种物理过程，以及天气分析和预报等气象服务工作是十分重要的。目前，国内高空探测主要采用由探空气球携带无线电探空仪升空进行压、温、湿的测量。在探空观测中，气球飞升的高度越高，越能取得更大高度范围内的探空资料。所以，如何提高气球的上升高度，获得更完整的气象资料，进一步提高我省的探空业务质量，是每个探空业务人员必须面对和致力研究解决的问题。笔者试图通过对影响气球上升高度因素的分析以及实际工作经验的阐述，供广大探空业务人员参考借鉴，希望能够有所启迪和帮助。     

中国探空气球水平漂移总体特征分析

利用2003年4月至2008年8月全国119个探空台站采集的气球漂移信息,分析了中国探空资料水平漂移距离、漂移距离标准差以及漂移方向的分布特征。研究表明:各层探空气球的漂移距离冬季明显大于夏季;一般探空气球的漂移距离随探空高度的增加而增大,但在夏季南方地区由于风向随高度的反转会出现探空气球水平漂移距离随高度减小的状况。探空气球水平漂移距离的标准差随高度增加而增大,且其大值区分布基本上与水平漂移距离的大值区分布一致。从气球漂移方向上看,冬季的情况相对简单,全国各探空台站各层的漂移方向基本以向东为主;但夏季探空气球漂移的方向比较复杂,在对流层低层,全国各台站漂移方向基本以向东为主,而在对流层高层和平流层,北方地区漂移方向基本向东,而南方地区以向西为主。     

障碍物对风速风向影响的观测试验

随着城市化进程的加大,测站周围障碍物的存在使风观测资料失去代表性、准确性和比较性。为定量化研究障碍物对风观测的影响,开展了河北沽源构筑物观测试验,通过对比构筑物修建前后各测点的风速风向资料,分析了障碍物对风速风向的影响。分析结果显示:1障碍物对风速的衰减作用与背景风速大小有关,风速越大,衰减作用越强;2背景风速在2~6m/s时,障碍物背风面测点风速衰减随距离增大而减小,在10倍障碍物高度距离处平均约衰减15%;背景风速大于6m/s时,背风面各测点风速衰减先增大后减小,在大约5倍障碍物高度的距离处衰减最大,10倍障碍物高度的距离处平均约衰减20%~30%;3障碍物的存在使主风向的风向频率减小,对风向的影响距离为6倍障碍物高度。     

探空气球施放筒设计

探空气球的充灌和施放是高空气象观测工作的重要组成部分.目前高空观测中雷达跟踪探空仪、探空信号接收和数据处理都已经实现自动化,只有探空气球的充灌和施放是人工操作,气球充灌氢气有一定危险性,且至少需要一个观测员来完成施放气球工作.该文在分析探空气球充灌和施放各环节工作的基础上,介绍了一种探空气球施放筒的设计方案,以及在业务试验中存在的问题和改进方法,为高空气象观测系统的全程自动化创造条件.     

风廓线仪与气球测风资料的对比分析

利用风廓线仪和气球同步探测风场资料对比,分析了风廓线仪探测风场资料的可靠性。结果表明：在稳定天气过程中,由于风廓线仪的探测盲区和地物杂波的影响,自地面至高空200m范围内,廓线仪探测的风向、风速与气球探测的风向风速值有一定偏差,200m高度以上风廓线仪和气球探空所测得的风场廓线具有很好的相关性;在复杂天气过程中风场廓线形状出现较大偏差,主要原因是由于气球探空资料在各高度层之间的整体连续性方面存在明显不足,而风廓线仪的观测资料无论在各高度层之间还是整体连续性方面都明显好于气球探空。这与在较高海拔地区,气球观测期间的大气局部不稳定有关。由于气球在经过某高度层时的取值明显受到当时大气层局部小湍流活动或者较强的下沉或上升气流影响,使气球经过该点时的位移与其相邻两点之间出现明显的飘逸,从而造成气球在某个高度范围内的风资料观测值出现较大偏离。但由于探空气球的资料不连续,无法准确判断气流扰动情况,而风廓线仪获取的不同高度上的风资料是10min内的平均观测值,一般不受小范围的空气扰动而出现较大偏离,另外,风廓线仪的观测是连续的,每组观测值之间只存在10min的时间差,通过对前后几组数据的对比分析,可以明显看出当时气流的扰动情况。因此,风廓线仪探测在资料的连续性和分析气流扰动情况,尤其是大尺度湍流活动方面更有探空气球不可替代的作用,风廓线仪观测资料的可靠性具有良好的应用价值。     

单体云的一种观测方法

自天气雷达问世以来，教科书和观测规范规定：在观测单体云时，先以一定仰角做PPI（平面位置显示，简称平显），然后再将雷达扫描线正对PPI扫描所得云体回波强中心做RHI（距离高度显示，简称高显），最终得出云体回波最大高度（顶高）及强度信息，这一观测方法是目前通用的观测规则，这里称为常规方法。但是，我们在实际工作中发现在某些特定的条件下用上述方法不能观测出云体回波的最大高度及强中心顶高，特别是在防雹观测指挥中由于用上述方法观测出的云体回波最大高度及强中心顶高低于实际高度值，容易发生错误识别。１环境风场对单…     

辽东半岛西岸海陆风及热内边界层的观测研究

应用１９９３年在辽东半岛西岸进行的现场观测试验资料，对该地出现海陆风及热内边界层进行了分析研究，得到了该地海陆风在各个月份出现的频率、海风起止时间、海风伸向内陆的距离等，同时还得到了热内边界层的高度随离海岸距离改变的规律。     

区域雷达网同步观测对比分析

利用长江中游的合肥、宜昌、武汉、常德和长沙雷达周围的1:25万的地形高度数据得到各雷达的混合扫描仰角和等射束高度拼图。选用2004年7月17—19日5部雷达同步观测的雷达体扫资料,分析了各雷达的最低扫描仰角;在尽量排除地物杂波、波束阻挡、距离衰减和波束展宽等因素影响的情况下,对比分析了5部雷达构成的有重叠覆盖区的7个雷达对的反射率因子差异。结果表明:(1)对雷达最低扫描仰角进行分析可以检查雷达的仰角标定,武汉和合肥雷达平均最低观测仰角比VCP21扫描方式规定的要低;(2)用雷达对等距离线上的反射率垂直剖面可以分析雷达对同步观测的回波空间位置和强度差异,常德雷达和其周围雷达同步观测的回波高度明显偏低;(3)用雷达对等距离线上某高度的反射率因子曲线变化的一致程度可以分析雷达的方位标定,这5部雷达没有明显的方位定标偏差;(4)用雷达对等距离线上某高度的平均反射率因子差可以分析雷达对同步观测的系统观测差,宜昌雷达和其周围的雷达相比,观测的回波强度偏强,而武汉和其周围的雷达相比,观测的回波强度偏弱;(5)反射率因子差的时间平均值随着反射率因子的大小变化而变化,当观测的反射率因子越大时雷达对的反射率因子差的时间平均值也越大。     

风观测对障碍物距离要求的定量评估

为定量评估气象站风观测对障碍物的距离要求,通过流体力学模式(Computational Fluid Dynamics,CFD)对单体建筑物进行了敏感性试验分析,并用河北沽源构筑物观测试验对模拟结果进行了验证。结果表明:(1)按照来流风速90%进行风速影响范围评估,障碍物对风速的影响距离为迎风面上3倍建筑物高度,背风面为28.5倍建筑物高度;按风向偏差10°进行风向影响范围评估时,障碍物对风向的影响距离为迎风面1.4倍建筑物高度,背风面为6.8倍建筑物高度,侧风向为2.8倍建筑物高度,垂直方向上为4倍建筑物高度。(2)对来流风速、建筑物厚度、建筑物高度、建筑物视宽角、来流风向的敏感性分析表明,10 m风速、风向测量对障碍物距高比的要求随背景风速的增大而增大;随着建筑物厚度的增大,10 m风速、风向观测对距高比的要求减小;当障碍物高度6 m时,对10 m风速、风向观测影响不明显,当障碍物高度6 m时,对距高比的要求随障碍物高度的增加而减小;随着建筑物视宽角的增大,10 m风速、风向观测对距高比的要求增大;来流风向与建筑物呈45°时,风速影响区域增大,风向影响区域水平方向增大、侧方向减小。     

大气环境防护距离与卫生防护距离确定技术方法对比研究

根据环境影响评价技术导则—大气环境（HJ2.2-2008）等有关规定,对基于SCREEN3模型的大气环境防护距离确定技术方法进行研究,对比分析了现行的卫生防护距离和HJ2.2-2008规定的大气环境防护距离确定方法的差异,论述了各行业卫生防护距离标准仍执行的可行性,进一步探讨了大气环境防护距离确定存在的问题与技术解决方案,提出了尽快制定无组织排放源强确定技术方法规范、各行业大气环境防护距离标准的建议,为环境评价与保护工作提供参考。     

基于旋翼无人机的大气边界层环境气象垂直观测及订正方法的研究

基于旋翼无人机开展大气边界层观测可为气象要素和大气污染物垂直结构的研究提供具有高时空解析能力的新方法,有助于深入理解低层大气物理化学变化机制。本文详述了旋翼无人机在开展大气边界层环境气象垂直观测实验的应用及优势。基于自主研发的旋翼无人机环境气象观测平台,通过开展传感器在无人机上不同的搭载位置,以及旋翼无人机与探空气球、高塔的对比观测实验,明确了旋翼无人机对气象环境观测的影响及合理的搭载方式。研究进一步在湖北重污染天气条件下开展了0—1000 m的大气边界层垂直观测,并研发了基于旋翼无人机姿态数据的大气边界层气象要素及污染物垂直观测的订正方法。结果表明:实验获取了2—10 m垂直分辨率的高质量大气廓线数据,可精细捕捉大气边界层及其逆温层高度和污染物浓度等要素的垂直变化特征。本文旨在为无人机观测的科研应用提供一种技术可行且数据可靠的观测手段。     

俄罗斯探空观测减少对GRAPES模式的影响分析

在观测资料同化系统中,探空资料是重要的资料之一。由于俄罗斯探空观测在2015年1月进行了调整,分别在0000UTC和1200UTC减少部分探空观测,为检验探空观测调整对GRAPES模式的影响,选取2014年1月从中国气象局国家气象信息中心数据库中检索到的探空资料进行了影响试验。从分析检验结果来看,俄罗斯探空站点减少后GRAPES模式对俄罗斯大部地区的风场分析变差,对其他地区风场分析影响不大;俄罗斯地区和东亚地区的高度场分析略有变好,这与缺失站点高度场观测质量有关。从500hPa高度预报场的距平相关系数变化来看,减少观测对东亚地区5d以后的预报略有改善,其他地区预报影响变化不大。     

农田小气候自动观测系统温度梯度观测设计

垂直梯度是小气候观测的突出特点,为研究矮杆作物和高杆作物农田小气候合理的梯度观测设计标准,以小麦和玉米为例,对2012年郑州和泰安两地麦田和玉米田气温和裸温垂直梯度变化特征进行分析,结果表明： 气温与裸温的垂直梯度变化在时间和空间分布上均有很好的一致性,可利用裸温不同层次间垂直梯度变化特征确定气温传感器合理的安装高度;根据麦田和玉米田裸温垂直梯度变化特征,考虑到温度防辐射罩高度限制,矮杆作物田小气候气温应在距离地表面25 cm、50 cm和150 cm高度附近分别设置观测层次,高杆作物田小气候气温应在距离地表面25 cm、50 cm、150 cm和300 cm高度附近设置观测层次。     

四川部分台站迁移新旧站址观测资料对比评估

利用四川近年台站迁移新旧站址对比观测资料,采用统计检验方法,对新旧站址观测资料进行对比评估.结果表明：迁站后观测环境得到改善,热岛效应影响减小,气温降低,相对湿度和风速升高.迁站对气温极值的影响大于平均值,对降水、相对湿度和风向的影响较大,新旧站址的风向一致性较差.由于旧站址遭受破坏的程度,周边障碍物的存在形式、所处方位、距离、下垫面状态及迁移距离、高差等的不同,造成对气象要素的影响程度会不同,从而造成迁站对各站及各要素影响的差异.     

使用系留气球进行气象观测的几个力学问题

在没有铁塔和高层建筑物设施的地方,一般都用系留气球携带观测仪器升空到几百公尺的高度上,进行有关气象要素的短时间测量。现我们就实际工作中遇到几个涉及力学的问题,进行一些理论分析和计算。一、系留气球的升空高度     

高海拔地区高空探测气球施放高度影响因素及解决办法——以格尔木气象台为例

通过对2015—2017年格尔木高空站探测施放高度的统计分析,总结影响探空高度的因素有气球质量、天气变化、氢气的充灌、气球的存放等,提出了存放气球要远离火源水源且存放时间不宜过长、充气时气流量要保持均匀、阴雨天要比晴天多充10%～20%的氢气、尽量使用纯度较高的氢气等相应的措施,有效提高高空探测施放高度和质量,获取更多更准确的探空资料,为提高天气预报准确率提供第一手观测资料。     

复杂地形下地面观测资料同化II. 模式地形与观测站地形高度差异代表性误差

第I部分研究结果(徐枝芳等,2007)表明模式与实际观测站地形高度差异对地面观测资料同化效果有较大影响。此文在MM5_3DVAR同化系统中利用近地层相似理论将地面观测资料进行直接三维变分同化分析,考虑模式与实际观测站地形高度差异对同化效果的影响,提出在地面观测误差中增加地形代表性误差来解决这个问题。研究结果表明:地面资料同化分析时,在其观测误差中加入一项新的误差——地形代表性误差,能较好地解决地面资料同化分析中模式与观测站地形高度差异问题;地面资料参与同化分析,在观测误差中加入与模式和实际观测站地形高度差异大小相关的地形代表性误差时,地面观测值对分析值的影响随着地形高度差异代表性误差的加入而减小,同时又部分地将地面观测信息通过变分分析融进分析场,使得低层分析更接近真实场,且地面资料利用率更高,24小时降水数值预报(模拟)的效果较好。     

复杂地形下地面观测资料同化I. 模式地形与观测站地形高度差异对地面资料同化的影响研究

中国地形复杂，模式地形与实际观测地形存在一定高度差异，因此设计合理的复杂地形下地面观测资料的同化方案有利于使我国目前仅用作探测手段的地面观测资料（常规地面观测站和地面自动站）在中尺度数值模式中得到充分利用。作者在MM5_3DVAR同化系统中利用近地层相似理论将地面观测资料进行直接三维变分同化分析，并对地面资料同化方案设计中是否需要考虑模式与实际观测站地形高度差异进行探讨研究。研究结果表明：通过近地层相似理论将地面观测资料同化到数值模式能起到一定的作用，并且地面观测资料（温度、 湿度、 风场、 地面气压）中各物理量同化到数值模式都能影响24小时降水数值结果，但各物理量起的作用大小不一样，其中影响最大的是温度，其次为湿度；地面观测资料同化方案设计有必要考虑模式地形与实际观测站地形高度差异，适当考虑这种高度差异能取得较好的结果。     

沈阳大气成分观测站站址环境特征分析

根据沈阳地理位置、地形特点和区域环境及气候环境等,对沈阳大气成分站所处站址环境进行探讨。并利用2004—2006年逐时气象观测数据对周围地物影响以及周围大气污染源对观测数据可能产生的影响进行了分析。结果表明:沈阳大气成分站的站址设置基本符合建站要求,颗粒物和黑炭浓度的观测数据可以反映出沈阳地区大气环境特征与大气成分变化情况。