加密探空资料同化对北京地区边界层数值模拟的影响

基于2016年8月28日至9月2日在北京市宝联站、朝阳站、大兴站获得的逐3 h加密探空资料,利用WRF V3.9.1模式和WRF-3DVar系统,对北京地区大气边界层进行数值模拟试验,研究加密探空资料同化对边界层数值模拟的影响。结果表明:同化形成的分析场较背景场更接近观测值,更能表现边界层内真实大气的热力、湿度状态及动力特征。位温、比湿、纬向风、经向风、风速分析场的均方根误差分别较背景场的减少了86%、59%、24%、44%、19%,体现出同化的较强修正作用。加密探空资料同化的预报效果在模式积分6 h内最好,之后同化作用的大小及范围逐渐减弱。加密探空资料同化对边界层内大气湿度状态在整个预报时段内均有改进,对边界层内大气热力状态的改进持续6 h,对于边界层内大气动力特征的改进,纬向风改进较多,经向风和风速不明显,这与风的自身属性、北京市的复杂地形有关。另外,加密探空资料的站点数在空间水平方向上比较少也是导致同化在分析场的改善作用明显但是效果难以持续较长时间的原因之一。     

中国区域位势高度场探空与再分析资料的对比分析

利用中国高空探空资料和NCEP/NCAR、ERA以及JRA 3种再分析资料,采用偏差、线性趋势、EOF等统计方法,分析、讨论了再分析资料位势高度场在中国区域的适用性问题。结果表明:在年平均场上,探空资料在中国北方地区对流层中存在上升趋势,在平流层低层存在下降趋势;并且有整层变化相同的年际变化特征和对流层南北方反位相变化的年代际变化特征。再分析资料位势高度场数值上普遍小于探空资料;NCEP/NCAR资料与探空资料较为接近。在季节平均场上,探空资料在冬季对流层中存在一致的上升趋势,在春、夏和秋季的长期变化趋势与年平均场类似;探空资料与再分析资料在冬季的偏差最小。不同资料的EOF第一模态分布,在不同季节中差别较大,NCEP/NCAR资料在春季、夏季和冬季适用性较高,ERA资料在秋季适用性较高。     

中国区域探空资料与再分析资料风速场的对比分析

利用中国高空探空资料和NCEP/NCAR、ERA以及MERRA三种再分析资料,讨论了再分析资料风速场在中国区域的适用性问题。结果表明:在中国区域的年平均场上,高空风速在我国对流层高层和中层均存在长期减弱的趋势,在我国东部和南部地区的对流层低层也存在减弱趋势,ERA-interim资料和MERRA资料适用性相对较好。再分析资料风速在多年年平均场上普遍小于探空风速。在对流层高层,1980年代至1990年代ERA-interim资料适用性好,而21世纪以后,NCEP/NCAR的适用性较好;在对流层中层和低层,NCEP/NCAR资料适用性较好。在中国区域的季节平均场上,高空风速在冬季的对流层高层和中层中普遍存在增加的趋势,而在春季、夏季和秋季的对流层高层和中层存在减小的趋势。探空资料与再分析资料在冬季偏差最小,在夏季偏差最大。在对流层中层和低层,NCEP/NCAR资料和MERRA资料在冬季的可信度相对较好,MERRA资料在夏季的可信度相对较好;在对流层高层和平流层低层,ERA-interim资料和MERRA资料在四季中的可信度都相对较好。     

中国西北地区大气边界层高度变化特征——基于探空资料与ERA-Interim再分析资料

利用中国西北地区2015年9月至2016年8月38个站点L波段探空观测、2016年7月加密探空观测和ERA-Interim边界层高度资料,对比分析了西北地区大气边界层高度变化特征。观测资料表明,在中国西北地区,08:00(北京时,下同)冬季边界层高度最高; 20:00春季边界层高度最高,边界层高度从西部到东部有显著降低的趋势。ERA-Interim资料基本能表现出边界层高度的区域分布,但相对于探空观测得到的边界层高度,除夏季20:00外,ERA-Interim再分析资料边界层高度均偏低。全年平均而言,08:00(20:00)偏低160 m(170 m),其中在08:00(20:00),冬季(春季)偏低最显著。08:00边界层高度与低层稳定度、近地层温度和风速相关更加显著; 20:00边界层高度与低层稳定度和相对湿度相关更加显著。2016年7月加密观测资料对比表明,ERA-Interim资料的对流(中性)边界层高度显著偏高;低层稳定度、相对湿度偏小,风速偏大可能是造成边界层高度偏高的原因; ERA-Interim资料的稳定边界层高度偏低,与低层稳定度和近地层温度偏低相关,但其影响因素相对更加复杂。     

基于探空风资料的大气边界层不同高度风速变化研究

利用1981—2014年我国资料齐全的93个高空气象观测站(距离雷达300、600、900 m高度)的探空风资料,按照气象地理区划,借助GIS分析了边界层内不同高度风速及其趋势的时空变化,得到以下结论:300～900 m,东北和华北地区累年平均风速较大,西南和西北地区累年平均风速较小;边界层内各高度同一地区平均风速的月变化趋势基本一致,但各地区季节风速变化不同,同一地区月平均风速的年较差随高度上升而增大;300 m.各地区年平均风速均显著减小:在600和900 m.华北、西北、华中地区年平均风速呈增加趋势,东北地区年平均风速呈减小趋势,但均未通过显著性水平检验;各高度年平均风速空间分布均为东北地区较大,尤其大兴安岭和东北平原地带;从沿海到内陆,由东至西风速逐渐减小;在300 m.全国年平均风速以减小趋势为主;在600 m,全国大部分地区年平均风速呈增加趋势,尤其是中部、西北和华东沿海地区;在900 m高度,全国年平均风速变化趋势呈现由边界向内部的包围态势,中心地区呈增加趋势,边界地区均呈减小趋势,但是通过显著性水平检验的地区不多。     

模式再分析与实际探空资料的对比分析

利用2007年11月—2008年11月美国国家环境预报中心(NCEP)和国家大气中心(NCAR)的全球再分析资料与阜阳和安庆探空站的高空资料,对NCEP资料进行垂直的拉格朗日插值和水平的双线性插值后,对比分析了模式再分析与探空资料的一致性。结果表明:探空资料和NCEP资料中温度、相对湿度、u风和v风4种气象要素的绝对差值随地点、高度和季节变化较小,0.5～8 km基本稳定在一定的范围内:温度相差0.5～1.0℃,相对湿度相差5%～15%,u风和v风分别相差1～3 m/s和1～4 m/s。但值得注意的是近地面(0.5 km以下)二者差异相对较大。对比结果验证了利用模式探空资料来分析无实际探空资料地区上空气象参量变化特征的可行性。     

风廓线雷达资料与探空资料的对比分析

对咸宁市黑山观测站风廓线雷达资料与加密探空资料进行了对比分析,定义两者风向偏差在20°以内或风速偏差在3 m/s范围的样本为有效样本,分别用EV和Ed表示风速有效样本比率（风速有效样本数/总样本数）和风向有效样本比率（风向有效样本数/总样本数）.结果发现:(1)比较时段内（比较开始半小时内）无降水产生时,Ev大于Ed,...     

川西西南涡加密探空资料分析及数值模拟试验

本文利用2010年夏,在名山、九龙、稻城三地进行的西南涡加密观测试验所取得的探空资料对川西地区的大气要素场的日变化特征进行分析,认为:3个测站的大气各个要素场的日变化特征明显,整层的风都具有日变化特征,边界层内风场的日变化更为规律一些,能观测到明显的夜间大风速带。温度和湿度场主要受下垫面影响,日变化特征只在边界层内体现。名山平均的边界层高度约为800hPa,九龙和稻城平均的边界层高度约为500hPa。3个测站相比而言,名山站的日变化幅度最小,而九龙站最为突出。将加密的探空资料引入AREM模式中,可以看到在有西南低涡存在的情况下,增加3个探空站资料后形成的初始场更有利于降水天气的产生。但主导整个模拟结果的因素还是模式系统本身,它对模拟结果产生效力主要在前24小时,其后的影响非常微弱。     

VAD反演风与探空资料的对比分析

本文利用中国15个相近的雷达站和探空站的观测资料,用统计学方法检验VAD方法反演的风相对于探空风的偏差。分别对风速、风向进行检验的结果表明:VAD方法反演的风向对于探空风的风向偏差较小(23.0%),风速偏差略大(51.6%),VAD风风速通常比探空风风速小(平均为-10.3%)。本文还对比了多站探空风和多站VAD风组成的风场,结果表明二者的风场基本一致。     

加密探空资料在GRAPES同化系统中的试验结果分析

利用GRAPES₃Dvar系统,分别对2011年发生在四川境内的两次强降水个例进行了加密、常规探空资料的同化对比试验。结果表明,试验的各同化变量的平均、最大调整幅度都随高度增加而增加;通过对两个个例各个同化变量的增量场水平分布的分析可见,试验B主要对四川地区造成影响,试验C的影响区域分布在整个积分区域内,而试验D与试验C的各同化变量增量场分布相似,但它对四川地区各同化变量增量的调整幅度更大;另外B、C、D三组试验的降水预报相对控制预报都有所改善,试验D的预报更优,降水强度与降水落区预报与实况更为接近。     

九龙站在西南低涡/晴朗天气背景下观测资料的对比分析

本文基于中国气象局成都高原气象研究所2017年西南涡加密观测资料,对比分析了西南低涡主要源地九龙站在西南低涡/晴朗这两种不同天气背景下,各个基本物理量的日变化特征及存在的差异,认为：西南涡天气背景下,边界层高度较低,而晴朗天气状况下,边界层大气湍流运动强烈,对流混合伸展高度非常惊人,能超过3000m。西南涡天气背景下,夜间大气较为暖湿,气压显著偏低,上层大气风速较大,便于动量下传。晴朗天气背景下,大气较为干燥,温度日较差偏大,大气压较高,白天湍流混合强。越靠近地面差异越显著,差值随高度的增加而逐渐减小。     

宜昌冬季两次降水过程大气边界层的观测分析

利用宜昌2007年12月10-25日的加密观测资料,分析了两次低值系统经过宜昌时大气边界层的温湿风廓线结构及其日变化特征。结果表明：位温廓线具有明显的日变化特征,对流边界层在白天出现和发展,其高度可达600m,而稳定边界层在夜间出现和发展,其高度可达300m,降水会抑制对流边界层和稳定边界层的发展;湿度廓线结构及其日变化与对流边界层的发展有关,总体上湿度随高度减小,贴近地面的薄层湿度随高度减小较快,而混合层内湿度随高度变化较小,出现降水时,近地层的湿度有明显增加,大气边界层内湿度随高度快速平稳减小;风速廓线结构比较复杂,总体上风速随高度增大,在大气边界层低层有时会出现一个风速极大值,风速廓线没有明显的日变化特征,大气边界层内风向变化较大,但以偏东风为主。     

藏北那曲地区大气边界层特征分析

利用“全球协调加强观测计划(CEOP)亚澳季风之青藏高原试验”(CAMP／Tibet)2002年8月预试验期间(PLOP)藏北高原观测站(BJ站和安尼站)的无线电探空仪的探空资料,分析了藏北那曲地区的大气边界层位温、比湿、风速的日变化特征及稳定边界层和对流边界层特征。结果表明,藏北那曲地区边界层日变化大,对流混合层高度最高可达1800m,下雨天形成对流边界层的时间晚于阴天和晴天的时间。     

名山站探空资料与风廓线雷达资料的对比分析

应用四川省名山站2015~2017年6月21日~7月31日每日四个时次的西南涡加密探空资料与风廓线雷达资料,对比分析了在对流层低层风探测上两种资料的差异。结果表明：名山站风廓线雷达资料有效探测高度约为4200m;风廓线雷达和探空测得的风场廓线形状总体接近,两者的风速偏差较小,仅在个别层次和时次偏差大,风速的偏差大小与风廓线风速大小存在正相关关系,除少数情况外风廓线雷达测得的风速均大于探空;两者风向差值随高度的变化规律与风速相反,在中高层较小,低层较大;除01:15时次的500m高度外,其余时次自低层到高层两者观测到的主风向均由偏东北风变为偏西南风,一致性较好;U风和V风散点分布主要沿对角线呈棒槌型,V风质量优于U风,19:15这一时次的风廓线雷达探测U风相对探空资料存在明显系统性正偏差;风廓线雷达探测高度受降水影响较大,在07:15和13:15时次有降水时其探测高度明显高于无降水时。     

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。     

青藏高原纳木错湖区大气边界层结构分析

利用2007年8月8~19日期间系留气球低探空和GPS无线电探空资料,分析了纳木错湖区大气边界层高度、风、温、湿等要素的垂直结构。结果表明:纳木错湖的冷湖效应推迟了边界层湍流混合及对流边界层出现的时间,边界层高度日变化非常明显,对流边界层高度最高可达1750 m;在晴天条件下,边界层内湖陆风日变化非常明显,湖陆风控制范围常超过边界层高度,可达对流层中部;边界层内比湿变化呈V型变化,白天减小,夜间增大,早晨08:00出现峰值。     

基于探空图作岳阳强对流天气预报指标的分析

收集整理2007—2016年岳阳冰雹、雷雨大风、短时强降水3类强对流天气过程及其实况、再分析资料,基于探空图计算能量指标及不稳定指标,分析其与强对流发生的关系,寻找预报指标阈值,并进行预报试验。研究结果表明:①TT≥49℃、A≥20℃、K≥40℃时比较容易出现短时强降水天气,但在降雹与雷雨大风过程中,A10℃或K≥35℃的机率比短时强降水中的低,雷雨大风中的CAPE值明显比冰雹和短时强降水中的大。②2月下旬—4月上旬, LI20℃、Wm1.2 m·s~(-1)、△Z3 000 m(2～3个条件满足)可作为冰雹的预报指标;雷雨大风指标阈值为△θse_(700-850)≤-7℃、SI≤-1.2℃、垂直风切变(1 000～500 hPa)≥10 m·s~(-1);③每年的日能量平衡高度变化可分为两个阶段,当第一阶段中能量平衡高度高于250 hPa,且处于变化曲线中的极值时,往往对应出现强对流天气;第二阶段中能量平衡高度大部分高于250 hPa,要参考其他预报指标进行强对流天气预报。     

基于L波段雷达资料的济南大气边界层特征分析

基于L波段探空GFE（L）1型二次测风雷达的垂直分层资料密,并从地面开始就可以获取资料的特点,分析了济南地区边界层特征,总结了逆温与空气污染的关系。     

NCAR分析资料在大气边界层内误差的初步分析

通过比较1998年南海季风试验(SCSMEX)期间(1998年5月5日～5月25日,6月4日～6月20日)7个站点的探空加密观测资料与NCAR分析资料,分析了在大气边界层内分析资料存在的误差.结果表明:在大气边界层内,NCAR分析资料存在较大的误差.位温和比湿误差随着高度的增加呈现下高上低的特征.比湿的误差要大于位温的误差,7个站点的位温均方差最小值基本都小于1 K,最大均方差也不大于2 K,而比湿均方差最小值基本都大于1.0 g·kg~(-1),部分站点的误差最大值超过2.0 g·kg~(-1).初步说明,下垫面对NCAR分析资料误差的产生有较大影响,内陆地区和海岛地区的分析资料位温的误差比沿海地区大,而比湿数据则相反;在垂直方向上,分析资料的位温误差在0.98～1.33 K之间,比湿误差介于1.39～1.60 g·kg~(-1)之间.