高性能计算技术在气象领域的应用

高性能计算通过应用超级计算机与并行处理技术解决复杂的计算问题,是信息技术发展比较迅猛的领域之一。气象应用始终是高性能计算的重要领域,高性能计算技术有效地解决了高分辨率、高精度气象数值预报模式发展限制,在气象预报预测业务中发挥着核心支撑作用。数十年以来,由于数值天气模式研究和业务运行对计算资源的强烈需求,国内外气象领域高性能计算机及应用迅速发展起来。气象领域对高性能计算能力及系统的可靠性需求日益提升。高性能计算技术将与气象预报应用日益融合,相互影响促进,不断创新发展。为满足气象预报预测业务和科研工作需求,中国气象部门将进一步提升高性能计算能力,并致力于优化集约高性能计算系统布局,高效管理计算资源,发挥最大效益。     

无人直升机搭载大气颗粒物采样装置的前期地面评估

与搭载气溶胶观测和分析仪器测量相比,利用无人直升机搭载气囊采集高空大气颗粒物是一种经济、便捷和安全的采集方式。为了解无人直升机采样装置的采样效果,选择2014年10月至2015年3月的4次重污染天气过程,由无人直升机搭载气囊采集大气颗粒物,然后利用气溶胶采样器采集气囊内的大气颗粒物样品并计算采样时间,再利用气溶胶采样器采集相同时间段内的地面大气颗粒物(气囊外),并将两者进行对比。结果表明:在稳定的污染天气条件下,采集气囊内的大气颗粒物,与相同时间段内利用气溶胶采样器直接采集气囊外的大气颗粒物相比,两种方式采集到的大气颗粒物质量最大差值29%,最小差值11%,平均为21%;利用无人直升机的大气采样装置采集大气颗粒物对碳气溶胶组分影响很小,气囊内与气囊外OC/TC最大相差2.0%,最小相差0.5%。上述结果表明,无人直升机的大气采样装置有比较好的采集效率,利用气囊这种经济、便捷、安全的方式,搭载在无人机平台上,采集高空大气是一种获取气溶胶垂直廓线的有效方法,有望在未来的气溶胶气候和环境研究中提供宝贵数据。     

抚顺地区夏季降水异常的气候特征分析

利用1951—2012年NCEP/NCAR再分析月平均资料及章党观测站月平均降水数据,利用统计学方法从大气环流等方面对抚顺地区夏季降水异常气候特征进行了分析探讨。结果表明:抚顺地区夏季降水存在明显年际尺度周期特征,西太平洋副热带高压北界越偏北、强度越强则抚顺地区降水强度越大。抚顺地区降水强(弱)年,500hPa高度场抚顺地区位于距平低涡(高压)底前部,850hPa风场抚顺地区处于西南(偏北)气流控制之下,海平面气压场抚顺地区位于蒙古气旋底前部(反气旋前部),比湿场抚顺位于比湿距平正值(负值)区内。降水强年的温度场距平低值中心落后于500hPa高度场低值中心,利于高空槽的发展,有利于降水的维持加强,降水弱年的温度场距平低值中心与500hPa高度场低值中心相配合,对高空槽脊的发展无明显的影响。     

四川宝兴县短时强降水的时空分布特征

利用四川宝兴县1970—2000年及2008—2014年的小时和部分分钟降水量资料,对宝兴县5—9月汛期短时强降水的时空分布特征进行了分析。结果表明:宝兴短时强降水集中发生在7、8两月;由于地形地貌特征复杂,不同的海拔高度及地形位置,短时强降水强度差异较大,海拔1400~1500m之间的降雨强度最大、海拔2580m左右区域的降雨时数最长,此2种降水类型均易引发泥石流等地质灾害;海拔1300m以下,海拔高度愈高,γ中尺度系统发展愈均匀持久,降雨强度愈强,海拔1300 m以上,海拔高度愈高,γ中尺度系统发展愈激烈快速,降雨强度愈弱。     

海河流域夏季降水与北半球环流异常的相关

使用1981—2013年6—8月的月平均海河流域站点降水资料以及NCEP/NCAR再分析资料,采用SVD方法分析了北半球高度场环流异常与海河流域夏季降水的关系。结果表明夏季海河流域的一致型降水异常主要受热带地区高度场异常的影响,而北半球中高纬的高度异常分布对海河流域东南部降水异常有重要作用。热带及中高纬地区的高度场异常与副热带西风急流和流域上空的水汽输送有一定的对应关系,急流强度和位置的变化以及水汽辐合异常造成海河流域降水异常,尤其中高纬高度异常的这种对应关系更加明显,并且两个地区的高度异常分布对应的海河流域异常水汽输送有不同来源。     

利用双线偏振雷达分析人工防雹作业效果

以北京市平谷区2011年6月11日防雹作业为例,利用双线偏振雷达资料,选取与作业区条件十分接近的云块为对比区,根据回波移动方向和速度,跟踪分析在不同高度上防雹作业前后云体宏观结构特征和粒子相态等微物理变化过程。作业后云体所呈现特征为:1作业区的云顶高度、强回波中心高度迅速下降,对比区变化不明显;2作业区水平反射率Zh减小,差分反射率Zdr、零相关系数ρhv增大,单位差分传播相移Kdp小范围内波动,对比区Zh、Zdr、Kdp变化不明显;ρhv增大;3作业区对流减弱,高层较大冰雹粒子、大雨滴下沉明显,最终以霰粒子为主;而对比区域则对流仍然旺盛,冰雹粒子有增多趋势。以上特征表明防雹作业可有效抑制冰雹胚胎成长为冰雹的过程,通过偏振雷达观测参量可对防雹作业效果进行较好的验证。     

武威市初、终霜日气候特征

为了因地制宜,合理调整种植结构和布局,有效利用农业气候资源。利用1961—2014年武威市4个气象站点初、终霜日(最低地温≤0℃)观测资料,采用现代气候诊断分析方法,系统分析了该市年初、终霜日的时空变化特征。结果表明:受海拔高度、地形地势以及植被覆盖情况的影响,在空间分布上,武威市初霜日为山区早于荒漠区早于绿洲平原区,终霜日为山区晚于荒漠区晚于绿洲平原区,各地初、终霜日存在一定的异常性,正常初、终霜日均在60%左右,对农业生产造成危害的偏早和特早初霜日、偏晚和特晚终霜日的概率均在20%左右。在时间变化上,武威市初霜日呈显著推迟趋势,终霜日呈显著提早趋势,霜期呈显著缩短趋势,终霜日提早的幅度比初霜日推迟的幅度更大。初霜日和终霜日的时间序列均分别存在着8~10年和9~11年的准周期变化。初霜日在1998年发生了气候突变,终霜日在1996年发生了气候突变。     

省级气象广域网网络优化的设计与应用

目前湖北省气象地面宽带网省—地—县3级结构中,省局与各市(州)局间采用单条专线连接,手动VPN(Virtual Private Network)拨号线路备份的传输方式,这种传输方式不足以保证数据传输的可靠性。现设计新增一条专线,实现省到地的双线路备份。同时,增加一台省端网络互联交换机,升级地市端的网络互联路由器硬件,将数据划分为业务数据和视频会商两类,定义不同的传输方式。业务数据采用OSPF(Open Shortest Path First)动态路由方式进行传输,视频会商通过配置静态路由BFD(Bidirectional Forwarding Detection)联动的路由方式进行传输,并通过QoS(Quality of Service)保证其4 Mb/s的带宽,从而实现省到地数据业务更合理可靠地传输。     

1980-2010年冬季北极涛动季节内振荡的成因分析

采用NCEP/NCAR日平均再分析资料,对冬季热带外低频振荡(大气角动量收支及地形力矩)与AO(Arctic Oscillation)指数进行计算,通过功率谱和统计分析发现,它们都存在30~60 d的周期,大气角动量收支与山脉力矩的变化为正相关,且显著响应AO变化。通过动力学诊断分析初步认为,北半球两大地形的山脉力矩作用于纬向大气角动量,副热带纬向西风发生变化,改变南北西风偶极子结构,使得AO产生变化,而且在两大地形中以喜马拉雅山脉地形作用为主。通过对喜马拉雅山脉地区的动力学诊断发现,在高(低)AO指数阶段,喜马拉雅山脉地区激发准定常行星波并作用于副热带西风,导致副热带西风偏弱(偏强),高纬西风偏强(偏弱),因而AO偏强(偏弱),平流层极涡偏强(偏弱),极涡强(弱)中心偏向东北亚。     

飞机下投探空在台风探测中的应用

在海洋探测方面,利用飞机进行下投探空拥有巨大的潜力去弥补全球高空探测网的空白。台风形成后,飞机飞入台风中心或绕台风飞行,下投配有全球卫星定位(GPS)装置的"探空仪",探空仪上安装有温度、气压、湿度传感器,通过GPS定位测风,对台风实施立体观测。多年来,飞机下投探空能够充分掌握台风的整体气象要素分布结构,从而提高对台风强度和移动路径等预报的准确性,飞机下投探空在国际上已经从科学试验转变成业务应用,并且形成新型的探测技术——目标观测。本文主要总结了国际上利用飞机搭载下投式探空仪进行台风探测的发展历程,为我国开展下投探空,特别是台风监测提供可借鉴的经验。