加密探空与地面自动气象站资料同化对北京地区边界层数值模拟改善研究

利用2016年8月28日至9月2日在北京市宝联、朝阳、大兴站获得的逐3 h加密探空资料与逐1 h的地面自动气象站资料,基于WRF模式与WRFDA三维变分同化系统,分别进行仅同化加密探空资料(S-DA)、仅同化地面自动气象站资料(A-DA)以及同时同化以上两种资料(M-DA)的同化试验,研究三组资料同化方案对北京地区边界层数值模拟的改善影响。结果表明:垂直方向上,加密探空资料对于改善模拟结果起核心作用,可使边界层范围内温度、相对湿度、风速的均方根误差分别减少65%、61%、22%。地面自动气象站资料对垂直方向的模拟结果亦有贡献,但改善力度小、影响范围低。M-DA试验与S-DA试验结果相仿。水平方向上,地面自动气象站资料的改善作用主要体现在影响范围广,加密探空资料改善力度较强,然而影响范围小。M-DA试验综合两种资料的优势,可使模拟结果更接近观测结果。同化时效性方面,同化试验对边界层内热力状态的改善影响时间较长,对湿度状态与动力结构的改善影响时间较短,其中M-DA试验对热力状态的改善影响最多可延长至预报6 h,对湿度与动力结构的改善影响最多可延长至预报3 h。综上,同时同化加密探空与地面自动气象站资料要比单独同化任一资料的效果更好,两种资料在同化后可以相互补充各自的不足,能较强地改善模式的初始场,从而在一定程度上提高边界层模拟结果的准确度。

往返平飘式探空在CMA-MESO三维变分中的同化及对模式预报的影响

往返平飘式探空通过一次探空气球施放实现“上升段-平飘段-下降段”三段观测,其下降段能实现在06时(世界时,下同)和18时自动垂直加密观测大气,具备提升区域高分辨率快速同化循环预报系统在06时和18时的预报技巧潜力。为了实现往返平飘式探空在区域高分辨率模式中的同化,分析其对预报的影响,初步提出了“选取模式层最接近观测”的垂直稀疏化方法来预处理资料,深入分析了稀疏化对同化效果的影响,论证了资料垂直稀疏化对于同化应用的必要性;在此基础上,开展了为期1个月的批量同化影响试验,着重分析了往返平飘式探空在长江中下游区域的组网观测对CMA-MESO模式预报技巧的影响。稀疏化敏感性试验结果表明,同化不稀疏化的往返平飘式探空相比同化传统业务探空,分析和预报误差显著增加,降水预报评分也显著降低,相反,“选取最接近模式层”数据的垂直稀疏化方案能提高模式的分析和预报技巧,表明往返平飘式探空同化前必须进行垂直稀疏化。批量同化试验结果表明,在冷启动时刻(00时和12时,为常规探空释放时刻),同化往返平飘式探空(上升段)相对同化传统业务探空,分析误差和预报误差变化较小。但在暖启动时刻(03、06、09、15、18、21时,无常规探空释放时刻),增加往返平飘式探空下降段数据,相比控制试验,分析场精度提高了约0.4%。此外,0~12 h累计降水预报的ETS评分变化较小,但12~24 h累计降水预报在0.1、1.0、5.0、10.0、25.0 mm量级降水ETS评分提高了约0.5%,在50.0 mm量级的降水ETS评分提高了约2.3%。总体而言,同化往返平飘式探空对于区域高分辨率快速同化循环预报系统在暖启动时刻的降水预报技巧有正贡献。

成都双流航空港云底高度及地表太阳辐射特征分析

云底高度是重要的云宏观物理参数,地表太阳辐射占据全球辐射平衡的重要地位。云底高度与太阳辐射的定量化研究有利于加深对气象的理解,进而改进精细化城市气象预报;对成都地区云底高度及太阳辐射的综合观测还可以加强对该地区云情况的了解与太阳辐射资源利用。基于成都双流航空港地区2021年9月至2023年2月的地基观测数据,对云底高度与地表太阳辐射特征进行研究,结果表明:季节循环上,成都双流航空港地区夏季云底高度较高,秋冬较低且数值接近,该区域天空大部分时间被云覆盖,与附近其他地区云特征类似。由于云的遮盖,该地区太阳辐射数据整体较低,太阳总辐射在夏季较高,约为540 W/m^(2),秋冬较低,平均在340 W/m^(2)以下。四季太阳总辐射日变化趋势相近,均在12:00-14:00达到最高点且直接辐射均低于散射辐射。研究在评估和预测成都地区云特征及太阳辐射资源方面具有一定参考价值。

基于深度神经网络的台风中心定位方法

台风中心定位的微小误差会对台风路径预报造成较大的偏离,因此精确定位台风中心是台风路径预测和灾害预报的重要步骤。台风云系随时间不断变化且风力强弱不一,在卫星云图中呈现了多样性和复杂性,现有基于神经网络的模型由于缺少对台风特征图像多维度参数的权重合理分配,在自动提取台风图像特征上受到了限制。为此,提出一种融合通道注意力与坐标注意力的神经网络模型(TY-LOCNet),首先搭建深度卷积神经网络模型提取台风特征;其次引入通道注意力机制从台风特征中捕获通道级别的信息,提升模型对重要通道的关注度;然后将通道注意力结果输入到坐标注意力机制中全局标定台风位置信息,使模型能够在较大的区域关注到台风的形态结构;此外,均方误差损失函数未能融合计算坐标导致定位精度低,因此提出距离损失函数(DISTLoss)通过距离回归提高模型定位精度。实验结果表明,TY-LOCNet的平均位置误差(MLE)、平均定位误差(MAE)和检测速度分别为3.502像素,0.292°和17 FPS,优于其他模型。台风中心定位模型TY-LOCNet可为台风预报提供实时性台风中心定位支持。

基于归闪的湖北省两套闪电定位系统对比分析

为研究湖北省两套闪电定位系统,在归闪的基础上研究分析了2015—2020年湖北地区地闪数据,对闪电频次、时空分布、电流强度月分布、雷电流幅值累积概率等主要参数进行了比对分析,研究结果表明:ADTD-2系统在定位正地闪强度存在局部异常值外,比ADTD-1系统具有更高的探测效率,其中正地闪的探测效率比负地闪提升幅度更高,探测负地闪回击的时间分辨率也比ADTD-1系统高,ADTD-2闪电数据整体优于ADTD-1数据。

VLF至MF频段雷电电场变化波形分类数据集

雷电作为一种复杂的大气放电现象,其放电过程中会产生多种类型的电场变化波形。对这些波形进行准确地识别不仅是提升雷电监测系统性能的关键,也直接关联到对雷电物理过程的深入理解。本研究基于2022至2023年间于安徽合肥市部署的13套雷电电场变化测量设备,综合收集了合肥及周边地区雷暴活动期间的电场变化波形数据。数据时间跨度覆盖3月至10月合肥主要雷电活动季节,空间跨度涉及整个城市及其周边地区,确保了数据的代表性与全面性。在数据质量控制方面,采用了严格的数据筛选与预处理流程,确保了数据集的准确性和可靠性。采用先进的卷积神经网络(CNN)模型,对波形数据进行了系统分类,成功辨识出了四种雷电放电过程中的电场变化波形,具体包括地闪回击过程(RS,15290例)、初始击穿过程(PB,3946例)、双极性窄脉冲事件(NBE,3919例)以及一般云闪过程(IC,4111例)。分类模型的准确率超过99%,展现了高效的识别能力。本研究创建了一份大样本量、高质量分类的雷电电场变化波形分类数据集,本数据集不仅能够支持开发更为先进的雷电波形分类算法,促进雷电监测、核爆电磁脉冲监测等技术的进步,也可为深入理解雷电物理过程提供重要的数据基础。

随机误差传递的高空气象秒级数据快速校验方法

【目的】为保证气象预报结果的准确性。【方法】提出了考虑随机误差传递的高空气象秒级数据快速校验方法。对高空气象秒级数据进行预处理,包括数据中心化处理、特征点提取。数据中心化的处理方式为实施各组数据的加权平均处理,获得新的数据组作为基准数据;特征点提取使用的处理方法为遍历法,需要遍历全部数据点。考虑数据获取过程中的随机误差传递情况,对预处理后的高空气象秒级数据实施空间一致性检查、内部一致性检查。应用集合经验模态分解EEMD(Ensemble Empirical Mode Decomposition)算法与对比源反演CSI(Contrast Source Inversion)算法构建基于CSI-EEMD的高空气象秒级数据快速校验模型,实施数据得到快速校验。【结果】测试结果表明,该方法能够实现4个气象站数据的快速校验,校验结果的均方根误差与平均绝对误差均低于0.1,实现了数据的质量控制。【结论】将该方法应用于气象站数据校验中,可以实现精准度的数据校验,具有一定的实用价值。

基于国密的气象数据业务安全架构研究

随着我国数字经济持续快速发展,气象数据在广泛流动释放价值的同时,也面临着被窃取、泄露、滥用等巨大威胁。为了更好地提升气象数据业务整体安全保护措施,通过对资料精细分级分类,在数据采集、数据传输、数据服务等过程中评估常用密码加解密性能,提出一种主要基于国密(SM2、SM4、ZUC等)的气象业务数据全链条安全保护策略,并在台站采集端、传输过程、数据存储、接口服务等环节对资料进行仿真评估,从时效影响、保护强度、低代价改造等方面,表明本方案的可行性和适用性。

测风塔资料质量控制及效果检验评估

针对选取103座测风塔资料,提出完整的质量控制方案,并基于JRA-55、CRA-40等再分析资料,对测风塔资料的数据质量及质控方案效果进行检验评估。结果表明:(1)大部分测风塔数据的缺测率、可疑率和错误率都较低,只有少数测风塔在某些观测高度处的缺测率、可疑率、错误率较高;(2)无论是温度还是U风,测风塔资料与JRA-55再分析背景场资料的质控Observation-Minus-Background(简称OMB)结果都更接近0,这表明相对于CRA-40再分析资料,JRA-55再分析资料在近地面气象要素重现模拟上具有一定的优势;(3)对测风塔观测资料质量控制效果进行检验评估结果表明,质量控制后的温度和UV风相对于再分析资料的偏差更接近0,标准差减小。相较而言,质量控制后UV风偏差和标准差减小得更多,其应用效果较温度要素好。

基于GNSS水汽和地面假相当位温观测的短时强降水阈值预报方法研究

基于2019年和2020年6—7月GNSS水汽监测网大气可降水量(PWV)资料和并址气象站的地面雨量、温、压、湿等同步观测数据,利用临界成功指数(CSI)和命中率(POD)两个检验指标,探索建立了基于PWV、6小时水汽增量(PWV*)及假相当位温距平(θ_(se)*)的短时强降水阈值预报方法,并利用2021年6—7月降水样本对该预报方法进行检验,结果显示CSI和POD分别为0.167和0.593,其评分高于目前常规业务方法对短时强降水的客观预报评分,其中约48%的短时强降水发生在预警之后的24小时内,约78%发生于48小时内。研究区域内78.6%的短时强降水样本发生在连续15小时PWV*的累积值(∑PWV*)≥75 mm且连续24小时θ_(se)*累积值(∑θ_(se)*)≥30 K的条件下;PWV高值区叠加∑PWV*和∑θ_(se)*的大值区对梅雨期短时强降水以及暴雨发生区域有较好的指示性。

基于多源数据融合的降水数据质量控制技术研究

【目的】降水为非连续性观测要素,利用常规的质量控制方法无法很好地检查降水观测数据的正确性,因此需要开展自动气象站降水观测数据质量控制技术研究。【方法】提出一种基于雷达、卫星等多源数据融合的地面自动观测降水数据质量控制方法,研究基于标准Z-R关系的雷达定量降水估测产品加工算法,生成宁夏全区地面自动观测站1 h雷达定量估测降水量,建立基于雷达、卫星估测降水产品的自动气象站降水观测数据质量控制技术流程,开展自动气象站降水观测数据质量控制,并对质量控量结果进行分析评估。【结果】(1)对于国家级站,多源数据融合的地面自动观测降水数据质控方法与MDOS对降水量数据的质控均为“正确”的一致率较高,平均达到94.88%;对于区域站,均为“正确”的一致率明显比国家级站低,平均达到51.57%;(2)多源数据融合的地面自动观测降水数据质控方法质控出“可疑”和“错误”数据明显比MDOS多,对“可疑”和“错误”数据的检出率更高;(3)多源数据融合的地面自动观测降水数据质控方法对错误降水数据的质量控制较MDOS质量控制更符合实际。【结论】多源数据融合的地面自动观测降水数据质控方法可以较好地解决宁夏降水要素自动观测数据的质量问题,为降水数据质量控制提供技术和理论支撑。

CLDAS气温实况融合产品在兰州和武威的检验评估及偏差订正

为更好地理解格点融合实况数据与观测数据的差异和代表性,利用甘肃兰州和武威两地站点的观测数据对中国气象局陆面数据同化系统(CMA Land Data Assimilation System,CLDAS)地面2 m气温融合产品进行检验评估及偏差订正。结果表明:(1)逐小时气温和日最低气温融合产品的平均误差总体为负值,较实际气温偏低,且在2500 m以下误差随海拔上升而减小;日最高气温融合产品平均误差在海拔1500 m附近为负值,1500 m以上误差变为正值且随海拔升高而增大;日最高和最低气温误差较逐小时气温误差偏大,但平均误差均在2℃以内。(2)通过近网格点检验,发现逐小时CLDAS气温产品白天与实况相近,夜间较实况偏低0.2℃;日平均气温CLDAS融合产品总体较实况偏低1℃,兰州城区产品偏差相对较小;30℃以上高温天数融合产品与实况分布基本一致,但在兰州城区,CLDAS融合产品的高温天数较观测天数偏少。(3)线性回归法和递减平均法对CLDAS气温融合产品都有一定的订正效果,递减平均法订正效果更优且在高海拔地区订正效果更明显。CLDAS气温实况融合产品在兰州和武威两地能较好地反映气温变化特征,但日最高、最低气温误差较逐小时气温大,且在复杂地形下误差相对较大。

天气雷达间一致性评估算法影响因子分析及改进

基于基数据的雷达间一致性评估的基本方法,分析了雷达高差、地形遮挡、噪声、充塞、时空重叠率、衰减等对一致性评估算法的结果质量的影响,并采取了相应的改进措施:使用雷达的波束遮挡比例数据进行遮挡订正或直接剔除存在遮挡的重叠点;对信噪比较低、充塞不充分及存在异常的重叠点予以剔除;增加了时间、空间重叠率因子,分析了不同阈值时间、空间重叠率对评估结果的影响。改进措施对一致性评估结果中的偏差均值、标准偏差的质量均有了一定的提高。使用改进后的算法对岳阳站雷达系统偏差和苏皖地区雷达回波一致性做了评估。结果表明:岳阳站在维护前后与周边雷达的偏差值有明显的降低,并回到正常水平,标准偏差值也略有降低;苏皖地区雷达间偏差均值大部分在2 dB以内,雷达间偏差均值所组成的矢量三角形闭合度较好,标准偏差在2.9~3.3 dB,相关系数在0.40~0.55。

地基云雷达与FY-4A卫星云顶高度联合反演方法

基于地基毫米波云雷达与FY-4A卫星对云顶同步观测的特点,分析云雷达垂直顶空观测的云顶高度与FY-4A卫星AGRI载荷通道数据之间关系,提出了地基云雷达与FY-4A卫星云顶高度联合反演方法,实现云雷达安装点周边区域卫星云顶高度的融合反演,并对反演结果进行验证分析。结果表明,AGRI载荷的第11~14通道值与云雷达观测云顶高度呈线性相关,且卫星通道值与云雷达观测云顶高度比值呈现冬季最小、春秋季次之、夏季最大的季节性变化特点;星地融合反演云顶高度与云雷达观测云顶高度相关系数0.84,融合后比融合前均方根误差减小了0.7 km,提高了卫星云顶高度的反演精度。

基于风廓线雷达产品的冰雹过程分析

利用贵州省威宁县气象局的风廓线雷达基础数据及其二次开发产品、雨量站和MICAPS的实况数据,对2019年6月11日发生在威宁本站的一次冰雹大风天气过程进行综合分析。结果表明:水平廓线产品可反映出冷暖平流的时空变化及垂直分布,更早探测冷空气入侵、风场切变情况及低空急流强度;大气折射率结构常数和垂直速度可以指示降水的发生、持续时间及降水强度情况;强降水发生前有较强风垂直切变,降水过程中风垂直切变值整体大于0.2 s^(-1),风垂直切变的增强会引起垂直速度和地面大风的增大;若以大于15 dBZ和小于10 dBZ为降水的起止标志,风廓线雷达反射率因子较其他产品可以更清晰地指示降水的开始和结束。

中法海洋卫星散射计风场资料融合与检验

单一的海面风场资料存在观测点稀少、分布不均匀或难以覆盖全球等问题,利用多源风场资料进行融合,实现快速标准网格化,一方面可有效覆盖海面,另一方面可提升风场业务化精度。为了促进以我国自主可控散射计风场资料为主的多源海面风场融合效果提升,本文收集了四种海面风场资料:浮标、船舶报、ASCAT散射计反演风场以及国产中法海洋卫星散射计(CSCAT)反演风场资料,并进行了相关的融合试验与验证。首先对比验证CSCAT散射计风场资料质量,再利用时空加权插值法和最优插值法,以CSCAT散射计资料为核心,辅以其他风场资料进行日平均全球风场融合与3 h区域风场融合,最后对融合风场进行了质量检验。试验结果表明:CSCAT散射计风场资料在数据准确度及数据稳定性上略逊于ASCAT散射计;散射计风与船舶报两种资料融合后的全球风场可以满足一定的业务化精度需求;最优插值法更适合应用于太平洋海域,时空加权插值法更适合应用于印度洋海域,在大西洋海域两种方法融合效果相近;时空加权与最优插值集成方法下的3 h区域融合风场质量较全球日平均风场更高。本融合方法实现简便、运算快捷、融合数据可靠,特别是在观测极端稀疏区域,可为需求部门快速获取高分辨率海面标准网格化风场提供一定参考。

融合多源观测资料的微波辐射计温度廓线订正试验

为增加大气探空站点,提高微波辐射计大气温度探测精度,利用FY-4A气象卫星温度产品和BP神经网络、遗传算法,分别实施杭州站、南京站微波辐射计的温度订正仿真试验,并获得准确的连续性大气温度垂直廓线;结合探空资料和民航AMDAR气温资料,评估模型订正效果。研究结果表明:(1)微波辐射计温度产品存在一定误差,两站均在高度2 km处平均偏差最大,同站有雨时的偏差均大于无雨时的偏差;(2)经过BP神经网络模拟订正后的微波辐射计测温精度较原温度产品提升幅度较大;杭州站MAE、MSE、RMSE的降低幅度分别为45%~55%、65%~78%、41%~53%,南京站的降低幅度分别为58%~66%、83%~88%、55%~59%;(3)经过遗传算法优化初始权值和阈值后的神经网络订正模型模拟效果有进一步的提升,其中有雨模型提升效果明显,RMSE降低幅度11%~15%。微波辐射计的上述订正方法,可以推广到各地微波辐射计站点应用,具有实际使用价值。

联合同化闪电资料和地面常规观测资料对强对流天气预报的影响

以2017年6月16日发生在广东省的一次中尺度对流过程为例,利用WRF模式对中尺度对流系统进行模拟,分析了联合同化闪电和地面常规观测资料较单独同化其中一种资料的改进作用。闪电资料通过WRF-FDDA系统以15 min作为一个闪电累积窗口被连续同化入模式中,地面常规观测资料通过WRFDA-3DVAR系统以1 h间隔循环同化入模式中。结果显示,相比于只同化地面常规观测资料,联合同化试验中闪电资料的引入提高了背景场中上升气流、冷池和阵风锋的准确度;相比于只同化闪电观测资料,地面常规观测资料的引入减小了更大范围的温度、水汽、风场的背景场误差,抑制了部分地区的虚假对流,即两种资料的联合同化整体上提高了对流系统的模拟准确度。预报技巧评分结果显示,联合同化对同化期和预报期的评分也有一定程度的提高。

基于雨滴谱参数反演的C波段双偏振雷达降水类型分类方法

降水类型分类对分析区域降水微物理特征、多源降水融合误差模型的构建以及雷达定量测量降水估计等都很重要。本文基于2015~2016年南京信息工程大学C波段双偏振雷达数据和南京地区滴谱仪观测资料,提出一种适用于南京地区的雷达降水类型分类方法,并对降水类型分类结果进行对比验证。首先,基于滴谱仪降雨率时序数据、地基雷达反射率因子平面位置显示数据和地基雷达反射率因子时间—高度显示数据,筛选出36次典型层状和对流降水过程。随后,统计3个滴谱仪站点典型层状(对流)降水的雨滴谱(DSD)参数,拟合得到适用于南京地区的降水类型分类线。将基于滴谱数据统计拟合的分类线应用于基于变分法反演的地基雷达DSD参数,进行地基雷达降水类型分类。根据典型层状(对流)过程降水类型分离指数的时间—高度分布,并对比星载双频测雨雷达(DPR)降水分类产品,对分类效果进行验证。最后,将分类结果应用于雷达分类定量降水估计,进一步说明降水分类的应用效果。结果表明,南京地区3个滴谱仪站点的拟合分类线非常一致,3个站点的典型层状(对流)过程均能够很好地分离在分类线两侧;与DPR降水分类产品进行对比分析,发现南京地区分类线的分类效果相对于其他典型降水分类方法,对层状和对流降水的识别率整体最高,分别为84.56%和72.64%;基于降水分类的雷达定量降水估计的测雨精度均优于未分类的测雨公式,且基于差分传播相移率的测雨公式[R(KDP)]在四种分类测雨公式中整体性能最优,基于水平反射率因子的测雨公式[R(ZH)]在层状云降水反演中性能最优,基于差分传播相移率的测雨公式[R(KDP)]在对流云降水反演中性能最优,基于水平反射率因子和差分反射率的测雨公式[R(ZH,ZDR)]对原有总体测雨公式降水精度的提升最为明显。

川南森林湍流通量质量评价及贡献区分析

由于通量观测容易受复杂下垫面和仪器精度影响,需基于涡动相关系统观测原理对原始数据进行严格的预处理和质量控制。本研究选用2021年5-12月来自于川南地区四峨山森林下垫面的涡动相关系统的湍流观测资料,观测设备架设在不同高度包括粗糙副层内、粗糙副层与常通量层边界以及常通量层内。利用上述观测数据量化了两种坐标旋转方案下湍流通量计算结果的差异性,并结合湍流稳定性和发展性检验对通量资料序列进行了质量评价,最后分析了不同大气稳定度和不同观测高度下足迹函数所表示的通量贡献区域变化范围。结果表明:二次坐标旋转校正后的通量数据大于平面拟合后的数据,且两者的校正差距随观测高度的增加而增大。从通量数据质量等级分布特征来看,感热通量数据质量优于潜热通量及CO_(2)通量,且低层数据质量优于高层。38 m和56 m观测高度主风向在东北-西北方向上呈现昼夜相反的变化,其中5-9月尤为明显。不同大气稳定度下的通量贡献范围存在一定的差异,在大气稳定条件下,38 m观测高度的通量信息80%来源于距离观测塔西侧50~1400 m区域;在大气不稳定条件下,通量测量的源区水平范围在0~500 m之间。在56 m观测高度且大气稳定条件下,通量贡献80%的源区边界距测点可达1500 m;不稳定条件下,源区范围在0~750 m之间。冬夏两季在稳定大气条件下贡献区范围有明显差异,在38 m观测高度上,夏、冬季节最大湍流通量信息分别来于1320 m、 700 m。在相同大气稳定度下,通量贡献区的分布受观测高度的影响,56 m观测高度通量源区大于38 m的通量源区。