中国气象局风能太阳能预报系统(CMA-WSP)在风资源短期预报中的检验评估

[目的]为检验中国气象局风能太阳能预报系统(CMA-WSP)风速产品在风资源短期预报中的可靠性,对CMAWSP 100 m风速3 d预报产品进行检验分析。[方法]文章利用湖北省枣阳周楼、麻城蔡家寨和大金中部3个风电场100 m风速实测数据开展研究。[结果]研究结果如下:(1)CMA-WSP对枣阳风电场3 d内风速的整体预报效果较好,预报结果与实测风速变化趋势较为一致,逐15 min、小时平均和日平均风速第1 d的预报与实测风速相关系数可达0.728、0.740和0.860,随着预报时效增加,预报与实测相关性逐渐降低。(2)CMA-WSP预报风速与实测风速相对误差变化规律性强,逐15 min、小时平均和日平均风速第1 d预报相对误差分别为68%、70%和92%,预报风速整体高于实测风速;小时平均风速及相对误差均呈现白天小、晚上大的特征;月平均风速变化与MRE值变化呈相反趋势,且在1~6月和10~12月最低、7~9月最大。(3)从地区差异来看,CMA-WSP对枣阳周楼风电场风速的预报效果最好,第1 d预报与实测风速相关性可以达到0.728,第2~3 d的预报相关性也超过0.6,CMA-WSP对蔡家寨和大金中部风电场的预报与实测风速相关系数均低于0.6。[结论]CMA-WSP风速预报效果整体较好,且相对误差具有一定的规律性,有利于下一步对该产品进行订正、降低误差水平。

中国南方暴雨野外试验中尺度气象分析场的建立及其质量评估

利用武汉暴雨研究所从美国引进的LAPS中尺度分析系统,将2008年和2009年5—7月中国南方暴雨野外科学试验(SCHeREX)中所采集的观测资料进行融合、同化,生成了华南、华中、江淮和长江三角洲4个观测区的空间分辨为5 km、时间分辨为3 h的SHCeREX中尺度气象分析场。文中从两方面对SCHeREX中尺度分析场的质量进行了评估分析。首先,根据野外试验期间在4个观测区出现的暴雨日,结合观测的雷达回波和卫星云图云顶亮温(TBB)资料与SCHeREX中尺度分析资料进行统计分析与比较,结果表明,SCHeREX中尺度分析资料对中尺度强对流系统具有很强的再现能力。同时,以探空观测资料为基准,分析计算了SCHeREX中尺度分析场的平均偏差、平均均方根误差及其随高度的分布,分析结果表明SCHeREX中尺度分析场的位势高度、温度、相对湿度、风向和风速的分析误差均在观测误差范围内,尤其是SCHeREX中尺度分析场700—925 hPa位势高度的平均分析误差为45 gpm,温度的平均分析误差为1.0-1.1℃,相对湿度的平均分析误差不超过20%,风速的平均误差为1.5—2.0m/s,风向为20°—25°。

高、低空急流耦合对山东“利奇马”台风暴雨增幅影响的诊断研究

受登陆北上台风“利奇马”等影响,2019年8月9~12日山东省出现连续暴雨,其中10日夜间出现降雨峰值。利用中国气象局上海台风研究所(Shanghai Typhoon Institute of China Meteorological Administration,简称CMA-STI)热带气旋最佳路径数据、山东省自动气象站逐时降雨量、常规观测资料、中国风云二号地球静止气象卫星(FY-2G)0.1°×0.1°逐小时云顶相当黑体亮温和美国环境预报中心(National Center of Environmental Prediction,简称NCEP)1°×1°逐6 h再分析等资料,主要运用纬向风局地变化方程与大气动能方程,诊断分析降雨明显增幅与高、低层风场变化的关系。结果表明:(1)暴雨主要影响系统有高低空急流、500 hPa西风槽、850 hPa台风倒槽及“利奇马”本体环流等。10日200 hPa中纬度大尺度西南风急流东南移影响鲁西北,当天08:00(北京时,下同)850 hPa因双台风活动而形成的大尺度东南风急流突然北伸越过山东省。台风倒槽对流云与本体环流对流云先、后北移经鲁中,累积效应造成该地区10日夜间雨量最大。(2)10日20:00850 hPa章丘站东北侧出现了过程最快东风增幅,纬向运动方程诊断结果表明,东风平流是东风增加最主要原因,地转偏向力项则不利于东风增加。(3)10日20:00章丘站200 hPa西南风风力明显加大形成急流,10日08:00至11日08:00青岛站850 hPa维持东南风低空急流。同时位于高空急流右后侧与低空急流左前方是鲁中附近10日夜间降雨增幅的重要原因。章丘200 hPa与青岛850 hPa都是在最大风力之前12 h动能增加最快。动能方程诊断表明,最有利于鲁西北高空急流形成的是位能平流项,最有利于鲁东南低空急流形成的是动能垂直通量散度项。(4)10日20:00至13日08:00“利奇马”本体环流一直在影响山东,暴雨期间山东中部地形的动力作用也一直存在,而降雨的峰值是出现在10日夜间,说明10日20:00前后高、低空急流的耦合可能是山东暴雨增幅的主要影响因子。其主要作用至少有加强山东中部的垂直运动、整层水汽输送与静力不稳定度等方面。

长江流域气象-水文暴雨洪涝预警技术系统研究

对长江流域暴雨洪涝预警研究和业务的4个方面,即暴雨中尺度野外观测科学试验、暴雨中尺度系统形成机理研究、暴雨数值模式预报技术研发以及水文气象耦合模式发展等进行了回顾,分析了制约长江流域暴雨预报和洪涝灾害预警能力和水平提高的主要因素,提出了亟待解决的主要科学技术问题及其应对策略。

中国暴雨的科学与预报:改革开放40年研究成果

总结了改革开放以来中国学者在暴雨科学与预报领域取得的重要研究进展和主要成果。其中,暴雨机理研究成果从重要天气系统、中国主要区域的暴雨、台风暴雨等3个方面分别进行综述,而暴雨预报技术研发与应用则从中国数值天气预报发展和暴雨预报客观方法两方面进行归纳。

基于不确定性的多尺度暴雨强度和外江洪水位联合分布研究

城市洪涝治理方案以及排涝设施规模建设都与城市暴雨强度和外江洪水位息息相关,因此需要对暴雨强度与外江洪水位联合概率分布进行深入研究。以武汉市为例,采用Copula函数建立小时尺度城市暴雨强度和外江洪水位的联合分布,使用极大似然估计值(Max-Likelihood)、模型选择准则、RMSE和NSE拟合优度来评估不同Copula模型的性能,利用局部优化(Local optimization,LO)和马尔科夫链蒙特卡洛(Markov chain Monte Carlo,MCMC)方法来分析Copula模型的不确定性。结果表明:暴雨强度和外江洪水位两要素存在明显的正相关,1 h最大连续降水量和最大日水位相关性最高,最优联合分布函数为Gumbel Copula函数;模型不确定性分析表明MCMC模拟的最优参数与理论参数值基本吻合,效果明显优于局部优化算法,且模型不确定性结果与拟合优度评价结果一致,进一步验证了联合分布函数参数的有效性。相同频率情况下,单变量值低于两变量联合频率对应的暴雨强度和外江洪水位值,高于两变量同现频率对应的暴雨强度和外江洪水位值;两变量同现重现期高于单变量设计重现期,而联合重现期低于单变量设计重现期。同频率下的暴雨强度与水位的组合风险率都远远低于单变量情况下的频率值,50 a以上排涝风险率大于设计暴雨重现期,但最大不超过联合风险率。

中国西南山地突发性暴雨特征与机理研究的新进展

我国西南多山地且地形十分复杂,山地突发性暴雨及其诱发山洪地质灾害是我国西南山地灾害的主要类型。当前我国西南山地突发性暴雨预报水平不高、能力不足的一个重要原因就是未能有效考虑山地对暴雨及其突发性的影响,缺乏山地突发性暴雨形成与发展的理论指导。对于国家重点研发计划项目支持下开展的山地突发性暴雨特征与机理研究所取得的重要进展进行了阶段性总结,综述了我国西南特别是西南山地突发性暴雨及相关中尺度对流系统的基本特征和环境条件,山地突发性暴雨的多尺度、多层次影响系统的协同作用,地形引起的爬流和绕流对于山地突发性暴雨的不同作用,惯性重力内波与对流耦合作用触发山地突发性暴雨的一种可能机理,以及双低空急流对山地突发性暴雨的综合效应。最后对未来仍需深入开展的研究方向和切入点做了剖析和展望。

武汉与宜昌太阳总辐射与气象要素的关系对比研究

利用武汉市及宜昌市2007-2008年逐时太阳总辐照量和气象要素(气温、相对湿度、云量等)实况观测资料,对比分析两地逐时太阳总辐照量与气象要素的关系。研究结果表明,太阳总辐照量具有明显的季节差异,武汉总辐照量值较宜昌地区显著偏大;两地太阳总辐照量与各气象要素相关性大体类似,不同的是宜昌气温、相对湿度及低云量与总辐照量的相关性比武汉差,而总云量与总辐照量的相关性比武汉好;详细统计了(低、总)云量与总辐照量的相关关系,对各种天气类型(阴、晴等)进行分析后发现(低、总)云量对总辐照量影响很大,云量与太阳总辐照量存在比较明显的负相关;最高(低)气温与总辐照量最大(小)值存在时间差;两地夏冬两季相对湿度与总辐照量呈现出较为明显的负相关。

WRF耦合4个陆面过程对“6.19”暴雨过程的模拟研究

利用WRF模式与4个陆面过程的耦合,对2010年6月19—20日的暴雨过程进行了数值模拟,并分析陆面过程对暴雨强度和范围的敏感性。结果显示:WRF耦合4个陆面过程模拟的雨带和实况分布一致,均为东西向的雨带形状,且均预报出与实况资料相似的强降水中心。在无陆面方案情况下,强降水中心的位置、范围、强度等都发生明显变化。另外地表径流预报量和降水趋势表现一致,由于土壤含水量趋于饱和,多余的降水分配给地表径流,这种剧增的地表径流也是洪水暴涨、水位上升的重要原因。在较湿的土壤状况下,由于净辐射增长,有利于产生厚度更小的边界层高度以及更大的地表向上潜热通量,这也是导致本次降水过程异常增幅的一个重要原因。

节能温度、供热气象指数及供热参数研究

对北京市 2 0 0 1～ 2 0 0 2年采暖季的室内外气象 -热力试验数据进行科学分析 ,求出实际条件下不同环境温度、风速、辐射等气象条件下的节能温度 ,提出了供热气象指数及等级划分标准 ,推算出总供热量、供回水温度差及通过控制回水温度而知供水温度等供热参数 ,并已在北京市供热作业中投入应用 ,为实时供热调度提供了参考依据 ,是节能、增效、减污的基础。

河南特强暴雨β中尺度流场发展机理的数值模拟研究

采用宇如聪等研制开发的η坐标有限区域中尺度暴雨数值预报模式AREM,对2004年7月16—17日发生在河南的一次特大暴雨过程进行了数值模拟。模拟结果表明:凝结潜热促使对流层中层大气在β中尺度水平范围的气柱内得到加热,中高层大气的等压面抬高并形成β中尺度高压,中低层大气的等压面降低并形成β中尺度低压,上下层的共同作用促进了垂直运动的迅速发展。当上升运动强烈发展时,在其四周有明显的补偿下沉气流出现:在强上升运动南侧,对流层高层辐散气流向南回流导致对流层高层出现中尺度垂直环流圈,它的下沉支融入上升运动区南侧的补偿下沉气流中,并将高空的水平动量带到对流层低层形成一支新的β中尺度急流;在强上升运动北侧,对流层低层发展出了一支中尺度垂直环流圈,其下沉支向南的辐散气流与低层西南暖湿气流汇合,形成β中尺度辐合线,加强了暴雨区上空低层的辐合;在强上升运动东侧,对流层低层也有一支中尺度垂直环流发展,其下沉支中向西的辐散气流使该区域原来较为一致的西南气流出现向东的偏转,从而在西南气流中形成气旋性弯曲,更进一步加强了β中尺度辐合线上的辐合。对流层低层非地转涡度的强烈发展是β中尺度气旋形成的重要原因。最后给出了强暴雨β中尺度流场发展机理的三维空间示意图。

中尺度地形对梅雨锋暴雨影响的个例研究

利用多种观测资料和NCEP再分析资料,分析了2007年7月9—10日皖南特大暴雨过程中尺度对流系统(MCSs)的活动特征及其引发暴雨的天气背景和环境场特征,探讨了大别山和皖南山区中尺度地形对MCSs活动和暴雨形成的影响,并通过高分辨率的数值模拟、地形敏感性试验和对比分析,进一步研究了中尺度地形对MCSs活动及其降水的影响。结果表明,此次强降水过程形成的2个暴雨中心分别位于大别山东北侧和皖南山区北部,期间有4个MCSs活动,皖南特大暴雨是由2个准静止MCSs活动造成的。MCSs具有明显的日变化特征,在清晨出现日峰值,梅雨锋中低层辐合和高层辐散是MCSs形成和发展的主要原因之一。在梅雨锋东移南压的过程中,MCSs相对于中尺度地形的位置在不断地发生变化,地形上空盛行气流方向以及地形Fw数也在不断变化,地形通过不同的动力机制影响MCSs。高地形Fw数下,大别山主要通过山脉波影响下游的MCSs;低地形Fw数下,地形绕流和山脉波共同影响下游的MCSs活动。当MCSs移近皖南山区北坡时,地形有利于MCSs的形成和维持,其阻滞效应可减缓MCSs的移动,有利于皖南特大暴雨的形成。大别山和皖南山区中尺度地形对暴雨强度和分布有明显的影响,其构成的中尺度组合地形效应是皖南特大暴雨形成的重要原因。

华南前汛期持续暴雨环流分型初步研究

采用1961—2010年NCEP/NCAR逐日再分析资料和台站观测降水量资料,按一定标准选取了华南前汛期24个持续暴雨过程;并且按基本判据确定逐年华南夏季风降水开始日期。然后依据南亚高压环流型和相对于该年夏季风降水开始的早晚,将这些暴雨过程划分为夏季风降水前、后南亚高压东部型,夏季风降水后南亚高压带状、西部型共4个类型;其中,夏季风后南亚高压西部型次数最多、平均持续时间最长。所有类型持续暴雨的相同点是:广东东北部附近均为暴雨频率和雨量高值区;暴雨期间华南150 h Pa位势高度增加、500 h Pa位势高度减少;华南处在150 h Pa偏西风急流南侧辐散区中;850 h Pa华南沿海有明显的西南气流,低层辐合在华南东北部最明显;两广沿海为可降水量大值区;华南的整层水汽输送主要呈现西南向。不同点是:夏季风后南亚高压西部型平均雨量较小,夏季风后南亚高压带状型与西部型在印度洋上存在明显的偏东风高空急流;夏季风后南亚高压类型在两广沿海的可降水量数值较大。

引发华北特大暴雨过程的中尺度对流系统结构特征研究

利用常规观测资料、FY2C卫星TBB资料以及NCEP再分析资料对2005年7月22~24日发生在华北地区的大到暴雨天气过程进行了观测分析和模拟研究。结果表明,＂海棠＂台风减弱的低压倒槽内发生发展的两个中尺度对流系统是暴雨的直接影响系统,中尺度对流系统发展到成熟阶段首先在对流层中层形成中尺度低涡,然后向低层发展。水汽辐合中心主要集中在边界层附近,偏东风入流将水汽向暴雨区集中,次级环流的上升支将水汽向中高层输送;虽然边界层的水汽辐合对降水的形成很重要,但降水量的大小取决于整层水汽通量辐合的大小。在暴雨发展过程中高层明显有干冷空气侵入,干侵入存在于600~300 hPa之间,且在高层超前于低层。干冷空气侵入有利于位势不稳定的增强,促进了对流运动的发展和中尺度低涡的形成,继而引起降水增幅。由于华北地形夜间边界层降温等局地热力作用诱生出中尺度边界层急流,降水及干侵入等因素使边界层急流加强,相应的在高空出流处产生高层风速大值区,急流和暴雨之间通过次级环流存在着正反馈的相互作用。边界层急流、低空急流和高空风速大值区三者的上下耦合是此次强暴雨发生发展的重要原因。

高原涡诱生西南涡特大暴雨成因的个例研究

利用多途径探测与再分析资料,通过诊断分析、数值模拟和敏感性试验,对2008年7月20～21日一次高原涡东移诱生西南涡并引发川中特大暴雨的天气过程进行了初步分析,探讨了西南涡特大暴雨发生的中尺度环境场特征,特殊地形和非绝热物理过程在高原涡东移诱生西南涡特大暴雨中的作用。结果表明,高原涡形成后沿高原东北侧下滑,在四川盆地诱生出西南涡,川中特大暴雨在西南涡形成过程中由强中尺度对流系统(MCSs)的活动造成。高原涡东移诱生的低层偏东气流在川西高原东侧地形的动力强迫抬升作用下,释放对流有效位能激发出MCSs产生强降水,降水凝结潜热加热反馈驱动西南涡快速发展。地形的动力作用仅能形成浅薄的西南涡,降水凝结潜热的加入才能使西南涡充分发展。高原涡的发展主要受地面热通量影响,它的发展与否在很大程度上决定西南涡能否形成。盆地周边高大山脉对西南涡的位置分别有不同程度的影响,而盆地周边高大山脉上叠加的中小尺度地形对西南涡和暴雨带的整体位置影响不大,在一定程度上影响暴雨的落区。

武汉阳逻长江公路大桥设计风速值的研究

利用武汉市气象站1961～1999年的风的基本资料,分析了桥位周边平均风速、最大风速、大风日数、最多风向及频率、各风向平均风速及频率、历年的极值风速及大风危害等风的基本特征;建立了武汉市气象站1961～1995年的逐年最大风速序列(其中1989～1995年的逐年最大风速,通过与未受城市化影响的黄陂气象站的比较而进行了合理的订正)。根据建筑设计规范采用极值Ⅰ型曲线,并用两种参数估计方案,推算出武汉市气象站不同重现期(100,50,30a)10m高处10min平均年最大风速(基本风速)分别为19.4m/s,18.4m/s和17.8m/s。采用比值法求出,从气象站到大桥江边最大风速的增大系数为1.54,从而得到桥位区不同重现期(100,50,30a)10m高处10min平均年最大风速(设计风速)分别为29.9m/s、28.3m/s和27.4m/s。最后分析了大风在146m高度内的变化特征,并采用指数和对数法将设计风速外推到200m以下每10m高度层,可供设计、施工及将来维护参考。

武汉区域百年地表气温变化趋势研究

考虑气温序列的非均一性,并对缺测数据进行合理插补,建立武汉区域1905～2005年、季3项气温序列。序列结果表明,100a来年均气温、年均最低气温均呈上升趋势,增温速率分别为0.014℃/10a和0.026℃/10a;年平均最高气温变化呈现微弱的下降趋势,变化速率为-0.003℃/10a,表明百年来武汉区域夜间增温趋势比较明显,白天气温变化不大;年平均最高气温与最低气温的变化具有不对称性。年平均气温、年平均最高气温存在两个暖期,时段为1920～1940年、1990～2005年,第一个暖期主要是夏、秋季气温偏高,冬、春季不明显,热在白天;第二个暖期则四季气温均偏高,冬、春季最明显,夏季较弱,暖在夜间。

高速公路交通事故与气象条件的关系研究

恶劣天气是高速公路交通事故发生的重要诱因。为了解气象条件对高速公路交通事故的影响程度,基于2006—2008年汉宜高速公路交通事故数据,统计分析了该路段交通事故的月际和日变化特征,利用事故率和日交通事故指数区分定义了交通事故频次和灾害严重程度,采用多项式曲线拟合了气象条件与事故指数的关系,确定了事故突发增长的临界气象指标。结果表明：汛期5—9月是汉宜高速公路交通事故高发时期,冬季其次,春季3—4月及秋季10—11月事故发生较少。高速公路交通事故存在明显日变化特征,03—04时和14—17时为事故高发时段。汉宜高速公路交通事故频率主要受中到大雨和夏季高温天气的影响,事故灾害严重程度主要受强降水和冬季低温天气的影响。大风强降水天气条件下的事故率要高于一般强降水条件下的事故率,夏季潮湿、闷热天气条件下的事故率要高于一般高温天气条件下的事故率。当高速公路沿线平均日雨量达到中到大雨时,事故率达到高峰;当沿线平均雨量超过20 mm时,事故灾害突发严重。当公路沿线平均高温超过33℃时,事故率突发增长;0~3℃的低温对事故灾害程度影响较大。

“7．8”特大暴雨过程雷达风场资料的三维变分同化研究

基于中尺度暴雨预报模式AREM和三维变分同化系统GRAPeS-3dvar对2003年7月8日发生在长江中游的一场特大暴雨过程,进行了武汉、宜昌多普勒雷达风场资料的三维变分同化研究,结果表明:(1)增加了武汉、宜昌多普勒雷达反演风场资料后,模式对湘—鄂交界处特大暴雨区的模拟效果改善非常显著。(2)分别单独增加武汉、宜昌多普勒雷达风场资料的三维变分同化后,降水模拟都有明显改进,但要差于对两部雷达风场资料同时进行变分同化的结果,表明同化的中尺度初始风场信息越多,初始场的质量越高,降水模拟效果越好。(3)雷达风场资料的三维变分同化,改善了分析场中尺度结构的描述,从而减轻了spin-up现象,使得模式在积分初期就能模拟出与实况相近的强降水。

川西高原东坡地形对流暴雨的研究

利用地面常规雨量站和探空资料以及NCEP1°(纬度)×1°(经度)再分析资料,对2004～2010年川西高原东坡地形过渡带的12次暴雨过程进行了分析,研究了高原东坡地形对流暴雨发生发展过程中的天气背景和环境场特征,并对高原东坡地形在对流暴雨形成中的作用进行了初步诊断,在此基础上利用WRF中尺度数值模式和地形上游探空12次暴雨过程的平均垂直廓线在模式真实地形下开展理想数值试验,验证了观测诊断分析的推断。结果发现:高原低值系统移入盆地是地形对流暴雨发生发展的天气背景条件。随着高原低值系统移入盆地上空,盆地低层气流从西南(偏南)气流逐渐发展成东南(偏东)气流,它的出现是地形对流暴雨形成的重要原因。地形对流暴雨发生发展过程中,盆地大气柱含有充足的水汽,存在明显的对流有效位能(CAPE)。CAPE存在着明显的日变化,它在14:00(北京时间,下同)至20:00的峰值位相有利于地形对流暴雨的形成和发展。低层东南(偏东)气流的地形费劳德数略小于1,气流遇到高原东坡地形后爬坡和阻滞绕流同时存在,它在地形缓冲带的爬升和向南绕流形成的气旋性切变皆有利于对流暴雨的启动和发展。最后归纳总结了川西高原东坡地形过渡带对流暴雨形成的物理概念模型。