预报风强度对火箭最大气动载荷精度影响及建模分析

针对不同预报风强度的精度以及其对应的最大气动载荷预报值精度的研究文献极少。以某地区实况风为基准,分别对不同预报风强度的精度以及其对应的最大气动载荷预报值精度特征进行了分析,并利用多元线性回归方法建立了订正模型,结果表明在预报日数第1~11天,预报风强度越大,预报风精度及其对应的最大气动载荷预报值精度越高;利用多元线性回归方法可提高最大气动载荷预报值精度,且预报风强度越小,最大气动载荷预报精度提高越明显。这些发现在火箭发射前的飞行保障及安全决策方面具有参考价值。

NCEP/NCAR FNL资料在强对流天气中可信度的初步分析

基于NCEP/NCAR FNL(1°×1°)资料已成为研究强对流天气触发机制、演变等特征的基础资料,有必要分析该资料在强对流天气中的可信度。利用山西岢岚地区2005-2014年共414个强对流天气日的NCEP/NCAR FNL(1°×1°)资料与探空资料,采用偏差、绝对差、相关系数和偏差区间占有率的统计方法,对常用的常规气象要素、诊断量进行统计分析,结果表明:1)在常规气象要素中,温度的可信度最高,而相对湿度的可信度最低,纬向风和经向风的可信度相差不大,均略低于温度的可信度。2)总体上,诊断量的可信度不如常规气象要素的,其中,K指数偏差值在[-5,5]内占总数的57. 25%,沙氏指数SI偏差值在[-3,3]内占总数的75. 12%,对流有效位能CAPE偏差值在[-100,100]内占总数的78. 26%,风暴强度指数SSI偏差值在[-10,10]内占总数的62. 08%。因此,虽然NCEP/NCAR FNL资料中的常规气象要素可信度较高,但与强对流天气存在紧密联系的诊断量却存在较大偏差和绝对差,其可信度较低,若以其进行强对流天气机理的诊断分析,需注意该资料的这种特征。

曲线拟合背景场在提取大气重力波参数中的缺陷

利用一次东亚副热带高空急流演变过程的高分辨率数值模拟结果,采用Morlet小波分析和Fourier功率谱分析方法,以3阶和4阶曲线拟合为例,研究了提取大气重力波参数时常用的曲线拟合背景场获取方法的缺陷。结果表明:虽然4阶拟合对原始风廓线的拟合程度高于3阶拟合,但基于4阶拟合背景场得到风速扰动垂直廓线后,所提取的重力波参数和实际情况的差异大于3阶曲线拟合方法的结果。因此,不能将背景场对原始风廓线的拟合程度作为判断重力波参数提取准确率的依据。曲线拟合方法在大多数情况下会使扰动场中包含背景场信号,且所包含的背景场信号强度差异很大,同时还会引入虚假波信号。所以在提取大气重力波参数时,采用曲线拟合方法获取背景场存在缺陷,需要设计更合理的背景场获取方法。

基于NCEP FNL资料的山西岢岚地区雨雪天气诊断可信度分析

基于山西岢岚地区2005—2014年共1218个雨雪天气日的NCEP FNL资料(1°×1°)与探空资料,采用偏差、绝对差、相关系数和偏差区间占有率的统计方法,对常规物理量(温度、相对湿度、纬向风和经向风)和诊断物理量(T_(800-500)、T_(d800)和TT_(d700))进行统计分析。结果表明:常规物理量中的温度平均偏差值和绝对差值最小、相关系数值最大,分别为-0. 22℃、1. 02℃、0. 90,可信度最高;而相对湿度的平均偏差值和绝对差值最大、相关系数值最小,分别为12. 31%、19. 68%和0. 63,可信度最低;纬向风和经向风的可信度相差不大,略低于温度;诊断物理量T_(800-500)、T_(d800)和TT_(d700)的偏差值分别为-0. 08℃、1. 50℃和2. 79℃,绝对差值分别为1. 21℃、3. 33℃和4. 14℃,相关系数值分别为0. 95、0. 92和0. 74,偏差值为[-5,5]占总数百分比分别为98. 77%、80. 30%和75. 04%。即T_(800-500)可信度最高,TT_(d700)指数可信度最低。

山西岢岚地区雷暴气候统计特征及其严重年大气环流背景

利用1970—2014年山西省岢岚地区地面雷暴观测资料及NCEP再分析资料,统计分析岢岚地区雷暴的气候特征,并研究雷暴严重年6—8月平均大气环流和对流稳定性特征。结果表明:(1)1970—2014年山西岢岚地区雷暴活动具有很强的季节性、时间性特征,主要集中在6—8月(占总数的74.08%)、13:00—21:00(占总数的66.46%);年雷暴日数呈增多趋势,每10 a约增加1.8 d,雷暴初日最早出现于3月25日,终日最晚出现在11月3日,且初、终日的年际差异较大;(2)小波分析结果显示,近45 a岢岚地区年雷暴日数具有明显的2.457 a和4.1322 a周期变化特征;(3)多雷暴年,岢岚地区位于500 h Pa平均位势高度及距平场槽底,而少雷暴年则位于槽后脊前;(4)多雷暴年的CAPE值为229.70 J·kg-1,是少雷暴年的2.0191倍,多雷暴年的K指数值达31.6℃,比少雷暴年大2.83℃,表明多雷暴年大气的不稳定性程度更高。

不同扰动场对大气重力波参数结果影响的初步探讨

如何获取大气重力波参数是大气动力学理论研究的重点和难点。本文以2013年8月6—8日晋西北地区出现的一次雷阵雨天气过程为例,利用常用的二阶、三阶、四阶曲线拟合和带通滤波方法获取垂直高分辨率探空资料的扰动场,对这些扰动场提取的大气重力波参数进行对比分析。结果表明:不同扰动场(二阶、三阶、四阶曲线拟合以及带通滤波)对所获取重力波参数的大小及变化趋势存在影响,但对不同重力波参数的影响程度不一样。其中,对波固有周期、水平和垂直波长的大小及变化趋势影响很大,而对波传播方向、对地水平群速及固有相速的影响程度则较弱。结合6—8日天气现象的大气动力特征,发现由二阶曲线拟合、带通滤波对应扰动场得到的重力波参数的大小及变化趋势与此吻合,其结果可信度最高;而由四阶曲线拟合扰动场得到重力波参数值的可信度最低。

晋西北地区一次雷阵雨天气过程中重力波参数演变特征

针对晋西北地区2013年8月6—8日出现的一次雷阵雨天气过程,利用垂直高分辨率探空资料获取此次天气过程中大气重力波的周期、水平波长、垂直波长、波传播方向和群速等参数值,分析这些波参数值随时间的演变特征。结果表明:在此次雷阵雨生成和发展期(6—7日),由小尺度强对流天气系统引起的非地转平衡,激发出周期小、水平波长短且群速快的重力内波,其中,重力波周期、水平波长分别由1.05 h、23.36 km减小到0.22 h和5.67 km,而波群速由5.30 m·s-1增大到18.69 m·s-1,波传播方向由-93.51°转变为35.05°;当雷阵雨进入消亡期(8日),大气重新调整为准平衡状态,导致重力波周期及水平波长显著变大、且波群速明显变慢,其中,重力波周期和水平波长分别由0.22 h、5.67 km迅速增大到9.06 h和268.98 km,而波群速由18.69 m·s-1快速减小到2.60 m·s-1,波传播方向由35.05°转变为-140.10°;在整个天气过程中,重力波垂直波长变化不大。因此,是否存在周期小、水平波长短且群速快的重力波与雷阵雨的发生关系密切。

山西岢岚地区NCEP资料与地面观测资料的年变化对比

利用2000—2014年山西岢岚地区地面观测资料和NCEP(1°×1°)再分析资料,采用线性趋势和相关系数等方法,探讨NCEP再分析资料中2 m地面温度、2 m相对湿度、地面气压及10 m风速在岢岚地区的可信度问题。结果表明:(1)2005年以前,NCEP再分析资料2 m温度偏低,之后开始偏高,且与地面观测资料的偏差有逐年增大趋势,每10 a约增加1.4℃;两者相关性高,多年相关系数平均值达到0.9557;(2)相对湿度均呈减小趋势,2006年以前,NCEP 2 m相对湿度偏大,此后开始偏小,相对湿度的多年平均绝对差为14.5522%,且后9 a(2006—2014)均小于多年平均绝对差;两者相关系数值呈增大趋势,年平均值为0.7167;(3)NCEP地面气压总体偏大,平均绝对差值呈明显减小趋势,最小值0.5889 h Pa出现于2014年,多年平均值为4.2725 h Pa;两者相关系数呈增大趋势,多年平均值达到0.9625;(4)历年NCEP 10 m地面风速均偏大,但与地面观测资料的偏差呈减小趋势,每10 a约减小0.4 m·s^(-1),多年平均绝对差值为1.7996 m·s^(-1),而2005—2014年的平均绝对差值皆小于多年平均值;两者相关系数较小,但逐年呈微弱上升趋势,其多年平均值只有0.4849。

一种新水平网格的Rossby波计算特性

提出了一个新的水平跳点网格(LE网格),这种网格将h放置在格点上,u,v同时放置在x方向和y方向格点中间.并采用一种推导频散关系的通用方法,研究在该LE网格上与Arakawa A-E网格上描述Rossby波产生误差的情况,分可分辨和不可分辨两种情况.采用二阶中央差或四阶紧致差分格式从频率和群速度两个方面进行对比分析,结果表明不论在可分辨或不可分辨情况下,还是采用二阶中央差或四阶紧致差分格式,在频率和群速度两方面,LE网格在描述Rossby波产生的误差均较Arakawa A-E网格要小,同时也表明不论在可分辨还是不可分辨的情况下,采用高精度的四阶紧致差分格式,LE网格和Arakawa A_E网格在描述Rossby波时产生的频率误差和x、y方向群速度误差并非必然减少.

火箭最大气动载荷预报精度及建模订正分析

以qamax实况值为基准,分析了火箭最大气动载荷预报值精度随预报天数的变化特征。发现在预报天数1~11天内,最大气动载荷预报值精度随预报天数延长而降低,其绝对差从225.78 Pa·rad(第1天)增长到533.87 Pa·rad(第11天)、相对误差由10.97%(第1天)增大到24.54%(第11天);利用多元线性回归方法建立最大气动载荷预报值订正模型,可提高各预报天数的最大气动载荷预报值精度,平均绝对差由402.45 Pa·rad减小到309.82 Pa·rad,平均相对误差由17.71%减小到14.60%,这些发现对于火箭发射前的安全飞行保障具有参考价值。

一次暴雨过程中重力波参数演变特征的模拟结果

本文利用中尺度数值模式WRF对2003年7月4—5日淮河流域特大暴雨过程进行了数值模拟,并利用高时空分辨率模拟结果资料,提取了暴雨中心区大气重力波频率、周期、水平波长、垂直波长、水平相速和群速等特征参数,分析了暴雨过程中重力波参数随时间的演变特征.结果表明,对此次暴雨强降水过程影响较大的重力波主要是发展的中α尺度波和中β尺度波,暴雨后期随着重力波的频散,周期和水平波长有减小趋势,频率有增大趋势.非降水区的重力波参数特征和降水中心区有明显不同,大气中小振幅的中α尺度和中β尺度重力波是否发展和暴雨强降水的发生关系密切.

火箭最大气动载荷异常变化分析与建模订正

通过分析某地区2014年12月~2019年12月、时间间隔3.5 h内的最大气动载荷偏差,发现最大正偏差达到1297.62 Pa·rad、最大负偏差达到-924.43 Pa·rad。主要原因是由于3.5 h内高空风出现异常增大、异常减小导致的。通过对该两个例的发射前3 h高空风进行建模订正,最大气动载荷绝对差值分别由1297.62 Pa·rad和924.43 Pa·rad减小到908.60 Pa·rad和286.56 Pa·rad,降幅分别为389.02 Pa·rad和637.87 Pa·rad,表明该建模订正方法有一定的改进作用,有利于提高火箭安全飞行的保障能力。

四阶紧致差分格式对静力模式中垂直网格计算频散性的影响

为了说明四阶紧致差分格式在大气和海洋数值模式中的潜在价值,提出一种通用方法,推导静力线性斜压适应方程组在微分和差分情况下的频散关系,水平尺度分100 km,10 km和1 km三种情况,从频率、水平群速和垂直群速方面,对采用二阶中央差和四阶紧致差分格式情况下,非跳点网格(N网格)、Lorenz网格(L网格)、Charney-Phillips网格(CP网格)、Lorenz时间跳点网格(LTS网格)和Charney-Phillips时间跳点网格(CPTS网格)的计算特性进行比较,发现采用高精度的四阶紧致差分格式总体上可以明显减少上述三种水平尺度波动在N网格、CP网格、L网格和CPTS网格上的频率、水平群速和垂直群速误差,但对LTS网格,采用四阶紧致差分格式,会使得计算水平群速和垂直群速误差变大.

风偏差对火箭最大气动载荷精度的影响

高空风的预报精度对运载火箭的飞行安全有重要影响,主要表现在对运载火箭飞行中的最大气动载荷的精度影响。以某地区实况风为基准,分析了高空风预报值产生的风偏差对火箭最大气动载荷参数精度的影响。结果表明:最大气动载荷预报值的精度随高空风预报时效延长而降低,其相对误差从第1天的5.68%增长到第11天的26.49%;且最大气动载荷预报值精度与季节有关,该预报精度在秋季最高,春季最低。研究结果在火箭发射的飞行保障及安全决策方面具有参考价值。

IRI2016参考电离层模型在高度60～100km的精度分析

60~100 km低电离层对无线电传播、测量具有重大影响。IRI2016作为目前最新的国际参考电离层模型,研究其提供的电子密度在高度60~100 km的精度具有重要实际意义。本文以廊坊中频雷达(位于中纬度地区)提供的电子密度资料(2014—2016年)为基准,利用偏差、绝对差、相关系数、相对偏差和Lomb-Scargle周期图方法,定量分析了IRI2016模型电子密度在中纬度地区60~100 km高度范围内的精度特征。结果表明,在中纬度地区60~100 km高度范围内:①电子密度偏差、绝对差、相对偏差与季节有密切关系,在高度86~100 km,随高度增加均快速增大;相关系数同样与季节有密切关系,但随高度增加表现出增大、减小的交替变化特征;②IRI2016模型电子密度精度与太阳活动、地磁条件有关,在太阳活动低年、磁宁静条件下的电子密度精度最高;③中频雷达和IRI2016模型电子密度在82~84 km均显著(通过90%显著性检验)含有准全日潮汐波、准8 h重力波,同时IRI2016模型还显著含有准半日潮汐波,而中频雷达未显著含有准半日潮汐波;在86~92 km均显著含有准全日潮汐波、准半日潮汐波,无准8 h重力波;④中频雷达、IRI2016模型电子密度在同一高度层显著含有的波周期及功率谱存在差异,不同高度层之间显著含有的波周期及功率谱也存在差异;⑤对于高度82~92 km的中频雷达、IRI2016模型电子密度变化特征,准全日潮汐波均为主要作用,准8 h重力波在82 km为次要作用,而准半日潮汐波在86~92 km为次要作用。

大气密度对运载火箭飞行的qα_(max)精度影响及建模分析

基于运载火箭是在真实大气密度中飞行,本文以2017年8月1日-2019年7月31日高垂直分辨率探空资料为例,分析参考大气密度与真实大气密度、以及对应的qα_(max)之间差异特征,最后建立订正模型,研究结果表明:1)密度偏差、相对偏差随高度变化特征与季节有关,有较明显的年内变化特征;2)qα_(max)偏差随时间呈现“M”字型变化特征,其值范围为-217.1721~219.0648 Pa·rad,平均值为-9.4684 Pa·rad,在(-20,0]区间范围内占有率最大(20.4110%);3)qα_(max)偏差具有明显的年内变化、季节变化特征,在1-3月和11-12月为正偏差、4-10月为负偏差,春、夏、秋季均为负偏差,冬季为正偏差;4)利用多元线性回归建立订正模型能较好地提高参考大气密度得到的qα_(max)精度,其中,偏差由-36.1569 Pa·rad减少到-7.7012 Pa·rad、绝对差由49.3254 Pa·rad减小到20.3244 Pa·rad,因此,在分析大气环境对运载火箭飞行影响时,应采用真实大气密度代替参考大气密度进行计算。

火箭发射前后3.5h内高空风差异特征及预报

利用2014年12月—2020年12月时间间隔为3.5 h的高空风实况分析火箭发射前后3.5 h内高空风差异,并利用WRF模式和火箭发射前3 h高空风建立火箭发射后0.5 h高空风预报模型,结果表明:火箭发射前后3.5 h内高空风速、风向差异特征,与高度、季节及火箭发射前3 h平均高空风速有关。高空风最大风速偏差为-24.00~26.00 m·s^(-1),风速偏差在10 m·s^(-1)以内达三分之二,且主要出现在对流层中高层[6.5 km,11.5 km)高度内;最大风向绝对偏差范围为10.00°~180°,主要集中在[30°,60°)范围及对流层中低层[1.5 km,6.5 km)高度内。火箭发射前后3.5 h内高空风速平均绝对偏差随火箭发射前3 h高空风速平均值增大呈增大趋势,风速相对误差绝对值和风向绝对偏差则表现为减小趋势,说明高空风强时,风向不易发生短时变化;火箭发射前后3.5 h内高空风差异随季节变化与高空风的季节特征有关。利用火箭发射后0.5 h高空风预报模型,有助于降低火箭飞行风险。

HWM07模式风场在高度60～100km的精度及建模初步研究

HWM07模式是一个应用广泛的国际标准参考大气风场模式,其在航天飞行器的设计阶段具有重要作用.因此,研究该模式风场精度具有重要意义,本文以廊坊中频雷达的风场资料(2014—2016年)为基准,利用偏差、绝对差、相关系数、相对偏差和Lomb-Scargle周期图方法,研究HWM07模式风场在高度60~100 km的精度,最后,对本文建立的60~100 km风场预报模型(UV DerM模型)精度进行分析.结果表明,在高度60~100 km范围内,(1)HWM07模式的纬向风偏差、绝对差、相关系数、相对偏差的平均值分别为14.0039 m·s^-1、34.4750 m·s^-1、0.1832、-75.4822%,经向风偏差、绝对差、相关系数、相对偏差的平均值分别为-2.0019 m·s^-1、25.3689 m·s^-1、0.1442、-88.9980%;经向风、纬向风的统计特征均与高度、季节有密切关系;(2)Lomb-Scargle周期图结果表明,中频雷达、HWM07模式风场在同一高度层显著(通过90%显著性检验)含有的波周期及功率谱存在较明显差异,不同高度、不同季节显著含有的波周期和功率谱也存在明显差异;(3)在高度86~92 km,准全日潮汐波、准半日潮汐波分别在冬季、夏季的HWM07模式风场变化特征中为主要作用,而对中频雷达风场变化特征起主要作用的大气波动特征与高度、季节有关;(4)相对于HWM07模式风场,由UV DerM模型得到的纬向风更接近实况资料,但经向风无改进效果.

不同阶曲线拟合扰动场对下平流层重力波气候特征影响研究

重力波参数气候特征是确定大气模式中重力波参数化方案的重要条件之一,高垂直分辨率探空资料扰动场是获取重力波参数气候特征的基础数据;目前,获取扰动场的方法较多,但基于不同方法计算的扰动场对重力波参数气候特征影响的研究较少。基于2014—2017年山西太原气象台高垂直分辨率探空资料,利用2—4阶曲线拟合方法获取下平流层(17—24 km高度)温度扰动场、纬向风扰动场和经向风扰动场,经统计发现2阶与3阶曲线拟合方法的扰动场相似程度较高;在此选取相似度较高的2阶、3阶曲线拟合方法的扰动场分别计算大气重力波参数,并对大气重力波参数间的气候差异特征进行研究。结果表明:(1)不同阶曲线拟合方法扰动场的变化振幅及随高度变化趋势存在差异,且扰动场间的相关较弱;(2)2阶、3阶曲线拟合方法扰动场得到的重力波参数大小、年内变化趋势及在不同区间范围内占有率均存在差异,且相关较弱;(3)1—12月,相对3阶曲线拟合方法的扰动场,基于2阶曲线拟合方法的扰动场得到的重力波群速、水平波长、垂直波长、周期、固有相速均较大,而重力波能量上传百分比在某些月份较大。因此,不同阶曲线拟合方法扰动场间存在差异,会导致计算得到的大气重力波参数气候特征存在差异,最终对研制大气模式中的大气重力波参数化方案产生影响。

不同途径获得的大气重力波参数扰动场特征对比分析

重力波参数气候特征是确定全球大气模式中重力波参数化方案的一个重要环节,利用高垂直分辨率探空资料扰动场是获取重力波参数气候特征的基础数据和重要手段。目前,通常采用2~4阶曲线拟合、带通滤波方法获取高垂直分辨率探空资料扰动场,但针对不同方法之间的扰动场差异特征研究较少,本文利用2~4阶曲线拟合、带通滤波方法(0.5~5.0km)获取2014-2017年太原地区(112.55°E,37.78°N)高垂直分辨率探空资料扰动场,采用相关系数、Lomb-Scargle、不同区间范围占有率方法进行研究,结果表明:①不同方法之间的纬向风扰动场、经向风扰动场、温度扰动场均存在较明显差异,且相关性均较弱;②Lomb-Scargle分析表明,不同方法得到的平均纬向风扰动场、平均经向风扰动场、平均温度扰动场显著含有(通过90%置信检验)的垂直波长均存在明显差异;③不同方法得到的纬向风扰动场、经向风扰动场、温度扰动场显著含有的垂直波长,在不同区间范围内的占有率均存在明显差异。