秦巴山区夏季NDVI变化特征及其对气候因子的响应

基于2001—2019年夏季逐月NDVI数据和2—8月气象数据,对秦巴山区NDVI变化趋势、NDVI对气候因子变化的时滞效应进行分析。结果表明:秦巴山区NDVI整体呈增加趋势,极显著增加面积占比最大,为77.1%。NDVI与气温、降水均以正相关为主,且与气温的相关性高于降水。NDVI对气候因子变化的时滞响应存在地域差异,在研究区西部NDVI对气温变化具有及时性,对降水变化以滞后2个月为主;在中部响应时间具有纬度差异,对气温和降水变化由北向南分别以滞后1个月、0个月和0个月、3个月为主;在东北部对气温、降水变化均以滞后3个月为主,在东南部对气温变化具有及时性,对降水变化以滞后3个月为主。本研究为秦巴山区夏季暴雨及其诱发的地质灾害的预警提供参考依据。

VAD技术反演水平风廓线的质量控制标准

基于VAD算法原理及雷达观测噪音、缺测及风场非线性程度对反演风的影响,设置了有效数据点数、数据空缺的最大间隔、相对离差、高波项能量分量四个判据来判别VAD风的可靠性。利用美国KTLX雷达2001年3月的观测资料以及邻近探空观测资料共1895个样本的统计分析表明单个的判据对VAD风好坏的识别能力较差。但是综合四个判据可以得到较有效的VAD风质量控制标准,进而得到判断VAD风适用性的两种判断策略。

使用混合样本的集合四维变分同化试验研究

基于集合和奇异值分解的四维变分同化方法(SVD-En4DVar)的同化效果对采用的预报样本容量有很强的依赖性,其中一个重要原因是在SVD-En4DVar中分析变量被表示为按照扰动预报集合提取的奇异向量作线性展开的形式,这种展开存在截断误差,过少的样本数会造成过大的截断误差。为了在不增加计算量的情况下增加用于同化的样本,从而改善同化效果,本文提出了流依赖的预报样本与定常样本相混合的方法。定常样本有两种生成方法:第一种是按照给定的统计结构给出伪随机扰动场直接叠加到四维背景场上而完全不经过模式积分;第二种是在第一个同化循环时将伪随机扰动场叠加到初始背景场,然后在分析时间窗内积分模式得到扰动预报样本,最后将其中一部分保留不动作为后面同化循环的定常样本。利用浅水方程模式和80个变量的Lorenz-96模式及模拟资料进行数值试验,比较不同样本结构的同化效果。结果表明,在浅水方程模式的同化中,完全采用大容量的定常样本仍然可以得到较好的结果,但对Lorenz-96模式效果不好。采用混合样本后,这两类模式的同化都可以得到较好的结果,在相同的计算时间下,混合样本方法可以明显提高同化精度,其中第二种产生定常样本的方法要好于第一种。

一种基于预报集合的降维资料同化方法的数值试验研究

对Qiu和Chou(2006)提出的一种基于预报集合的降维资料同化方法(4DSVD)给出了可行的实施方案,利用中尺度模式MM5产生的模拟资料进行数值试验并将其与MM5/3DVAR的同化结果进行比较,分析了不同的观测误差和观测点密度对同化结果的影响。试验表明:(1)和3DVAR相比该方法能更好地从有观测的变量推断无观测的变量(从温度的观测推测风和比湿);(2)该方法可以相当有效地滤除观测噪音;(3)该方法具有更好的将观测信息扩展到资料空缺地区的能力。

兰州城市气溶胶对边界层温度结构的影响——一维数值模拟研究

利用 L owtran辐射传输模式计算了城市大气气溶胶的辐射效应 ,并用一个一维边界层模式模拟了由此产生的温度变化 .气溶胶的存在显著加大了太阳短波辐射对边界层大气的加热 ,而其长波辐射效应使边界层大气有所降温 ,但强度不大 .另一方面 ,气溶胶大大削弱了到达地面的太阳辐射 .上述因素综合的结果使白天城市边界层中上部气温高于乡村约 2℃ ,低层高于乡村约1℃ .夜间城市温度仍高于乡村 1～

一次混合云暴雨过程风场中尺度结构的双多普勒雷达观测研究

利用国家重点基础研究发展规划项目“我国重大气象灾害形成机理和预测理论研究”2 0 0 2年外场试验首次获取到的双多普勒雷达资料 ,研究了 7月 2 2～ 2 3日在长江中游的宜昌、荆州区域暴雨回波和风场的中尺度结构及演变过程。结果表明 :本次暴雨是混合云降水所致 ,在层状云降雨区内有许多对流单体 ,这些对流单体常以带状结构组成回波群 ,对流云的回波强度和风场有明显的中尺度结构 ,与周围的层状云有很大差别。西南气流和东风形成的中尺度切变和辐合是造成强对流降水的主要原因 ,风场的中尺度结构主要发生在 4km以下的中下层。在对流回波周围 ,经常有中尺度切变、涡旋、辐合和辐散存在 ,这些风场的中尺度结构与对流云的演变有密切的关系 ,对强降水的发生和维持有重要影响。

利用双多普勒雷达资料对一次台风流场结构的分析

应用Qiu等提出的两步变分反演法,由厦门、长乐两部雷达观测资料反演0604号台风"碧利斯"登陆福建霞浦前的风场,并利用反演的水平风场检验几种常用的台风涡旋模型对此次台风的合理性,以期对雷达资料应用于台风过程分析和模拟有更进一步的认识。结果表明,两步变分法可以较好地反演出台风的水平、垂直风场特征,水平风场呈现不对称性且有明显的偏心结构,流场随高度表现出漏斗形特征,垂直风速与水平流场对应较好,台风中心有下沉气流,外围有上升气流。通过对台风物理量的分析发现,此次台风过程存在以最大风速半径随高度向外倾斜的主环流圈和低层向中心流入,高层向外流出的次环流圈。利用反演的水平风场对常用的对称风场涡旋模型进行了验证,发现在最大风速圈内取Rankine模式,最大风速圈外取Chen3模式对此次台风过程拟合较好。

SVD-En3DVar方法同化多普勒雷达速度观测资料Ⅰ.模拟资料试验

利用WRF模式及模式模拟的资料,开展了利用SVD-En3DVar(基于集合和SVD技术的三维变分同化方法)方法同化雷达径向速度资料的试验。由于雷达观测经常出现大面积空缺,同化时引入了一种局地化方法避免远距离虚假相关的影响。试验着重研究了不同的初始扰动样本产生方法以及不同的样本积分时间对同化结果的影响。提出了一种为预报集合提供初始扰动场的新方法,这一方法将温度和比湿的伪随机扰动场当作观测增量,通过3DVar(three-di mensional variational technique)系统生成所有变量的初始扰动场。试验表明,用这种方法给出的初始扰动样本各个变量间有较好的协调性,积分后扰动不会快速衰减,可以减少模式调整的时间,达到缩短同化循环时间窗的目的。同化雷达径向风资料后对12小时内的温度,湿度和水平风的预报都有所改进,对降水的预报也有一定改进。

雷电监测预警预报技术简述

从监测、预警和预报3个方面介绍了雷电研究的技术方法,目前国内外最新面向业务应用的研究表明:不同技术共存的多源化观测设备,有效地提高了雷电探测效率;以天气形势分型为主的雷电潜势预报,其预报结果具有很大的不确定性,且其预报精细化程度不够,引入适合本地的物理量参数实现对其结果校准,可以有效地提高雷电潜势预报的准确率;随着数值模式预报向全球化、精细化的发展,基于数值模式的雷电潜势预报是未来的一个重点发展方向;建立在多种高观测频次资料融合和有效外推基础上的临近预报,可提高雷电活动预警预报的准确性,大幅提高雷电预警的提前时间。

SVD-En3DVar方法同化多普勒雷达速度观测资料Ⅱ.实际资料试验

文章的第I部分（徐道生等,2011）将基于SVD（singular value decomposition）技术和预报集合的三维变分同化方法（SVD-En3DVar）用于同化模拟的雷达速度观测资料,试验表明,通过3DVar（threedi mensional variational technique）方法产生预报集合的初始扰动场,可以缩短SVD-En3DVar中预报样本的积分时间,同化对改进暴雨的短期预报有一定好处。本文进一步将这一方法用于同化实际观测资料。选择2008年6月华南地区和2003年7月江淮地区的两个暴雨个例进行同化试验,并将其与WRF-3DVar（3DVar based onthe weather researchforecasting model）的同化结果进行比较。结果表明,同化雷达径向风资料以后,在模式初始场中包含了更多的中小尺度信息。对于使用了13部雷达资料的第一个个例,经SVD-En3DVar同化以后对18小时内每6小时一次的累计降水预报都有所改进,而WRF-3DVar的同化效果则不明显。对于只同化1部雷达观测资料的第二个个例,WRF-3DVar和SVD-En3DVar方法同化以后对前6小时的降水预报都有所改进,但对于第6~18小时的降水预报,两种方法都没有改进。

一次河北大暴雨的华北低涡结构和涡度收支分析

利用Micaps系统下常规资料、云图资料和NCEP全球再分析资料,对2004年7月11—12日发生在河北省中南部的一次局地大暴雨个例进行了诊断分析。结果表明:200 hPa西风槽、500 hPa华北低涡和中低层偏东风,是这场暴雨的直接影响系统,该过程中的华北低涡为低层冷心、高层暖心结构,具有随高度向西北倾斜的特征,涡度场特征明显,暴雨区对应着深厚的正涡度区,散度场结构零乱,非高层辐散、低层辐合的配置,暴雨区上空上升运动较强。冷空气来源于500 hPa以下的东北地区,水汽的源地来自渤海,低层偏东风可能是暴雨区所需水汽的主要携带者。水平涡度平流项和水平涡度辐散项作用相反,水平涡度辐散项对总涡度起直接作用且为正贡献,而垂直平流项对总涡度贡献比较小。

甘肃和广东2008～2011年闪电特征对比

利用2008～2011年甘肃和广东地区闪电定位仪资料,得到了两地闪电的时间变化特征、强度变化特征和闪电密度分布,并分析两地存在的差异。结果表明:甘肃地区年平均发生的闪电频数远小于广东地区,且闪电的电流强度较广东地区小;两地闪电均以负闪占绝大多数,但正负闪的比例却不同,甘肃和广东负闪频数分别是正闪频数的15.5倍和20.5倍;两地均在每年的6～9月为闪电高发期,广东地区在6月出现一个闪电频数的明显跃增并达到全年最大值,闪电频数出现递增的时间较甘肃早,在不同的季节内,两地的闪电比例存在差异,且正、负闪比例也不同;甘肃地区总闪电频数日变化呈单峰单谷型,而广东地区总闪电的日变化趋势呈3峰震荡型;甘肃地区(兰州市)的平均闪电密度远小于广东地区(广州市)。

新一代可移式天气雷达在人工影响天气中的应用研究

在总结“十五”国家科技攻关重大计划项目“人工增雨技术研究及示范”成果的基础上,利用我国可移式新一代天气雷达在青海省河南县和河南省许昌市进行秋(春)季降水系统中尺度结构外场试验观测的方法和技术,对这两个地区云和降水的若干特征进行了分析;另外,使用两步变分方法反演了风场结构,分析了层状云和对流云的中尺度回波强度和动力结构。结果表明:新一代天气雷达可为人工影响天气作业指挥和云物理研究提供更多信息,包括风场中尺度结构、辐合线位置等;青海省河南县及周边地区秋季降水以对流云降水为主,低空辐合是对流云旺盛发展的重要原因;河南省许昌市春季降水既含有对流云降水也含有层状云降水,对流云降水过程伴有低空辐合,层状云内风场比较均匀,但风的垂直切变明显,多为暖平流。

雷达站网资料在长江流域暴雨试验中的应用

阐述了新一代天气雷达站网资料拼图技术在长江流域暴雨试验中的应用 ,内容包括雷达基数据的处理转换、站网资料的一致性处理方法、不同波段雷达资料的拼图策略、风场反演、结果的综合显示 ,并以此为基础建立了雷达站网综合拼图软件系统 ,利用该系统对 2 0 0 1年、2 0 0 2年长江中下游地区暴雨试验期间的雷达组网中不同型号雷达的探测基数据 ,进行了资料处理转换和站网综合拼图。

草原生态系统模式中参数不确定性导致的模拟结果不确定性研究

基于五变量草原生态系统理论模式,应用与参数有关的条件非线性最优扰动(CNOP-P)方法,探讨了由参数不确定性导致的草原生态系统模式模拟结果的不确定性问题。参数的不确定性可能来源于观测和(或)对物理过程描述等的不确定性。选取了五变量草原生态系统模式中具有物理意义的32个模式参数进行数值试验。试验结果表明,对所考察的32个模式参数,在一定的不确定性和给定的优化时刻范围内,单独优化每个参数所得CNOP-Ps的联合模态与同时优化32个参数所得CNOP-P的模态并不相同。比较了上述两类参数误差以及随机参数误差对草原生态系统模拟的差异。随机参数误差与上述优化方法所得参数误差的不确定性范围大小相同。数值结果表明,同时优化32个参数所得CNOP-P类型参数误差使得草原生态系统模拟的不确定性程度最大。这种影响表现在使得草原生态系统转变为沙漠生态系统,或者使得草原生态系统转变为具有更多生草量的草原生态系统。上述数值结果不依赖于优化时间和参数不确定性程度的大小。这些数值结果建议我们应当考虑多参数的非线性相互作用来研究草原生态系统模式模拟的不确定性问题,并且揭示出CNOP-P方法是讨论上述问题的一个有用的工具。

GRAPES_Meso模式及其云分析系统在中国西北地区降水预报中的应用评估

应用GRAPES_Meso模式(3 km)及其云分析系统,对中国西北地区2018年夏季13次强降水天气过程进行数值预报试验,并就7月天气开展了批量试验,检验评估该模式系统在西北地区的降水预报效果。结果表明:(1)该模式对西北地区降水有着良好且稳定的预报能力,小雨及以上量级降水TS评分在13个强降水个例中平均为0.5~0.6,而批量试验平均为0.4~0.5,可为短临天气预报业务提供支撑;(2)云分析系统能够对模式中水凝物含量进行合理调整,提高了各量级降水预报质量,但云分析系统的循环同化预报结果表现不稳定;(3)预报的雷达回波范围和观测较一致,但强度较观测偏高。

BP神经网络在估算模式非系统性预报误差中的应用

基于数值天气预报误差在时间上的相依性,采用BP神经网络方法建立预测数值模式非系统性预报误差的模型,并利用2003-2007年T213模式分析场和24 h高度预报场资料验证了该模型的预测能力,结果表明:所建立的3层BP神经网络模型对未来24 h的非系统性预报误差有较好的预估能力,对大多数样本而言所估测的非系统性预报误差的分布特征和其真值较为一致。BP神经网络模型估测的非系统性预报误差可以在系统性预报误差订正的基础上进一步对预报做出修正,其订正效果好于仅进行系统性预报误差订正的效果。

SVD-En3DVar同化方法在一次飑线过程中的应用

基于集合和奇异值分解的三维变分同化方法(SVD-En3DVar)对2009年6月14日江苏地区的一次飑线过程进行多普勒雷达资料同化预报数值试验,以检验该方法在这类尺度较小的强对流天气过程中的同化应用效果。同时,还讨论了SVD-En3DVar的分块局地化方案中水平半径对此次飑线过程同化效果的敏感性,并应用WRF 3DVar进行了平行对比试验。数值试验结果表明,应用SVD-En3DVar方法同化多普勒雷达资料后能够有效调整风场、比湿和位温等状态变量,同化预报结果对分块局地化方案中水平半径参数较为敏感,水平分块半径为50 km时对组合反射率的预报效果最好。SVD-En3DVar和WRF 3DVar两种同化方法同化雷达资料后都能够提高雷达组合回波的预报水平,但SVD-En3DVar方法的效果明显优于WRF 3DVar同化系统,对回波带位置及其向东南方向发展趋势的预报和观测回波较为一致。

判断大气要素场相似度的相似面积比方法

目前常用的相似量一般是对样本差异的一个平均意义上的描述,在判断样本相似时难免受到个别过大或过小的样本因子的影响。针对这个问题,提出一种新的相似性度量方法——相似面积比方法,试图从全局的角度来考虑样本相似的选取问题。首先将原始数据标准化,根据对样本间距离的统计分析确定一个判断相似的阈值,然后计算两个样本中距离小于阈值的面积与总面积的比来判定两个样本的相似程度,最后利用2001 2011年冬季00:00(世界时)NCEP FNL温度、高度和风场的全球分析资料对该方法进行了验证。结果表明,数据标准化后可以得到值域范围大致相同的无量纲变量场,有利于多层次多变量的综合性相似判据的建立;与海明距离、相关系数相比,相似面积比选取的相似样本和基准样本在分布形态上较为接近,但相似面积比对高纬地区的相似判断较弱。基于上述三种相似性方法,利用1948 2013年NCEP月平均温度再分析资料进行长期天气预报试验表明,三种方法在相似样本的选取上有一定数量的重合率;从相似预报效果来看,相似面积比方法最好,海明距离方法次之,相关系数方法较差。

基于激光测风雷达的两种低空风切变告警算法对比研究

利用兰州中川国际机场2020年7—11月激光测风雷达观测资料和飞行员报告的12次风切变事件,对比分析单、双斜坡结合检测法和区域散度法两种低空风切变告警算法的应用效果,并与实际业务中的IRIS告警算法监测结果进行对比。结果表明:(1)两种算法对于对流天气或动量下传天气背景下的风切变具有较好的告警能力,但对于湍流背景下的风切变告警能力较弱;(2)相比斜坡检测法,区域散度法采用多个径向重构逆风廓线,在一定程度上能够反映出跑道及其延长线上径向风的时空演变信息,有利于风切变的提前识别和告警;(3)12次风切变事件的告警准确率表明区域散度法优于斜坡检测法和IRIS算法。