中尺度涡旋客观识别与三维追踪的新方法及其效果评估

中尺度涡旋是引发强降水等一系列气象灾害的重要天气系统之一,中尺度涡旋识别是对其进行研究的重要基础。目前,如何客观准确地识别中尺度涡旋并对其进行较全面的评估仍是一项充满挑战的任务。本文从我国中尺度涡旋的基本特征出发,提出了一种基于风场和相对涡度场的涡旋识别标准并发展了适用于高分辨率格点数据的中尺度涡旋客观识别算法。该算法能准确识别出中尺度气旋性环流并定位涡旋中心,较现有常规中尺度涡旋识别方法而言,具有误判率低、定位精度高等特点。本文将该客观识别算法应用于长江流域频发的3类中尺度涡旋(高原涡、西南涡、大别山涡)的识别中,结果表明对于不同时间段、不同分辨率的再分析资料(逐6小时的0.5°×0.5°NCEP CFSR再分析资料、逐小时的0.25°×0.25°ERA5再分析资料),本识别算法对3类中尺度涡旋均有较好的识别效果。本文基于1979~2020年共42年暖季(5~9月)大别山涡的数据集(共计36357时次)对新发展的中尺度涡旋客观识别算法进行了定量评估,结果表明本算法能够长期稳定地识别涡旋,42年的平均命中率为95.5%。此外,本文提出了涡旋连续性判定和三维追踪方案,较现有常规中尺度涡旋追踪方法具有显著优势。

不同下垫面垂直风切变特征对比

利用中国西北、北方东部和南方地区的10个测风塔风速资料,研究了不同区域风切变的特征及差异.结果表明,西北、北方东部和南方垂直风切变存在明显的年变化和日变化,秋冬季大、春夏季小;夜间大,白天小;风切变的年变化和日变化与边界层稳定度的年变化、日变化有关.风切变的大小与下垫面有关,下垫面平缓地区风切变比较小,地形起伏大的地区风切变比较大.海滨地区的垂直风切变值明显大于内陆.

一种数值模式的嵌入式动力统计订正技术研究

目前数值天气预报效果的提高主要依靠改进模式初始场和模式输出结果统计订正两种方式。改进模式初始场虽然可在一定程度上提高模式预报准确率,但是模拟结果中的系统误差仍然存在。而模式输出结果统计订正虽然能消除一部分的系统误差,但是无法使预报变量之间相互协调。鉴于以上原因,本研究提出嵌入式模式逐步订正方法(EMPC)的思想和技术路线,以WRF模式为试验,结合FNL分析场历史资料,将模式输出订正方法嵌入到模式积分过程中,对2015年6月和7月进行回报。同FNL资料、地面观测及探空资料对比检验发现,经过EMPC订正的预报结果在短期内优于WRF模式直接预报结果。由于对初始场中物理量之间的协调性考虑不全,可能破坏了模式积分过程中的守恒性,使模式存在不稳定风险。

正则化变分同化AIRS红外高光谱水汽资料研究

结合经典变分同化和正则化约束两者的优点,对多正则化参数约束变分同化方法进行了研究。与经典变分同化中背景和观测项对目标泛函等权重不同,正则化约束对观测项权重进行调节,并在正则化参数优化时基于Huber—估计法给定权重函数。高光谱大气红外探测器(Atmospheric Infrared Sounder,AIRS)水汽通道模拟亮温试验表明,本文的变分法同化AIRS亮温资料比经典变分同化法的效果更好。基于信号自由度诊断了观测资料对分析场的影响,结果表明本文的方法能够有效挖掘水汽通道的亮温信息。

大规模海上风电输电与并网关键技术研究综述

风力发电是可再生能源利用领域中技术最成熟,最具商业化发展潜力的发电方式之一。由于海上具有风资源丰富的特点,且目前全世界海上风电开发工程应用的需求迫切,大规模海上风电的输电与并网问题成为风电发展和研究的热点方向。文中对大规模海上风电输电及并网的关键技术进行了介绍,包括海上风电传输技术,海上风电场升压站、集电系统设计技术,海上风电功率预测技术,海上风电集群有功/无功控制技术和安全稳定控制技术等,并对这些技术的研究现状及成果进行了分析和总结。最后,指出了海上风电的发展趋势及需要进一步研究的方面,为海上风电并网的发展提供了参考。

未来50a中国地区冻土面积分布变化

在检验CMIP3模式比较计划中模式在中国地区的温度模拟效果的基础上,选取模拟效果相对较好的HadCM3、EACHE5模拟结果,采用Kudryavtsev方法,应用数字化土壤和植被资料,借助ArcGIS,对未来50 a中国地区在A2情景下的冻土空间变化趋势进行了模拟计算.结果表明,在A2情景下,未来50 a中国地区的冻土呈现出退缩趋势,在2050年,多年冻土在青藏高原地区的巴颜喀拉山-唐古拉山之间、冈底斯山地区出现退化,中国的冻土面积较2006年减少约10.7%.

估算冻结(融化)深度方法的比较及在中国地区的修正和应用

利用中国地区的冻土观测资料计算比较了常用冻土活动层深度估算的几种方法,并对影响估算的主要因子进行了讨论。结果表明:考虑了土壤水分变化、土壤水分相变潜热变化、积雪和植被效应的指数与实际观测值之间有较好的拟合;在采用分区插值方法对温度进行处理,并应用数字化高程、数字化植被和土壤数据的基础上,采用和观测值相关较高的Kudryavtsev指数计算、以Arc-GIS为工具获取的中国地区冻土分布更为合理。

中尺度WRF模式在西北西部地区低层风场模拟中的应用和检验

通过WRF模式对西北地区1、4月份风速的模拟,检验了大气数值模式的模拟性能和误差大小。结果表明,WRF模式在风场模拟上具有较好的性能,在地面加热较强、增温较快、风速较大的4月份模拟效果要好于强风频发但风速较4月份小的1月份;4月份10～70 m各高度上48 h内的平均相对误差在10%以下,相关系数>0.80,通过99%的置信度;1月份各高度48 h的平均相对误差在20%以内,但二者呈负相关,相关系数绝对值>0.30,通过99%的置信度;在选取的2个模拟时段内,在阵性大风出现的时段模拟值明显小于观测值。意味着风作为高层动量下传、低层地形和热力作用共同的产物,在西北地区植被稀疏、地形复杂的环境下,模式边界层的参数化是关键。

基于Logistic回归和多指标叠加的短时强降水预报模型

利用2001—2011年中国西北地区东部10个特征站地面常规资料和MICAPS系统特征参数资料,分别运用改进的二元Logistic回归法和综合多指标叠加法,通过短时强降水天气学概念模型识别入型、水汽条件消空、敏感物理参数诊断等方法逐级判别,建立了两种短时强降水预报模型,并运用模型试预报2012年该区域的短时强降水过程。结果表明:两种新建预报模型相比平均气候概率模型试预报效果都有明显提高,而且前者高于后者;其中二元Logistic回归模型试预报TS得分高达46.6%,综合多指标叠加模型试预报TS得分19.6%,而平均气候概率模型试预报TS得分仅9. 7%;除西南气流型两者预报效果相当外,不同概念模型下二元Logistic回归模型试预报效果均优于综合多指标叠加模型。

基于云计算的全球可再生能源资源精细化评估方法

全球可再生能源资源的总储量及其时空分布对于其开发极为重要,目前一般使用气候模式进行全球可再生能源资源评估。然而,精细化的全球可再生能源资源评估面临计算量大、计算资源有限带来的计算时间过长的问题。文章提出了一种基于云计算的全球可再生能源资源评估方法,通过远程交互并行网格嵌套计算、作业优化和控制方案,在云中心和云平台的子节点间合理地分配了WRF(Weather Research and Forecast)气候模式的计算任务,并实现了节点间计算文件的高效传输和管理,提高了可再生能源资源评估的计算效率,显著缩短了计算时间,有利于全球能源互联网的开发布局研究。

环渤海地区云量的精细化预报方法

利用2010-2016年的云观测资料和T639数值预报产品,分析了云量与影响云生成的主要气象因子间的相关性,通过逐步回归方法建立了环渤海地区云量的时间精细化定量预报模型.结果表明,与总云量和低云量相关性显著的气象因子主要是水汽、大气不稳定度和上升运动.其中水汽类因子包括整层相对湿度、整层湿度和大气可降水量;大气不稳定度类因子为K指数和位势不稳定指标;上升运动为850~400 hPa 5层平均垂直速度.通过逐步回归方法建立了环渤海地区总云量和低云量的时间精细化预报模型,总云量和低云量预报方程的复相关系数大部分在0.5以上.回代预报检验结果表明,总云量和低云量绝对误差分别为22%和18%;试预报检验结果表明,总云量预报的绝对误差为23%;个例分析结果表明,新民站和沂源站的预报效果比较理想,大部分时段总云量的预报值及变化趋势与实际观测结果接近,模型预报性能较好,具有一定的实际应用价值.

南海夏季风强弱年青藏高原地区春季大气的低频振荡特征

利用NCEP/NCAR再分析资料和气象台站逐日地温、气温观测资料,通过带通滤波的方法对南海夏季风典型强弱年,青藏高原地区3—6月大气低频振荡信号分布和传播特征进行了分析研究。指出在春季青藏高原地区的高度场和纬向风场存在30—60 d大气低频振荡、准双周和5—7 d的大气振荡。揭示了在典型的南海夏季风强、弱年,200hPa,500 hPa上低频振荡产生的位置,强度及传播特征各不相同。在典型强季风年份,高原北部形成低频振荡并向北传播;而在弱季风年份,高原地区的低频振荡具有原地振荡的显著特征。在强季风年,高原的非绝热加热削弱高原地区低频波,非绝热加热在高原以外的东西两侧中再现出来,与南北两支急流相联系。在弱季风年份,高原地区的非绝热加热起着加强高原地区低频波的作用;形成了以高原为中心的准南北方向上的振荡特征。

单双参云微物理方案对华北“7·20”特大暴雨数值模拟对比分析

在2016年7月19 21日华北特大暴雨过程初步分析的基础上,采用中尺度数值模式WRF3.6.1中16种微物理参数化方案对该过程进行了数值模拟,并分为单参和双参两组对结果进行评估分析。结果表明,该过程为伴随低涡发展的强对流降水,持续时间长、范围广、总量大。大部分微物理方案对降水的分布模拟效果较好,能够再现此次特大暴雨过程;随模拟时间延长,方案间的差别变大,且单参方案对各量级降水的模拟差别比双参方案显著,方案间雨水混合比、固态水凝物以及垂直速度的差别均大于双参方案,整体效果不如双参方案。综合来看,SBU_YLin方案对于此次特大暴雨过程模拟效果最好,对降水量级和落区的模拟都接近实况。

一次高原东移MCS与下游西南低涡作用并产生强降水事件的研究

基于加密自动站降水、葵花8卫星和ECMWF ERA5再分析等多种资料,本文对2018年6月17日08时至18日22时(协调世界时,下同)一次青藏高原(简称高原)中尺度对流系统(Mesoscale Convective System,简称MCS)东移与下游西南低涡作用并引起四川盆地强降水的典型事件进行了研究(四川盆地附近最大6小时降水量高达88.5 mm)。研究表明,本次事件四川盆地的强降水主要由高原东移MCS与西南低涡作用引起,高原MCS与西南低涡的耦合期是本次降水的强盛时段,暴雨区主要集中在高原东移MCS的冷云区。高原东移MCS整个生命史长达33 h,在其生命史中,它经历了强度起伏变化的数个阶段,总体而言,移出高原前后,高原MCS对流的重心显著降低,但对流强度大大增强。在高原MCS的演变过程中,四川盆地有西南低涡发展,该涡旋生命史约为21h,所在层次比较浅薄,主要位于对流层低层。西南低涡与高原MCS存在显著的作用,在高原MCS与西南低涡耦合阶段,两者的上升运动区相叠加直接造成了强降水。此后,由于高原MCS系统东移而西南低涡维持准静止,高原MCS与西南低涡解耦,西南低涡由此减弱消亡,东移高原MCS所伴随的降水也随之减弱。涡度收支表明,散度项是西南低涡发展和维持的最主导因子,此外,倾斜项是800 hPa以下正涡度制造的第二贡献项,而垂直输送项则是西南低涡800hPa以上正涡度增长的另一个主导项,这两项分别有利于西南低涡向下和向上的伸展。相关分析表明,在西南低涡发展期间,高原MCS中冷云面积(相当黑体亮度温度TBB≤-52°C)可以有效地指示西南低涡强度(涡度)的变化,超前两小时的相关最显著,相关系数可达0.83。

ECMWF和T639数值预报产品在兰州市空气质量预报应用中的对比

利用2013-2015年兰州市空气污染逐日监测资料,分析了兰州市6种主要空气污染物PM_(10)、PM_(2.5)、NO_2、SO_2、CO和O_3的污染特征;以2014年欧洲中期天气预报中心(ECMWF)资料与T639气象要素预报产品,结合兰州市同期污染物质量浓度监测数据,分别建立了基于最小二乘法支持向量机(LS-SVM)的6种主要空气污染物未来2d的日均质量浓度预报模型;将ECMWF和T639中2015年2月1日-10月31日的气象要素与同期污染物质量浓度监测数据分别输入各模型进行试预报检验.结果表明,以ECMWF建立的预报模型对未来2 d的PM_(10)、PM_(2.5)、NO_2、SO_2和CO的日均质量浓度的预报效果优于T639,而T639对预报O_3有一定优势.用ECMWF建立的预报模型对未来24 h的空气质量指数等级和首要污染物的预报成功率为86.14%,48 h的为82.33%;T639对应的未来24 h预报成功率为83.52%,48 h的为74.43%.两种数值预报产品均可应用于基于LS-SVM预报模型的空气质量预报,其中使用ECMWF的预报产品的释用预报效果整体上更好.

相似预报方法在山西省云量预报中的应用

云是一种常见且非常重要的天气现象,云量预报一直是天气预报业务中的难点之一。本文基于相似预报原理和相似离度判据,利用ERA-Interim再分析资料、T639数值预报产品和1980—2013年山西省109个地面气象观测站云量资料,遴选与云量关系最为紧密的预报因子进行组合,设计了3层嵌套5级过滤的逐步相似过滤方案,对2010—2013年山西省云量进行时效为10 d的回代预报。结果表明:该套方案对山西低云量预报效果优于总云量预报。1～10 d低云量预报误差在1成以内的准确率为71. 6%～74. 4%,其中春、秋、冬季各月的预报误差均小于2成,而夏季6—8月的误差相对略大; 1～10 d总云量的预报误差在3成以内的准确率为54. 9%～62. 8%,大部分月份的预报误差小于3成,但7—9月的误差相对较大。总云量和低云量预报准确率随着预报时间延长而略有减小,这对于山西省云量的短、中期预报具有重要参考价值。

青海一次强降水过程的物理量预报应用试验

针对强降水业务预报工作的实际需求,利用常规观测站和区域自动站逐小时降水资料及欧洲中心(ECMWF)细网格数值预报产品,采用水平螺旋度、水汽通量及水汽通量散度对2017年7月26—27日发生在青海省的强降水天气过程进行预报应用分析。结果表明:水平螺旋度、水汽通量及水汽通量散度与降水的发生发展和强降水中心有较好的对应关系;500 h Pa正水平螺旋度强度对降水强度的变化有一定的指示性,负水平螺旋度强度偏强时可以很好地指示强降水中心位置;水汽通量大值区内水汽辐合强度越强,降水强度也越强。

华北地区两次低涡暴雨过程降水特征和成因对比分析

本文利用多种观测资料和ERA-5再分析资料对2021年7月11~13日(过程1)和2016年7月19~21日(过程2)华北地区两次低涡暴雨过程的降水特征和成因进行了对比分析。结果表明:这两次暴雨过程均发生在南亚高压东伸加强、副热带高压西伸北抬、中纬度西风带低涡系统东移北上发展、下游高压坝稳定维持的环流背景下,但过程1的累计雨量、降雨强度、影响范围、持续时间和极端性均不及过程2。两次过程的低空急流差异明显,过程1以低涡南侧的西南急流为主,过程2不仅西南急流更强,低涡北侧的偏东风急流同样显著,低层偏东风在太行山东麓地形的作用下产生了更明显的强降水。两次过程的低涡强度、结构及路径存在明显差别,过程1的低涡发展较为浅薄,仅在对流层中低层存在明显的正涡度,且在过程后期移动速度较快,一路沿太行山北上并最终在河北北部消散;而过程2的低涡更为深厚,后期在河北西南部稳定少动直至消散。两次过程的阶段性发展特征也存在一定差异,在第一阶段,过程1的低层辐合主要出现在低涡中心附近的山西南部至河南北部,而过程2的辐合主要出现在低涡北侧偏东风急流与地形交界处的河北西部地区;在第二阶段中,两次过程均出现了类似于台风螺旋雨带结构的低涡螺旋型对流雨带,但过程1主要出现在低涡东侧,而过程2主要发生在低涡北侧,这可能是由于水平涡度旋度、差动垂直涡度平流、暖平流以及非绝热加热的分布差异导致的;在第三阶段,过程1的低涡已移至华北北部,低涡中心附近的强辐合配合不稳定层结和地形抬升产生了较强降雨;而过程2的低涡仍然位于河北西部,低涡东北侧的暖切变辐合不及过程1,但对流不稳定层结更深厚,从而产生了更强的垂直上升运动及更强的降雨。上述结论有助于理解两次暴雨过程的时空分布和强度差异及可能成因。

卫星与地面观测融合降雨产品精度与径流模拟评估

虽然近年来卫星反演降雨产品逐渐成熟,但精度仍较差,不能满足现代水文气象业务和科研的需求,因此需要地面观测资料对其进行订正。文中采用的卫星与地面站融合数据是基于中国3万多个自动站降雨观测数据和CMORPH卫星反演降雨资料,采用PDF(probability density function)和OI(optimal interpolation)两步融合方法生成的中国区域高时空分辨率(0.1°/1h)的降雨量融合产品。通过在汉江丹江口水库以上流域建立分布式水文模型,对2008~2012年的融合降雨数据进行水文模拟适用性分析。结果表明:在日尺度上,CMORPH卫星降雨与地面站点融合数据具有较好的相关性,但存在一定的系统偏差;该降雨产品能较好地捕捉到强度小于25 mm的中小降雨,其模拟的径流与流域下部高峰流量的观测结果有较好的一致性,但总水量比实测值低15.7%,NSE达0.723。研究成果为基于高时空分辨率的卫星雨量计融合降雨产品在分布式水文模型的水文适用性提供了新的见解和经验,并为该数据在流域洪水模拟的水文预报应用提供参考与借鉴。

西北电网风场数值预报的大气边界层参数化方案适用性

精准的风速预报是风电功率预测的基础,风场的预报评估是提升风电功率预测水平的有效途径之一。基于中尺度数值天气预报模式(weather research and forecast,WRF),采用风险评分、相关系数及均方根误差等定量分析指标,结合西北电网数值预报结果,开展6种大气边界层参数化方案的适用性研究。结果表明:YSU(Yonsei University)方案预报的地面纬向风平均相关系数最高为0.87、均方根误差最低仅1.0 m/s,且地面经向风、850 hPa和500 hPa高度场、以及500 hPa风速预报效果均最优,是提升西北电网风场预报的最优边界层方案。本研究为西北电网风场(以及其他气象要素)预报效果的提升指明了方向。