“23·8”黑龙江极端强降水过程特征与成因

利用多源观测资料及ERA5(ECMWF reanalysis version 5)再分析资料,从气候统计、天气分析及物理量诊断等角度,分析2023年8月2—4日黑龙江省东南部一次极端强降水过程。高空持续辐散、副热带高压和东北北部冷涡稳定少动、西南低空急流持续水汽输送等有利条件是此次强降水过程持续时间较长的主要原因。该过程可分为两个阶段:第1阶段,经向水汽净收入层和大气饱和层深厚,大气层结为弱对流不稳定;中层受西北气流控制,低层西南急流发展、伴随弱低涡东移,形成水平风速辐合及系统性上升运动,产生大范围持续性降水;该阶段以层积混合云为主,降水效率高,个别时段伴有列车效应,造成极端小时降水量及较大累积降水量。第2阶段,经向水汽净收入集中在对流层低层,且中心强度较大,对流层低层暖湿、饱和,中高层干冷,大气具有较强对流不稳定;在中层槽和低层暖式切变的系统性抬升以及地形辐合抬升的共同作用下,局地有积云发展,引发短时强降水,降水强度分布不均。

基于主客观环流分型的强降水数值预报MODE检验方法及其在2019年暖季东北地区的应用

本文构建了基于主客观环流分型的强降水数值预报空间检验(MODE)方法框架,并利用该框架对欧洲中期天气预报中心全球模式(ECMWF)和中国气象局区域中尺度数值天气预报模式(CMA_MESO)的2019年暖季东北地区强降水预报进行检验。结果表明,2019年暖季东北地区54个强降水日的环流型可分为:西风槽型(15个)、副热带高压影响型(13个)、急流型(5个)、西部(12个)和东部冷涡型(9个)。其中,西风槽型和急流型以区域性强降水为主,模式对其强降水发生与否的预报能力强,TS评分较高;西部、东部冷涡型强降水的局地性强,模式对其强降水发生与否的预报能力差,TS评分低;副热带高压影响型也以区域性强降水为主,模式对其强降水发生与否的预报能力也比较强,但是对其强降水质心位置、强度、面积等属性预报偏差较大,TS评分也相对较低。另外,从两种模式预报性能对比看,CMA_MESO强降水强度和面积预报较实况普遍偏强,虽然其预报的TS评分一般高于ECMWF,但其对强降水预报的空报率也都比ECMWF大,对强降水的属性预报偏差一致性一般也低于ECMWF,其预报的可订正性整体上不及ECMWF。

基于改进蚁群算法和共用航段的搜索救援通道规划

针对战斗搜救任务场景中,空中搜索救援等待区至跳伞区之间的往返路径规划问题,提出一种基于改进蚁群算法和共用航段的搜索救援通道规划方法。首先,针对基本蚁群算法易出现局部极值及收敛速度慢等缺点,对启发函数、状态转移策略、信息素更新策略进行了改进。然后,针对单起点多目标点的路径规划问题,提出了设置分航点以生成共用航段的搜索救援通道规划方法,并以总路径长度表征任务准备负荷量与分别规划航路进行对比。实验结果表明,在本文测试环境下,改进蚁群算法规划的路径长度分别缩减15.4%和14.2%,搜索救援通道的任务准备负荷量减少25.4%。所提出的搜索救援通道规划方法有一定的理论和应用价值。

基于仿人发育的混合空域智能无人机防碰撞策略研究

随着低空开放政策的实施,无人机将会脱离隔离空域,进入低空与各式各样飞行器混合进行飞行;而防碰撞能力作为无人机的关键技术,在混合空域中保持无人机安全飞行起到了至关重要的作用;通过对人的发育式学习防碰撞机理进行分析,建立了面向混合空域中密集障碍的实体模型和发育模型,最终构建了基于仿人发育的无人机防碰撞方法;仿真实验表明,提出的方法不仅使无人机可以通过学习与发育不断提高飞行安全性,而且还可以随着环境熟悉度的提升,加快无人机防碰撞行为,提高了无人机在混合空域密集障碍中的安全性与智能性。

面向教学实践的多无人机任务仿真系统

多无人机协同任务实飞验证难度大、成本高,为此设计一套基于机器人操作系统和开源飞控的多无人机任务仿真系统。该系统将在三维场景下对协同规划任务进行的仿真测试,测试成功后只需简单设置即可进行实飞验证。系统主要包含协同规划、地面站、机载逻辑任务、执行、场景显示及飞行参数设置/数据显示等模块。结果表明,基于该系统的仿真验证结果与实飞结果具有较高的吻合性,既适用于相关专业的教学过程,也可为多种复杂任务实现提供支撑。

2020年“6·26”冕宁致灾暴雨成因观测分析

利用多源观测数据,结合ERA5再分析资料,从环流背景、水汽条件、局地探空特征、对流系统演变以及地形影响等方面,分析了“6.26”冕宁暴雨的可能成因。结果表明:(1)暴雨期间,500 hPa环流形势相对稳定,伴随中纬度槽东移和副热带高压西进,二者间西南气流显著增强,影响四川地区;盆地低涡北部非地转风风向随时间顺时针变化,使夜间向低涡中心辐合的气流增强,促进低涡发生、发展;盆地低涡西部的偏北气流和攀西高原的西南气流同时增强,使局地环流发生变化,改变降水区低层动力和水汽条件,决定降水起止。(2)冕宁暴雨过程分为两个阶段:前期,受地形和冷池出流抬升影响,以及叠加其上的中层辐合的接力抬升作用,西南暖湿气流冲破对流抑制,在灵山寺西南侧山前形成强对流单体,强对流单体随引导气流向东北移动到灵山寺站,带来强降水;后期,受山前地形阻挡和山后源自盆地的冷空气的共同作用下,西南暖湿气流辐合上升运动的强度和伸展高度同时增加,灵山寺站附近不断有质心(回波强度超过50 dBZ)高度较低的强回波单体生消,降水强度显著增强。

基于CMA-MESO模式的黑龙江省强对流天气分类预报方法研究

利用欧洲中心再分析数据(ERA5)、中国气象局中尺度数值预报模式(CMA-MESO)产品和自动站资料,计算动力条件、不稳定层结、水汽条件、特征层高度等对流参数,统计雷暴大风和短时强降水两类强对流天气的对流参数分位值统计量特征,以及与气候值的偏差特征。结果表明:短时强降水更易在水汽含量大、中低层大气接近饱和的湿热环境中发生,中低层抬升作用触发降水并增强降水效率,水汽条件是短时强降水的关键。雷暴大风容易在气温直减率大的环境中出现,有利条件为中层干燥、低层湿润、垂直风切变大、CAPE大。采用相对偏差模糊矩阵评价法,进行黑龙江省两类强对流天气的分类预报,检验结果表明,该方法能有效预报最可能发生强对流的区域和时间,预报效果较好,预报偏差bias短时强降水为0.7,雷暴大风为1.04,空报漏报率合理。

一次东北冷涡过程的结构特征与降水关系分析

利用FNL1°×1°逐6 h再分析资料、常规实况观测资料对近10年来一次最强典型东北冷涡区域性暴雨过程在东北冷涡环流演变不同阶段中的动力、热力、水汽条件及不稳定能量与降水的关系进行诊断分析。根据冷涡系统的环流特点,将冷涡过程划分为初生、发展、成熟和减弱等阶段。冷涡初生阶段,降水主要分布在垂直运动较强的位置,降水强度不大;发展阶段,斜压性较强,冷涡前部有大范围高层干冷平流、低层暖湿平流叠加,降水主要分布在冷涡前部切变辐合最强的位置,降水强度与低层辐合中心强度及垂直速度成正比;成熟阶段,冷涡演变为准正压结构,垂直上升运动的强度和范围都达最大,广泛分布在冷涡中心及前部,降水中心向冷涡中心移动,强度与发展阶段接近,该阶段降水与不稳定能量分布及中高层干冷空气入侵关系更为密切,但与动力因子相关程度下降;减弱阶段,降水变得分散,强度迅速减弱,与环流及物理量之间关系的规律不再显著。在冷涡演变的整个过程中,偏南、偏西及偏东的水汽通道对水汽的输送和集中是此次强降水得以发生发展的必要条件,其中偏南气流带来的水汽净流入是此次降水过程的主要水汽来源,降水区水汽净收入与降水强度之间存在明显的正相关关系。

机载布放式AUV入水冲击仿真研究

机载布放式AUV是利用载机运送至特定海域上空,在一定条件下通过空投方式进入水下,完成预定工作的自主水下航行器。AUV入水时会受到巨大的载荷冲击,严重时会导致机体折断、元器件失灵,甚至引起弹道失控。为此,文章采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法对机载布放式AUV的入水冲击问题进行了数值仿真研究。对不同入水速度、不同入水角度下AUV受力过程进行了计算,得出了不同入水条件下的速度响应曲线和压力响应曲线,可为机载布放式AUV的机体结构设计和投放条件研究提供参考。

基于格点的中国东北中北部2 m温度数值预报检验及偏差订正

基于中国气象局陆面数据同化系统(CLDAS-V2. 0)实时产品数据集中2 m气温数据对ECMWF高分辨率数值模式2 m气温预报产品在中国东北中北部的预报能力进行初步检验并利用递减平均法对系统性偏差进行订正。结果表明,气温平均预报准确率与海拔高度呈显著负相关,山区预报准确率偏低,系统性偏差较大。气温预报偏差还表现为明显的日变化特征,在夜间表现为预报较实况显著系统性偏高,白天系统性偏差不明显。冬季夜间气温,特别是最低气温系统性偏高的特征变得更加明显。递减平均法对系统性偏差的订正效果好,订正后,东北中北部地区冬季夜间气温及最低气温预报能力有大幅度提高。另外,递减平均法对东北中北部山区3、4及9月以外其他月份夜间气温及最低气温,对冬季白天气温及最高气温有显著的订正能力。

东北夏季天气分型及EC降水预报空间检验

利用SANDRA(SAN)方法将东北地区2018年5—9月环流背景分型,并在此基础上对EC模式预报的较强降水(>10 mm/24 h)进行空间检验和定量分析。东北地区主要的形势背景分为北部扰动低压型、副热带高压北抬型、东北扰动低涡型、扰动低压东移型。其中,前3类环流型对应较强降水过程发生频率相对较高;将3种类型对应的模式预报较强降水过程进行分析。结果表明:模式对于北部扰动低压型过程中大雨以上量级降水落区面积的预报较实况普遍偏小45%—60%;中雨量级降水落区面积,36 h时效预报较实况偏大40%,84 h时效偏小19%;36 h、60 h、84 h时效,较强降水预报位置偏西分别为0.19°、0.53°、1.39°,平均强度预报分别偏低2.9 mm、3.1 mm、3.4 mm,极值预报分别偏低7.3 mm、8.1 mm、9.4 mm;副热带高压北抬型过程预报面积与实况之间的偏差没有一致的倾向性,预报位置较实况分别偏南0.25°、0.15°、0.37°,降水强度上有65%—72%的个例表现为平均强度及极值预报较实况偏弱的特征;东北扰动低涡型过程,预报位置偏差分别为36 h偏东0.18°、偏南0.55°,60 h偏东0.20°、偏南0.58°和84 h偏东0.74°;另外,3个时效对应平均强度预报分别偏低3.3 mm、3.7 mm、3.9 mm,极值预报平均偏低为10.2 mm、10.6 mm、11.6 mm。

空空导弹发射装置数据采集系统

为满足空空导弹发射装置的保障和测试需求,采用LabVIEW设计一种新型数据采集系统。研究系统的硬件构成、编程环境和与普通板卡之间的通信方式,使用模块化的设计理念进行应用软件设计,可实时显示并保存或打印数据结果。经实验室多次测试验证,该系统具有运行稳定、操作简单、性价比高、通用性强等优点。

基于多模式集成冬半年气温预报偏差修正

卡尔曼滤波递减平均方法对模式直接输出的气温预报进行订正,能有效提高预报准确率,但有时会造成显著负订正的现象,使订正预报效果反而不及模式直接输出。利用消除偏差集合平均方法(BREM)选择最优滑动训练期对2019年10月至2020年4月ECMWF预报(EC)、经过卡尔曼滤波递减平均法订正的预报(EC_COR)及中央台网格指导预报(SCMOC)等3种气温预报在黑龙江省的结果进行集成,并将BREM方法对EC_COR的修正效果进行评估,结果表明:不同预报结果都表现为冬季和夜间预报的准确率更低,气温偏低的11月至翌年1月更倾向于表现出预报较实况系统性偏高的特点。BREM方法能有效地修正EC_COR对EC负订正的现象,且可显著高于任何一种参与集成的单一预报效果。可在对单一模式进行卡尔曼滤波递减平均订正的基础上,进一步提升预报质量。另外,利用集成方法对高质量预报产品的融合(不局限于模式直接输出预报或是订正预报)可获取较单一预报更优的预报结果。

一次强降水过程的多尺度环流背景及成因分析

利用NCEP再分析资料、ERA5再分析资料和自动站逐小时观测资料对2014年7月19日影响黑龙江省西部中尺度对流过程的天气尺度、中尺度环流背景及地面要素演变特点进行分析。结果表明:此次强降水过程是在台风与西风带系统远距离作用的背景下,由高空急流、冷涡、低层切变线与冷锋相互配合产生的。过程持续时间短、强度大、局地性强。副高外围偏南风引导远距离台风携带的暖湿气流向东北地区输送,与高空冷涡后部干冷空气配合,形成低层暖湿高层干冷的不稳定层结,为中尺度对流系统的发生发展提供了有利的环境条件。冷锋和喇叭口地形的辐合抬升相互配合,使暖湿气流抬升,冲破中层抑制,触发对流,使前期累积的不稳定能量释放。高空急流的辐散和通风作用使上升运动和不稳定层结维持,降水持续,且强度增强。受干冷空气卷入和强降水粒子蒸发的影响,系统后部出现较强冷池,使强降水同时伴有雷暴大风。随着系统后部冷池及冷空气主体的抬升,暖湿空气抬离地面,过程结束。

基于神经网络的红外型空空导弹故障诊断专家系统

普通的导弹自动测试系统只能给出主要参数的检测结果,针对以上不足,通过对神经网络和专家系统在自动测试领域中的深入研究,设计完成了一种基于神经网络的故障诊断专家系统,克服了传统专家系统故障定位慢、容易出错、数据库难修改的缺点,提高了装备保障工作的时效性和可靠性。重点阐述了知识库和推理机的构建思路和方法,采用VC++6.0进行软件设计。通过大量实验验证得出,该系统执行速度快、故障定位准确,具有广阔的应用前景。

嵌入式弹射座椅程控器测试系统研究

程控器是可靠完成弹射救生过程的核心控制部件,为了确保其可靠工作,使之处于良好的工作状态,提高系统的弹射救生效能,设计了一种能够完成程控器检测保障的系统;通过分析程控器的工作原理确定了测试系统整体方案,详细论述了硬件电路和软件的设计过程,整套设备操作简便,性能可靠,对于提高部队对弹射救生装备的维护保障水平,具有十分重要的意义;实验结果表明,关键参数的检测准确度可达97%以上。

黑龙江省西南部一次大范围霾的天气分析

利用地面观测资料以及NCEP/NCAR再分析资料,分析了2011年1月20-24日黑龙江省西南部一次大范围持续性霾过程的变化特点及环流背景;诊断分析了该次过程中动力、水汽及不稳定条件。结果表明:该次过程表现为明显的日变化特征。霾过程持续期间,黑龙江省处于纬向型环流的控制之下,冷空气势力弱;黑龙江西南部整体处于地面高压内的均压场中,有利于霾维持。近地面气象要素中相对湿度和风速与霾的严重程度相关很好,能够解释霾的日变化特点。近地层弱的辐合上升、中高层的辐散下沉运动,有利于逆温增强,并使水汽和污染物扩散到一定高度,使霾维持,抑制其消散。

冷空气入侵台风“灿鸿”引发的东北暴雨分析

利用常规观测资料与NECP再分析资料,对2015年在朝鲜半岛登陆北上9号台风"灿鸿"导致东北东部出现较大范围的暴雨和大暴雨天气进行分析。结果表明,此次降水过程是由减弱变性的台风环流与中高纬度弱冷槽结合发展产生,冷空气从低层进入变性台风北部,在地面上表现为中高纬低压减弱合并到变性台风中,使台风登陆后强度减弱较慢,且北部有所加强,因此在其北部出现较大范围的暴雨、大暴雨;变性台风北侧的低层冷暖平流交汇,导致该区域出现低层辐合、高层辐散和较强的上升运动,是本次降水的动力因子;冷空气从低层进入台风环流,低层为冷平流,高层为暖平流,大气层结相对稳定,因此本次降水过程中对流较弱,以连续性降水为主;本次暴雨水汽来源分为两部分:台风本身携带的大量水汽和日本海的水汽输送,二者为本次暴雨提供充沛的水汽条件;另外,地形在动力作用和水汽输送过程中也起到了重要作用。

航行器小角度入水跳弹过程研究

为研究跨介质航行器小角度入水的跳弹现象,基于计算流体力学软件CFX构建数值计算模型,并验证了该模型的准确性和适用性。分别对跨介质航行器不同顶角、密度及设计的环形槽类截头外形的小角度入水跳弹过程进行仿真研究,并分析了整个跳弹过程及角加速度、角速度、位移的变化规律。研究结果表明:航行器的顶角角度和密度越小,其弹道越易向上发生弯曲,越容易发生入水跳弹现象,而浸水阶段角速度突变是由于航行器尾部与水面拍击造成的;环形槽类截头尖拱体航行器具有一定的抑制跳弹的作用,其环形槽的位置对入水跳弹过程影响较大,可根据任务需求对环形槽位置进行选择。

航行器低速斜入水运动规律

针对介质跨越航行器控制困难的问题,提出一种空中控制水下非控的单一控制策略;为了分析航行器非控状态下斜入水运动的规律,构建了航行器低速入水动力学模型,并分别使用数值仿真方法和理论模型求解方法进行同一条件下的航行体入水运动仿真,通过对2种方法的仿真结果对比验证本文所构建航行体斜入水动力学模型的正确性。利用构建的入水动力学模型,分别对不同初始速度、角度、攻角条件下的入水过程进行了运动状态仿真并分析,得出了航行体在入水运动过程中的姿态位置变化规律。此入水规律将指导介质跨越航行器后续的水下航行、进而出水的一系列研究。