“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。

水性反射隔热型涂料的制备及性能影响因素探究

研究了反射隔热涂料中重要组分对其性能的影响规律。以纯丙乳胶作为成膜物,空心玻璃微珠和金红石型二氧化钛作为功能填料,在基本配方体系基础上,通过单一变量控制法研究了空心玻璃微珠、金红石型二氧化钛的尺寸及添加量等因素对反射隔热涂料透水及耐沾污性、太阳光反射性能和隔热性能的影响规律,并制备得到综合性能优异的水性反射隔热涂料。研究结果表明,反射隔热填料不仅影响涂层的太阳光反射和隔热性能,对于涂层的耐水和耐沾污性也有显著影响。

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。

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。

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。

改性超支化醇酸树脂涂层的制备及性能

以端羟基超支化聚酯和蓖麻油酸为原料,通过酯化反应合成了超支化醇酸树脂,通过红外、核磁等手段研究了它的化学结构。采用超支化醇酸树脂作为改性剂制备了固含量55%~70%的醇酸树脂涂料,考察了改性涂料的流变性能及其涂膜的力学性能、热性能与防腐性能。实验结果表明:超支化聚合物的适当添加可在不影响涂料黏度和涂装性能的基础上,有效提高醇酸树脂涂层的柔韧性和耐酸碱盐腐蚀性能,其耐弯曲性能高达2 mm,耐冲击性达到50 cm。固含量为65%的涂层综合性能最好。为进一步提高涂层的防腐性能,在该体系中添加了0.1%~0.5%的端羟基超支化聚酯改性氧化石墨烯(HGO)。循环盐雾测试320 h后发现,HGO添加量为0.5%的涂层腐蚀最轻。

一种水性多功能黏结剂对锂硫电池性能的影响

以海藻酸钠(SA)与聚乙烯亚胺(PEI)为原料,制备了一种具有交联网络结构的SAPEI多功能锂硫电池正极水性黏结剂。采用FTIR对其进行了表征,考察了SAPEI黏结剂的黏结性、多硫离子吸附能力及对锂硫电池正极结构和电化学性能的影响。结果表明,SAPEI黏结剂的黏结强度高于传统商用聚偏氟乙烯(PVDF)黏结剂,反应过程中产生的酰胺键对多硫离子具有吸附作用。使用SAPEI黏结剂的锂硫电池在循环后硫正极呈现出更加均匀的微观形貌结构及更优的电化学性能。在0.2 C倍率下充放电200次后,其放电比容量仍保持在620 m A·h/g,容量保持率可达到72.6%,高于使用PVDF黏结剂的锂硫电池。

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。

无人机单载荷目标检测及定位联合实现方法

低成本是无人机集群的重要属性,针对传统无人机目标定位技术要求光电平台必须配备激光测距仪的局限性,提出了不依赖激光测距信息的目标检测与定位联合实现方法。首先,采用基于深度学习的目标检测网络对无人机航拍影像进行目标检测,获取图像坐标系下的目标位置信息;其次,根据无人机飞行相对高度、光电平台参数、图像中目标位置等信息计算载机坐标系下的目标坐标;然后,将载机坐标系下的目标位置转换为WGS-84坐标系下的经纬信息;最后,通过无人机实飞验证了所提方法的有效性。实飞结果证明,所提方法能够在不依赖激光测距仪的条件下有效完成目标定位任务,为无人机集群低成本化提供了技术支撑。

浙东地形对台风“利奇马”极端降水的影响分析

利用自动站实时降水资料、NCEP再分析资料和多普勒雷达资料,结合中尺度数值模式WRF对台风“利奇马”在浙东地区产生的极端降水过程进行分析,重点研究了浙东地形对极端降水的影响。结果表明,“利奇马”影响期间,浙东强降水过程出现2个雨量峰值,依次由台风外层螺旋云带和台风中心附近的多个中尺度对流云团持续影响所造成,浙东地形对这一系列对流云团有明显的加强作用。浙东地区西部山脉对“利奇马”有阻滞和辐合抬升两方面作用,前者通过地形阻挡拖曳,延长强降水时长,后者通过山前显著的动力抬升作用和水汽辐合加强造成降水增幅。根据估算可知,括苍山脉在强降水阶段对暴雨的增幅可达11 mm·h^(-1),接近此时段内总雨量的2.5成。通过敏感性试验降低地形高度后,浙东地区辐合及上升运动减弱,雨量也明显减少,进一步验证了浙东地形是造成此次极端降水事件的重要原因。

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。

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。

黑龙江省暴雨预报失误分析

2016年7月23-24日,黑龙江省出现了一次大雨、局地暴雨天气。主要降水区预报较实况偏西,对暴雨西部报空,东部漏报。本文利用观测资料和数值预报产品、再分析资料,分析预报过程,讨论失误原因:预报区域没有出现较大降水主要是触发和抬升条件不利,因此虽然大气层结条件较好,低层水汽和能量条件均较好,但仍然没有出现强降水;而偏东地区在24日地面上有中尺度辐合线,与该地大气不稳定层结条件和较好水汽辐合、较高对流有效位能相配合,产生了暴雨。

我国寒冷天气等级分布特征

利用1981-2010年30 a气温资料,分析了30 a全国2089个站点极端最低气温分布特征,不同日最低气温阈值的平均日数分布特征。以地方标准《寒冷天气等级》中的分项评估指标计算方法为基础,进行取值订正,讨论《寒冷天气等级》划分方法在全国范围的适用情况。结果表明:黑龙江西北部、内蒙古东北部为全国日最低气温≤-30.0℃平均日数持续时间最长的地区。取值订正后的寒冷天气等级划分计算方法,可适用于表征全国范围的寒冷程度对比。当日平均最低气温取-30.0℃时,该级别的寒冷天气主要出现在东北地区北部、新疆。最寒冷站点为黑龙江呼中站。

黑龙江省一次强降水过程的数值模式预报及误差分析

本文利用黑龙江省加密自动站降水观测资料评估了T639、GRAPES全球模式和EC_thin预报资料对2016年8月5-7日黑龙江省一次降水过程的预报效果。结果表明:EC_thin预报的降水较实况明显偏快,T639的降水落区的形态结构与实况一致度较高,尤其对中雨及以上量级降水的分布和走向的预报具有较好的参考意义。三个模式对强降水中心的预报与实况相比明显偏弱,对暴雨以上量级的降水均存在较严重的漏报。预报形势场的对比分析显示,EC_thin预报结果中有关天气系统的移速明显快于其他两个模式的预报结果,对黑龙江省南部槽脊强度的预报一致偏弱;T639与EC_thin的预报稳定性更高;GRAPES高度场的预报存在相对明显的系统性负偏差;三种模式预报的副高范围、强度以及演变趋势都表现出与实况基本一致的特点;此外,T639模式预报的温度场偏差较小,T639预报的风场强度偏弱,GRAPES预报的天气系统不仅强度偏弱,而且较客观分析结果偏南偏东。