低空复杂风场全天候雷达精细探测技术

低空复杂风场通常指距离地面高度600 m以下,局地风速、风向快速变化的风场.其全天候大范围精细探测是雷达科学、气象学等领域的长期难题.低空复杂风场的全天候雷达精细探测涉及传感器设计、三维风场反演和全天候融合等关键技术.本文从激光雷达探测、微波雷达探测、全天候融合及特征危害提取等方面对风场探测的技术内涵及研究现状进行了梳理,并分析了发展趋势,为低空复杂风场全天候精细探测技术发展与应用提供参考.

四维变分方法反演低层风场能力研究

从新一代天气雷达径向速度资料中反演出可靠的三维风场对提高新一代天气雷达的应用水平有重要的作用，将雷达直接观测的径向速度转换成台站预报员更为熟悉的风场结构，对识别中小尺度信息有很大帮助。为此该文对4DVAR同化技术在风场业务反演中应用的可能性进行了探讨，利用广州、济南新一代多普勒天气雷达观测资料，从是否加入云模式湿过程以及迭代次数、计算时间、背景场、初始场、分辨率和反演区域等方面对干模式的4DVAR系统进行了讨论，并从风场结构、均方根差别等方面对反演结果进行分析。多种试验表明，干模式的4DVAR系统与湿的云模式反演结果差异不大。模式的初始场和背景场对反演结果具有较高的敏感性，利用前一时次的反演结果作为背景场迭代15～20次的干模式结果可以很好地在业务上试运行，对台站预报员提高中小尺度天气预报的准确率有着很重要的作用。

北京首都国际机场低空风切变观测分析和数值模拟

利用2007-2008年北京首都国际机场气象观测资料和低空风切变的航空记录资料,统计分析了首都国际机场背景风特征和发生低空风切变时的风特征,并针对影响航空飞行安全的低空风切变个例分析了高空形势场,利用中尺度数值模式模拟了低空风切变的发展过程.主要结论有:两年间首都国际机场平均风速冬春季较大,风向主要为西北和东南方向,出现大风的频率也较夏秋季高;低空风切变主要发生在冬春两季,发生时近地面风速在11～15 m/s,风向为西北方向,主要由大气运动本身的变化造成,环流分析更加明确大尺度运动系统过境对低空风切变诱发的影响;数值模式不仅模拟出首都国际机场的低空风切变,还模拟出低空风切变自西北向东南方向的发展过程,其中,高空动量下传可能是诱发机场低空风切变的重要机制.

华北平原大雾分析和预报

介绍华北平原大范围大雾的气候特征及大雾天气的低空风场、地面气压场等特点，并以天津为例给出大雾部分消空指标以供参考。

用于实时弹道仿真的低空风切变复合模型

风切变是一种形成概率高、危害范围广的气象现象,对弹箭飞行具有较大影响。针对几种典型低空风切变的流动特点,基于位势流动理论,分别建立了微下击暴流涡环模型、过山气流圆柱绕流模型和低空急流平面壁面射流模型。在此基础上,以发射坐标系为基准,提出一种考虑天气和地形的低空风切变复合模型。以某122mm火箭弹为例,进行算例仿真。仿真结果表明:所建立的低空风切变复合模型具有良好的三维特性,能够合理描述典型风切变现象的气体流动特点。应用于实时弹道仿真中,可有效反映出复杂环境下不同种类低空风切变对弹箭飞行的影响规律。

海南岛附近区域热带气旋低层风场的变化特征

利用1979~2015年JTWC(Joint Typhoon Warning Center)最佳路径资料(2001~2015年资料用于台风风圈结构分析)及ERA-interim(0.5°×0.5°)再分析数据,统计分析我国海南岛附近区域(15.5°N^23.5°N,106°E^116°E)热带气旋(Tropical Cyclone,简称TC)低层风场的变化特征。结果表明:(1)年均5.5个TC于4~12月主要以西偏北路径进入该区域,其中海南岛东南侧海域TC出现频率最高且强TC比例最多,而岛西北区域出现频率最低,强TC比例最少。(2)TC中心位于海南岛不同方位时,其外围低层风场分布具有不同的非对称特征,且大风出现比率也各有差异;TC中心位于海南岛上时出现大风比率最高,位于岛南侧时次之,位于岛北侧时最小。(3)该区域TC平均最大风速半径(RMW)为58.3 km;TC位于岛上时RMW最大,而位于岛西南侧最小。(4)TC近中心最大风速由海上向陆地急剧减小,其高值中心主要位于雷州半岛东侧及西侧海域。(5)研究区域内TC的34节风圈半径在TC环流的东侧大而西侧小,强TC大而弱TC小。(6)不同区域TC变形程度有所差异。平均而言,位于岛西南侧TC变形最大而位于岛东南侧时变形最小。

微下击暴流风场模型在弹道仿真中的应用

为了研究微下击暴流风切变模型在外弹道仿真中的应用,基于流体力学基本原理,采用涡环法建立了微下击暴流风场模型,通过引入涡环倾斜变化矩阵来描述微下击暴流风场非对称特性,采用多涡环叠加的方法来模拟实际情况下的复杂风速分布。将六自由度刚体弹道模型与风场模型相结合,以某122 mm尾翼火箭弹为例进行弹道仿真。结果表明,所建立的微下击暴流风场模型具有良好的三维特性,能够合理描述实际微下击暴流风场分布;受微下击暴流影响,火箭弹的飞行时间、射程、侧偏、末速度以及角运动等弹道特性均发生较大变化。

基于MICAPS风场信息的低空急流自动识别及绘制

人工绘制低空急流效率过低并且存在很多主观因素,为有效地解决这一问题提出了低空急流自动识别的方法。该方法利用常规观测资料、加密自动站资料和MICAPS风场信息,结合低空急流特征,通过预处理、聚类、拟合等步骤实现了850 hPa等压面上中国东部沿海地区低空急流的自动识别。测试结果表明:利用该方法自动识别的急流能够满足气象要求,并且识别效率得到提高。

过山气流低空风切变对野战火箭弹弹道特性影响分析

针对过山气流低空风切变的流动特点,基于位势流动理论,在地面坐标系上建立考虑地面摩擦及背风旋涡的过山气流三维风场分布模型。结合六自由度刚体弹道模型,以某122 mm尾翼火箭弹为例,仿真分析了野战火箭弹在主动段受过山气流风切变影响的弹道特性变化。结果表明,过山气流低空风切变对野战火箭弹的飞行时间、射程、侧偏,落速及角运动均产生较大影响,其中对弹箭横向运动的影响较为显著;风场强度与野战火箭弹受风场的影响程度正相关;野战火箭弹在迎风坡与背风坡发射时,弹道特性的变化规律相反,且背风坡处发射时弹道特性的变化更明显;中低射角范围内,增大野战火箭弹的射角能够降低过山气流低空风切变对射程的影响,但侧偏所受的影响会相应增大。

1987年我国低空流场的特征分析

使用１９８７年各月逐日２个时次地面、３００、６００、９００、５００、１０００、１５００、２０００、３０００ｍ的风场资料，计算并分析其流场特征，得出我国低空各层次流场的年、季、月平均分布特征。同时还发现我国各台站的边界层内普遍存在一个明显风速极大值区，并得出它所在的高度、风向、风速以及出现频率。

基于SRTM数字高程模型的WRF低空风场模拟研究

针对复杂地形条件下的中小尺度的低空风场模拟受地形影响较大,特别是机场周围的低空风切变严重影响现代民航的飞行安全。文中提出利用WPSGeo Tiff、GRASS GIS等技术,将美国航空航天局和美国国防部国家测绘局联合提供的精度为90 m(30s)的SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)高精度数字高程数据Digital Elevation Model(DEM)替换到中小尺度数值预报模式Weather Research and Forecasting Model(WRF)中。通过对北京2013年3月9日一次大风天气的模拟,检验SRTM DEM数据对WRF风场模拟精度的影响。模拟结果表明新引入的SRTM DEM数据更真实地反映了北京地区的地形高度特征,尤其是地形复杂区域的高度特征。同时由于高度信息误差的减小,增强了WRF模式在北京地区复杂地形条件下的风场模拟能力。

一次持续性梅雨锋暴雨的中尺度对流系统特征分析

利用常规气象观测资料、地面自动站加密观测资料和FY2G卫星云图资料以及NECP 1°×1°FNL再分析资料等,对2016年6月30日—7月5日安徽省安庆地区梅雨锋暴雨过程中的中尺度对流系统(MCS)活动特征、MCS发展的环境场特征以及低层风场对MCS发展影响进行了分析。结果表明:梅雨锋上有多个MCS先后(或同时)生成、发展并沿正涡度带向下游移动并发展增强,成“列车效应”经过安庆地区并带来持续强降水。强降水落区发生在中尺度低空急流核的左侧,辐合区和上升运动区位于涡度中心东侧,导致MCS持续的向东发展移动并增强。对流层低层西南风急流为MCS发展增强提供了动力条件,并带来大量水汽在梅雨锋区汇集辐合。湖北至安徽上空850~500hPa的湿度锋为强降水提供了有利的不稳定条件。

新一代天气雷达产品在阿克苏大降水预报中的应用

利用新疆阿克苏CINRAD/CC多普勒天气雷达的探测资料,在新疆气象局新一代天气雷达网络应用软件和CINRADPUP软件产品的基础上,分析研究了2003年11月5～7日发生在阿克苏地区的大降水天气,得出:此次天气的强度场、速度场、垂直剖面结构具有积层混合性降水回波与层状云降水回波的特征,低空偏东急流、暖平流中尺度系统和速度场分布对强降水的定时、定量、定点预报具有明确的指示意义。

西南季风爆发前后南海SST变化特征及影响因子分析

利用1982～2001年NCEP/NCAR再分析的周平均SST场、逐日表面热通量场及近地层10米高度风场资料,分析了南海地区季风爆发前后几周南海多年平均SST随时间的变化和空间分布特征及其影响因子。结果表明,南海季风爆发前,SST急剧升高,季风爆发后,SST的变化呈现比较明显的空间差异,南海北部SST继续上升,而南部SST持续下降。南海季风爆发前,海面净得热,这是季风爆发前南海SST上升的主要原因。季风爆发后几周,海面净得热减少,此时的海表净热通量收支与SST无显著相关。而季风爆发期和爆发后几周,南海SST变化的不均匀性与西南气流具有很好的相关性,南海的降温区呈东北-西南走向,与低层西南气流的方向一致。因而,在季风爆发后的一段时间内,近地层风场导致的海洋表面及内部动力过程是影响南海SST变化的另一重要因子。

一次低空水平风切变的小尺度特征分析

低空风切变对日益繁忙的机场越来越构成威胁,为了解其发展过程和规律,就青岛机场2002年3月20日06时37分左右(UTC)发生的一次强低空风切变进行了小尺度特征的分析,揭示了这种风切变产生的小尺度风压场调整过程的特征。分析的资料是从机场的自动观测系统中提取的风切变前后10分钟的数据。分析发现,在此过程中,最强风切变阶段主要表现为风向的强气旋式切变,而在开始和结束阶段则以跑道南北两侧水平风速切变为主。在风向切变急剧加强阶段,风场向气压场的调整过程占优,导致气压的快速升高,而当气压场向风场的调整过程占优时,跑道南北两侧的风向差又迅速减小。这种局地小尺度水平风切变的产生和发展,是由风场和气压场之间的相互调整以达到平衡的过程决定的,而这种小尺度的风压场相互适应过程所需要的特征时间则决定了风切变的持续时间。同时还分析了产生这种低空风切变的大尺度天气形势的特点,旨在探索产生强风切变的诱因,有助于预测低空风切变的产生,对飞行人员和航管人员都具有十分重要的意义。

0903号强热带风暴“莲花”的非对称结构对路径的影响

利用2009年6月18～22日的1°×1°NCEP(美国环境预报中心)再分析资料和TBB(相当黑体亮温)资料等,分析"莲花"的环境场和结构对路径的影响。结果表明:19日11:00～20日14:00,"莲花"移动方向与引导气流方向有一定的偏离,这段时间里,"莲花"向偏北方向移动的主要原因是,"莲花"的低层风场存在较明显的非对称结构,在"莲花"的东侧,对流层低层出现了较强的偏南急流。TBB的分布对"莲花"的非对称结构有较明显、较直观的反应,尤其是对于几次短时间的路径偏折有很好的指示作用。

神舟七号转运日浅层风预报分析

利用常规气象资料、数值预报产品、以及发射场加密观探测资料,分析神舟七号任务转运日大风降水过程,重点分析导致浅层风超过气象条件的形势、要素及物理量场。本次过程是在副高异常强盛、水汽较为充沛、北部小波动不断东移的背景下发生的;直接影响系统是西北路冷空气;气压场和温度场的变化明显反映冷空气的强度及影响时间;过程生消对应了场区附近正涡度区、较强辐合区、以及气流上升区的发生、加强及减弱。

台风“利奇马”引发山东极端暴雨的多尺度特征分析

利用常规气象资料、NCEP FNL 1°×1°再分析、风廓线雷达、云顶亮温(black-body temperature,TBB)及逐时自动气象站降雨量资料,对2019年8月10—13日由台风“利奇马”引起山东极端暴雨的多尺度特征进行分析。结果表明:(1)此次台风特大暴雨主要为中低纬系统相互作用及台风倒槽本体直接影响产生,其与冷空气密切相关。冷暖空气交汇有利于山东大部地区稳定性降水长时间持续发生。冷空气从低层侵入暖湿气流底部,形成冷垫,使得暖湿气流在冷垫上滑行,加大降水强度。(2)低空急流指数的变化提前1 h预示了降水的出现及未来小时雨量的增减,其峰值出现预示着未来3 h的强降雨时段,即对强降雨时段的出现和雨强大小有一定的预示性,低空急流向低空的快速扩展对应着短时强降水的开始。可以用于强降水的短时临近预报。(3)Q矢量散度负值的强弱对于未来6 h的雨强大小有较好的指示意义。(4)淄博西河镇出现全省最大降雨量与其朝向东北的喇叭口地形和对流层低层东北风倒灌有关。(5)TBB场能较直观地反映强降水过程中降水的分布和强度。风廓线雷达超低空风场的变化对雨强大小和出现最大雨强的时段有着明显的指示意义。

基于激光雷达数据的首都机场风场模拟

低空风效应是指在特定的风况条件下,机场建筑物或其他位于跑道附近的人工结构对气流造成显著扰动的现象,该效应易引起湍流甚至是出现风切变,进而给飞机的升降过程带来困难。采用计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)方法对首都机场进行风场模拟,并基于CFD在输入风速设置上的局限性,提出一种将高精度、高分辨率的激光雷达测风数据导入CFD的方法,来研究这些地物对首都机场风速的影响.通过对模拟结果的分析,在风速为11~15 m/s的西北风条件下的东跑道以及在同等风速的东南风条件下的西跑道与中间跑道均受到较大影响。

华北东部强降水天气低层风场分型及降水落区

利用 1 992～ 2 0 0 1年 1～ 1 2月数值预报、天气图、卫星云图、渤海 4个测站及本区域 4个测站自记雨量、风向、风速等同步资料 ,对秦皇岛市出现的 1 8次暴雨、8次大雪天气过程进行综合对比分析 ,探讨了海区风向变化对降水落区的影响。通过 2 0 0 2～ 2 0 0 3年试报Ts值为 53%。