三万英尺的魅惑

"你在天空飞翔,我在地面游荡,看似两个地方,其实都是一样。"齐秦的歌里唱的也许是爱情,也许是苍凉,谁知道呢。天空和地面的对比倒是让人有了不少的遐想,飞机在苍穹的翱翔,汽车在旷野的驰骋,表面看来不相关的两者,其实,还不都是"自由",这无限美好又令人热切向往的两个字?

高光谱大气红外探测器AIRS资料云检测及晴空通道应用技术初步研究

目前GRAPES-3DVar(全球\区域同化预报系统)使用的AIRS云检测方案只能够检测出完全晴空时的视场资料,对于受到云污染的视场,所有通道资料全部被剔除。研究表明有云视场当中的云顶以上资料对数值预报的影响更加重要,研究也更加有意义。因此,文章借鉴McNally和Watts云检测方案,结合GRAPES-3DVar系统和仪器特征,建立了一种适合于GRAPES-3DVar模式的晴空通道检测方案。该方案不但可以检测出完全晴空的视场资料,同时也可以检测出有云视场当中不受云影响的云顶以上通道资料;另外,还可以求出云顶高度,判断出高、中和低云。然后,将AIRS观测资料分别用晴空视场检测方案和晴空通道检测方案进行云检测,从结果分析看,晴空视场检测方案可以检测出的晴空资料占总资料的9.14%,而晴空通道检测方案检测出的晴空资料达到了34.86%,是传统云检测方案的3.8倍,大大增加了资料的使用度。

晴空回波在强对流天气临近预报中的应用

该文介绍了利用多普勒天气雷达资料判断环境风场辐合、辐散的两种方法:径向速度图像特征定性识别法和EVAD技术定量计算法,并结合2009年8月两次强对流天气过程详细介绍了两种方法的具体应用。统计分析了2005-2008年5-9月晴空回波特征以及不同高度散度和对流出现时间的关系,晴空回波出现在距离雷达中心50km范围之内,反射率因子多在10～20dBZ,径向速度大部分为-5～5m/s;强对流天气出现之前,对流层低层均会出现辐合,可以利用低层连续5个体扫出现辐合作为环境场具有辐合条件的指标。根据统计结果建立了强对流天气临近预警系统,该系统在2009年6-8月试运行,预警命中率为88.9%,虚警率为29.8%,临界成功指数为64.5%,辐合提前对流天气出现时间平均为7.1h,对降低强对流天气漏报率,提高强对流天气的临近预报水平有重要意义。

华北地区晴空颠簸的分类特征及分析

以2005—2008年发生在北京飞行管制区范围内的18例晴空颠簸为样本,在普查颠簸发生时天气形势的基础上,对造成华北地区晴空颠簸的天气形势进行分类,分为高空急流型、高空槽线型、切变线型和高空脊型。并结合卫星云图,归纳总结了每类晴空颠簸的特点和预报着眼点。通过对2006年1月2日发生在华北地区的一次飞机颠簸过程进行诊断分析,结果表明:在高空急流区边缘风切变较大及与高空急流相联系的等温线密集区边缘温度梯度较大的区域易产生颠簸。飞机颠簸的发生,是温度平流通过在高空急流附近的等温线密集区边缘所激发出的垂直运动引起。

基于MODTRAN模式与卫星资料的晴空净太阳辐射模拟

探讨了中分辨率大气辐射传输模式MODTRAN4.0与卫星资料同化在模拟净太阳辐射中的应用,并利用CERES卫星资料作为MODTRAN模式输入参数,对2005年北京上甸子进行了晴空下的地表净太阳辐射模拟与比较。结果表明:利用MODTRAN4.0模式和CERES卫星资料可以较为精确地模拟晴空天气下的净太阳辐射,平均绝对误差为25.74 W/m2,平均相对误差为4.98%。此外,对净太阳辐射的影响因子的研究表明:太阳天顶角、反照率、水汽含量、大气光学厚度与臭氧浓度等因子与净太阳辐射均呈负相关关系,且太阳天顶角与反照率影响较大,其余因子影响较小。

南京地区大气边界层晴空回波研究

以2005年6月23日南京多普勒雷达探测的晴空回波演变为例,分析了回波反射率与径向速度从夜间至上午的演变规律,利用实际的气象观测资料,对比了折射指数、地面温度、露点温度、水汽压和气压与回波强度的相关性,进一步探讨了边界层晴空回波与湍流混合特性之间的关系。研究表明:夜间大气的温、压、湿梯度使湍流出现,但湍流未充分混合使梯度维持,并导致折射指数的梯度增加,出现晴空回波;白天升温后湍流的增强使近地层大气充分混合,温、压、湿梯度减弱导致折射指数梯度减小,回波减弱消失。

提高多普勒天气雷达晴空探测能力的一种方法

该文通过对晴空大气返回信号特性的分析 ,提出采用相干累积技术 ,有可能提高多普勒天气雷达探测晴空大气的能力 ,具体测算了提高探测能力的限度 ,并对雷达信号处理器适应晴空探测进行了改进设计 .

新一代天气雷达谱宽资料分析晴空回波特征的探讨

根据广州强对流天气发生前新一代天气雷达(CINRAD/SA)观测的晴空回波谱宽资料,经过数据质量控制和预处理,估算了不同高度的湍流耗散率,发现这次强对流天气过程发生前,低层的湍流耗散率明显增强,揭示了这次强对流天气过程的前兆特征。

东亚地区晴空湍流未来变化趋势预估:基于CORDEX-WRF模式降尺度

利用耦合模式比较计划(CMIP5)的全球环流模式CNRM-CM5、GFDL-ESM2M、EC-EARTH和MPI-ESM-LR分别驱动区域气候模式(RCM)WRF,在国际间区域气候降尺度试验(CORDEX)框架下对东亚地区当代和RCP 8.5情景下未来气候进行高分辨率模拟.通过计算21个晴空湍流指数研究了东亚地区2041—2060年三个高度层上(200 hPa、250 hPa和300 hPa)五种强度湍流(轻度、轻-中度、中度、中-重度和重度)的季节变化特征.首先检验RCM对1981—2000年气候的模拟能力,结果显示,模式能够较好再现东亚地区高空变量气候平均态空间分布特征,同时对晴空湍流指数分布特征亦具有较好模拟能力.晴空湍流未来变化趋势预估结果显示,东亚地区所有季节中均存在湍流强度越强、湍流频率增幅越大的特征.各强度湍流增幅冬季最大,其次为春季和秋季,夏季最小.从不同高度对比来看,200 hPa和250 hPa各强度湍流增幅普遍大于300 hPa,且在夏季和秋季增幅随高度降低而减小,春季和冬季则250 hPa上增幅最大,300 hPa上增幅最小.就中国不同子区域而言,纬度越高的区域湍流频率增幅越大,且北方地区各高度上还存在增幅“东高西低”的分布特征,南方地区则在250 hPa和300 hPa上为“西高东低”分布特征.未来东亚中纬度地区垂直风切变作用增强可能是引起晴空湍流增多的重要原因之一.

南海周边海域越洋航线晴空颠簸的数值预报研究

采用WRF v3模式,利用AMDAR资料与NCEP再分析资料,对2007年发生于南海周边海域的高空越洋航线上,110个中度以上晴空颠簸事例与196个无颠簸事例进行数值模拟。选取布朗指数、水平风切变指数等6个晴空颠簸诊断指数,通过计算各指数的有颠簸诊断准确率、无颠簸诊断准确率、TS评分、ETS评分等指标,研究指数及其阈值的适用性。研究表明:(1)布朗指数是诊断南海周边海域越洋航线上的晴空颠簸的最佳指数,并在取"3.2×10-5"为阈值时诊断效果最佳。(2)南海周边海域的越洋航线上的晴空颠簸对于诊断指数阈值的选取十分敏感,在晴空颠簸的数值预报中,在合理选择指数的基础之上,应当认真研究设定指数的阈值。

由卫星资料估算晴空大气太阳直接辐射和散射辐射

根据光的多次散射理论 ,对水汽、气溶胶、臭氧、混合气体等实行辐射参数化处理 ;利用中国探空站资料和诺阿 ( NOAA)气象卫星垂直业务探测器 ( TOVS)资料反演的探空资料 ,由离散纵标法计算了大气各高度上的太阳直接辐射和散射辐射 ,并与此同时的和同站点位置的卫星可见光、红外测值进行统计回归拟合 ,建立卫星测值与大气中太阳直接辐射和散射辐射的计算模式 ,据此可以利用卫星资料估算太阳直接辐射和太阳散射辐射 ,这对于大气环境光学特性和大气环流、气候变化的研究有重要意义。

一次南海高空晴空颠簸事件的形成机制研究

采用WRF模式及其三维变分同化系统,对一次发生于南海高空越洋航线上的晴空颠簸(CAT)事件开展同化AMDAR资料的高分辨率数值模拟研究,探讨副热带高空急流与本次CAT的发生关系。通过对飞机航线上CAT发生时刻附近水平和垂直风场、气压场、温度场的模拟与分析,得出以下结论:(1)此次南海高空越洋航线上的CAT位置及周边区域存在明显的大气重力波活动;(2)影响此次CAT的大气重力波主要来源于副热带高空急流及非地转平衡;(3)急流区以及非地转平衡激发的大气重力波经过水平传播或垂直传播,通过扰动局地大气环境达到Kelvin-Helmholtz不稳定和急流南侧反气旋气流的惯性不稳定的两种机制使波形破碎,从而形成CAT。

多普勒雷达晴空回波识别与应用

在现有多普勒天气雷达资料质量控制基础上,采用徐州雷达站2009年4月和9月雷达资料,统计并对比几种常见的降水回波与非降水回波特性,找出一种有效地识别晴空回波的方法。该方法在不同径向距离区间(小于25km及25～200km)采用不同的识别参数,能够较好地将非降水回波中对临近预报有用的晴空回波信息保留,而将其他非降水回波信息(地物回波、超折射回波等)剔除。依据该方法识别的晴空回波区域所对应Doppler速度可用于判别大气平流状况,从而为预报工作提供帮助。

基于ASHRAE晴空模型的日照作用下钢构件的温度场分析

分析钢结构温度效应和确定施工合拢温度关键在于确定温度场的分布。在日照下,由于钢构件的温度场分布非常复杂和不均匀,而难以确定。基于ASHRAE晴空模型,采用ANSYS的APDL语言对箱型钢构件在夏至日日间的温度场进行了数值模拟,模拟中考虑了太阳辐射强度、对流换热系数、构件表面太阳辐射吸收系数等对构件温度场的影响。结果表明:夏至日构件最高温度高达78.411℃,最大升温高达44.803℃;太阳辐射强度、对流换热系数和构件表面太阳辐射吸收系数对日照下的箱型钢构件温度场的影响起主导作用。

理查逊数和晴空颠簸的关系

对切变气流中重力内波的稳定性进行了数值计算，结果表明，判别晴空颠簸是否发生的临界Ri数随波长、层结稳定度和基本气流切变强度的不同而有所变化，预报业务中用Ri＜0．25作为预报晴空颠簸的指标易出现空报。

面向“红外云图晴空区导风”的FY-2E红外通道亮温度敏感性分析

利用MODTRAN辐射传输模式,结合FY-2E星载辐射计红外分裂窗通道的光谱响应特征,计算了中纬度的夏、冬季晴空大气情况下,卫星观测亮温度对大气水汽及气溶胶的敏感性。在模拟条件下,计算星载辐射计红外通道温度灵敏度(0.2 K)对应的大气水汽及气溶胶含量变化的临界值分别为0.42 g/cm2和0.25。以此为参照值,利用FY-2E晴空大气可降水量产品及MODIS大气气溶胶产品实际数据,分析了在导风模块常用尺度(80 km×80 km)内大气水汽、气溶胶含量的变化引起FY-2E星载辐射计红外分裂窗通道观测亮温度差异超过星载辐射计红外通道的温度灵敏度的可能性,结果表明实际大气存在满足上述临界值条件的情况。研究结果为把晴空大气水汽、气溶胶作为卫星红外云图上的晴空区导风示踪物,提供了理论和实际依据。

基于每时晴空指数的大规模光伏电站出力多维时间序列模拟

建立准确的光伏出力时间序列模型,对含大规模光伏的电力系统规划运行研究有着重要意义。提出一种基于每时晴空指数序列的多维光伏出力序列生成方法,并考虑电站间光伏出力空间关联特征进行大规模电站光伏出力模拟。首先,计算每时晴空指数序列,采用分段函数对日出、日落时段光伏理论出力进行序列平稳化,并将平稳化每时晴空指数序列作为输入进行向量自回归(vector auto-regressive,VAR)建模。其次,通过多步聚类算法对两种空间尺度进行大规模光伏电站空间最优分群,筛选出典型电站和变动电站分别进行多维光伏出力序列模拟,得到大规模光伏模拟时间序列。最后利用宁夏回族自治区内大规模集中式光伏电站的出力实测数据进行仿真测试。结果表明,与传统方法相比,该方法生成的大规模电站多维光伏出力序列更好地继承原始序列的统计特性、概率分布及自相关特性,较好地还原光伏出力波动特性,模拟精度提高了28.06%,验证了所提方法的有效性。

晴空湍流在强天气过程临近预报中的应用研究

为研究强对流天气发生前的先兆信息,利用多普勒天气雷达的径向风场与谱宽数据对大气的湍能耗散率进行了反演。通过对2009年6月3日南京一次强雷暴过程和2009年6月14日南京一次飑线过程的研究发现,天气过程发生前湍能耗散率随时间的变化,可以用来判断湍流运动的剧烈程度。强对流天气发生前往往会有晴空回波的出现;并且湍流运动较正常情况下剧烈。反演得到的边界层湍能耗散率可以用来识别较强的湍流运动。通过两次典型的强天气过程的对比分析还发现,湍流在降水过程发生前2～3 h,会有趋势变化的拐点出现;并且是一个持续的加强阶段。当趋势特征出现后,且湍能耗散率最大量级达到3 000 cm2·s-3以上时,可认为即将有强对流的天气过程出现。根据湍能耗散率的变化可以获得强对流天气出现的先兆信息,这对提高强对流天气的预报水平具有重要意义。

晴空环境下的地基面天线多场耦合分析及试验

大口径高频段的地基面天线在晴空环境下的热变形对电性能影响明显。针对这一问题,首先建立晴空环境的温度场分析模型,利用ANSYS软件分析得到面天线温度场并计算结构变形;其次利用某7.3m卡式天线设计了温度试验,结果表明温度场分析模型是有效的;再次根据天线远区的电场公式计算电性能,结合温度场和结构位移场的公式建立了地基面天线的多场耦合模型;最后将该耦合模型应用于实际工程的某40m地基面天线,得到的分析结果有实际指导意义。

近10年晴空湍流的研究进展

晴空湍流是威胁航空安全的一种极端危险性天气,因其不伴有明显的天气现象,机载雷达难以探测,故对飞行安全威胁巨大,因此对于晴空湍流的形成机制与预警预报的研究十分重要。从晴空湍流的形成机制、晴空湍流的观测手段和晴空湍流的预报方法3个方面,对近十年国内外有关研究进行归纳和综述。重点引述了惯性重力波在晴空湍流形成中的重要作用、多种新型观测手段为晴空湍流研究提供宝贵的实况资料、基于湍流指数集成算法的晴空湍流数值预报等重要进展。本文对晴空湍流未来的研究趋势进行展望。