基于多源观测资料的雄安一次雾转暴雪的过程分析

利用多源高时空分辨率观测资料对2021年11月6—7日河北雄安新区一次雾转暴雪天气过程进行深入分析.结果表明:(1)微波辐射计观测特征:整个过程大气层湿度深厚,雨转雨夹雪再转雪阶段,3~6 km大气层相对湿度逐渐增大至80%以上;雾转雪过程中大气层温度明显下降,雾转雨100 m以下大气层温度下降4~5℃;雨转雨夹雪1~6 km大气层温度明显降低2~3℃;100 m以下大气层温度低于0℃时,预示着雨夹雪转雪.(2)毫米波云雷达观测特征:大雾阶段反射率因子强度较弱为-16.0~0.3 dBz,雾滴下降速度基本为0 m/s;雨转雨夹雪2 km以下大气层反射率因子强度增强至33~45 d Bz,径向速度明显增大至-6.9~-4.2 m/s;雨夹雪转雪云顶升高1~2 km,3 km以下大气层最强反射率因子减弱6~12 dBz,径向速度减弱约3 m/s.(3)雨滴谱观测特征:雨转雨夹雪时降水粒子直径增大,最大为4.5 mm,下降速度1~7 m/s;雨夹雪转雪时直径1.5~5.0 mm的降水粒子数量增多,但下降速度明显减小至0.5~3.0 m/s.(4)此次雾转暴雪过程,3种产品对雾、雨,雪相态转换和持续过程均有较好反映,其中毫米波云雷达产品的宏观、微观及云物理特征对临近预报预警有明显参考价值.

多源观测资料在冰雹监测预警中的应用

利用常规观测、气象卫星、双偏振雷达、风廓线雷达、地基GPS水汽等资料对2020年6月25日河北中部一次特大冰雹天气过程进行分析,探讨多源观测资料在冰雹监测预警中的应用。结果表明:受华北冷涡的影响,上冷下暖的不稳定层结为强对流的发生提供了有利的环流背景。在地面辐合线与地形抬升的作用下,强对流云团迅速生成并发展。超长生命史的超级单体风暴导致了本次大面积降雹,风暴中的冰雹粒子与其他相态粒子的双偏振特征具有明显的区别,因此可以通过双偏振雷达识别冰雹粒子。多源观测资料的定量化融合分析能提供更加精确的数据信息,从而为冰雹天气的监测预警提供更多的参考价值。

基于多源观测技术的海堤变形监测方法研究

海堤是沿海地区抵御潮水、防御台风的重要基础设施,海堤变形监测对于维护海堤安全至关重要。随着技术的进步,海堤变形监测技术在自动化、精细化及实时化的方向上,还有发展的空间,本文针对目前海堤变形监测技术手段,从空间、地面和水下三个方面入手,简述各技术手段的特性及其在海堤监测中的应用,客观分析各技术手段的特点、优势和不足;在对海堤监测技术手段综合比较的基础上,提出了建立空间、地面和水下一体化的海堤变形监测系统的建议。

多源观测在水文数据同化中的应用

为理解观测信息对水文数据同化性能的作用,建立了基于分布式水文模型SWAT的集合卡尔曼滤波(EnKF)算法,通过虚拟实验讨论径流、土壤水、地下水位等观测的影响。研究结果表明:当以流域出口点的径流为唯一观测时,可以较为准确地估计径流和参数CN_2,但对深层土壤水估计效果有限;浅层含水量观测可以用于估计暴雨径流,但模拟垂向水分运动时会产生偏差,不能改善整个径流过程估计;由于地下水位的变化可以在一定程度上反映土壤的垂向运动信息,补充地下水位观测可以提高土壤水的估计效果。因此,采用多源观测能更为精确地模拟径流和土壤水分状态,可以考虑使用成本低、易获取的地下水观测来反映深层土壤水的变化情况。

多源观测资料在盘锦地区一次对流天气中的应用

利用卫星、风廓线雷达、地波雷达、GPS水汽以及地面加密自动气象站等资料分析了2019年8月2—3日在盘锦地区出现的对流天气过程的天气特征。结果表明,此次暴雨为典型的副高后部对流性暴雨,500 hPa高空槽与副高西北部之前强位势梯度使得低空急流稳定维持,槽前正涡度平流的辐散作用使得低层减压及低空急流中的切变涡度扰动是低空低涡形成的重要机制,在地面有β-中尺度低压发展,强降水主要出现在低涡的前侧、地面倒槽顶部斜压性最强的地区。风廓线雷达对对流开始及结束时间有着较好指示意义,地波雷达很好地反映了地面中尺度环流的演变过程,GPS水汽的强烈变化与强对流时段有很好的相关性。卫星显示在急流轴附近不断有MCC生成并沿着副高外围向东北方向移动,表现出一定的“列车效应”机制。

基于多源融合资料分析北京一次超强城市热岛三维结构特征

城市热岛效应是人类活动对大气系统影响的最主要体现之一。本文利用(Space and Time Multiscale Analysis System,STMAS)时空多尺度分析系统,融合了地面自动站、雷达、卫星等多源高时空分辨率观测资料,建立了城市热岛三维数据集。并在此基础上统计了2021年北京夏季的城市热岛强度变化特征,选取其中一次超强城市热岛个例(2021年6月11—12日)详细分析了其三维精细化结构特征。结果表明:(1)本个例中,夜间郊区近地面迅速降温,形成逆温层;而城市近地面降温缓慢,使得近地面城郊温差不断增大。(2)本次超强城市热岛三维温度场暖心结构在地面和990 hPa以下低空等压面清晰可见,风场距平呈现气旋性环流特征并在低空从郊区向城区辐合,引起可到达中高空的上升运动,说明城市热岛效应有增强垂直环流的作用。

基于多源数据融合的综合气象观测产品系统设计与应用

随着气象现代化的推进,气象预报对雷达与多源观测数据的融合检验与应用提出了新的要求。针对业务需求,基于反向代理、分布式数据库、大数据统计分析、三维展示等技术,设计开发了集产品生成、应用和管理于一体的综合气象观测产品系统。系统基于雷达组网产品与多源数据,开发了冰雹、降水、风场等产品,实现了以要素为导向的多源数据集成、检验和分析,为气象预报与强天气监测提供精准分析;系统采用关系型与文件型数据库混合搭建的技术,解决了多种类格式数据存储问题,分布式设计增加了系统的存储、计算和处理能力。基于雷达拼图数据的三维可视化展示,提升了预报预测分析的“可视化”水平。对系统监测到的83个冰雹个例应用检验结果表明,冰雹识别探测概率(POD)为95.2%,虚警率(FAR)为28.2%,临界成功指数(CSI)为69.3%;最大预期冰雹尺寸(MEHS)越大,CSI识别效果越好,系统对直径30 mm以上的冰雹识别效果较理想。将系统监测的2018年5月28日蓬莱、莱州等地和2019年5月17日北京通州、大兴等地发生的冰雹过程与灾情直报系统的冰雹实况对比发现,系统监测的强冰雹落区和最大冰雹尺寸与实况基本吻合,系统的冰雹监测产品的应用检验效果较好。

安徽省燃气炮人工增雨作业效果综合评估

选取2021—2023年安徽省81次燃气炮作业的双偏振天气雷达、雨量计等多源观测数据,综合评估燃气炮作业增雨效果并分析可能机理。结果显示:在降水开始前作业个例增雨效果较好,并伴有水平反射率因子Z_(H)、差分反射率Z_(DR)的增加和共极化相关系数ρ_(hv)的减少;降水开始后作业增雨效果欠佳。使用携带暖云催化剂的燃气炮作业后云体变化主要在零度层以下,且维持时间较短;使用携带冷云催化剂的燃气炮作业后暖云区和冷云区均有明显变化,且作业影响持续时间更长。燃气炮作业过程中雷达速度谱宽增大,可能是作业引起气流涡旋的增加所导致。统计结果显示:增雨的显著性与作业时长呈负相关,作业时长与Z_(DR)增量呈负相关,过量播撒会导致减雨;增雨的显著性与作业前影响区雨量呈负相关;增雨量与Z_(H)、中低层风速、风切变呈正相关,与高层风速呈负相关。

冷涡影响下杭州湾一次区域性极端大风的演变和机制分析

利用常规气象探空观测、地面自动气象站逐分钟观测、风廓线雷达以及多普勒天气雷达等多源观测资料,分析了2021年4月30日傍晚到夜间浙江北部和杭州湾沿海地区一次区域性极端大风的天气特征,重点探讨了对流系统移入杭州湾后的中尺度演变特征和大风增强的原因。结果表明,此次过程是典型的多尺度相互作用的结果,在高空深厚的东北冷涡影响下,配合中层西北急流和较强的地面暖低压促使飑线后部对流系统发展,形成雷暴大风天气。对流单体在经过杭州湾水系后明显增强,其阵风锋前侧有西南暖湿入流,后部冷池发展强盛,气压涌升,叠加地面环境风场和杭州湾水面的热动力条件,从而触发不稳定能量促使单体发展。系统经过杭州湾后辐散下沉出流明显增强,将中高层的动量更快地下传至地面,对于杭州湾南部风力增强效应显著。杭州湾光滑下垫面、喇叭口等特殊地形也是造成极端大风出现的原因之一。同时,逐分钟变温相比于极大风出现时间提前了约7~10 min,对于局地极端大风监测预警有一定的指示意义。

复合源电磁测深法的实现和解释方法研究

论述了复合源的类型、接收电磁信号探头的类型 ,列出了垂直、水平磁偶极子源和水平电偶极子源激发情况下电磁场的解。提出频率域复合源的几种组合方式。重点对多源多分量法响应函数的数学物理特性作了研究 ,同时分析了复合源电磁测深法的技术特点。探讨了多源多分量观测情况下 。

基于InSAR技术的滑坡灾害监测

分析InSAR技术监测滑坡灾害存在的技术难点,提出采用L波段的高分辨率PALSAR雷达数据,基于雷达干涉测量技术及多源观测数据,对滑坡地质灾害进行综合监测。以北京房山区史家营滑坡为实验区,选取2008—2010年7景ALOS PALSAR雷达数据,通过分析时空基线构建4个干涉对,分别获取了不同时段的滑坡分布及滑坡位移,并对滑坡位移及相干图进行分析。试验证明基于雷达干涉测量技术联合多源观测数据是进行滑坡地质灾害定量监测的最有效的手段之一。

登陆台风影响下离地300m高度内的强风特征

利用台风山竹(1822)和利奇马(1909)登陆期间固定式风廓线雷达、WindCubeV2激光雷达和测风塔的梯度观测数据,结合台风山竹(1822)登陆前后精细化风场模拟资料,分析了登陆台风不同影响象限内,离地300 m高度内的强风参数及其随距离、海拔高度及下垫面的变化特征。结果表明:(1)距离台风中心200 km水平范围内,最大风速所在高度及风切变指数沿台风半径向外增加,且陆地强风切变指数普遍高于0.12,而海洋下垫面拖曳作用弱,风切变较小,仅在岛屿群附近存在超出国标设计阈值的高切变区域。(2)台风移动方向的右前象限内强风切变指数稳定维持在0.17左右,且对海拔高度不敏感,左后象限存在类似于急流的风廓线,而左前象限内强风的垂直变化在空间上具有较强的非线性特征,边界层低层强风结构较复杂。(3)阵风因子和湍流强度随平均风速增大、离地高度升高呈现减小趋势。(4)过程最大风向变差角沿台风半径向外减小,且在空间上具有显著的非对称性,其中右后象限的风向变差角最大,半小时风向变化超过30°,且大多发生在台风登陆前或登陆时。研究成果可为我国近海及沿海风电场的微尺度风场模拟及台风风险防御提供帮助。

气象雷达组网产品生成业务系统的设计与实现

针对气象预报业务对雷达组网产品及综合观测产品的需求,系统采用Java语言,基于反向代理、分布式数据库、三维可视化展示等技术,设计开发了集多源数据产品生成、应用和管理于一体的气象雷达组网产品生成业务系统。系统涵盖了观测数据及产品展示、数据分析、雷达三维剖面分析、监测告警、用户定制等应用服务,开发了冰雹监测产品、多源融合降水产品、多源组合风场产品和台风定位产品。为气象观测和强天气监测提供精准分析,提高强天气监测产品的制作能力,为预报和服务提供高分辨率精细化产品。

多源卫星观测的全球海洋次表层温度异常信息提取

基于表层卫星遥感观测的中深层海洋遥感对于了解海洋内部异常及其动力过程有重要意义。如何从现有的海洋表层遥感观测资料提取海洋内部关键动力环境信息场是具有挑战性的海洋遥感技术前沿。本文采用支持向量回归(SVR)方法,通过卫星遥感观测获取的多源海表参量(海表高度异常(SSHA)、海表温度异常(SSTA)、海表盐度异常(SSSA)和海表风场异常(SSWA)),选择最优参量输入组合,感知海洋次表层温度异常(STA),并用实测Argo数据作精度验证。结果表明SVR模型可准确估算全球尺度的STA(1000 m深度以浅);当SVR输入变量为2个(SSHA、SSTA)、3个(SSHA、SSTA、SSSA)、4个(SSHA、SSTA、SSSA、SSWA)时对应的平均均方差(MSE)分别为0.0090、0.0086、0.0087,平均决定系数(R2)分别为0.443、0.457、0.485。因此,除了SSHA和SSTA外,SSSA与SSWA的输入对SVR模型的估算有积极影响,有助于提高STA的估算精度。在全球增暖与减缓背景下,该研究可为从表层卫星遥感观测提取海洋内部热力异常信息研究提供重要技术支持,有利于拓展卫星对海观测范围。

东北地区一次暴雨天气过程诊断分析

本文利用风云卫星、高空及地面观测资料,分析2018年7月16—17日在东北地区出现的一次暴雨过程的天气特征。结果表明:(1)此次暴雨为经典的副高后部型暴雨,500 hPa高空槽与副高北部间强位势梯度导致低层低空急流加强并稳定维持,槽前正涡度平流导致的偏差风辐散使低层减压,配合低空急流中的切变涡度形成低空低涡,强降水主要出现在低涡的前侧、暖切变南侧;(2)200 hPa高空急流辐散区,地面中尺度低压和地面辐合线,配合地形辐合抬升作用为暴雨增幅提供有利条件;(3)模式降水预报偏小,可能与模式对副热带高压预报偏弱,以及850 hPa风场风速预报偏弱有较为密切的关系,同时模式对复杂地形的刻画能力不足,也是导致降水预报误差的原因。

高原涡与西南涡相互作用引发暴雨过程及云系特征分析

使用中国新一代FY-4A卫星、GPM卫星的降水雷达等多源观测数据,选择两次高原涡与西南涡相互作用的暴雨个例,分析了两涡作用下盆地中尺度降水云系的空间结构特征。结果表明:西南涡与高原涡耦合作用下产生中尺度对流复合体MCC云系,短时强降水主要发生在MCC发展至成熟阶段,强降水区的云顶亮温值低于−60℃,云顶高度在12 km左右;西南涡与高原涡相互作用时,云顶亮温低值区的中心位置和强度与同时刻强降水特征很好对应;降水云体中对流性降水粒子的反射率因子在低层快速增长,层云性降水粒子的反射率因子强度增长的区域为零度亮带层附近;对流性降水雨强远大于层云,其粒子半径也大于层云降水,而对流性降水粒子的浓度高于或等于后者;层云对总降水量的贡献大于对流云,且层云降水量表现出大小均匀的粒子积聚的结果;对流性降水率垂直分布柱状明显且有云墙,层云性降水率垂直分布呈不规则柱状且没有显著的云墙,降水率均随海拔高度的升高而减小,5 km以下对流层对总降水量的贡献最大。

热带北大西洋海温变率对中东沙尘活动的影响

中东作为世界第二大沙尘源区,其沙尘排放量占全球总量逾10%^([1]),尤其在夏季达到峰值^([2]).中东排放的沙尘颗粒通过大气的传输进一步影响从北美到南亚的众多人口稠密地区,对交通、健康、农业和环境等多方面产生不利影响^([3,4]).因此,了解中东沙尘活动的变率和调控机制具有重要的意义.中东地区沙尘活动存在多尺度变率.特别是,多源观测数据表明.

森林结构和功能性状精准监测及其对全球变化的响应机制研究

我国森林生态系统正面临着全球气候变化和人类活动等多重威胁,其结构与功能性状是反映森林生态系统碳固存等功能与状况的关键要素。受观测手段的限制,森林结构和功能性状调控森林生态系统碳循环过程对全球变化的响应与适应机制仍不清晰,影响全球变化下我国森林生态系统固碳能力预测的精度。针对上述科学问题,通过遥感观测系统研发、野外联网观测、数据采集分析、模型构建与情景模拟,在建立森林结构和功能性状数据集、解析其耦合机制对森林生产力调控作用的基础上,优化生态系统模型、预测未来气候变化情境下我国典型森林生态系统的固碳能力。研究结果既能够为我国森林生态系统联网监测与研究提供技术支撑,也能够为制定固碳减排政策提供科学依据。