GNSS PWV典型季风气候特征奇异谱分析

为了进一步研究利用全球卫星导航系统(GNSS)大气可降水量(PWV)分析不同气候类型特征,进行GNSS PWV典型季风气候特征奇异谱分析:选取中国中东部地区2016—2021年部分连续运行参考站(CORS)数据,提出将全球气压和温度(GPT(GPT3_1、GPT3_5))模型、欧洲中期天气预报中心第五代大气再分析数据集(ERA5)模型3种大气模型分别与GNSS解算的对流层总延迟(ZTD)数据融合获取的PWV值进行对比分析,得出中国3种典型季风气候类型GNSS PWV最优大气模型;然后提出利用奇异谱分析(SSA)法分解重构出GNSS PWV时间序列,从而基于GNSS PWV分析不同季风气候类型特征。结果表明,中国3种典型季风气候类型条件下ERA5模型精度较优,选择ERA5模型为最优大气模型,重构后的GNSS PWV变化趋势能够很好地反映出3种典型季风气候类型的特征;因此GNSS PWV可应用于气候特征分析。

顾及周期性变化的大气加权平均温度模型构建

针对大气加权平均温度(T_(m))是地基全球卫星导航系统(GNSS)水汽反演过程中的一个中间变量,其精度会影响地基GNSS水汽反演精度,同时T_(m)表现出较强的地域性差异的现状,研究建立地区的T_(m)模型:利用兰州市榆中探空站气象数据和欧洲中期天气预报中心第五代大气再分析数据集(ERA5)分别建立单因子、顾及年周期变化、顾及年和半年周期变化的T_(m)模型;并对2种气象数据所建的3类模型进行显著性检验和精度验证。结果表明:模型均能通过显著性水平为0.05的显著性检验,同时顾及周期性变化模型的预测值的均方根误差和平均绝对误差均小于贝维斯(Bevis)模型和单因子模型;利用顾及周期变化的模型预测的T_(m)偏差中大于5 K和大于10 K的值占比明显减小且预测残差的周期趋势明显减弱,具有零均值的正态分布特性,仅表现出误差的随机性。总体而言,ERA5气象数据所建模型预测精度高于探空站气象数据所建模型;用ERA5气象数据建立的顾及周期性变化的T_(m)模型可用于兰州市GNSS大气水汽反演。

中国近海大气波导的时空特征分析

利用2006～2007年高时空分辨率的NCEP-FNL大气再分析数据与气象观测数据，详细统计分析了中国近海大气波导的时空分布，给出了大气波导出现概率与其高度、厚度和强度等特征量的统计特征，并初步探讨了其成因。统计结果揭示：中国近海大气波导出现概率及波导类型的变化与东亚季风活动紧密关联，季风是其气候学成因；夏季时渤海、黄海、东海沿岸海域大气波导明显增多；台湾海峡与台湾东南毗邻海域常年是波导发生最频繁的海区。研究表明：借助中尺度大气数值模拟可以更细致地研究与预测中国近海大气波导的时空分布特征。

基于装置得分的北太平洋波浪能资源评估

针对波浪能发电量取决于当地波浪特征和波浪能发电装置,而传统单一的波能流密度评估法则只考虑了地区波浪特性,未结合装置加以分析,评估结果偏向理论的问题,本文利用欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)提供的第五代大气再分析数据集(ECMWF Reanalysis v5, ERA5)中的再分析波浪数据,通过装置得分的波浪能评估方法对北太平洋区域1979—2020年波浪能的空间分布进行了分析。结果表明:在本研究所涉及的地区中,纬度较高的地区波能流密度大且装置得分高,本研究所用评估方法的结论同传统评估方法一致,但在中国南海和部分太平洋纬度较低的地区,发电装置有着较好的连续发电条件,发电效率较高。不同装置间的适配区域也有很大不同,AquaBuoy和Pelamis装置的最佳适用区位于北太平洋纬度较高的地区,而Wave Dragon装置的最佳适用区范围更广,在150°E—160°W之间的纬度较低的地区也表现突出。对于中国南海海域,AquaBuoy装置的适配性最好,而北太平洋纬度较高的地区则最适合布置Pelamis装置,北太平洋纬度中游和较低区域最适合布置Wave Dragon装置。

一种中国区GNSS加权平均温度分层格网模型

为了进一步提升大气加权平均温度(T_(m))模型在地基全球卫星导航系统(GNSS)反演可降水量(PWV)中的精度,提出一种中国区GNSS加权平均温度模型:针对中国地势复杂多变,气候多样的环境特征,基于1990—2019年欧洲中期天气预报中心第五代大气再分析数据集(ERA5),综合考虑T_(m)的季节性变化及长期线性趋势,构建T_(m)的分层格网模型(CT_(m)S);然后以74个无线电探空站提供的2020年气象数据为参考,评估CT_(m)S的精度及可用性,并利用第三代全球T_(m)模型(GT_(m)-III)及全球气压温度(GPT3)模型进行对比验证。结果表明:CT_(m)S模型的均方根偏差(RMSE)均值为4.0 K,较GPT3及GT_(m)-III模型分别提升21.6%及8.0%,且在高海拔地区表现出明显的精度优势;CT_(m)S模型的PWV不确定度均值为0.32mm,相比于GPT3及GT_(m)-III模型分别减少16.6%及6.5%,且在中国西北地区表现出更优的精度及稳定性;提出的模型可为中国地区GNSS实时水汽监测提供参考。

基于网格化大气再分析气象资料的“一带一路”沿线合作国家暖通空调设计用室外计算参数集研究

“一带一路”沿线合作国家基础设施建设需求日益增加,越来越多的研究和工程在此背景下开展。气象参数作为暖通空调设计和工程建设的重要数据基础,室外计算参数资料如何获取是亟待解决的问题。本研究对目前“一带一路”沿线合作国家的气象资料的现状进行了综述,提出基于全球网格化大气再分析数据集生成室外计算参数资料的方法,并以欧洲中期天气预报中心的第五代再分析气象数据集(ERA5)为例,通过与地面台站观测数据的对比,对网格化大气再分析数据集作为逐时数据源生成暖通空调及建筑节能用气象参数的可用性进行讨论分析。对比结果表明,ERA5网格化大气再分析气象资料与地面台站观测数据资料有较好的一致性。另外本研究基于ERA5,采用目前我国现行暖通空调规范中室外空气计算参数的统计方法,统计得到“一带一路”沿线合作国家的室外计算参数集,为“一带一路”沿线合作国家基础设施建设相关研究及工程应用提供数据支持。

大气积分方法对GRACE大气去混频模型的影响

讨论利用表面压力积分方法以及3种不同大气垂直积分方法并结合去平滑球谐分析方法,计算出4种不同的GRACE大气去混频模型。从谱域、空域以及主成分分析来比较4种GRACE去混频模型的差距。结果表明:4种大气积分方法信号相近,但也存在较小的差距。用于现阶段时变重力场模型计算这些差距时影响可忽略,但是如果要达到GRACE模拟精度,以及下一代卫星重力场模型的精度,需要考虑大气积分方法间差距带来的影响。

主流海表风场资料在舟山群岛近海的性能评估

再分析风场资料已广泛应用于我国舟山群岛海域可再生能源评估、海洋灾害预防决策以及港口运维和船舶运输等涉海发展领域,然而不同业务机构所提供的再分析数据在舟山近海的性能表现不一,严重阻碍了此类数据的有效应用。基于2018年全年单点浮标观测资料,综合评价了舟山群岛近海面(10 m)风场的长期变化趋势,并利用误差分析和风玫瑰图等统计工具对6种主流海表风场再分析资料,包括:ECMWF第五代全球大气再分析数据(the 5th generation ECMWF atmospheric reanalysis,ERA5)、NECP第二版全球高分辨率再分析数据(climate forecast system version 2,CFSv2)、美国宇航局物理海洋学分布存档中心的多卫星融合资料(cross-calibrated multi-platform,CCMP)、日本55年再分析数据(Japanese 55-year reanalysis,JRA-55)、第二版现代研究与应用回顾性分析数据(modern-era retrospective analysis for research and applications version 2,MERRA-2)和ECMWF哥白尼大气监测服务再分析数据(the Copernicus Atmosphere Monitoring Service,CAMS)在时间变化特征上进行了对比与评估。研究表明:在综合性能方面,ERA5对风场的再现能力最优,其次为JRA-55;在要素可信度方面,ERA5对风速的再现情况相对较优,而CFSv2的风向再现情况较好;风场产品在不同季节的模拟能力有所差异;不同风场产品在不同风速区间的重构能力也有所不同;在全年风向分布方面,各再分析资料都存在显著的东向偏差。研究结果为不同应用场景下风场资料的选取提供评估依据,并为进一步开发适用于舟山群岛近海的高精度长周期风场数据产品奠定基础。