海洋气象观测系统在热带气旋资料同化中的应用

在分析南海海洋气象观测现状和发展规划的基础上,发现有必要发展合适的资料同化技术,提高资料利用效率,才能克服海洋气象资料相对缺乏来提升数值预报水平。利用多尺度/分块逐批资料同化技术,进行热带气旋资料同化试验。结果表明:多尺度/分块逐批资料同化技术能够适应具有多尺度特征的热带气旋资料同化,较好地满足热带气旋资料同化对流依赖背景误差协方差同化技术的要求,能够较合理高效地利用海洋气象观测资料。基于多尺度/分块逐批资料同化技术,加强海洋气象观测系统的应用,是形成高质量热带气旋初值环流的一种有效途径。

广州番禺地区草地陆气相互作用观测研究

介绍了2004年在广州番禺进行的陆气相互作用观测试验。观测研究表明：新型的超声风温仪虽然带有雨滴鲁防护沙网，但雨滴对超声观测的误差影响显著，尤其是对u，w方向。雨天情况下（δa/U＊）^3与z／L相关系数很低，湍流强度与稳定度不存在1／3次方关系。涡动相关法和能量平衡法计算的感热通量及潜热通量比较接近，感热、潜热通量相关系数分别达到0．8699和0．8633，两种方法带来的误差主要发生在近地层稳定度发生明显变化的时刻，即在午间热通量的峰值或傍晚或晚间热通量的低值，其中能量平衡法计算的感热、潜热普遍具有较大的正负峰值。涡动相关法计算的Qh＋Qe普遍偏小，与可用能量Rn-Qg多数情况下存在能量不平衡，说明了忽略热存储项的地表能量平衡方程的局限性。番禺夏、秋季近地层各能量具有与太阳辐射相似的日变化特征，但夏季的潜热大于感热，而秋季则相反。近地面二氧化碳从5—8月是一个减低过程，尔后上升到12月份浓度最高，总体浓度值在350×10^-6～400×10^-6之间变化。

中国南方暴雨野外试验中尺度气象分析场的建立及其质量评估

利用武汉暴雨研究所从美国引进的LAPS中尺度分析系统,将2008年和2009年5—7月中国南方暴雨野外科学试验(SCHeREX)中所采集的观测资料进行融合、同化,生成了华南、华中、江淮和长江三角洲4个观测区的空间分辨为5 km、时间分辨为3 h的SHCeREX中尺度气象分析场。文中从两方面对SCHeREX中尺度分析场的质量进行了评估分析。首先,根据野外试验期间在4个观测区出现的暴雨日,结合观测的雷达回波和卫星云图云顶亮温(TBB)资料与SCHeREX中尺度分析资料进行统计分析与比较,结果表明,SCHeREX中尺度分析资料对中尺度强对流系统具有很强的再现能力。同时,以探空观测资料为基准,分析计算了SCHeREX中尺度分析场的平均偏差、平均均方根误差及其随高度的分布,分析结果表明SCHeREX中尺度分析场的位势高度、温度、相对湿度、风向和风速的分析误差均在观测误差范围内,尤其是SCHeREX中尺度分析场700—925 hPa位势高度的平均分析误差为45 gpm,温度的平均分析误差为1.0-1.1℃,相对湿度的平均分析误差不超过20%,风速的平均误差为1.5—2.0m/s,风向为20°—25°。

广州高建筑物雷电观测与研究10年进展

作为中国气象局雷电野外科学试验基地(CMA_FEBLS)的重要组成部分,广州高建筑物雷电观测站(TOLOG)始建于2009年,迄今已积累数百次高建筑物雷电资料.对于雷电连接过程,高建筑物会起到"放大镜"的作用:TOLOG的观测在国际上首次发现了连接过程中负-正先导之间"头部-侧面"连接的现象,给出了先导连接行为的两种基本形态;揭示了负先导梯级发展过程的精细化结构,给出了下行先导和上行先导的二维/三维发展特征;估算了不同高度建筑物上雷电的闪击距离.高建筑物对雷电电磁场具有"放大器"的作用,且建筑物越高增强效应越显著.高建筑物是下行和上行闪电的"汇集点":对下行闪电的吸引作用可保护高建筑物附近的其他物体免遭雷击;正地闪的回击、延续电流和云内放电过程均可在高建筑物上触发负极性上行闪电.另外,高建筑物区域可作为闪电监测系统的"标校场",TOLOG的观测资料在地闪定位系统探测效率和定位精度的评估方面也得到了应用.

海洋性大陆地区季节内对流活动对中国东南地区冬季降水的影响

分析了海洋性大陆地区季节内对流活动对北半球冬季中国东南地区降水的影响。根据这些对流活动是否具有东传特征,进一步将它们分为连续东传的MJO(Madden-Julian Oscillation)对流事件和准静止的非MJO对流事件。结果表明,这两类季节内对流活动对中国降水的影响存在明显差异。MJO对流对中国降水影响的空间范围较大,并且降水在MJO东传过程中呈现连续南传特征;非MJO对流的影响范围较小,并且其影响的关键区域随时间由北向南跳变。当对流在海洋性大陆地区处于活跃(抑制)位相时,MJO对流会导致中国东南地区降水呈现南正北负(南负北正)的偶极型分布,而非MJO对流仅仅会导致广东和福建一带降水偏少(偏多)。当对流在海洋性大陆地区由抑制(活跃)位相向活跃(抑制)位相转换时,MJO对流会引起中国东南大部分地区降水偏多(偏少),非MJO对流则引起江西北部、福建西北和浙江西部一带降水偏少(偏多)。水汽通量诊断结果表明,两类对流事件影响中国降水都主要受到季节内尺度风场异常的调控。具体来说,季节内尺度上低层经向风的差异,进而导致其经向梯度对水汽的输送存在明显差异,最终导致两类不同的季节内对流对中国东南地区降水的影响存在差异。

中国东部地区大气水汽稳定同位素的影响因子追踪研究

大气水汽稳定同位素是现代水循环的重要示踪剂,可以有效地追踪水汽来源及其输送过程。在中低纬度季风区,局地“降水量效应”是大气水汽稳定同位素的主要特征,但是近期研究表明,水汽来源及其输送过程等非局地因素也有重要影响。因此,本文基于拉格朗日粒子扩散模式和卫星遥感观测的大气水汽稳定氘同位素数据(数值表示为千分差,δD),针对前人研究较少的中国东部石笋氧同位素区域,进行水汽源地追踪,并在季节和年际尺度上分析水汽δD的主要影响因素。结果表明,在季节尺度上,水汽δD在夏末秋初较低,冬春季较高,这种特征与局地气象因子、水汽源地贡献的关系较弱,水汽输送路径上的累积降水是影响水汽δD季节变化的主要因素,两者为显著的负相关关系。在年际尺度上,厄尔尼诺(El Nino)年夏季中国东部水汽δD较高,拉尼娜(La Nina)年夏季水汽δD较低。水汽源地贡献在ENSO(厄尔尼诺—南方涛动)不同位相的变化较小,而水汽输送路径上的累积降水在La Nina年较之El Nino年偏多,表明La Nina年热带对流活动和水汽输送过程的贫化作用更强,导致目标区域的水汽δD更低。因此,代表热带对流活动的累积降水是水汽δD季节和年际变化的主要影响因素,热带对流活动增强(减弱)将降低(增加)目标区域的水汽δD。

广州两次雷暴过程地闪与大气电场特征对比分析

利用安装于广州塔塔顶500 m的大气电场仪(简称电场)数据、广州双偏振雷达资料、粤港澳闪电定位系统数据和ERA5再分析资料等数据,对比分析了2020年8月15日和9月23日广州两次雷暴天气过程的地闪活动特征以及地闪活动与电场变化特征的关系。结果表明:由局地热力不稳定引起的“局地性雷暴”地闪频次低、伴随弱降水,而由中尺度系统引发的“系统性雷暴”地闪频次高、伴随短时强降水。两次过程的地闪频次和电场变化呈双峰分布,地闪爆发时电场变化显著,频域能量达到峰值。“系统性雷暴”的消亡阶段电场在正负极之间大幅度缓慢波动,呈现阻尼振荡(End Of Storm-Oscillation,EOSO)特征,而“局地性雷暴”消亡时电场未出现此特征。时域下电场剧烈变化和频域能量明显提高时,意味着雷暴云团正在靠近或附近有闪电发生;电场频域能量迅速减小且集中于低频段,表明雷暴正在消亡或远离测站。电场的时频特征对雷暴的生消具有指示性作用,为电场数据与其他资料融合应用于雷电风险预警予以参考。

2011-2021年广州黄埔短时强降水时空分布特征及成因分析

文章利用2011-2021年广州黄埔地区37个自动气象站的逐小时降水资料,对该地短时强降水的时空分布特征进行研究。文章分析了短时强降水的空间分布和成因,同时对短时强降水的年变化、月变化和日变化特征及成因进行了详细分析,得出该地区中部短时强降水发生频次高、南北部发生频次低,每年5,6,8月为短时强降水频发时段,前汛期日变化呈单峰型分布,后汛期日变化呈双峰型分布的结论。所得结论以期为短时强降水特征分析提供有效的参考。

地形对登陆热带气旋“黄蜂”(2002)强度影响的模拟研究

以“目标登陆台风外场试验研究”(CLATEX)项目的目标热带气旋“黄蜂”为对象 ,在用高分辨数值模式模拟其近海加强和登陆减弱过程的基础上 ,通过 5组对比数值试验 ,从定量和时间演化角度细致地分析了热带气旋周边海陆和地形分布对热带气旋强度的影响及其机理。分析表明 ,华南西部地理因子 (地形、粗糙度、海陆分布等 )对热带气旋强度变化具有重要影响。华南西部地形的存在 ,有利于低层弱冷空气向南侵袭 ,从而激发对流发展 ,使气旋迅速加强 ,是“黄蜂”近海加强的关键原因 ;登陆后冷空气切入造成的稳定层结抑制了对流发展 ,阻断了对流潜热能源 ,是“黄蜂”登陆后迅速减弱的重要原因 ;华南西部真实地形下的地表摩擦效应是“黄蜂”登陆后迅速减弱的重要原因之一 ;南海热带气旋区的地表热交换以潜热输送 (蒸发 )为主 ,其量值一般是感热输送的 5～ 10倍 ;洋面热交换与气旋强度间存在正反馈关系 ,符合热带气旋发展的“WISHE”(风引起的表面热交换 )机制观点 ,即“WISHE”可能是南海热带气旋发展的一种重要机制。

EOF/PCA诊断气象变量场问题的新探讨

进一步论证了经验正交函数 /主分量分析 (EOF PCA)在气象变量场诊断中的物理内涵 ,证明基于EOF PCA的R型和Q型展开 ,可描述为气象变量场主要振荡型分解和主要空间分布型分解两种方案。前者表明 ,气象变量场的准周期振荡可分解为各主分量的周期振荡 ,它们各自等价于不同网格点 (或站点 )以其载荷为权重的迭加周期振荡 ,因此 ,气象变量场准周期振荡可视为来自不同周期源 (网格点或站点 )的准周期振荡逐层叠加的结果 ;后者表明 ,气象变量场的水平空间分布可视为各种主要空间分布型的叠加 ,而Q型展开才是对各种主要空间分布型的正交分解。由此深化了EOF PCA气象变量场诊断的物理内涵。

地形和边界层摩擦对登陆热带气旋路径和强度影响的研究

采用准地转的正压模式,研究了无非绝热加热时地形和边界层摩擦对登陆热带气旋路径和强度的影响。结果表明:地形作用对登陆热带气旋西北移动路径的影响比较明显,而对登陆热带气旋强度的影响不明显;边界层摩擦可以通过改变热带气旋X方向上和Y方向上的移动速度以及改变热带气旋水平环流结构对登陆热带气旋西北移动路径产生一定的影响,边界层摩擦对登陆热带气旋强度的影响非常明显,其中摩擦是造成登陆热带气旋强度迅速减弱的一个重要因素。

广州地区雷暴过程云-地闪特征及其环境条件

应用雷电定位系统和高空观测资料并结合雷达回波资料,对广州地区雷暴过程云-地闪特征进行分析,并就有、无云-地闪出现的两组不同对流天气过程的环境条件进行了比较研究。结果表明:广州地区的雷暴过程以负的云-地闪为主,负云-地闪所占比例在90%以上。云-地闪发生频率与雷暴系统强度演变有直接联系,对于同一系统来说,随着系统回波强度的增强,云-地闪发生的频率也增高。但不同系统中,云-地闪发生频率有很大不同,回波强(弱)的对流系统并不意味着云-地闪发生的频率就高(低)。有云-地闪记录的对流天气过程具有更大的垂直切变、更高的相对风暴螺旋度以及更多的对流抑制能量,云-地闪现象更易于出现在更加有组织和更强的对流系统中。研究还发现广州及周边城市区域对雷暴系统回波强度及云-地闪现象可能有影响,两个典型个例分析表明,雷暴系统移经城市区域时回波强度减弱,云-地闪发生频率减小,雷暴移过城市区域后,强度可重新加强,云-地闪发生频率增大。

广州市闪电密度特征分析

本文利用闪电定位资料和气象台站记录的雷暴日资料，对广州市闪电密度时空分布特征进行了分析。研究表明，广州市位于广东省闪电密度高值区，在5′×5′网格内每年总闪次数在500次-1000次；闪电类型以负闪为主，负闪次数占了总闪次数的96．76％；广州市每年闪电发生季节主要出现在4月-9月，这一时期的总闪次数占全年的96．63％，其中最高值出现在7月，次高值在6月、8月；每天13时～19时是闪电高发时段，这主要与午后出现强对流天气关系极为密切；广州市闪电密度空间分布具有明显的区域性，高值偏西和偏南，主要位于广州市偏西的越秀区、荔湾区和偏南的番禺区北部；各月正闪电流强度高于负闪电流强度，并且电流强度高值区与闪电密度高分布区基本一致，这一区域更要重视防御雷电灾害。

海-气界面热通量算法的研究及在中国近海的应用

对计算海-气界面湍流热通量的Bulk算法的一些参数进行了改进。使用西沙实测资料、GSSTF2资料和NCEP/NCAR再分析资料以及改进后的算法,计算了中国近海地区的感热通量、潜热通量。计算结果与西沙实测资料、长年代的GSSTF2资料和NCEP/NCAR再分析资料进行比较验证,证明改进后的方法精度较高,基本可以保证湍流热通量的平均标准偏差在10W/m2左右,与多年的月平均做比较,相对偏差为25%左右;同时,不仅首次将计算热通量的空间尺度精确到0·1°×0·1°,而且基本模拟出了南海季风暴发期间热通量变化的主要特点以及中国近海热通量随季节、纬度和海岸地形的变化特征。

热带气旋集合预报中的不确定性研究

综合考虑了数值天气预报过程中的两种不确定性:初值和模式的不确定性,建立了一个拥有20个成员的中尺度集合预报系统来模拟1997年热带气旋Danny的路径和对流系统.发现模拟气旋路径的集合平均误差在12h以后比所有成员的误差都小.通过考察模拟结果对各种不确定性的敏感性,发现两种不确定性在模拟中都很重要,但不同的不确定性对模拟结果的贡献是不同的.初值的不确定性主要影响模式积分的前12h,模式的不确定性在整个积分过程中始终存在.不确定性最敏感的区域主要分布在气旋附近的强天气区.

地形重力波拖曳参数化对热带气旋强度和路径预报影响的研究

本文在GRAPES_TMM(Global/Regional Assimilation and Prediction System for Tropical Mesoscale Model)——中国南海台风模式版(面向南海和东南亚)中发展和引进了KA95(Kim and Arakawa,1995)地形重力波拖曳参数化方案(GWDO),并对2012年主要的9个登陆台风进行了试验对比研究,考察了不同标准Richardson数(c Ri)的GWDO试验对台风路径和强度预报的影响。结果表明,在引入地形重力波拖曳参数化过程后,模式对台风登陆时路径和强度的预报能力均要有提高,对台风预报时长越长,GWDO的影响也更为显著。对双台风"SAOLA"和"DAMREY"试验结果表明,GWDO对台风外围距台风中心150 km的对流层中下层风速减弱较为明显,减弱了GRAPES区域模式对台风强度预报偏强的现象,对台风强度长时间预报改善更为明显。不同标准c Ri对重力波拖曳力的计算较为敏感,当c Ri取1.0时,动能迅速的在低层被频散,能量无法有效地上传;c Ri取0.25时,大部分的能量在中高层被频散。总的来说,c Ri取0.75时对台风路径和强度预报改进更为显著,其结果可为业务预报提供指导意义。

中国典型地区风能资源特性研究

利用西北地区和东南沿海地区具有代表性的测风塔资料，对比分析其风能资源特性差异，结果发现：①即使西北和东南沿海地区的年平均风速相同，西北地区的年平均风功率密度和年风能密度均显著大于东南沿海地区，其风功率密度可大1～2个等级，造成这种显著差异的关键因子是西北地区“大风速”的出现频率较东南沿海地区多；②西北地区和东南沿海地区的风向变化主要以小角度变化为主，但两地区的风向变化特征明显不同：西北地区的小风向变差角出现频率略少于东南沿海地区，而较大的风向变差角出现频率明显多于东南沿海地区。两类地区不同的风资源特性将影响风电场选址和设计、风电机组选型以及建成后的运行管理模式，具有重要的现实意义和使用价值。

不同海域海表温度异常对西北太平洋副热带高压年代际变化影响的数值模拟研究

采用1950～2000年逐月观测的不同海域(全球、热带外、热带、热带印度洋-太平洋、热带印度洋及热带太平洋)海表温度分别驱动NCARCAM3全球大气环流模式,进行了多组长时间积分试验,对比观测资料,讨论了这些海域海表温度异常(SSTA)对西北太平洋副热带高压年代际变化的影响。结果表明:全球、热带、热带印度洋-太平洋和热带印度洋海表温度变化均对夏季西北太平洋副热带高压的年代际变化有重要作用,即在这些海域的海表温度变化影响下,西北太平洋副热带高压均在1970年代中后期发生了年代际变化,其后副高面积增大、强度增强、位置偏西、偏南,这与观测结果较一致;热带太平洋海表温度变化对夏季西北太平洋副热带高压的年代际变化也有重要作用,在其作用下,夏季西北太平洋副热带高压的强度、面积在1960年代后期发生年代际变化,南界在1970年代中后期发生年代际变化,这些时段以后副高强度增强、面积增大、偏南;热带印度洋海表温度驱动模拟的西北太平洋副热带高压变化比热带太平洋海表温度驱动模拟的副高更接近于观测结果,且年代际变化更显著,其差异的可能原因在于两区海表温度在1970年代中后期以后的年代际变化能在孟加拉湾-中国东南沿海区域强迫产生的异常环流不同,前者强迫产生出反气旋性环流异常,有利于副高的增强、面积增大和西伸,而后者强迫产生出气旋性环流异常,不利于副高的西伸;热带太平洋和热带印度洋海表温度在1970年代中后期的冷、暖年代际背景变化对夏季西北太平洋副热带高压年代际变化有重要作用;热带外海表温度变化对西北太平洋副热带高压年代际变化作用较小。

广州区域数值预报模式并行化计算

采用消息传递方式 (MPI)对最近发展的广州区域数值预报模式进行了并行化计算研究。根据模式的结构和计算过程特点 ,模式适合采用水平分区方案进行并行计算处理。在曙光 30 0 0并行计算机上分别采用一维和二维分区并行方案实现了模式的并行化计算 ,并对模式的并行效率、并行加速比和并行通讯时间百分比等做了测试。对测试结果的分析表明 :采用 8个CPU时 ,两种方案都能在 1h内完成 72h的预报 ,一维分区方案的并行效率则保持在 90 %左右 ,可以满足业务运行需要。当模式使用 8个以上CPU时 ,通讯时间迅速增加并超过了计算时间的 5 0 %,模式并行效率明显下降。CPU相同时 。

广州两座高建筑物上闪击距离的二维光学观测

利用广州高建筑物雷电观测站的高速摄像机在2012—2018年拍摄到的发生在两座尖顶建筑物广州塔(600 m高,12次)和广晟国际大厦(360 m高,9次)上的21次下行地闪光学数据,结合广东电网闪电定位系统提供的回击峰值电流数据,统计建筑物高度和回击峰值电流强度对闪击距离的影响,并探讨闪击距离与上行连接先导起始时间的相关性.结果表明:更高的建筑物上雷电的闪击距离更长,广州塔闪击距离的中位数约是广晟国际大厦闪击距离中位数的2倍;对于确定高度的建筑物,闪击距离有随着回击峰值电流增强而变长的趋势,且建筑物越高,对应的回击峰值电流也越强;在下行与上行先导连接前0.1 ms内,二者的平均速率之比小于4,且速率比值在0~1这一区间的样本最多,占比约65%.