北半球夏季全球热带和副热带200hPa平均辐散环流的研究

大气的运动场或风场包括两部分:一是旋转部分,另一是辐散部分。虽然旋转部分的方差占总运动场方差的大部分(约占80％),但与辐散风相联系的垂直环流对于天气系统的发展是重要的。Krishna-murti等人最早研究了全球热带的辐散环流。最近他的研究表明,辐散风场的大部分是属于纬向的行星尺度垂直环流的水平分支,这意味着行星尺度系统总是热力直接环流,并且以纬向环流为主。Van der Boogard计算了7月多年平均的速度势场,发现对流层上层最强的辐散中心在中南半岛上空。     

多普勒雷达速度图像识别及散度提取方法研究

大尺度风场往往是冷暖平流与大尺度辐合辐散运动相结合的结果,因此将大尺度风场的多普勒雷达速度特征提炼成以下4种类型:(1)暖平流与辐合迭加;(2)冷平流与辐合迭加;(3)暖平流与辐散迭加;(4)冷平流与辐散迭加。不同类型的风场引起零速度线不同的弯曲特征,对判断大尺度风场的辐合辐散有着指示作用。根据零速度线的弯曲程度以及一定距离圈上零速度点与雷达中心连线的夹角等,首先推导出定量计算大气辐合辐散值的算法,然后提出利用逐个调整法识别零速度点的方法。根据该算法,结合零速度点的识别技术,提出了图像识别原理与方法步骤。据此,能够从多普勒雷达基数据中提取出大气平均散度,得到大尺度天气系统不同高度的散度值,并进一步提出了散度平面位置显示(divergence PPI)的概念。通过实例,根据散度PPI与速度PPI的对比,分析了图像识别的效果,并将图像识别法提取的散度值与EVAD技术提取的散度值进行了对比分析。     

全国各省市气象科技期刊文摘(16)

1中尺度对流系统(MCSs)散度场的特殊结构《陕西气象》2003年第2期张弘陕西省气象台710015摘要对青藏高原东侧一次局地特大暴雨的分析表明,高原东侧的中尺度对流系统空间结构复杂,散度垂直分布从对流层低层到高层呈现辐合至辐散的双重结构,即在400hPa以上还存在着另外一个辐合至辐散结构,而不是低层辐合、高层辐散的简单形式。其中对流层中高层第2个辐合区是暴雨时高原气流直接导致的,对MCSs的形成和维持具有重要作用。与东部地区相比,高原东侧的MCSs所伴随的暴雨具有历时短,强度大,突发性强等特征。2变分法和卫星云图模式识别在强降水面…     

多普勒雷达的速度图像特征及其在一次降雪过程中的应用

该文首先介绍了大面积降水的多普勒天气雷达径向速度PPI图像识别技术, 包括:①冷暖平流与大尺度辐合辐散运动叠加的图像特征; ②由零线的朝向和正负速度面积、径向速度值的大小判断风向风速辐合辐散的图像特征, 然后介绍了利用EVAD技术由雷达基数据定量计算大气平均散度和平均垂直速度的方法, 最后应用图像识别技术和EVAD方法对石家庄2004年冬季的一次大面积降雪过程进行了详细分析, 发现:此次大面积降雪过程有明显的辐合辐散图像特征, 径向速度值小, 辐合辐散弱, 始终存在暖平流。另外, 降雪强度和散度、垂直速度关系密切:辐合层厚度加大, 辐散抬高, 则降雪加强; 辐合、辐散层高度降低, 则降雪减弱。同时, 由EVAD技术定量计算的散度和相同时刻由径向速度图像产品定性分析的辐合、辐散基本一致。     

介绍一种用近似多项式手算物理量的方法

动力分析在暴雨、冰雹等强对流天气预报中的重要性是众所周知的。近年来不少台站在天气预报分析中开始注重计算散度、涡度、垂直运动速度、水汽通量、水汽通量散度等物理量。这些物理量由于目前计算条件的限制,大部分采用手算。其方法多采用差分法。但差分法一般要求取正方形或菱形网格,若气象测站地理位置不规则就不能直接应用差分法,必须把气象站观测资料,通过一定的资料处理再用插值方法或客观分析方法变成有规则格点上的值,以后方能进行差分计算。因此,手算差分法就比较费事,不便于日常预报业务中使用。计算物理量也常用三点法,三点法较适合于手算,但计算格     

用改善的EVAD技术和变分法计算大气垂直速度

提出利用修正的Gram-Schmidt算法(MGS法)解决EVAD技术的求解问题．并通过2个实例。根据这2种改善的EVAD方法，分别计算出大气平均散度，再用变分法对散度值进行调整，然后利用连续方程，计算大气的垂直速度，并对各种结果进行了比较分析。     

多普勒天气雷达速度场特征及在人工增雨中的应用

对大连2003-2005年降水天气过程的多普勒雷达速度场资料进行统计和分析,得到几种雷达回波速度场特征对降水变化及人工增雨作业的影响,总结了雷达回波速度场的零速度线呈"S"型、"弓"型和速度不对称型几种常见的分布特征对人工增雨潜力分析和作业条件判别的辅助判据指标.并结合EVAD技术和变分法定量计算大气平均散度和垂直速度方法,对大连2006年夏季一次人工增雨作业过程进行了分析,得到了回波速度场特征与计算的平均散度和垂直速度的较好的配合关系.     

多普勒雷达对华北春季强降水过程的动力学诊断

主要应用多普勒雷达基数据资料,结合天气图实况物理量场,对2004年4月25日出现在华北区域的一次大范围较强降雨过程进行了分析。应用MGS法改进的EVAD技术,计算出垂直高度层的平均散度和平均垂直速度,初步分析了此次降水过程的动力学特征。发现由雷达数据计算出的散度和垂直速度与天气图吻合得非常好,而且降水的雨强和雷达探测范围内各高度层的辐合、辐散有比较密切的关系,这为预报降雨生消以及有效地实施人工增雨作业提供了一定的理论依据。     

浙江中西部一次大范围降水过程的多普勒雷达资料分析

运用多普勒天气雷达和天气图资料,对2006年7月6日出现在浙江中西部的1次大面积强降水过程进行了分析,探讨了多普勒天气雷达资料在大面积降水过程中的图像特征。发现在不同的降水时段,垂直风廓线(VWP)产品和径向速度PPI图像都表现出非常明显的特征。利用EVAD技术和变分法计算的散度和垂直速度产品,能比较直观地反映这次过程中大气各层辐合、辐散和垂直运动情况,并以此对浙江大面积降水过程发生、发展、维持和消亡的动力学机制进行了探讨。     

春季一次暴雪过程的多普勒雷达动力学诊断

利用太原C波段多普勒天气雷达基数据资料和自动雨量站资料，对2006年4月11日发生在山西省的一次区域性暴雪过程进行了分析。应用改进的EVAD技术，定量计算垂直高度层的平均散度和平均垂直速度，并分析平均散度和平均垂直速度随时间和高度的变化以及与降雪的对应关系。结果表明：2．5km以下始终维持一个较强的上升气流，是强降雪维持的基本动力条件；整层出现辐合上升运动，且强上升速度中心的高度随时间的演变逐渐下降，同时中高层出现强辐散下沉气流与之配合时，未来2小时将出现强降雪；降雪的强度与雷达探测范围内各高度层的辐舍、辐散有着密切的关系，且辐合、辐散的增强与减弱时间早于降雪强度的增大和减小时间，这对预报降雪的生消、雪强的增大与减小提供了一定的理论依据。     

用改进的光流法和卫星TBB资料进行对流临近预报

为了在缺少雷达观测的地区开展对流临近预报,利用光流法和半拉格朗日外推法进行了卫星云图外推实验,同时利用无辐散约束改进光流矢量来避免云图辐散失真。(1) 光流法反演的风场能够准确反映出台风涡旋环流结构,采用半拉格朗日方案进行外推,可以保持云系的旋转特性,具有良好的稳定性和精度,但随着外推时间的增加光流矢量中的噪声会导致云图辐散失真。(2) 无辐散约束减少了风矢量杂乱无序现象,弥补了缺失的光流,还能对风速进行平滑,使风速空间梯度更平滑。(3) 用改进后的风场进行外推,避免了云系辐散失真,在保持其形态不被破坏的同时,还能减少云团TBB虚假增长。(4) 检验表明改进后的外推预报方案,具有更小的平均绝对误差,MAE提高了4%,临界成功指数提升了9%。     

Three-Dimensional Wind Field Retrieved from Dual-Doppler Radar Based on a Variational Method: Refinement of Vertical Velocity Estimates

In this paper,a scheme of dual-Doppler radar wind analysis based on a three-dimensional variational method is proposed and performed in two steps.First,the horizontal wind field is simultaneously recovered through minimizing a cost function defined as a radial observation term with the standard conjugate gradient method,avoiding a weighting parameter specification step.Compared with conventional dual-Doppler wind synthesis approaches,this variational method minimizes errors caused by interpolation from radar observation to analysis grid in the iterative solution process,which is one of the main sources of errors.Then,through the accelerated Liebmann method,the vertical velocity is further reestimated as an extra step by solving the Poisson equation with impermeable conditions imposed at the ground and near the tropopause.The Poisson equation defined by the second derivative of the vertical velocity is derived from the mass continuity equation.Compared with the method proposed by O’Brien,this method is less sensitive to the uncertainty of the boundary conditions and has better stability and reliability.Furthermore,the method proposed in this paper is applied to Doppler radar observation of a squall line process.It is shown that the retrieved vertical wind profile agrees well with the vertical profile obtained with the velocity–azimuth display(VAD)method,and the retrieved radial velocity as well as the analyzed positive and negative velocity centers and horizontal wind shear of the squall line are in accord with radar observations.There is a good correspondence between the divergence field of the derived wind field and the vertical velocity.And,the horizontal and vertical circulations within and around the squall line,as well as strong updrafts,the associated downdrafts,and associated rear inflow of the bow echo,are analyzed well.It is worth mentioning that the variational method in this paper can be applied to simultaneously synthesize the three-dimensional wind field from multiple-Doppler radar observations.     

FY-3A卫星微波资料的集合变分混合同化试验

以2012年"北京7.21暴雨"为例,实现了集合变分混合同化方法对FY-3A的微波温度仪和微波湿度仪资料的直接同化,并与三维变分方法进行了比较。结果表明:虽然两种同化方法同化FY-3A微波资料都能改进降水模拟效果,但是与实况相比,集合变分混合同化方法改进效果更为明显,其能有效减少虚假强降水的模拟,改进强降水中心位置的模拟,SAL评分定量检验也同样表明,集合变分混合同化方法对暴雨的模拟效果要优于三维变分同化方法;无论是热力学变量还是动力学变量,集合变分同化得到的初始场均方根误差均显著小于三维变分同化的结果;两种方法同化FY-3A微波资料均能改变初始场中的各种物理量信息,但不同方法得到的同化增量大小和分布却有明显的差异:三维变分同化方法对初始场的调整区域和强度都要大于混合同化方法,且其同化增量表现出均匀和各向同性的分布特点;而利用集合信息的混合同化方法得到的同化增量分布表现为非均匀性和各向异性,具有"流依赖性"的特征,这使得初始场的分布更合理,有利于改善降水的模拟效果。     

变分方法反演双多普勒雷达低层二维风场

提出用变分方法和正则化方法相结合反演双多普勒雷达资料的低层二维风场的方法,即在目标泛函中加入正则化项（先验信息项）且合理选择正则化参数。数值试验结果表明：正则化项的引入能有效滤除反演风场中因奇点和观测资料引起的误差,提高反演精度,得到最优的全局反演风场。     

单多普勒雷达二维风场反演——Extended VPP方法

文中提出的EVPP(Extended Velocity Plan Processing)方法是根据风场连续及局部分片光滑的性质,假定在一很小的分析窗内风矢量保持线性变化关系,使得在分析窗内反演得到的风场在矢径上的投影与实际观测的多普勒雷达径向速度场之间的误差达到最小,并利用零速度线这一特点对问题的求解做出约束,使得所得解尽可能达到全局最优,即:(1)利用变分的思想求出水平风速的大小及方向;(2)利用风场局部分片光滑,对风的方向做出矫正。虽然由于风场受到线性假设这一限制,使得其使用的范围得到了局限,但是在本文中利用零速度线这一特征使得反演的结果得到了进一步的提高。文中利用模拟的理想个例和实际观测到的个例分别进行了研究分析。为了证明其理论的可行性,首先我们利用三维冰雹云模式模拟了辽宁2005年7月8日的一次冰雹云过程,考虑到个例的代表性,我们选择了辐合、辐散、旋转以及均匀风场等4种类型的流场结构进行了模拟分析,同时为了验证该种方法对于资料质量的依赖性以及噪声的敏感性,我们在理想质量中加入了随机噪声。从对模拟风场的反演,证明了该方法理论上的可行性,而且噪声对其结构的影响不大。然后针对台风、飑线、强对流等实际天气过程作了进一步分析。最后对反演结果进行了误差分析,结果表明这一方法能较好地反演出中尺度系统的水平流场结构。     

单多普勒雷达反演涡旋风场方法分析

由于单雷达在探测台风临近、登陆时仍具有双部或多部雷达难以具备的优势,目前利用单多普勒雷达反演涡旋风场的方法并不多见,本文对能够反演涡旋风场的3种方法NIVAP(自然坐标系的积分VAP方法)、EVAPTC(反演热带气旋的EVAP方法)、GBVTD(地基速度追踪法)进行了比较,分别从每种方法的假设条件和数学方法以及结果精度来比较3种方法对涡旋风场的适用性。利用中尺度气旋Rankine模式模拟了纯涡旋性气旋、只有环境风场时、环境风场和辐合(辐散)同时存在时的径向速度场及风场,比较了各种情况下的反演风场和模拟风场的相似系数。在对模拟风场比较之后,选取了2014年"威马逊"台风登陆前1h、登陆时及登陆后1h的3个实测雷达资料,对比分析了3种方法反演实测资料的风场特征,3种方法中EVAPTC方法最好,GBVTD方法在应用中有一定的限制,NIVAP方法较差。     

用有限区域风速场准确求解流函数和速度势场的方法

流函数和速度势是气象业务和研究中常用于表述风速的一组变量。用有限区域风速场, 使用有限差分方法求解得到的流函数和速度势场重建初始风速场, 由于受区域边界的限制往往有明显的偏差。虽然有许多求解方法的研究, 但是, 至今仍尚未见到一种真正准确的求解计算方案。首先, 介绍用Arakawa A网格和D网格分布的有限区域风速场求解流函数和速度势场的一般有限差分计算方法, 探讨用它们的解重建风速场产生误差的原因。然后, 针对这些原因, 对给定的有限区域, 通过线性外推初始风速场, 扩展求解计算区域, 使用协调、一致的有限差分格式方案, 准确计算求解区域的边界有旋风速、散度风速和速度势的定解边界条件, 以及恰当选择流函数、速度势、涡度和散度等变量的分布网格, 设计了用上述两种网格分布的风速场准确求解流函数、速度势场的方案, 并对其正确性加以证明, 它们可以推广应用于其他Arakawa网格。用实际资料试验同样显示, 方案避免了重建风速场误差的出现, 与初始风速场相比, 全场风速最大偏差精度达到10-12m/s或以上, 在计算机精度造成的计算误差影响范围内。本文的研究很好解决了长期以来用有限区域风速场、 使用有限差分方法无法准确求解流函数和速度势场的问题。     

改善EVAD技术求解散度的方法

详细介绍了改善EVAD技术中测量水平散度的方法，用Sirmans建议的技术来模拟降水回波信号，通过此方法对模拟的含有0, 1, 2, 3阶谐波的非线性风场加噪声, 得到近于真实的多普勒速度场，并用此速度场得到的水平散度和以前的EVAD算法（Srivastava算法和Thomas算法）的水平散度相比较，结果表明:无论在非全方位不均匀采样、非全方位均匀采样、不同信噪比、不同速度谱宽条件下，文章建议的EVAD方法求得的水平散度精度有明显的提高。     

基于Endlich迭代调整的全球流函数和速度势计算及风场分解与重建

本文将有限区域求解流函数和速度势的Endlich迭代调整方法(E-T方法)推广至全球区域,并与常用Guass-Seidel迭代求解Poisson方程方法(G-P方法)进行了比较。结果表明:E-T方法适应于全球流函数和速度势的计算,其由内向外调整,不需严格考虑边界条件,可消除边界对计算结果的影响;E-T方法能准确分解和重建原始风场,而由于极地边界和差分格式影响,G-P方法求得的旋转风和辐散风之和不能准确重建原始风场,尤其是经向为固定边界时,两极地附近重建风场误差非常明显;E-T方法与G-P方法另一重要差异是前者利用流函数和速度势与风场偏微分关系直接进行迭代求解,不需计算涡度和散度,不但保证了重建风场的准确性,还防止了涡度和散度计算误差带来的二次污染。     

山区风能资源的模拟研究

本文采用一种较为实用的模式,模拟中尺度山区气流的分布,为该区域风能资源评价及开发利用提供依据。模拟的基本过程,是以地形坐标系中的水平无辐散关系作为约束条件,在变分的意义下对客观分析获得的风场进行调整。计算中对风场进行了自然正交展开,可大大地减少调整次数,从而提高了模式的实用性。文中以内蒙古乌盟南部山丘地带气流的模拟为例,给出了说明模式性能及山区气流特征的一些有意义的结果。