基于NCEP FNL资料的山西岢岚地区雨雪天气诊断可信度分析

基于山西岢岚地区2005—2014年共1218个雨雪天气日的NCEP FNL资料(1°×1°)与探空资料,采用偏差、绝对差、相关系数和偏差区间占有率的统计方法,对常规物理量(温度、相对湿度、纬向风和经向风)和诊断物理量(T_800-500、T_d800和TT_d700)进行统计分析。结果表明:常规物理量中的温度平均偏差值和绝对差值最小、相关系数值最大,分别为-0. 22℃、1. 02℃、0. 90,可信度最高;而相对湿度的平均偏差值和绝对差值最大、相关系数值最小,分别为12. 31%、19. 68%和0. 63,可信度最低;纬向风和经向风的可信度相差不大,略低于温度;诊断物理量T_800-500、T_d800和TT_d700的偏差值分别为-0. 08℃、1. 50℃和2. 79℃,绝对差值分别为1. 21℃、3. 33℃和4. 14℃,相关系数值分别为0. 95、0. 92和0. 74,偏差值为[-5,5]占总数百分比分别为98. 77%、80. 30%和75. 04%。即T_800-500可信度最高,TT_d700指数可信度最低。     

不同阶曲线拟合扰动场对下平流层重力波气候特征影响研究

重力波参数气候特征是确定大气模式中重力波参数化方案的重要条件之一,高垂直分辨率探空资料扰动场是获取重力波参数气候特征的基础数据;目前,获取扰动场的方法较多,但基于不同方法计算的扰动场对重力波参数气候特征影响的研究较少。基于2014—2017年山西太原气象台高垂直分辨率探空资料,利用2—4阶曲线拟合方法获取下平流层（17—24 km高度）温度扰动场、纬向风扰动场和经向风扰动场,经统计发现2阶与3阶曲线拟合方法的扰动场相似程度较高;在此选取相似度较高的2阶、3阶曲线拟合方法的扰动场分别计算大气重力波参数,并对大气重力波参数间的气候差异特征进行研究。结果表明:（1）不同阶曲线拟合方法扰动场的变化振幅及随高度变化趋势存在差异,且扰动场间的相关较弱;（2）2阶、3阶曲线拟合方法扰动场得到的重力波参数大小、年内变化趋势及在不同区间范围内占有率均存在差异,且相关较弱;（3）1—12月,相对3阶曲线拟合方法的扰动场,基于2阶曲线拟合方法的扰动场得到的重力波群速、水平波长、垂直波长、周期、固有相速均较大,而重力波能量上传百分比在某些月份较大。因此,不同阶曲线拟合方法扰动场间存在差异,会导致计算得到的大气重力波参数气候特征存在差异,最终对研制大气模式中的大气重力波参数化方案产生影响。      

火箭发射前后3.5 h内高空风差异特征及预报

利用2014年12月—2020年12月时间间隔为3.5 h的高空风实况分析火箭发射前后3.5 h内高空风差异, 并利用WRF模式和火箭发射前3 h高空风建立火箭发射后0.5 h高空风预报模型, 结果表明:火箭发射前后3.5 h内高空风速、风向差异特征, 与高度、季节及火箭发射前3 h平均高空风速有关。高空风最大风速偏差为-24.00~26.00 m·s-1, 风速偏差在10 m·s-1以内达三分之二, 且主要出现在对流层中高层[6.5 km, 11.5 km)高度内;最大风向绝对偏差范围为10.00°~180°, 主要集中在[30°, 60°)范围及对流层中低层[1.5 km, 6.5 km)高度内。火箭发射前后3.5 h内高空风速平均绝对偏差随火箭发射前3 h高空风速平均值增大呈增大趋势, 风速相对误差绝对值和风向绝对偏差则表现为减小趋势, 说明高空风强时, 风向不易发生短时变化;火箭发射前后3.5 h内高空风差异随季节变化与高空风的季节特征有关。利用火箭发射后0.5 h高空风预报模型, 有助于降低火箭飞行风险。     

一次暴雨过程中重力波参数演变特征的模拟结果

本文利用中尺度数值模式WRF对2003年7月4-5日淮河流域特大暴雨过程进行了数值模拟,并利用高时空分辨率模拟结果资料,提取了暴雨中心区大气重力波频率、周期、水平波长、垂直波长、水平相速和群速等特征参数,分析了暴雨过程中重力波参数随时间的演变特征.结果表明,对此次暴雨强降水过程影响较大的重力波主要是发展的中 α 尺度波和中 β 尺度波,暴雨后期随着重力波的频散,周期和水平波长有减小趋势,频率有增大趋势.非降水区的重力波参数特征和降水中心区有明显不同,大气中小振幅的中 α 尺度和中 β 尺度重力波是否发展和暴雨强降水的发生关系密切.     

HWM07模式风场在高度60～100km的精度及建模初步研究

HWM07模式是一个应用广泛的国际标准参考大气风场模式,其在航天飞行器的设计阶段具有重要作用.因此,研究该模式风场精度具有重要意义,本文以廊坊中频雷达的风场资料(2014—2016年)为基准,利用偏差、绝对差、相关系数、相对偏差和Lomb-Scargle周期图方法,研究HWM07模式风场在高度60～100km的精度,最后,对本文建立的60～100km风场预报模型(UV_(DerM)模型)精度进行分析.结果表明,在高度60～100km范围内,(1)HWM07模式的纬向风偏差、绝对差、相关系数、相对偏差的平均值分别为14.0039 m·s-1、34.4750 m·s-1、0.1832、-75.4822%,经向风偏差、绝对差、相关系数、相对偏差的平均值分别为-2.0019m·s-1、25.3689m·s-1、0.1442、-88.9980%;经向风、纬向风的统计特征均与高度、季节有密切关系;(2)Lomb-Scargle周期图结果表明,中频雷达、HWM07模式风场在同一高度层显著(通过90%显著性检验)含有的波周期及功率谱存在较明显差异,不同高度、不同季节显著含有的波周期和功率谱也存在明显差异;(3)在高度86～92km,准全日潮汐波、准半日潮汐波分别在冬季、夏季的HWM07模式风场变化特征中为主要作用,而对中频雷达风场变化特征起主要作用的大气波动特征与高度、季节有关;(4)相对于HWM07模式风场,由UVDerM模型得到的纬向风更接近实况资料,但经向风无改进效果.     

IRI2016参考电离层模型在高度60～100km的精度分析

60~100 km低电离层对无线电传播、测量具有重大影响。IRI2016作为目前最新的国际参考电离层模型,研究其提供的电子密度在高度60~100 km的精度具有重要实际意义。本文以廊坊中频雷达(位于中纬度地区)提供的电子密度资料(2014—2016年)为基准,利用偏差、绝对差、相关系数、相对偏差和Lomb-Scargle周期图方法,定量分析了IRI2016模型电子密度在中纬度地区60~100 km高度范围内的精度特征。结果表明,在中纬度地区60~100 km高度范围内:①电子密度偏差、绝对差、相对偏差与季节有密切关系,在高度86~100 km,随高度增加均快速增大;相关系数同样与季节有密切关系,但随高度增加表现出增大、减小的交替变化特征;②IRI2016模型电子密度精度与太阳活动、地磁条件有关,在太阳活动低年、磁宁静条件下的电子密度精度最高;③中频雷达和IRI2016模型电子密度在82~84 km均显著(通过90%显著性检验)含有准全日潮汐波、准8 h重力波,同时IRI2016模型还显著含有准半日潮汐波,而中频雷达未显著含有准半日潮汐波;在86~92 km均显著含有准全日潮汐波、准半日潮汐波,无准8 h重力波;④中频雷达、IRI2016模型电子密度在同一高度层显著含有的波周期及功率谱存在差异,不同高度层之间显著含有的波周期及功率谱也存在差异;⑤对于高度82~92 km的中频雷达、IRI2016模型电子密度变化特征,准全日潮汐波均为主要作用,准8 h重力波在82 km为次要作用,而准半日潮汐波在86~92 km为次要作用。     

不同途径获得的大气重力波参数扰动场特征对比分析

重力波参数气候特征是确定全球大气模式中重力波参数化方案的一个重要环节,利用高垂直分辨率探空资料扰动场是获取重力波参数气候特征的基础数据和重要手段。目前,通常采用2～4阶曲线拟合、带通滤波方法获取高垂直分辨率探空资料扰动场,但针对不同方法之间的扰动场差异特征研究较少,本文利用2～4阶曲线拟合、带通滤波方法(0.5～5.0km)获取2014—2017年太原地区(112.55°E,37.78°N)高垂直分辨率探空资料扰动场,采用相关系数、Lomb-Scargle、不同区间范围占有率方法进行研究,结果表明:①不同方法之间的纬向风扰动场、经向风扰动场、温度扰动场均存在较明显差异,且相关性均较弱;②Lomb-Scargle分析表明,不同方法得到的平均纬向风扰动场、平均经向风扰动场、平均温度扰动场显著含有(通过90%置信检验)的垂直波长均存在明显差异;③不同方法得到的纬向风扰动场、经向风扰动场、温度扰动场显著含有的垂直波长,在不同区间范围内的占有率均存在明显差异。     

曲线拟合背景场在提取大气重力波参数中的缺陷

利用一次东亚副热带高空急流演变过程的高分辨率数值模拟结果,采用Morlet小波分析和Fourier功率谱分析方法,以3阶和4阶曲线拟合为例,研究了提取大气重力波参数时常用的曲线拟合背景场获取方法的缺陷.结果表明:虽然4阶拟合对原始风廓线的拟合程度高于3阶拟合,但基于4阶拟合背景场得到风速扰动垂直廓线后,所提取的重力波参数和实际情况的差异大于3阶曲线拟合方法的结果.因此,不能将背景场对原始风廓线的拟合程度作为判断重力波参数提取准确率的依据.曲线拟合方法在大多数情况下会使扰动场中包含背景场信号,且所包含的背景场信号强度差异很大,同时还会引入虚假波信号.所以在提取大气重力波参数时,采用曲线拟合方法获取背景场存在缺陷,需要设计更合理的背景场获取方法.     

一种新水平网格的Rossby波计算特性

提出了一个新的水平跳点网格（LE网格），这种网格将h放置在格点上，u,v同时放置在x方向和y方向格点中间.并采用一种推导频散关系的通用方法，研究在该LE网格上与Arakawa A E网格上描述Rossby波产生误差的情况，分可分辨和不可分辨两种情况.采用二阶中央差或四阶紧致差分格式从频率和群速度两个方面进行对比分析，结果表明不论在可分辨或不可分辨情况下，还是采用二阶中央差或四阶紧致差分格式，在频率和群速度两方面，LE网格在描述Rossby波产生的误差均较Arakawa A E网格要小，同时也表明不论在可分辨还是不可分辨的情况下，采用高精度的四阶紧致差分格式，LE网格和Arakawa A_E网格在描述Rossby波时产生的频率误差和x、y方向群速度误差并非必然减少.     

不同扰动场对大气重力波参数结果影响的初步探讨

如何获取大气重力波参数是大气动力学理论研究的重点和难点。本文以2013年8月6—8日晋西北地区出现的一次雷阵雨天气过程为例,利用常用的二阶、三阶、四阶曲线拟合和带通滤波方法获取垂直高分辨率探空资料的扰动场,对这些扰动场提取的大气重力波参数进行对比分析。结果表明:不同扰动场(二阶、三阶、四阶曲线拟合以及带通滤波)对所获取重力波参数的大小及变化趋势存在影响,但对不同重力波参数的影响程度不一样。其中,对波固有周期、水平和垂直波长的大小及变化趋势影响很大,而对波传播方向、对地水平群速及固有相速的影响程度则较弱。结合6—8日天气现象的大气动力特征,发现由二阶曲线拟合、带通滤波对应扰动场得到的重力波参数的大小及变化趋势与此吻合,其结果可信度最高;而由四阶曲线拟合扰动场得到重力波参数值的可信度最低。