不同土地利用数据对WRF模拟新疆高温天气的影响

本研究在WRF(v3.8.1)中使用MODIS 21类和USGS24类土地利用类型数据,模拟了新疆2017年7月9日的极端高温天气,并在对模拟温度进行了高度订正的基础上,对比了两种土地利用数据对2m温度预报的影响。结果表明：(1)MODIS和USGS在新疆地区的土地利用差异主要在阿尔泰山、天山以及南疆西部的昆仑山北部海拔3000米以上的高山带,相应地,使用USGS模拟的这些高山带2m气温明显高于使用MODIS的模拟值,最高偏高12℃左右,是全疆范围内两者偏差的极大值。(2)就新疆区域而言,使用USGS模拟的2m气温整体优于使用MODIS的模拟值,且USGS模拟的2m温度整体低于MODIS模拟的2m温度。两者的均多在2℃以内。(3)在伊犁河谷,MODIS土地利用类型主要为“旱地/草地”,USGS为“草地”和“农田/林地马赛克”。代表站点2m温度模拟多以高温偏低、低温偏高为主。(4)与MODIS相比,USGS中哈密地区 “农田/林地马赛克”所占比重明显增大。哈密地区多数代表站点高、低温均以偏低为主。(5)站点温度的高度订正多以调低为主,调高幅度最大值为1.9℃,出现在伊犁河谷的尼勒克站,调整幅度明显大于MODIS和USGS模拟2m温度的差值,由此可见温度高度订正的必要性。     

基于不同土地利用产品的华东地区夏季陆气相互作用模拟研究

土地利用和土地覆盖变化(Land Use and Land Cover Chang,LUCC)通过影响局地陆面过程及陆气相互作用进而影响局地天气和气候。为探究LUCC产品对陆气相互作用的影响,本文采用了三套LUCC产品,包括USGS、Landsat和MODIS,模拟研究不同LUCC产品对华东地区土壤和近地面温度、湿度的影响。结果表明,不同LUCC产品的土地利用类型差异主要在城市、农田和以草地、森林为主的自然植被。与USGS产品相比,Landsat和MODIS产品的城市和森林面积分别增加了2%和15%以上,农田面积则减少了17%左右。模拟结果表明,Landsat和MODIS产品的城市面积增加导致该区域的土壤温度和湿度增加,感热通量分别增加了28.1 W·m^-2、68.3 W·m^-2,潜热通量分别减少了28.3 W·m^-2、81 W·m^-2,这使得2 m气温增加了1.5℃左右,相对湿度减小了约9%。USGS产品中的农田和草地在Landsat和MODIS中改变为森林也使得土壤温度、湿度和近地面能量通量、温...     

不同土地利用数据对中国西北地区风速模拟的影响

基于中尺度数值模式WRF,利用2015年7月和12月国家基本气象站观测的10 m风速资料、MODIS卫星遥感反演的IGBP土地利用数据和WRF模式自带的USGS土地利用数据,研究了不同土地利用数据对WRF模式在西北地区复杂地形条件下10 m风速模拟的影响。结果表明:(1)使用IGBP土地利用数据能有效改进模式10 m风速逐日变化和随不同预报时效变化的模拟效果。其中对2015年7月和12月模拟效果均有改进,且对12月10 m风速改进更加显著。(2)IGBP土地利用数据对西北地区不同区域风速数值模拟误差改进不同,主要改进区域位于甘肃河东、宁夏北部和陕西南部地区。(3)使用IGBP土地利用数据对模拟10 m风速的改进可能是由于其对地面粗糙度数据的改进。     

两种边界层参数化方案和下垫面信息对一次暴雨过程模拟的影响

基于中尺度大气数值模式WRF,检验分析YSU和MYJ两种边界层参数化方案和分辨率分别为1 km(称为USGS)和500 m(称为MODIS)的两类下垫面资料对2014年5月9—12日青岛一次暴雨过程模拟的影响。分析表明,YSU和MYJ方案都能模拟出强降雨带的位置和强度,MYJ试验对大雨TS评分高达0.88,YSU对暴雨TS评分为0.65;和USGS试验相比,MODIS试验提高了暴雨的TS评分,提高率为6.2%,但对大雨仍易空报。YSU、MYJ和MODIS试验较好地模拟了2 m气温、10 m风向。YSU模拟的2 m气温准确率是降雨前优于降雨开始后,MYJ则相反;MODIS试验预报沿海地区气温偏高。和USGS相比,MODIS提高了近地面风速和风向的模拟精度。总体上,所有试验方案对所考虑气象要素的模拟,基本上是内陆站准确率高于沿海站,YSU优于MYJ,MODIS优于USGS。     

里下河地区下垫面变化对降水、气温、风速的影响

近年来,随着苏北地区经济和城市的快速发展,土地覆盖状况发生了显著变化,其中尤以城市化扩展为主。为了分析下垫面变化对天气过程的影响,特别是对降水过程的影响,采用中尺度WRF3.4/Noah/UCM模式,对苏北里下河地区2005年8月6日的一次强降水过程进行了模拟,其中通过改变模式的下垫面特征,设置了三种敏感性分析试验,分别是USGS土地利用类型(CASE1)、修正后的MODIS土地利用类型(CASE2)和城市极端扩张后土地利用类型(CASE3)。研究结果表明,修正后的MODIS土地利用类型数据(CASE2)更能真实地反映里下河地区的下垫面结构,与实测值对比后发现模拟的降水、气温和风速等气象要素更为准确。通过将CASE2、CASE3与CASE1的模拟结果对比发现,城市下垫面增加后会使城市气温明显增加,上空的风速减小;白天地表感热通量增强,潜热通量减小,夜间延长了感热通量由正变负的时间;边界层高度被抬升,在中午前后分别被抬升了近45 m和100 m左右;垂直速度和散度值增大,大气低层的扰动位温增加,云水混合比和雨水混合比均增多。以上这些条件均有助于对流降水天气的发生、发展。     

贵州省本地化温度客观订正算法探究

利用2019年4月1日—7月31日的0～240 h欧洲中期天气预报中心2 m温度预报和2019年4月1日00时—7月31日00时贵州省境内364个自动气象观测骨干站点的温度观测资料,分别基于时间持续偏差订正(滑动平均)和类卡尔曼滤波的递减平均统计降尺度方法构建单模式的温度订正方案和客观算法模型,进而对欧洲中心2019年7月1日—7月15日的2 m温度预报进行客观订正。结果表明:时间持续偏差法构建的方案对订正效果不好,平均绝对误差值(MAE)均比原始数值预报大。相比之下,采用类卡尔曼滤波的递减平均统计降尺度方法构建订正方案对部分站点的预报有着非常显著的订正效果,平均绝对误差值在大多数时效上比数值预报本身小,且经过参数优化方案之后,又进一步提升了订正效果。订正模型的训练方案仍然有很大的改进空间,有望提高有效订正站点的数量。     

土地利用资料的更新对四川盆地高温天气数值模拟的影响

土地利用情况影响区域天气和气候,采用与实况更为接近的下垫面资料能够为数值预报提供有力支撑。使用中尺度数值模式WRF对2019年8月四川盆地高温过程进行数值模拟试验,对比基于2019年更新的MODIS土地利用数据与WRF自带土地利用资料的差异,分析下垫面资料的更新对数值模拟效果的影响。结果表明：两组土地利用资料存在明显差异,更新后的MODIS资料刻画更为精细,模拟区域的土地利用类型更加丰富。2 m气温对土地利用资料十分敏感,更新土地利用资料后两次个例平均的2 m气温2℃以内的模拟准确率提高6.2%,日最高气温模拟准确率提高31.3%;而日最低气温模拟准确率下降2.1%。土地利用资料变化明显的四川盆地内部较更新前增温明显,局部增温超过4℃,最高气温模拟偏低的状况明显改善。选取四川盆地内部地表类型由农田转为城市和建筑的合川站作为典型站点进行分析,发现土地利用类型更新后发射率减小,植被气孔阻抗增大,粗糙度增大,陆面参数的变化导致地表对边界层大气向上的感热输送增加,地表蒸发及大气水分供应减少,气温升高,边界层高度升高。模拟初期土地利用资料的更新造成模拟差异的局地性较强,随着模拟时间增加,逐渐影响...     

基于垂直温度梯度对WRF-RUC模式山东2 m温度订正研究

为了减小观测站实际地形高度与对应模式地形高度的差异给2 m预报温度带来的误差,基于垂直温度梯度设计两种订正方案:第1种方案假定整层大气温度垂直梯度为-0.006 5℃·m-1;第2种方案计算了距离观测站实际地形高度最近的两层模式温度间的垂直梯度。利用两种方案对天气与预报快速跟新循环(简称WRF-RUC)模式2016年10—12月山东逐日2 m预报温度进行订正并对比订正前后的预报效果,对高度差异最大的泰山站2 m预报温度的订正效果进行研究。结果表明:(1)山东大部分观测站的实际地形高度与对应模式地形高度差异较小,导致两种方案订正效果不明显;(2)对泰山站2 m预报温度的订正,第1种方案在预报前期有正效果,在预报后期出现负效果;第2种订正方案在整个预报时段呈现正效果;(3)WRF-RUC模式2 m预报温度存在负的系统偏差,导致第1种方案在预报后期对泰山站2 m预报温度的订正存在负效果,第2种方案有效克服了逆温影响,对泰山站2 m预报温度的订正效果更优。     

冬季黔北境内云贵准静止锋影响下最高气温预报订正方法研究

本文为探索静止锋位于遵义上空不同位置时,各城镇精细化预报考核站点当日高温的规律,通过普查2009至2020年12月到次年2月间14时、17时地面天气图,并结合探空资料、卫星云图等资料,筛选出云贵准静止锋（以下简称为静止锋）位于遵义境内时的所有个例,分型统计不同类型个例对应的白天最高温、EC2m温度预报数据,EC细网格850hPa温度,计算不同温度预报方法下的准确率,并分析是否可继续订正。结果表明：（1）离锋面越远,温度的预报准确率越高,基于客观预报方法的可订正性越强,实际业务中可以参考本文分析得到的各站点数据。（2）当静止锋呈Ⅰ1型时,遵义市西部站点用EC预报当日20时的850hPa温度进行预报（以下简称850hPa温度预报方法）准确率较高,北部、东部站点可用EC2m最高温度进行订正（以下简称2m温度订正方法）。（3）当静止锋呈Ⅰ2型时,可以同时参考850hPa温度预报方法和2m温度订正方法,订正后准确率高。（4）当静止锋为Ⅱ2型时,对于离锋面较远的东部、南部可着重使用2m温度订正方法。     

一个简单的格点温度预报订正方法

格点气象要素预报是中国气象局目前的主推业务和未来天气预报的发展方向。本文基于欧洲中期数值预报中心ECMWF高分辨率模式2 m温度预报资料,在传统中央气象台站点温度指导预报SCMOC和回归方法建立的站点温度预报的基础上,提出"站点订正值向格点传递"的方法来订正格点温度预报。结果表明:(1)SCMOC站点最高、最低温度24~168 h预报误差2℃准确率分别平均高于ECMWF的10.0%和23.1%,ECMWF存在较大的系统性偏差,最低温度预报偏高,最高温度预报偏低。(2)"站点订正值向格点传递"方法能够订正模式格点温度预报的系统误差,且整体上不改变原ECMWF温度预报场的空间形态和原模式对地形的刻画特征。(3)利用研究区域内98个县级站SCMOC温度预报,订正ECMWF格点场,返回到区域内1289个乡镇站进行检验,结果24 h最低、最高温度1℃的准确率较ECMWF分别提高22.8%和11.9%,2℃的准确率则分别提高29.7%和17.4%。最低(高)温度绝对误差平均减小0.99℃(0.69℃),平均误差(ME)下降到0.7℃(-0.9℃)以内。(4)通过一元线性回归,得到98个县级站的温度预报,返回差值场来订正格点场,也能较好地订正ECMWF的系统性误差。对比两种方法,SCMOC差值传递在最低温度订正方面有较大的优势,而回归方法的最高温度订正效果较好。此外,回归方法能够较好地改善逐时温度预报效果。该方法已成功运用于陕西省精细化格点预报业务系统中。     

天山山区夏季MαCS时空分布特征

利用常规观测、FY-2E卫星及EC-Interim 0.5°×0.5°再分析资料对2010-2014年夏季天山及其两侧地区α中尺度对流系统(MαCS)的时空分布特点进行分析,并对典型个例的云图特征和环境条件进行了深入的探讨。结果表明:(1)6月为MαCS出现的高发期且椭圆形MαCS占多数。MαCS形成和发展期主要集中在午后和后半夜,消亡于前半夜,三个时期最易发生时间依次滞后大约2 h,圆形和椭圆形MαCS日频次分别呈单峰和多峰型变化分布。MαCS生命史主要为3~6 h,其中6月生命史分布较广,7-8月较集中;大部分椭圆形MαCS较圆形MαCS生命史和消亡阶段长,圆形MαCS在形成阶段维持时间较长。(2)MαCS多生成于山边平原或浅山区,并在山区主脉上空形成直至成熟,在河谷和山脉两侧的平原区消亡。MαCS成熟期冷云盖长轴长度集中在500~800 km,云顶面积随MαCS出现频次增加而逐渐减小。圆形MαCS发展期移动缓慢,成熟后移速加快,椭圆形MαCS始终移速较慢。MαCS云团TBBmin呈现单峰型且近似正态分布,圆形较椭圆形MαCS的TBB平均梯度大。(3)天山山区MαCS的形成主要是通过层云中多个独立的β中尺度对流云团合并形成。MαCS易发生在高层急流带的抽吸区以及中层低槽前部的辐合上升区,中低层西南和西北气流携带的充沛水汽在大气不稳定层结、不稳定能量持续聚集的背景下辐合上升,促使MαCS不断发展。     

基于不同分辨率和参数化方案的新疆区域数值模式性能初步评估

基于中尺度数值模式WRF,选取新疆两次强降水过程,设计3个试验方案,其中试验1为控制试验,试验2提高分辨率,试验3提高分辨率并调整物理参数化方案,初步评估不同分辨率和参数化方案对新疆区域2m温度、10m风速、降水预报的影响。结果表明:(1)提高分辨率对2m温度、10m风速模拟精度均有提高,2m温度预报精度提高约0.5℃,降低了日间温度模拟冷偏差;10m风速预报精度提高约0.5m/s,降低了风速模拟正偏差;但提高分辨率后,模式出现虚假降水预报的情况。(2)提高分辨率并调整物理参数化方案后,2m温度模拟误差略有减小,模拟偏差减小约0.2℃;10m风速模拟误差增大约0.5m/s,模拟偏差增大超过0.5m/s;对降水落区、量级的模拟精度显著提高,减小了降水中心的模拟强度,对虚假降水预报有一定修正。     

基于卫星遥感的新疆地表太阳总辐射估算

为了实现地表太阳总辐射合理的精细化模拟,本文尝试将天文辐射分布式理论模型和总辐射气候学经验模型相结合,引入重采样后的FY-2G卫星遥感总云量资料,建立了基于卫星遥感数据的地表太阳总辐射估算模型,并以气象站点稀疏的新疆为例,完成年、季地表太阳总辐射的精细化空间模拟,同时对模拟结果进行分析和检验。结果表明:(1)新疆区域年天文辐射量由南向北递减,大致以天山为界,天山以南区域的年天文辐射量高于10 000 MJ·m^-2,天山以北低于9750 MJ·m^-2,三大山脉对天文辐射的影响非常明显;(2)基于条带状重采样后的FY-2G总云量建立的日照百分率模型,其模拟的新疆区域平均绝对误差14.4%,且空间分布更加客观;(3)新疆"单站单月式"地表太阳总辐射气候学估算模型中,相关系数在夏半年较高,冬半年略有下降,且a、b系数的互补关系较为稳定;(4)从地表太阳总辐射检验结果来看,全区地表太阳总辐射的均方根误差年平均3.08 MJ·m^-2,模拟结果夏半年好于冬半年,南疆好于北疆,其中乌鲁木齐误差最大;(5)新疆年地表太阳总辐射整体表现为由西北向东南逐渐增加的空间分布,南疆盆地的总辐射量高于北疆盆地,天山山区西部为低值中心,而春、夏季总辐射由西向东呈经向分布,秋、冬季则呈纬向分布。     

新疆夏季对流性降水时空分布特征及成因分析

利用1979—2016年ERA-Interim再分析数据对新疆地区夏季对流性降水的时空分布特征及环流成因开展了研究。结果表明:(1)新疆夏季降水主要集中在山区,对流性降水占总降水的比例在50%上下,在大部分盆地地区,对流性降水占比达70%以上;(2)对流性降水EOF第一模态表现为塔里木盆地西侧山区和伊犁及天山北麓的反相位变化,这种分布在21世纪00年代以前存在5年和10年左右的周期,而从1995年开始出现突变。而大范围降水塔里木盆地南侧山区和天山区域是同相位的空间型分布;(3)水汽条件和层结不稳定条件的差异共同作用导致了塔里木盆地西侧和伊犁两个地区夏季对流性降水反相位的变化。     

兰新高铁挡风墙防风效果分析评估

基于2012年6月至2013年5月兰新第二双线DK1518、DK1527两处高铁沿线挡风墙实验段8个梯度风逐时观测资料,通过对挡风墙外环境风和挡风墙内不同位置、不同高度风的监测资料对比分析,对挡风墙的实际防风效果进行总体评估。结果表明:挡风墙对环境风速、风向都有明显的改变,环境风吹至挡风墙遭阻挡翻越后,高于挡风墙顶部的风速增大,而低于挡风墙高度位置的风速呈明显减小,距离挡风墙越近风速衰减越明显,验证了挡风墙的防风效果。不同级别的大风情况下挡风墙防风效果依然显著,在挡风墙内的中下部区域对环境风速的减小可达72%。挡风墙对风向的阻挡作用表现为:低于挡风墙高度的低层位置(车体底部、车体中部)风向明显改变产生了绕流,而高于挡风墙的高层位置(接触网悬挂处、接触网导线),风向受挡风墙影响较小,与墙外环境风向基本一致。     

花后持续干旱对玉米生理参数及产量的影响

为研究玉米开花后的持续干旱对其生理过程及产量的影响,采用在玉米灌浆阶段持续控水的方式开展干旱胁迫试验,对主要光合参量(净光合速率P_n、蒸腾速率T_r)、光响应参数、水分利用效率(Water Use Efficiency,WUE)及产量结构进行观测和计算,分析它们对干旱的响应特征。结果表明:玉米花后干旱可导致P_n、T_r、WUE以及最大净光合速率(P_nmax)随干旱持续时间延长而减小,干旱持续15—27 d,1200μmol·m^-2·s^-1光强处P_n和T_r减小幅度分别由50. 0%增大到75. 1%、71. 7%增大到83. 6%; WUE和P_nmax减小幅度分别由21. 7%增大到47. 9%,由50. 9%增大到73. 2%;玉米百粒重和茎秆重分别显著减小11. 6%和23. 2%,果穗长、果穗粗和籽粒与茎秆比没有明显受到影响,秃尖比和株籽粒重虽有大幅增大和减小,但并不显著;研究时段内干旱导致玉米减产11. 7%。     

基于Landsat遥感影像资料的新疆阿尔泰山圆叶桦的空间变化特征

利用1990、2000、2013年6-9月阿尔泰山地区Landsat遥感影像资料,综合运用遥感技术及相关分析方法,研究近24 a阿尔泰山圆叶桦的空间分布及其动态变化。结果表明:(1)阿尔泰山圆叶桦主要分布在86.5°E-89.5°E、47.6°N-49.2°N,近24 a来阿尔泰山圆叶桦的分布面积整体呈增长趋势且幅度较大,增长速率较快;(2)圆叶桦主要分布在海拔2000~2400 m之间,其分布高度随时间整体呈上升态势,上升速率为0.87 m·(10 a)^-1;(3)圆叶桦主要分布在阴坡,占比达58%,近24 a来随着海拔上升在阳坡的分布逐渐增加、阴坡相反。     

东北地区气温演变的一致性与局地性特征研究

选取中国东北区域162个气象站1961—2015年地面气温资料,采用多种统计方法分析了近55 a东北地区气温的一致性和局地性演变特征。结果表明:东北地区年平均气温存在较为良好的空间一致性,"全区一致型"气候类型为东北地区最主要气候形态;第一旋转载荷向量时间系数呈上升趋势亦存在较明显2—7 a的周期,说明北部地区气温受全球变暖、ENSO等大尺度气候背景影响显著; 1961—2015年北部区域以0. 34℃/10 a的升温率高于南部区域的0. 26℃/10 a,但1980年后增温趋势减慢;年平均气温的概率曲线随年代整体向高值区移动,北部区域冬季增暖较为显著,南部区域冬夏均较为明显,春秋季节可能有缩短趋势。     

雷达径向速度资料同化中不同坐标转换方案的对比试验

利用江苏省气象局与美国强风暴实验室联合开发的高精度数值分析及预报系统(Precision Weather Analysis and Forecast System,PWAFS)对雷达资料同化中径向速度资料的两种坐标转换方案进行对比分析。Grid方案将雷达径向速度资料通过最小二乘法从极坐标映射到模式三维网格;Tilt方案将雷达径向速度资料通过双线性插值在水平方向插值至标量水平网格,但在垂直方向不进行插值,保留在雷达仰角对应的高度上。两种方案对反射率资料的处理均是插值到模式三维网格点。Grid方案在近雷达处进行平滑,在远雷达处进行插值,会导致低层数据平滑,Tilt方案减少了雷达径向风观测垂直插值引发的误差,更多的保留了雷达观测的特性。本研究分别通过龙卷、大风及梅雨锋暴雨个例对这两种方案的同化结果进行对比分析。龙卷个例中Grid方案得到了部分虚假的较大的同化风场,Tilt方案结果清楚展示了龙卷发生位置的回波及流场的精细结构。大风个例中两种方案得到的最大风速值差3 m·s^-1,Tilt方案的结果更接近观测最大风速值,且得到的大风速区分布更符合观测。梅雨锋暴雨个例中Grid方案对东北及西南两个区域的大风速区均未能很好的反映,Tilt方案得到的水平风速大值区范围明显优于Grid方案。在靠近雷达中心的低层,观测资料密集,Tilt方案能够更好的反应实际大气状态。但是因为缺乏其他观测资料进行验证,两种方案的效果还需要利用数值预报或其他方法进行对比。     

基于地基观测的成都彭州气溶胶光学特性研究

利用2017年成都市彭州地区CE318型太阳分光光度计的观测数据,反演了该地区的气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)、Angstr?m指数(α)和大气浑浊度(β),分析了AOD与α、β以及可吸入颗粒物(PM₁₀、PM_(2. 5))之间的关系。结果表明:AOD表现出冬季>春季>夏季>秋季的季节变化特征,高值主要出现在冬、春季,低值主要出现在夏、秋季。Angstr?m指数在全年的波动不大,月平均值为1. 22±0. 19,低值出现在春季,高值出现在夏季。除了冬季,在其他季节观察到和Angstr?m指数具有相同的月变化趋势。AOD与β之间具有较强的相关性,但与PM₁₀、PM_(2. 5)的正相关关系表现偏弱。该地区气溶胶光学特性受北方沙尘的影响并不明显,但受到人类活动的影响显著,该地区主控态气溶胶是以细粒子为主的城市—工业型气溶胶类型。