边界层微型火箭气象探空系统研制与应用

首次介绍了国内自主研制的边界层微型火箭气象探空系统,系统包括火箭发射装置、探空仪、降落伞、地基接收设备和数据接收处理软件,其温度、湿度和气压测量采用数字式传感器,风速和风向由北斗/GPS全球定位信息获得。火箭升空至顶点后,将探空仪和降落伞从仪器舱弹出,在下降过程中测量大气的温度、湿度、气压和风速、风向等参数,通过无线发射机传送至地面接收机,由处理软件实现数据存储和参数分析。不同地区、不同气象条件下多次外场比较试验和实际应用结果表明,该系统性能稳定,探测技术指标和功能满足使用单位的设备研制要求,可应用于气象保障、大气探测、环境监测及海洋气象要素廓线的观测。     

CMA-GFS全球模式海洋边界层高度的主要偏差特征

海洋边界层高度是表征海洋上空大气的水汽、热量、物质等垂直分布的重要特征量,同时在气候、污染、模式预报上有关键作用。然而,利用海洋边界层高度观测对数值天气预报模式进行诊断的研究很少。因此,本文利用2019—2020年GPS掩星资料计算出的海洋边界层高度的分布特征,对CMA-GFS全球模式的预报性能进行分析,同时借助ERA5再分析资料对CMA-GFS模式的偏差进行讨论。主要结论如下：(1)CMA-GFS全球模式在西太平洋、南太平洋、南大西洋绝大部分海域预报的边界层高度比较合理;(2)模式在热带辐合带海域和南太平洋辐合带存在高估预报,初步分析与模式对热带深对流的抬升凝结高度的预报偏高有关。(3)模式和ERA5在南半球层积云所在区域均存在边界层高度预报偏低,初步分析可能是模式对南半球层积云顶辐射冷却驱动的湍流扩散偏小造成。(4)模式在有云的大气下主要呈现为预报偏高,中心值在200 m左右,而在晴空区域模式预报较为合理,偏差值范围较小,ERA5也存在类似的特点。     

下投式探空资料对Debby飓风路径预报影响的数值试验

在飓风路径的数值预报中，对于初始场的要求很高，然而，由于初始资料的缺乏，经常导致路径预报的误差较大，尤其是当飓风处于远离陆地的海上时，这种误差更大，通过利用UM模式在Debby飓风活动期间，对下投式探空仪所获取探空资料，采用不同使用方案的三个时次共计10次数值试验的结论分析，给出一些有意义的 结论，即非实时资料对实时资料的有效补充，能够提高飓风路径预报精度，而在众多气象要素场中，风场和湿度场对飓风路径预报的影响更大。     

相干多普勒测风激光雷达反演厦门市风场及边界层高度的可靠性分析

利用2019年11月5日至12月13日厦门国家高空气象观测站的无线电探空仪数据和同期布设的多普勒测风激光雷达资料,对比分析二者的风速风向和通过梯度法反演的边界层高度.结果表明:(1)风速和风向的决定系数R2分别达到0.91和0.98,一致性良好,450～1300 m高度范围内,对比效果最佳;(2)利用探空数据的温度廓线...     

基于频谱补偿和数值模拟技术的江苏近海大气边界层百米高度处极端风速研究

在平均风速基本满足近海风力发电需求的前提下,近海大气边界层百米高度处极端风速的合理估算成为中国海上风电开发领域的研究热点。与低纬度海域台风极端风速的广泛研究不同,由于缺乏有效的技术手段,对于台风影响相对较少的中纬度海域,极端风速的科学认识明显不足。研究以江苏近海为例,通过频谱分析技术,定量刻画了数值模拟风速能谱在高频波段的能量衰减和截断特征;进而利用风速能谱曲线在频率域的积分及其在高频波段的补偿,实现无观测区域年最大风速的估算。与台风风场数值模拟技术相结合,综合考虑了中国中纬度海域受寒潮大风和热带气旋大风影响的复杂、特有气候特征,建立了一套可推广应用的近海大气边界层百米高度处极端风速估算的新方法。据此推算了江苏近海100 m高度处50年一遇的极端风速。结果表明:受寒潮大风影响,江苏北部海域的50年一遇风速超过40 m/s;少量北上的热带气旋则造成响水和如东附近海域40 m/s,甚至44 m/s以上的50年一遇风速;中部盐城附近海域的50年一遇风速则普遍低于35 m/s。研究成果不仅为该海域近海海洋工程的开发设计及安全运行提供重要的科学支撑,同时也有助于加深对中国极端气候事件的科学认识和大气边界层科学理论的发展。      

城市边界层高度变化特征与颗粒物浓度影响分析

利用2007年以来西安郊区泾河观象台大气细颗粒物质量浓度资料和气象自动站资料以及探空资料,采用国标法、罗氏法和位温法三种不同方法计算边界层高度。结果表明,三种方法得到的结果有一定差异,但日变化分布一致,可以用于分析边界层高度变化特征。边界层高度季节变化明显,春、夏、秋和冬季边界层高度分别是1300,1200,820和800 m。边界层日变化与颗粒物浓度呈显著负相关关系,即冬季边界层顶高度低,三种粒径颗粒物质量浓度高,夏季则相反。PM2.5、PM1.0、PM1.0分别在PM10、PM2.5、PM10含量中有明显月变化,表明西安除了本地污染源之外,春季易受上游风沙天气影响。     

极端干旱区边界层高度与干湿的气候变化特征及相互关系分析

利用1950～2019年ERA5再分析数据,分析了极端干旱区边界层高度(Boundary Layer Height,BLH)和气候干湿因子(干燥度指数,Aridity Index,AI)的时空变化特征及相互关系.结果表明:BLH年均值为695 m,呈现东高西低的分布特点,BLH在东部升高、西部降低.AI均值为0.03,...     

COSMIC反演精度和有关特性的检验

COSMIC是一个由6颗低轨卫星组成的用于天气、气候和电离层观测的空基GPS星座观测系统, 从2006年9月开始每天可提供覆盖全球的约2000~3000个掩星点, 掩星过程可提供从40 km高空到近地面的大气温、压、湿的廓线资料。为了有效利用这些资料, 以探空资料为基准, 对2007年1-10月我国及邻近区域的COSMIC掩星资料进行精度、可用性和全天候性的检验。结果表明: COSMIC反演的温度和折射率的精度很高, 水汽压的精度相对较差。与NCEP/NCAR再分析资料相比, 折射率和湿度廓线有更高精度。     

北京地区日最大边界层高度的气候统计特征

使用北京气象站探空观测数据和地面气温观测数据,以干绝热曲线法估算1984~2013年逐日最大边界层高度,同时计算对应的边界层平均风速和通风量。统计分析这3个边界层参量的平均特征,并利用2001~2012年的空气污染指数(API),探讨大气污染与边界层参量的关系。结果表明:(1)日最大边界层高度的30年月均值以春季和夏初(3~6月)最高,约1600 m;夏季和秋初(7~10月)次之,约1300 m;冬季(11月、12月和1月)最低,约1000~1200 m。(2)夏季,日最大边界层高度不同数值的频率大致为对称分布,峰值处于1000~1600 m范围;秋、冬季,频率分布系统性地向低值一方偏斜,600~800 m的出现频率大大增加;春季边界层高度的变化极大。(3)各季边界层平均风速以夏季为最小。(4)一年中春季通风量最大,秋季次之,冬季较低,夏季最小。(5)秋、冬季,北京中度和重污染个例(API200)集中分布于弱风、低边界层和小通风量条件,反映污染物局地累积的作用;春季污染个例半数以上以高风速、高通风量为特征,反映沙尘类外部输入性污染的作用。     

利用GPS Dropsonde资料研究“龙王”台风的结构特征

"龙王"台风是2005年登陆中国的典型强台风。在海上观测资料较为稀缺的情况下,应用DOTSTAR(Dropsonde Observations for Typhoon Surveillance near the Taiwan Region)对"龙王"不同发展时段的两次GPS Dropsonde观测资料,对其动力、热力及非对称结构的变化情况进行分析。结果表明,第二次观测到的"龙王"无论在动力结构还是在热力结构上都较第一次观测有所发展,显示"龙王"强度压缩增强。进一步研究表明,环境垂直风切变是造成台风结构不对称分布的主要原因,较大的垂直风切变不但导致台风产生明显的非对称性结构,而且不利于台风的进一步增强。     

VARIATION CHARACTERISTICS OF THE PLANETARY BOUNDARY LAYER HEIGHT AND ITS RELATIONSHIP WITH PM2.5 CONCENTRATION OVER CHINA

The planetary boundary layer height (PBLH) was calculated using the radiosonde sounding data, including 120 L-band operational sites and 8 GPS sites in China. The diurnal and seasonal variations of PBLH were analyzed using radiosonde sounding (OBS-PBLH) and ERA data (ERA-PBLH). Based on comparison and error analyses, we discussed the main error sources in these data. The frequency distributions of PBLH variations under different regimes (the convective boundary layer, the neutral residual layer, and the stable boundary layer) can be well fitted by a Gamma distribution and the shape parameter k and scale parameter s values were obtained for different regions of China. The variation characteristics of PBLH were found in summer under these three regimes for different regions. The relationships between PBLH and PM2.5 concentration generally follow a power law under very low or no precipitation conditions in the region of Beijing, Tianjin and Hebei in summer. The results usually deviated from this power distribution only under strong precipitation or high relative humidity conditions because of the effects of hygroscopic growth of aerosols or wet deposition. The OBS-PBLH provided a reasonable spatial distribution relative to ERA-PBLH. This indicates that OBS-PBLH has the potential for identifying the variation of PM2.5 concentration.     

基于微波辐射计和气溶胶激光雷达的边界层高度研究及应用

分别基于微波辐射计温湿度廓线资料的气块法、位温法和比湿法,地面气象资料的罗氏法及气溶胶激光雷达数据的梯度法,计算得出广州地区大气边界层高度,对比分析5种边界层高度结果及其与气象条件、空气质量之间的关系,结合典型大气污染过程分析边界层高度对PM_2.5、O₃浓度的影响。结果显示：(1)利用位温法、气块法、罗氏法、比湿法和梯度法计算得出广州地区平均边界层高度分别为2 207 m、1 239 m、901 m、717 m和660 m,位温法显著高估了广州地区的边界层高度;(2)利用气块法得出的混合层高度日变化能够较好地表征白天大气边界层演变特征,利用气块法和比湿法得出的白天混合层高度与近地面O₃浓度有显著的正相关关系,相关系数在0.5以上,在O₃污染防治中,应同时考虑边界层内垂直输送的影响;(3)利用梯度法得出的边界层高度在污染天气时与PM_2.5浓度的相关性较好,能较好地表现出大气污染情况,在PM_2.5污染天气过程分析中具有较好的应用价值。     

茂名近海、近岸及陆地站点气象要素对比分析

基于广东省茂名近海海洋浮标站、近岸海上平台站以及陆地电白基准站1年的观测数据,对比分析了风速、风向、温度和湿度的变化特征。(1)三个站点全年的主导风向均呈双峰状,只是主导风向有差异,海洋浮标站和海上平台站以东北风为主,偏南风为辅;而电白基准站主要是东北风和东南风。三个站点的月平均风速最小值都是在8月;最大值海洋浮标站出现在1月,海上平台站为11月,而电白基准站为4月。(2)电白基准站和海上平台站温度年平均日变化呈现出“一谷一峰”型特征;海上浮标站早上有一个低谷,但是峰值不太明显。三个站点月平均温度都是上半年呈上升趋势,下半年呈下降趋势。海洋浮标站纬度更南,受到陆地影响最小,全年高温持续时间最长。(3)三个站点的湿度年平均日变化都是呈“一峰一谷”型,即早晚湿度高,中午到下午低。从日变化振幅上看,电白基准站最大,海上平台站次之,海洋浮标站最小。三个站点湿度月平均都是2—8月湿度较大,最低月份出现在东北季风盛行的11—12月。海洋浮标站出现高湿度的月份最长;海上平台站因为受到陆地的影响,在中午和下午会出现较明显的低值区域。(4)受下垫面的影响,三个站点的风速、温度和湿度的日较差全年平均值,最...     

小波分析在大气边界层结构研究中的应用实例

将小波分析的方法应用于大气边界层风、温场结构的研究,表明了这种方法应用于大气边界层研究的优越性。小波分析方法与谱分析方法,多尺度分析方法可以互补。当研究不同尺度湍流的串级过程和突变气象场的位置时,小波方法更为优越。     

沂蒙南部山区冬季大气边界层风、温场结构特征研究

利用现场低空探测所获得的实测资料,分析了沂蒙南部山区冬季大气边界层内的风、温场垂直分布特征以及随时间的演变特征。     

HEIGHT OF ATMOSPHERIC BOUNDARY LAYER AS DETECTED BY COSMIC GPS RADIO OCCULTATION DATA

The characteristics of the atmospheric boundary layer height over the global ocean were studied based on the Constellation Observation System of Meteorology, Ionosphere and Climate (COSMIC) refractivity data from 2007 to 2012. Results show that the height is much characteristic of seasonal, inter-annual and regional variation. Globally, the spatial distribution of the annual mean top height shows a symmetrical zonal structure, which is more zonal in the Southern Hemisphere than in the Northern Hemisphere. The boundary layer top is highest in the tropics and gradually decreases towards higher latitudes. The height is in a range of 3 to 3.5 km in the tropics, 2 to 2.5 km in the subtropical regions, and 1 to 1.5 km or even lower in middle and high latitudes. The diurnal variation of the top height is not obvious, with the height varying from tens to hundreds of meters. Furthermore, it is different from region to region, some regions have the maximum height during 9:00 to 12:00, others at 15:00 to 18:00.     

1998年台风与飓风异常成因分析

1998年,西北太平洋台风年发生频数创下14个的谷值,打破了建国以来1951年全年生成20个台风的最低纪录。而在同年,大西洋飓风发生数目却创下了14个的近年最高纪录。本文利用NCEP/NCAR再分析等资料,分析了台风发生与越赤道气流活动异常之间的关系。发现:1998年夏季(6~9月)东半球90 E～180 区间里越赤道气流明显地偏弱,而0～90 E区间里,特别是位于40～45 E的索马里急流处,越赤道气流极强,是造成1998年南海及西北太平洋台风发生数目特少的重要原因。而1998年大西洋飓风发生数比气候平均发生数目明显偏多以及当年强烈飓风造成重大灾害的主要原因,也正是由于1998年夏季40 W及75 W处越赤道气流异常强劲所引起的。     

局地环流与大气边界层湍流相互作用的数值研究

本文建立了一个二维定常大气中尺度数值模式，并用该模式讨论了由下垫面粗糙分布非均匀（局地动力强迫）和温度分布非均匀（局地热力强迫）而产生的局地大气环流与大气边界层湍流的相互作用。结果指出：下垫面存在温度分布非均匀时运动方程中的湍流交换项与水平气压梯项一样可促使局地热力环境的形成，由粗糙度分布非均匀强迫产生的局地环流与由下垫面温度分布非均匀强迫产和的局地热力环流间的非线笥相互作用是通过湍流交换实现的。     

南京近郊地区初冬大气边界层风温场的探测和分析

利用现场低空探空探测所获取的实测资料,揭示了南京近郊初冬大气边界层风、温场在不同天气条件下的特征,得出了晴天温廓线日变化的模型,用谐波分析探讨了温度和风随高度分布和随时间演变的特征。