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[硕士论文] 申建华
测绘工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:地基GPS水汽反演过程中利用加权平均温度以及最终精密星历解算得到的数据精度,已经可以在数值气象预报中应用,但是最终精密星历的时延无法满足气象预报的实时性要求。基于通用大气加权平均温度模型获取大气加权平均温度不能在每个地区获得相同精度,会对水汽反演精度产生影响。中国水汽解算网络已经初步建立,但是基于历史原因很多站点无法获取站点地面气象要素,如若使用GPS定位中的温压模型,虽能获得相同的水汽变化趋势但是精度差异较大。本文将基于香港卫星参考站网、国家气象局布设的全国水汽站网及探空观测数据,对地基GPS水汽反演方法及影响的相关因素进行研究分析。主要研究内容如下:
  对GPS气象学的研究背景以及发展现状进行了阐述,对GPS系统应用于水汽探测原理进行了介绍,重点对利用水汽反演数据精度的可靠性进行论证分析。
  基于实时水汽反演的现实需求,利用超快速预报星历,实现了水汽反演,并对其可靠性进行了研究,结果说明利用超快速预报星历反演到的水汽反演精度与精密星历得到的结果精度相当。
  分析大气加权平均温度对水汽反演结果的影响,利用香港探空站10年探空数据资料,建立了香港地区加权平均温度模型,同常用的Bevis模型以及王晓英回归得到的经验模型进行比较分析,证明本文拟合的模型精度要明显优于上述两种模型精度,并结合GPS实测数据验证了该模型可提高香港地区的水汽反演精度。
  基于全国气象观测站网数据,建立了增加高度订正的反距离加权法内插获得实验站点的气象观测数据的方法,对分布在全国的25个内插区域中实验站点气象数据进行内插处理,并与实验站点的实测值进行比较,验证了此种方法可用水气数据反演。将本文建立的气象数据内插方法应用于香港地区,分析论证了该方法得到的气象数据参与解算的水汽值反演精度优于GPT2模型。
[硕士论文] 张自航
水利工程;水文学及水资源 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:英国山洪发生频繁,山洪的特点是流量大,历时短,破坏力强。山洪灾害在英国西南半岛每年都有发生;威尼斯(Valency)流域位于英格兰西南半岛,三面环海,出口断面为博斯卡斯尔(Boscastle)渔港,夏季多有特大暴雨,多发山洪灾害。山洪灾害的发生受水文和气象综合因素影响,成因较复杂,难以精确预报。采用陆气耦合模型进行山洪预报对山洪灾害防治与水资源合理调配均有非常重要的价值与意义。
  本文总结了威尼斯流域的洪灾成因及灾后防洪工程措施;从陆气耦合的角度构建了威尼斯流域WRF-PDM耦合模型,再现了威尼斯流域Boscastle山洪过程;为威尼斯流域的山洪预警提供了依据,也为其它无资料小流域的山洪预报奠定了重要的理论与实践基础。获得的研究成果主要如下:
  (1)威尼斯流域山洪灾害成因主要有:1)气候变化(海平面上升);2)天气(中尺度对流系统)和暴雨(强对流降雨,暴雨频率高,强度大);3)陆面条件(植被多为草本植物,截留能力低,土壤多为耕作土,自然肥力低,透水性差);4)流域特性(狭长型流域,流域面积小,河网密度大,河道比降大,地势变化快,产汇流迅速);5)人为因素(防洪工程措施不完善等)。
  (2)在威尼斯流域Boscastle山洪爆发后,水沙流体大量倾泻,伴随有滑坡和泥石流,原有的河道和坡面遭到毁坏,下垫面的地质地貌发生了很大的变化。主要干支流受到的影响是河岸的侵蚀,河床的切割,横向运动和撕裂。灾后该流域具体的防洪工程措施有:加宽加深河道,边坡加固,增加防洪涵洞数量,安装地下排水管道,增高路基等。
  (3)在降雨模拟方面,WRF对威尼斯流域暴雨的时空分布有较好的模拟能力,模拟结果与观测值一致性较好,峰值有一定差异,总量略有偏小,总体上Grell-Freitas方案不管是在降雨的时间分布上还是累积雨量上都要比Zhang-McFarlane方案模拟效果好,Grell-Freitas方案比Zhang-McFarlane方案更适合威尼斯流域的降雨模拟。
  (4)在PDM模型参数率定和参数验证方面,参数率定纳什效率高达0.88,参数验证的纳什效率系数高达0.9。表明参数率定和参数验证的结果比较理想,邻站肯恩流域的流域特性参数可移用于无资料的威尼斯流域。
  (5)使用WRF的模拟结果输入PDM进行单向耦合;不同积云对流方案中,Grell-Freitas参数化方案能很好模拟洪峰流量。利用WRF-PDM耦合模型可以实现威尼斯流域的山洪预报。
[硕士论文] 贾斌
软件工程 山东大学 2017(学位年度)
摘要:人民群众对气象数据越来越重视,对气象服务的要求也慢慢变得更细致、更个性化,公共气象服务需求和公共气象服务的质量严重影响着城市的稳定与持续发展。聊城市气象局为逐步改善气象服务与公众需求的差距问题,及时为公众传递气象服务信息,由传统向现代,由粗放走向精细的转型是贯穿聊城市智慧气象发展始终的理念。因此,有必要建设一套基于移动应用的聊城市公共气象服务平台。
  公共气象服务平台主要选用Java开发语言,MVC思想、HTML技术、SSH框架进行开发,Web端与Android端使用Restful技术,均通过JSON数据进行展现,使用MYSQL数据库存储公共气象服务数据。在公共气象服务平台的业务展现页面,主要利用Struts框架的标签库提供数据支持,内部服务处理利用Restful Client、Restful Endpoint、WebService Endpoint提供技术支撑,具体业务处理则需要调用业务逻辑组件、平台标准逻辑组件、平台Spring服务,利用Hibernate框架完成对MYSQL内数据的持久化。
  公共气象服务平台将主要分为公共气象服务与后台管理,公共气象服务则由Web端与Android端构成。公共气象服务功能主要完成地面资料查看、卫星云图资料查看、雷达资料查看、精细化预报查看、天气指数查看、闪电资料查看、空气质量查看、气候服务产品查看、预警信号查看、常规预报产品查看、地面统计查看、城镇报产品查看、气候产品查看、实况、预报预警、Android端主页。后台管理主要用于进行用户管理、访问统计、文件管理、统计图表、消息推送。
  公共气象服务平台运行后,使聊城市能够合理梳理气象灾害警报发布阶段内出现的各类情况,改善了聊城市公共气象服务的办事速度及工作质量,促进了聊城市气象台业务维护能力的提升,解决了聊城市气象服务尤其是决策气象服务的显示预警及传输问题。
[硕士论文] 邵俊
计算机技术 扬州大学 2017(学位年度)
摘要:由于气候条件的复杂性、多样性和变异性,使得天气预测的过程中存在着大量的模糊性和不确定性,从而导致中长期降雨量的预测成为了计算机预测和气象科学中的一个难点问题。虽然我国幅员辽阔,地形复杂,但降雨量的空间分布仍有一定规律。随着我国经济的快速发展,气象信息越来越受到广泛的关注,无论是人民的生活,还是经济的发展都与气象息息相关。天气预报基于卫星观测,可以较为精确地预测未来数天的风力、湿度、温度等天气状况,但是如何能够知道未来几个月甚至未来几年大概的降雨量变化状况,将是本文研究的重点。
  马尔可夫链适用于随机波动性大的预测问题,但它要求状态无后效性,对极值的预测不太理想,而组合模型可以通过结合其他算法来优化其缺陷,所以本文基于马尔可夫链的组合模型对降雨量进行预测,并提出了相应的两种预测方式,然后利用Arcgis组件设计与实现了城市降雨分布系统,主要研究工作如下:
  (1)本文提出了基于马尔可夫链和模糊集组合模型的预测算法。先将降雨量有序聚类,计算出状态转移矩阵,然后引入隶属度概念,求出每个状态对其他状态的影响值,再通过加权的方式算出预测的状态区间,最后通过模糊集公式算出具体的降雨预测值。算法取缔了传统上用的较多的平均分类,然后引入隶属度更详细的描述随机变量序列值分别属于所有状态的隶属程度,较好的减小了原来“非此即彼”思想带来的误差。
  (2)本文也提出了基于马尔可夫链和灰色理论组合模型的预测算法。该方法引入了滑动GM(1,1)模型,先通过最小二乘法求出预测函数,然后代入具体时间求出第一次预测值及其与实际值的误差,再通过误差进行分类,最后通过加权马尔科夫模型完成预测。该算法主要采用二次预测的方式,降低了偶然因素的影响,简化了建模的步骤,提高了预测的精度和速度。
  (3)本文查阅并参考国内外关于降雨分布图制作和降雨预测的研究技术,利用插值算法和ArcToolbox构建了等值模型。然后我们通过ArcGIS服务器发布地理信息服务,实现了城市降雨分布图制作的功能。最后通过加权马尔可夫算法,在系统中实现年降雨量预测并制图的功能,为人们的生产生活和有关部门的防灾减灾都提供了便利。
  通过以上研究,我们论文实现了对马尔可夫组合预测算法的优化,提高了预测的速度和精度,为长期降雨量的预测打下了坚实的基础。
[硕士论文] 戴李杰
物理电子学 浙江师范大学 2017(学位年度)
摘要:热带气旋(Tropical Cyclone,TC)是全球影响最严重的自然灾害之一。TC强度和路径的准确预报,对于减轻其带来的灾害影响至关重要。近年来,遥感卫星云图已逐渐成为监测TC的主要手段。本文基于静止卫星云图结合内核尺度和中心纬度等特征因子,利用相关向量机(Relevance Vector Machine,RVM)构建TC客观定强模型,并与传统线性回归(Linear Regress,LR)模型作对比。本文主要完成了以下三方面的研究工作:
  (1)基于静止红外卫星云图和RVM构建有眼TC客观定强模型。首先,利用高斯平滑对红外卫星云图进行去噪,然后利用基于测地活动轮廓(Geodesic Active Contour,GAC)模型的偏微分方程(Partial Differential Equation,PDE)法对有眼TC的眼壁进行分割,提取眼壁的亮温梯度信息,计算眼壁亮温梯度的最大值及梯度数据不同概率时的均值。利用RVM分别构建单特征因子、多特征因子与近地面最大中心风速的客观定强模型。实验结果表明,无论对于单特征因子还是多特征因子定强模型,RVM模型的定强误差均比LR模型小。随着特征因子维数的增加,两个模型的定强误差都降低,但RVM模型的定强误差降得更多。
  (2)以TC中心作为参考点,基于融合卫星云图和RVM构造TC客观定强模型。首先,利用拉普拉斯金字塔融合算法对红外和水汽通道的云图进行融合,从而获得融合卫星云图。然后以TC中心作为参考点,构造偏差角-梯度共生矩阵。本文利用共生矩阵中的多个统计参数结合TC内核尺度和中心纬度等信息构造与TC强度密切相关的特征因子,利用RVM建立TC客观定强模型。实验结果表明,对比各个尺度的定强误差,最优定强径向尺度距离为200km。当利用共生矩阵的9个最佳统计参数构建定强模型时,RVM模型的定强误差比LR模型小。当加入TC中心纬度特征因子后,两个模型的定强误差都降低,其中,RVM模型降低的误差比LR模型多。
  (3)以每一点依次作为参考点,基于融合卫星云图和RVM构造TC客观定强模型。基于融合卫星云图,以每一点依次作为参考点,构造偏差角-梯度共生矩阵,计算共生矩阵的统计参数阵的最小值、中值和均值。本文利用共生矩阵参数阵中的多个统计参数(最小值、中值和均值)并结合TC内核和中心纬度等信息构造与TC强度密切相关的特征因子,利用RVM建立TC客观定强模型。实验结果表明,对比各个尺度的定强误差,最优定强径向尺度距离为200km。统计参数阵的均值更适用于TC强度估计。当以每一点依次作为参考点时,定强模型的误差都小于当以TC中心作为参考点时的模型。当利用共生矩阵的9个最佳统计参数构建定强模型时,RVM模型的定强误差比LR模型小。当加入中心纬度特征因子后,两个模型的定强误差都降低,其中,RVM模型降低的误差比LR模型多。
  纵观所提出的三种基于RVM的TC客观定强方法,与LR相比,RVM模型具有更好的高维非线性处理能力和强度估计能力,并具有较强的稳定性,能对TC强度进行有效估计。
[硕士论文] 范悦敏
地质工程(气象学) 浙江大学 2017(学位年度)
摘要:本文以1984年-2013年秋冬季在西北太平洋上形成的热带气旋作为研究对象,利用NCEP/NCAR全球逐日再分析资料、OLR逐日分析资料和RMM指数以及JTWC最佳路径资料,通过滤波技术及合成分析等方法,探讨了MJO(Madden-Julian Oscillation)活动对西北太平洋秋冬季热带气旋形成发展的影响。
  秋冬季MJO在第五位相活跃的时间占不到总时间的十分之一,但与之有关的热带气旋接近半数,其中超过半数的超强台风都与之有关。滤波及合成分析的结果表明MJO为西北太平洋热带气旋形成发展提供了更有利的大尺度环境条件。受MJO的影响,热带气旋形成发展区域的大尺度环境低层气旋性辐合和上层反气旋性辐散都更显著。进一步的分析表明热带气旋相对于MJO活跃中心的位置可近可远。东移的MJO不仅通过自身的有利条件直接对热带气旋的形成发展起作用,也通过触发向西传播的双周期振荡及由东向西传播的天气尺度波列,影响热带气旋的形成发展。
[硕士论文] 王国创
机械工程 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:对于反射面天线来讲,反射面的表面精度直接影响着天线的电性能。风载作为大型射电望远镜的主要载荷之一,作用到反射面上,引起背架结构和反射面面板变形,从而导致天线反射面偏离原来设计的曲面,影响射电望远镜的观测精度。
  天线结构所受的风载荷与风速大小和面板风压系数分布有着直接的关系。一方面,风速预测作为一种提前预测的方法,通过预测下一时间段的风速大小,可以基本确定天线下一时间段能做哪些观测任务,对于天线的规划设计、运行的安全稳定性有着重要的意义。另一方面,目前国内外对于望远镜结构风载特性的研究还非常有限。通过数值模拟方法研究望远镜结构的风载特性,模拟天线在实际风场环境下的气体流动特性,提供多个工况下面板风压系数,为天线风载分析提供数据支持,具有重要工程的意义。
  本文的研究内容主要有以下四个方面:
  (1)对QTT射电望远镜台址的风速、风向进行统计分析,总结了风速的年变化规律;使用风速风向玫瑰图分析风向数据,发现了风向主要集中于正西方向(W)和正南方向(S)之间,北北东(NNE)方向的平均风速最大;使用Weibull函数描述风速分布的概率密度函数,拟合出全年以及各个月的分布参数。
  (2)采用ARMA模型,通过数据前处理、模式识别、模型阶数选取、参数估计、模型检验及修改、确定最优预测步长等步骤,根据QTT台址区域的历史风速数据进行了风速预测。采用BP网络法,通过数据归一化处理、确定网络形式、选取隐层最优神经元数、参数设定等步骤,同样进行了实例分析。对比两种方法,得出BP网络法预测精度优于ARMA模型的结论。使用一种基于预测-实测风速整体分布比例建立的方法对预测风速实行了校准,进一步提高了BP网络法风速预测的精度。
  (3)通过前处理、FLUNET软件计算求解、MATLAB数据后处理,对口径为26m、焦径比为0.3的天线结构在 B类地貌类型下进行了反射面风载数值仿真计算。将数值仿真结果与已有风洞试验数据进行了对比,验证了数值模拟方法结果的可信性。然后分析了面板周围区域的风速矢量绕流特性。最后通过对多工况下的天线面板风压进行数值模拟计算,仿真出面板风压系数分布情况,得到了分块风压系数值,为天线结构风载分析提供数据支持。
  (4)以26m口径射电望远镜的有限元模型为例,在风速为10m/s和20m/s,工况为俯仰角E=0°,方位角A=0°、10°、20°、30°、40°、45°、50°、60°、70°、80°、90°的情况下,采用CFD数值模拟的结果,将风荷加载到天线结构上。分析各个工况下结构的变形,计算得到增益损失,近似估算风载对天线电性能的影响。
[硕士论文] 邵艺
应用气象学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:霾天气已成为当今危害社会及人类安全的重大灾害性天气之一,霾发生时能见度降低,且空气中含大量污染物,严重影响自然环境和人类生产和生活。借助卫星遥感数据,充分利用卫星遥感的时效性、可靠性、监测范围广等优势,动态监测大范围霾的分布状况,可以弥补人工实地监测的不足,对于霾天气的监测预警具有重要的价值和意义。
  本文通过遥感手段对北京和南京地区不同的典型霾天气个例进行研究,基于遥感数据反演大气气溶胶状况及区域能见度变化;其次结合地面能见度观测数据及气象数据,分析遥感反演精度,验证本文反演方法在两地的合理性和适用性;同时比较两地不同霾过程变化及其成因的异同,最后结合当地交通状况尝试提出合理的管控措施,为以后两地的霾天气监测预警及交通安全运营提供一定的参考(反演比较过程时间均匹配卫星过境时间取10:00-12:00)。
  主要研究内容及其结论如下:
  (1)基于MODIS遥感数据,对北京地区和南京地区春、秋季霾天气个例进行大气气溶胶光学厚度和能见度的时空特征反演,研究结果表明:各次霾过程中的AOD变化均呈明显的“单峰型”变化特征;反演能见度与地面实测能见度的时空变化趋势基本一致;针对反演结果两者线性相关系数均大于0.5(p<0.01);城区反演能见度值与实际值偏差小(<0.5km),反演效果较好;而远离城区的郊区偏差大(>1km),反演效果较差。
  (2)对北京和南京地区春、秋季霾个例进行对比分析后发现:两地区秋季霾过程较春季持续时间长、能见度小;春季霾过程的能见度空间变化一致性较高,而秋季不同地区能见度变化存在较大的差异;能见度反演精度与霾过程发生发展的覆盖面积、严重程度以及研究区域的地理位置有关;针对北京与南京两地霾天气过程成因,主要为北京地区西北高东南低的地形特点及南京地区三面环山的簸箕形地势导致污染物易在两地堆积,同时受两地不同天气形势、污染源分布、风向风速等因素影响。
  (3)基于高速公路分布状况并结合该次北京和南京地区不同区域受霾天气影响程度的不同可以看出,北京地区东南部受霾影响严重,该区内高速公路路段分别为:京哈高速(G1)、京沪高速(G2)、京台高速(G3)以及京港澳高速(G4)等,此外,还包括北京市区的五环路;南京地区主城区及栖霞化工园区受霾影响大,位于该区域的高速路段包括京福线(G104)、山深线(G205)、南京省道高速二环(S002)、宁高高速(S104)等。
[硕士论文] 薛童
气象学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:利用WRF模式和GSI同化系统同化美国最新一代的ATMS和CrIS卫星资料,探讨卫星辐射资料同化对青藏高原天气要素预报准确性的影响。进行了四组试验模拟,即无资料同化的控制试验(CTRL)和三组同化试验,三组同化试验分别为:只用常规观测资料进行同化(CONV)、常规观测资料和ATMS卫星资料同化(ATMS)、常规观测资料和CrIS卫星资料同化(CRIS)。分析了模式对2015年1月及7月的温度场、相对湿度场和风场的预报能力,除了分析近地表2米处温度场、2米处相对湿度场及10米处风场外,也分析了高地形区域以及低地形区域不同高度层上气象要素的预报能力。ATMS和CRIS同化对青藏高原天气要素的预报效果显示,ATMS同化试验可以有效地增进7月份低地形区域的2m温度场、7月份高地形区域2m相对湿度场以及1月份高地形区域10m风场的F24H(0-24小时)、L24H(24-48小时)预报能力;CRIS同化对1月份高地形区域2m温度场F24H预报、1月份与7月份高地形区域10m风场F24H与L24H预报有改善效果。就垂直分层而言,CRIS同化试验中不管在哪个高度分层都无法有效地改进模式预报能力,ATMS同化试验则对不同分层、不同变量场有着不一样的预报效果影响。资料同化后温度场预报主要的误差来源是系统性误差,而相对湿度场和风场在同化后主要误差是由非系统性误差所造成。整体上ATMS同化试验效果优于CRIS同化试验,同化后对风场预报效果较温度场及相对湿度场要好。
  此外,对2015年7月青藏高原的降水进行分析,结果表明模式预报的月平均降水在高原的迎风侧有高估且降水带有向北移的现象,而在雨带的南侧存在降水量的低估。此外,雨影效应主要影响降水量级的预测,但主要的降水带依然可以成功预报。模式模拟的F24H和L24H的降水偏差主要高估了降水量,这与以前的研究一致。但是在7月的3-5日,13-16日和22-25日这三次强降水期间,F24H累积降水量被低估。7月3-5日模式中预报的水汽传输量比观测要小,导致模式无法准确预报强降水事件的降水量。将资料同化预报结果与CTRL比较,资料同化可以改善强降水事件的预报,尤其是ATMS更可大幅度改善降水在空间和时间上的变化。总体而言,尽管在高海拔和复杂地形的影响下,卫星资料同化可以提高2015年7月WRF-ARW模式在青藏高原上的预报水平。
[硕士论文] 陈欣昊
大气物理学与大气环境 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:在我们的认知中,霾的气象定义是悬浮在大气中的大量微小尘粒、烟粒或盐粒的集合体,使空气浑浊,水平能见度降低到10km以下的一种天气现象。已有的研究表明,霾日的发生与气候背景、局地天气条件,以及颗粒物浓度及成分的分布等有着密切的关系。
  本文评估了WRF/CMAQ模型对2014年10月至2016年3月江苏省18个月霾日日数模拟的准确性,并探讨了导致霾日预报不准确的可能原因。将模拟结果与全省72个国家级气象站的能见度、相对湿度、风速等气象要素观测数据进行对比,与环保部发布的全省64个国控监测站点的实时PM25数据进行对比。揭示了江苏省能见度、相对湿度、风速、PM25的时空变化特征,对影响霾日预报的气象要素、污染物模拟进行讨论。
  研究表明:(1)WRF/CMAQ模型中霾日预报基准量相对湿度、PM25的模拟趋势与观测比较吻合。大气能见度模拟值与观测值的平均值误差为2-5km。临海及近海城市大气能见度模拟值普遍大于观测值,均方根误差超过10km以上。(2)由IMPROVE计划得到的气溶胶消光系数计算得到的能见度参数化方案A在能见度观测值远大于10km时,其模拟值和观测值偏差较大,远远高于观测值;而改进后考虑NO2吸光作用得到的新气溶胶消光系数计算得到的能见度参数化方案B,则相对偏差则有所减小,能够更好地模拟出大气能见度的变化。(3)在江苏各地,模拟霾日均小于观测到的霾日日数,误差范围为1-60天。东部沿海城市盐城、连云港等能见度模拟存在较大峰值的城市模拟最大误差超过10km以上,模拟出的霾日数远小于观测到的霾日数,误差为30-60天。(4)本文对能见度预报可能造成偏差的原因进行了初步探讨,相对湿度对能见度预报起到重要的作用。EC、OC、水溶性离子等模拟值被低估以及相对湿度模拟值偏低,风速模拟偏大等都造成气溶胶消光系数偏小,使得能见度模拟值偏大。
[硕士论文] 李梦夏
3S集成与气象应用 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:本文针对2016年台风“莫兰蒂”,基于WRF模式,以GFS资料作为背景场,获取高分辨率的数值模拟资料。为了了解ATOVS卫星资料在台风预报中的使用效果,在上述模拟实验基础上,利用三维变分方法每隔24h循环同化AMSU-A和HIRS-4的亮温数据,形成含有中尺度信息的优化初始场,从而进行预报。对比试验结果表明:(1)同化ATOVS资料对台风初始场中的温度和水汽均有一定程度的调整,且在不同高度产生不同的影响,从而提高对台风的模拟精度。(2)对于台风路径而言,同化ATOVS资料之后,模拟的台风路径基本与观测一致,准确地再现了台风“莫兰蒂”的转向位置、登陆地点和时间以及移动速度。(3)同化ATOVS资料使台风强度模拟精度提高接近1倍,最大强度偏差减少13hPa。(4)同化ATOVS资料改善了模拟的台风在其发展初期眼区对流发展较快的特点。
  选取同化实验的模拟结果,细致地分析台风“莫兰蒂”发展过程中的垂直风切变、对流爆发和云微物理特征,探讨了快速增强的相关机理。主要结论如下:(1)台风“莫兰蒂”在相对小的垂直风切变环境下经历其快速增强过程,伴随着眼区对流爆发。在快速增强开始的时候,强对流集中在眼墙顺切变一侧或切变的左侧。随着台风快速增强,在顺切变和逆切变象限都会出现旺盛的对流,轴对称对流结构可以较好地发展。(2)在快速增强开始前6h,较高的对流有效位能促进对流爆发数的突然增长。随着垂直风切变减小,对流爆发发展迅速,引起平流层低层的暖空气向下运动,激发了对流层上层增暖从而使得快速增强开始。在此环境中,通过对流爆发作用,水凝物不断增多,大量潜热释放在对流层上层,台风暖心结构增强。此外,台风暖心与径向出流在同一高度范围内使得台风暖心结构免受环境风的破坏,这样的配置也有利于台风的快速增强过程。
[硕士论文] 韩颂雨
大气遥感与大气探测 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:华东沿海地区最常出现飑线、冰雹、台风暴雨等灾害性强对流天气。多普勒天气雷达在监测这几类天气系统上发挥着非常重要的作用。然而在预报业务中,人们大多注重反射率因子回波进行分析与应用,对于雷达径向速度资料的分析应用相对较少。本文针对上述这三类强灾害天气典型个例,通过分析雷达径向速度资料及风场反演产品,研究天气系统的三维流场精细结构。具体内容和结论如下:
  1)结合雷达、卫星及探空资料,重点分析了2014年7月27日浙江宁波地区飑线过程的天气背景和不稳定能量垂直结构特征,揭示了产生飑线天气的先兆信息。为进一步研究飑线的回波结构与环境风垂直切变的关系,利用雷达回波的垂直剖面图,对比分析了20140727宁波飑线与20140319台州飑线个例的垂直结构,发现在浙江地区,春季飑线强回波主体有向环境风方向倾斜的趋势,而夏季个例强回波主体无倾斜。暖空气入流上升后的出流方向因受高空环境风的影响而不同。春季高空风强,风速垂直切变大,入流上升后在风暴高层向前部出流,类似于中纬度引导型飑线的结构;夏季高空风弱,风速垂直切变小,入流气流上升后向风暴高层的后部出流,类似于热带传播型飑线的结构。通过分析飑线径向散度场的辐合中心,可以更准确地预测强对流的位置,同时也有助于揭示回波的生消演变规律。
  2)利用厦门、龙岩、梅州三部新一代天气雷达(CINRAD/SA)基数据,采用基于动态地球坐标系的双雷达和三雷达三维风场反演技术,分析了2016年4月8日傍晚福建省南部漳州地区出现的一次冰雹过程的回波强度、三维风场及相关物理量分布和变化。主要结果为:冰雹云初生、发展阶段,低层水平流场出现气旋性辐合,云体内部形成较强的上升运动。冰雹云强盛阶段,回波顶高度达16km,其中大于60dBZ的回波高度由5.3km发展至9km,最强回波达74.5dBZ。伴随出现最长达25km的三体散射长钉回波和32.7km的旁瓣回波。低层水平维持气旋性流场的同时,高层出现反气旋性流场。4~8km高度内,大于20m/s的强上升气流持续近37min。最大垂直速度达51.06m/s,出现在超级单体悬垂部(约7.5km高度处)。降雹时段,出现明显的下沉气流。降雹超级单体的三维流场结构表现为:风暴移向前沿低层气旋性气流进入风暴后逐渐倾斜上升,到达风暴顶形成反气旋性气流,并逐渐向下形成下沉气流。系统减弱阶段,出现系统性下沉气流,强回波底及地。双雷达和三雷达能较好地反演降雹超级单体的三维风场精细结构,有助于加深对冰雹云结构的认识进而提高冰雹预报能力。
  3)基于动态地球坐标系,利用四组双雷达反演了2016年第14号台风“莫兰蒂”的风场,并尝试进行组网拼图,得到了“莫兰蒂”较为完整的风场。拼图组网时,综合考虑反演网格点与双雷达基线的距离d、反演网格点与双雷达形成的夹角a这两个因素,来确定重叠区网格点采用哪一组双雷达反演值。分析完整的风场拼图:台风在海峡洋面上时水平风最大达70.65m/s,垂直速度最大值为15.7m/s。接近登陆时刻,水平风最大值减弱为50.15m/s,垂直速度最大值为14.13m/s,减弱不明显。登陆时刻,水平风最大为50.5m/s,垂直速度最大为14.6m/s。反演风场经过其他探测数据的验证是可信的,具有参考意义。
[硕士论文] 周勃旸
气象学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:为改善GRAPES(Global and Regional Assimilation and Prediation System)区域集合预报初始扰动场的质量,准确刻画中小尺度天气系统预报误差结构特征,提高区域集合预报水平,本文在GRAPES区域集合预报等压面ETKF(集合转换卡尔曼滤波)初始扰动方案的基础上,首先引入对流层低层大气运动信息对原方案进行优化,发展建立了与GRAPES m3DVAR系统完全一致的模式空间mETKF初始扰动方案,解决了现有等压面ETKF初始扰动方案与模式空间同化系统不协调的问题,从而更好地改善了集合扰动质量及其随预报时效增长的合理性。试验结果表明,吸收对流层低层大气运动信息后的初始扰动方案,更加合理地反映了低层中小尺度大气运动特征,显著提高了区域集合预报初始场质量。模式空间mETKF初始扰动方案对各模式物理量预报结果均有明显改善,新方案的集合预报性能在一定程度上得到提高。主要研究结论如下:
  (1)引入低层大气信息的ETKF初始扰动方案,能够合理地捕捉低层中小尺度天气系统的扰动信息、准确地描述中小尺度天气系统预报误差的结构特征;较好地改善了集合离散度,体现了集合预报的不确定性,提供了大气更多可能发生的状态。集合预报的降水预报效果及物理量场的质量得以改善。
  (2)模式空间mETKF扰动方案的集合预报在预报初始时刻扰动总能量和集合离散度更加合理,捕捉快速增长的分析误差的能力得以提高,更好地表现了预报误差随模式增长的特征。基于集合预报的各类评分优势明显,较高的可辨识度和可信度等均表明改进后的方案一定程度上提高了集合预报性能。
  (3)模式空间mETKF初始扰动方案与GRAPES同化系统更加协调,有效避免了插值误差,并进一步改善了基于mETKF初始扰动方案的区域集合预报系统的性能,为我国GRAPES-REPS业务预报系统的升级和完善奠定了科学基础。
[硕士论文] 李海鹰
电子与通信工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:广东省气候类型多样,环流形势复杂,受不同地理条件的影响,各地区都有明显不同的预报指标和方法。以前这些地区个性化的预报经验积累和分析主要是由经验丰富、工作主动的老预报员来完成,且形成的多是定性的经验和方法,较难进一步开发、利用,也经常随着老预报员的退休而不再使用。可见通过对本地预报经验积累建立一套本地化预报平台的重要性。目前广东省气象局还没有专门针对各地级市气象局预报经验积累的天气诊断预报平台,周边各市也还没有这方面的天气诊断预报平台。从国内外的研究进展来看,这方面的预报平台也比较少。本论文的主要工作是建立中山市本地化的天气诊断预报平台,来协助本地的气象预报员解决预报经验收集困难、定量分析指标缺乏、预报主观性强而客观分析弱等问题。
  本论文首先介绍了与中山市天气诊断预报平台相关的一些预报业务基础知识以及预报平台建设和设计所使用的技术路线,分析了目前国内外关于天气诊断预报系统的业务现状,从而为本项目所需要实现的功能提供依据。其次介绍了中山市天气诊断预报平台的总体框架、各项功能需求以及中山市天气诊断预报平台各项功能的设计与实现,并做了一些简单的实例介绍。通过对2001年至2010年十年间中山市出现的暴雨、高温、低温(由于时间和技术力量原因暂时只分析三种主要天气类型,未来可以增加其它天气类型)的收集分析,初步确定了各项定量分析指标。最后对预报平台的各项功能进行了测试,包括了数据库数据测试、用户控制参数及权重设置的测试、查询统计功能测试、诊断分析测试。通过测试,保证了数据入库的完整性和准确性,检验了各项功能与设计方案的一致性。并且通过对2015年11月至2016年10月一年间中山市出现的暴雨、高温、低温三种天气类型分别进行检验,证实了天气诊断预报平台的实用性,诊断分析的准确率较高。中山市天气诊断预报平台建设具有较高的实用价值,实现了预报员经验的积累,客观定量分析指标的建立,对提高气象台的天气预测水平有较大的帮助。
[硕士论文] 李爽
气象学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:本文利用2000-2014年6-8月的常规资料、FNL资料和逐时降水等资料,将东北冷涡分为北涡、中间涡和南涡,统计分析每类冷涡短时强降水特征,并进行动态合成分析,建立降水模型。另外,选取典型个例用WRF模式输出的高分辨率数据进行中尺度分析。
  统计表明,辽宁短时强降水共755次,冷涡下227次,冷涡强降水多发生在1到3小时内。6月短时强降水主要由中间涡引起,7、8月中间涡与北涡共同影响,有一定周期变化,南涡没在辽宁产生短时强降水。北涡水汽输送充沛,中间涡水汽条件较差,切变辐合场与水汽输送的结合是有利于强降水的重要因子。冷涡中心降水处在斜压区北侧和高空急流左前方,高空槽前或槽后的降水处在斜压区南侧和急流中心右后方,降水区附近多有高空急流形成的次级环流配合。槽后降水区干侵入活动明显,冷涡中心降水主要通过高位涡诱发气旋性环流而触发上升运动。
  选取发生在北涡发展阶段的典型个例进行模型验证和中尺度分析,得出环流背景与降水模型比较一致,短时强降水发生在500hPa槽前、850hPa切变线前、低空急流左侧和冷锋前部的辐合区中。下沉运动向南的冷出流与偏南暖湿入流的低层辐合及中层偏北入流和偏南入流辐合共同抬升造成了短时强降水,而且存在中尺度次级环流。最强降水中心不同时段产生降水的云物理机制明显不同。当短时强降水最强时,主要为冷云降水,雨水、霰粒子、雪粒子和冰粒子的最大中心垂直分布在同一位置,霰粒子的融化起主导作用。随着降水的减弱,冷云降水减弱,而暖云降水越来越重要。冷云降水的效率高于暖云降水,容易造成很大的短时强降水。
[硕士论文] 刘瑾
气象学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:本文利用ARW-WRF模式对2014年7月4日12:00-5日06:00发生在安徽中南部的一次由江淮气旋引发的锋面强降水过程进行模拟,得到更精细的数据与实况进行对比,从大尺度环流背景、水汽条件以及雷达回波的结构和演变都与实况有较好的一致性,并用模拟结果对气旋暖锋上出现的多个小对流带的结构与成因进行了分析。
  分析发现,模拟与实况暖锋小对流带高度均在300hPa以下,其生命史约2-3个小时,最长100km,宽10km左右,带与带间距50-100km,均随高度向东南方向倾斜。在垂直于暖锋小对流带的剖面上,对流区东部从低层到高层多对应暖空气上升;对流区西部中上层多为冷区控制;近地面则有类似冷池存在,对流带南部的上升气流有利于对流云的后向新生和形成带状结构。分析得出,小对流带上,800hPa左右暖锋锋区附近有0<Ri<1,和EPV<0区域,稳定层结内出现滚轴状风场分布,有重力波存在的结构特征,600-700hPa为对流不稳定,之后多条对流带产生,对流带间EPV>0。可见暖空气沿暖锋爬升时,在800hPa附近,由于满足条件性对称不稳定条件,触发条件性对称不稳定和重力波,暖空气继续上升时触发700hPa之上的对流不稳定,即影响本次暖锋小对流带形成的原因主要为对称—对流不稳定。
  利用Q矢量对暖锋上小雨带的次级环流、锋生与降水进行诊断,700hPa Q矢量散度辐合与水汽通量辐合的重叠区,结合次级环流的方向,受下沉气流的拖曳作用,降水落于双辐合区流场的下游。另外通过锋生函数定量分析小雨带锋生主要由倾侧项决定,进一步分析倾侧项各量值,证实次级环流带来垂直风速的水平切变对此次锋生的贡献最大,主要是通过绝热上升降温和绝热下沉增温,加大水平温度梯度造成。
[硕士论文] 李琳琳
气象学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:混合资料同化方案将变分资料同化方案框架和集合预报扰动表征具有流依赖属性的预报误差协方差的优势相结合,具有明显改善资料同化分析质量的效果,是当前数值预报资料同化发展的趋势。目前关于混合资料同化开展了诸多研究工作,取得了良好的研究和应用效果,但静态背景误差协方差和具有流依赖特征的集合预报误差协方差耦合的相关问题尚需要深入研究。本文以WRF中尺度同化预报系统为基础,针对En-3DVAR混合资料同化系统中固定背景误差协方差与集合预报误差协方差耦合的关键科学问题开展了数值预报误差的流依赖特征以及最优耦合系数、最优耦合系数的主要影响因子、自适应最优耦合系数的构建等方面的研究工作,得到了可靠的研究结论:
  (1)不同的天气形势、不同天气系统具有各自不同的流依赖特征;不同流依赖特征通常对应着集合估计的预报误差协方差和固定的背景误差协方差的不同耦合系数。
  (2)在混合资料同化中,不同的天气系统均具有对分析和预报质量改善最显著的耦合系数,即为最优耦合系数,且该最优耦合系数随不同天气系统、不同时间而变化;集合预报质量、物理参数化方案等对最优耦合系数均具有重要影响。
  (3)发展提出了自适应耦合系数的概念,基于能量标准构造的耦合系数自适应函数能够合理、有效地自动识别混合资料同化的最优耦合系数,从而实现了集合估计的预报误差协方差和固定的背景误差协方差的最合理的耦合,为充分发挥混合资料同化的潜在优势,进一步改善分析和预报质量奠定了科学基础。
[硕士论文] 高梦竹
气象学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:为加深对杭州湾影响下飑线维持机制的理解,本文利用多普勒天气雷达、常规和加密观测资料以及NCEP GFS资料,分析了2014年7月27日浙北飑线成因,并重点探讨了此次飑线过程中对流从北岸和南岸移入杭州湾的演变过程及对飑线整体发展的作用。在此基础上,还对此次飑线过程进行数值模拟和雷达资料同化试验,并开展了修改海陆下垫面类型的对比试验研究,探讨了海洋和陆地下垫面对飑线的影响。
  诊断分析表明:南北向辐合线触发新的雷暴单体生成及中等强度的深层垂直风切变,是此次飑线生成和发展的关键环境条件;飑线中对流从南北两岸移入杭州湾后强度均加强,使得飑线得到更好的维持发展;杭州湾上更好的水汽和更强不稳定能量条件,是从北岸移入杭州湾的对流单体加强并连接苏南、浙北两条线状对流,进而使得飑线持续发展的重要原因;杭州湾表面与陆地相当的温度和湿度,及海上较强的垂直风切变,是南岸入海对流强度维持,并在地面冷池和后侧入流的共同影响下发展成弓形回波,从而使飑线维持的重要因素。
  数值模拟及下垫面对比试验表明:WRF模式能够较好的模拟出本次飑线的发生发展过程,将杭州湾下垫面修改为耕地后,飑线对流强度明显增加。强度加强的主要原因归结如下:与水体相比,陆地下垫面通过影响地表通量、温湿场等热力条件,使得对流发展前期不稳定能量增强;同时近地面风场的改变导致低层垂直风切变增加,飑线内旋转上升运动增强,更利于形成内部强而稳定的垂直环流,使得飑线生成和发展阶段强度更强。由此说明,海、陆下垫面对飑线的影响是先通过改变地表通量、低层温湿场、流场等热动力条件,进而影响飑线发生发展的不稳定层结、抬升条件及环境垂直风切变条件,进一步改变飑线的中小尺度结构特征,从而使得飑线出现不同的强度变化特征。
[硕士论文] 王芳
气象学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:台前飑线是能够造成强烈天气的中小尺度天气系统,具有持续时间短、天气剧烈变化和破坏性强等特点,对台前飑线的发生、发展和维持等相关特征进行研究具有重要的科学意义和应用价值。前人研究表明,台前飑线产生和发展于明显弱于中纬度飑线的垂直风切变环境中,论文以2014年7月18日09号超强台风“威马逊”影响期间,发生在湘赣地区的一次典型台前飑线过程为例,利用实况观测资料、数值模拟、敏感性试验等,对弱垂直切变条件下台前飑线的发生环境条件、不同发展阶段的热力动力特征、垂直风切对台前飑线影响动力机制等问题进行了讨论。取得的主要结论为:
  (1)诊断分析表明,本次台前飑线中、低层的垂直风切变均明显弱于中纬度飑线。其特征主要是:台风的北上及副高的西进使得台风倒槽和副高间气压梯度增大,进而导致整个对流层低层被暖湿东南气流控制,因而垂直方向上风向、风速变化均不显著。
  (2)利用数值模式模拟了台前飑线热力动力特征:飑线初生阶段,其前部上干冷下暖湿的不稳定环境条件是其发展加强的热力因素;飑线前侧的阵锋风是其发展的动力条件。成熟阶段,飑线后侧的地面冷池范围变大、强度变强导致飑线前方的水汽及能量补给减弱;同时飑线后部中层干冷空气入侵加强,上升气流向冷池方向倾斜,不利于台前飑线的发展维持。成熟阶段后期飑线由盛转衰。消散阶段,飑线远离台风,台前飑线水汽和动力条件不足,从而消亡。
  (3)敏感性试验定性分析和定量对比发现,低层垂直风切变对台前飑线的影响强于中层;低层垂直风切变越强,台前飑线的强度越强、长度越长。机制讨论表明,当低层垂直风切变较强时,飑线前沿低层风场辐合明显;当低层垂直风切变增大时,对应更强的水平涡度和风暴后侧环境干空气入流,增强飑线前侧的旋转上升和后侧的下沉气流,从而有利于飑线系统的增强和维持。
[硕士论文] 李俊徽
气象信息技术 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:风场的预报紧密联系着人们的生产生活,风能资源的高效利用,大风天气导致的对电力设备、交通与建筑的破坏,台风登陆带来的重大灾害,污染物的传输与扩散等都对风场预报的精细度提出更高的需求。基于中尺度模式WRF(Weather Research and Forecast)结合动力降尺度模式CALMET(CaliforniaMeteorology)的方法是有效提高风场预报精细度的方法之一。目前,此方法虽在国内外被广泛应用于资源评估与气候模拟等领域,但在预报领域的应用则不多见,同时数据格式不统一及繁杂的人机交互等问题,进一步阻碍方法的应用与实现。针对以上提出的研究问题,本文将利用WRF-CALMET方法对预报数据中的风场数据进行模拟,经过复杂地形因素的修订以提升风场预报的精细度,并应用多系统集成技术解决数据格式不统一问题的同时也减少了大量人机交互操作,从而形成一套完整的业务流程以达到业务应用的需求。取得的主要研究成果如下:
  1.使用WRF模式对预报初始场进行模拟,再将结果用CALMET模式进行进一步精细化并进行前后对比分析。预报初始场数据为GFS(Global ForecastSystem)数据。利用WRF模式将逐6小时的GFS数据进行模拟得到逐时的结果预报数据;同时结合高分辨率的地形高程数据(Terrain Height)与土地类型(Landuse Category)数据利用CALMET模式将由WRF模拟的数据再进行进一步精细化,最终得到高分辨率逐时的风场预报数据,并将精细化前后结果进行对比。结果表明经CALMET模式精细化后的风场较WRF模拟的风场更为精细,能够较好地体现出与局地地形相符的特征。
  2.使用站点数据与陆面同化系统CLDAS(CMA Land Data AssimilationSystem)数据进一步验证WRF-CALMET方法的模拟效果。一方面,在与站点的逐日数据对比中,WRF的模拟结果与CALMET的模拟结果总体呈现出较好的相关性与吻合度;WRF模拟结果的相关系数均值为0.8,均方根误差多数站点也低于1,而CALMET的对比结果较WRF总体上小幅提升,相关系数均值0.85,均方根误差均低于1。另一方面,在与CLDAS逐时数据的对比中,WRF与CALMET的模拟结果均与CLDAS数据呈现同一趋势,并且在趋势同步的前提下,CALMET的模拟结果较WRF的模拟结果更接近CLDAS数据。总之,与两种数据的对比均显示出WRF-CALMET方法对于风场有出色的模拟与修正能力,可运用于业务中。
  3.针对方法运用过程中数据格式异构与人机交互操作过多的问题,以WRF-CALMET方法为核心,运用系统集成技术将方法中涉及的多个系统与软件的功能形成一套完整的业务流程,解决了系统之间数据格式异构与接口不统一的问题,同时也通过计算机智能将大部分运行中存在的人机交互操作实现自动化执行与计算,大幅提高了运行效率,充分发挥了交叉学科的优势。
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