为提升低空风切变预报精度,本文综合运用欧洲中期天气预报中心第五代再分析资料[European Centre for Medium-Range Weather Forecasts(ECMWF)fifth-generation reanalysis data,ERA5]和美国国家环境预报中心(National Centers for Envi...为提升低空风切变预报精度,本文综合运用欧洲中期天气预报中心第五代再分析资料[European Centre for Medium-Range Weather Forecasts(ECMWF)fifth-generation reanalysis data,ERA5]和美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)的FNL全球再分析资料(Final Operational Global Analysis)、先进星载热发射和反射辐射仪全球数字高程模型以及兰州中川机场的实况观测资料,采用中尺度数值天气预报模式(Weather Research and Forecasting Model,WRF)、WRF结合计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法、长短期神经网络(Long Short-Term Memory,LSTM)方法,对2021年4月15-16日兰州中川机场的两次风切变过程进行模拟分析。结果表明:(1)在小于1 km的网格中使用大涡模拟,WRF模式在单个站点风速模拟任务中表现更好,但在近地面水平风场风速模拟效果上,不如WRF模式结合计算流体力学模型方案;(2)对于飞机降落过程中遭遇的两次低空风切变的模拟,WRF-LES和WRF-CFD两种模式都可以模拟出第一次低空风切变,而第二次受传入模式的WRF风速数据值较小的影响,两种模式风速差都没有达到阈值,需要在后续工作中进一步验证;(3)低风速条件(6 m·s^(-1))下,基于LSTM的单变量风速预测模型平均绝对误差基本维持在0.59 m·s^(-1),能较好地把握不同地形与环流背景条件下风速变化的非线性关系,虽然受到WRF误差和观测要素不全的限制,多变量风速预测能在保证平均绝对百分比误差小于6.60%的情况下,以更高的计算效率和泛化能力实现风速预测。本文不仅验证了WRF-CFD和WRF-LES耦合方案在风场和低空风切变预报中的差异,还探讨了基于LSTM的风速预测的可行性和准确性,期望为提高风场模拟精度,缩短精细风场模拟时间提供新的视角和方法。展开更多
在人类活动加重气候变暖的背景下,极端水文气象事件发生概率增加。数值模式作为研究水循环和极端水文事件的有效工具,已在全球范围内得到广泛应用。为深入理解气候变化背景下全球陆地水循环时空演变规律,揭示大气-陆面-水文互馈机制,大...在人类活动加重气候变暖的背景下,极端水文气象事件发生概率增加。数值模式作为研究水循环和极端水文事件的有效工具,已在全球范围内得到广泛应用。为深入理解气候变化背景下全球陆地水循环时空演变规律,揭示大气-陆面-水文互馈机制,大气-陆面-水文耦合过程模拟研究已成为国际大气、水文等学科研究的热点之一。本文首先回顾和梳理了大气-陆面-水文耦合模式的发展历程,阐明了大气-陆面-水文耦合模式WRF-Hydro(Weather Research and Forecasting Model Hydrological modeling system)的优势,并系统总结了WRF-Hydro模式的主要敏感性参数分析及模式在对地表径流、土壤湿度、能量水分循环以及相关大气和水文过程等方面的应用。最后探讨WRF-Hydro大气-陆面-水文耦合模式未来发展趋势,提出应着眼于发展有效的尺度转换方案、完善参数化方案以及开展流域内大气、水文变量时空分布高分辨率模拟等方面,以期系统提升耦合模式对大气、陆面过程及水文过程的刻画能力。展开更多
黄河源区是黄河流域主要的产流区和水源涵养区,研究和探索该区域陆面水文过程对理解陆面过程及水文循环特征,揭示陆面—水文耦合过程具有重要的科学意义。本研究基于2009~2018年中国区域高时空分辨率地面气象要素驱动数据(China Meteoro...黄河源区是黄河流域主要的产流区和水源涵养区,研究和探索该区域陆面水文过程对理解陆面过程及水文循环特征,揭示陆面—水文耦合过程具有重要的科学意义。本研究基于2009~2018年中国区域高时空分辨率地面气象要素驱动数据(China Meteorological Forcing Dataset,简称CMFD)、全球高分辨率降水数据集(Climate Prediction Center Morphing Technique,简称CMORPH)、热带降雨测量卫星(Tropical Rainfall Measuring Mission,简称TRMM)及全球陆地数据同化系统(Global Land Data Assimilation System,简称GLDAS)降水,评估了四类降水产品在黄河源区的降水精度,在此基础上,利用最优降水数据驱动独立运行的天气研究预报及水文耦合模型系统(Weather Research and Forecasting Model Hydrological modeling system,简称WRF-Hydro),探究该模式在黄河源区径流模拟的适用性。结果表明:四类降水产品均能够反映出降水的分布特征,但在量值及细节捕捉上存在显著差异。CMFD在不同时空尺度上都能很好地捕捉到降水的演变特征,其与日观测降水的相关系数达到0.99,均方根误差仅为0.25 mm。在表征降水能力方面,四类降水产品总体表现为CMFD>CMORPH>TRMM>GLDAS,CMFD的平均探测成功率(Critical Success Index,简称CSI)在0.93以上。经参数率定后的WRF-Hydro模式在黄河源区月径流模拟方面表现较好,率定期纳什系数(Nash-Sutcliffe efficiency coefficient,简称NSE)均在0.92以上,而验证期丰水年模拟结果明显好于枯水年(NSE=0.15),这与降水和径流的非线性程度有关。本研究方案和结果为亚寒带半干旱气候区大尺度流域水文模拟及径流预测提供了一定的参考价值。展开更多
2020年3月23日08:00(北京时,下同)至26日08:00在云南昆明至老挝万象国际航线途经地区出现一次大范围以冰雹、雷暴大风为主并伴随有局地短时强降水的强对流天气过程。本文基于中尺度数值模式WRFV4.2(Weather Research and Forecasting Mo...2020年3月23日08:00(北京时,下同)至26日08:00在云南昆明至老挝万象国际航线途经地区出现一次大范围以冰雹、雷暴大风为主并伴随有局地短时强降水的强对流天气过程。本文基于中尺度数值模式WRFV4.2(Weather Research and Forecasting Model)和美国国家环境预报中心(NCEP)的FNL(Final Operational Global Analysis)资料,模拟了此次强对流天气过程,并利用中国气象局逐小时气象站数据对模拟结果进行可靠性检验。此外,对WRF模式输出的多种物理量进行了诊断分析,以期为云南昆明-老挝万象航线的航空气象安全提供参考。结果表明:(1)WRF模式能够较好地模拟气温、可降水量等要素,但在白天期间近地面风场的模拟值偏大。(2)模拟输出的物理量场可以指示强雷暴天气发生的时间和地点,具有一定的时空预报预警作用,可根据其判断强对流天气对飞行的影响以及影响程度。(3)此次强对流主要是受南支槽东移影响,高层干冷空气叠加在暖湿空气上,形成不稳定结构,被地面辐合线触发而引起。航线途经地区的CAPE(Convective Available Potential Energy)不稳定能量大,水汽条件充沛,9 km高度以下上升运动与下沉运动交替出现,容易对航班造成颠簸。加之0℃层位于3 km左右的高度,航班在飞行时容易造成机身覆冰或遭遇冰雹天气,给飞行安全造成一定的影响。展开更多
文摘为提升低空风切变预报精度,本文综合运用欧洲中期天气预报中心第五代再分析资料[European Centre for Medium-Range Weather Forecasts(ECMWF)fifth-generation reanalysis data,ERA5]和美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)的FNL全球再分析资料(Final Operational Global Analysis)、先进星载热发射和反射辐射仪全球数字高程模型以及兰州中川机场的实况观测资料,采用中尺度数值天气预报模式(Weather Research and Forecasting Model,WRF)、WRF结合计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法、长短期神经网络(Long Short-Term Memory,LSTM)方法,对2021年4月15-16日兰州中川机场的两次风切变过程进行模拟分析。结果表明:(1)在小于1 km的网格中使用大涡模拟,WRF模式在单个站点风速模拟任务中表现更好,但在近地面水平风场风速模拟效果上,不如WRF模式结合计算流体力学模型方案;(2)对于飞机降落过程中遭遇的两次低空风切变的模拟,WRF-LES和WRF-CFD两种模式都可以模拟出第一次低空风切变,而第二次受传入模式的WRF风速数据值较小的影响,两种模式风速差都没有达到阈值,需要在后续工作中进一步验证;(3)低风速条件(6 m·s^(-1))下,基于LSTM的单变量风速预测模型平均绝对误差基本维持在0.59 m·s^(-1),能较好地把握不同地形与环流背景条件下风速变化的非线性关系,虽然受到WRF误差和观测要素不全的限制,多变量风速预测能在保证平均绝对百分比误差小于6.60%的情况下,以更高的计算效率和泛化能力实现风速预测。本文不仅验证了WRF-CFD和WRF-LES耦合方案在风场和低空风切变预报中的差异,还探讨了基于LSTM的风速预测的可行性和准确性,期望为提高风场模拟精度,缩短精细风场模拟时间提供新的视角和方法。
文摘在人类活动加重气候变暖的背景下,极端水文气象事件发生概率增加。数值模式作为研究水循环和极端水文事件的有效工具,已在全球范围内得到广泛应用。为深入理解气候变化背景下全球陆地水循环时空演变规律,揭示大气-陆面-水文互馈机制,大气-陆面-水文耦合过程模拟研究已成为国际大气、水文等学科研究的热点之一。本文首先回顾和梳理了大气-陆面-水文耦合模式的发展历程,阐明了大气-陆面-水文耦合模式WRF-Hydro(Weather Research and Forecasting Model Hydrological modeling system)的优势,并系统总结了WRF-Hydro模式的主要敏感性参数分析及模式在对地表径流、土壤湿度、能量水分循环以及相关大气和水文过程等方面的应用。最后探讨WRF-Hydro大气-陆面-水文耦合模式未来发展趋势,提出应着眼于发展有效的尺度转换方案、完善参数化方案以及开展流域内大气、水文变量时空分布高分辨率模拟等方面,以期系统提升耦合模式对大气、陆面过程及水文过程的刻画能力。
文摘黄河源区是黄河流域主要的产流区和水源涵养区,研究和探索该区域陆面水文过程对理解陆面过程及水文循环特征,揭示陆面—水文耦合过程具有重要的科学意义。本研究基于2009~2018年中国区域高时空分辨率地面气象要素驱动数据(China Meteorological Forcing Dataset,简称CMFD)、全球高分辨率降水数据集(Climate Prediction Center Morphing Technique,简称CMORPH)、热带降雨测量卫星(Tropical Rainfall Measuring Mission,简称TRMM)及全球陆地数据同化系统(Global Land Data Assimilation System,简称GLDAS)降水,评估了四类降水产品在黄河源区的降水精度,在此基础上,利用最优降水数据驱动独立运行的天气研究预报及水文耦合模型系统(Weather Research and Forecasting Model Hydrological modeling system,简称WRF-Hydro),探究该模式在黄河源区径流模拟的适用性。结果表明:四类降水产品均能够反映出降水的分布特征,但在量值及细节捕捉上存在显著差异。CMFD在不同时空尺度上都能很好地捕捉到降水的演变特征,其与日观测降水的相关系数达到0.99,均方根误差仅为0.25 mm。在表征降水能力方面,四类降水产品总体表现为CMFD>CMORPH>TRMM>GLDAS,CMFD的平均探测成功率(Critical Success Index,简称CSI)在0.93以上。经参数率定后的WRF-Hydro模式在黄河源区月径流模拟方面表现较好,率定期纳什系数(Nash-Sutcliffe efficiency coefficient,简称NSE)均在0.92以上,而验证期丰水年模拟结果明显好于枯水年(NSE=0.15),这与降水和径流的非线性程度有关。本研究方案和结果为亚寒带半干旱气候区大尺度流域水文模拟及径流预测提供了一定的参考价值。
文摘2020年3月23日08:00(北京时,下同)至26日08:00在云南昆明至老挝万象国际航线途经地区出现一次大范围以冰雹、雷暴大风为主并伴随有局地短时强降水的强对流天气过程。本文基于中尺度数值模式WRFV4.2(Weather Research and Forecasting Model)和美国国家环境预报中心(NCEP)的FNL(Final Operational Global Analysis)资料,模拟了此次强对流天气过程,并利用中国气象局逐小时气象站数据对模拟结果进行可靠性检验。此外,对WRF模式输出的多种物理量进行了诊断分析,以期为云南昆明-老挝万象航线的航空气象安全提供参考。结果表明:(1)WRF模式能够较好地模拟气温、可降水量等要素,但在白天期间近地面风场的模拟值偏大。(2)模拟输出的物理量场可以指示强雷暴天气发生的时间和地点,具有一定的时空预报预警作用,可根据其判断强对流天气对飞行的影响以及影响程度。(3)此次强对流主要是受南支槽东移影响,高层干冷空气叠加在暖湿空气上,形成不稳定结构,被地面辐合线触发而引起。航线途经地区的CAPE(Convective Available Potential Energy)不稳定能量大,水汽条件充沛,9 km高度以下上升运动与下沉运动交替出现,容易对航班造成颠簸。加之0℃层位于3 km左右的高度,航班在飞行时容易造成机身覆冰或遭遇冰雹天气,给飞行安全造成一定的影响。
