北京山区与平原冬季近地面风的精细观测特征及公里尺度模式预报偏差
作者单位：中国气象科学研究院
学位级别：硕士
导师姓名：王建捷
授予年度：2019年
主 题：北京复杂地形 近地面风 观测特征 GRAPES-Meso3km 模式评估
摘 要：第22届冬季奥林匹克运动会将于2022年在北京举行。往届冬奥各承办国采取把握特殊地形下气象要素观测规律及发展高分辨中尺度数值模式相结合的技术路线,反映出认识赛区气象要素规律和了解模式对特定区域预报性能的重要性。本文运用北京地区2009-2018年208站地面风观测数据和北京延庆高山观测站2016-2018年两个冬季数据,分别对北京地区、四个典型区域(山区、平原、山区与平原之间过渡区、城区)及延庆高山区进行精细的冬季近地面风观测特征分析,并在揭示观测特征的基础上,通过对2016-2018年两个冬季GRAPES-Meso 3km模式的风预报特征与观测进行对比,从平均风速、盛行风向、风速日变化、风向风速频率等多角度评估分析了模式风预报偏差和性能,同时对延庆高山观测站之间风的不同特征、模式一些区域性预报偏差等的可能原因进行了分析。得到如下主要结论:(1)北京地区冬季近地面风速表现出山区高于平原、平原中又以城区风速最弱的总特征,盛行西北风和北风,但在山区和过渡区存在与局地地形沟壑走向明显关联的其他盛行风向、在城区东西两侧偏北盛行风扰流清晰,反映出在西部西北部地形、城市下垫面粗糙度和冷空气影响下北京地区近地面风的基本分布特征和冬季特点;四个典型区域(山区、过渡区、平原、城区)的冬季风速日变化都表现为白天风速大于夜间、午间风速最大的“峰强谷平特征,这一典型特征缘于边界层湍流活动的日变化规律,标准差计算显示其气候代表性城区高于其它区域、山区相对最低;延庆高山区四站中两个相对高海拔站日平均风速几倍于2个相对低海拔站的平均风速,且两个高站的风速日变化规律与两个低站的“峰强谷平单峰特征完全相反,即表现为风速夜间大白天小、午间最小的“峰平谷深特征;延庆高山区梯度风速的这一特点与边界层湍流活动日变化规律相联系、与低层自由大气动量向边界层内下传有关,且这种高山区近地面风速日变化不同特征以边界层顶为“分水岭的规律,应该在其它高山区也是普适的。(2)模式能大体上反映观测体现的北京冬季平均风速的气候特征以及全域大范围的主导风向特征,但模式预报的风速整体偏大,且模式在山区的预报相对于平原更不稳定;模式从四个典型区域冬季平均风速日变化的“峰强谷平的变化特征、平均风速大小排序以及相对高风速持续时间和风速的日变化幅度上都表现较好,同时风速预报有系统性的正偏差,且夜间时段偏差更大,预报的风速峰值时间提前了2-3小时;对于延庆四个高山测站的冬季风速日变化特征、主导风向日变化特征,模式再现能力不足。(3)模式对于北京区域山地的风要素预报偏差与模式地形高度表达偏差相关。GRAPES-Meso 3km模式在其可以有效解析的最小波谱尺度(5-6倍网格距)下,能够对同尺度复杂地形条件近地面风做出比较合理的预报。对于延庆高山区,两个高海拔站点间距小于模式水平分辨率,模式很难解析其特征,造成模式地形高度表达显著不真实,特别是模式地形偏差导致模式大气与实际大气处于不同层结,致使模式预报不能合理再现这两个高海拔观测的近地面风特征和规律。对于延庆高山区两个高海拔站而言,提取GRAPES-Meso 3km模式最靠近两站海拔高度的模式坐标面风预报作为指导产品,会比直接以模式10m风预报为指导更具参考性。
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