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Nudging方法对西北干旱区降水和近地面风速模拟的改进——以强降水和四月份风速为例

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Nudging方法对西北干旱区降水和近地面风速模拟的改进——以强降...

作者：李明妍兰州大学

学位级别：硕士

本文利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式中的牛顿松弛逼近(Nudging)方法,同化NCEP的FNL(Final Operational Global Analysis data)资料,分析了Nudging同化方法对中国西北干旱区夏季三次降水过程和春季近地面风速的模拟改进效果及其原因。通过与MERRA2(The Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications,version 2)再分析资料对比,进一步对比分析了Spectral Nudging和Grid Nudging两种不同同化方案对西北干旱区近地面风速和降水的模拟性能。本文得到的主要结论如下:(1)对比西北干旱区夏季降水过程的模拟结果表明,未同化时模式对降水的落区和量级的模拟不准确,加入两种同化方法后,Spectral Nudging方法对西北干旱区强降水的落区和降水大值中心的模拟均有明显的改进,且改进效果优于Grid Nudging方法。(2)加入两种同化方法后,模式对近地面风速的模拟均有改进。700 hPa的温度和相对湿度的增量大,是模式模拟降水改进的主要原因。(3)WRF模式对西北干旱区近地面风速的模拟较观测存在系统性的偏高,采用Nudging同化方法后,可以有效地减小WRF模式对近地面风速模拟偏高的系统性误差。Grid Nudging方法模拟的近地面风速大小及其Weibull分布的统计特征与观测值最为接近,均方根误差、偏差以及平均绝对误差也最小,表明Nudging同化方法是改进西北干旱区近地面风速的有效途径,Grid Nudging方法的改进效果优于Spectral Nudging方法。(4)WRF模式模拟的近地面风速与近地面温度的变化存在密切的关系,近地面温度变化较强烈的时候,模拟误差较大,当温度较低时,模拟误差较小,模式的模拟能力较强。加入两种同化方法后,模式模拟误差降低,Grid Nudging方法的模拟误差小,对模式模拟能力的改进效果显著。(5)进一步分析日尺度上的理查逊数变化可知,模式对午后不稳定层结的模拟效果较好,误差最小,在中性和稳定层结时模式的模拟效果一般。相比之下,Grid Nudging方法模拟的误差小于Spectral Nudging方法,且对大气不稳定状态模拟效果较好,Grid Nudging方法对模式模拟的改进能力更强。(6)模式模拟的结果与MERRA2再分析资料相比,近地面风速模拟准确率较高,同时,模式对有降水发生时的模拟效果较好。

关键词： WRF模式松弛逼近(Nudging) 干旱区降水近地面风速误差特征

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中国东部近地面风速与气温气候特征研究

自然科学 2021年第5期9卷 626-637页

作者：朱家瑾成都信息工程大学大气科学学院四川成都

基于1951~2014年中国地面台站逐日观测资料,利用线性倾向估计、M-K突变检验和EOF分解等方法对我国东部(105˚E以东)近地面风速和气温的气候特征进行了分析。结果表明:1) 年平均和四季风速在空间上表现出北高南低、沿海大内陆小的特征,而... 详细信息

基于1951~2014年中国地面台站逐日观测资料,利用线性倾向估计、M-K突变检验和EOF分解等方法对我国东部(105˚E以东)近地面风速和气温的气候特征进行了分析。结果表明:1) 年平均和四季风速在空间上表现出北高南低、沿海大内陆小的特征,而气温表现出南暖北冷的特征。2) 年平均、春、夏、秋和冬季风速均为减弱趋势,每10a下降0.13 m/s、0.15 m/s、0.09 m/s、0.12 m/s和0.15 m/s,而气温则每10a上升0.21℃、0.27℃、0.13℃、0.19℃和2.70℃。3) 近地面风速和气温在20世纪90年代发生了突变,突变前中国东部北(南)方大部分区域风速呈增长(减弱)趋势,突变后则相反;而突变前气温减弱区域主要位于南方,突变后出现减弱趋势的区域仅出现在中国东北。EOF分解第一模态显示突变前后中国东部近地面风速和温度的空间特征保持一致,但突变前风速(温度)偏大(低),突变后风速(温度)偏小(高);EOF分解第二模态显示突变前后风速和温度的空间特征差异显著,但时间转折与突变点不对应一致。

关键词：中国东部近地面风速气温 M-K突变 EOF分解

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中国区域近地面风速与地表能量变化关系研究

气候变化研究快报 2021年第4期10卷 309-324页

作者：刘毛毛王卓军亳州市气象局安徽亳州成都信息工程大学大气科学学院四川成都

近地面风作为可直接利用的风能来源,研究其时空演变特征对风能的开发和利用有着非常重要的意义,而地表能量传输的空间分布和时间变化特征对陆地表面风速有重要影响,两者之间有着很大的联系。如果能够找出其关联的特点,对研究近地面风速... 详细信息

近地面风作为可直接利用的风能来源,研究其时空演变特征对风能的开发和利用有着非常重要的意义,而地表能量传输的空间分布和时间变化特征对陆地表面风速有重要影响,两者之间有着很大的联系。如果能够找出其关联的特点,对研究近地面风速和能量传输过程都具有意义。本文对1979~2018年中国区域内的近地面风和2005~2012中国区域高分辨率能量水分循环资料同化数据集进行了分析,研究表明:全年与四季的近地面风速有着明显的空间分布差异特征,且风速等级差异很大,以软风为主。轻风和微风所控制的区域存在较强的季节变化。全年与四季的近地面风速年际变化明显,都表现出先减少后增加的趋势,但总体呈显著的减少趋势。全年和春、夏、秋三季平均近地面风速在20世纪80年代以来减弱是一种突变现象,冬季平均近地面风速无突变点。中国区域的森林下垫面地表能量传输较强,森林和草地下垫面的能量传输主要以潜热通量贡献最大,而沙漠下垫面则主要通过感热通量贡献。

关键词：中国区域近地面风速潜热通量感热通量地表能量

中国地区土地利用/覆盖变化影响近地面风速的分析

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中国地区土地利用/覆盖变化影响近地面风速的分析

作者：查进林云南大学

学位级别：硕士

本文采用合成分析,经验正交函数分解（EOF）等方法研究了近30年内中国地区不同高度风速时空变化特征,探讨了中国东部平原（East China Plain,以下简称为ECP）地区气压梯度力（PGF）、东亚季风（EAM）改变对近地面实测风速（SWS）以及不... 详细信息

本文采用合成分析,经验正交函数分解（EOF）等方法研究了近30年内中国地区不同高度风速时空变化特征,探讨了中国东部平原（East China Plain,以下简称为ECP）地区气压梯度力（PGF）、东亚季风（EAM）改变对近地面实测风速（SWS）以及不同高度风速的影响。同时,基于摩擦风模型、实测风速和再分析风速对比分析（OMR）方法,实测风速和降尺度风速对比分析（OMD）方法定量评估了中国地区土地利用/覆盖类型改变（LUCC）对SWS的影响。主要得出以下结论：中国地区SWS呈现显著下降趋势,ECP地区SWS下降趋势为-0.12m/（s·10yr）,全国平均SWS下降趋势为-0.1m/（s·10yr）。在925hPa和850hPa高度上,风速并未呈现显著下降趋势,但呈现出显著的年际和年代际波动,并且SWS年际和年代际变化显著小于925hPa、850hPa风速年际和年代际变化。同时,不同高度PGF对风速变化的贡献并不一致,近地面PGF对SWS的影响并不显著。随着高度的增加,PGF对风速的影响显著增大,在925hPa和850hPa高度上,PGF是风速变化的主导因子,二者相关系数达到0.89和0.90。此外,EAM的变化并不会对ECP区域SWS的长期下降产生显著影响,强、弱东亚季风年风速并不存在显著差异,ECP区域强、弱东亚夏季风（冬季风）年近地面风速差仅为0.017m/s（-0.008m/s）。表明ECP地区SWS的显著减弱并不是由PGF和东亚季风的改变导致的。摩擦风模型能够较好捕捉ECP区域大气大尺度运动的主要特征,例如850hPa上的准地转过程。同时,摩擦风模型在1000hPa上模拟得到的风速和该层次上再分析风速的差异仅为0.18m/s,两组数据序列极值点出现在同一时刻的概率（PEST）达到95%。另外,基于摩擦风模型定量评估了ECP区域LUCC对SWS的影响,在不考虑LUCC的情况下模型计算得到的风速（MWS）比SWS平均高出0.5m/s,而通过模型计算得到的拖曳系数（DC）在整个时间序列中呈现显著上升趋势,并且和城市化率呈现显著正相关,相关系数达到0.88。此外,SWS和模型风速的差值（SWSD）可以作为LUCC对SWS影响的定量标准。线性回归拟合表明ECP区域城市化率增加10%的情况下相应的SWS会减小0.24m/s。和ERA-Interim10m再分析风速相比,降尺度风速能够更好反映ECP区域近地面风速的平均变化特征和风速的年际和季节性变化特征,主成分分析和逐步回归相结合建立的统计降尺度模型在计算的过程中是稳定的和可靠的,逐步回归方程的复相关系数达到0.7以上,误差标准差在0.13m/s以下,Brier技术评分（BSS）在70%以上。同时OMD方法的评估结果显示,LUCC导致ECP区域近地面风速的下降趋势为-0.18m/（s·10yr）,同时当城市化率增加10%时,近地面风速下降0.18m/s。其评估结果小于摩擦风模型的评估结果,但是大于OMR方法的评估结果。 OMR方法可以用于研究中国地区LUCC对SWS的影响,由于LUCC的影响,全国平均观测风速下降了0.71m/s,相应的大城市和小城市观测风速则下降了0.84m/s和0.52m/s。但是京津冀地区（BTTR）,长三角地区（YRDR）,珠三角地区（PRDR）风速减弱趋势显著高于全国平均,因此在LUCC变化越激烈的区域,其对SWS减弱的贡献也就越大,城市化率和实测风速以及再分析风速之间的风速差呈现显著正相关关系,相关系数为0.86,当城市化率增加10%的情况下,相应观测到的风速则减弱0.11m/s,这一值显著小于ECP区域LUCC对风速的影响。

关键词：近地面风速气压梯度力东亚季风土地利用/覆盖类型改变摩擦风模型统计降尺度

不同插值方法对近地面风速插值的精度对比分析

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舰船电子工程 2020年第10期40卷 145-148页

作者：黄鹏飞常怡婷赵甲林 63850部队白城137001 国家海洋技术中心天津300112

论文根据近地面风速的实测数据,对比分析了线性插值、三次样条插值和反距离权重法对近地面风速插值的精度,分析了瞬时风速和平均风速插值效果差异的原因。研究结果表明:采用Cubic插值函数的三次样条插值法所得插值精度最好;受到小尺度... 详细信息

论文根据近地面风速的实测数据,对比分析了线性插值、三次样条插值和反距离权重法对近地面风速插值的精度,分析了瞬时风速和平均风速插值效果差异的原因。研究结果表明:采用Cubic插值函数的三次样条插值法所得插值精度最好;受到小尺度湍流的影响,瞬时风速随高度的变化随机性较强,对瞬时风速进行插值所得数据效果稍差;日平均风速数据消除了小尺度湍流的影响,插值所得数据精度较高。

关键词：近地面风速插值精度对比

基于ITPCAS再分析资料中国近地面风速时空变化特征

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干旱区研究 2020年第1期37卷 1-9页

作者：张晓龙沈冰黄领梅西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室

准确分析中国近地面风速时空变化规律对区域气候变化、蒸散发的估算、雾霾预报等研究具有重要意义。本文利用1979-2015年ITPCAS再分析资料的近地面风速(10 m)与中国110个气象站点的风速资料,分析该数据集在中国区域的适用性,并对2011-2... 详细信息

准确分析中国近地面风速时空变化规律对区域气候变化、蒸散发的估算、雾霾预报等研究具有重要意义。本文利用1979-2015年ITPCAS再分析资料的近地面风速(10 m)与中国110个气象站点的风速资料,分析该数据集在中国区域的适用性,并对2011-2012年风速数据进行修正,分析该区域近地面风速的时空变化特征。结果表明:①ITPCAS再分析数据集风速资料基本满足应用要求,但部分数据需修正。修正后的风速数据模拟精度得到较大提高,具有较好的应用前景,特别是在西北高寒、干旱地区;②1979-2015年中国62.12%的区域风速为下降趋势,全国平均风速每10 a变化速率为-0. 073 m·s^-1,其中东南诸河流域每10 a变化速率最大(-0.202 m·s^-1);③除珠江流域外,其他各流域风速均呈下降趋势。中国各月平均风速呈单峰形,最大值出现在4月,最小值出现在12月;④年平均风速变化主要表现在3-6月下降速率最大,风速变化趋势在各个流域、各月份保持不变。

关键词：近地面风速 ITPCAS再分析资料时空变化适用性分析中国

江苏省50a近地面风速及气温的时空分布特征分析

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气象水文海洋仪器 2013年第3期30卷 121-124页

作者：程思陈鹏苗峻峰泉州市气象局泉州362000 江苏省气象局南京210044 南京信息工程大学大气科学学院南京210044

利用江苏省12个气象站1960-2010年逐日风速、气温等资料，对12个站点资料进行分类，采用常规的统计方法分析江苏地区50a近地面风速的时空分布以及月循环、季节循环、年内、年际、年代际等变化规律。结果表明：近50a来风速呈下降的趋势... 详细信息

利用江苏省12个气象站1960-2010年逐日风速、气温等资料，对12个站点资料进行分类，采用常规的统计方法分析江苏地区50a近地面风速的时空分布以及月循环、季节循环、年内、年际、年代际等变化规律。结果表明：近50a来风速呈下降的趋势；沿海站的风速大于内陆站的风速，但是其下降速率小；乡村站的平均风速比城市站高出0．4m／s左右，下降速率也略大；夏季海陆站、城乡站的风速差较小，冬季较大；强风天数的变化与平均风速的变化类似。

关键词：近地面风速气温时空分布

21世纪10年代初中国东部夏季小雨频次地形效应的趋势转折

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科学通报 2022年第2期67卷 184-192页

作者：董雪晨龚道溢王子晴北京师范大学地理科学学部/灾害风险科学研究院北京100875 北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室北京100875

利用中国东部地区1979~2019年9个山地站及相邻的27个平原站逐日降水资料,分析了夏季不同等级降水地形效应的变化特征,并探讨了相关气象因子的可能影响.统计显示,近40年来小雨频次地形效应于21世纪10年代初发生了显著的趋势转折,1979~201... 详细信息

利用中国东部地区1979~2019年9个山地站及相邻的27个平原站逐日降水资料,分析了夏季不同等级降水地形效应的变化特征,并探讨了相关气象因子的可能影响.统计显示,近40年来小雨频次地形效应于21世纪10年代初发生了显著的趋势转折,1979~2010年时段呈显著下降趋势(-2.24%/10a,P近地面风速等气象因子的相关变化,结果显示近地面风速与小雨频次的地形效应有显著的正相关,去趋势后二者相关达0.51(P风速的相关达0.60(P近地面风速的趋势发生了显著变化,由之前的减弱(-0.10 m/(s 10a),P近地面风速很可能是小雨频次地形效应趋势转折的主要原因.

关键词：地形效应小雨频次影响因子近地面风速趋势转折

1981—2020年中国风速变化及其与大气环流的关系

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北京大学学报（自然科学版） 2024年第3期60卷 431-441页

作者：朱国营赵昕奕北京大学城市与环境学院北京100871

基于1981—2020年中国地面气象站观测数据,利用分段线性回归模型、Theil-Sen斜率估计、Mann-Kendall趋势检验以及逐步回归模型等方法,探究近40年中国近地面风速变化的区域差异及其与大气环流的关系。结果表明,1981—2020年的风速整体上... 详细信息

基于1981—2020年中国地面气象站观测数据,利用分段线性回归模型、Theil-Sen斜率估计、Mann-Kendall趋势检验以及逐步回归模型等方法,探究近40年中国近地面风速变化的区域差异及其与大气环流的关系。结果表明,1981—2020年的风速整体上呈下降趋势,西风、东风、南风和北风的风速下降幅度分别为-0.08,-0.06,-0.14和-0.14(m·s^(-1))/10a;不同时期风速的变化趋势有差异,在拐点年份前呈下降趋势,在拐点年份后呈上升趋势,且南风和北风的平均风速上升幅度大于西风和东风;不同区域和不同方向的风速变化存在差异,中国北部(西北、华北和东北地区)南风和北风的平均风速在2012年前后从下降趋势转为上升趋势,中国南部(华南地区)4个方向的平均风速在1990年前后从下降趋势变为上升趋势;大气环流与中国区域近地面风速的变化具有较强的相关性。亚洲极涡强度的年际变化指数在逐步回归模型中被保留的频率最高,与风速正相关,对中国北部风速的影响大于中部和南部;太平洋年代际振荡指数在逐步回归模型中被保留的频率最高,与风速负相关,对中国南部风速的影响显著小于北部和中部。

关键词：近地面风速大气环流指数中国区域

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