电离层简析 07084017 强龙 摘要： 此论文主要针对电离层模型作用及其概念论述的一些观点，希望借此让自己对电离层有更好地了解。 引言： 包围地球的是厚达两万多千米的大气层，起运动的、变化对无线电波传播有很大的影响，对人类的生存也起着至关重要的影响，由其是电离层起着保护人类的作用。研究电离层对我们的重要性不言而喻。 1899年特斯拉试图使用电离层进行远距无线能量传送。他在地面和电离层所谓的科诺尔里亥维赛层之间发送极低频率波。基于他的试验的基础上他进行了数学计算，他对这个区域的共振频率的计算与今天的试验结果相差不到15%。1950年代学者确认这个共振频率为6.8Hz。 1901.12.12古列尔莫·马可尼首次收获跨大西洋的信号传送。马可尼使用了一个通过风筝竖起的400英尺长的天线。在英国的发送站使用的频率约为500kHz，其功率为到那时为止所有发送机的100倍。收到的信号为摩尔斯电码中的S（三点）。要跨越大西洋，这个信号必须两次被电离层反射。继续理论计算和今天的试验有人怀疑马可尼的结果，但是1902年马可尼无疑地达到了跨大西洋传播。 1902年奥利弗·黑维塞提出了电离层中的科诺尔里亥维赛层的理论。这个理论说明电波可以绕过地球的球面。这个理论加上普朗克的黑体辐射理论能阻碍了射电天文学的发展。事实上一直到1932年人类才探测到来自天体的无线电波。1902年亚瑟·肯乃利(Arthur Kennelly)还发现了电离层的一些电波-电子特性。 1912年美国国会通过1912年广播法案，下令业余电台只能在1.5MHz以上工作。当时政府认为这以上的频率无用。致使1923年使用电离层传播高频无线电波的发现。 1947年爱德华·阿普尔顿因于1927年证实电离层的存在获得诺贝尔物理学奖。莫里斯·维尔克斯和约翰·拉克利夫研究了i长波长电波在电离层的传播。维塔利·金兹堡提出了电磁波在电离层这样的等离子体内的传播的理论。 正文： 离地面约10~12km以内的空间里是大气的对流层。是由于地面吸收太阳辐射能量而向上传输热能形成强烈的对流而形成的。顶部气温大概在-50oC左右，大气3/4的质量和90%的水汽都集中在这层，几乎所有的气象现象都是在这一层发生的。离地面10~60km的空间气温会随高度略有增加，对流减弱，称为平流层，对电波传播影响很小。 平流层向上到1000km的区域称为电离层，主要是由自由电子、正离子、负离子、中性分子和原子等组成的等离子体。 电离层的由来： 太阳辐射的紫外线、X射线、高能带电微粒流、微流星及其他来自宇宙的射线电磁波，其中太阳中紫外线辐射是主要的原因，由于起带有大量带电粒子，所
中尺度数据简介 天气系统指的是一个地方的大气运动系统，是由若干个大大小小的系统(高压、低压等)相互作用、相互影响引起的。通常用特征尺度或运动尺度来衡量大气系统的影响范围，该影响范围包括水平尺度(千米)和时间尺度。根据水平尺度(千米)和时间尺度的大小，将天气系统分为行星尺度天气系统、大气尺度天气系统、中间尺度天气系统、中尺度天气系统和小尺度天气系统。 天气系统的特征尺度 根据中尺度天气系统的特征尺度得知中尺度天气运动剧烈，破坏性大。雷暴、寒潮、沙尘暴、台风等极端气候都属于中尺度天气系统的范畴，中尺度天气在风资源测量评估的过程中的重要意义可见一斑。《风电场风能资源评估方法(GB/T18710-2002)》指出在分析测风数据的时候可根据附近长期测站的观测数据对测风数据进行插补订正。而现实中在缺失长期测站信息的时候，该怎么办呢？这个时候需要中尺度模拟的风资源再分析数据来做参考，目前在最新的再分析产品中，被广泛使用的有如下三种资料： (1)NCEP气候预报系统再分析资料—CFSR； (2)ECMWF过渡时期再分析资料—ERA-Interim(ERA-I)；
(3)NASA现代回顾性分析研究和应用再分析资料—MERRA。三种模式的再分析资料在模式精度和分辨率上各有所长，现实在运用的过程中可根据实际情况选用更适合的资料。 三种当代再分析资料的概况 那么问题来了，什么情况下可以运用再分析数据呢？ （1）在长期测站的观测数据缺失且再分析数据的盛行风向与风场实测数据风向一致，风速相关性较好时，可暂用再分析数据进行参考计算。 （2）在长期测站的观测数据与风场实测数据相关性较差且再分析数据与风场实测数据的盛行风向基本一致、风速相关性较好，可适当选用再分析数据来进行辅助参考并与通过长期测站的观测数据计算的结果进行综合分析。其中在进行相关性分析时，分为风向和风速两个方面综合评定相关性的好坏，即盛行风向基本趋于一致，风速通过采用16扇区、8扇区和全年数据整体相关等多种相关方法得出风速相关性。通常在满足上述条件时可以运用再分析数据。 与长期测站的观测数据相比再分析数据的优点是数据稳定、灵活、方便、易获取，而长期测站的观测数据则为实际测量的数据，不管哪种数据都在风资源测量评估中发挥着巨大作用，只要是适合的数据就是好数据！
中小尺度数值模拟复习整理 第一章绪论 第二章控制大气运动的基本方程组和地图投影 1、中尺度动力学控制方程 （1）为什么需要将方程组重新写成平均意义上的方程形式 答：①气象实际观测资料是在一定意义下的时空平均值 ②数值模式由于时空离散化，变量值均为间隔为x, y, z, t点上的值，即网格点上值，也可理解为网格区域的平均值 2、数值模拟：给定初值和边值条件，数值求解控制大气运动方程组。其中，主要用格点法（或谱方法）把连续的时间空间变为离散的时间空间，用变量在离散点上（网格点上）的值来代替连续变量场，用差商代替微商，将微分方程变为差分方程（谱方程） 3、次网格过程：用格点值不能直接描述的过程 4、湍流与对流有区别： 湍流：发生在边界层，耗散动量、输送热量和水汽 对流：发生在对流层，对流凝结释放潜热加热大气，输送热量和水汽到中高层，也具有耗散作用 5、地图投影：把地球投影到一个投影曲面上，然后把投影曲面展开成平面，这就是投影平面，最后将投影平面缩小一定的倍数，就成为地图。 6、比例尺：投影平面上某一线段长度和地球上相应长度的比值。 7、为什么要进行地图投影？ 答：①进行有限区域数值模拟时，常常使用平面直角坐标系，因此常需将球面投影于平面上，重新划分网格。 ②应用于天气图分析（天气图底图是用来填写各地气象站观测记录的特种空白地图）和和数值预报（数值模拟初值来自客观分析，结果也表示在天气图上） 8、投影面：把地球表面的地形，经纬线等投影到一个有简单图形的面上，如：平面，圆锥面，圆柱面（后二者可展开成平面），这些面称为投影面。 9、投影变形：地球表面经投影的方法描绘在平面上，地球上地理区域的距离、方向、面积、形状等特征会有变形。 10、等距投影：距离不变的投影 11、正形投影：两条交线交角保持不变、且各方向放大(或缩小倍数)相等的投影（即地图上某一个点各个方向的比例尺保持不变） 12、透视：按几何透视来分，如一平面与地球北极相切，球心有一光源，由球心发出的光线将经纬线投影到平面。
ITU-R P.531-9建议书 卫星业务和系统设计中需要的 电离层传播数据和预测方法 （ITU-R 218/3号研究课题） （1978-1990-1992-1994-1997-1999-2001-2003-2005-2007年） 范围 ITU-R P.531建议书介绍了一种在0.1至12GHz频率范围内在地对空路径上评价电离层传播效应的方法。当信号通过电离层时，可能在地对空路径上发生以下效应： - 由于在路径上的地球磁场内电磁波与离子化媒质发生交互作用而导致的极化的旋转（法拉第旋转）；- 由于在路径上积累的总电子含量（TEC）而导致的信号成组延迟； - 由于电离层的小规模不规则结构而导致的幅度和相位的迅速变化（闪烁）； - 由于衍射而导致的到达方向的明显变化； - 由于非线性极化旋转和时延而导致的多普勒效应。 本建议书所述的数据和方法适用于在附件1所述的各有效范围内所进行的卫星系统规划工作。 国际电联无线电通信全会， 考虑到 a）电离层对至少12 GHz以下频率的传播有显著的影响； b）对3 GHz以下频率的非对地静止卫星轨道业务影响尤为显著； c）已经给出了经验数据和/或提出了建模方法，可用于预测卫星系统规划所需的电离层传播参数； d）电离层作用有可能影响综合业务数字网（ISDN）以及包括空间飞行器在内的其他无线电系统的设计和性能指标； e）已经发现这些数据和方法在传播现象自然变异性范围内可适用于卫星系统规划， 建议 1附件1中给出的数据和提出的方法在各自适用的范围内适用于规划卫星系统。
附件 1 1 引言 本附件涉及电离层传播对地—空路径的影响。从系统设计的角度来说，电离层效应可以归为以下几类： a）卫星移动业务（MSS）传输路径上积聚的电子总容量（TEC）渗透电离层可引起MSS载波的极化旋转（法拉第旋转）和信号时延，并且因为折射效应引起到达方向的变化； b）电离层的局部随机性，也就是通常所说的电离层不规则性，将进一步引起超量和随机的旋转以及信号时延，这些只能用随机术语进行描述； c）因为与旋转和时延相关的电子密度与频率的关系是非线性的，并且由于链路在局部不规则的电离层中的显著移入和移出产生的多普勒效应，a）和b）会进一步导致MSS载波的散射和群速度失真； d）此外，电离层的局部不规则性如聚焦或散焦的棱镜也会引起电波的会聚或发散。这些效应通常被称为闪烁，将引起MSS信号的幅度、相位和到达角的变化。 因为电离层物理特性复杂，上面提到的受电离层效应影响的系统参数不总是能用简单的分析公式简洁地表述。相关数据将以表格和/或图片的方式表达，并辅以进一步描述或限定性说明，在实际使用中这是最好的表述。 在考虑传播效应对3 GHz以下频率的MSS系统设计的影响时，必须认识到： e）与§f）和h）带来的影响相比，通常认为水汽现象对空—地传播路径的影响较小； f）自然表面或人为障碍物影响和/或在较低仰角情况下带来的近地表面多径效应通常比较严重； g）近地表面多径效应在各个地点的影响是不同的，因此在MSS系统设计中考虑全球范围内传播因素时，该效应不占主导地位； h）在全球范围内进行MSS系统设计时，电离层效应是需要考虑的最重要的传播因素。 2 背景 因太阳辐射而产生的地球电离层由几个离子化区域组成。从实际通信目的出发，电离层区域D、E、F 和电离区域顶端被认为有助于形成卫星和地面终端之间的TEC。 每个区域中的电离介质在空间上不均匀，在时间上也不稳定。一般而言，电离背景与有序的昼夜、季节和为期11年的太阳活动周期的更替相关，并且强烈依赖于地理位置和地磁活动。除电离背景之外，总是存在着被称为不规则性的高动态、小规模、非稳定的结构。电离背景和不规则性都将使无线电波恶化，进一步地还会使得折射率由频率决定，也即介质色散。
以下均为个人一些浅见，我也是第一次接触这个东西，所以文章中有误的地方希望各位看官可以指出来，更希望有高人可以再指点一二，大家教学相长。 中小尺度数值模拟的实习终于在各位同位的一片叫喊声中开始了。 有人说:LINUX 劳资们从来没见过啊，有木有！！！劳资们只认识WINDOS！！！只认识MICROSOFT！！！只认识比尔-盖茨啊，有木有！！！ 还有人说：WRF很坑爹啊，有木有！！！老师上课操作那么快，什么都没看明白就过去，有木有！！！ 有啊！！有啊！！的确都有啊！！ 个人认为，截止到4月20日为止的实习，只要明白其中的操作步骤，运行程度就跟把大象往冰箱里塞是一样简单。 先来说说两个地址。 第一个是是关于百度百科中的LINUX命令的介绍，这个对于像本人一样刚上路的新手来说是完全够用的，链接：https://www.doczj.com/doc/d4479843.html,/view/97023.htm第二个是LINUX常用命令全集，这个对于LINUX中的命令分成十个部分进行说明，每部分都有比较详细的介绍，如果诸位在实习结束后对LINUX还恋恋不舍、抱有及大的兴趣，不妨一看，链接：htt p://https://www.doczj.com/doc/d4479843.html,/special/linuxcom/ 好了，介绍几条实习中用得着的LINUX系统的命令（以下命令全部是小写，特别注意一下LINUX对于大小写的区分十分严格，本人不知道被坑杀多少次）： cd 进入文件夹（退出是cd..） ls 列表显示查看当前目录中的内容 mkdir 建立新文件夹 vi 进入vi文本编辑器 ln 为某一个文件在另外一个位置建立一个不同的链接 tar 解压缩 可能会用到的命令： pwd 显示当前位置的绝对路径 clear 清屏 rm 删除 此外，在vi 编辑器中，在命令行状态下输入:wq 表示对当前操作保存退出。用i 键可完成从命令行到插入行的转换，用Esc键可返回命令行状态。 下面，正式开始介绍实习内容，语言绝对直白简单。
中尺度天气图分析技术规范 分析高度：925hpa 分析项目技术要求分析方式分析目的分析符号 风低空 急流 当有2个以上连续测站风速超过 12 m/s时，沿12m/s以上大风 区的几何中心分析低空急流轴， 并在急流轴上标注最大风速值。 人工分析 判断低层的辐合区；综合湿度 分析判断水汽输送条件；综合 其它层的风场分析判断垂直 风切变条件 灰色 显著 流线 当风速未达到低空急流的标准， 但有风速明显比周围大的最大风 带出现，且位于干湿气流区之间， 或者位于切变线、靠近急流轴的 位置时，分析显著流线，并在流 线上标注最大风速值。 人工分析 低空急流和辐合区的辅助分 析 灰色 切变 线 （辐 合 线） 当风场具有明显的风向切变时， 沿风的交角最大（风向改变最大） 的位置分析切变线。当风场具有 明显的风速辐合时，沿最大风速 的前端分析辐合线。 人工分析判断低层的辐合区 灰色 温度等温 度线 以0℃为基准，每隔2℃分析等温 线，如-2℃，0℃，2℃等。 在客观分 析基础上 进行人工 订正 确定温度脊 红色 温度 中心 分别标注暖、冷中心。 在客观分 析基础上 进行人工 订正 确定温度脊 暖中心N， 红色，冷中 心L，蓝色 温度 脊 从暖中心出发，沿等温度线曲率 最大处分析温度脊。 人工分析 判断低层增暖引起的不稳定； 综合低空急流及其显著流线 分析判断暖平流 红色 湿度等露 点温 度 以0℃为基准，每隔2℃分析等露 点温度线，如10℃，12℃，14℃ 等。 在客观分 析基础上 进行人工 订正 确定干线和湿区 绿色 等比 湿线 4-9月每隔2 g/kg分析等比湿 线；其它月每隔1 g/kg分析等比 湿线。 在客观分 析基础上 进行人工 订正 确定干线和湿区 绿色 干线 （露 当相邻两站的露点温度相差 10℃以上时，沿湿度梯度最大处 人工分析 判断水平干湿分布不均匀引 起的大气不稳定。当有显著流 灰色
项目文档9 数字频高图自动度量分析软件 中国科学院地质与地球物理研究所 “电离层历史资料编研”项目组 2010年12月30日
目录 1SAO Explorer软件简介 (1) 2频高图的标定 (3) 3电离层数据浏览与显示 (5) 4SAO Explorer使用技巧 (8) 5总结 (16)
电离层频高图的标定是采用专用的软件对电离层频高图中所代表的电离层特征参数进行自动或者人工判读和度量，进而得到电离层参数和电子浓度剖面。在这方面，世界各国相关单位已经开展过一些研究与软件开发，目前使用得最广泛，最受研究人员欢迎的是SAO Explorer电离层频高图浏览与标定软件。该软件由美国麻州大学Lowell分校大气研究中心研发，并公开提供给各国研究人员使用。该软件的下载地址和相关文档可见如下网址： https://www.doczj.com/doc/d4479843.html,/SAO-X/SAO-X.html 1.SAO Explorer软件简介 图1.1是SAO Explorer软件的界面。SAO Explorer能够打开频高图图片和ARTIST软件自动标定的SAO文件，人工检查标定结果，并能编辑自动标定时出错的结果。最终以SAO文件存储标定得到的电离层特征参数和电子浓度剖面。 SAO Explorer软件原本是用于美国Lowell大学所开发的Digisonde系列数字测高仪的数字频高图的标定，经过项目组的实验和使用，发现该软件用于胶片频高图所转换的数字频高图上也有较好效果。图1.2是采用SAO Explorer软件打开一幅经过由胶片频高图转换而来的数字频高图后，该频高图观测日期为1991年3月1日0700UT，图1.3是该频高图对应的分割定标之后的胶片频高图图片。可以看出，胶片频高图经转换成数字频高图后，较好地保留了原始观测信息，频高图的主描迹非常清晰，横轴（频率）、纵轴（高度）信息完整，描迹和坐标轴信息与胶片频高图上一致。另外，由于SAOExplorer默认显示世界时，而胶片频高图上显示的时间为地方时，1991年3月1日1500LT，所以实际上二者的时间信息一致。 图1.4则是对图1.3的频高图进行度量标定之后得到的电离层特征参数和电子浓度剖面信息。
中小尺度数值模拟 第二章 控制大气的基本方程组和地图投影 1、数值模式下的平均运动方程组 ?????????????===??+=??+??+?Ω-+?-=RT p S dt dq Q V p dt dT C V t F V g p dt V d v ρρ ρρρρ,0213 333333 2、次网格过程 用格点值不能直接描述的过程。如湍流，积云对流→对流扰动（空间）。平均值对应网格点值，扰动值对应次网格过程。 3、气象上常用的地图投影有哪些？在数值模拟过程中如何确定使用何种地图投影？ （1）极射赤面投影：高纬地区变形小，多用作极地天气图和北半球天气图的底图。（k=1） （2）兰伯特投影：中纬地区变形小，适用于中纬度地区天气图的底图，如亚欧天气图。 （3）麦卡托投影：低纬地区变形小，适用于作低纬地区天气图的底图。（k=0） 第三章 方程组的离散—差分法 4、中小尺度现象的模拟方法 （1） 实验室模型：动力相似性 （2） 解析解：数学方法求解方程（连续） （3） 数值模式：离散数值求解方法 5、数值求解的主要方法及其适用范围 有限差分法：利用Taylor 级数展开，使用最广泛。 有限元法：根据能量最小原理，将积分区域划分为有限的、不重叠但互相连接的单元，每个单元选择基函数，用单元基函数的线性组合逼近单元中的真解，整体区域的基函数可以看作由每个单元基函数组成，整个区域的解可以看作由所有单元的近似解，适用于不规则区域。 谱方法：Fourier 变换（谱展开），主变换要用于全球模式，计算精度高，现已经在中尺度模式中应用。 6、什么是差分方程的一致性、收敛性和线性稳定性？ 一致性（相容性）：即差分方程是否逼近微分方程（当步长→0） 收敛性：在一定的定解条件下，差分方程的解U 是否逼近微分方程的解u 。 稳定性：在时间积分过程中，当时间步长趋向于0时，在整个求解区域内，舍入误差U U -保持有界则是稳定的。即差分解的误差不随时间增长。
四大地理区域的划分北方地区和南方地区 主讲：黄冈优秀地理教师詹魁春 一、内容概述 （一）四大地理区域的划分 1、不同的地理区域 2、我国的四大地理区域 （二）北方地区和南方地区 1、北方与南方的自然差异 2、北方与南方的人文差异 二、重难点讲解 （一）四大地理区域的划分 1、不同的地理区域
上图通过四个人物分别描述自己生活地理区域的显著特征，形象直观地说明地理区域的差异性。 第一位身着维吾尔族服装表明“新疆维吾尔自治区”是我国一级行政区划中五个少数民族自治区之一；“山地上有大面积的草场”描述出自然环境情况；而高山牧场成为“我国有名的牧区”，表现出畜牧业是本区经济发展中的重要部门。 第二位来自西双版纳傣族自治州，该地位于云南省，属二级行政区划单位；傣家少女服饰表明这里也是少数民族的聚集区；“位于热带，气候湿热”，点出那里具有的热带气候特征；“美丽、旖旎的风光”、典型的热带景观和独特的傣家风情，不难得出结论，旅游资源的开发，会大大促进本区经济的发展。 第三位家住东南沿海地区，“经济发展很快”说明本区位于我国东部经济较为发达的地区，“经济特区”是根据本区对外开放的需要再划分的特殊经济区。 第四位来自长江三角洲，是个自然地理区域，由于自然条件的优越，农业发展历史悠久，在良好的农业基础上，又形成实力雄厚的工业区。 地理区域不仅可以划分为多种类型（自然区域、经济区域、行政区域），而
且同一类型的区域，还可以划分出不同尺度或不同级别的区域（如：行政区域：省、县、乡；再如：温度带：热带、亚热带、温带（暖温带、中温带、寒温带）。 2、我国四大地理区域 我国疆域辽阔，不同地区的地理环境差异很大。根据各地的地理位置、自然和人文地理特点的不同，可以将我国划分为四大地理区域：北方地区、南方地区、青藏地区、西北地区。 北方地区与南方地区分界线是秦岭——淮河一线，即1月0℃等温线和800mm 等降水量线。划分的主导因素是气温和降水因素（气候因素）。
中尺度天气图分析技术规范 (暂行稿).精讲 -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
附件： 中尺度天气图分析技术规范 （暂行稿） 国家气象中心 二O 一O年三月
目次 引言 (1) 第一章高空分析 (2) §1.1概述 (2) §1.2925h P a分析 (3) §1.3850h P a分析 (5) §1.4700h P a分析 (8) §1.5500h P a分析 (11) §1.6200h P a分析 (14) 第二章地面分析 (15) §2.1概述 (15) §2.2 气压场 (15) §2.3 风场 (16) §2.4 温度场 (16) §2.5 湿度场 (17) §2.6 天气区 (18) §2.7 边界线（锋） (18) 第三章综合图分析 (18) 第四章附录 (19) 附录I 术语和定义 (19) 附录Ⅱ中尺度天气分析符号 (21) 参考文献 (22)
引言 中尺度天气是指水平尺度几十公里至几百公里，时间尺度几小时到几十小时的天气现象[1]，按其性质分为中尺度对流性天气和中尺度稳定性天气。中尺度对流性天气包括雷暴、短历时强降雨、冰雹、雷暴大风、龙卷以及下击暴流等[2]，它是在一定的大尺度环流背景中，由各种物理条件相互作用形成的中尺度天气系统造成的。中尺度对流天气预报的成败，从根本上取决于在业务预报过程中所做的分析[3]。因为中尺度系统及其影响的中尺度对流天气现象的明显特征是生命史短、空间范围小且变化剧烈，所以业务预报员在进行中尺度对流性天气预报时，应更加关注比天气尺度更小的天气系统，并且关注大气中瞬变的系统和微小的变化[3]。 中尺度对流天气主观分析，是利用各种高空和地面观测资料、雷达和卫星等遥感探测资料、数值分析预报产品等资料，分析产生中尺度对流天气的中尺度对流系统及其发生发展的环境场条件。为了加强我国各级气象台站对中尺度对流天气发生发展条件的分析和诊断，规范中尺度天气分析的技术方法，参考美国空军全球天气预报中心和美国天气局风暴预报中心的强对流天气分析技术[3-4]，参考我国的常规天气图分析要求和中尺度天气分析研究[5-6]，国家气象中心制定了《中尺度对流天气的天气图分析技术指南》。本指南主要包括高空分析、地面分析和综合图分析三个部分。分析是在常规天气图分析的基础上，针对产生中尺度对流性天气的主要条件（水汽、稳定度、抬升和垂直风切变条件），分析各等压面上相关大气的各种特征系统和特征线，最后形成中尺度对流性天气发生、发展大气环境场“潜势条件”的高空和地面综合分析图。
附件： 中尺度天气图分析技术规范 （暂行稿） 国家气象中心 二O 一O年三月
目次 引言 (1) 第一章高空分析 (2) §1.1 概述 (2) §1.2 925hPa分析 (3) §1.3 850hPa分析 (5) §1.4 700hPa分析 (8) §1.5 500hPa分析 (11) §1.6 200hPa分析 (14) 第二章地面分析 (15) §2.1 概述 (15) §2.2 气压场 (15) §2.3 风场 (16) §2.4 温度场 (16) §2.5 湿度场 (17) §2.6 天气区 (18) §2.7 边界线（锋） (18) 第三章综合图分析 (18) 第四章附录 (19) 附录I 术语和定义 (19) 附录Ⅱ中尺度天气分析符号 (21) 参考文献 (22)
引言 中尺度天气是指水平尺度几十公里至几百公里，时间尺度几小时到几十小时的天气现象[1]，按其性质分为中尺度对流性天气和中尺度稳定性天气。中尺度对流性天气包括雷暴、短历时强降雨、冰雹、雷暴大风、龙卷以及下击暴流等[2]，它是在一定的大尺度环流背景中，由各种物理条件相互作用形成的中尺度天气系统造成的。中尺度对流天气预报的成败，从根本上取决于在业务预报过程中所做的分析[3]。因为中尺度系统及其影响的中尺度对流天气现象的明显特征是生命史短、空间范围小且变化剧烈，所以业务预报员在进行中尺度对流性天气预报时，应更加关注比天气尺度更小的天气系统，并且关注大气中瞬变的系统和微小的变化[3]。 中尺度对流天气主观分析，是利用各种高空和地面观测资料、雷达和卫星等遥感探测资料、数值分析预报产品等资料，分析产生中尺度对流天气的中尺度对流系统及其发生发展的环境场条件。为了加强我国各级气象台站对中尺度对流天气发生发展条件的分析和诊断，规范中尺度天气分析的技术方法，参考美国空军全球天气预报中心和美国天气局风暴预报中心的强对流天气分析技术[3-4]，参考我国的常规天气图分析要求和中尺度天气分析研究[5-6]，国家气象中心制定了《中尺度对流天气的天气图分析技术指南》。本指南主要包括高空分析、地面分析和综合图分析三个部分。分析是在常规天气图分析的基础上，针对产生中尺度对流性天气的主要条件（水汽、稳定度、抬升和垂直风切变条件），分析各等压面上相关大气的各种特征系统和特征线，最后形成中尺度对流性天气发生、发展大气环境场“潜势条件”的高空和地面综合分析图。 本指南仅适用于地面、高空常规和加密观测以及自动站观测资料的分析和数值预报相关参量的分析。本指南中的等值线（如等温度线、等压线等）分析原则与大尺度天气图分析原则一致，其目的是为了分析各种特征系统和特征线，在业务中以客观分析为主，人工订正为辅。
电离层模型精度比较 巩岩，韩保民 （山东理工大学建筑工程学院，山东淄博255049） 摘要：为了更好的进行电离层延迟改正，使用了常用电离层模型NeQuick模型和IRI 模型，随机选取某几天的某几个时刻进行数据处理，将得到的结果与IGS分析中心结果进行比较。结果表明，用不同的模型得到的TEC值不一样，精度不同，其中的精度更高。 关键字：NeQuick模型；IRI模型；TEC 众所周知，电离层是围绕地球的一层离子化的大气，它的电子密度、稳定程度和厚度等都在不断变化着，这些变化主要是受太阳活动的影响。太阳发生质量喷发时，可产生数以百万吨计的物质磁云飞入空间，当这些磁云到达地球电离层时，就会使电离层的电子密度发生很大变化，产生所谓的电离层暴，造成严峻的空间天气状况，严重时可以中断无线电通信系统和损害地球轨道卫星（如通信卫星）。当GPS信号传播到地球或低轨飞行器时，必须穿透电离层，此时就会产生路径延迟（等价于相应的延迟），而电离层延迟误差是GPS定位中的一项重要误差源，特别是2000年5月美国政府宣布取消了SA政策以后，电离层延迟被认为是影响GPS定位精度的最大误差源。因此对电离层活动的监测和预报，或许可以给出早期的预警信息，以便及时保护贵重的通信卫星，揭示太阳和电离层中某些现象发生的规律性，以及了解地球磁场及其他圈层变化和相互作用的规律。 1电离层模型方法与原理 电离层活动的监测很难建立完善的理论预报模型，目前大都采用统计规律及经验模型做预报，但准确率不高。电离层TEC的长期预报模式大致分两类，一种是利用NeQuick模型预测的电子密度计算TEC，二是利用IRI模型预测的电离层剖面计算电离层TEC。 1.1NeQuick模型 NeQuick模型是由意大利萨拉姆国际理论物理中心的高空物理和电波传播实验(ARPL OICTP, Trieste)与奥地利格拉茨大学的地球物理、气象和天体物理研究所(IGAM,U2niversity of Graz) 联合研究得到的新电离层模型, 该模型已经在欧空局EGNOS项目中使用, 并建议Galileo系统的单频用户采纳来修正电离层延迟。 NeQuick模型不仅可以计算任意点的垂直方向电子总含量和斜距方向上电子总含量，也可以用参数NmF2(F2层的电子密度)和hmF2(F2层峰值的高度)来表示给定时间和位置的电子浓度，从而得到电离层的垂直电子剖面图。该模型提供一种描述三维电离层图像新方法。在计算高度100km到hmF2电子浓度时，模型使用欧盟科技合作项目COST238和COST251中表示Ep stein层的DGR公式(Radicella and Leitinger, 2001)。这些参数值是时间和位置的函数，可以在国际电信联盟无线电部(ITUOR)的数据库中得到，该数据库提供各种参数的月平均值。 标准NeQuick模型在输入月份、地理纬度和经度、高程和协调世界时以后，可以给出卫星信号到接收机传播路径总电子含量或者是卫星与卫星之间总电子含量以及给出高度能到20000km的电离层垂直剖面图。模型同时还需要太阳活动参数： R12 (太阳黑子数每月平均
一、名词解释 差分近似的收敛性：在模式的计算域内，在固定时间n?t 后，当?t，?x→0时，在整个计算域内max{|u i n?u(i?x,n?t)|}→0。 混淆误差：指由于有限网格不能正确地分解短波而造成的误差。 计算的稳定性：给定初始值，计算的解随着时间步长（趋于∞时），是有界的。 差分近似的一致性（相容性）：当?t，?x→0时，差分系统应等同于微分方程。 模式中的动力框架：包括建立相适应的大气动力方程组、确定垂直坐标系和选择合理的离散化的方法（差分还是谱分析）。 物理过程：主要包括3个，即云物理过程参数化、边界层物理过程参数化和太阳辐射过程参数化。 资料同化：即把不同时刻、不同地区、不同类型的观测资料与常规资料融合，通过一定的预报模式，使之在动力和热力上协调起来，求得质量场和流场基本平衡的理想的初始场。 客观分析：利用模式构造一个背景场，再把测站资料插值到该背景场的格点上，然后做质量检验并对其进行初始化。是整合检错，质量控制，合理插值的综合过程。Lax等价性原理：对于一个适定的初值问题和它的一个具有相容性的差分格式，其计算稳定性是收敛性的充分必要条件。 CFL条件：显式格式稳定性的必要要件，c?t/?x≤1，其中C为所考虑的最快波的波速。 不同离散方法中模式的精度：对于差分方法，格距越小，分辨率越高；对于谱方法，截断系数越大，分辨率越高。 二、数值模式由哪几个部分组成？ 1、前处理：包括客观分析等，给主模式一个合理的适应模式的初始条件。 2、动力框架、物理过程 3、后处理：模式输出的资料的处理，以供应用。 MM5模式有哪些优点？ (1)多重嵌套和移动嵌套功能；(2) 非静力动力模式(3) 四维同化能力；(4) 齐全的物理选项；(5)可以多平台、多系统运行(6) 易操作性。 MM5模式有几个模块组成，各自的主要功能是什么？MM5共有8个模块。 （1）TERRAIN模块：对经纬度网格的地形资料和路面特征参数资料进行插值。（2）REGRID模块：对分析场资料进行插值，形成标准等压面上的初值场。（3）REWINS 和LITTLE-R模块：读入观测资料，剔除错误记录，进行客观分析；对时间插值生成四维同化资料。（4）INTERPF 模块：形成初始场和侧边界条件，前处理程序（5）MM5模块：时间积分，进行数值预报。（6）INTERPB模块：读入MM5预报的结果，计算出海平面气压等，并把σ面上的各变量插值到等压面P上，后处理程序。 三、简述中尺度数值模式运行的概念路线。 1、首先要建立动力框架，即大气动力方程组、运动方程组、连续方程，且不同坐标系下方程组不同。 2、由于方程组是非线性偏微分方程组，需将其离散化，离散化的方法一般是差分方法和谱方法，必须遵从相容性、精确性、收敛性、稳定性原则。 3、初始化，给出边界条件（分为垂直和水平边界条件）；确定时间积分方案（时间分离方案和半拉格朗日方案）；嵌套方案（几重，同异，单双）；参数化的方案。 四、在数值模式中经常采用哪些方法来消除非线性计算不稳定？ 1、进行空间和时间平滑，滤去短波分量； 2、在方程中加入形如R▽2A的扩散项； 3、构造具有隐式平滑或某种选择性衰减作用的差分格式； 4、构造守恒的差分格式，也利用能量守恒的方法。 十、在中尺度数值模式中为什么要处理边界层过程？一般是如何处理的？ 1、大气边界层是大气的主要热量和水汽的源，是动量的汇； 2、周边界层中的摩擦作用，使得风往往和等压线相交偏向低压一侧，造成边界层内低压和高压系统分别伴有水平辐合和水平辐散，将影响大气中天气系统的发生与发展。处理方法：1、整体参数化；2、边界层精细化处理方案。十一、在中尺度数值模式中为什么要对辐射过程采用参数化？ 因为辐射过程是小尺度运动，甚至是更小尺度，不能在模式中显示出来，必须要参数化才能使用。 十二、在中尺度数值模式中为什么要对湿物理过程采用参数化？请写出您所知道的几种积云参数化方案（至少4种）。 湿物理过程一般是小尺度运动，甚至是更小尺度，即次网格，在模式中不能显式的表示，且湿物理过程的潜热影响大，会造成强的对流运动，所以需要用参数化解决。 1、对流调整方案； 2、郭氏参数方案； 3、荒川-舒伯特对流参数化方案； 4、贝茨-米勒对流调整方案。
多维尺度分析 多维尺度分析（multidimensional scaling ,MDS ）又称ALSCALE(alternative least-square SCALing),还有人称之为多维量表分析；它是将一组个体间的相异数据经过MDS 转换成空间构图，且保留原始数据的相对关系。 1多维尺度分析的目的 假设给你一张中国台湾省地图，要你算出基隆，台北，新竹，台中，台南，嘉义，高雄，花莲，台东，枋寮，苏澳，恒春等地间的距离，你可以用一把刻度尺根据比例测算出一个12x12de 距离矩阵；反之，如果给你一份12个城市间的距离矩阵，要你画出12个城市相对位置的二维台湾地图，且要他们与现实尽量保持一致，那就是一件不容易的工作了，多为尺度分析就为此工作提供了一个有效地分析手段。 2多为尺度分析与因子分析和聚类分析的异同 多为尺度分析和因子分析都是维度缩减技术，但是因子分析一般使用相关系数进行分析，使用的是相似性矩阵；而多为尺度分析采用的是不相似的评分数据或者说相异性数据来进行分析；与因子分析不同，多为尺度分析中维度或因素的含义不是分析的中心，各数据点在空间中的位置才是分析解释的核心内容； 多为尺度分析与聚类分析也有相似之处，两者都可以检验样品或者变量之间的近似性或距离，但聚类分析中样品通常是按质分组的；多维分析不是将分组或聚类作为最终结果，而是以一个多维尺度图作为最终结果，比较直观。 若你的目的是要把一组变量缩减成几个因素来代表，可考虑使用因素分析；若目的是变量缩减后以呈现在空间图上，则可以使用MDS 。如果你是想要却仍相似观测值得组别，请考虑以聚类分析来补充多为尺度分析，聚类分析虽可以确认组别，但无法在空间图中标示出观测。 3.定性的和定量的MDS MDS 分析测量的尺度不可以是nominal 的，但可以是顺序的ordinal,等距的interval,比率的ratio 。顺序量表只可以用于质的分析，又称为定性多维量表分析；它以个体间距离排序为主；而interval 和ratio 量表称为定量多维量表分析（定量多维尺度分析）。 定性的多维量表分析是目前比较常用的MDS 法，因为他可以使用使用量表要求比较宽的顺序量表，但可以得到量表比较严的数值空间图，也就是说，输入的是分类数据，输出的是数值结果。 4.MDS 分析的各种类型 定性MDS 分析------------------------------------------------------------------------------------例1 定量MDS 分析------------------------------------------------------------------------------------例2 不对称方阵MDS 分析--------------------------------------------------------------------------例3 从数据中创建距离对称矩阵MDS-----------------------------------------------------------例4 个体差异模型MDS------------------------------------------------------------------------------例6 5多维量表分析的运算原理 对定量MDS 而言，输入的距离矩阵()rs n n D d ?=是欧氏距离，如果能在某个P 维空间上 找到坐标点，是其点间的距离2' ()()rs r s r s d x x x x =--所形成的矩阵刚好等于D,即可求得 MDS 的最佳解。其求解是一个迭代过程，不在此细述。 6.拟合度的测量-------Stress 拟合的好坏的指标称为压力系数（stress 应力），系数越小拟合越好；所绘图与原数据
1.背风波：当风速随高度增大时，则可在背风坡出现波动气流，这种波动成为背风波。 2.多单体雷暴：由一些处于不同发展阶段的生命期短暂的对流单体组成，是具有统一环流的雷暴系统 3.龙卷风暴：产生龙卷的强风暴系统称为龙卷风暴。 4.温带飑线：为—种带(或线)状中尺度系统,是非锋面性狭窄的活跃的雷暴带(或不稳定线)。 其中有许多雷暴单体（其中包括若干超级单体）侧向排列而形成的，是风向、风速、气压、温度等突变的狭窄强对流云带。为破坏力严重的灾害性天气。 5.对流复合体（MCC）：指由若干对流单体或孤立对流系统及其衍生的层状云系所组成的对流系统，其空间尺度和时间尺度具有幅度很广的谱。最简单的是二维的线状对流系统，最大而复杂的是一种具有近于圆形团状结构的MCC这两种系统位于对流复合体波谱的两端。 6. 对称不稳定：在流体静力、地砖平衡且具有水平切变的情况下，浮力和旋转会共同起作用，这两种效应会导致一种新的浮力惯性不稳定，即对称不稳定，对称不稳定是中尺度雨带与雨团形成的主要不稳定机制。 7.条件性不稳定:对干空气是静力稳定的，而对饱和湿空气静力不稳定的情况。 8.对流性不稳定：不论气层原先的层结性如何，在其被抬升达到饱和后，如果是不稳定的则称对流性不稳定。
9.第二类条件性不稳定：大尺度流场通过摩擦边界层的抽吸作用，为积云对流提供了必须的水汽辐合与上升运动，反过来积云对流释放凝结潜热又成为驱动大尺度扰动所需要的能量，于是小尺度积云对流和大尺度流场通过相互作用，相辅相成的都得到了发展。这种通过不同尺度运动的相互作用使对流和大尺度流场不稳定增长的物理机制称为第二类条件性不稳定。 10. 超级单体风暴：直径达20~40km 以上，生命期达数小时以上，即比普通的成熟单体雷暴更巨大、更持久、天气更猛烈的单体强雷暴系统。它具有近于稳定的、高度有组织的内部环流，并且连续地向前传播可达数百公里。 11. .暖输送带：在槽前辐合区的边界上通常可以看到一支狭长的云带。这是由来低纬度低空对流边界层的暖空气在其逐渐向北、向上运行，升入到对流层中、高层时所形成的。由于这支狭窄的气流具有朝极地方向和朝上输送大量热量以及水汽和动量的作用，所以称。 12冷输送带：它起源于气旋东北部的高压的外围，是一支反气旋式的低空入流，其作用是将把北方冷空气向南方输送。 1混淆误差：当用有限网格法表示函数值时，其描述的最短波长为2X，如果因为非线性相互作用产生波长小于2X的分量，则网格系统不能正确分辨而把它错误的表示成某一种波长大于2X的波造成系统的误差，这样的误差叫做混淆误差。原因：由于有限网格不能正确分解短波而造成混淆误差。 2、地图投影放大系数概念：
文章编号:025420096(2003)0420536204 卫星遥感地理信息与数值模拟应用于 风能资源综合评估新尝试 杨振斌1,2,薛 桁2,王茂新2,袁春红2,罗林明3 (1.北京大学物理学院,北京100871;2.中国气象科学研究院,北京100081; 3.中国气象局培训中心,北京100081) 摘 要:该文提出一套综合的应用于风能资源评估的分析系统。应用卫星遥感反演出地形、地貌特征,融合地理信息数字高程数据,获得三维TM图像,在三维地形上进行风场的数值模拟和分析,得到该区域风能分布图,用以进行风电场宏观选址;根据宏观选址结果,通过在备选风电场进行风实测,应用研制的风能资源分析软件对该实测资料进行进一步地可行性分析,为风电场的开发作好前期的准备工作。 关键词:风电场选址;卫星遥感;地理信息;风能资源分析 中图分类号:T K511 文献标识码:A 0 前 言 回顾我国风力发电事业的发展,近20年来作为一种可再生能源,风能利用得到空前的重视和发展,其开发利用技术最为成熟,具有巨大发展潜力。我国正处于经济迅猛发展时期,资源和能源的需求急剧增长,常规能源生产带来的环境问题已不容忽视,迫切需要加强洁净能源的开发。改善能源结构,利用可再生能源,减轻环境污染,成为我国能源工业关注的热点[1]。据估算,我国的陆上风能资源总储量为32126×1011W[2],风能资源丰富。目前,风电价格已开始下降[3],因此开发和利用风能资源对于国民经济发展具有十分重要的意义。到2001年底全国风电总装机容量达到399,895kW,风能资源开发正以前所未有的速度迅猛发展。随着我国今后大规模发展风力发电的必然趋势,对风电场的选址和风资源评估将成为越来越重要的工作。以往对大范围乃至局部小面积的风资源普查基本上是基于对风资源资料的收集、计算,凭借一定的原则和经验,判断一个区域风能资源的地理分布,在此基础上进行作出风电场场址的初步选定。由于这种分布图带有较强的专业性,对大量的风电人员显得不直观且较难与实际地形相联系。目前迫切需要解决的问题,就是瞄准国际前沿科技手段,应用卫星遥感技术、地理信息系统及中小尺度气象学等相关新技术研究成果,研制我国新一代风电场选址技术,包括适合我国特点的风电场选址资源评估软件。 为了解决这一问题,我们进行了卫星遥感资料反演、中小尺度数值模拟、风电场风能资源分析软件研制等工作,基于这些研究成果,初步研制出卫星遥感地理信息和风能资源嵌套宏观评估,以及应用实测资料进行风能资源分析软件,为我国今后风能资源开发提供了一个行之有效的手段。 1 卫星遥感资料的应用 评估中小尺度风能资源,确定备选风电场,必须使用分辨率高的资源卫星。本文采用了地表空间分辨率达到30m的美国陆地资源卫星Landsat TM(简称TM),有7个波段,光谱分辨率高,能识别、解译各种地物,对计算粗糙度变化引起的风速变化能提供精确的地物特征,如图1所示: 因地球曲率等因素的影响,在星下轨迹两侧几何变形严重,无法直接应用,必须进行图象重采样和投影变换[4]。 用重采样公式分别沿着两个坐标轴进行重采样,即可校正图像的扭曲。对于风能资源评估来说,对时效性要求不强,速度可以慢一些,但对精度要求很高,因而重采样采用精度最高的三次卷积重采样法: 第24卷 第4期2003年8月 太 阳 能 学 报 ACTA EN ERGIAE SOLARIS SINICA Vol124,No14 Aug.,2003 收稿日期:2002204208