不稳定平台OTT-Parsivel雨滴谱仪测量速度订正

针对高架环境中OTT-Parsivel雨滴谱仪测量结果受环境气流影响易出现误差的问题, 开展不稳定平台的OTT-Parsivel激光雨滴谱仪探测试验, 提出在不同水平风速环境下的质量控制方法, 给出测量速度订正模型, 并对其进行仿真实验和误差分析。基于 2020年北京夏季降水过程, 利用280 m高处OTT-Parsivel激光雨滴谱仪、三维超声风温仪和动态倾角传感器的测量数据, 对多次降水个例进行分析。结果表明, 提出的模型对雨滴的垂直下落速度有良好的订正效果, 各尺度通道速度分布更趋于正态分布, 有效粒子数可提高6%。在缺少倾角测量的情形下, 利用超声风温仪风速数据估计缺失的倾角数据, 估算的倾角值与实测值的一致率可达96.43%。在水平风速超过8 m/s的大风情况下, OTT-Parsivel雨滴谱仪测量数据的可用性得到提高。     

北京低边界层雨滴谱的垂直分布特征

基于安装在气象铁塔不同高度的3台Parsivel激光雨滴谱仪, 研究2020年6—8月北京地区31次降雨过程低边界层的雨滴谱垂直分布特征及其对雷达测量降雨的影响。结果表明, 在雨滴从280 m下落到140 m的过程中, 雨滴破碎占据主导地位, 大尺度雨滴减少, 小尺度雨滴大量增加; 从140 m下落到地面的过程中, 雨滴合并占据主导地位, 大尺度和小尺度雨滴均减少, 中等尺度雨滴增加; 对流型降雨中, 随着高度降低, 大尺度雨滴迅速减少, 雨滴破碎对雨滴谱分布的影响较大。北京地区对流型降雨的雨滴谱特征介于海洋型与大陆型之间。由于雨滴谱的分布随高度变化, 不同降雨特征量也随高度发生非线性变化, 因此使用地面的降雨测量结果对气象雷达进行校准以及联合反演降雨会产生Z-R错配误差, 这种误差在稳定型降雨和弱降雨中更显著。     

雨滴的衰减截面模型及特性分析

对多组数据进行分析后,发现散射截面的规律,以雨衰公式和M-P,J-T雨滴谱为基础,进行多组数据拟和,得出了HPM雨滴衰减截面的经验模型,利用经验模型,得出衰减率随频率和降雨量变化的规律.模型具有简单实用的特点,并且由模型所得结果、结论与有关文献完全一致.     

雨滴谱gamma函数拟合方法的分析与评估

地面雨滴谱常呈现gamma分布,gamma函数三个参数分布特征与降水云性质有关,采用不同拟合方法得到雨滴谱分布参数亦存在差异。利用2016年6～7月华南前汛期降水观测试验期间广东龙门地面PARSIVEL激光雨滴谱数据和相同地点的C波段调频连续波垂直探测雷达数据进行层状云及对流云分类,对地面雨滴谱数据按照15 min时长进行分组,得到了102组层状云降水样本和64组对流降水样本,开展降水雨滴谱gamma模型函数拟合方法的评估试验。对雨滴谱分布平均值特征曲线的代表性确认后,分别进行了非线性最小二乘法拟合以及多种阶矩法的拟合试验;使用地面实测数据与gamma拟合函数三个参数分别计算雨滴谱数浓度均方根误差、质量加权中值粒径的相对误差和降水强度的相对误差评估拟合结果。结果表明,使用非线性最小二乘法拟合效果最优。联合2016年6月13日调频连续波雷达探测一次降水过程不同阶段的地面雨滴谱特征,得到降水强度与gamma参数的相关关系,为降水云体垂直结构及降水微物理研究提供合理方法。     

分组mask引导的单幅图像去除雨滴

恢复被雨滴损毁图像是提高自动驾驶或视频监控等机器视觉在自然场景中识别性能的必要预处理任务。该任务的核心技术是对雨图中雨滴的定位和恢复被雨滴覆盖的背景信息。现有基于数据驱动的解决方案是基于雨滴定位采取固定阈值下硬掩码(hard mask)或软掩码(soft mask)引导的深度神经网络去除雨滴。考虑到雨滴形状的多样性、对背景损毁程度的模糊性,该文提出基于分组函数的自适应阈值分割算法(称为分组掩码)引导的雨滴去除算法。首先,分组掩码根据雨滴大小的多样性和雨滴对背景模糊程度的不同自适应提取雨滴信息;然后,将雨滴损毁图像和分组掩码级联作为输入,用对抗损失训练生成对抗网络(GAN)去除雨滴,输出恢复的干净背景图。综合实验可见,文中提出的图像去雨滴算法比现有的算法更具有优越性。     

海南省秋季暴雨过程雨滴谱的特征分析

以2017年海南省海口市秋季暴雨过程为研究对象,利用Parsivel降水粒子谱仪观测到的雨滴谱资料,分析雨滴微物理参量特征及滴谱随降水过程的演变特征.结果显示:降水粒子以直径小于1 mm的雨滴为主,直径大于1 mm的雨滴数所占的比例低,但其对雨强的贡献最大.雨滴数浓度、雨强、最大直径和均立方根直径随时间的演变趋势相似,峰值和谷值位置基本一致.降水前期雨滴谱以单峰为主,谱型窄;中期谱型拓宽,滴谱从单峰向双峰甚至三峰演变,有4 mm的大粒子出现;末期谱型变窄,滴谱变回单峰,雨滴数浓度显著降低.当进行Gamma分布的拟合时,直径在1.5 mm～3 mm范围内的雨滴,其拟合最为理想,本研究可为进一步研究热带降水云系的微物理特征提供参考.     

风对土壤水分蒸发的影响

采用花盆整体称重法对不同高度挡风墙后的土壤水分蒸发进行了对比试验。实验表明,挡风墙可以有效地减小风速,降低土壤水分蒸发;挡风墙越高其降低土壤水分蒸发的能力越强,影响其后的范围也越广;100cm高挡风墙其影响范围为6m,其后20cm处的土壤水分蒸发量降低28%,80cm高挡风墙其影响范围为4m,其后20cm处的土壤水分蒸发量降低26%,50cm高挡风墙其影响范围为3m,其后20cm处的土壤水分蒸发量降低10%,风速与土壤水分蒸发成一次线性关系。     

GPM DPR雷达联合地面S波段雷达反演雨滴谱

针对GPM-CO DPR观测数据反演雨滴谱算法中存在的双值问题, 提出通过匹配地面S波段天气雷达与GPM-CO DPR观测数据, 为双值问题提供判断依据的方法。在建立反演查算方法的基础上, 利用雷达仿真程序Quickbeam进行算法的理论验证, 并使用观测数据进行实例验证。理论验证的结果表明, 反演结果数据和输入数据的相关系数达到0.99以上; 实例验证的结果显示, 利用此反演算法得到的雨滴谱可以反映降水过程中雨滴粒径的分布情况, 在一定程度上解决双值问题。     

基于雨滴谱函数的降雨动能理论计算模型

降雨动能是刻画降雨侵蚀能力的一个重要指标，广泛地应用于土壤侵蚀模型研究. 基于大量试验观测资料所给出的降雨动能与降雨强度的经验关系，受观测手段和条件的限制，难以普适推广使用. 文中结合试验资料分析，研究和建立了基于雨滴谱函数和雨滴终点速度的降雨动能理论计算模型，并给出了体积比动能和时间比动能的理论计算方法. 结果表明：在降雨强度近似不变的条件下，降雨动能与降雨强度间更符合幂函数关系；通过改变雨滴形状参数，可以计算不同类型的降雨动能. 通过与其他研究者根据实测资料所得的经验公式的对比分析表明，对于不同地点和不同类型的降雨动能，本计算模型都可以给出十分接近的理论估算，并且地形和风对降雨动能的影响也可以被有效地考虑.     

湖体对风、湿环境影响的数值模拟

湖体对周边气象环境的影响研究可为气象站站址选择及代表性评估提供依据。应用WRF中尺度模式,通过对四季晴天小风、阴天大风背景天气下有无湖体算例的模拟比较。分析了浙江青山湖湖体对风、湿环境的影响。结果表明:(1)湖体存在通常使近地层风速增加,而春季湖体降温效应会导致近地层风速减小。(2)春夏湿润季节湖体对湿度影响较小,而秋冬干燥季节湖体有明显增湿作用,最大达7 g/kg。(3)青山湖对下风方风速、湿度观测可能产生影响的距离分别为6.5 km、2.7 km。     

复杂山地环境下脉动风速谱研究

进行了8种坡度下单个三维山体的模型风洞试验,讨论了山体各位置脉动风速谱的变化规律,以及坡度对脉动风速谱的影响.结果表明:背风面山脚0.8h高度以下位置,脉动风速功率谱与来流风速谱相比,功率谱峰值明显增大,峰值频率向高频移动,单峰特征明显,频带变窄.除此以外的背风面其他位置、迎风面以及山顶位置的脉动风速功率谱与来流风速谱基本一致.提出了山体背风面脉动风速能量由来流湍流能量和山体尾流涡旋能量构成的思想,将来流脉动风速谱与涡旋谱进行分离,并根据试验数据拟合,提出了保守的涡旋谱的计算公式.根据不同坡度山体的试验,得出了0.5为涡旋产生与否的临界坡度.     

风速对海岸风沙流中不同粒径沙粒垂向分布的影响

 选择河北昌黎黄金海岸状态自然、规模高大、形态典型的海岸横向沙脊,野外实地观测不同风速下海岸沙丘表面风沙流中不同粒径组沙粒垂向分布的变化。结果表明,随着风速的增大,海岸横向沙脊表面不同粒径组的沙粒在距地表60 cm高度内输沙量的垂向分布呈现出了不同的变化特点,其中粗沙的总输沙量减少,但中沙和细沙增加,在不同高度层内的变化亦不一致;相对输沙量基本呈现为下层减少、中层增加或基本持平、上层减少的变化特点,但各个变化层位的高度不一;垂向分布模式,粗沙转变为典型负幂函数分布,中沙由负幂函数转变为指数函数,细沙则为典型的指数函数布模式。究其原因,主要应与不同风速气流的携沙极限、随风速增大增加了沙粒的搬运高度以及不同粒径组沙粒的主导运动方式有关。     

航空炸弹风扰动脉冲修正

根据非平静大气下弹箭运动方程组，针对航弹在风影响作用下产生的落点散布，采用脉冲修正方式对航弹落点偏差进行风校正。根据同一冲量在不同时刻作用所产生的不同修正能力，分析了修正时机的选取，并对常值风弹道进行了二维修正。     

基于短期资料的重庆风速极值渐进分布分析

为克服统计样本容量（重庆地区1990—1999年间的风速资料）过少可能造成的统计误差,采用了月最大风速来拟合年最大风速的极值渐进分布,并通过3种极值分布函数（极值Ⅰ型Gumbel、极值Ⅱ型Freehet、极值Ⅲ型reverse Weibull分布）及广义Parato分布（GPD）拟合结果的对比分析,得到短期风速资料下重庆年最大风速的极值渐进分布用极值Ⅲ型（reverseWeibull）分布拟合较好,它给出了最佳的极值风速估计值．     

粗糙条对某超高层建筑风荷载影响的风洞试验研究

超高层建筑外幕墙围护结构的骨架等粗糙条构件,会改变建筑表面绕流形态,从而对风效应产生影响,但目前我国建筑结构荷载规范中尚缺乏相关规定。文中以某典型超高层建筑项目为研究对象,对建筑模型表面设置粗糙条与去除粗糙条两种工况进行刚性模型同步测压试验对比研究,通过分析建筑模型表面风压系数、基底倾覆弯矩和体型系数等风荷载特性的变化,以研究建筑表面粗糙条对超高层建筑结构风荷载的影响规律。研究表明：设置粗糙条对建筑表面极值正压影响不大,但会显著降低建筑表面极值负压绝对值、最大降幅约39.8%,将显著影响建筑角区及侧风面,使建筑侧风面的平均和脉动风压系数显著减小、最大减幅分别为24%和30%,整体上,设置粗糙条有利于建筑围护结构的抗风设计。设置粗糙条会影响结构整体风荷载,在0°正吹风向角下,粗糙条会使建筑沿层高分段风荷载体型系数略微增大、最大增幅约为8%,使塔楼基底绕X轴的倾覆剪力和倾覆弯矩略微增大、增幅分别为4.9%和6.0%;设置粗糙条对建筑顶部峰值加速度极值出现的风向角有影响,且可降低峰值加速度幅值,降幅约为7.91%。     

正态风频模型及其参数估算方法

对正态风频模型及其参数估算方法进行了详细的研究，发现该模型在平均风速偏低、中等及偏高的情况下都能比较准确地拟合实测风况的平均风速、标准基及平均风功率密度．通过几个地区实测风况的统计资料对理论计算进行检验，得到了比较满意的结果．     

峡谷地形平均风速特性与加速效应

采用计算流体力学(CFD)方法建立多个数值模型,通过与风洞试验的对比分析验证了数值模拟结果的可靠性,较系统地研究并详细分析了峡谷长度、山顶间距、山脉坡度3种地貌因素对平均风加速效应的影响.结果表明:山脉顶部加速效应主要受山脉坡度的影响,在近地面内坡度越大加速效应越明显;峡谷内部加速效应受多种地貌因素影响且变化趋势较为复杂,必须考虑峡谷侧坡边界层的影响和流动的三维效应,当峡谷长度越短、山顶间距越小、山脉坡度越大时,迎风谷口处在近地面内的加速效应越明显.最后计算出典型峡谷的风压地形修正系数,并与我国建筑结构荷载规范进行对比.