中高纬度山区气温空间化的方法比较研究——以大兴安岭北麓为例

为比较和探讨中高纬度山区多种气温空间插值方法的精度及适用性,本文利用大兴安岭山脉北段及其周边区域气象站点实测气温数据,以平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE)作为评价指标对六种气温空间插值方法进行精度比较。研究结果表明:(1)反距离权重插值法(IDW)、普通克里金插值法(OK)、样条函数插值法(Spline)三种传统的气温插值方法只能粗略反映气温要素的空间分布状况,不适合气象站点稀少而地形起伏较大的区域。(2)BP神经网络(MAE:0.62℃～1.43℃,RMSE:0.84℃～2.02℃)和线性回归+残差内插的空间插值算法(MAE:0.61℃～1.55℃,RMSE:0.82℃～2.30℃)优于常规的插值方法,且BP神经网络算法能较好地反映研究区地形的高低变化以及山脉的走向。(3)在一天中的12:00—22:00时间段内,六种气温空间插值方法的插值精度与插值效果都不理想。对比六种气温空间插值方法表明,BP神经网络算法对研究区气温空间模拟效果最好,且插值效果与训练样本数量成正比。本文可为中高纬度山区气温空间化研究提供参考。     

2017年夏季秦岭降水的数值模拟及其空间分布

秦岭是中国气候的分界线,其高海拔地区降水数据的缺乏,限制了对秦岭高山气候及水资源变化的研究。为认知秦岭地区降水的空间分布,利用WRF模式,采用GF、KF和BMJ 3种对流参数化方案,对秦岭及周边地区2017年夏季降水进行了模拟。结果显示,模拟和卫星数据都揭示降水与地形呈剖面一致性,从南到北呈条带状分布的空间格局,在秦岭出现一条降水高值带,秦岭对水汽向北输送有明显的阻滞作用,造成南坡降水量显著大于北坡。模拟值要比卫星降水数据偏大,其中KF方案模拟降水偏多的主要原因为强烈的对流不稳定性导致对流降水的过高估计,GF方案则由于大气偏湿激发网格尺度降水,造成大尺度降水的模拟偏多,而BMJ方案模拟值与观测值最为接近。把模式分辨率提高到2 km,可显著改善模式对秦岭山区的模拟水平,但2 km高分辨率仍不足以完全显式解析积云对流过程,需要恰当的积云参数化的协同作用。     

天山暴雨数值模拟的试验研究

利用新疆天山地区加密自动气象站资料、常规探空资料和NOAA卫星AMSU辐射亮温资料,应用中尺度模式(WRF-ARW)和(3DVAR)同化系统,对2007年7月16-17日发生在新疆东天山的暴雨天气过程进行了数值模拟试验。结果表明:①通过WRF模式对天山地区“2004-07-18”和“2010-06-22”两次暴雨过程的数值模拟试验, WRF模式在天山地区以Lin微物理过程方案,Grell积云对流参数化方案,MYJ边界层参数化方案,耦合Noah陆面模式的方案组合更优。②同化天山地区加密自动气象站资料、常规探空资料和AMSU-A/B辐射亮温资料,使初始场更接近于当时的实际大气状况,且同化后的模拟预报效果,无论是对降水落区还是对降水强度均较控制试验有明显的改善。③适当提高模式水平分辨率,有助于改进暴雨落区的预报强度。     

干旱区水环境叶绿素遥感估算模式

利用2006年10月14~18日在甘肃省庆阳市境内环江、柔远河和马莲河实测的水体波谱数据,模拟水色卫星传感器波段,根据目前广泛应用于各种水色卫星传感器的五种叶绿素浓度估算模式计算叶绿素含量;利用平均绝对误差(MAE)、均方差(RMSE)、一致性指数(IA)和线性相关系数(LCC)等模式性能检验指标,结合与光谱数据测定同步获取的叶绿素含量分析数据,对模式性能进行评价,试图从地面遥感的角度来深入分析这些模式的应用精度;模式的性能分析结果表明:(1)Clark(1997)具有最小MAE和RMSE,最大的IA和LCC,因而是比较适用研究区域叶绿素浓度的估算模式;(2)虽然Clark(1997)性能相对来说比较高,但是估算误差仍在37%以上。进一步利用本次实验中获取的26个样本数据,对Clark(1997)模式参数进行优化和改进,得到了修正后的模式,并利用预留的8个叶绿素实测样本进行验证,对优化后的模式进行的对比分析,结果表明精度提高了16%。     

CFSR、ERA-Interim和MERRA降水资料在中亚地区的适用性

利用中亚1979-2011年间162个观测站点月降水数据（OBS）,以平均偏差（MBE）、相关系数（R）、平均绝对误差（MAE）和均方根误差（RMSE）对CFSR、ERA-Interim和MERRA气象再分析降水数据在中亚地区的适用性进行评估。结果表明：（1）3套数据的模拟效果存在明显差异。其中MERRA的模拟精度最高（R=0.71）,ERA-Interim次之（R=0.53）,CFSR最低（R=0.50）;体现出3套数据不同的同化方案和数据源导致模拟效果的不同;（2）降水的年内变化上,3套再分析数据之间具有较好的一致性,但对[OBS]均表现出高估,并且对强降水月份（3,4月）高估幅度最大;（3）3套数据对海拔500～1 000 m地区的降水模拟精度最好,超过1 000 m后,随海拔升高模拟精度下降。以上规律可为3套数据的订正及其在中亚地区气候变化研究中的应用提供科学依据。     

气候模式同站点插值外推气象数据的比较

在气象站稀疏的中亚荒漠地区采用基于大气物理机制的区域气候模式,可获得高分辨率格点气象资料进行气候变化研究.针对中亚地区1958-2001年的气候变化,采用RegCM区域气候模式对ERA40和NCEP/NCAR两套气象再分析数据进行动力降尺度至40 km,并将结果同三套基于气象站点插值外推的格点数据(CRU、WM和APHRO)进行比较.所有数据一致表明,1960年代以来新疆地区的气温显著增加,南疆地区降水增加、天山山区降水减少.除APHRO外,数据都表明北疆地区降水呈增加趋势.RegCM模拟的气温和降水数据与站点外推数据空间分布格局基本一致;但RegCM数据年平均气温低于站点外推数据,RegCM数据在新疆山区的年降水量是站点外推数据年降水量的1.3倍.由于研究区内73％的气象站点分布在中山带以下的干热气候区,站点外推数据可能低估山区降水并高估该区域气温.与站点插值外推的格点数据相比,区域气候模式具有能细致描述区域内中小尺度的地形/下垫面特征、更精确反映气象要素空间变异格局的能力.但因为缺乏足够的地面观测以及高精度遥感反演气象数据,当前尚无法全面评估区域气候模式在中亚地区尤其是山区的模拟精度.     

CoLM模型在高原多年冻土区的单点模拟适用性

使用CoLM模型,以青藏高原冰冻圈观测研究站设在唐古拉综合观测场的气象资料作为驱动资料,在青藏高原多年冻土区的唐古拉地区开展了单点模拟试验.通过和该站点同期实测资料对比发现:CoLM模型对高原多年冻土区的辐射通量各分量的模拟效果较好;对潜热通量的模拟误差较大,感热和地表热通量的模拟相对较好;模型能够很好地模拟活动层浅层土壤温度,但随着深度加深,模拟的温度较观测值有所低估.研究表明CoLM模型能较好地模拟多年冻土区地表与大气的能水交换过程,对其进行一些适应性改进后将能得到更好地应用.改进模型的土壤水热参数化过程尤其是添加未冻水参数化方案是将其应用到冻土区首先要解决的问题;再者扩展模型的模拟深度也十分必要.     

DLM-FvCB模型光合能力关键参数季节性参数化方案及模拟效果评估

选取包含9种植被功能型的15个通量塔观测数据（60站点年）,采用控制变量法,分别在月尺度和年尺度上对25℃时最大羧化速率（V_cmax25）进行优化,并利用未参与参数反演的站点年数据集定量评估这2种参数化方案的模拟效果。研究发现：① 在参数的季节变异方面：9种植被功能型的V_cmax25均呈现明显的季节性波动。V_cmax25的波动幅度为：冬季>秋季>春季>夏季,不同植被类型季节变化幅度相差不大,而寒带植被V_cmax25季节变化幅度接近温带植被的2倍;② 对生态系统初级生产力（GPP）估算的影响方面：V_cmax25季节性参数化方案显著提高了GPP的模拟能力和模拟精度,其中森林和灌木冬季提升最显著（R²提高了35.7%,RMSE降低了23.24%）,春秋季次之,夏季最小。然而,对于C₃草地,DLM无论采取V_cmax25季节性参数化方案还是年尺度参数化方案,均为系统低估GPP。     

冻土

P4352004021077·23·冻土过程参数化方案与中尺度大气模式的藕合=F~n 5011p~terization sch即le coupled初th~ale nlc沼d涨宇,宋敏红…//冰川冻土一2003,25(5)一541一546 将发展的冻土过程参数化方案与辆合了NNNCAR】另M陆面过程模式的中尺度大气模式MMS相报合,对包括我国北方,蒙古国,东西伯利亚的高纬度地区进行了模拟.模拟时间选为北半球季节冻土生成的10月份.模拟结果表明,模式能较好地模拟出该区域的冻土分布,并且对大气模式中海平面气压场、气温场的模拟改进显著.图6参20(洪明)BiP642.14 20()4021078一个基于行波解的冻结缘水流…     

四种再分析辐射资料在东南极高原适用性评价

利用东南极Panda-1站2011年2月至2012年1月期间的辐射观测资料,检验了四种再分析资料在该地区的适用性。结果表明:对各辐射分量ERA interim在Panda-1地区的适用性都明显好于其他三种再分析资料,这主要归因于其四维变分(4D-VAR)数据同化系统的应用、新的云预报方程和改进的参数化方案以及同化了更多的卫星资料雷达等非常规探测资料。对于向下短波辐射,NCEP-1与实测值之间偏差最大(18.7 W·m-2),可能原因是模式对大气透明度的高估和对云量的低估。对反射率模拟的偏差直接导致了各模式对净短波辐射模拟偏差。NCEP-1与JCDAS都低估了Panda-1地区的地表反射率,模式中,地表吸收了更多的向下短波辐射,最终导致对净短波辐射模拟偏高。对向下长波辐射,四种再分析资料都存在不同程度的低估,冬季偏差大于夏季,其中NCEP-1与NCEP-2偏差最大(分别为-62.6 W·m-2和-37.3 W·m-2)。四种再分析资料均不能很好地反映Panda-1地区净辐射的年变化情况,一般而言,夏季偏差小,冬季偏差大。虽然再分析资料存在明显的缺陷和不足,在广袤的东南极高原地区,观测站点稀少,实测资料无法满足需要,再分析资料仍不失为研究东南极地区气候的一种有效工具。     

On the use of dimensioned measures of error to evaluate the performance of spatial interpolators

Spatial cross‐validation and average‐error statistics are examined with respect to their abilities to evaluate alternate spatial interpolation methods. A simple cross‐validation methodology is described, and the relative abilities of three, dimensioned error statistics—the root‐mean‐square error (RMSE), the mean absolute error (MAE), and the mean bias error (MBE)—to describe average interpolator performance are examined. To illustrate our points, climatologically averaged weather‐station temperatures were obtained from the Global Historical Climatology Network (GHCN), Version 2, and then alternately interpolated spatially (gridded) using two spatial‐interpolation procedures. Substantial differences in the performance of our two spatial interpolators are evident in maps of the cross‐validation error fields, in the average‐error statistics, as well as in estimated land‐surface‐average air temperatures that differ by more than 2°C. The RMSE and its square, the mean‐square error (MSE), are of particular interest, because they are the most widely reported average‐error measures, and they tend to be misleading. It (RMSE) is an inappropriate measure of average error because it is a function of three characteristics of a set of errors, rather than of one (the average error). Our findings indicate that MAE and MBE are natural measures of average error and that (unlike RMSE) they are unambiguous.     

3 万年来亚洲降水与大气环流变化重建和模拟综述

区域性的湖泊水位能反映有效降水及气候变化,已成为重建第四纪降水和水量平衡最重要的指标。亚洲分布着几乎全球各种成因类型的湖泊,第四纪湖泊演化在全球第四纪研究中占有重要地位。多年来通过对地貌学、沉积学、生物地球化学和考古学的研究重建了各个区域的湖泊水位变化,并据此建立了湖泊演变数据库,作为研究第四纪亚洲区域气候变化的重要基础。本文介绍湖泊水位气候理论的发展历程,回顾晚第四纪亚洲湖泊水位研究的历史;分析晚第四纪亚洲从西到东不同区域湖泊水位变化历史和地域特征,并根据晚第四纪冰期和间冰期的两个特征期湖泊空间变化特征,从古气候模拟的角度探讨了气候驱动机制下湖泊水位变化的成因。     

气候变暖背景下祁连山区秋季层状云变化特征

利用祁连山区及周边29 个气象观测站近41 年秋季云形状和气温观测资料, 分析了祁连山区秋季层状云出现频率的空间分布与时间变化特征, 探讨了秋季层状云出现频率与气候变暖的关系, 并选用同期NCEP/NCAR全球再分析资料, 对祁连山区秋季层状云的环流特征和水汽输送进行了分析。结果表明:①祁连山区秋季层状云出现频率为8%～26%, 呈西少东多的空间分布。②近41 年来, 祁连山区秋季增温1.2℃, 气温变化的倾向率为0.29℃/10a, 80 年代中期以后发生了增温的突变。③祁连山区秋季层状云的出现频率呈明显的减少趋势, 近41 年来减少约11%, 倾向率为-2.7%/10a, 尤其在20 世纪80 年代中期以后与同期祁连山区显著增温相对应, 层状云出现频率减少更为明显, 层状云出现频率与气温呈明显的反相变化趋势。④在气候变暖的背景下, 祁连山区的层状云出现频率减少, 减少的幅度从西北向东南递增。当祁连山区秋季平均气温在升高1℃ 时, 祁连山区层状云出现频率减少2%～10%, 祁连山西段、中段减少2%～4%, 祁连山东段减少4%～10%。⑤祁连山区秋季层状云偏多与偏少年在欧亚500 hPa 环流场上存在明显的差异, 层状云偏多年, 极涡向亚洲北部伸展, 东亚大槽较偏弱, 乌拉尔山高压脊偏强, 脊前偏北气流引导极地冷空气沿偏西北路径向中国西北地区输送, 中亚地区到高原上不断有低值系统发展东移, 同时南支槽加强, 来自阿拉伯海、南海、东海的暖湿气流向内陆地区的输送明显加强, 与进入高原北部的冷空气交绥, 从而使祁连山区层状云出现频次增多;层状云偏少年, 中亚-中国西北地区暖性高压异常加强, 东亚大槽偏强, 冷空气活动路径偏东, 亚洲大陆至西太平洋冬季风特征明显, 偏北风加强, 不利于东南暖湿气流向西北内陆地区的输送, 冷暖气流在祁连山区交绥次数减少, 从而使祁连山区层状云出现频次减少。⑥印度洋沿孟加拉湾的向北的水汽输送, 副热带西太平洋的偏东气流在南海和中南半岛附近转为向北的水汽输送, 地中海、里海的西风带纬向水汽输送是3支影响祁连山区秋季层状云多寡的水汽输送通道, 进而对祁连山区秋季降水产生影响。     

中天山山区大气总水汽量和云液水量的遥感研究

使用QFW-1型双通道微波辐射计,于2002年盛夏(7月10日至8月5日)在天山山区乌鲁木齐河流域上风方的小渠子进行了大气积分水汽和云中积分液水量的遥感观测。观测表明;中天山山区盛夏的晴天平均大气水汽含量与目前公认的亚洲大气中的水汽含量相近;晴天的平均大气水汽量具有明显的日变化。对降水云系的液态水含量及其变化遥感监测表明:云系降水具有先兆性;不同类型降水性云的降水临界值不同;云液水由0.5 mm开始上升到降水临界值的降水酝酿期的时间,可以作为天山山区人工增雨实施播云作业的重要参照指标。     

RFE2.0遥感降水数据在新疆的适用性评价

结合新疆的65个气象观测站日降水数据,采用连续验证统计方法、分类验证统计方法对RFE2.0遥感降水数据在新疆的适用性进行了评估。结果表明：（1）通过连续验证统计分析,新疆地区平均偏差MBE （Mean Bias Error）总体对日降水量高估,均值为0.4 mm,在0.5 mm内的站点超过70%。RFE2.0遥感降水数据与地面观测站的日降水量之间相关系数R的平均值为0.4,表现为较低的相关性。从偏离真实值情况来说,东疆模拟值和观测值最接近。（2）分类验证统计方法对降水事件FBI （Frequency Bias Index）有所高估。按片区来说,降水事件高估的小值区主要在北疆,高估程度低于全疆平均水平。北疆的正确率POD （Probability of Detection）大于南疆、东疆,同时北疆发生空报率FAR （False Alarm Rate）的可能性也小于南疆、东疆。（3）通过实例验证了RFE2.0在北疆、南疆、东疆的可靠性。以上规律可为RFE2.0在新疆的应用提供科学依据。     

An improvement of soil temperature simulations on the Tibetan Plateau

The simulation of soil temperature on the Tibetan Plateau (TP) plays a dominant role in the performance of both global climate and numerical weather forecast models. To improve the simulation of soil temperature on the TP, the Johansen soil thermal conductivity parameterization scheme was introduced into Community Land Model 3.5 (CLM3.5) and Regional Climatic Model 4 (RegCM4). The improved CLM3.5 and RegCM4-CLM were utilized to conduct offline and regional simulation experiments on the TP. Comparison of the new and old schemes revealed that CLM3.5 provides high thermal conductivity parameters of mineral soil solid on the TP. The Johansen scheme is more practical for the TP than the soil thermal conductivity parameterization in CLM3.5. The simulation of soil temperature and liquid water content was improved in offline experiment. The improved parameterization scheme can also reduce the simulation error of soil temperature in winter throughout the entire TP.     

天山山区与塔克拉玛干沙漠云水资源的对比分析

采用NASA地球观测系统(EOS)云与地球辐射能量系统(CERES)2002年7月至2004年6月CERES SSF AquaMOD IS Edition 1B云资料,对天山山区和塔克拉玛干沙漠云水资源进行了研究。得到的结果不仅包括云量、云液态水柱含量,还包括云滴尺度,为无人区的人工增水作业和天气气候研究提供了基础数据。与以往的卫星观测云气候全球数据集相比,该资料具有更高的空间分辨率,且其观测仪器和云反演方法得到了进一步改善,因此其结果较以往更可信。研究结果表明,两地区云参量年变化规律不尽相同,在数值上有很大差别。除了动力条件和气候背景以外,这可能与沙尘气溶胶可以影响云的物理特性和生命期有关。由年变化来看,天山山区的月平均总云量为47%~72%,而塔克拉玛干沙漠为12%~50%;天山山区低云的月平均液态水柱含量为56.6~96.0 g/cm2,高云为30.5~59.8 g/cm2。而塔克拉玛干沙漠低云的月平均液态水柱含量为19.4~43.9 g/cm2,高云为9.3~59.0 g/cm2;天山山区的月平均云滴半径低云为12.6~16.0μm,高云为8.6~14.8μm。而塔克拉玛干沙漠地区低云云滴半径8.8~...     

基于CERES的宁夏空中云水资源特征及其增雨潜力研究

利用2009-2014年NASA地球观测系统(EOS)云与地球辐射能量系统(CERES)云资料和气象站降水资料,对宁夏北部引黄灌区、中部干旱带及南部山区3个具有不同地形、地貌、气候特征的地区云水资源及增雨潜力特征进行了对比研究。结果表明:宁夏地区大气可降水量在空间分布上呈现从东南向西北方向递减,从季节变化看表现出随夏秋春冬依次递减的特征。在东亚季风和贺兰山地形的共同影响下,全年总云量和低云量在南部山区最大,北部川区最小。云光学厚度与水云粒子半径及冰云等效直径呈显著的负相关关系,其中中部干旱带相关关系最强是开展人工增雨效果最显著的地区。随着全年四季天气气候变化,宁夏人工增雨主要潜力区会逐渐由春季的贺兰山沿山、中部干旱带地区,移动到夏季的银川以南同心以北和固原西南部地区,秋季缩减到海原、西吉一带。     

1971-2004年青藏高原总云量时空变化及其影响因子

利用青藏高原及其周边地区75 个地面气象台站的云量日均值资料,采用正交经验函数(EOF) 和线性倾向估计等方法,分析了高原地区1971-2004 年总云量的时空变化特征。结果表明,高原总云量分布呈自东南向西北减少的态势,且年与四季总云量变化都存在显著下降趋势。进而,研究了高原总云量变化与其他气候因子的相关性。其中,(1) 高原总云量与日照时数、日较差之间存在较好的负相关。本文从云的辐射效应出发,解释了存在这种负相关关系的原因;(2) 青藏高原总云量与相对湿度之间有很好的正相关性,受地形因素、不同云型和云水路径等因素共同影响,高原总云量与降水之间的关系却不显著。在此基础上,重点讨论了高原总云量与气溶胶和臭氧等因子之间的复杂关系。指出：青藏高原总云量减少趋势可能与高原大气气溶胶特别是吸收性气溶胶的增加以及臭氧的损耗有关。