区域土壤湿度模拟检验和趋势分析——以陕西省为例

基于DEM数据和土壤分类、土壤属性、土地利用分类、植被属性和观测气象数据,利用分布式水文模型SWAT(Soiland Water Assessment Tool),对陕西区域进行了土壤湿度模拟和检验.模拟土壤湿度与实际观测土壤湿度的对比分析表明:SWAT较好的模拟了区域土壤湿度的变化特点及其长期趋势,且对多气候类型及复杂地形区域的土壤含水量时空变化有较强的模拟能力;表层土壤湿度在植被状况好的陕南地区和地形性降水明显的秦岭山地等区域量值较大,而深层土壤湿度较大值出现在河流及平原地区;1951～2004年土壤湿度变化总体上不同深度的土壤湿度均呈下降趋势,深层下降趋势较表层表现更明显,秦岭以北地区比以南地区表现更明显;土壤干化趋势的强度深层大于表层,秦岭以北地区大于以南地区,土壤干化(土壤湿度减小的趋势)的范围深层亦大于表层,且多分布于秦岭以北地区.与NCEP和ERA40再分析土壤湿度数据对比分析表明,SWAT模拟的土壤湿度日变化、月和年平均值的变化趋势均优于NCEP和ERA40的土壤湿度变化趋势.     

基于微波亮温及集合Kalman滤波的土壤湿度同化方案

基于集合Kalman滤波及SCE-UA(shuffled complex evolution)算法发展了能够直接同化微波亮温的土壤湿度同化方案. 该方案以陆面过程模式CLM 3.0中的土壤水模型作为预报算子, 以辐射传输模型作为观测算子. 整个同化过程分为参数优化和土壤湿度同化两个阶段, 利用SCE-UA算法优化辐射传输模型中难以确定的植被光学厚度参数和地表粗糙度参数, 并利用优化参数作为观测算子的模型参数进行同化. 通过人工理想试验表明该同化方案可以明显改善表层土壤湿度的模拟精度, 并且对深层土壤湿度的模拟也有一定程度的改善; 利用AMSR-E亮温(10.65 GHz垂直极化)所进行的实际同化试验表明顶层(0~10 cm)土壤湿度同化结果与观测的均方根误差(RMSE)由模拟的0.05052减小到0.03355, 相对减小了33.6%, 而较深层(10~50 cm)平均减小了20.9%. 这些同化试验显示该同化方案的合理性.     

区域土壤湿度模拟检验和趋势分析 -以陕西省为例

基于DEM数据和土壤分类、土壤属性、土地利用分类、植被属性和观测气象数据, 利用分布式水文模型SWAT(Soil and Water Assessment Tool), 对陕西区域进行了土壤湿度模拟和检验. 模拟土壤湿度与实际观测土壤湿度的对比分析表明: SWAT较好的模拟了区域土壤湿度的变化特点及其长期趋势, 且对多气候类型及复杂地形区域的土壤含水量时空变化有较强的模拟能力; 表层土壤湿度在植被状况好的陕南地区和地形性降水明显的秦岭山地等区域量值较大, 而深层土壤湿度较大值出现在河流及平原地区; 1951~2004年土壤湿度变化总体上不同深度的土壤湿度均呈下降趋势, 深层下降趋势较表层表现更明显, 秦岭以北地区比以南地区表现更明显; 土壤干化趋势的强度深层大于表层, 秦岭以北地区大于以南地区, 土壤干化(土壤湿度减小的趋势)的范围深层亦大于表层, 且多分布于秦岭以北地区. 与NCEP和ERA40再分析土壤湿度数据对比分析表明, SWAT模拟的土壤湿度日变化、月和年平均值的变化趋势均优于NCEP和ERA40的土壤湿度变化趋势.     

常数型最优强迫在校正预报模式中的作用

采用著名的Lorenz63模式,数值研究了常数型最优强迫在校正数值模式中的作用.结果表明,当数值模式仅考虑由于参数误差导致的随状态变量发展变化的模式误差时,在数值模式倾向方程叠加常数型最优强迫能够很好地抵消该类模式误差对预报结果的影响;当数值模式未考虑观测中依赖于时间的随机过程时,常数型最优强迫也可以较好地抵消由随机过程导致的模式误差的影响.实际情形中,数值模式预报结果同时受到由随机过程和参数不确定性导致的模式误差及其相互作用的影响.结果表明,常数型最优强迫方法同样能够在很大程度上抵消该类混合型模式误差对预报结果的影响.综上所述,即使模式物理过程产生的模式误差是依赖于时间变化的,在模式中叠加常数型最优强迫校正模式的方法也可以在很大程度上抵消模式误差对预报结果的影响.常数型最优强迫方法可能是一个较好的校正模式和改进模式预报技巧的方法.     

青藏高原中东部地区土壤湿度模拟性能评估以及误差分析

土壤湿度不仅是地表水循环的重要组成部分,而且对天气和气候也有重要影响,它的模拟误差严重阻碍了人们对水循环的认知.本文首先评估了1°×1°水平分辨率的全球陆面数据同化产品(Global Land Data Assimilation System,GLDAS)对青藏高原中部那曲地区和东部玛曲地区土壤湿度的模拟性能;鉴于GLDAS较粗的分辨率无法精细描述分析区域土壤湿度空间分布特征,于是我们基于通用陆面过程模式(Community Land Surface Model,Version 4.5),开展了高分辨率0.1°×0.1°的模拟,并对高分辨率模拟土壤湿度误差的原因进行了深入分析.结果表明:(1)GLDAS陆面数据同化产品和高分辨率陆面模式模拟结果都可以反映出土壤湿度的季节变化特征,但在非冻结期均存在不同程度的干偏差,尤其是在玛曲地区;(2)对比观测和模拟的土壤湿度发现,观测数据表现出强烈的空间异质性,而模拟结果呈现出的是空间均一性.按照模拟误差进行归类分组,对比模拟性能优劣的两组站点发现,模式物理过程不是模拟性能差异的主要因素,而两组站点间地表特征参数中的土壤质地和地形参数,以及驱动数据均没有体现出空间异质性,这可能是土壤湿度模拟结果没有表现出空间异质性的原因.     

国内台风数值预报模式及其关键技术研究进展

我国是世界上受台风灾害影响最严重的国家之一.减轻台风灾害首先依赖于台风预报能力,这主要取决于台风数值预报模式及其关键技术的发展水平.本文简要回顾了国内台风数值预报模式的发展历程;介绍了目前国内模式在台风初始化和物理过程等方面的关键技术特点;分析了模式技术中存在的主要问题,并就今后的技术发展提出了建议.文中指出,一方面,尽管基于经验假设的涡旋构造技术在典型台风的分析和预报中仍发挥着重要作用,但为提高对异常台风路径和强度变化的预报,需要加强卫星等观测资料在模式分析中的应用.另一方面,通过加强模式细网格条件下的物理过程参数化研究,可以更加合理地刻画台风中小尺度物理过程,进一步提高台风强度、风雨预报性能.     

利用伴随算子法从岸边潮位站资料估计近岸模式的开边界条件

利用岸边潮位资料来估计潮汐模式的开边界条件的问题进行了讨论和一些数值试验研究.所用方法是基于最优控制理论的伴随算子法.利用模拟的“资料”来求最优的模式开边界条件,使模式结果与“资料”在最小二乘的意义下拟合的最好.数值试验考虑了两个理想化的模式区域.模式是IAP浅水方程模式.通过数值试验可对方法的有效性和局限性进行检验.结果表明伴随算子法在许多情况下可很好估计出潮汐模式开边界条件,并较之传统的方法,有潜力提高潮汐模拟和计算的精度.     

动力相似预报的策略和方法研究

为了在现有模式和资料条件下有效提高数值预报水平, 深入开展了动力相似预报(DAP)的策略和方法研究. 提出“利用历史相似信息对模式预报误差进行预报”的新思路, 从而将动力预报问题转化为预报误差的估计问题, 并发展了一种基于相似误差订正的预测新方法(FACE). 进一步将FACE应用于业务海气耦合模式的跨季度预测试验, 夏季平均环流和降水的预测结果表 明, FACE能在一定程度上减小预报误差、恢复预报方差、提高预报技巧. 此外, 敏感性试验显示, 相似的个数、选取变量和度量标准都对FACE预报有显著影响.     

基于全球集合预报的西北太平洋热带气旋预报的评估和改进

西北太平洋热带气旋在2018年7~8月间的预报,特别是在上海登陆的温比亚(2018)、安比(2018)和云雀(2018),给数值模式和预报均带来巨大的挑战.文章基于ECMWF和NCEP的集合预报对这些热带气旋的预报技巧进行了分析.结果表明,ECMWF的集合预报对热带气旋路径和强度的预报技巧高于NCEP的集合预报.对于在上海登陆的三个台风,ECMWF的集合预报对温比亚(2018)和安比(2018)的强度预报技巧优于NCEP的集合预报,但两者对云雀(2018)在峰值附近的强度预报技巧都较低.为了提高集合预报对热带气旋的预报技巧,文章提出了一种集合预报成员的适应性权重估计方法.该方法利用集合成员的预报场和分析场相对于观测的距离,适应性地估计集合成员在集合平均中的权重.当适应性权重方法应用于ECMWF和NCEP的集合预报时,二者的集合预报对热带气旋路径和强度的预报技巧都得到了改进,并且ECMWF集合预报的改进要优于NCEP集合预报.     

基于卫星遥感资料的中国区域土壤湿度EnKF数据同化

土壤湿度在陆气相互作用过程中扮演着重要的角色,是气候、水文、农业、林业等研究中重要的地球物理参数之一.土壤湿度影响地面蒸散,径流、地表反射率、地表发射率以及地表感热和潜热通量,从而对气候有重要影响,它对大气的影响在全球尺度上仅次于海面温度,在陆地尺度其影响甚至超过海面温度.本文介绍了基于EnKF及陆面过程模型的中国区域陆面土壤湿度同化系统（CLSMDAS,China Land Soil Moisture Data Assimilation System）,以及该系统应用于中国区域陆面土壤湿度同化试验的结果.CLSMDAS包括以下几个部分：1）陆面模式采用美国国家大气研究中心NCAR的陆面过程模型Community Land Model Version3.0（简写为CLM3.0）;2）大气驱动场数据中的降水和地面入射太阳辐射数据来自FY2静止气象卫星每小时产品;3）陆面数据同化方法采用EnKF（Ensemble Kalman Filter）同化方法;4）观测数据包括AMSR-E卫星反演土壤湿度产品以及地面土壤湿度观测资料.利用CLSMDAS对2006年6~9月的土壤湿度同化试验结果的分析表明：陆面模式模拟和同化结果都能比较合理地反映出土壤湿度时空分布,同化的土壤湿度分布与2006年8月重庆、四川发生建国以来最严重的夏伏旱有非常好的对应关系,与发生在9月的湖北东部、广西南部等地的干旱区也有非常好的对应关系.     

北京夏季晴天边界层特征及城市下垫面对海风影响的数值模拟

对耦合了Noah陆面模式和单层城市冠层模式的WRF(Weather Research and Forecasting)模式系统进行了改进和优化,通过对2010年8月6－7日北京地区晴天个例的模拟试验,检验了优化前后模式系统的模拟能力,分析研究了该个例中城市边界层的特征及日变化.另外,使用优化后的模拟系统通过两组敏感性试验研究了京津城市下垫面对海风的影响.结果表明,优化方案能够显著提高模式系统对该个例的模拟性能,模式系统基本能够模拟出北京夏季边界层的日变化特征,精确的地表使用类型分类等地理信息数据对提高模式预报的准确度有着至关重要的作用,京津城市对海风的发展和推进过程有明显影响,能够阻碍海风的推进、加强风场的水平辐合和垂直上升气流,北京城市下垫面还能在海风到达前增加其强度和推进速度,并在海风经过后延缓其消亡、增加其推进距离.     

数值模式延伸期可预报分量提取及预报技术研究

针对延伸期尺度的可预报分量,借鉴了CNOP相关算法,形成了在数值模式中提取可预报分量的实用方法和预报技术.从模式预报误差增长的角度将模式变量分为可预报分量和不可预报的混沌分量,将可预报分量定义为在预报时段内误差增长较慢的分量.基于现有的国家气候中心月动力延伸预报业务模式,建立了针对可预报分量的数值模式.同时结合历史资料有用信息,对数值模式的可预报分量,在历史资料的可预报分量中寻找相似场,降低了相似判断过程中变量的维数,进一步对可预报分量的预报误差进行订正.对混沌分量利用历史资料,通过集合预报方法得出其期望值和方差.数值试验结果表明,该方法能有效提高10～30天延伸期数值模式大气环流场的预报技巧,具有良好的业务应用前景.     

CMAQ-MOS区域空气质量统计修正模型预报途径研究

通过分析2004年9月~2005年3月北京城市及远郊地区八个测点的大气污染观测资料, 揭示出城区尺度不同测点大气污染同步性与同位相时空变化特征, 并描述出采暖期与非采暖期大气污染物浓度存在源影响相关季节性显著差异, 城区与远郊测站大气污染物浓度亦表现出排放源影响相关显著的区域性特征, 即大气污染物浓度时空分布与排放源强度及其空间分布密切相关; 本文试验研究表明, 美国EPA新一代空气质量模式CMAQ对多类污染物不同尺度“面空间”分布及其变化倾向虽具有较强的预报能力, 但由于污染源时空特征十分复杂, 这是由于模式采用的平均源排放清单难以精细、客观描述预报区域不同尺度污染源强度的时空变化, CMAQ模式尚存在类似其他模式污染浓度预报量与实况相比明显偏低的“系统性”误差, 为了修正上述模式产品源排放清单产生的系统性预报偏差, 本文利用不同季节CMAQ模式产品与观测实况资料, 建立CMAQ-MOS区域空气质量统计修正预报模型, 并采用检验方法评估CMAQ-MOS方案预报能力, 提出采用CMAQ-MOS统计修正模型统计-动力相结合的空气质量预报新途径, 试验研究结果表明CMAQ-MOS方案可显著降低由于污染源影响不确定性产生的模式系统性预报误差, 明显提高了CMAQ模式空气质量预报水平, 本文亦提出了采用点-面结合预报思路, 即在大气污染具有同位相变化特征的“影响域”范围内, 用一个中心测点的CMAQ-MOS产品预报周边区域面上其他预报点的模式产品“再分析”场以及区域平均空气质量“面预报”方案.     

全球非静力半隐式半拉格朗日模式及其极区离散处理

全球有限区同化预报系统GRAPES(Global Regional Assimilation and Prediction System)中的全球模式是新研发的新一代全球非静力数值预报模式, 该模式将作为中国气象局下一代全球中期数值预报的业务模式. 模式动力框架的特点包括采用全可压方程组、非静力/静力可选、半隐式半拉格朗日大时间步长、利用预条件求解复杂的三维亥姆赫兹(Helmholtz)椭圆型方程等. 针对极地奇异性的特点, 介绍了GRAPES全球模式在极地的离散处理方案, 包括采用水平风分量v放在极地的Arakawa C网格, 引入极地滤波解决极地数值计算的稳定性, 近极地Helmholtz方程的订正, 及为提高球坐标系下拉格朗日上游点计算精度的处理等. 平衡流理想场试验表明, 模式对极地半拉格朗日上游点及极地的处理是正确的; Held 和 Suarez试验表明模式可保证长期时间积分的守恒特性.     

气溶胶污染对夏季降水精细数值预报的影响研究

本文基于北京地区快速更新循环同化和预报系统(BJ-RUC),通过对北京2014年汛期的32次降水过程进行数值模拟和敏感性试验,研究了气溶胶污染引起的云滴数增加对北京夏季降水精细数值预报的影响.研究结果表明:BJ-RUC系统中默认的云滴数浓度偏低,采用根据环境模式预测结果计算的云滴数浓度后(BJ-RUC-Nc算例)预报效果更接近实况;气溶胶增多可以增加或减少降水.具体表现在:(1)2014年汛期北京地区降水主要集中在东北区域(平谷、密云、顺义)、城区次之,数值模式能较好的反映出降水的整体分布和趋势;(2)BJ-RUCNc对于小雨、中雨、暴雨的预报优于BJ-RUC,更接近观测;(3)气溶胶浓度增加,当水汽供应充足(不足)时,会促进(抑制)降水性粒子形成,降水效率提高(降低),降水增加(减少).     

考虑次网格变异性和土壤冻融过程的土壤湿度同化方案

集合Kalman滤波以其简单有效的特点在陆面数据同化中广泛应用,通常作为预报模型的陆面过程模式往往要考虑模式次网格变异性和土壤冻融过程,若对此不加考虑而直接对土壤湿度进行同化可能会使得同化结果发生偏差．将双集合Kalman滤波应用于土壤湿度的同化,基于NCAR／CLM陆面过程模式建立了一个考虑次网格变异性和土壤冻融过程的土壤湿度同化方案：在同一个时间步内用状态滤波对模式网格内某片上液态水分含量进行优化,用参数滤波对该片上的固态水分含量和其他片上的液态／固态水分含量进行优化,由此考虑模式次网格变异性和土壤冻融过程的影响,从而实现对整个模式网格上土壤湿度的同化．初步的同化试验表明：其同化效果在有、无土壤冻融阶段都优于一般的不考虑次网格变异性和土壤冻融变化的同化方案;该同化方案不仅能够提高那些有直接观测信息的土壤层的土壤湿度模拟精度,还能在一定程度上改善那些没有任何观测信息的土壤层的模拟效果;另外,土壤湿度同化结果的改善还能在一定程度上提高陆面模式对于土壤温度的模拟精度．     

地震预测评估方法(一)

地震预测是地球科学有待解决的最重要问题之一。过去的10年间,地震预测研究重新得到重视,目前地震可预测性的试验在全球范围内开展。就这些试验而论,与预测评估有关的一些极其重要的问题有:详细的试验说明书、使用成功的量度,以及恰当的参考模型的选取。本文我们对这些问题逐一进行论述,并重点讨论前瞻性地震预测的检验。我们考察一般类型的地震预报,其预报格式可用二元表示。也就是说,对于任意给定的时空间隔,我们可推断给定震级尺度的地震是否发生。这种设定允许我们进行确定性预报和概率性预报的检验,并比较二者的结果。此外,这种检验因为实质上是许多"是"或"否"的累加,所以容易被人们所理解。作为二元性能的量度及其广泛可用性的介绍,我们考察了前兆逆向追踪法,即一种近来旨在预报破坏性地震的地震预测算法。我们介绍并分析了几种测量预测性能的方法,但是前兆逆向追踪试验结果可能还不稳定,因为到目前为止所发生的地震数量少。针对3项10年尺度地震活动性预报,即相对强度、图像信息和美国国家地震灾害区划图的试验,我们介绍由Molchan图得到的成功量度的"校验区技能分数"方法。利用这种试验并应用统计假设检验的方法,我们说明了选取适宜的参考模型的重要性,并表明增加模型的复杂性未必在预测效能上获得显著改善。在说明了将校验区技能分数用作效能的量值之后,我们较为详细地讨论其统计学性质以及相关的计算程序。根据这项工作以及以前的试验成果,我们用校验区技能分数探索区域地震活动性的演化并优化了简单预报模型。     

全球水质量迁移对海平面空间模式周年变化的影响

大气、陆地水和海洋之间的水质量迁移对海平面的影响一般假定为均匀薄层分布.但实际上,水质量负荷重新分布一方面会使地壳产生形变,另一方面会引起重力位势场变化(引力位和离心力位),这都会对海平面时空变化特征产生影响,两方面之和称为负荷自吸引效应(SAL).海洋模式模拟的时变洋底压力结果一般符合Boussinesq假设即体积守恒,忽略了大气、陆地水和海洋之间水质量交换的影响.本文基于海平面变化方程,联合陆地水模型、大气地表气压模型、海洋洋底压力模型和GRACE反演的冰川质量变化,详细讨论了2003-2010年SAL对海平面周年变化的影响.主要结论有:(1)SAL对全球海平面周年变化有显著影响,振幅在1.3~19 mm.其中近海岸和低纬度区域受影响较大.(2)在SAL引起的海平面周年振幅变化的因素中,陆地水储量变化因素最大,大气因素次之,非潮汐海洋影响最小.但非潮汐海洋对海平面周年相位空间变化的影响最为复杂.(3)通过与国际长期验潮站观测数据结果比较,在ECCO海洋模式估计的洋底压力结果中引入SAL,能多解释约5.3%观测信号方差.     

一种基于数据同化优化陆面过程模式参数化方案的方法

基于数据同化优化陆面过程模式参数,从物理机制上改进和完善陆面过程模式参数化方案,提高模式的区域适应性和模拟能力,对改善大气环流模式(GCM,General Circulation Model)和区域气候模式(RCM,Regional Climate Model)模拟和气候预测能力具有重要的现实意义.本文发展了一种基于数据同化优化陆面过程模式参数化方案的方法,并以优化非饱和土壤水模型为例,发展基于非饱和土壤水模型和扩展Kalman滤波(EKF,Extended Kalman Filter)算法并结合可变下渗能力模型(VIC,Variable Infiltration Capacity Model)的土壤湿度同化方案,以月为同化窗,利用复合形混合演化算法(SCE-UA,Shuffled Complex Evolution-University of Arizona)极小化目标函数,使模拟与同化的土壤湿度按给定的目标函数度量方式达到最佳拟合,优化非饱和土壤水模型参数:饱和水力传导率、饱和土壤湿度、饱和土壤水势、Clapp和Hornberger常数,得到同化时段1986年模型参数的最优值序列,然后用其改进非饱和土壤水模型,最后利用改进后模型进行1986~1993年的数值模拟试验,评估改进后模型的模拟能力,探讨基于数据同化优化陆面过程模式土壤水参数化方案的方法与实现途径.试验结果表明:基于数据同化优化模型参数,从物理机制上改进和完善模型,提高了模型的模拟能力;优化的模型参数在时间上具有较好的移植性,适应性更强,达到了改进模型的目的,因此,本方法是合理、可行的.本文为基于数据同化优化陆面过程模式参数化方案研究提供了范例,具有较好的借鉴作用.     

基于本征正交分解的显式四维变分同化方法：理论与验证

将本征正交分解（POD）方法用于四维空间预报集合提取标准正交基,该标准正交基在最小二乘意义下是最优的,与奇异值分解（SVD）技术相比,它能捕捉到预报集合空间更多的能量,能够更好地表征四维变量的空间结构以及时间演变特征．将分析向量依截断的POD基展开后,控制变量会显式地出现在代价函数中,避免了传统的四维变分方法所必需的伴随模式的运用,使得同化过程简单．用土壤湿度预报方程和人造资料进行一系列的数值试验对该基于本征正交分解的显式变分方法与基于SVD基的方法以及集合Kalman滤波进行比较,结果表明：POD／SVD方法从同化精度和同化时效上都要远远优于一般的集合Kalman滤波方法;由于POD基在最小二乘意义下的最优性,基于POD分解的同化方法要优于基于SVD分解的方法,尤其在模式存在误差的情况下表现得更为明显．