NUMERICAL EXPERIMENTS AND ANALYSIS OF DIGITAL FILTER INITIALIZATION FOR WRF MODEL

Initialization and initial imbalance problem were discussed in the context of a three-dimensional variational data assimilation system of the new generation “Weather Research and Forecasting Model”. Several options of digital filter initialization have been tested with a rain storm case. It is shown that digital filter initialization, especially diabatic digital filter initialization and twice digital filter initialization, have effectively removed spurious high frequency noise from initial data for numerical weather prediction and produced balanced initial conditions. For six consecutive intermittent data assimilation cycles covering a 3-day period, mean initialization increments and impact on forecast variables are studied. DFI has been demonstrated to provide better adjustment of the hydrometeors and vertical velocity, reduced spin-up time, and improved forecast variables quantity.     

基于拉格朗日分析法的中尺度涡精细三维结构研究及其误差估计

在前人的工作中，拉格朗日分析法被用来演示大尺度环流，同时拉格朗日拟序结构可以较好的演示中尺度涡两维结构的发展过程。然而，很少研究关注怎么利用拉格朗日分析法针对中尺度涡三维结构进行演示。与以往利用欧拉方法研究中尺度涡三维结构的工作不同，我们利用拉格朗日分析法，从另一个视角来研究涡旋结构。我们在海山上方模拟出一个理想的气旋涡，涡旋内的下沉流和涡旋旁的上升流形成一个闭合的环流。这种结构很难从欧拉角度来演示。然而，粒子的运动轨迹很好地展示了整个循环:流体在涡旋中旋转下沉，汇聚到底层的上升流区，并通过上升流返回到海表面。我们也将拉格朗日分析法应用于真实的模拟结果中。作为中国南海的一个重要现象，靠近越南中部的海域中的偶极子（反气旋涡/气旋涡），关于其结构的研究已经比较成熟了，但这些研究主要关注的是海面过程。通过拉格朗日分析，我们很好的演示了偶极子的三维结构:流体在反气旋涡(气旋涡)内部旋转上升(下沉)。更重要的是，粒子的轨迹表明，这两个涡旋之间不存在水团交换，因为强边界急流将它们彼此分开。以上结论均得到了计算误差估计的可信度支持。尽管在强辐散流和强垂直扩散流中，计算误差逐渐增大，但是在一定的时间步长和积分周期内，计算误差始终保持在一个较小的值。     

基于Argo历史观测的南海海盆尺度中层流场研究

针对南海海域海流环境复杂、中层实测数据量少的现状，本文基于2006-2016年布放在南海海域的114个Argo剖面浮标的卫星定位等信息，采用基于背景流和惯性流外推的最小二乘方法，获取南海海域1 200 m深中层流场信息，并采用Divand变分插值的方法形成网格化季节流场。结果表明:（1）针对南海中层（1 200 m）流场，单个Argo浮标可以刻画出具体的中尺度结构，如越南沿岸的反气旋涡，半径约为120 km，最大流速约为9.6 cm/s，平均流速为5.3 cm/s；（2） Argo网格化流场表明海盆尺度中层流场南海南部为反气旋环流结构，北部为气旋式环流，同时在吕宋海峡口存在从南海至太平洋的水体交换；（3）将该流场信息与HYCOM和YoMaHa'07两种资料对比，吻合度较高，与HYCOM再分析资料的偏差分布趋近于正态分布，海流的东西向分量的均方根误差为3.28 cm/s，南北向分量的均方根误差为3.26 cm/s。总体而言，利用Argo轨迹资料能够有效地反演出南海地区海盆尺度的中层环流特征。     

鄱阳湖流域赣江下游水化学特征及人类健康风险评价

人类活动对鄱阳湖赣江流域水质的影响受到广泛关注,厘清流域内污染水体对人类的健康风险状况有利于更好地保护和利用水资源。本研究于赣江下游采集39个地下水和16个地表水样,在分析其水化学特征和影响因素的基础上,对地下水水化学成分演变进行反向模拟,并对地下水水质以及潜在非致癌风险进行评价。结果表明,研究区地下水呈弱酸性-中性(pH=5.47~7.60),以HCO₃-Ca-Mg型水为主,部分为Cl-Ca-Mg型水,硅酸岩风化和矿物溶解-沉淀作用是水化学类型形成的主要控制因素;地表水呈中性-弱碱性(pH=6.94~8.19),主要为HCO₃-Cl-Ca-Na型水,其形成与硅酸岩风化、大气降水和人类活动有关。PHREEQC模拟计算结果表明,地下水中大部分矿物饱和指数(SI)为负数,其中岩盐的SI为-7.80~-9.53,指示该矿物溶解剧烈;白云石、石膏和方解石的SI分别为-1.72~-6.39、-1.65~-3.96、-0.51~-3.09,表明三种矿物呈溶解趋势。反向模拟结果显示,赣江干流地下水化学特征演变过程经历了Ca-蒙脱石、岩盐、白云石溶解和方解石沉淀,同时消耗CO₂;支流中命名为NCGW-3的路径表现为高岭石、方解石、玉髓和白云石溶解,石膏、Ca-蒙脱石、黑云母和斜长石沉淀,同时产生CO₂,可能与人为作用的干扰有关。其余支流地下水反向模拟结果与干流结果相似。熵权水质指数(EWQI)计算结果表明,干流地下水水质优于支流地下水,沿赣江受Mn、N {\mathrm{O}}_3^{-}影响水质降低;地下水非致癌潜在风险主要为对婴儿存在严重风险,其次是儿童,对成年男性和成年女性风险相对较小,支流水质存在的潜在风险相较于干流更为显著。     

多源卫星观测数据在全球四维变分同化系统中的应用

首先描述高分辨率全球四维变分资料同化系统的基本软件框架,并对多源卫星资料同化的关键技术作阐述;其次通过统计分析,说明新型卫星观测数据的引入不但能够增加同化系统中的信息量,而且能够提高其他类型观测数据的利用率;然后通过一个月的统计检验结果表明:无论是从距平相关还是均方根误差而言,在有效同化无线电掩星和卫星风资料后,高分辨率同化预报系统预报技巧的提高是十分明显的;最后,通过一个强降水个例的分析结果表明:基于新的初始场全球模式降水预报准确性较高,就强降水中心区域的预报而言,模式预报和观测实况较为一致,优于国外模式降水预报。     

隐式等权重粒子滤波在高维准地转模式中的特性研究

粒子滤波自从被引入资料同化领域以来,对于高维系统存在的粒子衰退问题一直困扰着资料同化领域的研究。隐式等权重粒子滤波（Implicit Equal-Weights Particle Filter,IEWPF）通过在高维的状态空间维数的前提下,隐式从每个粒子都具有特殊协方差的提议密度中进行采样,构建等权重的粒子集合,从而解决高维系统的粒子衰退问题。通过在高维准地转模式中应用IEWPF方法,验证了IEWPF的系统一致性和资料同化效果。通过对水平动能谱的检验,验证了IEWPF可以保持系统的原始平衡特性。通过IEWPF与等权重粒子滤波（Equivalent Weights Particle Filter,EWPF）的对比试验发现,两者的资料同化分析场非常接近,但在运行效率上,IEWPF远优于EWPF。同时,IEWPF也为解决一系列的资料同化问题,比如参数估计,提供了新的解决途径。      

永平铜矿石微生物槽浸初步实验研究

以永平铜矿石为研究对象，通过有菌与无菌对比实验，研究了微生物槽浸铜过程中主要技术参数(Fe^3 ，Fe^2 ,pH，Eh，Cu)的变化规律。在此基础上，评价了永平铜矿微生物槽浸铜的可行性。     

网格计算及其在气象中的应用

网格是近年来最新发展起来的一种计算技术。通过使用一组开放标准与协议，各机构能够通过互联网或内部网访问数据、存储介质和其它异构计算资源，最终将分布在不同地理位置上的网络、数据、计算资源、存储、应用等在内的资源整合成为一个无缝的计算环境。气象以其高计算量、高吞吐量和密集型服务在美国、欧洲、日本等网格应用计划中占有重要的地位。如ECMWF的EcAccess，美国超级计算应用中心的MEAD等。这些计划的实施将有效地聚合分布在不同地理位置上的高性能计算资源与人力资源，实现计算资源和气象数据的共享，为数值预报乃至地球系统模拟提供一个远程的协同攻关环境。     

基于摄动有限元方法对梁结构损伤的识别

结构损伤的定量识别是工程技术中急待解决的问题。利用矩阵摄动和结构有限元动力学理论推出梁结构损伤程度定量识别的公式和方法,该方法仅需要在役结构的固有频率测量值就可识别结构的损伤位置和损伤程度,而且可以识别结构的老化程度,避免了由模态振型识别损伤,因测量自由度不足带来的误差,通过对一钢悬臂梁损伤识别的数值仿真,证明了该方法的有效性。该方法具有较大的工程应用价值。