CMAQ模式卫星产品源同化模型及其在空气质量预报中的应用研究

对比分析了2006年1月和8月华北地区OMINO2卫星遥感二级产品和NO2实测浓度变化趋势的一致性,重点构建了CMAQ空气质量模式卫星遥感产品源同化模型,采用变分订正方法和CMAQ卫星遥感产品源同化技术方案探讨了华北地区冬夏季OMI高分辨率柱浓度卫星资料在空气质量数值预报中的应用.分析结果表明,无论冬季还是夏季,华北地区NO2实测浓度与OMINO2卫星遥感柱浓度的变化趋势具有较好的一致性,两者的相关性较显著,该卫星资料可适用于华北地区卫星遥感-地面观测综合变分分析;经过线性和变分订正后,北京周边地区OMINO2柱浓度的空间分布特征与实测值分布一致,而且可清晰反映出NO2空间分布特征,即NO2的城市局地污染特征较明显.经变分订正的OMINO2柱浓度的空间分布特征可看出,北京的西南、东南地区污染源对北京地区的NO2浓度的影响较大.采用高分辨率的OMINO2卫星遥感资料同化修正排放源时,WRF-CMAQ模式对于华北地区冬、夏季NO2浓度水平预报和趋势预报可取得较显著的改善效果.采用经变分订正的、高分辨率的OMINO2卫星遥感资料进行源同化时,可模拟得到与实测浓度分布较一致的、高分辨率的NO2浓度信息,弥补了采用地面...     

青藏高原大气水分循环特征

青藏高原对亚洲季风环流的形成有重要作用,同时作为"世界屋脊"拥有丰富的冰川、积雪、河流、湖泊和地下蓄水层。青藏高原特殊大地形动力和热力作用深刻地影响着亚洲与全球大气水分循环,也对全球气候与环境产生深远的影响。基于青藏高原在亚洲夏季风系统大气水分循环过程的重要地位,从青藏高原对全球大气水分循环重要作用的视角,综述了青藏高原大气水分循环过程中青藏高原局地热力对流、高原的"阶梯式"水汽流爬升"第二类条件不稳定(CISK)"物理模型、青藏高原视热源结构影响及多尺度水汽汇流通道、海洋-青藏高原"水汽源-汇"结构、青藏高原跨半球垂直环流圈水分循环结构、青藏高原大气水分循环综合模型等的相关研究进展,剖析了青藏高原大气水分循环综合模型的研究背景,探讨了青藏高原特殊大地形热力驱动机制及其云水效应,描述出与青藏高原热力驱动的亚洲区域和跨半球垂直环流圈水分循环结构,揭示了青藏高原热力强迫与海洋-大气-陆地水文过程特殊的相互反馈作用。青藏高原发源的亚洲河流水系是为人口众多的亚洲区域供给生活、农业和工业用水的重要水资源之一。因此,认识在全球变暖背景下青藏高原的水分循环及其对水资源变化影响至关重要,仍需深入地探讨青藏高原大气水分循环机制及其全球影响效应。     

春季地气温差与长江中下游夏季旱涝异常的相关

利用1957-2006年50年的地温、气温和降水资料,分析了中国区域春季地气温差的分布特征,并利用线性相关和奇异值分解方法对春季地气温差与夏季降水的关系进行了探讨。结果表明：中国大陆春季地气温差分布与地势大体吻合。在长江中下游为涝年时,青藏高原春季的地气温差偏大,而黄淮流域的春季地气温差偏小,与青藏高原相反。青藏高原春季的地气温差与长江中下游地区夏季降水存在显著的正相关,即春季青藏高原地区地气温差较大（小）,长江流域的夏季降水会比正常年份偏多（少）,青藏高原春季地气温差对长江中下游夏季降水有一定的指示意义。     

应用谱逼近方法模拟2008年初南方持续性降水过程及其水汽通道周期特征分析

本文利用谱逼近方法,对2008年初发生在我国南方的大范围持续性降水过程进行了对比试验,结果发现使用谱逼近方法的试验模拟所得的雨带空间分布和降水强度明显优于没有使用谱逼近方法的试验。对于低层受槽线、风切变线等频繁影响的区域,使用谱逼近方法的试验得到的经向风场具有2~4天的显著周期特征,与实况较为一致,即该方法能够提高模式对经向风场的模拟能力。综合分析水汽输送通道、模拟区域位置以及水汽通道超前高相关区的周期特征可知:谱逼近方法可能把中南半岛东部区域这一超前高相关区的经向水汽输送信息引入模式,从而改善了模式对降水区水汽收支周期的模拟能力,这可能是该方法能够改善降水模拟的重要原因之一。另外,对于谱逼近方法没有直接作用的模式变量,经过模式内部各变量之间的相互调整,其在谱逼近试验中的统计结果也有不同程度的提高。本文研究结果表明,谱逼近试验通过引入外源性的周期特征因素项,调整了模式与大尺度驱动场之间的协调关系,进而能够提高两周内模式模拟水平。此方法可能会在模式数值预报中具有一定的实际使用价值。     

Water vapor transport around the Tibetan Plateau and its effect on summer rainfall over the Yangtze River valley

The water vapor transport around the Tibetan Plateau(TP) and its effect on the rainfall in the Yangtze River valley(YRV) in summer are investigated by decomposing the moisture transport into rotational and divergent components.Based on the ERA-Interim and PREC/L(Precipitation Reconstruction over Land) data from 1985 to 2014,the vertically integrated features of the two components are examined.The results show that the divergent part dominates the western TP while the rotational part dominates the rest of the TP,implying that moisture may be mostly locally gathered in the western TP but could be advected to/from elsewhere over the rest of the TP.The divergent and rotational moisture fluxes exhibit great temporal variability along the southern periphery of the TP,showing sensitivity of water vapor to the steep topography there.Correlation analysis reveals that it is over the southeastern corner of the TP and to its south that a significant correlation between rotational zonal moisture transport and summer rainfall in the YRV appears,suggesting that the southeastern corner of the TP may serve as a moisture transport bridge between the South Asian(Indian) monsoon and the East Asian monsoon.Further composite analysis indicates that anomalous eastward(westward) zonal water vapor transport from the South Asian monsoon via the southeastern corner of the TP favors more(less) precipitation in the YRV in summer.     

西北太平洋热带气旋路径异常偏折的分类特征

基于中国台风网CMA-STI热带气旋（TC）最佳路径资料,对1949—2016年西北太平洋TC路径发生异常偏折的地理位置进行K-means聚类分析,并将其分为五个区域。对各区TC路径异常偏折的频数、方向变化、周期及时间变率等特征进行分析。结果表明:(1)不同分区TC异常偏折高频月份不同,纬度较高区域主要发生在夏季,纬度较低区域则主要发生在秋季。(2)异常右折TC在发生偏折前移向主要为西北向,偏折后为北向;异常左折TC偏折前主要为北向,偏折后主要转为西北向。(3)西北太平洋TC异常偏折总频数存在准2~4年、准3~6年的年际变化周期,其长期变化趋势表现为20世纪80年代中期之前呈增加趋势,其后呈减少趋势, 低纬区域年变化与之最为相似,中高纬区域变化趋势不明显。（4）将研究区域按5 °×5 °进一步栅格化统计TC异常偏折频数的时间变率,发现其地理分布表现为中国沿海为正、台湾岛以东海域为负的变化特征。其中沿海的增加趋势主要由异常右折增加引起,台湾岛以东洋面的减弱趋势主要由异常左折的减少引起。(5)异常右折TC强度增强的高频中心主要位于菲律宾半岛以东洋面,次中心位于中国南海中部,而强度减弱位于台湾岛西南区域;异常左折TC强度增强的高频中心位于南海中部,强度减弱中心位于我国东南沿海。      

江淮流域旱涝年夏季E-P通量特征分析

利用 1 958～ 1 997年NCAR/NCEP全球再分析资料和 1 951～ 1 998年全国 1 6 0站月降水资料研究了江淮流域旱涝年夏季E P通量的分布状况 ,旱年E P通量在4 0°N附近呈强辐合特征 ,涝年在 30°N附近呈强辐合特征 ,其分布形式与降水的对应关系显著。旱涝年E P通量不同的分布形式促使江淮流域旱年 4 0°N附近的高空西风急流得到加强 ,涝年 30°N附近的高空西风急流得到加强 ,使得相应地区的风场高层辐散、低层辐合得到加强 ,形成了有利于降水生成的动力条件 ,是江淮流域及中国区域不同形式的降水分布形成的重要因素。     

长江中下游旱涝的环流型与赤道东太平洋海温遥相关波列特征

根据长江中下游地区夏季旱涝年前期冬、春季北太平洋海温分布特征进行分析研究 ,提出了影响区域性旱涝的海温“强信号”概念 ;探讨了北半球大气环流结构对赤道东太平洋海温异常响应问题 ,并研究了东太平洋海温与北半球夏、春季高度偏差场季尺度相关偏差场波列结构相关特征。研究结果表明 ,赤道东太平洋海温异常可能通过低纬walker环流引起赤道西太平洋区域性大气异常运动 ,从而产生遥响应环流型 ,形成类似PNA遥相关“大圆波列”。此类遥响应特征在西太平洋区域表现出与副热带高压、西风槽、阻塞高压等相关的系统的准定常经向波列。研究结果还表明此类经向波列结构描述了中高纬地区系统对低纬异常海温遥响应的动力学特征。应用 1997～ 1998年冬季实际海温资料 ,并在赤道中东太平洋地区引入实际海温异常的敏感性试验 ,较成功地模拟了 1998年夏季长江流域洪涝的降水分布特征。文中从统计、动力分析和数值模拟综合分析方法揭示出由前期东太平洋海温异常引起的大气环流变异 ,构成中国长江流域旱涝的物理图像及其动力学模型。     

北京城市大气环境污染机理与调控原理

该文主要介绍了科技部国家重点基础研究发展规划项目“首都北京及周边地区大气、水、土环境污染机理及调控原理”大气分项目的研究成果。项目分别于2001年和2003年重点开展了BECAPEX科学试验 (Beijing City Air Pollution Experiment)。BECAPEX试验同步进行城市边界层气象与大气化学观测, 通过卫星遥感、地面观测, 即城市空间和地面以及点与面结合的技术途径, 以揭示北京城市污染“空气穹隆”大气化学结构特征及其变化规律, 为城市环境大气动力-化学模式提供基本科学参数, 给出城市边界层大气物理化学过程综合模型, 为提高城市环境大气物理-化学过程耦合模式的准确性和可靠性提供科学依据。该项目揭示了北京城区和城近郊区城市边界层结构与湍流特征, 城市大气污染垂直结构特征; 发现了城市大气污染空间结构多尺度特征, 其中包括大气污染源影响和城市热岛多尺度特征; 揭示了城市大气重污染过程周边源影响域, 以及北京及周边地区气溶胶影响域和区域气候响应; 提出了北京市典型污染源排放清单; 发展了城市气象模式系统, 包括冠层模式、街谷环流和热力结构以及城市高大建筑群周围风环境数值模拟; 发展了空气质量模式技术, 包括二次气溶胶模拟试验、北京地区SO₂污染的长期模拟及不同类型排放源影响的计算与评估、影响北京地区的沙尘暴输送模拟、区域化学输送模式中NO_x和O₃源示踪法, 城市尺度的大气污染CAPPS模式及统计模型的应用、大气污染及紫外辐射数值预报模式和CMAQ-MOS空气质量预报方法; 改进了美国公共多尺度空气质量预报模式, 建立了CMAQ-MOS区域空气质量动力-统计模型预报模式, 以及发展的源同化技术, 突破了当前空气质量模式技术“瓶颈”, 使模式预报准确率明显提高。     

NCEP/NCAR再分析风速、表面气温距平在中国区域气候变化研究中的可信度分析

采用计算标准化均方根误差、相关分析和EOF分解等多种客观分析统计方法,对NCEP/NCAR再分析风速、表面气温距平在中国区域的可信度进行了研究,结果表明中国东部不同要素距平的标准化均方根误差均比西部地区的小,说明NCEP/NCAR再分析资料的可信度东部比西部要高,可能是受到模式地形和中国地面气象站点“东密西疏”分布格局的较大影响。随着高度升高,NCEP再分析风速距平的误差减小,进一步表明地形对NCEP再分析资料的可信度具有较大影响。另外,冬季再分析风速误差较大的特点在850,500和200 hPa等压面上均存在,表明冬季再分析风速距平的可信度受到再分析模式系统误差的较大影响。相关分析结果和标准化均方根误差计算结果之间具有很好的反向对应关系,即均方根误差大,NCEP再分析资料与实测资料的相关性就差,均方根误差小,则对应两者之间的相关性就较好。标准化均方根误差较小的要素,其NCEP再分析和站点实测资料距平EOF分解得到的特征向量空间分布较为相似,各特征向量对应时间系数的相关性也比较好;反之,标准化均方根误差大的要素,其NCEP再分析和站点实测资料距平EOF分解得到的特征向量空间分布则相差较大,对应时间系数的相关性也比较差,因此采用EOF分解方法,分析对应特征向量空间分布相似性及其时间系数变化的一致性,可以对NCEP再分析资料的可信度有一个更加客观的认识。综合上述各季节、各要素多种方法的分析结果,可以发现NCEP再分析风速距平在春、夏、秋季具有一定的可信度,但冬季的可信度较差;表面气温距平则是冬季的可信度最好,夏季的可信度较差。