两次秸秆焚烧导致辽宁重污染过程的气象条件对比分析

利用环境监测站大气污染物数据、地面自动气象站观测资料、L波段加密探空资料和0.125°×0.125°的EC再分析资料,结合MODIS遥感火点监测和HYSPLIT4后向轨迹模拟结果,对比分析了2015年11月8日和2016年11月5日的两次由于东北地区秸秆焚烧导致辽宁重污染天气过程的大气边界层特征、气象扩散条件和大气污染物输送来源等。结果表明:两次过程地面PM_(2.5)浓度均出现快速上升和下降,其中2015年11月8日重污染过程的污染强度较2016年11月5日强,且持续时间更长。2015年11月8日重污染过程的混合层高度较低,其上层的中性层结转变为逆温层结,抑制混合层高度的发展。同时低层冷平流不断侵入到暖平流下方,使得大气层结稳定性增强,维持时间较2016年11月5日重污染过程更长,低层下沉运动和黑龙江西南部、吉林西部污染物的远距离输送增强使得辽宁地面污染物浓度快速累积。而2016年11月5日重污染天气过程主要受深厚冷空气影响,东北地区西部污染物的区域输送和地面风场辐合是地面污染物浓度快速上升的主要原因。     

1961～2009年我国地面太阳辐射变化特征及云对其影响的研究

基于我国100个地面站点的地面太阳总辐射、日平均云量资料分析1961～2009年我国地面太阳辐射(Surface Solar Radiation,SSR)变化特征及云在不同时期对SSR的影响。结果显示:1961～2009年我国SSR经历了先下降后上升的变化过程,其中1961～1990年SSR显著下降("变暗"),下降速率为-4.3%/10 a(7.87 W m–2(10 a)–1),各地SSR变化趋势比较一致;1990年后SSR开始上升("变亮"),上升速率为2.8%/10 a(2.4 W m–2(10 a)–1),各地SSR变化趋势不如前一阶段一致,但没有显著的地域分布特征。晴空条件的设置对1961～1990年各站点SSR变化特征影响不大,仍为大范围下降("变暗"),但对1990～2009年的结果影响显著。相比全天空条件的结果,晴空条件下1990～2009年我国SSR变化有明显的南北特征,南方地区以"变亮"为主,而北方地区大多继续"变暗",但"变暗"速度减缓。1961～1990年我国总云量总体呈小幅下降趋势,下降速率很慢,这一时期总云量与全天空SSR没有很好的对应关系;1990～2009年我国总云量总体呈小幅上升趋势,有显著的南北分布差异,北方地区以上升趋势为主,南方地区以下降趋势为主,期间云量与全天空情况下SSR有很好的对应关系。这些结果表明,在"变暗"阶段,云对SSR的作用不显著,而在"变亮"阶段,云的作用变得较为突出。     

台风“碧利斯”的雷达反演及改进

利用两步变分反演方法,研究2006年第4号台风“碧利斯”,对照单部雷达资料和两部雷达资料的反演结果。结果表明：利用单部雷达资料不能很好的反演出台风的风场结构特征,而两部雷达资料在第一步反演背景场时,可以看出台风的涡旋特征。通过检验发现,此次台风过程的水平切向风在最大风速半径内部与Rankine模型相近,外部与Chen 3模型接近。为了更有效地利用单部雷达的观测信息准确定位台风的移动路径,故在单部雷达资料第一步反演背景场时加入模型弱约束。反演结果表明,加入模型弱约束后,反演的背景风场就能看出台风的涡旋特征,通过第二步反演后与两部雷达资料结果相近;加模型弱约束的单部雷达反演结果与两部雷达反演结果间u、v分量的相关系数均在0.8或以上,2-7 km高度层u、v分量的均方根误差明显减小。     

土壤湿度和土壤温度模拟中的参数敏感性分析和优化

使用一种复杂洗牌算法 (SCE-UA, Shuffled Complex Evolution Algorithm) 对Noah陆面模式中的参数进行敏感性分析和优化,其中水文参数采取直接优化和优化土壤成份的形式,侧重于研究两种水文参数给出方法对土壤湿度和土壤温度模拟的敏感性。结果表明:将土壤湿度和土壤温度作为判据,模式中水文参数敏感性最高,水文参数对土壤湿度的敏感性要高于对土壤温度的敏感性。表层土壤湿度作为判据对土壤水文参数优化后,可以改善土壤湿度和土壤温度的模拟,加入深层土壤湿度同时作为判据后,优化使土壤温度的模拟变差。当土壤成份作为优化的参数,表层和深层土壤湿度作为判据,优化能够同时改善土壤湿度和土壤温度的模拟。单独使用土壤温度作为判据不能达到优化水文参数的目的。将土壤成份作为优化的参数后,土壤湿度和土壤温度的多判据优化效果最好,且减少不敏感参数的个数后对优化结果的影响总体不大。基于以上结果,将土壤成份作为优化水文参数的方法能够更好的考虑不同水文参数之间的约束关系,优化后的水文参数具有很好的一致性,优化效果较直接优化水文参数更好。     

台风“碧利斯”的雷达反演与改进

利用两步变分反演方法研究2006年第4号台风＂碧利斯＂,比较单部雷达资料和双部雷达资料的反演结果。结果表明：利用单部雷达资料不能很好地反演出台风的风场结构特征,而双部雷达资料在第一步反演背景场时,可以显示出台风的涡旋特征。通过检验发现,此次台风过程的水平切向风在最大风速半径内部与Rankine模型相近,外部与Chen 3模型接近。为了更有效地利用单部雷达的观测信息准确定位台风的移动路径,故在单部雷达资料第一步反演背景场时加入模型弱约束。反演结果表明,加入模型弱约束后,反演的背景风场可以看出台风的涡旋特征,通过第二步反演后与双部雷达资料结果相近;加模型弱约束的单部雷达反演结果与双部雷达反演结果间u、v分量的相关系数均为0.8或以上,2—7 km高度层u、v分量的均方根误差明显减小。     

土壤湿度观测、模拟和估算研究

总结土壤湿度的观测手段和土壤湿度数据集建立的现状,详细阐述与土壤湿度模拟有关的方程离散化求解、物理和生化过程、陆面过程模式比较和陆面模式参数优化等方面的研究进展;综述估算土壤湿度廓线的数据同化方法,仔细比较集合卡曼滤波(EnKF)和四维变分(4-D Var)2类目前流行的同化算法,并对估算土壤湿度廓线的研究工作进行全面评估;最后,对土壤湿度观测、模拟和同化中需继续努力的方向进行了思索和展望。     

利用双多普勒雷达资料对一次台风流场结构的分析

应用Qiu等提出的两步变分反演法,由厦门、长乐两部雷达观测资料反演0604号台风"碧利斯"登陆福建霞浦前的风场,并利用反演的水平风场检验几种常用的台风涡旋模型对此次台风的合理性,以期对雷达资料应用于台风过程分析和模拟有更进一步的认识。结果表明,两步变分法可以较好地反演出台风的水平、垂直风场特征,水平风场呈现不对称性且有明显的偏心结构,流场随高度表现出漏斗形特征,垂直风速与水平流场对应较好,台风中心有下沉气流,外围有上升气流。通过对台风物理量的分析发现,此次台风过程存在以最大风速半径随高度向外倾斜的主环流圈和低层向中心流入,高层向外流出的次环流圈。利用反演的水平风场对常用的对称风场涡旋模型进行了验证,发现在最大风速圈内取Rankine模式,最大风速圈外取Chen3模式对此次台风过程拟合较好。     

天空辐射计观测2006年春季北京地区气溶胶光学特性的研究

利用2006年3～5月天空辐射计观测数据反演得到北京地区春季大气气溶胶光学性质参数,包括大气气溶胶光学厚度(0.5μm)、Angstrm指数、单次散射反射比和粒子谱分布特征。结果表明:北京地区春季气溶胶平均光学厚度0.67,Angstrm指数0.54,单次散射比0.88,粒子吸收性质较弱,粒子谱呈双峰形,以粗粒子为主,粗、细模态粒子粒径分别集中在0.17μm和7.7μm左右。相比2004年此次观测期间气溶胶粒径较大,粒子体积浓度较高,散射作用在其消光特性中的比重略有下降。光学厚度日变化呈单峰型,日间单次散射比随时间逐渐递减,Angstrm指数在上午递减趋势明显,午后变得稳定。对同时观测的天空辐射计与CE-318不同波长光学厚度结果进行比较,结果显示两者得到的光学厚度相关性很好,各波长小时平均结果的相对误差小于7%。     

SCE-UA算法优化土壤湿度方程中参数的性能研究

借助于一维土壤湿度模型,分别将土壤成份和土壤性质相关参数作为待优化的参数,通过观测系统模拟试验的方式,评估SCE-UA (Shuffled Complex Evolution Algorithm) 优化算法对这些参数的优化效果。结果表明:优化的效果不仅依赖于参数的取值范围,还依赖于参数的敏感性,敏感的参数通过优化算法易得到最优值;不敏感的参数存在“不敏感区间”,在“不敏感区间”中易陷入次优,通过缩小参数优化分布区间和增加优化的次数可以部分提高优化的效果。此外,模型的超定性也可能导致参数次优值的出现,而通过恰当地给出参数之间的约束条件和优化判据,可以提高参数优化的效果。     

东北冷涡背景下沈阳地区一次强降水过程分析

利用辽宁省区域自动站、探空和多普勒雷达观测资料及ECMWF再分析资料, 对2016年6月30日发生在沈阳地区一次局地短时强降水过程的天气特征及可预报性进行分析。结果表明: 此次天气过程为东北冷涡背景下典型的午后强对流天气, 白天太阳辐射加热使得沈阳城区温度高于周边区域, 配合中低层的高湿环境具有较好的不稳定能量; 暴雨发生前2 h, 近地面至300 hPa高度西南气流不断增强, 低空急流出口区减压, 使得垂直运动增强, 上升运动高度达到对流层顶, 有利于触发和加强对流, 1.5—3.0 km的16 m·s^-1的西南风脉动和急流减弱消失对降水发生和结束有较好的指示意义; 午后低层辐合、高层辐散的不稳定层结在强降水发生前2 h建立, 散度最大时段与强降水时间对应较好; 雷达观测反映这次降水以低质心暖云降水为主导, 具有较高的降水效率, 地面辐合线触发了对流, 并逐渐发展演变成带状对流系统。从数值预报的结果来看, 模式未能报出城市下垫面对气象要素的影响, 对于地面辐合线的预报存在明显的滞后偏弱, 导致强降水预报难度增加。