基于高空气球平台的下投探空:系统研发和青藏高原实验

为提高复杂地理环境和极端天气条件下的大气廓线探测能力,本文自主研发了基于平流层高空气球平台的下投探空系统,并在青藏高原开展探测评估实验.该系统主要由下投探空舱,携带降落伞的下投探空仪,下投施放装置,数据接收通讯天线和GPS模块等组成.下投探空仪测量数据通过卫星通信链路和无线电信号实时发送至数据接收机存储处理.2020年...     

Stratospheric balloon-based dropsonde technology: Development and preliminary assessment over the Tibetan Plateau: 基于高空气球平台的下投探空:系统研发和青藏高原实验

To complement the atmospheric profile measurements under complex geographical environments and extreme weather conditions, a stratospheric balloon-based dropsonde technology, which is carried by a stratospheric balloon platform from the Earth's surface to the upper troposphere and lower stratosphere (UTLS) to release the dropsonde for measurements, is independently developed and preliminarily assessed over the Tibetan Plateau (TP) in this study. The dropsonde system is mainly composed of the dropsonde chamber, dropsonde with a parachute, data receiving and communication antennas, dropsonde-releasing device, and GPS (Global Positioning System) modules. The dropsonde measurements can be sent in real time through satellite communication links and by radio signals to a data receiver at the ground control center for storage and processing. A total of eight dropsondes aboard the stratospheric balloon were successfully released during the TP campaign in 2020. A preliminary assessment was conducted based on a case comparison between the dropsonde and radiosonde measurements, which indicated that the dropsonde technology we developed can generally provide reasonable atmospheric profiles. However, further efforts are still required to improve the detection performance of the dropsonde sensors after long-term locating in the UTLS and to assess the accuracy and precision of the detection technology more carefully.摘要为提高复杂地理环境和极端天气条件下的大气廓线探测能力, 本文自主研发了基于平流层高空气球平台的下投探空系统, 并在青藏高原开展探测评估实验.该系统主要由下投探空舱,携带降落伞的下投探空仪,下投施放装置,数据接收通讯天线和GPS模块等组成.下投探空仪测量数据通过卫星通信链路和无线电信号实时发送至数据接收机存储处理.2020年青藏高原实验中8枚下投探空仪全部成功施放, 提供了合理有效的大气廓线探测数据.后续会进一步提高下投探空仪传感器性能, 全面评估其探测准确性和精度.     

基于静稳天气下气球探空实验的中国沙漠地区沙尘气溶胶的垂直分布（英文）

塔克拉玛干沙漠是亚洲沙尘气溶胶的重要源地。为探讨塔克拉玛干地区沙尘气溶胶的理化特性与时空变化,研究其环境与气候效应,本文分析了四个季节在中国敦煌(塔克拉玛干沙漠内)取得的探空气球观测数据,包括气溶胶的数浓度、粒径分布、质量浓度及在西风主导下的水平输送通量。气溶胶数浓度的垂直廓线显示,来自沙漠地区的矿物粒子对局地环境与气候有重要影响,且所有季节都存在长距离输送。粒子谱分布显示局地有大量粗粒子输入。结果说明,源于塔克拉玛干沙漠的沙尘气溶胶的背景输送有着重要的科学意义,需进一步研究其对东亚和西太平洋地区环境与气候的影响。     

高频探空温度和风速的质量控制方法研究（英文）

针对中国高分辨率探空资料,本文提出了一种计算气候学界限值的方法以满足业务中对资料进行质量控制的需求.首先在垂直方向上将整个大气划分为64层,将落在每层范围内的观测数据都收集到一起进行排序并计算百分位,在此基础上通过比较不同百分位廓线值来获得气候学界限值.除了业务台站,本文还使用了TIPEX-III的探空数据来验证本方法在科学试验数据中的应用效果.评估表明,应用气候学界限值可以有效检测到业务站和试验站观测数据中的粗大误差;百分位廓线则可以清晰的体现出探空观测的整体变化特征并揭示出误差的整体分布范围.     

夏季青藏高原附近云顶分布和对流层顶高度的关系（英文）

以CALIPSO卫星观测的云顶高于对流层顶事件为参考,亚洲夏季风区该事件的发生率占北半球的49%,进一步通过对大尺度连续方程的诊断估计,在该区域上升气流的作用下,亚洲季风区在北半球夏季对流层向平流层物质输送总量中贡献远大于50%。南亚高压反气旋对云顶高度的影响体现在:在南侧的高空东风急流核附近(约16.5 km),云顶出现的概率最大,垂直方向达到了10%每500米;北侧的高空西风急流下方,云顶垂直概率大于3%每500米的区域被抑制在11 km以下,远离热力学对流层顶但接近动力学对流层顶。     

青藏高原东部暴雨的中尺度有效位能收支分析（英文）

针对2018年7月10-11日青藏高原东部一次暴雨过程,利用模式模拟资料分析了有效位能分布特征,成因及其对降水发展演变的影响.结果表明,有效位能主要分布在对流层低层4km以下和高层8-14km,高层有效位能和降水有更好的对应性西北冷平流和降水粒子下落的蒸发作用是低层有效位能高值中心的主要成因,而降水过程释放潜热带来的热力扰动叠加高原大地形造成的位温扰动是导致高层有效位能高值的主要原因.有效位能收支分析表明,有效位能的通量输送项以及与动能间的转换项是主要源汇项.低层有效位能的经向通量输送和动能向有效位能的转化补给了有效位能的耗散;高层有效位能向垂直动能转化增强垂直运动是促进降水发展演变的主要因素.高层有效位能与垂直运动之间的正反馈过程使得两者相关性较强;低层较长时间内均存在垂直动能向有效位能的转化,削弱了垂直运动,而西北冷平流使得低层有效位能有增强的趋势,因此二者相关性较弱.     

基于市（地）系统平台的谐谱自动分析中期预报系统

本系统作为市系统平台下业务应用软件开发的探索和尝试，应用每天欧洲中心５００ｈＰａ高度场０－７２小时格点资料，实时自动计算谐谱物理量，并利用软件自动分析绘制各类图表；根据谐谱分析原理和预报员经验，以人－机交互方式进行５天以上中期天气过程预报。     

青藏高原与印度洋热力对比及其与南亚夏季风的关系（英文）

本文基于1979-2017年逐日再分析资料,通过分析对流层中上层青藏高原和印度洋之间的热力差异,提出了一个热力对比指数(TCI),并分析了TCI与南亚夏季风的强度和爆发时间的关系.研究表明:相比单独的青藏高原或者印度洋的温度,TCI能更好地表示南亚夏季风强度的变化.TCI越大时,南亚夏季风爆发时间越早;TCI逐候增量的变化超前南亚季风指数的变化,两者相关系数在TCI逐候增量超前南亚季风指数15候时达到最大.TCI是预报南亚夏季风爆发的一个潜在指标.     

基于无线电掩星数据,探空资料以及再分析资料估算大气边界层高度的比较（英文）

用11年的全球无线电掩星数据(COSMIC),无线电探空数据(IGRA)以及欧洲中心再分析资料(ERA-Interim)对全球大气边界层高度(PBLH)进行估算比较.结果表明:(1)在1200 UTC和0000 UTC,由ERA-Interim和IGRA数据估算得到的全球PBLH空间分布较为一致,相关性较好,在白天正午时候太阳辐射能力较强,对流活动频繁,估算得到的大气边界层高度较高.(2)由COSMIC掩星数据估算得到的边界层高度比探空数据和再分析数据估算结果整体偏大.(3) COSMIC掩星数据,IGRA探空数据以及ERA-Interim再分析资料估算结果都表明边界层高度在低纬度地区偏大,高纬度地区偏小.(4)分析不同数据估算边界层高度纬向季节性差异表明,IGRA探空数据和COSMIC数据间差异为-1700m至-500m,IGRA与ERA-Interim之间的差异为-500m至250m.此外,对于大多数纬度而言,三个数据集之间的差异在冬季较大,在夏季较小.     

气候变化,土地利用变化和二氧化碳浓度升高对青藏高原总初级生产力的影响（英文）

青藏高原(TP)的生态系统对气候变化,土地利用和土地覆盖变化(LULCC)以及CO_2浓度升高等极为敏感,但这些因素对于TP总初级生产力(GPP)的影响及机理仍不清晰。本研究利用12个陆地生物圈模式定量评估了气候变化, LULCC和CO_2施肥效应对TP的GPP年际变率和趋势影响。结果表明:气候变化对TP的GPP起主导作用,而LULCC和CO_2浓度升高(施肥效应)对GPP年平均值贡献分别为10%和–14%,年际变率贡献为37%和–20%,趋势贡献为52%和–24%。     

基于小波分解和布谷鸟搜索算法的小波神经网络风速预测（英文）

风速预测是风电场运行和风电并网过程中的关键技术之一。由于风速序列呈现出明显的间歇性和波动性,使用单一模型进行时预测难以取得满意的结果。本文发展了三种混合多步预测模型,并将他们与已有的风速预测模型相比较。这三个模型结合了小波分解、布谷鸟搜索算法和小波神经网络,分别记为CS-WD-ANN,CS-WNN和CS-WD-WNN。研究采用中国山东省两个风电场的实测数据进行模拟试验和模型比较,结果显示CS-WD-WNN表现最佳,具有最低的统计误差。     

关于CAS FGOALS-f3-L模式中青藏高原地表温度偏差的归因分析（英文）

中国科学院全球海洋-大气-陆地耦合模式(FGOALS-f3-L)参加了耦合模式比较计划的第六阶段(CMIP6)试验,但是其对关键气候敏感地区青藏高原的地表温度的再现能力还不清楚.这项研究用再分析资料CFSR评估了FGOALSf3-L模式对青藏高原地表温度的再现能力.结果表明,FGOALS-f3-L可以合理模拟整个高原上年平均地表温度的空间分布,但低估了整个高原上年平均地表温度.模拟的地表温度在整个高原上冬春季表现为冷偏差,夏秋季表现为暖偏差.基于地表能量平衡方程的进一步定量分析表明,地表反照率反馈(SAF)项极大地贡献了高原西部年平均,冬春季平均地表温度的冷偏差,而对高原东部是暖偏差贡献.与SAF项相比,地表感热项对地表温度偏差的贡献几乎相反,这大大抵消了SAF项引起的偏差.云辐射强迫项对高原东部的年平均和季节平均弱冷偏差有很大贡献.与高估的水蒸气含量有关的长波辐射项造成了夏秋季整个高原上大部分的暖偏差.该研究表明,提高FGOALS-f3-L中的陆面和云过程对降低高原上地表温度偏差至关重要.     

基于GFS预报资料的强对流相似预报研究（英文）

本文基于数值模式预报发展了强对流相似预报方法。该方法采用对流参数作为相似预报量,对比当前预报与历史预报的相似物理量场挑选与当前预报最相似的时刻,并利用这些时刻对应的强对流观测权重叠加作为当前预报时刻的强对流预报。以NCEP/GFS预报场资料,对该方法的有效性进行了检验。检验结果表明,该方法对中国地区的强对流有良好预报效果。作为数值预报的有效补充,该方法具有以下几点优势:简便易实现,具有很高的可移植性:以对流参数作为相似预报量,充分利用了模式对温,压,湿,风等基本气象要素预报比较准确的优势;有效避免了对流参数进行强对流预报时的临界值选取问题,考虑了强对流发生的地域性,气候性特点。     

基于Web平台及分布式数据库的气象短信数据综合处理系统的研发

通过运用PHP开发语言,设计开发一套基于Apache WEB平台和SqlServer数据库的短信数据综合处理及查询系统,使各个运营商的各类短信业务数据过滤、分检、查询等都能在一个数据处理平台上进行处理,并提供多种形式的统计查询,方便相关负责人分析和应用,实时了解气象短信业务发展情况,并为其他业务部门搭建业务平台,为今后各类业务网络化、信息化处理开发打下基础。     

黑潮延伸体海洋中尺度涡旋:四套数据的比较（英文）

在不同的中尺度涡数据中,涡旋的识别,跟踪方法以及物理参数的定义存在差异,因此需要对涡旋结果进行相互比较和验证.本文比较了Chelton,GEM-M,Faghmous和Dong四套中尺度涡数据在黑潮延伸体区域的基本特征.结果表明,各数据的中尺度涡数量,特征和轨迹均存在差异.经过归一化处理后,涡特征的地理分布和时间变化高度相似,特别是Chelton,Fahgmous和Dong三套数据.     

华北地区大气氮沉降的空间格局和季节特征（英文）

作为农业集约化和经济快速发展的地区之一,华北地区较高的氮沉降不容忽视。本文利用卫星观测的对流层柱浓度和大气化学传输模型模拟的剖面信息,研究了华北地区氮沉降的空间格局和季节特征。结果表明,华北地区总氮沉降通量为16.3–106.5 kg N ha~(-1)yr~(-1),平均为54.5±17.2 kg N ha~(-1)yr~(-1)。高值区主要集中在城市和农田,低值区主要集中在人类活动较少的森林和草地。在总氮沉降量中,湿沉降量占36%;颗粒物干沉降量占12%;气态干沉降占52%。对于干沉降来说,气态HNO_3和颗粒物NO_3~-在冬季和秋季较高,春季和夏季较低。与之相反,气态NH_3和颗粒物NH_4~+在春季和夏季较高,冬季和秋季较低。这可能是NO_x和NH_3排放源和排放强度的季节差异造成的。另外,气态NO2沉降没有明显的季节变化。湿沉降主要受降水影响,呈现夏季高,冬季低的季节变化。本研究为华北地区总氮沉降提供了客观的空间格局和季节特征的见解。     

近16年暖季青藏高原东部两类中尺度对流系统（MCS）的统计特征

利用日本高知大学提供的逐小时分辨率静止卫星云顶黑体亮温（TBB）资料,使用模式匹配算法对2000～2016年（2005年除外）暖季（5～9月）青藏高原东部的两类中尺度对流系统（MCS）进行了识别和追踪,并利用人工验证订正了结果。基于此,利用NOAA的CMORPH（Climate Prediction Center Morphing）降水资料和NCEP的CFSR（Climate Forecast System Reanalysis）再分析资料对高原东部两类MCS进行了统计和对比研究。研究发现,7月和8月是高原东部MCS生成最活跃的季节,然而,此两个月能够东移出高原MCS的比例最小;5月虽然MCS生成数最少,但是移出率高达近40%。对比表明,能够东移出高原的MCS（V-MCS）比不能移出的MCS（N-MCS）生命史更长,触发更早,短生命史个例占比更低。暖季各个月份,相比于N-MCS,V-MCS的对流更旺盛且发展更快,然而,由于其发生频数远低于N-MCS,总体而言,V-MCS对高原东部的降水贡献率仅为15%左右,是N-MCS相应数值的一半左右。高原东部两类MCS的环流特征差异显著,有利于V-MCS发生、维持和东移的因子主要位于对流层中低层（西风带短波槽、西风引导气流、低层风场切变）,而在对流层高层,N-MCS拥有更好的高空辐散条件（其对应的南亚高压更强）。     

基于MFD及实时路况的城市道路机动车排放计算方法（英文）

本文提出了基于交通流宏观基本图(MFD)以及实时路况数据的城市道路机动车排放计算方法,并以环境保护部发布的指导方法为参照,对所述方法进行了对比验证。以2015年3月北京市五环路高速,国道京福路,省道京周路的氮氧化物排放为例,两种方法计算结果平均偏差分别为-27.7%,-12.9%,-12.0%。因此,基于MFD及实时路况数据对交通流量及机动车排放的估算,可以较好地反映道路机动车的运行情况及排放特征,在构建应用于街区尺度模型的排放清单,城市区域道路机动车排放的时空分布特征等方面具有非常好的应用潜力。