多普勒雷达降水反演及其与改进的区域气候模式RIEMS的同化研究

本博士论文在前人构建的陆面水文过程模型TOPX和区域气候模式RIEMS的耦合模式的框架基础上,针对耦合模式中RIEMS对降水和蒸散发的模拟精度较低,RIEMS和TOPX模式之间尺度不匹配等几个核心问题进行了深入细致的研究:对天气雷达资料的定量估测降水方面的研究获得了对沂沭河流域最佳的Z-R关系,并通过雷达雨量计联合校正法得到较高精度的面降雨量;采用集合卡尔曼滤波同化算法对雷达反演的面雨量及区域气候模式RIEMS的降水输出进行了数据同化方案研究,获得了更好的降水模拟效果;在RIEMS和水文模型TOPX构成的耦合模型中加入同化方案,实现了流域降水的实例模拟研究,结果表明使用同化方案明显改善了水文模拟效果。     

考虑地形指数尺度转换的陆面水文过程模型TOPX构建及其与区域气候模式RIEMS的耦合应用

本论文借助TOPMODEL的地形指数概念(TOP)和新安江模型的水量平衡思想(X),构建一个具有地形指数尺度转换机制的陆面水文过程模型TOPX,并将其与RIEMS区域气候模式紧密耦合,以提高气候模式对陆面水文过程的模拟能力.围绕这一研究目的,本论文比较深入细致地研究和探讨了构建TOPX模型并实现与RIEMS模式耦合工作中所需要解决的四个关键性核心问题.     

REGCM2和SUCROS模式的双向耦合模拟试验

文中利用NCAR区域气候模式REGCM2和荷兰WAGENINGEN农业大学的作物生长过程模式SUCROS在中国东部平原进行了作物-大气双向耦合的模拟试验。初步的研究结果表明，该双向耦合模拟试验(R／S)能较好地描述大气和农作物间动态的基于生物过程的相互作用。R／S模拟试验不仅能真实合理地反映植物叶面积指数的逐日变化特征，更好地描述中国东部平原的陆面物理过程，而且改善了REGCM2对中国东部地区夏季降水和地面温度的数值模拟。该项研究对进一步认识和研究气候系统与陆地生态系统的相互作用具有一定的意义。     

降水云中液水含量的空基遥感

在建立不同降水云垂直结构模式的基础上，利用矢量微波辐射传扬模式进行空基云雨遥感的数值试验。结果表明：星载微波辐射计6．9GHz通道对降水云的冰层很不敏感，而对降水云校总液水含量(LWC)非常敏感；辐射亮温(Tb)随LWC呈单调变化关系；进一步考查这个频率下b的两个极化分量差△Tb(＝Tbv—Tbh)和LWC的关系发现，不同云结构(对流云和层状云)对△Tb-LWC关系影响较小。研究分析表明，6．9GHz的v,h两个通道有可能用于遥感降水云的液水总量。     

用WRF与MM5模拟1998年三次暴雨过程的对比分析

使用NCAR和NOAA的新一代中尺度模式WRF(Weather Research and Forecast)和UCAR／PSU的MM5(v3)模式，对1998年发生在中国的三次强降水过程，即5月的1次华南暴雨过程，7月初的1次淮河流域暴雨过程和7月下旬的1次长江流域暴雨过程进行了数值模拟。模拟结果表明，WRF模式能够成功模拟这几次不同性质的降水过程；与MM5对比，WRF更好地模拟了引起这几次降水过程中的主要天气系统的位置和移动过程，从而使WRF模拟的降水落区好于MM5。但在这几次过程中WRF模拟的降水都较MM5为小，也小于实况值，分析可见，WRF模拟的垂直速度明显小于MM5的模拟结果，这可能是导致模拟的降水偏小的原因之一。     

中国星载降水测量雷达首次校飞试验-雷达性能指标分析

2010年9月-10月成功开展的中国首次Ku/Ka双频星载降水测量雷达校飞试验,获得了宝贵的机载雷达实测数据和地面、海面同步观测数据,以及热带降雨测量卫星所携带降水雷达的同步观测数据。本研究给出了校飞试验中获得的Ku/Ka双频降水测量雷达探测结果;对Ku/Ka频段机载雷达与车载气象雷达数据进行了点对点比较,计算了定量指标,从统计意义上表明观测的一致性;并对比分析了校飞雷达数据与星载降水雷达数据,揭示降水测量雷达仪器的降雨探测能力;利用降雨和晴空海面实测数据给出了Ku/Ka频段雷达探测灵敏度和实际距离分辨率的分析结果,验证了Ku/Ka频段降水测量雷达的性能指标。     

基于随机森林算法对青藏高原TRMM降水数据进行空间统计降尺度研究

提高气象数据空间分辨率对水文、气象和生态等领域的流域尺度研究至关重要。青藏高原气候变化在全球气候研究中占有重要的位置,并且对局域降水分布的研究在大气科学中处于基础地位。为获取青藏高原地区准确、有效、更高空间分辨率的降水数据,基于随机森林算法,引入植被和地形因子,采用热带降水测量计划卫星(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM) 3B43降水数据(0. 25°×0. 25°)、NOAA-AVHRR归一化植被数(normalized difference vegetation index,NDVI)数据(8 km×8 km)、航天飞机雷达地形测绘任务(Shuttle Radar Topography Mission,SRTM)数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据(90 m×90 m)以及经纬度信息,建立了非线性空间统计降尺度模型,最终获得8 km分辨率降水降尺度结果。另外,采用将时间序列分析和非线性回归分析融合的方法,基于2000—2012年TRMM年均降水数据和NDVI数据,建立降水量时间尺度预测模型。分析结果表明,综合考虑植被和地形因子对青藏高原地区降水空间分布的影响,基于随机森林算法建立的降尺度模型,其降尺度结果与地面站点测量值拟合系数为0. 89,高于TRMM数据与地面站点测量值的拟合系数0. 81,说明降尺度结果提高了卫星遥感降水数据的空间分辨率。另外,降水预测模型能够较好地描述青藏高原地区的年际降水变化趋势和数量级,2006—2012年的预测降水量与TRMM降水数据拟合系数均高于0. 80。     

青藏高原北部地区长期质量变化研究

针对青藏高原内陆地区存在的大范围未被合理解释的正质量变化信号问题,本文利用GRACE卫星观测资料定量研究了青藏高原北部地区2002—2015年间的地表质量变化趋势,并与水文模式和降水资料进行了比较分析。GRACE结果表明青藏高原北部地区存在等效水高为0.41cm/a的长期质量变化,水文模式得到的结果为0.12cm/a。长期信号显示两者虽在空间分布上存在较大差别,但在区域内具有相近极大值,且正信号均向研究区域的东南方向外延,体现出了较好的一致性。GRACE结果的周年振幅是水文模式的23%,这说明在研究区域内呈周期变化的土壤水信号并非是GRACE的优势信号,即水文模式无法给该研究区域质量长期变化以合理解释。此外,青藏高原北部地区的水文模式结果受降水影响较大。     

中国东部气溶胶光学厚度季节变化的数值模拟

气候模式对气溶胶光学厚度AOD的合理模拟,是模拟研究气溶胶气候效应的前提。利用在线耦合的区域气候—大气化学—气溶胶耦合模式系统RIEMS-Chem,模拟研究了2010年中国东部地区AOD的季节变化情况。模拟结果与卫星搭载的中分辨率成像光谱仪(MODIS)的反演资料和地基气溶胶观测网(AERONET)的站点观测资料分别进行了一年四季的详细对比,检验结果显示尽管模拟值有所低估,模式仍然能够合理地反映AOD的季节变化情况和空间分布特征,与AERONET站点观测值相比,整体相关系数为0.6。MODIS反演和相应模拟结果均显示,中国东部地区AOD整体水平夏季最大,春季次之,秋、冬季最小,华北平原、四川盆地和华中地区是AOD的主要大值区。只考虑日间AOD时,其季节分布特征略有不同,在华北平原地区,日间AOD夏季最大(1.1—1.5),在长江中下游流域地区,日间AOD则在春季最大(1.1—1.7);在中国东部,日间AOD的大值在夏、冬两季分别主要分布在长江以北、以南地区,而在春、秋两季则主要位于长江中下游流域。     

设计模式在GIS系统开发中的运用

本文提出了FACTORY METHOD(工厂模式)、COMPOSITE(组合模式)和COMMAND(命令模式)在G IS系统开发中的设计方案,并详细讨论了目前运用的比较少的VISITOR(访问者模式),发现VISITOR模式对于G IS系统中空间算法的管理来说是一种有效的设计模式。实验发现通过使用这些设计模式,G IS系统变的更加灵活,并具有可重用、可扩充和可移植等优点。