全球海潮模型研究进展

阐述潮汐分析方法和建模方法,归纳总结了FES,CSR,GOT,NAO,TPXO,EOT,DTU,HAMTIDE及OSU系列全球海潮模型的建立机构、使用数据及构建方法等。对比分析2010年后出现的几种新的海潮模型(FES2012,EOT11a,DTU10和HAMTIDE11a)在南大洋的M2振幅,发现模型间差异主要集中在浅水及极地地区,其中极地地区高精度卫星测高数据的缺少及海冰的季节性变化,是导致建模精度较差的主要原因。最后对海潮模型的发展方向提出一些建议。     

基于嫦娥一号卫星激光高度计数据的月表有效反射率

月壤厚度反演是我国月球探测的重要科学目标之一,其重要影响因素之一就是月球表面的有效反射率.前人在月壤厚度反演研究中使用了光滑月表反射率模型,使得月表水平极化反射率和水平极化反射率分别为0.063和0.028(观测角:30°).然而,月球表面是非常粗糙的,必须建立适合粗糙月球表面的有效反射率模型.因此,以嫦娥一号卫星微波辐射计数据的空间分辨率(3 GHz通道,56 km×56 km)为标准,利用每个微波辐射计像元范围内的激光高度计数据(8×8个)建立相应的粗糙月表模型.然后,基于Q/H模型,进行月球表面的有效反射率研究,生成了观测角为30°时月球表面水平极化有效反射率和垂直极化有效反射率分布图.结果表明,月球表面的粗糙性对月表反射率影响很大,使得水平极化反射率降低,局部地区降至0.050;垂直极化反射率增加,局部地区可达0.040,增幅达40%.     

始新世大洋环流模拟的模式依赖性

随着模式的复杂化和多元化发展, 国际上不仅组织了现代气候模拟的模式比较计划, 也开展了古气候模拟的比较计划。在模式比较计划中, 如何有效处理模式间的差异和剔除模式依赖性已成为重要问题。本项研究基于国际深时多模式比较计划(DeepMIP)中的始新世大洋环流模拟结果, 选取pCO₂倍增试验、模式参数化、古地理边界条件这3个案例, 深入分析模式依赖性如何影响古气候模拟结果和模式之间差异性, 归纳和总结古气候模拟研究中模式依赖性产生的可能原因。结果显示, 部分模式的关键变量对驱动因子响应过于敏感、模式参数化方案过于简单、模式中对古地理边界条件表达的欠准确性均可导致模式依赖性的产生以及模式之间显著差异。这表明在分析数值模式结果时, 需要参考多模式结果, 并特别关注模拟结果变化的各个环节, 从而减少模式依赖性的干扰, 增加模拟结果的准确性, 以便于更加准确认识气候环境演变过程。

     

利用T/P海面高度数据校验验潮站地面升降的初步研究

利用TOPEX/Poseidon卫星1993—2001年的海面测高资料提取了上海和江苏临近海域这9年间的绝对海面变化信息，并与该区域6个验潮站的同时段潮位记录数据进行了对比分析。研究结果表明根据T/P海面高度数据提取的月均海面变化曲线与同海区验潮站测得的同期海面变化过程具有相当好的一致性和同步性，但是根据潮位序列得出的9年平均海面上升速率值均大于根据卫星资料得出的上升速率值。由于卫星测高数据是严格建立在地心坐标基础上的，因此二者的差异在很大程度上应与验潮站所在地点的地面沉降有关。值得注意的是经过地面沉降校正的上海吴淞验潮站数据得出的9年平均海面上升速率值仅比卫星测高结果大0. 43 mm/a，而江苏省射阳河口至三条巷之间5个未经地面沉降校正的验潮站得出海面上升速率与卫星测高结果之间的差值在0.95～3.01 cm/a之间，并呈向北递增趋势。这一对比结果反映该岸段近期的地面沉降速率可能有自南向北增大的趋势，其量值有可能达到年厘米量级。     

基于全球导航卫星系统资料的短时降水预报

根据大气对天顶对流层延迟(Zenith Tropospheric Delay, ZTD)影响的变化特征,提出并实现了一种无气象数据短时降水预报的方法。利用2015年5—6月浙江连续运行参考站(Continuously Operating Reference Station, CORS)网的全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)观测数据和对应每小时的降水量信息对该方法进行验证,结果表明该方法能够预测出80%以上的降水事件,与国际上利用气象数据根据大气可降水量(Precipitable Water Vapor, PWV)预测出的结果精度相当。表明脱离地面实测气象数据仅利用ZTD对短时降水进行预报可行有效,对于降水的短时预报具有重要研究意义和应用价值。     

大洋环流模式的温盐表面边界条件处理及其影响研究评述

对常用的大洋环流模式温度和盐度的表面边界条件处理方案进行了总结,在此基础上,讨论了不同处理方案对大洋环流变化模拟结果的影响,指出了不同边界条件各自的适用范围。较为典型的温度边界条件包括Haney型边界条件、Rahmstorf等恢复型边界条件、Schopf零热容量条件以及通量条件;盐度边界条件主要包括恢复型边界条件、通量型边界条件以及自然边界条件。边界处理方案之不同,不仅影响到模式气候态和年际变率的模拟,还影响到一些典型大洋环流变化现象的模拟结果,如极地盐跃层突变现象、海洋层结强烈翻转的冲刷现象、热盐环流的多平衡态现象以及淡水冲击对热盐环流的影响等问题。     

卫星油田PI层组基于砂体发育的地震反射模式

卫星油田PI层组为该油田的主力油层组,层组内单砂层厚度较薄、空间连续性差。将PI层组纵向上划分为上、中、下3个组合单元,利用地震波形能够给以较好的反映。测井曲线具备好的沉积微相识别能力,将每个单元里存在河道或河坝砂体定义为砂体发育,不存在的定义为互层发育,考察卫星油田三维地震工区近100口井资料识别的沉积微相与地震波形的对应关系,建立8种地震波砂体反射模式,依据模式可有效推测出卫星油田PI层组勘探空白区的砂体发育状况,为该油田部署有利井位提供技术支撑。     

基于复用的软件构架评估方法及其在嫦娥工程中的应用

针对目前软件构架评估方法未考虑复用构架评估知识的局限性, 提出一种新的、基于构架评估知识复用的软件构架评估模式(包括软件构架评估方法元模型和应用框架).运用一致的评估元模型, 建立高层模型, 辅助构架评估决策; 并在应用框架支持下, 系统地复用评估历史数据, 将SAEM的活动整合为一个系统的、可复用的、可管理的过程.该方法已成功应用于中国探月工程地面应用系统的软件构架评估, 降低了深空探测航天复杂系统的研制风险.      

基于CMIP6多模式的和田河流域未来气候变化预估

气候系统模式是对历史和未来气候模拟最广泛有效的工具,但存在一定的不足和局限性,使其无法直接用以预估未来气候变化。本文采用基于分位数映射的日偏差校正(DBC)、多模式集合(MME)平均和基于皮尔逊r相关系数的加权集合(r-MME)平均方法,以1971—2000年为基准期,评估6种气候模式在和田河流域的适用性;运用r-MME方法对未来SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下各模式的偏差校正结果进行集合,分析未来近期(2021—2050年)、远期(2061—2090年)日最高、最低气温以及降水的时空演变特征。结果表明：基于DBC的r-MME融合方法能够综合考虑各模式的优势,可大幅提高气候模式模拟的精度,年均最高气温、最低气温和降水量与实测序列的相关系数分别达到0.918、0.821和0.878;3种情景下的气温和降水均呈现增加趋势,其中低强迫SSP1-2.6情景下的增幅最小,远期年最高气温、最低气温和降水的平均增量分别为2.830、2.523℃和46.412 mm,高强迫SSP5-8.5情景下的增幅最大,远期年最高气温、最低气温和降水的平均增量为5.697、6.452℃和9...     

确定卫星重力场中的海潮负荷影响问题

概要综述了确定卫星重力场恢复中的海洋负荷潮汐改正理论和精度估算问题。利用TPXO6海潮模型计算了海潮对卫星重力恢复的影响,与GRACE观测误差实施了对比。结果说明海潮M2波对卫星重力场恢复的影响最大,并主要体现在40阶以下的位系数上。海潮模型误差对低阶卫星重力场恢复的影响也是比较明显的。相关结果可有效降低GRACE恢复的低价重力场位系数的潮汐成分,为我国相应的学科研究提供有效参考。     

全球实时海洋观测网(Argo)与上层海洋结构、变异及预测研究

围绕国家重点基础研究发展计划项目“基于全球实时海洋观测计划(Argo)的上层海洋结构、变异及预测研究”,首先介绍Argo这一新型全球海洋观测网给海洋和大气科学带来的发展机遇以及我们面临的挑战,接着阐述项目重点研究区域西北太平洋和热带印度洋—太平洋的国内外进展,最后给出了项目的关键科学问题和主要研究内容。     

基于局地集合变换卡尔曼滤波的全球海洋资料同化系统设计及算法加速

通过对局地集合变换卡尔曼滤波(LETKF)算法的计算时间复杂度的完整分析,发现计算集合空间分析场误差协方差的逆矩阵这一过程计算量最大,耗时最长。且在并行计算环境下,该步骤CPU计算量分配不均是影响计算效率的直接原因。为解决这一问题,采用“贪心算法”设计了一套新的负载均衡策略,并使用该策略开发了一个基于LETKF和并行海洋模块2(POP2)的高性能并行海洋资料同化系统。将2004年1~2月日平均的最优插值海表温度资料(OISST)和同时期的Argo温盐剖面资料同化进入POP2。结果表明,同化有效降低了温度和盐度的均方根误差。同时,在不改变计算结果的前提下,相比原始同化系统,新系统计算性能提升1倍。在更高分辨率(0.1°×0.1°)下,该系统的计算性能仍然可以提升1倍,说明新设计的负载均衡方案稳定可靠。该方案具有很强的可扩展性和移植性,在业务预报中有广泛的应用前景。     

Global Ocean Data Assimilation System Design and Algorithm Acceleration Based on Local Ensemble Transform Kalman Filter

An integrated analysis about computational time complexity of the Local Ensemble Transform Kalman Filter (LETKF) was performed. It is found that the calculation step of inverse matrix of the error covariance in ensemble space is the most computationally intensive and time consuming. In a parallel computing environment, the uneven distribution of CPU calculations in this step directly leads to low computational efficiency. To solve this problem, a new load balancing strategy was designed based on the "greedy algorithm". A high-performance parallel ocean data assimilation system based on the LETKF was developed and tested using this strategy. This system was based on the Parallel Ocean Program 2 (POP2) of the Community Earth System Model (CESM). The optimal interpolated sea surface temperature data (OISST) and Argo temperature profile data from January to February, 2004 were assimilated into the POP2. The results show that data assimilation effectively reduces the root mean square error of temperature and salinity. Using the new strategy, the exact same results are obtained but the computation time is reduced by half. At higher resolution (0.1°×0.1°),the computing performance is still doubled, indicating that this load balancing scheme is stable and reliable. In addition, the new method has high scalability and portability with great potential to be applied in operational forecasting.     

Assessment of acoustic backscatter intensity surveying on deep-sea ferromanganese crust: Constraints from Weijia Guyot,western Pacific Ocean

Near-bottom observation data from the manned deep submersible Jiaolong with high-precision underwater positioning data from Weijia Guyot, Magellan Seamounts in the Western Pacific Ocean are reported. Three substrate types were identified: Sediment, ferromanganese crust, and ferromanganese crust with a thin cover of sediment. The ferromanganese crusts show clear zoning and their continuity is usually disturbed by sediments on areas of the mountainside with relatively gentle slope gradients. The identified substrate spatial distributions correspond to acoustic backscatter intensity data, with regions of high intensity always including crust development and regions of low intensity always having sediment. Therefore, acoustic backscatter intensity surveying appears useful in the delineation and evaluation of crust resources, although further more work is needed to develop a practicable methodology.     

基于ICESat/GLAS数据的中国典型区域SRTM与ASTER GDEM高程精度评价

航天飞机雷达地形测绘(shuttle radar topography mission, SRTM)和先进星载热发射和反射辐射成像仪全球数字高程模型(advanced spaceborne thermal emission and reflection radiometer global digital elevation model, ASTER GDEM)提供了全球覆盖面积最广的数字高程模型(digital elevation model, DEM)数据, 但其高程精度还未得到充分验证, 传统地面测量方法很难适用于验证大面积范围的DEM精度.以冰、云和陆地高程卫星/地学激光测高系统(ICESat/GLAS)高程数据为参考, 综合利用地理信息系统(geographic information system, GIS)空间分析、三维可视化与统计分析方法, 对中国典型低海拔沿海平原地区和高海拔山地的两种DEM数据高程精度进行了对比分析.结果表明, 高程值小于20m的低海拔地区, SRTM高程精度达到2.39m, ASTER GDEM的精度达到4.83m, 均远远高于这两种数据的标称精度; 而在西南山地, 这两种DEM的精度大约为20m, 与标称精度相当.最后, 建立了ICESat/GLAS与SRTM和ASTER GDEM的一元线性回归模型, 该模型具有较高的拟合度和显著线性关系, 可用于改善这两种DEM的高程精度.      

河流生态健康评价研究综述

随着河流污染日益严重,人们开始关注河流的生存,河流健康由此而生.在全面总结国内外研究的基础上,对河流健康的概念进行了阐释,分析了评价河流健康的指标体系,及其标准和权重,列举了几种常用的评价模型,并指出了现阶段河流健康评价工作的不足及其未来的发展方向.     

基于栅格空间信息定量化的湖南西部地区生态环境综合评价

以湖南西部地区为研究区域,采用遥感影像作为主要数据源,针对区域主要生态问题,利用栅格数据结构为主的数字环境模型,建立了生态环境质量综合评价模型. 对区域生态环境质量的空间分异格局进行了研究,通过将评价结果与数字高程模型迭加分析,研究了生态环境质量的垂直地带性分布规律,探索适合以山高坡陡为主要地貌特征的山区生态评价方法,结果显示,湖南西部地区生态环境综合指数呈正态分布,大部分地区环境质量属一般. 总体环境状况东南部好于西北部,河谷盆地优于山地. 研究表明,利用遥感和地理信息系统技术进行区域生态环境评价,具有数据采集快速、客观,评价和制图自动化,评价结果空间定位精度高,直观性与实用性强等优点.     

Assessment of the Decadal Prediction Skill on Global Land Summer Monsoon Precipitation in the Coupled Models of ENSEMBLES

Global monsoon precipitation plays a crucial role in the local social economy and global large-scale circulation and energy cycle. Using the decadal prediction output for 1960-2015 from ENSEMBLES Stream 2, the decadal hindcast skill of climate models on global land monsoon precipitation and the potential source of predictability were examined in this paper. It is found that the decadal variation of global and southern hemispheric land monsoon precipitation is not well hindcasted by ENSEMBLES. However, the Northern Hemispheric land Summer Monsoon (NHSM) precipitation in hindcast is well predicted, including the observed downward trend from 1960 to the late 1970s and upward trend since the 1990s. The main deficiency is that the minimum NHSM precipitation occured in mid-1970s, which is 10-year earlier than the observation, leading to poor prediction of NHSM precipitation from the mid-1980s to early 1990s. Mega-ENSO and Atlantic Multi-decadal Oscillation (AMO) are the two main factored that modulate the decadal variation of NHSM precipitation. The result shows that the relationships of NHSM precipitation with mega-ENSO and AMO in ENSENBLES are higher than the observation. The climate models well predicted the increase from 1960 to the late 1970s and decrease trend since the 1990s of mega-ENSO and AMO. It is the primary source of the prediction skill on NHSM changes during the two periods. Although AMO is well predicted by ENSEMBLES (highest correlation coefficient with observation is 0.85), the prediction skill of mega-ENSO is limited, leading to poor performance in predicting NHSM precipitation from the mid-1980s to early 1990s. Thus, improving the prediction of mega-ENSO can be seen as one important method of better decadal prediction of NHSM precipitation.