正则化方法在风海流Ekman模型资料同化中的应用

针对修正的风海流Ekman模型，采用变分同化技术结合反问题的正则化技巧，对模式的初始条件、边界条件和模式参数进行最优调整，使模式解与观测场能较好地符合。在对模式参数的估计过程中，引进正则化思想，在目标泛函中增加稳定泛函，从而克服在调整模式参数时造成的不适定。并通过数值试验进一步肯定正则化理论在资料同化中的作用。     

雷达强降水数据小波域统计特征及其与环境参数的关系研究

为了得到最优的强降水估计,基于雷达强降水数据多尺度统计特性建立的先验模型显得非常重要。本文基于南京市S波段多普勒天气雷达2013～2016年共180次独立降水事件数据进行小波分解,研究强降水雷达回波数据小波域小波系数尺度内非高斯边缘分布特征以及尺度间分形特征,并基于强降水的先验统计特征建立相应的数学模型。研究结果表明:对于不同降水结构呈现不同形态的雷达回波来说,它们的分形参数差别并不大,方向性不明显,可对强降水小波系数统一建模,其尺度内的非高斯特征可用广义高斯分布表示,尺度间的分形特征可用指数形式表示。为进一步说明强降水小波域统计特征与降水物理参数的关系,讨论了强降水小波域小波系数分形参数与环境参数的关系,发现环境参数中的对流有效位能与分形参数（一阶水平向）相关系数为0.5535、每小时降水量与分形参数（二阶各方向小波系数分形参数的平均）相关系数为0.3848,而其它环境参数与分形参数相关系数低于0.28。强降水小波域统计特征及其与环境参数的先验信息可用于强降水数据的参数化建模,并对后续的强降水最优估计、数据同化、数据降尺度、多源数据融合等应用具有重要的参考价值。     

城市冠层过程的研究与进展

介绍了城市冠层过程研究的概况和历史,概括了城市冠层的特征及其作用于局地气候和中尺度系统的主要方式,总结了城市冠层参数化方案或模式的研究进展.比较了几种参数化方法和模式的特点,提出目前存在的一些问题.认为：现有的参数化方案和模式尚未能完整体现城市下垫面特征、准确反映人类活动影响,二者的发展有赖于对城市下垫面建筑特征更合理、细致地描述,对人为热量、水汽影响更准确的估计与刻划.与局地因素密切相关的城市冠层模式还需要更多地在模式中引入局地差异影响.同时指出,要提高耦合城市过程的中尺度模式预报水平,需要相应改进包括云、降水、次网格地形及边界层动力学等的参数化.     

最大熵谱估计中的递推算法

谱分析是气象上常用的资料处理方法.目前较多使用的是将资料的自相关函数的富氏变换乘以窗函数从而得到功率谱估计.这虽然常常可以获得谱的相容性估计,但它是一种非参数化的估计方法,不便于用来作分析和推导;对隐含在随机序列中的谐波分量     

Gamma概率分布模型参数的数值估计方法

讨论了二参数Gamma概率分布参数的估计方法,并对Thom极大似然估计方法进行了改进,提出了修正方案.     

一种基于鲁棒集合滤波的资料同化方法

在集合卡尔曼滤波方法中,根据预报集合的统计特性提供的预报误差协方差矩阵对资料同化起决定性作用。但协方差矩阵低估会引起资料同化滤波发散问题。通过将集合转换卡尔曼滤波方法和时间局地化的H_∞滤波方法相结合,提出一种基于鲁棒集合滤波思想的资料同化方法,放大转移矩阵的特征值,改善估计效果。主要思路是在集合滤波的框架下,按照鲁棒滤波的最小最大准则,实现同化系统性能的改进。利用非线性Lorenz-96混沌系统,考察集合时间局地化的H_∞滤波在系统参数变化时,对同化系统鲁棒性的影响。结果表明:集合时间局地化的H_∞滤波对系统参数变化具有很好的鲁棒性;与传统的滤波方法相比,鲁棒滤波方法提高了同化的效果。     

两种参数化方案下冬小麦品种对发育期的影响

利用华北平原47个农业气象观测站1986—2010年冬小麦的品种、发育期观测资料和同期气象数据,基于常用的发育期模型,对两种参数化方案下品种变化对发育期影响的特征进行研究。其中参数化方案1采用固定的三基点温度,参数化方案2通过循环优化得到三基点温度。结果表明:在华北平原冬小麦品种变化频繁的情况下,两种参数化方案均能较好地对返青-抽穗期与抽穗-成熟期的模拟过程进行参数化;两种参数化方案均认为品种变化使返青-抽穗期和抽穗-成熟期日数有延长趋势,但不同参数化方案的趋势值存在较大差异,且参数化方案1模拟的趋势值总是高于参数化方案2。此外,不同的参数化方案也会使模拟的趋势值在区域上的分布规律发生变化。研究表明:不同参数化方案的使用会对模拟结果产生明显影响,因此,在量化品种变化对发育期影响时,需关注不同参数化方案对结果的影响,以及由此带来的不确定性。     

Gamma概率分布模型参数的数值估计方法

讨论了二参数Gamma概率分布参数的估计方法，并对Thom极大似然估计方法进行了改进，提出了修正方案。     

西北干旱区荒漠水分循环特征及其模拟

利用"中国西北干旱区陆—气相互作用实验"观测的资料,分析了大气湿度、土壤含水量、与土壤含水量相关的陆面参数及其他陆面参数特征。为了验证新的陆面参数及参数化公式,将新陆面参数与参数化公式输入陆面模式进行模拟,将模拟值与观测值进行了比较。结果表明输入新参数及参数化公式的模拟效果更好。     

气溶胶粒子反演的约束优化方法

气溶胶粒子大小分布是地球环境科学研究中最重要的方向之一.由数学物理模型来估计气溶胶的粒子分布是一个不适定的反问题,反演的目的就是用适定的问题来代替不适定问题,并获得原问题解的近似.本文研究气溶胶粒子分布的约束优化反演方法.首先探讨了问题的病态性,接着基于对待反演参数施加先验约束给出了正则化模型.在正则化的具体实现上,研...     

A simple parameterization of longwave radiative cooling with application to the atmospheric boundary layer for clear sky conditions

A simple parameterization is proposed to obtain longwave radiative cooling rates, which can be used for atmospheric boundary-layer simulations on clear days in mid-latitudes. The net flux difference which is set to zero at the surface, can be parameterized with the use of three variables: the surface temperature, the lowest level (1.5 m) air temperature, and the total amount of water vapor. If these three elements, along with the water vapor profile are known, it is possible to estimate the cooling rate due to longwave radiation. The results of this parameterization are in good agreement with those of a precise scheme (Roach and Slingo, 1979), within a range of ± 1°C/day of diurnal change for boundary-layer simulations.     

中尺度模式云降水物理方案介绍

介绍大气模式中湿过程的饱和凝结、对流参数化和显式云物理三种方法的适用条件和特点.中尺度大气模式的对流参数化和显式过程一般有多种方案,介绍了多种方案的主要处理方法、基本微物理过程、预报量和主要特点.对流云模式都采用显式过程,但不同模式的湿过程有一定的差别,有各自的微物理特点,对有代表性的云物理方案进行了叙述和分析.     

WRF模式对青藏高原南坡夏季降水的模拟分析

利用中尺度数值模式WRF研究积云对流参数化方案、网格嵌套技术和模式分辨率对陡峭的青藏高原南坡夏季降水模拟的影响。对2006年7月青藏高原南坡地区降水的模拟分析表明:降水对积云对流参数化方案的选择很敏感,不同方案模拟的结果差异显著,采用Grell-Devenyi质量通量方案时的模拟效果优于其他方案。在此基础上,通过5种试验方案比较发现,使用积云对流参数化方案、提高模式分辨率和应用网格嵌套技术能改善降水强度和空间分布的模拟,组合使用时模拟的降水与观测资料更接近。它们均能改进风场,使得水汽的输送和辐合过程的模拟更加准确;还能影响大气的垂直加热状态,导致不同的对流发生,使垂直速度的分布趋于合理。未使用积云对流参数化方案时,大气湿度偏小,而模式分辨率和网格嵌套技术对大气湿度的影响不大。      

Parameterization of Ozone Photolysis Frequency in the Lower Troposphere Using Data from Photodiode Array Detector Spectrometers

Spectroradiometers using photodiode array detectors (PDAs) are increasingly applied for airborne and ground-based atmospheric measurements of spectral actinic flux densities due to their high time resolution (less than one second). However they have limited sensitivity of ultraviolet (UV) radiation for wavelengths less than about 305 nm. This results in uncertainties of ozone photolysis frequencies derived from spectral actinic flux density measurements using PDA spectrometers. To overcome this limitation a parameterization method is introduced which extrapolates the data towards the wavelength range of limited sensitivity of the PDA spectrometers (less than about 305 nm). The parameterization is based on radiative transfer simulations and is valid for measurements in the lower troposphere. The components of the suggested parameterization are the lower threshold wavelength of the PDA spectrometer, the slant ozone column (ratio of the total ozone column and the cosine of the solar zenith angle), and the ambient temperature. Tests of the parameterization with simulated actinic flux density spectra have revealed an uncertainty of the derived ozone photolysis frequency of ±5%. Field comparisons of the parameterization results with independent measurements of the ozone photolysis frequency were within ±10% for solar zenith angles less than 70^∘. Finally the parameterization was applied to airborne measurements to emphasize the advantage of high time resolution of PDA spectrometers to study ozone photolysis frequency fields in inhomogeneous cloud condtitions.     

Observations of leaf stomatal conductance at the canopy scale: An atmospheric modeling perspective

Plant stomata play a key role in the redistribution of energy received on vegetated land into sensible and latent heat. As a result, they have a considerable impact on the atmospheric planetary boundary layer, the hydrologic cycle, the climate, and the weather. Current parameterizations of the stomatal mechanism in state-of-the-art atmospheric models are based on empirical relations that are established at the leaf scale between stomatal conductance and environmental conditions. In order to evaluate these parameterizations, an experiment was carried out on a potato field in New Jersey during the summer of 1989. Stomatal conductances were measured within a small homogeneous area in the middle of the potato field and under a relatively broad range of atmospheric conditions. A large variability of stomatal conductances was observed. This variability, which was associated with the variability of micro-environmental and physiological conditions that is found even in a homogeneous canopy, cannot be simulated explicitly on the scale of a single agricultural field and,a fortiori, on the scale of atmospheric models. Furthermore, this variability could not be related to the environmental conditions measured at a height of 2 m above the plant canopy simultaneously with the conductances, reinforcing the concept of scale decoupling suggested by Jarvis and McNaughton (1986) and McNaughton and Jarvis (1991). Thus, for atmospheric modeling purposes, a parameterization of stomatal conductance at the canopy scale using external environmental forcing conditions seems more appropriate than a parameterization based on leaf-scale stomatal conductance, as currently adopted in state-of-the-art atmospheric models. The measured variability was characterized by a lognormal probability density function (pdf) that remained relatively stable during the entire measuring period. These observations support conclusions by McNaughton and Jarvis (1991) that, unlike current parameterizations, a parameterization of plant stomata applied on a field (or larger) scale, might not require inclusion of the complex relations found at the leaf scale between stomata and their microenvironment.     

中尺度数值模拟中的边界层多尺度湍流参数化方案

该文在多尺度湍流理论的研究成果基础上, 将边界层湍流风谱与平均量的梯度相联系, 建立了边界层多尺度湍流参数化子模式, 之后放入MM5模式中进行了个例模拟研究, 并与MM5模式附带的M RF边界层参数化、Blackadar高分辨率边界层参数化的模拟结果进行比较和分析。结果表明, 多尺度湍流理论能够反映出实际大气边界层中热量垂直输送的规律, 将其用于中尺度数值预报模式的边界层物理过程参数化是可行的; 多尺度湍流参数化在地表层和边界层内各个层次上都着重考虑含能量最大的涡的作用以及水平热力不均匀性的影响, 因此在地形和下垫面比较复杂的区域, 对中尺度天气系统的模拟有进一步发展的前景。     

中尺度大气数值模式发展现状和应用前景

对国内外当前一些先进的中尺度大气数值模式的发展现状,应用前景及发展趋势作了概要综述。其内容包括：模式动力学的改进,叫就度模拟系统特征,区域谱模 发展积云参数化和显式云物理方案,行星边界层参数化,大气辐射参数、四维资料同化,区域实时数值天气预报,中尺度数值天气预报应用前景及新一代中尺度模式发展趋势。     

数值模式中的大气边界层参数化方案综述

大气边界层对下垫面和自由大气之间的热量、动量和物质交换以及全球辐射的收支平衡有着非常重要的作用,数值模式中对边界层的模拟需要通过参数化方案表现出来。综述了数值模式中常用的边界层参数化方案,从闭合框架以及边界层内的重要物理过程这两个方面对各类方案进行了总结,并讨论了边界层参数化方案的发展方向。     

南海夏季风爆发的数值模拟

利用高分辨率的区域气候模式 (RegCM_NCC) 对南海夏季风爆发进行模拟研究。研究表明:该模式对积云对流参数化方案的选择十分敏感, 其中以Kuo积云参数化方案为最好, 可以比较成功地模拟出南海夏季风的爆发时间、爆发前后高、低层风场的剧烈变化以及季风与季风雨带的向北推进。然而该方案对于雨量和副热带高压位置的模拟, 与观测相比尚存在一定的偏差, 主要表现为副热带高压位置模拟偏北、偏东; 南海地区的降水量模拟偏少、降水范围偏小。此外, 采用4种参数化方案 (Kuo, Grell, MFS, Betts-Miller) 集成的结果在某种程度上要优于单个方案的结果, 这种改善主要体现在对南海地区季风爆发后降水的模拟上。     

非均匀网格的过渡湍流理论及其在大气边界层数值模拟中的应用

本文将Stull提出的均匀网格下的过渡湍流理论推广到非均匀网格情形，推广的非均匀网格的过渡湍流理论满足Stull提出的对过渡矩阵系数的要求并具有清晰的物理意义。然后，将非均匀网格的过渡湍流理论应用于一维大气边界层数值模式中，对Wangara资料进行了模拟，并与均匀网格情形进行了对比。计算表明，非均匀网格的过渡湍流模式能很好地模拟Wangara大气边界层平均量与湍流量的变化；本文非均匀网格的过渡湍流理论的推广是可行的，它可能会在大气边界层数值模拟及其他方面（如：中尺度模式）得到应用。