中国东北半干旱区能量水分循环的同化模拟

使用地球观测系统的中分辨率成像光谱仪（EOS．MODIS）提供的归一化植被指数（NDVI）产品估算植被覆盖度和航天飞机雷达地形测绘任务（SRTM）制成的数字高程模型（DEM）数据遥感产品替换WRF模式默认的植被覆盖度和地形高度,并且利用WRF模式及其先进的三维变分同化系统（WRF．3DVar）循环同化东北半干旱区自动气象站近地面气象要素,对东北半干旱区的温度场、湿度场、风场和能量场的结构及其日变化特征进行了较为细致的模拟研究．通过4组数值模拟试验分别探讨了同化气象要素与改变模式地表参数引起的不同下垫面潜热、感热的分配关系和降水、土壤湿度变化弓f起的地表能量通量模拟效果,并利用通榆站、奈曼站、锦州站、和密云站2009年6-8月的通量观测资料与模拟结果对比检验．结果表明,WRF模式能够较好地模拟出东北半干旱区夏季的近地面温度、风向、净辐射、感热和潜热等要素的变化特征及日变化规律．同化试验（Case2）模拟的近地面气温、相对湿度、风速相比控制性试验（Case1）有所改善;陆面参数试验（Case3）和集合试验（Case4）改善了感热和地表热通量的模拟．WRF模式能较好地模拟出下垫面土壤湿度随时间变化的规律,集合试验（Case4）土壤湿度模拟结果与4个通量站观测值相比无太大差别,但降水的模拟有待改善．本研究利用卫星遥感资料改善模式下垫面陆面参数,利用气象资料同化改善近地面大气要素模拟精度,这是将各种不同空间和时间尺度的多源数据与数值模拟融合的有益尝试．此研究生成的东北地区资料同化数据集可用于气候变化、干旱监测等方面,对深入了解半干旱区气候的形成和维持机理具有重要的意义．     

北京地区雷电灾害天气系统的动力-微物理-电过程观测研究

在国家"973"项目"雷电重大灾害天气系统的动力-微物理-电过程和成灾机理"(简称:雷暴973)资助下,2014~2018年连续五年在北京组织开展了雷电(也称闪电)灾害天气系统的暖季综合协同观测实验,旨在获得对北京及周边城市群区域的雷电天气系统特征和规律的实际认识,探索雷电资料在数值预报模式中的同化方法,以期改进雷电重大灾害天气系统的预报效果.主要观测设备包括:由16个子站构成的雷电(全闪)三维定位系统、2台X波段双线偏振多普勒雷达和4台激光雨滴谱仪等,协同观测还充分利用了中国气象局在京津冀地区的中尺度气象观测网.观测结果表明,受地形和环境条件影响,飑线和多单体雷暴是影响北京地区的两类主要的雷电灾害天气系统,它们除产生频繁的雷电活动外,还常伴随突发性局地短时强降水和冰雹,造成城区突发洪涝灾害.雷电密度的高值区位于北京昌平区东部、顺义区的中部和东部以及中心城区.超强雷暴(占总雷暴数的5%)、强雷暴(占比35%)和弱雷暴(占比60%)对总雷电分布的贡献分别为37%、56%和7%.北京城区的热岛效应对过境雷暴增强产生了重要作用,超强雷暴在中心城区的雷电频数可以高达每分钟数百次.雷电活动与雷暴云的热动力、微物理特征之间存在紧密联系,因此雷电频数可以作为冰雹、短时强降水等灾害性天气的指示因子.在对流可分辨数值预报模式中,建立并引入雷电资料同化方案,通过调整或修正模式的热动力和微物理参量,可明显提高模式对强对流和降水的预报效果.     

中尺度涡的高度计资料同化模拟

中尺度涡在大洋环流中有着重要的作用. 为检验高度计资料同化应用于中尺度涡模拟的效果, 提高环流模式对中尺度涡模拟的精度, 使用三维变分的OVALS同化系统结合POM模式进行了中尺度涡同化模拟实验. 该系统将卫星高度计资料同化反演成为温盐伪观测数据, 然后再次进行常规温盐同化, 得到温盐分析场. 根据中尺度涡现象的物理特性, 经过对比检验, 对系统中的同化参数作了合理设置. 使用T/P和ERS1/2的10 a卫星高度计的海表高度异常资料, 分别用同化与非同化两种方案对西北太平洋的中尺度涡进行对比模拟实验. 将实验结果与观测数据的比较表明, 加入高度计资料同化的模拟结果远远好于未使用同化的模拟结果. 说明高度计反演温盐场的同化方法用于对于模拟中尺度涡现象是非常有效的.     

辽宁开原龙卷强对流过程的扰动天气环境

2019年7月3日下午辽宁部分地区出现短时强降水和冰雹等强对流天气,其中开原市金钩子镇遭遇了龙卷风,造成当地严重的生命财产损失.本文重点分析有利于这次龙卷和冰雹等强对流过程发生的大气变量扰动环境,包括数值模式预报产品中的扰动天气环境以及雷达回波和卫星云图演变对应的大气扰动风场变化特征.结果发现:开原单个龙卷与苏北多次单...     

北京城市下垫面对雾影响的数值模拟研究

为了探究北京城市下垫面对雾天气过程的影响,为北京地区雾数值预报水平的提高提供理论基础和科学依据,选取2011年10月29日北京地区雾天个例进行了数值模拟试验,通过对WRF/Noah/UCM模式系统中城市冠层参数的调整,显著改善了模式对此次雾天气过程的模拟效果.使用参数调整后的模式系统通过敏感性试验分析研究了北京城市下垫面对雾发生、发展和消散过程的影响.结果表明：参数调整后的WRF/Noah/UCM模式系统能够与实际观测较相符地模拟此次发生在北京地区的雾天气过程,北京城市下垫面主要通过对温度的改变对雾的形成、发展和消散产生显著影响,使雾不易在城市及其附近形成和发展,延后城市地区雾的形成,但城市的存在也使得城市地区及其附近雾不易消散,相较于没有城市时消散时间延后.

     

基于区域ATOVS数据同化的2008中国南方低温雨雪冰冻灾害的暴雪监测研究

2008年1月中国南方地区遭受了严重的低温雨雪冰冻灾害, 地面常规观测、地面雷达观测等气象监测手段因受冰雪灾害的影响, 未能提供全面及时的雪情信息. 为了补充雪情数据, 国家卫星气象中心采用区域ATOVS卫星遥感数据和NCEP预报数据, 利用与美国NCAR合作开发的WRF三维变分预报/同化系统(其中陆面子过程选用NOAH方案), 建立了基于区域ATOVS数据同化的2008中国南方低温雨雪冰冻灾害的暴雪监测系统, 提供了暴雪灾害时段内每6 h一次的雪水当量演化分布数据. 本文系统阐述了基于区域ATOVS数据同化的2008中国南方特大暴雪灾害监测方案, 并对比分析了同化前、后模拟结果与观测资料的吻合度. 研究表明: 同化后的分析场能更好地反映此次强降雪过程的天气特征, 雪深的计算精度较同化前有明显改进, 从而验证了基于区域ATOVS数据同化的雪情监测方案的可行性. 该研究不仅为暴雪天气灾害应急服务提供了及时准确的雪情空间分布和演变信息, 也为区域ATOVS数据的应用开辟了新途径.     

新中国成立70年来的中国大气科学研究:天气篇

天气指某一个地区距离地表较近的大气层在短时间内的具体状态.大气中气象要素的空间分布可表现为各种瞬息万变的天气现象,这些天气的分布和变化是由不同时空尺度的天气系统引起的.天气与民生息息相关,其发展演变一直是大气科学研究和应用的重点领域.天气学的发展与观测系统、动力学理论和数值模式的发展密切相连.中国从20世纪50年代初开始建设观测网,到目前已建成门类齐全、布局合理的地基、空基和天基综合气象观测系统.特别是新一代稠密雷达网以及风云卫星系列的发展以及多次大型野外观测试验的实施使我们对天气的认识从宏观的天气形势深入到中小尺度天气系统精细热动力、云微物理结构和演变特征.观测系统的发展同时也促进了理论、数值模式和模拟的发展,中国已由初期主要以引进国外模式为主发展为目前主要发展具有中国自主知识产权的数值模式系统,基于高分辨数值模拟结果对不同尺度天气的发生发展机理和可预报性有了深入理解.此外,天气学已由初期的独立发展逐渐向多学科交叉方向转变,气候和环境的变化与天气演变之间的相互作用已成为大气科学的热点和前沿问题.文章重点回顾过去70年来中国在对天气演变起重要作用的天气现象及其短期变化过程的物理本质、演变规律和预报方法领域所取得的重大科学和技术成果,主要根据正式发表的文献从大气动力学、天气尺度天气特征、台风及热带天气、强对流天气特征、数值天气预报及资料同化,以及天气与气候、大气物理及大气环境等交叉领域六个方面分别加以综述.     

电偶源频率电磁测深视电阻率多参量联合反演效果检验

通过大量的数值模拟试验 ,对电偶源频率电磁测深 (FEMS)视电阻率多参量联合反演的效果进行了检验和对比 .结果表明 ,多参量联合反演具有较快的收敛速度和较高的拟合精度     

百米级气象数值模拟研究进展与展望

21世纪开始, 随着天气气候模式和超算机计算能力的发展, 加之气象精细化预报服务需求日益增长, 气象数值模拟迈入"百米级"发展阶段.本文系统回顾并归纳了近20年来百米级气象数值模式研发和模拟应用两方面的研究进展.重点关注百米级大气模式资料同化和浅积云对流、云微物理、边界层和城市陆面等物理参数化方案的研发进展, 以及模式对天气系统、边界层特征、降水、雾和城市化效应的模拟研究.基于百米级模式的研发和应用现状, 指出该研究领域的五个重点发展方向, 包括有限域高分辨率资料同化方法、云和边界层作用反馈、百米级城市陆面模式、人工智能方法对参数化方案的改进、模式分辨率与计算资源的平衡配置, 以期为系统开展百米级气象数值模拟研究与应用提供参考.     

大斜度井/水平井随钻方位电磁波测井资料实时反演方法

水平井钻进过程中,地层边界的准确预测对地质导向决策至关重要.但水平井测井环境复杂,随钻方位电磁波测井响应不直观,储层性质、地层界面等信息的精确、定量评价困难.本文提出了一种适用于大斜度井/水平井随钻方位电磁波测井资料的电阻率及地层界面信息的实时提取方法.该方法主要基于以下几个技术：（1）引入滑动开窗策略将高维随钻方位电磁波测井资料的反演问题转化为多个连续窗口的一维反演问题;（2）对反演参数进行多初值初始化,结合正则化Levenberg-Marquardt算法保证解的全局最优性;（3）充分利用随钻方位电磁波测井多种探测深度信息,采用分级反演策略提高反演速度.数值和实测资料反演结果表明：降维反演方法可实现对地层界面的实时、准确提取,且适用于多数复杂地层结构和任意井眼轨迹;利用浅探测地质信号可实现随钻方位电磁波测井资料的分级反演,最终反演速度可提升10倍以上.

     

东北冷涡引起的对流输送过程个例分析和数值模拟

平流层-对流层物质交换是影响全球大气成分收支的重要过程.过去的研究认为大尺度的交换过程在平流层-对流层物质交换中最为重要,但是近些年的研究表明,中小尺度过程对平流层-对流层物质交换也有重要贡献.本文利用OMI和MLS数据、ERA-Interim再分析资料,结合中尺度WRF模式综合分析了东北地区发生在冷涡前部和冷涡后部的两次强对流天气过程.结果表明：发生在冷涡前部暖锋云系中的强对流持续时间长,对流垂直尺度小,下平流层静力稳定度高;发生在冷涡后部的孤立强对流持续时间短,水平尺度较小,且在对流层顶附近,静力稳定度小,对流可穿出热力学对流层顶.从示踪物分布情况来看,两次强对流都可将示踪物输送到对流层顶附近,但是冷涡前部对流可将示踪物从边界层输送到整个对流层,而孤立对流是把示踪物输送到对流层顶,而不与自由对流层空气发生混合.

     

关中平原麦田干热风过程陆气交换特征的数值模拟

干热风是常发生在中国北方冬小麦产区的高温、低湿、风速较大,并伴随有强热量交换和水分蒸发过程的农业气象灾害.当其发生时如果不能保证作物水分的供给,将严重影响产量.因此,开展干热风发生机理的准确模拟与预报,对指导采取适时的农田管理措施,保障小麦产量至关重要.本文应用中尺度气象模式WRF(Weather Research and Forecasting)输出结果驱动北京大学陆面模式PKULM(Peking University Land Model)的模拟方法,结合气象台站观测与风云3A卫星遥感反演的叶面积指数数据,对关中平原2008-2013六年间干热风过程中农田生态系统温度、湿度、风速、感热通量、潜热通量等陆气交换特征进行了数值模拟.准确模拟出了干热风发生期间的大气温度、相对湿度、风速、土壤温度、土壤含水量及冠层感热通量、总感热通量、冠层潜热通量和总潜热通量等关键要素特征,揭示了本地区干热风的两种形成机制.模拟结果表明:WRF对干热风过程的温度场、湿度场与风场模拟比较准确,PKULM对于植物在干热风过程中、特别是气孔关闭阶段的感热、潜热通量的模拟明显优于WRF-Noah LSM(Noah Land Surface Model)的模拟效果.模拟结果与相应气象要素的观测值数值接近、变化趋势一致,在实际干热风发生时间段内的各要素模拟值均达到干热风指标,因此使用本模式系统模拟预报干热风灾害是可行的.     

随钻方位电磁波测井反演方法研究及在水平井中的应用

针对随钻方位电磁波测井仪器测井响应特征进行考察,提出了水平井和大斜度井多层界面三维电阻率反演方法,获取准确的水平井/大斜度井地层电阻率剖面和井眼地层位置关系,为储层评价提供可靠依据.以哈里伯顿ADR方位电阻率测井数据为例,利用基于Marquardt方法的三维电阻率反演方法计算地层电阻率和多层边界距离等参数,数值模拟及实际处理井结果显示,反演方法精度较高,反演结果准确可靠.多层界面三维电阻率反演对储层精确评价和储量复算具有重要意义,在实时地质导向中具有广阔应用前景.     

春季Hadley环流异常对夏季西北太平洋热带气旋频数影响的数值模拟试验

观测事实揭示出春季Hadley环流与夏季西北太平洋热带气旋频数之间存在显著的负相关关系.由春季Hadley环流异常引起的西北太平洋地区夏季纬向风垂直切变、大气辐合辐散等的异常变化是这一关系存在的内在原因.本文通过数值试验对这一关系的真实性进行了验证,即利用中国科学院大气物理研究所发展的9层大气环流模式（IAP9L-AGCM）模拟了春季Hadley环流异常偏强情景,并分析了该情景下影响西北太平洋热带气旋生成的环境场的响应.结果表明,在春季Hadley环流偏强情景下,夏季西北太平洋地区纬向风垂直切变幅度加大,低空大气异常辐散,高空大气异常辐合,东亚夏季风减弱,这种环流背景不利于热带气旋生成和发展,因此,西北太平洋热带气旋频数异常偏少.数值模拟结果与已有的诊断结果相吻合,进而证实了春季Hadley环流与夏季西北太平洋热带气旋频数负相关关系的存在.因此,春季Hadley环流信号可以用于西北太平洋热带气旋活动的气候预测.     

亚洲季风区深对流系统的区域分布和日变化特征

利用TRMM卫星12年的观测资料,分析了亚洲季风区20dBZ回波顶高大于14km的深对流系统的分布特征,结合NCEP再分析资料对深对流系统的空间分布特征成因进行了探讨,并对不同地形条件下的深对流系统进行了对比研究.结果表明,深对流系统主要发生在陆地上,夏季风爆发前,深对流系统主要分布在20°N以南;季风爆发后,深对流系统的分布向中纬度地区发展并以青藏高原南麓地区最活跃.青藏高原上的深对流系统的发生频数较中国中东部高,但水平尺度小,对流强度较弱,而中国中东部地区的深对流系统虽然发生频数较低但对流强,且闪电频数大.洋面上的深对流系统表现为最小红外亮温小（对应云顶高）,40dBZ回波最大面积比陆地上大但出现高度较低,闪电频数少.陆地上的深对流系统主要集中发生在午后至午夜,青藏高原上的深对流更加集中的发生在午后至傍晚,海洋上发生在凌晨至日出前的深对流系统较其他时段多,但日变化幅度不大,热带海洋性大陆深对流的日变化与大陆上类似.     

陆面微波比辐射率的卫星观测研究进展

复杂多变的陆地表微波比辐射率,造成陆面上星载微波观测反演大气参数较为困难,也使得许多卫星微波资料不易同化应用到数值模式,因此迫切需要提供准确可靠的陆面微波地表比辐射率信息.随着卫星观测技术的迅速发展,利用丰富的星载被动微波观测直接反演陆面微波比辐射率成为一种主要手段.国外针对星载微波成像仪和微波垂直探测器开展较为系统的陆面微波比辐射率研究,建立不同类型的地表比辐射率反演方法,开发地表比辐射率参数化方法并应用于辐射资料同化.对于卫星观测反演陆面微波比辐射率存在的问题,开展了评估分析和方法订正.国内利用卫星观测也开展了一些陆面微波比辐射率研究工作,尚需要系统、综合的提炼.对于地表特征复杂的中国地区,还需要评估认识不同陆面微波比辐射率反演方法在我国适用情况,需要增强陆面微波比辐射率数据质量的认识以及业务应用.

     

陆面微波比辐射率的卫星观测研究进展

复杂多变的陆地表微波比辐射率,造成陆面上星载微波观测反演大气参数较为困难,也使得许多卫星微波资料不易同化应用到数值模式,因此迫切需要提供准确可靠的陆面微波地表比辐射率信息.随着卫星观测技术的迅速发展,利用丰富的星载被动微波观测直接反演陆面微波比辐射率成为一种主要手段.国外针对星载微波成像仪和微波垂直探测器开展较为系统的陆面微波比辐射率研究,建立不同类型的地表比辐射率反演方法,开发地表比辐射率参数化方法并应用于辐射资料同化.对于卫星观测反演陆面微波比辐射率存在的问题,开展了评估分析和方法订正.国内利用卫星观测也开展了一些陆面微波比辐射率研究工作,尚需要系统、综合的提炼.对于地表特征复杂的中国地区,还需要评估认识不同陆面微波比辐射率反演方法在我国适用情况,需要增强陆面微波比辐射率数据质量的认识以及业务应用.     

基于地球系统模式FIO-ESM的海洋卫星资料EAKF同化实验

基于国家海洋局第一海洋研究所发展的地球系统模式(FIO-ESM),设计了集合调整Kalman滤波(EAKF)同化方案并开展了海洋卫星资料同化实验.设计的数值实验包括1组控制实验和4组同化实验.控制实验由一组初始场各不相同的模式组成,将FIO-ESM模式积分1年;同化实验则在积分过程中不断对海洋模式分量进行海洋卫星数据同化.前2组同化实验分别对卫星海面高度异常(SLA)和卫星海面温度(SST)数据进行同化,后2组实验中SLA和SST均加入同化,但两种数据同化顺序不同.为了检验同化过程对气候模式中海洋模拟的影响,将实验结果与再分析数据集EN3进行了对比分析.与海洋模式不同,耦合模式在海面的动量和热量通量是由耦合过程实时计算得出,耦合模式中多变量之间的约束关系更接近实际的物理过程.海洋卫星资料EAKF同化整体显著改善了FIO-ESM中海洋模式分量的模拟结果,尤其在1000 m以浅效果更为显著.不同类型的卫星观测数据的同化效果在深度上有所不同,SST的改善效果在表层附近较大,而SLA则对次表层改善较大,且在深层SLA的改善大于SST.联合SLA和SST同化的实验结果均比单独同化一类数据的效果更佳,但不同顺序对这2种数据进行同化的差异不显著.     

城市化对四川盆地夏季气温变化影响的观测和模拟研究

城市化引起的气温上升是土地覆盖变化影响区域气候的重要体现.本文采用"观测资料减去再分析"(Observation Minus Reanalysis,OMR)的方法估计四川盆地和周边地区下垫面城市化改变对夏季地面2 m气温变化趋势的影响.设计了不同城市化下垫面扩展变化的WRF模拟试验,对1998—2012年四川盆地及周边区域夏季逐日平均温度和日最高最低气温进行模拟.在检验模式模拟性能的基础上,利用OMR方法类似的思路定量探讨城市化下垫面对地面气温变化趋势的可能影响.结果显示,(1)基于站点观测资料的OMR分布表明成都、重庆地区的城市下垫面对夏季升温的影响可达0.1℃·a^-1;(2) WRF试验模拟的结果与实际观测接近,能较合理刻画出该地区夏季温度的平均分布及时间变化特征,可以用于该地区城市化区域气候效应的研究;(3)不同城市化进程的模式模拟试验中气温变化趋势的差值与基于站点观测的OMR方法计算得到的结果类似,都证明了重庆和成都的城市下垫面对地面2 m温度的升高具有显著影响,其中在日内低温的表现尤为突出.     

强剩磁强退磁条件下的二维井中磁测反演

强剩磁、强退磁改变了总磁化强度的大小和方向,给磁测资料解释带来困难.为此,本文利用二维井中磁测数据反演磁化强度矢量的二维分布.首先利用井中磁测的磁异常模量反演磁化强度大小的分布.然后,在已知磁化强度大小分布的前提下,拟合磁场分量,反演磁化强度方向的分布.其中,磁化强度大小和方向均用共轭梯度法求解,并通过预优矩阵改善磁化强度大小的反演效果.理论模拟说明,该方法能准确获得磁化强度矢量分布.磁化强度矢量反演结果包括感磁、剩磁及退磁的影响,这为研究强剩磁、高磁化率矿床提供了一种有效方法.