大气本底站反应性气体观测数据处理系统功能设计及实现

基于反应性气体多年观测的较为成熟的数据处理和质量控制方法,采用模块化功能结构设计,通过应用Visual Studio开发平台并结合MAP WinGIS等空间和时间显示控件,对反应性气体观测数据处理系统进行了设计和开发.系统实现了观测数据在空间和时间上的可视化显示,实际业务应用表明,具有良好的人机交互和数据处理能力,具备一定的数据统计分析功能.实现了对大气本底站反应性气体观测数据的统一管理和综合处理,已成为大气成分观测数据质量控制业务系统的一个重要组成部分.     

大气成分网络化观测结果的分析、评估和服务

2004年起，中国气象局在北京上甸子、浙江临安和黑龙江龙凤山区域本底站先后开展了包括大气气溶胶、反应性气体等在内的业务观测。2006年初中国气象局充分利用已有站网，结合国家大气成分本底台站的建设以及大气成分预报业务的发展急需，在全国14个关键区域布设了包括7个大气本底台站在内的30个大气成分观测站，形成了全国大气成分观测网（图1）。     

大气成分观测与服务中心的主要进展

在大气化学实验室以及大气本底、酸雨和沙尘暴等观测站网长期工作基础上，作为“大气成分轨道”的主要牵头实施单位，大气成分观测与服务中心积极按照中国气象局业务技术体制改革总体方案精神，按照“立足现有、统筹规划、重点突出、分步建设”基本思路，设计建设大气成分研究型业务体系，保证了各项科研、业务和服务工作的顺利开展。目前初步形成了12个研究和业务团队：气溶胶、温室气体及相关微量成分、反应性气体与大气光化学、臭氧与辐射、酸雨、边界层、数值同化、大气成分数值模拟、化学输送数值模拟、大气成分气候效应、大气成分反转数值模拟、常规预报要素分析。2005年在研和新获准的各类国家级和省部级科研项目达30多项。对原有的观测站网和大气化学实验室进行升级改造、增容及整合，重新布设了基本覆盖全国范围的30个大气成分观测站。按照国家科技基础条件平台发展规划，牵头实施“国家大气成分本底观测研究台站体系建设”。中国气象局4个大气本底站（青海瓦里关、北京上甸子、浙江临安、黑龙江龙凤山）正式进入国家级野外观测研究台站行列；完成了2个拟新建本底站（云南香格里拉、新疆阿克达拉）论证试验和可行性研究报告，初步确定了湖北金沙预选本底站站址，即将启动科学论证工作；开展“酸雨观测业务规范”人员培训，大力推进酸雨工作业务化。     

大气成分观测与服务中心的主要进展

在大气化学实验室以及大气本底、酸雨和沙尘暴等观测站网长期工作基础上,作为"大气成分轨道"的主要牵头实施单位,大气成分观测与服务中心积极按照中国气象局业务技术体制改革总体方案精神,按照"立足现有、统筹规划、重点突出、分步建设"基本思路,设计建设大气成分研究型业务体系,保证了各项科研、业务和服务工作的顺利开展.目前初步形成了12个研究和业务团队:气溶胶、温室气体及相关微量成分、反应性气体与大气光化学、臭氧与辐射、酸雨、边界层、数值同化、大气成分数值模拟、化学输送数值模拟、大气成分气候效应、大气成分反转数值模拟、常规预报要素分析.2005年在研和新获准的各类国家级和省部级科研项目达30多项.     

阿克达拉区域大气本底站反应性气体在线观测

为了促进大气成分业务观测水平的提高,对阿克达拉区域大气本底站新建设的NO_x、SO_2、CO和O_3 4种反应性气体集成观测系统的构造、功能以及质量控制方法进行了介绍,分析了在站址科学论证期间观测到的O_3和CO的浓度水平和变化特征,并与其他本底站的观测结果进行了比较,给出了新观测系统的一些初步观测结果。结果表明,阿克达拉站观测到的O_3和CO的浓度水平及其变化特征有别于中国东部几个大气本底站的观测结果,反映了该站与其他站的差异;新的观测系统自动化程度较高、易于实现质量控制,其性能指标能够满足该偏远站点观测的需求。     

近30年大气化学和大气环境研究回顾———纪念中国气象科学研究院成立50周年

概述了中国气象科学研究院 (简称气科院) 近30年来有关大气化学和大气环境研究成果。该院完成了国家自然科学基金重大项目和科技部973项目等一系列重要研究项目, 做出了许多具有重大创新性的成果:在青藏高原发现“臭氧低谷”, 这一重大发现列为当年中国10大科技成果之一; 首次把环境、生态、气候几个重要领域进行综合研究, 发现人类活动对环境造成的变化改变了生态环境状态, 最终对区域气候造成影响; 对北京市大气污染机理和调控原理进行了深入研究, 在三维立体观测基础上, 提出了点-面结合与统计-动力综合分析, 地面观测-卫星遥感分析方法及模式新技术等, 获取了解决大气环境领域关键技术难点的创新成果; 建立了全球第一个大陆大气本底基准观象台即瓦里关本底台, 开创了我国全球大气本底业务观测等。几十年来气科院大气化学研究工作几乎涵盖了当前大气化学所有重要领域及其前沿学科, 其中包括温室气体、臭氧和反应性气体、气溶胶、酸雨、模式的发展及应用、空气质量预报技术和环境评价等。气科院大气化学研究工作是和中国气象局大气成分监测站网建设密不可分的, 广大科研人员参加了诸如大气本底站网、酸雨站网、臭氧站网、沙尘暴站网等业务站网的建设, 与此同时也构建了大气化学科研平台。     

瓦里关大气本底观象台CO2、CH4观测过程的质量控制

以中国大气本底基准观象台的温室气体(CO2、CH4)观测仪器为例,从仪器运行的稳定性和各级标准气体标定两个方面介绍了温室气体观测数据的质量控制方法.结果表明,瓦里关大气本底台的CO2、CH4观测仪器运行稳定,观测数据具有很高的精确度和可信度.经过严格质量控制的温室气体实时测量数据报送到世界气象组织下属的温室气体数据中心,成为各国科学家分析欧亚大陆温室气体本底浓度的主要依据.     

我国温室气体本底浓度网络化观测的初步结果

CO₂和CH₄是《京都议定书》限排的主要温室气体。自1990年以来的长期观测表明, 我国青海瓦里关全球本底站大气CO₂和CH₄浓度与北半球中纬度地区其他一些本底站的同期观测结果具有可比性, 观测数据已成为WMO全球温室气体公报及国内外有关评估报告的重要参考依据; 我国4个区域本底站过去一年来的采样分析结果显示:北京上甸子、浙江临安、黑龙江龙凤山、湖北金沙大气CO₂和CH₄浓度明显高于同期瓦里关站的观测值, 表明4个区域站大气CO₂和CH₄受自然及人为活动的影响较大。迄今为止, 国内相关部门通过多种方式开展了温室气体浓度长期观测或短期科研, 各具优势和特点, 但力量相对分散、观测站稀少、侧重点和目标各异。为了全面掌握我国温室气体本底浓度时空变化, 了解不同区域大气受自然和人为活动影响的程度, 亟需相关部门分工协作、优势互补、资源共享, 尽快推进我国温室气体及相关微量成分的网络化观测分析和源汇反演模式系统建设, 进而测算、验证不同区域温室气体排放源和吸收汇的动态变化, 分析、评估各区域之间的输送和影响, 为我国应对气候变化的内政、外交提供决策支持。     

临安区域大气本底站温室气体研究进展

为研究我国长江三角洲区域温室气体本底浓度变化的时空分布特征,自2006年以来,临安区域大气本底站开展了温室气体瓶采样的观测实验。2008年开始,陆续开展温室气体在线观测项目。观测结果将探明我国长江三角洲区域温室气体浓度时空分布、变化趋势、源汇特征。     

瓦里关温室气体本底研究的主要进展

由于温室气体浓度显著增长及其在气候与环境变化中的作用,国际上众多的科学计划和观测体系都把它们的时空分布、源汇及趋势列为重要内容,获得的各种资料在评价人类活动对气候和环境的影响及有关对策研究中起着关键作用。文章阐述了在中国内陆本底地区开展温室气体长期、定点观测的意义和必要性,系统地讨论了10多年来中国瓦里关本底站温室气体本底研究的主要进展。利用瓦里关经严格国际比对和质量控制的大气CO2、CH4长期观测资料,结合同期的地面风资料进行统计分析,建立了瓦里关大气CO2和CH4本底资料筛选方法;利用本底观测资料,研究了瓦里关大气CO2及其δ13C、CH4和CO本底变化及源汇特征所体现的亚洲内陆地域特点和全球代表性,并进一步与同期、同纬度海洋边界层参比值(MBL)以及北半球其他6个大气本底站同期观测数据对比分析,发现了瓦里关大气CH4和CO独特的季节变化并探讨了成因;根据空气团后向轨迹簇所途经的下垫面源汇同观测的大气CO2和CH4浓度变化之间的关系,探讨了瓦里关大气CO2和CH4的输送来源;利用Hysplit-4扩散与输送模式,计算了冬、夏典型月份人为源和自然生态系统源汇对瓦里关大气CO2浓度变化的贡献。并在现有基础上,提出了有待进一步解决的科学问题。     

综合气象观测运行监控业务及系统升级设计

通过对综合气象观测运行监控业务及运行监控系统现状的分析,提出了运行监控业务的发展设想,并对运行监控系统升级做了科学的设计。结果指出,运行监控业务将成为装备保障工作的核心中枢,具有监控、指挥、调度、管理功能,应形成设备监控、维修保障、装备供应与评估业务关联互动的业务体系。运行监控系统需突破目前依赖观测资料质量检查为主要手段的技术,建立以设备自身状态信息为主,故障维修业务填报信息和观测资料检查等多元信息相互校验的技术,实现监控、维修保障、装备供应的信息联动。     

自动气象站数据实时质量控制业务软件设计与实现

介绍了一种面向天气监测预报实时业务的自动气象站数据质量控制软件。该软件综合应用数据质量控制、网络消息即时通信等技术,将数据质量控制纳入气象信息业务流程,建立了省、市、县三级气象台站联动的自动站数据实时质量控制业务流程,实现了对江西省89个国家自动气象站和1531个区域自动气象站观测数据的实时质量控制,有效降低了自动站疑误数据对天气监测预报业务服务可能造成的不利影响。     

云南省L波段探空系统运行监控平台的开发与应用

基于云南省L波段探空系统提供的监控信息与探空资料,通过云南省气象局宽带信息网络,建立了云南省L波段探空系统运行监控平台,该平台由FTP下载系统、数据录入系统和运行监控系统3部分组成。对平台的结构和主要技术方法进行了详细介绍,并着重对L波段探空系统的数据质量进行了研究,提出相应的数据质量控制方法。近一年的业务运行情况表明,该平台实现了对云南省高空探测系统的探空雷达和探空数据的监控,对于加强观测业务管理、保证观测资料质量、改进观测技术及提高观测资料应用效果发挥了积极的作用,但数据质量控制还需要在资料积累过程中对阈值范围和方法进行改进。     

雷电资料分析处理系统的设计与应用

为了充分发挥雷电资料的作用,解决资料的质量问题,建立雷电综合数据库及其资料分析处理加工平台。基于JavaScript的WebGIS框架和CIMISS数据库,设计开发了具有数据处理和质量控制、分析和应用功能的雷电资料分析处理系统,建立了以闪电、大气电场、雷暴日和雷击灾害数据为主要内容的雷电信息数据库。该系统能够实时监测卫星、雷达、闪电、大气电场等多种探测信息,开展雷电数据的质量控制,回演、动态播放历史信息,具有信息查询统计、分析绘制曲线、制作雷电报告等多项功能,为防雷业务、科研和服务工作提供方便、高效的应用工具和技术平台。以2015年6月1—2日湖北监利县的一次强雷电天气过程为例,通过对这次雷电过程的应用实践表明:雷电资料分析处理系统闪电监测准确,图表绘制快速,统计分析结果适用,能够满足防雷业务及科研工作的需要,为高效开展雷电灾害防御和服务提供了高效的基础性平台。     

基于BP神经网络与遗传算法反演大气温湿廓线

为提高地基微波辐射计大气探测精度,融合BP神经网络与遗传算法,研究0~10 km大气温湿度廓线。首先,结合数据特征,基于数值模拟技术,建立一套TP/WVP-3000型号地基微波辐射计的一级数据质量控制和订正模型。然后,为减小训练样本代表性误差对模型反演精度的影响,利用遗传算法优化训练样本数据,建立一套精度更高的神经网络大气温湿度反演模型。最后,利用构建的反演模型,开展大气温湿度反演试验,结合探空资料和微波辐射计二级产品,评价反演模型精度。研究结果表明:(1)经过质量控制后的实测数据与模拟数据之间的相关性有显著提升;(2)经过质量控制与订正后建立的神经网络模型对比原微波辐射计二级产品的反演精度有一定提升,温度提升6.77%,湿度提升20.11%;(3)经过遗传算法优化后的训练样本所建立的神经网络反演模型对比原微波辐射计二级产品反演精度有进一步的提升,温度提升10.21%,湿度提升23.75%,反演结果与该地区同类型研究结果相比有着较大提升。      

Modeling the concentration of pollutants using the WRF-ARW atmospheric model and CHIMERE chemistry transport model

Described is a system for analyzing and forecasting the air quality in the central regions of Russia, During the operation of the system, the detailed meteorological information provided by the WRF-ARW model is used by the CHIMERE chemistry transport model for simulating the processes of transport, chemical transformation, and deposition of atmospheric minor constituents. Considered is the quality of retrieved and forecasted (with the lead time up to three days) concentrations of O₃, NO₂, NO, CO, and PM₁₀. The presented verification scores of pollutant concentrations demonstrate a relative success of the system. Demonstrated is a need in improving the data on the emissions of the air pollutants used for simulations. A procedure for the statistical correction of computed concentrations is described and verification scores of its results are given.     

我国三维云融合分析业务系统(3DCloudA-V1.0)研制与开发

云是地球系统的重要组成部分,能够通过影响大气辐射传输,进而影响地气系统的辐射平衡.目前对于三维云场观测得到的信息均具有一定的局限性,需要通过融合分析,综合多源观测资料的优势,得到更为准确的三维云场信息.三维云融合分析业务系统(3DCloudA-V1.0)基于逐步订正方法,融合数值预报产品、静止气象卫星、雷达等多源数据,...     

基于径向功率谱的风廓线雷达错误风数据处理

选取上海市世博园区站、金山站和嘉定F1赛车场站3个风廓线雷达站2012年3月7日凌晨一次降水过程生成的错误水平风场数据,通过对比该时段高、低模式扫描实时径向功率谱数据,指出在降水初期风廓线雷达软件质量控制出现错误的原因,并重新识别错误时段的功率谱,反演水平风场数据。分析表明:在降水初期由于风廓线雷达各波束探测的数据在空间上不一致,易导致雷达软件采用的质量控制算法并不能全部识别和消除降水对数据的干扰,从而出现偏差。基于风廓线雷达高时空分辨率径向功率谱数据的分析处理方法可有效验证雷达软件质量控制算法,且经过该方法反演后的水平风场更为合理。     

MODIS巢湖水体叶绿素a浓度反演模型

对大面积水体进行水质遥感监测是比较典型的水体环境监测手段。该文利用地物光谱仪测定了巢湖水面的光谱反射率, 收集了相应时间的MODIS数据, 经过预处理之后, 首先分析了巢湖水面光谱特征, 并对实测水体反射率与实测叶绿素a之间的关系进行统计拟合计算。在经过MODIS大气校正后, 得到1~7通道的地表反射率。利用大气校正后的EOS/MODIS数据, 选择最佳通道组合, 定义了叶绿素a指数I_Chla, 建立了MODIS巢湖叶绿素a浓度的反演模型, 检验得到相关系数为0.5079。     

气象卫星风矢量BUFR编码

为了与国际接轨且满足气象卫星风矢量产品国际交流需求的不断增长,开发了WMO新模板的风矢量产品BUFR编码软件。编码过程中通过附加字段提供了质量控制信息,描述符由早期风矢量产品BUFR编码的18个激增至254个,BUFR报文提供的信息更加丰富。编码结果表明非压缩编码BUFR报文的长度是压缩编码BUFR报文的9倍;为了便于GTS传输,宜采用压缩格式BUFR编码。压缩格式的BUFR编码有较高的数据压缩率（约53%）,非常利于数据传输。