闪电产生氮氧化物(LNOX)区域特征计算(Ⅱ): LNOX计算结果分析

利用东北、北京和广东三地的闪电定位资料，计算分析了6种不同类型雷暴中闪电产生的氮氧化物总体、季节、空间分布和雷暴的不同发展阶段等特征。结果表明：虽然中高纬地区雷暴频数较低，年总产氮(N)量低于低纬地区，但单个雷暴平均产N量并不比低纬低。三地雷暴产N量的月份分布不相同，东北和北京地区的峰值月份出现在季节交换期的6月和9月，广东地区出现在对流相对旺盛的7月。低纬区的系统雷暴产N量主要发生在成熟阶段，而发展和消散阶段产N量很低，中高纬尽管成熟阶段产N量最高，但发展和消散阶段也有一定的比例。中高纬的局地雷暴产N量主要发生在发展和消散阶段，成熟阶段很低，而广东地区，三个阶段相差不大。进一步讨论了几种雷暴闪电参数与雷暴产生N量的相关性，得到系统雷暴正负闪电总数和雷暴产生N量的回归预报方程并讨论了误差。最后与文献[1]的方法和Price的方法进行了比较。     

闪电产生氮氧化物(LNOX)区域特征计算(Ⅰ): 理论和计算方法

介绍了目前关于闪电产生氮氧化物(NOX)的研究概况, 包括产生机理、特征、输运过程以及在全球气候变化中的作用.重点叙述了发生在区域性雷暴中闪电产生氮氧化物的机制、传输以及计算方法和可能误差, 并对闪电产生氮氧化物区域特征计算方法和参数的选取作了简要介绍.     

闪电产生氮氧化物(LNOx)全球特征计算

利用(美国)国家航空和宇宙航行局(NASA)通过卫星上的光学瞬态探测器(OTD)观测到的闪电资料,从计算闪电能量入手,对闪电产生氮氧化物量(NOx)的时空分布进行了计算分析。结果表明,全球LNOx大部分集中在南北半球低纬地区,约占65％,南北基本对称,但中高纬地区南北不对称,北半球产N量远大于南半球,呈现很大的不对称性。全球有6大雷暴群,其中非洲中南部的雷暴群产N量比例最大,占全球总量的近四分之一;其次是北美和南美。中国LNOx量较大的区域主要集中在长江以南的地区,年平均LNOx量占全球的7．8％,青藏高原占中国地区的9．1％～12．2％,5年平均为10．2％。全球各季节的平均产N量分别为42．5kt(春)、67kt(夏)、51．4kt(秋)、37．4kt(冬),全年全球平均闪电产N量估计为200kt。     

闪电产生氮氧化物（LNOX）区域特征计算（I）：理论和计算方法

介绍了目前关于闪电产生氮氧化物（MOX）的研究概况，包括产生机理、特征、输运过程以及在全球气候变化中的作用。重点叙述了发生在区域性雷暴中闪电产生氮氧化物的机制、传输以及计算方法和可能误差，并对闪电产生氮氧化物区域特征计算方法和参数的选取作了简要介绍。     

全球环境大气输送模式(GEATM)的建立及其验证

初步建立了以二氧化硫、硫酸盐、黑碳、沙尘气溶胶等作为主要研究对象的全球环境大气输送模式(Global Environmental Atmospheric Transport Model,GEATM),其水平分辨率为1°×1°,垂直方向分为20层,采用地形追随坐标系,考虑了上述大气化学成分的地面源排放、平流与扩散、化学转化以及干沉降、湿清除等过程.利用NCEP/NCAR再分析资料作为驱动气象场,对2004年进行长期模拟,分析了二氧化硫、硫酸盐、黑碳、沙尘气溶胶的浓度分布和输送态势.与观测的比较表明,模式对于大气化学成分分布状况具有较强的模拟能力,在欧洲的Jarczew和Leba观测站,二氧化硫日平均浓度的相关系数分别达到了0.69和0.66;在中国,有47个站点的二氧化硫日平均浓度相关系数高于0.50,其中北京、天津、上海等28个站点的浓度相关系数达到了0.60以上.同时,模拟的沙尘气溶胶总体柱浓度分布状况与卫星观测输出的气溶胶光学厚度具有很好的一致性,体现了气溶胶粒子的输送态势和分布特征.模拟结果显示二氧化硫、硫酸盐、黑碳的浓度高值区主要位于污染排放较大的欧洲、东亚和北美地区,二氧化硫地面最大年均浓度值为1500×10-12,硫酸盐为500×10-12,黑碳气溶胶为1000ng/m3.沙尘浓度与下垫面土壤类型以及地面气象条件关系密切,全球沙尘浓度主要分布在撒哈拉沙漠、阿拉伯半岛、中亚地区、澳大利亚西部以及拉丁美洲南部地区,并且呈现了较为显著的季节变化特征,撒哈拉沙漠输送最强时期是在6～8月,影响范围覆盖了整个赤道大西洋,最西端伸展到了北美的加勒比海地区;阿拉伯半岛沙尘输送最强时期是3～8月,影响范围包括阿拉伯海和孟加拉湾地区;亚洲在3～5月有非常强烈的沙尘东传过程,浓度输送带一直贯穿了整个北太平洋地区.     

中国区域闪电特征分析及闪电产生NOx量的估算

利用中国2008-2010年的闪电定位数据,分析了闪电次数的空间分布和时间变化,结合Price理论,估算了闪电产生的氮氧化物（LNOx）量,初步分析了LNOx的时空分布特征。结果表明：闪电的高发期为7、8月,广州、武汉为闪电高发区;LNOx主要分布在（105～125°E,25～40°N）地区,其中武汉、广州、成都、重庆、长沙、南京和南昌地区量值较大;7月和8月LNOx的产量明显高于其他几个月,8月产量最高;此外,LNOx的分布具有明显的季节特征,春夏秋冬四季产量分别占总产量的4．8％、89．4％、5．3％以及0．5％,春季的LNOx主要出现在广州地区,夏季LNOx高值区分布北移,分布范围较广;秋季分布范围减小,最大值出现在广州地区,冬季产量明显变小,最大值出现在武汉的西南方向。     

东亚地区春季二氧化硫的输送与转化过程研究Ⅰ．模式及其验证

结合新近评估的东亚地区污染源资料，作者利用一个耦合的区域化学输送模式系统以探讨东亚地区春季期间气象过程、气相与液相化学过程、非均相化学过程、气溶胶过程和干湿沉降过程对二氧化硫输送及转化过程的影响，并研究二氧化硫和硫酸盐气溶胶的空间分布及变化特征。模拟的二氧化硫和硫酸盐气溶胶的浓度值与2001年春季飞机和地面获取的观测值进行了比较。比较结果显示，模拟值与观测值具有很好的一致性，模式系统很好地反映了二氧化硫和硫酸盐气溶胶的分布特征和变化规律，再现了许多观测到的重要特征，为进一步分析模拟结果奠定了基础。     

东亚地区春季二氧化硫的输送与转化过程研究I.模式及其验证

结合新近评估的东亚地区污染源资料,作者利用一个耦合的区域化学输送模式系统以探讨东亚地区春季期间气象过程、气相与液相化学过程、非均相化学过程、气溶胶过程和干湿沉降过程对二氧化硫输送及转化过程的影响,并研究二氧化硫和硫酸盐气溶胶的空间分布及变化特征.模拟的二氧化硫和硫酸盐气溶胶的浓度值与2001年春季飞机和地面获取的观测值进行了比较.比较结果显示,模拟值与观测值具有很好的一致性,模式系统很好地反映了二氧化硫和硫酸盐气溶胶的分布特征和变化规律,再现了许多观测到的重要特征,为进一步分析模拟结果奠定了基础.     

高分辨区域输送模式中不同输送格式的对比试验

本文对两种输送格式在理论试验的基础上，引入19层高分辨区域输送模式EM3，由中尺度模式（MM4)提供实例输送风场，积分至13、18、30、50、70小时，作分析和对比数值试验。采用的两种格式是:二阶动量矩守恒的Prather格式（以下简称为SOM)及通量订正的Smolar格式。数值试验结果表明，高精度的SOM格式使数值扩散减小一个量级， 使输送物质（SO#-[2])中心浓度比Smolar格式增大3～4倍， 采用SOM格式还明显改进了浓度中心水平平均运动轨迹的模拟精度，选择高精度的平流格式是改进模拟结果的重要途径。     

东亚地区闪电产生Nox的时空分布特征

利用NASA提供的2.5°×2.5°卫星闪电格点资料(1995-2002年), 并根据纬度区分云闪和地闪后, 对东亚地区(75°～155°E, 0°～55°N)闪电产生NOX的时空分布进行分析, 结果表明 闪电产生的NOX在东亚地区的年总产量平均值为2.30 Tg, 自南向北存在7个极值中心, 它们分别集中于南部、中部和北部极值群内, 三个极值群的最大值分别为16.4, 12.7和5.46 Bg/grid/yr.与该地区NOX的非闪电排放源相比较, 闪电产生NOX的分布范围大, 年产量约为非闪电源年排放总量的23.闪电产生NOX的量在夏季最大, 其区域性特征很明显.地球表面特性的差异造成了闪电产生的NOX在经度分布上存在较大的不平衡性.在气候冷暖交替月份的中低纬度地区闪电产生NOX的增加对强雷暴活动年闪电产生NOX的贡献最为明显.     

基于数字地形模型的山区太阳辐射的时空分布模拟

在数字地形模型(DTM)的基础上,利用地理信息系统软件ArcGIS确定阴影、提供的地图代数语言功能,模拟了甘肃定西安家沟小流域任意时段内天文辐射的空间分布。该模型借助于ArcGIS的地形分析功能,解决了常规方法不能解决的地形遮蔽对天文辐射的影响。该模型是一个物理模型,对天文辐射能的时空分布可做出较精确描述,提供在常规条件下的重要参数。时空分布分析表明:地形对天文辐射的影响很大,尤其是坡向的影响;天文辐射随着季节变化很大,从3月底开始直到6月上旬一直处于上升阶段,然后下降;地形对天文辐射的影响程度随着季节不同有所不同,但是没有表现出明显的规律。     

环境场对西北太平洋热带气旋快速增强过程的影响

利用美国联合台风预警中心整编的西北太平洋1970—2012年热带气旋(TC)最佳路径数据集及ERA-Interim再分析资料,利用极端天气法确定TC快速增强(RI)的阈值为30 kn,分析了快速增强(RI)TC的时空分布特征;从RI的样本中选取9个个例,采用动态合成分析法,对TCRI过程的环境场进行比分析。研究表明:(1)菲律宾群岛以东(10~15°N,130°E)海域为RI发生频数最多的区域,南海地区发生RI的情况明显偏少。(2)RI在1972年发生的概率最大,而在2005年发生的概率最小,1997年后,RI发生的概率波动性较大。(3)西风与西南风水汽输送结合150h Pa附近的反气旋强辐散作用,有利于TCRI过程的进行。(4)RI发生前24 h至RI发生后的6 h,TC中心附近区域平均东风切变较快增大,其值由0.5 m·s~(-1)增加到2.5 m·s~(-1)左右,之后保持在2.0~3.0 m·s~(-1),使TC处于一个有利于其RI过程的纬向风切变环境。     

珠峰绒布河谷大气边界层结构的数值模拟

利用中尺度气象模式RAMS对2006年6月12～16日珠峰绒布河谷地区大气边界层结构进行了模拟,并将模拟的风温时空分布与风廓线仪LAP3000的观测资料进行了对比分析.结果表明,绒布河谷地区的局地环流具有明显的日变化(午后至夜间盛行山风,可持续12h,且风速较大;在山风盛行期间,山风的影响高度可达400～700m左右),其中下垫面不均匀性导致的温度差异是引起局地环流的主要因素;RAMS模式较好地反映了绒布河谷地区局地环流的时空变化特征.     

河南省沙尘暴时空分布特征及影响因子分析

对河南省沙尘暴时空分布特征及影响因子分析发现：河南省沙尘暴在东部平原地区发生频率高于西部山区，在驻马店以北，年沙尘暴日数为1的等值线基本上与地势海拔100m地形等高线相吻合；沙尘暴的多发地区，沙尘暴日数年际变化在多数年份较为剧烈；河南省沙尘暴沙源并非全部来自省外，省内下垫面沙尘对沙尘暴的发生起了一定的促进作用；沙尘暴的发生与降水量关系极不明确，但在部分年份与月最长无降水日数和日照时数之间存在着一定的对应关系。     

基于葵花-8卫星的白天冰云识别初探

利用气象卫星风云四号A星和葵花8号观测资料,根据川渝地区独特的地形、地势将其分为东部低海拔地区和西部高海拔地区,建立高分辨率的网格化无云背景场,作为无云与有云辐射差异对比,使用阈值法进行晴空、水云、冰云、低层云雾、霾和积雪的检测,进而提高云识别信度,统计分析2016—2021年川渝地区云覆盖时、空分布特征。研究表明：川渝地区云的区域分布特征明显,东、西部存在明显差异,总体呈东多西少,云覆盖频率常年存在高值中心,云覆盖面积有明显月变化。东部低海拔地区云覆盖频率常年在70%—80%,而西部高海拔地区云覆盖频率在50%—65%。云覆盖频率的高、低值过渡区对应青藏高原与四川盆地之间的陡峭地形区,这与地形地势、水汽条件和大气环流特征有关。各月的云覆盖面积在东部低海拔地区相对稳定（占比在60%—80%）,而西部高海拔地区差异较大。其中东部的冰云和西部的总云面积具有显著月变化（单峰）特征,峰值出现在7月,分别为37%和76%。6 a中各类型云覆盖面积占比年际波动较小,东部的云覆盖面积占比常年超过70%,其中水云占比最大（35%—40%）,冰云次之（20%左右）,低层云雾最小（约13%）;西部的云覆盖面积占比常年约60%（水云24%—26%,冰云22%—25%,低层云雾约10%）。

     

消除系统性观测误差的时空梯度信息同化方法研究

随着气象观测手段的进步,各种气象观测资料在数值预报模式中的应用不断发展.然而由于观测资料存在观测误差,尤其一些非常规资料存在系统性偏差,且难以对此类误差进行充分订正,使得观测资料在数值预报模式同化应用过程中的作用没有被充分发挥.文中提出一种消去此类误差的时间及空间梯度信息变分同化方法,其特点在于不需要知道系统性偏差的具体估计,而是用一个梯度信息算子对原变量进行变换从而隐性回避此类误差.通过浅水波模式四维变分同化理想试验结果表明,此同化方法完全消除平整性系统性偏差对同化结果的影响,本身数值较小的模式变量更能够获得好的同化效果,大数值变量则可通过估算来确定适用范围.由于最优解不唯一性质的存在,同化效果更多的吸收观测场的整体时空梯度分布趋势而非观测量值本身,这对具有较低可信度的观测资料是适用的.     

中国区域多源土壤湿度数据的比较研究

利用中国区域1992~2010年的土壤湿度观测资料,对欧洲航天局(European Space Agency)的卫星遥感反演(以下简称ESA)和欧洲中期天气预报中心(European Centre of Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)的ERA-Interim(ECMWF Reanalysis-Interim,以下简称ERA)两套再分析土壤湿度数据在典型区域的可靠性进行了评估。结果表明:两种土壤湿度均能较好的描述观测区域的总体土壤干湿变化,但均值和趋势一致性存在时间和空间差异。ESA、ERA资料都能较好的描述中国区域春、夏、秋3个季节土壤湿度的干、湿分布格局。在干湿程度上,ESA在北方地区较观测偏干,在江淮和西南较观测偏湿;ERA在北方和西南地区较观测偏湿,在江淮较观测偏干;在江淮、华北部分区域,ERA与观测数据的相关性要高于ESA。ESA、ERA与观测在秋季时相关性最好(大部分站点大于0.7);在全国大部分区域,ESA偏差要小于ERA且在大部分地区都表现出与观测一致的变化趋势。在空间上,ERA在东北、华北、西南变干的范围明显大于观测;然而,ERA能更好的体现观测土壤湿度的年际变化。相对于西部地区,东部地区ERA与观测的一致性最好,而ESA在受降水、植被、地形等因素影响较小的时段或区域与观测的一致性更好,对秋季土壤湿度的描述比春、夏季更准确。     

全球(Z)双三次数值模式的设计与个例模拟(I): 模式动力框架设计

引入双三次数值模式:双三次数值模式是通过作三次样条与双三次曲面拟合,实现各个大气要素量场的二阶可导,从而可对各个预报方程作时间积分。双三次数值模式适合采用大气运动原始方程组和采用水平方向准拉格朗日/垂直方向欧拉时间积分方案。且本文的全球(Z)双三次数值模式与个例模拟实际采用Navier-Stokes"浅薄大气"原始方程组,建立球面Z坐标系上的非静力、全可压、干/湿绝热大气运动动力框架。其离散化气压、气温预报方程与个例模拟揭示出大气运动中凝结降水,其天气学原因不仅是湿空气作Z坐标垂直上升运动,而且是湿空气被"减压/减温",即湿空气作P坐标"垂直上升运动",后者可由大气平流运动(如Rossby波)引起。     

利用卫星遥感和地面实测积雪资料分析近年新疆积雪特征

利用2003—2005年卫星SSM/I的每日雪深资料,1996—2004年冬、春的NOAA/AVHRR积雪旬覆盖面积资料,以及1996—2002年新疆北部11个地面台站的积雪观测资料,研究了近年新疆积雪的时空分布特征。结果表明:新疆积雪年际变化大,近年最大积雪日数和面积出现在2000—2001年。积雪主要集中在天山山脉以北地区,该区大部分地区每年冬、春积雪覆盖旬数超过了15旬,在西南昆仑山脉地区也有小范围的高值区,部分年份的冬、春积雪覆盖旬数超过了15旬。另外,山区积雪覆盖旬数明显高于盆地,准葛尔盆地积雪覆盖旬数明显多于塔里木盆地。积雪年际变化较显著的地区在中部天山山脉地区、西南部昆仑山脉地区和西部阿尔金山脉地区,均超过了6旬。积雪深度在每年的2月达到最高。高值出现在阿勒泰地区、塔城、天山北麓、准噶尔盆地南缘和南疆西部的托什干河流域一带,达到近40 cm。     

安庆市近十年短时强降水特征及天气学模型

利用2005-2017年安庆市8个国家气象观测站逐时降水量资料以及高空探测资料,分析安庆市短时强降水的时空分布特征,并建立安庆市短时强降水天气学模型。结果表明: 短时强降水空间分布城郊差异明显,以城区次数为最多,其次是山区。短时强降水过程的年发生总站次没有明显的线性变化趋势,但有较大差异;月发生站次以7月为最多,其次是6月和8月;日分布具有明显的单峰型特征,午后到傍晚为高发时段。短时强降水强度以20～30mm/h为主,超过50mm/h的较少,但总体上出现次数呈增加趋势,并且强度也有所增强。短时强降水天气模型主要分为冷锋型、短波槽型、台风低压型、副高控制型,以短波槽型占比为最多,每个类型短时强降水的触发机制均不相同,但大部分均存在高低空急流或者超低空急流;本地具有湿层深厚和大气层结不稳定特征。