一个区域气候模式对南极2m气温的模拟及其评估

利用ERA40、NCEP 20世纪再分析资料和中国南极中山站到Dome-A断面考察资料,对德国极地与海洋研究所区域气候模式-HIRHAM模拟的南极2 m气温进行了评估,结果发现:(1)模拟的多年平均场空间特征与ERA40和NCEP 20世纪再分析较为接近.(2)模拟存在冷偏差,整个南极地区与EAR40偏冷1.8℃,与NCEP 20世纪再分析偏冷5.1℃.(3)与EAR40偏差存在季节差异,夏季偏冷3.4℃,秋季偏暖0.004℃.进一步分析发现,HIRHAM模式模拟的近地层大气湍流状况与实际状况不同是2 m气温模拟偏差产生的原因:(1)南极夏季近地层观测样本中逆温和非逆温并存,原因是感热通量正负并存,但HIRHAM模式模拟基本全为逆温状况和负感热通量.(2)南极秋、冬季观测基本全为逆温,HIRHAM与之较为吻合,这部分解释了秋、冬季节模式模拟偏差不大的原因.     

Assessment of air temperatures from different meteorological reanalyses for the East Antarctic region between Zhonshan and Dome A

The accuracy of daily mean 2 meter air temperatures from five reanalyses are assessed against in-situ observations from Automatic Weather Stations in East Antarctica for 2005 to 2008.The five reanalyses all explain more than 70%of the average variance,and have annual root mean square errors(RMSE)between 3.4 and 6.9°C.The NOAA reanalyses,NCEP-1,NCEP-2and 20CRv2,have cool biases of 2.5,1.4 and 1.5°C,respectively.The ERA Interim and JCDAS reanalyses have warm biases of 1.7 and 2.0°C.All reanalyses generally perform better in the austral spring and worse in winter and autumn.They also show the best performance at an inland plateau site at 2800 m elevation,but are worst at Dome A,the summit of the East Antarctic ice sheet.In general,ERA Interim is superior to the other reanalyses,probably because of its 4D assimilation scheme.The three NOAA reanalyses perform worst;Their assimilation scheme is more constrained by limited observations and 20CRv2has less input data,assimilating only surface pressure observations.Despite deficiencies and limitations,the reanalyses are still powerful tools for climate studies in the Antarctic region.However,more in-situ observations are required,especially from the vast interior of Antarctica.     

Assessment of air temperatures from different meteorological reanalyses for the East Antarctic region between Zhongshan and Dome A

The accuracy of daily mean 2 meter air temperatures from five reanalyses are assessed against in-situ observations from Automatic Weather Stations in East Antarctica for 2005 to 2008.The five reanalyses all explain more than 70%of the average variance,and have annual root mean square errors(RMSE)between 3.4 and 6.9°C.The NOAA reanalyses,NCEP-1,NCEP-2and 20CRv2,have cool biases of 2.5,1.4 and 1.5°C,respectively.The ERA Interim and JCDAS reanalyses have warm biases of 1.7 and 2.0°C.All reanalyses generally perform better in the austral spring and worse in winter and autumn.They also show the best performance at an inland plateau site at 2800 m elevation,but are worst at Dome A,the summit of the East Antarctic ice sheet.In general,ERA Interim is superior to the other reanalyses,probably because of its 4D assimilation scheme.The three NOAA reanalyses perform worst;Their assimilation scheme is more constrained by limited observations and 20CRv2has less input data,assimilating only surface pressure observations.Despite deficiencies and limitations,the reanalyses are still powerful tools for climate studies in the Antarctic region.However,more in-situ observations are required,especially from the vast interior of Antarctica.     

COSMIC数据验证AMSU平流层低层观测的初步分析结果

基于Global Positioning System (GPS)掩星数据在平流层具有较高准确性、稳定性的优势,本文尝试用新一代GPS掩星观测——the Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate (COSMIC)资料验证不同卫星平台上先进的微波探测仪（AMSU）的平流层观测结果.通过COSMIC大气温度廓线与AMSU辐射传输模式结合,得到模拟亮温,然后与AMSU平流层观测进行匹配比较.分析表明GPS掩星数据能够作为一个相对独立的参量检验NOAA15、16、18卫星平台内部的偏差.通过一年数据的比较验证,初步显示不同卫星平台的AMSU观测亮温在平流层低层都偏低,并且NOAA18平台的亮温偏低程度明显大于NOAA15、16.AMSU亮温偏差在极地冬季较为显著,尤其南极地区NOAA18的偏差幅度达到1.8 K.结合24小时内AMSU观测亮温偏差变化及其样本分布特征,可以看到明显的太阳辐射差异可能是导致AMSU观测亮温在极地偏差显著的主要原因.     

AIRS卫星温度和臭氧廓线在南极的验证分析

利用2008年中山站、Amundesen-Scott(SouthPole)站和Neumayer站为期一年的温度和臭氧探空数据,对AIRS第六版温度和臭氧垂直廓线产品在南极的精度进行了验证.结果表明,AIRS温度与探空温度总体上具有显著的一致性,其中对流层偏差最小(RMSe<2℃),近地面温度由于受到下垫面影响偏差略大(RMSe～2℃),平流层偏差较大(2℃相似文献   

东亚夏季风年代际变化的若干重要特征及两份大气再分析资料的异同

本文利用ERA和NCEP/NCAR再分析资料,以及部分观测资料,研究了东亚夏季风年代际变化的若干重要特征. 结果表明,东亚夏季风在20世纪70年代末减弱这一现象是普遍存在的,主要表现为江淮地区表面温度降低,海平面气压升高,出现偏北风异常. 研究发现,这次年代际变化还体现在与东亚季风环流密切相关的重要环流因子,如西太平洋副热带高压、欧亚西风、澳大利亚高压、南极涛动等,它们在20世纪70年代末以后都进入高指数时期. 此外,文章还揭示：ERA和NCEP/NCAR再分析资料在东亚夏季风年代际变化上基本吻合,但也有很多差别.     

基于GNSS的再分析资料对流层延迟精度评估

对流层延迟对导航定位精度有着重要的影响,而再分析资料提供的高精度气象参数计算的对流层延迟可应用于定位过程中以提升定位精度.本文针对三种再分析资料计算的对流层延迟进行精度评估,并将其应用在精密单点定位中,分析其对定位精度的影响.首先,利用2020年全球范围内125个IGS(International GNSS Service)站的对流层天顶总延迟(Zenith Total Delay, ZTD)作为真值对三种再分析资料(ERA5、MERRA2、CRA40)计算的ZTD进行了精度评估,并分析其时空分布特性.研究结果表明：ERA5-ZTD的均方根误差(RMS)最小(12.1 mm),其次为CRA40-ZTD(15.8 mm)和MERRA2-ZTD(16.9 mm),整体上ERA5-ZTD的精度最高;据所选的IGS站点的比较结果发现赤道平均偏差(BIAS)呈现负值,在中高纬度地区CRA40的精度优于MERRA2,在低纬度地区则相反,而ERA5在各纬度平均精度均为最优;当考虑季节因素时,三者计算的ZTD-RMS在夏秋季较大,其中ERA5的RMS季节变化最稳定.之后还利用180个探空站点对三者计算...     

南极DomeA地区109．91m冰芯气泡封闭深度及稳定同位素记录的初步结果

2004／2005年中国第21次南极考察队在南极冰盖最高区域——DomeA（或称Dome Argus）地区,钻取了一支109．91m的冰芯．冰芯CH4浓度测试结果以及粒雪化模型模拟结果一致表明,该冰芯在约102．0m处气泡被完全封闭,并根据粒雪化模型计算气泡被完全封闭处冰的年龄约为4．2ka。根据冰芯碎屑样品的氢（JD）、氧（δ^18O）稳定同位素分析资料,结合东南极冰盖其他内陆冰芯稳定同位素资料,表明东南极内陆地区晚全新世以来气候状况较为稳定（气温波动幅度约为±0．6℃）,且变化趋势具有一致性．DomeA冰芯中过量氘的值较高（平均值为17．1‰）,是南极雪冰中过量氘的高值中心,这可能与过饱和环境下降雪过程中稳定同位素动力分馏效应有关,另外DomeA冰芯过量氘（d—excess或d=δD-8δ^18O）自晚全新世以来的升高趋势主要反映了水汽源区位置向赤道方向的总体迁移．研究结果为开展DomeA地区深冰芯研究奠定了基础．     

COSMIC数据验证FY-3 MWTS通道4的观测结果

利用无线电掩星探测在平流层具有较高精度和稳定性的优势,本文采用COSMIC资料验证我国风云3号(FY-3)系列卫星上微波温度探测仪(MWTS)通道4表征的平流层低层测量结果.两年的FY-3A/3B上MWTS通道4观测亮温与掩星数据模拟的亮温相比较分析表明:两颗卫星平台上MWTS通道4观测亮温都偏高,尤其在热带地区和极区夏季;FY3A/3B上MWTS通道4亮温偏差的月均值变化趋势较为一致,两个年份的变化趋势也较为一致.MWTS通道4表征的平流层低层观测亮温在不同纬度带呈现不同偏差分布特征:热带地区明显系统偏高2~4 K,中纬度地区偏高1 K;而高纬度地区则出现随季节显著变化的偏差,尤其在南极地区季节差异达到5 K,这种依赖于环境温度出现的较大亮温偏差不完全是频率偏移引起.热带地区观测与模拟亮温差异显著,并且热带地区样本对于全球总体亮温偏差影响程度达到20%,这表明COSMIC数据在热带地区的验证结果需谨慎使用.     

基于多元数据的地基GNSS水汽观测对比分析

在“超大城市垂直综合气象观测技术研究及实验”中,利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA Interim再分析数据集,对2018年北京观象台的地基导航卫星气象观测（GNSS/MET）、探空和微波辐射计观测的水汽总量（PWV）进行了对比分析,结果表明,3种观测和ECMWF模式分析具有较好的相关性,可以较好地监测北京水汽的变化。与ECMWF模式对比,GNSS/MET、探空和微波辐射计的偏差分别为0.54mm、1.94mm、-0.65mm,均方根误差分别为3.55mm、3.60mm、6.08mm;若以探空作为参考,GNSS/MET、ECMWF和微波辐射计的偏差分别为-1.39mm、-1.94mm、-2.58mm,均方根误差为2.85mm、3.59mm、6.79mm。由此可见GNSS/MET、探空和ECMWF模式分析的水汽具有较好的质量。从对比结果看,GNSS/MET在相关性、偏差和均方根误差方面均表现突出,和探空、ECMWF相当,而微波辐射计差别明显,均方根误差最大,但剔除雨日后,资料质量得到提高,表明微波辐射计资料的应用需要注意降水条件,反演算法需在今后进行改进。     

植被覆盖状况影响中国地表气温变化的观测事实

利用NOAA/AVHRR归一化植被指数（NDVI）及观测气温与再分析地表气温的差值（Observation Minus Reanalysis, OMR）分析了植被覆盖状况对中国地表气温变化的影响.结果表明,地表气温OMR趋势值与NDVI在空间上呈现出显著的负相关关系,植被覆盖状况差（NDVI小于0.1）的区域地表升温较为显著,气温OMR趋势值超过0.2℃/10a,而植被覆盖度高（NDVI大于0.5）的区域气温OMR趋势值则变化不大,甚至出现降温.气温OMR趋势值对植被的季节变化还有着敏感的响应.不同区域植被覆盖状况的差异可能导致中国地表气温变化对全球变暖的响应不同,预测中国未来气候变化需要考虑植被覆盖状况及其动态变化的影响.     

南极大陆及其周缘海域重、磁异常特征及区域构造分析

许多国家和组织在南极地区开展了大量的重、磁调查工作,并依据调查成果开展了区域地质构造等相关学科的研究,而中国此方面调查和研究工作很少.本文收集了南极地区最新的重、磁异常数据,首次对其进行了重、磁异常对应分析处理,详细描述了重、磁异常特征及对应分析特征.在此基础上,对区域构造进行了初步分析和解释,指出了东南极克拉通存在东、西深部构造差异,并对几个深大断裂进行了划分,探讨了东南极太古宙陆核的分布,对西南极及其周缘海域岩浆岩分布进行了初步划分.     

水成物对GNOS掩星弯曲角同化的影响评估

本文在无线电掩星弯曲角射线追踪正演算子中引入水成物的影响,针对台风个例,利用FY-3c GNOS弯曲角资料的同化展开研究.通过分析水成物对掩星弯曲角正演精度的影响,指出当掩星剖面跨越一定厚度的台风区云雨大气时,多相态水成物对GNOS弯曲角正演精度的影响不可忽略.进而提出一种考虑云雨影响的掩星折射率正演算法,将掩星折射率的正演分别在晴空区和云雨区进行,在云雨区正演算子中增加多相态水成物含量对正演掩星折射率的贡献,改进了FY-3c GNOS弯曲角资料在云雨大气环境的同化方案.针对2018年24号台风个例,进行了同化的参照试验、未考虑和考虑水成物影响时GNOS弯曲角的3DVAR同化试验,考量云雨环境下的GNOS弯曲角资料同化对台风模拟的影响差异.试验结果表明,两种同化方案皆能改善台风路径预报,台风中心海平面气压模拟都能接近实际观测,台风最大风速也不同程度增大.而考虑水成物含量的影响后,资料同化能更有效缩小观测空间与背景场空间之间的偏差,同化后观测与分析的偏差更接近高斯分布,台风外围动力场和热力场环境能够得到更优的调整,使得96 h的台风路径模拟平均距离误差较不考虑水成物影响的情形减小了约14...     

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.     

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.     

上海-南极洋面大气N_2O的δ~(15)N与δ~(18)O时空变化特征

在中国第22次南极科学考察期间,采用Tedlar气袋采集了"雪龙号"考察船航线上洋面大气样品以及东南极米洛半岛近地面大气样品(采样时间分别为地方时上午10:00和夜间22:00),在室内通过带有全自动预GC浓缩接口(PreCon)的Thermo Finnigan MAT-253同位素质谱仪,对这些大气样品中N2O的同位素组成进行了高精度地测量;并分析了其δ15N与δ18O空间变化规律.上海-南极洋面大气N2O的δ15N与δ18O平均分别为(7.21±0.50)‰和(44.52±0.52)‰.由30°N往南极随着纬度的变化,δ15N(6.05‰～7.88‰)呈线性增加趋势,增加率为0.01‰/纬度,δ18O(43.05‰～48.78‰)则呈现较大的波动;且δ15N与气温、N2O浓度呈负相关,而与δ18O呈弱的正相关.东南极米洛半岛近地面大气N2O的δ15N与δ18O夏季变化趋势相一致,且二者呈显著正相关,而与N2O浓度呈显著负相关;不同地点大气N2O的δ15N与δ18O平均分别为(7.46±0.39)‰和(44.63±0.45)‰,略高于洋面大气N2O的δ15N与δ18O;而显著高于北半球低纬度大气N2O的δ15N与δ18O值.分析讨论了引起地面大气N2O的δ15N与δ18O空间变化的主导因素.提供了全球大区域洋面大气N2O的同位素资料,有助于定量评估全球与区域大气N2O的净收支.     

大洋风生环流观测优化的伴随分析

提出了一种依据海洋伴随资料同化达到改进海洋观测方案的客观分析方法.针对一个"真实的海洋"进行不同空间断面(或对不同层次)的假设采样,分别将这些"不完备的观测"应用于Byran-Cox海洋环流模式的伴随系统,可以计算"不完备观测"同化以后的模式环流与"完备观测"资料同化(控制试验)得到的环流之间的距离--反演距离.由于海洋伴随资料同化所具有的局地修正效应和邻域修正效应,不同观测方案所对应的反演距离有着明显的差异.采用上述方法在一定观测代价下可以对大洋风生环流进行观测方案的优化分析.     

青藏高原地表温度的比较分析

利用青藏高原改则、甘孜、拉萨和那曲气象站的地面水银温度计观测的地面0 cm温度和地面向上、大气向下长波辐射观测资料,计算和比较分析了地面水银表温度与地表辐射温度的差异.分析表明,由于地面水银温度计接触式测温方法的局限性,使得气象台站观测场地的地面水银表温度存在较大的误差：在裸露地表,夏季白天的正偏差可达4℃以上,夜间的负偏差在-2℃左右;在稠密植被地表,白天正偏差最高可达16℃以上,夜间的负偏差可达-3℃.由于偏差的不均衡性和离散性,即使对地面水银表温度作简单平均或积分平均处理,其代表性仍然很差.在对地表温度准确性要求较高的定量化研究与应用中,应避免直接采用地面水银表温度资料,即使由于资料缺乏而以其代之,也应对其采取适当的订正补偿等处理措施.随着科学研究对地表温度准确性的更高要求,推广使用地表辐射测温的观测方法是必要的.     

南极1992～2009年接地线遥感产品精度综合评估和分析

本文利用多源遥感数据,对五种主流的南极接地线遥感产品的精度进行了综合评估和分析.采用全新的评估策略和评估流程实现了接地线产品精度的系统评估.评估流程主要分成两大步骤:首先提出一组评估指标自动处理了84.4%的接地线数据,再根据多源遥感数据完成了剩余15.6%部分数据的人工评估.结果显示, InSAR接地线(InSAR GL)产品质量比较高(不一致度为0.3%),被推荐在有该类数据时优先使用.基于光学影像提取的接地线产品质量相对较低(不一致度为3～12%),但其覆盖范围更完整,尤其是覆盖了潮汐较弱的地区.在完成了全部五种接地线产品(1992～2009年)的精度评估后,发现有9.5%的南极接地线表现出后退或前进的趋势,这部分接地线被归类为"变化"状态.文章对南极不同流域尺度上的接地线变化进行了分析,发现其中接地线后退最快的区域为流域22(含松岛冰川),速率为(544±51)m a–1,前进最快的区域为流域14(包括默茨冰川),速率为(304±16)m a–1.西南极冰盖和东南极冰盖的接地线平均变化速度分别为(–370±8)和(5±7)m a–1.结果表明,西南极冰盖的接地线有显著的后退趋势,而东南极冰盖的接地线介于平衡和轻微前进趋势之间(除托滕冰架区域外).     

近20年青海湖湖水面积变化遥感

采用NOAA/AVHRR资料,对青海湖湖面进行水体判识,并利用线性混合模式对混合象元进行处理,定量估算了近20年青海湖湖水面积并分析了变化趋势,表明近20年青海湖湖水面积在不断减小,每年减少约4km2,并且青海湖干涸部分主要在其北部.进一步采用主成分分析和回归分析方法对青海湖地区降水、气温和蒸发量做了初步气候分析,表明青海湖地区降水减少、气温升高、蒸发量增加是青海湖湖水面积逐年减少的主要原因.