全球区域同化预报系统的使用及其数值模拟

介绍了中国气象科学研究院数值预报中心自主开发的GRAPESV2.1数值模式运行步骤,并利用该模式对2005年5月1日06～07时在江西南昌市区出现的30mm/h强降水过程,进行了数值模拟和诊断分析。结果发现,北方干冷空气南下,到达30°N附近后,与南方暖湿空气在南昌市区上空低层形成交汇,促使暖湿空气沿着锋面迅速抬升凝结,触发不稳定能量的释放,是造成南昌强降水产生的主要原因;GRAPES模式能很好地模拟出高低空环流形势场特征和主要天气系统,能提供较准确的高分辨率诊断分析资料。     

区域气候模拟研究及其应用进展

区域气候模拟研究在过去十几年里取得了显著的进步。经过广泛的发展和不断的检验,区域气候模式现在已经成为气候研究和业务预报的重要工具。目前已经发表了很多令人鼓舞的结果,其中包括过去极端气候事件的模拟,当前气候发展演变和未来气候变化的预测,特别是对月和季节尺度气候的模拟与预测。通过对高分辨率和动力连续的区域气候模式结果的分析,人们对于周-季节时间尺度的各种物理过程,包括陆面和水文过程、边界层、云和降水、云-辐射相互作用的认识也在不断的深入。然而,区域气候是多尺度扰动(如中尺度、天气尺度、行星尺度扰动)和多圈层系统(如大气圈、生物圈、水圈、冰雪圈、陆面)相互作用的结果,同时物理过程本身具有不确定性,人们对一些复杂的物理过程,特别是土壤湿度作用以及云-气候反馈过程也缺乏深刻的理解,因此该领域的研究还面临着很多挑战。作者重点总结并评述了区域气候模式对现在和未来区域气候模拟、极端天气和气候事件模拟、物理过程研究、短期气候预测几方面应用的研究进展,最后讨论了区域气候模式发展在上述各方面,特别是周-次季节时间尺度区域天气和气候的模拟与预测所面临的挑战和应用前景。     

风云四号气象卫星成像特性及其应用前景

风云四号是中国新一代静止轨道气象系列卫星,该系列卫星的设计目的是满足中国气象局2020年前后的业务应用和服务需求。风云四号系列的首发星为科研试验星,代号FY-4A,已于2016年12月14日在西昌卫星发射中心成功发射,从FY-4B开始,风云四号系列卫星将提供业务服务。成像仪是风云四号系列卫星的核心载荷之一,其成像性能比目前使用的风云二号系列卫星在时间空间分辨率、光谱通道等方面有显著提升。本文将就该仪器的工作特点、观测模式设置、光谱通道的选取和特点进行介绍,由于FY-4A卫星正在进行为期一年的在轨测试,本文还将展示在轨测试图像。     

玉米干物质动态模拟及其业务应用研究

利用田间试验资料 ,分区建立了玉米干物质累积与热量条件的数学模型 ,进一步揭示了干物质增质量过程中的某些数量特征 ,并与大于等于 1 0℃有效积温动态增长曲线和玉米发育期进展动态曲线相结合 ,实现了玉米生长发育和产量形成的动态评价和冷害诊断。     

水稻气候生产力的数值模拟及其应用

在水稻气候生产力数值模拟的基础上,利用杂交水稻种植区１８省１６５站３０年逐旬光温整编资料,模拟并分析了早、中、晚稻气候生产力的空间分布规律及其气象原因;利用模糊聚类分析,进一步对我国水稻种植区域作了气候生态类型区划,结果早季稻划分为七个类型区,中季稻和晚季稻可划分为六个类型区。     

CE318太阳光度计观测资料应用前景及其解读

2002年中国气象局在沙尘暴各观测站点安装了CE318太阳光度计,用于探测大气气溶胶。为了使研究人员了解CE318太阳光度计工作原理、数据存储格式及解读方法,使这批观测数据很好地发挥作用,该文介绍了气溶胶气候效应的研究现状,分析了应用太阳光度计这种地基手段探测气溶胶的优势以及探测数据的应用前景。同时,针对光度计原始观测资料直接应用的瓶颈问题———资料解读方案进行了讨论,包括定标、气溶胶光学厚度的计算、光度计数据质量控制方法等。结合新疆塔中站光度计观测资料,列举了采用Langley法进行定标和计算气溶胶光学厚度的步骤。     

环境扫描电子显微镜工作原理及其气象学应用

大气颗粒物具有吸附性、吸湿性以及对光的吸收和散射性等特性,对环境、气候和人类健康造成许多不利影响。扫描电子显微镜和能谱分析技术,可在观测大气组成的微小颗粒的微观结构的同时,实现对微结构元素组分分析的目的,为气象学中开展微观物理化学研究提供一个有效的手段。文章简要介绍了环境扫描电子显微镜(ESEM)的基本工作原理及特点,指出环境扫描电子显微镜在气象科学研究中的独特作用、适用领域,并通过对人工影响天气焰剂产生的大气颗粒的物理化学性质研究的实例来说明其应用。     

城市环境气候图的发展及其应用现状

城市环境气候图最初于20世纪70年代由德国气候研究者开发制作,通过近40年的发展,目前在世界范围内已有20个国家开展了相关研究与应用项目,从而为改善城市气候环境与提高人居生活条件提供决策依据。该文首先对城市环境气候图的发展及其制作方法进行了一个总体性的回顾,然后选取德国、日本和中国香港地区的研究案例用以考察目前该领域研究和应用现状与存在问题,进一步详细探讨了未来发展的方向,最后指出了在我国城市化进程中为应对诸多气候环境问题所迫切需要开展的相关研究问题。     

Gerris数值方案及其在海洋数值模拟中的应用

基于动态自适应网格的开源软件Gerris受到越来越多海洋和水文研究者的关注.概述了Gerris开发背景、研究现状和特点,详细阐述了Gerris数值方案,包括动态自适应网格、动态负载平衡技术原理、广义正交曲线坐标系、内嵌复杂固体边界和地形数据的处理方法,并探讨了Gerris在海洋数值模拟中的初步应用.结果表明,Gerris动态自适应网格在多尺度问题模拟中的优势独特,在海洋数值模拟应用中可通过自适应网格提高地理特征的精度,通过GTS(或KDT)格式的数据来处理地形和网格,达到同时兼顾精确性和易用性的目的,使得Gerris与其他海洋模式进行有机结合成为重要发展方向.     

农业气象学在作物生产模拟及其应用中的作用

就作物模拟模型及其应用,以及气象因子在这些模拟应用中的重要性作了综合论述.为了说明气象和气候变率对作物生产的影响,农业气象要素(包括最高和最低气温、太阳辐射及降水量)被当作作物模拟模型的基本输入因子.多数作物模型使用的气象资料为逐日值,因为很多地区没有更小时间尺度的观测资料.气象及其它输入数据均采用标准文件格式,这有利于数据在不同模型中使用.如果输入因子缺少或数据丢失、无效,将会影响到作物模型模拟的准确性.利用天气发生器随机生成的逐日气象数据可以解决数据丢失或序列较短的问题.当然,模拟时要尽可能采用气象观测资料,以确保作物产量模拟值的准确性,这在热带地区显得尤其重要.许多作物模型用来进行产量预报和决策管理,作物产量及其相关变量的预测变率以及自然资源的利用主要由天气气候条件的短期与长期变化所致.模型的产品可用来制定相应的管理决策,提供给农户和其他关注农业生产的人们.作物模型也广泛应用于气候变化对农业生产和粮食安全性的影响研究.最近,作物模型又用于气候变率和厄尔尼诺与南方涛动(ENSO)的影响研究.随着计算机的普及,农场主、农业咨询人员以及政策制定、决策者等模型的使用者也将越来越多.历史资料和作物生长期间的气象观测资料以及短期、中期、长期天气预报将在这些应用中发挥重要作用.     

不同下垫面水分与能量传输模式

首先从简单生物圈模式（Simple Biosphere Model） 的物理模型出发,对其控制方程进行了修改。土壤温度使用求解热传导方程得到,土壤湿度使用了水汽扩散方程、Darcy的水流方程同时求解得到,目的是使简单生物圈模式既能在有植被下垫面使用,又能扩展到考虑水汽运动的沙漠地区使用。为了检验修改后的模式能适用于计算不同下垫面的地气之间水分和能量交换,选择了草原、森林和沙漠三种类型,在4个不同的实验点得到的资料,进行了单点模式（OFF LINE）检验。结果表明,修改后的简单生物圈模式模式可使用于不同下垫面地气之间水分和能量交换,尤其是解决了沙漠地区水热传输的模拟问题。     

应用查表法模拟区域对流层O3、Nox分布和演化的研究

应用STEM-II气相光化学模式探讨了影响对流层O3、NOx气相光化学转化率的各物理、化学因子。表明在我国多数地区光化学污染物特征(NMHC/NOx较高)下,光辐射强度、温度、初始O3浓度和NOx浓度是影响O3、NOx气相光化学转化率的主要因子。将以上因子分档组合,计算并建立了各种情况下O3、NOx气相光化学转化率的查算表,并将之用于模拟区域O3、NOx的演化和分布。结果表明,与光化学模式直接耦合计算法相比,该方法既能显著缩短计算时间,又能基本反映大气化学反应的非线性过程,并与直接耦合法符合得较好。     

室外热环境指标的简化计算和应用研究

利用天津市边界层观测站2008年5-9月、2009年5-7月温度、湿度、风速、湿球黑球温度(WBGT)和太阳辐射资料作相关性分析,结果表明：干球温度、相对湿度、太阳辐射、风速与湿球黑球温度具有一定的线性相关度。结合Rayman模型计算平均辐射温度,建立了以云、大气温度、相对湿度、风作为预报因子的湿球黑球温度统计方程。利...     

四川气象高性能计算机及模式运行监控系统应用实践

为了保障西南区域数值预报业务模式的稳定运行,四川省气象局基于分布式监控技术,建设了四川气象高性能计算机及模式运行监控系统。该系统主要包含两个子系统:省局高性能计算机性能监视子系统以及SWC-WARMS数值预报模式自动化监视管理子系统。前者监视承载模式运行的高性能计算机,保证其为模式提供可靠计算环境;后者管理数值模式本身,两个子系统相辅相成,从模式计算环境到模式本身的业务运行都提供了有力技术支撑。     

Development of RAMS-CMAQ to Simulate Aerosol Optical Depth and Aerosol Direct Radiative Forcing and Its Application to East Asia

The air quality modeling system RAMS （Regional Atmospheric Modeling System）-CMAQ （Models-3 Community Multi-scale Air Quality） is developed to simulate the aerosol optical depth （AOD） and aerosol direct forcing （DF）. The aerosol-specific extinction, single scattering albedo, and asymmetry factor are parameterized based on Mie theory taking into account the aerosol size distribution, composition, refractive index, and water uptake of solution particles. A two-stream solar radiative model considers all gaseous molecular absorption, Rayleigh scattering, and aerosols and clouds. RAMSCMAQ is applied to simulate all major aerosol concentrations （e.g., sulfate, nitrate, ammonium, organic carbon, black carbon, fine soil, and sea salt） and AOD and DF over East Asia in 2005. To evaluate its performance, the simulated AOD values were compared with ground-based in situ measurements. The comparison shows that RAMSCMAQ performed well in most of the model domain and generally captured the observed variations. High AOD values （0.2-1.0） mainly appear in the Sichuan Basin as well as in central and southeastern China. The geographic distribution of DF generally follows the AOD distribution patterns, and the DF at the top-of-the-atmosphere is less than -25 and -20 W m^-2 in clear-sky and all-sky over the Sichuan Basin. Both AOD and DF exhibit seasonal variations with lower values in July and higher ones in January. The DF could obviously be impacted by high cloud fractions.     

一种改进的BP算法及在降水预报中的应用

传统BP（back propagation）算法在实际应用中具有网络结构参数和学习训练参数难以确定、泛化能力差、训练学习易陷入局部极小点等问题。该文在传统BP算法的基础上,提出一种改进算法,在训练过程中能自动确定各种参数,并避免陷入局部极小点,提高网络的泛化能力。利用2003—2005年5—9月中国国家气象中心T213的数值预报产品,通过动力诊断得出反映降水的物理量,然后从中挑选出与降水关系较好的25个因子,连同中国国家气象中心T213模式、日本气象厅业务模式和德国气象局业务模式相应的降水量预报结果作为预报因子。采用改进的BP算法建立江淮流域68个站24 h降水 (08:00—08:00,北京时）3个等级（降水量≥0.1 mm,降水量≥10 mm,降水量≥25 mm）的预报模型。通过对2006—2007年5—9月68个站试报结果表明：改进BP算法对降水预报的TS评分大大高于传统BP算法,也高于几种模式的降水预报结果,同时,改进算法使降水预报的平均空报率、漏报率明显降低。     

Regional and Global Land Data Assimilation Systems: Innovations,Challenges, and Prospects

Since the North American and Global Land Data Assimilation Systems(NLDAS and GLDAS) were established in2004, significant progress has been made in development of regional and global LDASs. National, regional, projectbased, and global LDASs are widely developed across the world. This paper summarizes and overviews the development, current status, applications, challenges, and future prospects of these LDASs. We first introduce various regional and global LDASs including their development history and innovations, and then discuss the evaluation, validation, and applications(from numerical model prediction to water resources management) of these LDASs. More importantly, we document in detail some specific challenges that the LDASs are facing: quality of the in-situ observations, satellite retrievals, reanalysis data, surface meteorological forcing data, and soil and vegetation databases; land surface model physical process treatment and parameter calibration; land data assimilation difficulties; and spatial scale incompatibility problems. Finally, some prospects such as the use of land information system software, the unified global LDAS system with nesting concept and hyper-resolution, and uncertainty estimates for model structure,parameters, and forcing are discussed.     

春末夏初南亚高压的形成过程及其与ENSO事件的联系

利用ERA-Interim再分析资料,分析了春末夏初南亚高压建立过程的气候特征和可能机制,并讨论了ENSO事件冷、暖位相对南亚高压建立过程年际变化的影响。结果表明,第24候,气候平均的南亚高压形成于中南半岛东南部的对流层高层,这与菲律宾群岛南部和中南半岛局地对流的加强有关。一方面,菲律宾群岛南部对流加强能够在其北部产生负涡度源,在高空热带东风急流的作用下,其下游的南海地区出现负涡度,相应地出现闭合的高空反气旋,南亚高压初步形成。另一方面,中南半岛局地对流令南亚高压中心加强发展,并使其最终位于中南半岛上空。春末夏初菲律宾群岛附近对流的经向摆动决定了南亚高压的形成位置,而中南半岛局地对流的强度则控制着南亚高压的加强北抬。由于菲律宾南部和中南半岛的局地对流都受ENSO事件影响,因此在ENSO事件的冷、暖位相下,南亚高压的形态和位置在其建立过程中差异明显。在暖事件发生后,热带对流在加里曼丹岛以东发展,南亚高压形成于苏门答腊群岛北部至泰国湾上空,此时中南半岛对流偏弱,限制了南亚高压的北抬发展;而在冷事件发生后,热带对流在菲律宾群岛中部加强,同时南亚高压形成于中南半岛中部上空,随后中南半岛对流迅速加强,令南亚高压明显西伸北抬。因此,ENSO事件的冷、暖位相对春末夏初南亚高压的形成位置有显著影响。     

Potential Deformation and Its Application to the Diagnosis of Heavy Precipitation in Mesoscale Convective Systems

Many observational studies have shown that deformation, like vertical vorticity and divergence, is closely related to the occurrence and distribution of strong precipitation. In this paper, to involve deformation in precipitation diagnosis, a new parameter called potential deformation(PD) is derived and then applied to precipitation detection within a simulated mesoscale convective system(MCS). It is shown that PD includes both stretching deformation and shearing deformation and shares similar characteristics with deformation insofar as it does not change with the rotating coordinate. Diagnosis of the simulated MCS reveals that PD performs well in tracing the MCS' precipitation. In terms of their distributional pattern, the large-value areas of PD are similar to the precipitation in the different development stages of the MCS. A detailed analysis of the physical processes contained within the PD shows that it can reflect the three-dimensional moisture variation,vertical wind shear and wind deformation within the MCS. These structures are usually a comprehensive reflection of the characteristics of the surface cold pool, rear inflow jet, downward cold air flow and upward warm moist flow within the precipitating convective cells. For this reason, the PD shows much stronger anomalies in the precipitating atmosphere than the non-precipitating atmosphere, which implies considerable potential for its application in detecting heavy precipitation within MCSs.     

云分析系统在台风莫拉菲数值模拟中的应用

借鉴美国CAPS开发的中尺度ARPS模式的资料分析系统ADAS,设计了基于GRAPES_Meso的云分析系统,实现了地面云观测资料、卫星云图、多普勒雷达反射率资料在GRAPRS模式中的综合融合应用。通过对登陆台风莫拉菲 (0906) 数值模拟检验云分析系统的性能。结果表明:云分析系统通过地面云观测资料、卫星红外云图、可见光云图、多普勒雷达反射率的同化,能够反演出合理的三维云覆盖状况;在三维云覆盖的基础上结合云底云顶高度,进而反演出云水、云冰、雨水、雪、霰等云微物理量,并显著改善模式初始湿度场;在台风登陆过程的模拟中,虽然对台风路径的预报有所偏差,但对比控制试验,在台风登陆地点、台风强度、路径的预报中云分析发挥了正作用;通过对云分析后初始场反演的雷达回波进行检验,验证了云分析的可行性与正确性,对整体的降水预报效果也有明显改善。