基于GRAPES四维变分的静止轨道微波观测系统模拟试验研究

地球静止轨道微波观测同时具有高频次、大视场和穿透云雨的全天候观测能力,因此中国在规划第二代静止轨道气象卫星“风云四号”系列时已经明确提出对静止轨道微波观测的需求。基于中国候选的50、118、183、380和425 GHz五频段静止轨道微波辐射计载荷方案,开展了地球静止轨道微波观测系统模拟试验,理解其观测时间分辨率、频段选取和观测误差对台风预报的影响。试验基于GRAPES全球四维变分同化系统,同化静止轨道微波模拟观测资料,以2018年台风“玛利亚”和“山竹”为例分析了静止轨道微波资料同化对台风预报的影响。试验结果表明,对于静止轨道微波资料同化应用,提高观测资料的时间分辨率、增加通道数量和降低噪声水平能够有效提升台风数值预报性能。      

GRAPES_GFS全球中期预报系统的研发和业务化

该文回顾了中国气象局全球中期数值天气预报系统GRAPES_GFS的研发历程,重点介绍了近年来在GRAPES_GFS研发过程中的重要进展,概要阐述了这些进展对GRAPES_GFS业务:化的贡献。动力框架方面的改进主要包括位温垂直平流的算法、极区滤波方案、标量平流方案、垂直速度衰减（damping）算法、提高模式分辨率等,改善了模式框架的稳定性、计算精度以及质量守恒性。物理过程方面的改进主要包括RRTMG辐射方案、CoLM陆面过程方案、积云对流、边界层过程、双参数云物理方案,以及物理过程的调用计算等,全面提升了模式物理过程的预报能力。全球三维变分同化方面,研发了模式空间三维变分（3DVar）系统、资料质量控制和偏差订正技术、卫星资料同化方面的相关技术等。同时,对目前GRAPES_GFS2.0的预报能力进行了评估,总体来说,该系统各项预报指标全面超越GRAPES_GFS1.0,与T639相比等压面要素预报在对流层也有明显优势,降水、2 m温度等预报也优势明显。     

两种四维奇异值分解同化方法的比较及误差分析

4DSVD是最近提出的一种新的资料同化方法。目前还存在一些需要解决的问题,比如如何选取样本,如何得到支撑大气吸引子的基向量以及选取基向量的个数问题等等。作者利用奇异值分解(SVD)与经验正交函数分解(EOF)两种方法来获得支撑大气吸引子的基向量,推导了基于这两种方法的4DSVD分析场的理论公式,并用简单的数值试验比较了基于这两种方法的4DSVD分析场的空间相关系数和误差,初步分析了分析场与基向量个数的关系以及与样本选取的关系和分析误差的来源及各种误差对分析误差影响的相对大小。结果表明,用SVD方法作为获得支撑大气吸引子基向量的方法得到的分析场较EOF方法稳定,分析场与基向量个数有密切关系,观测误差、模式误差和观测代表性误差是分析误差的主要来源,且其引起的分析误差随着基向量个数增多而增大。     

季节性低温胁迫下陇东黄土高原油污土壤环境因子对耐冷混合菌场地生态修复的响应

为了揭示季节性低温胁迫下陇东黄土高原油污土壤环境因子对耐冷混合菌场地生态修复的响应机制,利用自主筛选构建的耐冷石油降解混合菌在甘肃省庆阳市庆城县马岭镇长庆油田陇东油泥处理站开展了为期7个月的场地修复实验,采用常规方法测定了不同季节土壤理化特性、酶活性和微生物群落特性等环境指标。结果表明：（1）在季节性低温胁迫下（9-11月）M2组（耐冷混合菌处理组）月平均降解率明显增加（P<0.01）,JZJ+M1组（金盏菊联合常温混合菌处理组）和M2组累计TPH降解率分别为15.37%±3.51%和28.64%±4.12%。（2）M2组土壤脱氢酶和多酚氧化酶在低温季节（LT）活性最高,且温度和处理存在显著交互作用（P<0.01）。在土壤营养元素方面,无论何种处理方式（JZJ+M1和M2）二者含量均为RT（常温季节）高于LT（P<0.05）,同时明显高于CK组（P<0.05）。（3）M2组土壤微生物群落Shannon-Wiener指数和均匀度指数在LT高于RT（P<0.05）。（4）NMDS和Pearson相关性分析结果显示,M2组在低温季节具有较高TPH降解率主要与土壤多酚氧化酶、脱氢酶、单月TPH降解率（μ2）和Shannon-Wiener指数有关,且均呈极显著正相关关系。通过分析环境因子的季节响应,优化场地修复在低温环境的降解条件、加速低温期石油烃降解速率,以期为陇东地区低温耐冷混合菌场地生态修复技术的推广应用提供参考和基础数据资料。     

4DSVD分析误差与样本选取方法和样本容量的关系初探

分析误差与样本选取方法和样本容量的关系是4DSVD同化方法一个亟需研究的重要问题。获得支撑大气模式空间和观测空间吸引子的基向量是4DSVD研究的关键部分,样本的好坏和样本容量的范围是决定4DSVD基向量和分析结果质量的一个重要前提条件。首先利用Lorenz28变量模式,用4DSVD方法做了一些简单三维同化试验,探讨了Lorenz28变量模式的分析误差与样本容量和样本选取方法的关系。数值试验结果表明,对一个具体的模式,有限的样本容量就能够获得较高精度的分析结果;在模式系统和观测系统不变情况下,用一定样本容量得到的支撑模式空间和观测空间的基向量具有很好的稳定性,即一旦获得一组较好的基向量,在观测系统和模式系统不变的情况下,对同化任何时刻的观测适用;分析结果对选取方法没有太大的依赖性,但具体的样本容量要视不同模式和样本选取方法而定。用WRF模式做的4DSVD四维观测系统模拟试验结果表明,若样本选取方法得当,所需要的样本容量要远远小于模式自由度。4DSVD要真正获得较高精度的分析结果,需要的条件是尽可能的在吸引子上取样并选取充足的样本容量;间隔取样可以一定程度上减少计算量。根据数值试验结果提出了4DSVD在实际同化时样本选取的一些初步的方法。     

基于亮温通道变率的FY-3C微波湿度计陆地云检测新方法

云检测是卫星资料同化的重要前处理步骤,无论是晴空资料同化还是有云资料同化,都需要准确地区分有云和晴空资料。由于陆地地表发射率的多变性和微波能穿透部分云类的特点,微波湿度计资料在陆地上空的云检测研究一直是难点。利用快速辐射传输模式（CRTM）分析了不同云类条件下FY-3C微波湿度计（MWHS-Ⅱ）各通道亮温的通道间变率特征,根据MWHS-Ⅱ亮温通道间变率随云高以及云中液态水含量的增大而减小的特点,提出了一个基于亮温通道变率的MWHS-Ⅱ陆地资料云检测方法。与已有的云产品比较结果表明:新的云检测算法能有效地剔除大部分受云影响的资料,剔除后的晴空资料观测和模拟偏差更好地符合高斯分布。新方法对过冷水云、冰云、重叠云的检测能力较强,正确检测率可以达到80%,对卷云以及高度较低的水云的检测能力相对较弱。新方法能有效利用MWHS-Ⅱ观测资料自身完成云检测,在MWHS-Ⅱ资料同化中有很好的应用前景。      

鄂尔多斯盆地苏东南地区盒8段低阻气层识别

上古生界二叠系下石盒子组盒8段是苏东南地区主力产气层段之一,低阻气层相对较发育,其测井响应表现为低自然伽马、高声波时差、低密度和低电阻率特征.根据常规测井处理方法,对苏东南地区50口试气井106个试气层段进行了电阻率与声波时差参数交会图分析,结果发现低阻气层的电阻率数值分布范围与邻近水层的电阻率基本相当,甚至有些含气段的电阻率比水层的电阻率低,在电阻率与声波时差参数交会图中,含气层的分布区与气水同层分布区相混,无法准确区分.另外,低阻气层在深侧向电阻率和声波时差测井曲线重叠图上基本无幅度差,这就可能造成有效含气层的漏失.针对上述这种电阻率相对较低的气层,利用非电阻率测井信号,优选声波孔隙度(ФS)、密度孔隙度(ФD)、中子孔隙度(ФN)测井资料进行重叠图处理(ФS-ФN、ФD-ФN),并增加纵波等效弹性模量差比值参数来综合识别气层.在含气层段,一般具有ФSФN、ФDФN、等效弹性模量差比值大于0.1的特征.上述综合识别含气层的方法,其判别结果不受电阻率的影响,因此在低阻气层发育的部位能够有效识别气层.经对50口试气井106个试气层段试气资料进行处理,气层识别综合符合率达95.8%.     

子午岭人工油松林群落更新特征及影响因子

采用样方法,对子午岭油松人工林群落更新特性以及环境因子对群落更新的影响进行研究,结果表明:油松人工林更新层有木本植物46种,其中有乔木16种,占总种数的33.33%,灌木29种,占总种数的64.58%。更新层的优势种有辽东栎、沙梾和鞘柄菝葜等,油松为更新层的次优势种,油松种群具有一定的自我更新能力;油松人工林群落更新层幼苗库丰富,高度级及龄级较小;更新方式以实生更新为主。林分密度对林下乔木幼苗、幼树数量影响极显著(P0.01),当林分密度从650株/hm2增加到1 550株/hm2时,林下更新的幼苗、幼树密度呈增加趋势,随着林分密度的继续增加,其密度逐渐减少;坡向对幼苗、幼树密度的影响显著(P0.05),当坡向由阳坡转向阴坡时,林下幼苗(树)密度逐渐增加;不同坡位林分更新特征各异,从坡下向上,幼苗密度逐渐减少,而幼树密度在中坡位最高,其次是下坡位,上坡位最低;随着海拔的升高,幼苗(幼树)密度逐渐减小。处于阴坡的中密度林分更新效果最佳,合理调整林分密度有利于油松人工林自然更新。     

背景误差水平相关结构对四维变分资料同化的影响研究

为考察GRAPES全球四维变分同化(4DVar)的分析增量在谱空间的时间演变特征,分析当同化时间窗起始时刻与终止时刻背景误差水平相关特征明显不一致时对分析与预报造成的影响,对GRAPES全球4DVar的背景误差水平相关采用二阶自回归模型(SOAR)、集合资料同化生成扰动样本估计的水平相关模型以及基于这两者的背景误差谱空间融合模型进行比较。结果表明,SOAR的分析增量在20波以上的天气尺度波动的分析信息明显不足,而将集合资料同化样本所计算的水平相关的功率谱方差与SOAR功率谱方差进行融合,水平相关特征呈现出多尺度水平相关的特点,可以更好地吸纳观测信息,显著改善北半球形势场、温度与风场预报效果,南半球也有改善,对赤道地区的影响中性。表明研究发展的融合水平相关方案合理、实用。     

往返平飘式探空在CMA-MESO三维变分中的同化及对模式预报的影响

往返平飘式探空通过一次探空气球施放实现“上升段-平飘段-下降段”三段观测,其下降段能实现在06时(世界时,下同)和18时自动垂直加密观测大气,具备提升区域高分辨率快速同化循环预报系统在06时和18时的预报技巧潜力。为了实现往返平飘式探空在区域高分辨率模式中的同化,分析其对预报的影响,初步提出了“选取模式层最接近观测”的垂直稀疏化方法来预处理资料,深入分析了稀疏化对同化效果的影响,论证了资料垂直稀疏化对于同化应用的必要性;在此基础上,开展了为期1个月的批量同化影响试验,着重分析了往返平飘式探空在长江中下游区域的组网观测对CMA-MESO模式预报技巧的影响。稀疏化敏感性试验结果表明,同化不稀疏化的往返平飘式探空相比同化传统业务探空,分析和预报误差显著增加,降水预报评分也显著降低,相反,“选取最接近模式层”数据的垂直稀疏化方案能提高模式的分析和预报技巧,表明往返平飘式探空同化前必须进行垂直稀疏化。批量同化试验结果表明,在冷启动时刻(00时和12时,为常规探空释放时刻),同化往返平飘式探空(上升段)相对同化传统业务探空,分析误差和预报误差变化较小。但在暖启动时刻(03、06、09、15、18、...