海底观测网发展现状及趋势研究

文中详细研究了当前世界上最典型的海底观测网的建设发展规模、形式、设备类型以及我国海底观测网的发展现状,并对国内外海底观测网的发展趋势进行总结。对日本、加拿大、美国及欧洲的海底观测网进行了设备级研究,对我国台湾地区、东海、南海的海底观测网现状进行了研究,并讨论了国外先进观测网对我国的海底观测网建设的借鉴意义。文中总结出海底观测网发展的整体趋势为:单节点网络加速验证新型设备及传感器的水下能力;区域尺度网络用于加速多学科发展并提升灾害预警能力;而浮标平台网络作为补充,铺设在远海区域以降低阶段建设成本。     

变分同化框架通过背景误差协方差构建动力平衡约束的研究进展

通过背景误差协方差构建动力平衡约束是变分同化框架设计的重要环节。它不仅帮助实现变量间的协同分析,提高观测使用效率,还能改善变分极小化问题的性状。本文在系统梳理通过背景误差协方差引入动力平衡约束的方式、流程的基础上,对求解目前全球和有限区域变分同化系统普遍采用的准地转平衡和静力平衡约束的共性问题和存在的不足作了归纳总结。分析了求解准地转平衡约束的三类方案:动力平衡方程方案、统计方案和动力-统计相结合方案的优缺点。对照比较了不同垂直离散方案下求解静力平衡约束时遇到的欠定问题的表现以及解决途径。最后,展望了基于背景误差协方差构建动力平衡约束在赤道等特殊地区、高分辨率同化系统、以及集合-变分混合同化系统发展中面临的挑战和机遇。     

集合预报误差在GRAPES全球四维变分同化中的应用研究Ⅱ：参数选取与数值试验

研究的第一部分讨论了如何有效应用集合预报误差的科学方案,确定了集合预报误差在GRAPES（Global Regional Assimilation and PrEdiction System）全球4DVar（four dimensional variational data assimilation）中应用的分析框架。在此基础上研究了针对集合预报误差实际应用于GRAPES全球4DVar,解决接近或超过100个集合样本数时高效生成的计算效率问题,以及与GRAPES全球4DVar匹配的同化关键参数确定问题。选择基于4DVar的集合资料同化方法生成集合样本,通过将第1个样本极小化迭代过程中产生的预调节信息用于其他样本极小化做预调节,将计算效率提高了2倍。通过时间错位扰动方法增加集合样本数,实现集合样本增加到3倍。对集合方差进行膨胀,并选择水平局地化相关尺度为流函数背景误差水平相关的1.4倍。通过批量数值试验方法确定背景误差与集合预报误差的权重系数,对60个集合样本当集合预报误差权重为0.7时预报效果最好。对北半球夏、冬两季各52 d的批量试验表明,对于南、北半球En4DVar （ensemble 4DVar）较4DVar的改进在冬季主要集中在700—30 hPa,而在夏季主要集中在400—150 hPa。赤道地区受季节影响较小,En4DVar对位势高度、风场与温度的改进都较为明显,且经向风场的改进最为显著。文中研发的集合预报误差在GRAPES全球4DVar中应用的方法合理可行。      

大气臭氧与气溶胶垂直分布的高空气球探测

本文给出了1993年9月12日利用高空科学气球在河北省香河地区探测到的大气臭氧和气溶胶的垂直分布。结果发现:(1) 大气臭氧的数密度在整个对流层较低(～10[12]mol/cm3)，并从地面到对流层顶略有下降；对流层顶以上开始快速增加，极值层高度在～24 km，其值为4.78×10[12]mol/cm3；臭氧分压有类似的分布特征，极值146×10[-4]Pa，位于同一高度；(2) 在平流层低层，臭氧分压有一个次极值62×10[-4]Pa，位于15～16 km；(3) 0～30 km大气气溶胶数密度呈现出三个峰值:143，8和1.1 个/cm[3]，分别位于近地面、5 km和21 km；（4）气溶胶的数密度谱在对流层为双模态；在平流层，次峰消失。同时，我们还与其他观测结果作了比较分析。     

全球资料同化中误差协方差三维结构的准确估计与应用Ⅰ:观测空间协方差的准确估计

观测误差与背景误差协方差在四维资料同化和业务资料分析系统中起到决定性作用,它决定着观测信息与背景初猜值信息的相对重要性以及这些信息在空间及不同变量间的扩展方式.由于实际大气的真值并不知道,需要发展不同的技巧来估计观测误差与背景误差协方差,其中在观测空间利用观测与背景初猜值之差来分离观测误差与背景误差协方差的方法估计出的结果较为准确,其估计出的观测误差可直接用于资料分析系统中,背景误差可作为标尺来度量其他方法估计结果的可靠性.文章采用国家气象中心T213L31全球中期分析预报系统的6 h预报作为背景初猜场及同时段冬夏两个季节的北半球探空,利用贝塞尔函数拟合方法来分离观测误差与背景误差协方差,并比较了东亚区、北美区、欧洲区3个探空资料均匀密集区的区域与季节变化结果.结果表明,观测空间拟合方法所要求的水平均质、各向同性在欧洲区和北美区成立程度较好,在东亚区略差,使用时需要斟酌.此外均方差区域间差别较大,在冬季明显大于夏季,温度场偏大0.2 K,风场偏大0.9 m/s.温度场在400 hPa以下与150 hPa以上,背景误差略小于观测误差,而在200-300 hPa,背景误差略大一些.风场的特点与温度场比较一致.温度与风场背景误差主要集中在前40波,并在20波左右达到最大,水平相关季节区域差别不大,而温度垂直相关比风场窄,两者相关范围比较大的波数主要集中在前20波.此外利用贝塞尔函数拟合方法获得结果的分析表明,在质量场中不同区域季节间温度误差的稳定性要明显好于高度场,涡度散度的稳定性要明显好于流函数和势函数,特别是对于特征长度更为明显.这表明利用贝塞尔函数拟合方法获得的结果对校准在全球资料同化中采用温度、涡度散度作为资料同化的分析变量具有一定的优势.     

BALLOON-BORNE MEASUREMENTS OF AEROSOL VERTICAL DISTRIBUTIONS OVER BEIJING DURING THE SUMMER AND AUTUMN OF 1993

The results of two balloon soundings during the summer and autumn of 1993 from the Xianghe Observation Station are being utilized in a study of the temporal and spatial distribution of the atmospheric aerosols.The balloon,gondola,instrumentation and atmospheric conditions during the observation period are described.The temporal and spatial characteristics of aerosol concentration,size ratio,mixing ratio,and size distribution for both troposphere and strato-sphere are presented and analyzed.     

NUMERICAL SIMULATION OF METHANE EMISSIONS FROM RICE PADDY FIELDS IN THE YANGTZE DELTA OF CHINA*

A numerical simulation model is presented in this paper,which comprises the processes of crop growth,soil organic carbon decomposition,and methane emissions in agroecosystems.Simulation results show that the model can simulate the main process of methane emissions well,and the correlation coefficient between the simulated values and observed data is 0.79 with 239 samples,which passed a significance test of 0.01.The average error of methane emission simulation in whole growth period is about 15%.Numerical analysis of the model indicates that the average temperature during rice growth period has much impacts on methane emissions,and the basic trend of interannual methane emissions is similar to that of average temperature.The amount of methane emissions reduces about 34.93%,when the fertilizer is used instead of manure in single rice paddy.     

山东省冬小麦产量动态集成预报方法

在新型统计检验聚类分析 (CAST) 方法对山东省冬小麦种植区进行合理分区的基础上,利用基于作物产量历史丰歉气象影响指数、关键气象因子影响指数、气候适宜度指数、WOFOST (world food study) 作物生长模型分别建立各区域冬小麦产量动态预报方法,利用这4种方法分别对2004—2011年山东省冬小麦产量进行动态预报,在分析历史预报结果平均准确率的基础上,剔除预报准确率低于90.0%的预报方法,确定每种方法的权重系数,采用加权方法建立山东省冬小麦产量动态集成预报方法。结果表明：4种单一产量预报方法在各区域各时段的预报准确率很不稳定,波动范围较大。而集成预报方法对山东省各区域冬小麦产量动态预报准确率相对于4种单一预报方法均有所提高,预报准确率普遍在95.0%以上,且其预报结果稳定性较好,变化比较平稳, 集成预报方法更适合在业务上应用。     

Characteristics of groundwater flow field after land creation engineering in the hilly and gully area of the Loess Plateau

In order to study the degree of influence and control mechanism to groundwater flow field caused by land creation engineering in the hilly and gully area of the Loess Plateau, based on the geological and engineering conditions of the first stage project of Yan’an new district in China, numerical simulation of groundwater flow is carried out by the Feflow and GIS technologies. From the simulation, punning measure relatively reduces infiltration recharge and artificial gravel drain increases groundwater seepage. The basic characteristics of groundwater flow field is controlled by the old and new topographies in the whole study area, and artificial gravel drain plays an auxiliary role in accelerating groundwater drawdown upstream and promotes groundwater rise downstream. According to differences of groundwater level and declining percentages of hydraulic gradient in the main and secondary gullies, dewatering of artificial gravel drain in the secondary gully is more effective than that in the main gully, which will yet play an important role in the future. The study results will make contributions to understand groundwater response to land creation engineering and will be beneficial to take necessary measures to prevent collapse of loess and failure of building foundation in the hilly and gully area of the Loess Plateau.     

辐射和积云对流过程对大气辐射通量的影响

基于中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室发展的全球大气环流谱模式(SAMIL-R42L26),研究了澳大利亚气象局研究中心(BMRC)新辐射方案和新Zhang-McFaflane积云对流方案对大气辐射通量模拟的影响.新辐射方案相比原辐射方案在辐射计算光谱分辨率、气体吸收和计算效率等方面作了很多改进,其对大气辐射通量的模拟能力相应提高.在晴空条件下,大气顶出射长波、大气吸收短波和地表入射短波等与观测的偏差较原辐射方案明显减小,尤其是在对流活跃区域.在云天条件下大气辐射通量与观测的偏差也较原辐射方案减小,但其偏差依然较大,这与模式中积云对流参数化方案模拟能力不足引起的辐射通量偏差有关.为此,换用了新Zhang-McFarlane积云对流方案,其结果表明,对流活跃区水汽含量显著增加,原对流方案中偏强的"双赤道辐合带"现象明显减弱,赤道辐合带地区的大气辐射通量偏差有明显减小,在海洋地区晴空大气顶出射长波和地表入射短波的量值及空间分布均接近观测结果,同时大气顶全球平均能量收支的年变化和观测结果趋于一致,其中模拟的伞球年平均大气顶能量收支和观测的偏差不到0.6 W/m2.试验结果同时表明,在未来研究中引入气溶胶分布、调整相关的云物理和陆面过程等物理参数化方案是进一步提高SAMIL-R42L26辐射通最模拟性能的关键.