用非线性最优化方法研究El Nio可预报性的进展与前瞻

综述用非线性优化方法研究厄尔尼诺(El Ni~no)南方涛动(ENSO)事件可预报性的进展。针对ENSO可预报性研究中的热点问题———“前期征兆”、“春季可预报性障碍”,以及如何量化研究ENSO可预报性和ENSO的不对称性问题,作者在近年来的工作中先后用理论模式和中等复杂程度ENSO模式研究了ENSO可预报性的动力学,揭示了ENSO的若干重要非线性特征。主要结果如下:(1)条件非线性最优扰动(CNOP)(局部CNOP)比线性奇异向量更易发展成ENSO事件,扮演了ENSO的最优前期征兆。这些ENSO事件关于气候平均态是不对称的。理论分析表明,非线性温度平流过程是造成这种不对称性的重要原因。1980~2002年的海洋再分析资料验证了上述理论结果。(2)ENSO事件CNOP型初始误差的发展有明显的季节依赖性,该误差导致了ENSO事件最显著的春季可预报性障碍(SPB)现象。ENSO事件SPB的发生不仅依赖于气候平均态,而且依赖于ENSO事件本身及其初始误差模态,是三者综合作用的结果。(3)建立了关于ENSO可预报性的最大可预报时间下界、最大预报误差上界和最大允许初始误差下界的三类可预报性问题,分别从三个方面揭示了ENSO事件的春季可预报性障碍现象,比较有效地量化了其可预报性。(4)通过CNOP方法,揭示了非线性温度平流在年代际尺度ENSO不对称性研究中的重要作用,解释了ENSO不对称性的年代际变化,基于所用ENSO模式给出了ENSO不对称性年代际变化的机制。最后,展望了非线性优化方法在ENSO可预报性中应用的前景,并期望该方法能拓展到ENSO第二类可预报性问题的研究中。     

一次秋季冷锋降水过程气溶胶与云粒子分布的飞机观测

利用机载PMS（Particle Measuring Systems）测量系统,对2008年10月4—5日石家庄地区一次冷锋降水云系的3次气溶胶和云粒子探测资料进行了分析。结果表明,冷锋过境降水前后,气溶胶粒子分布差异较大。降水发生前,气溶胶粒子平均数浓度约为103cm-3,平均直径为0.95μm;气溶胶主要集中于3000m高度以下的对流层低层,云内气溶胶数浓度明显减少。降水发生后,气溶胶粒子平均数浓度约为102cm-3,比降水前约小1个量级,平均直径为1.28μm;气溶胶主要集中于1200m以下的近地面层,其数浓度随高度增加而降低。气溶胶粒子浓度在低层云区内水平变化较小,而在无云区和云下近地层水平起伏较大。云粒子平均浓度比气溶胶小1～2个量级。气溶胶粒子平均谱主要呈双峰型,而云粒子谱主要为单峰型。     

徐州持续性霾过程的季节特征分析

利用常规气象观测资料、NCEP再分析资料及污染物浓度小时资料,从天气形势、地面气象要素特征、污染物浓度变化、霾形成及维持的机制等方面,分析了徐州2013年持续性霾过程的季节特征。结果表明：秋、冬季中高层为西到西北气流,低层暖脊,地面为高压后部或鞍型场;春、夏季在中高层西南风、低层高压后部偏南气流、地面风场不是很弱的情况下出现持续性霾。秋、冬季霾日夜间风速接近静风,白天风速较夜间略大,风向以偏北和偏东居多;春、夏风向、风速相对稳定,风速维持2~3 m·s-1,风向多为东到东南。秋、冬季出现霾时层结稳定,具有明显的贴地层逆温结构,逆温层顶较低,春季逆温层顶略高于秋、冬季,而夏季出现霾时可以是不稳定的层结,低层也不具备明显逆温特征。冬、夏季霾区上空多为微弱的上升运动,高度不高,其上为下沉气流;春、秋季夜间到早晨霾区上空多为下沉气流。     

河北大茂山碘化银地面发生器增雪作业影响分析

利用常规气象资料、MICAPS资料和NECP/NCAR再分析资料,结合高斯模拟,分析了2012年11月10日唐县大茂山地基碘化银发生器增雪作业的作业条件。结果发现,此次天气背景为自西南向东北移动的冷涡云系,根据帕斯奎尔(Pasquill)稳定度分类法得出作业时间段大气处于中性层结状态;高斯模式模拟得出,有效的AgI浓度向上扩散范围高达3.0 km;作业点作业时段上空至3.2 km均处于上升气流区,计算出作业点发生器出口温度1.0℃。因冬季人工观测云底高度多为2.5~3.0 km,综合分析认为,该作业点的选址是合适的,此次作业条件较好,可以将催化剂输送到云中,起到催化作用。     

中国东北和西北区域三种再分析资料与探空资料的温度对比分析

利用中国105站的探空资料以及NCEP/NCAR、ERA和JRA三种再分析资料,采用均方根误差、趋势分析等多种统计分析方法,对再分析资料的高空温度在中国东北和西北区域的可信度进行了分析。结果表明：在气候平均方面,JRA资料相比于探空资料的均方根误差较小,冬季的均方根误差较小,西北区的均方根误差普遍大于东北区;在年际变化方面,东北区三种再分析资料在低层的反映程度明显好于高层,西北区各层三种再分析资料与探空资料的差值普遍比东北区大;在长期变化方面,三种再分析资料在对流层低层都较好,东北区NCEP资料能更好地反映探空资料高层的降温趋势,而在西北区,则是JRA资料能更好地反映探空资料高层的降温趋势。     

20世纪80和90年代华北干旱特征及成因分析

在全球气候变暖背景下,20世纪80年代和90年代几乎有一半的年份出现干旱,90年代华北的干旱频率比80年代更高。本文从干旱基本状况、干旱强度和干旱空间分布出发,对华北地区这两个年代的干旱进行了比较,并从对全球气候变暖的响应和大气环流场特征等方面,探讨了这两个年代干旱的成因。研究表明,在干旱强度和空间分布上,90年代明显强于80年代。对全球气候变暖的响应90年代明显强于80年代,表现了更显著的增暖趋势。80年代的干旱年中北极涛动显著增强,中高纬度地区为气压正距平带控制;90年代的干旱年中北半球中高纬度地区为正负距平波列相间分布,存在EU和PNA遥相关型。本文还定义了西伯利亚高压指数,该指数90年代显著高于80年代,且与华北地区降水显著相关,可以作为华北地区旱涝预测的指标。     

提高模式分辨率后热带气旋生成迟缓的原因分析

利用目前国际上最先进的中尺度WRF模式模拟热带气旋生成,网格分辨率从9 km增加到3 km,3 km网格中积云参数化方案不起作用,依靠微物理方案来模拟对流尺度系统特征,模式中热带气旋的生成过程变得迟缓。当低压扰动发展到一定程度后再加入3 km网格,生成过程有加快趋势。本研究针对该现象进行分析。结果表明:只用微物理方案使低层(950～700 hPa)风速的垂直切变减小,不利于对流发展;切变减小主要是由于动量垂直输送项的差异所致。在加入细网格的6 h内,低层对流尺度(减去区域平均)的动量垂直输送量平均增加了一倍,某些时刻达到了5倍以上;动量混合增加是由于微物理方案模拟的垂直速度增加所致。此外,只用微物理方案导致对流有效位能迅速被消耗。低层垂直切变和对流有效位能的减小都不利于对流发展,从而导致热带气旋生成发展过程迟缓。本研究表明,目前WRF中的微物理方案在模拟热带气旋生成过程中的对流发展时仍然存在问题。     

云南月气候变化的一种多时间序列预测模型

为了充分利用过去和现在对气候系统进行定时观测而积累的大量数据 ,本文提出了月气候变化的一种多时间序列逐月滚动预测模型 ,并从与云南月气候变化有某种物理关系的 2 0多个时间序列出发 ,实际建立了一个云南月气候变化的多时间序列逐月滚动预测模型。在提前预测的时间尺度为 2个月的条件下 ,该模型对云南 80个气象观测站点 1995年 1月— 1999年 10月的逐月雨量和气温预测结果检验的最新业务标准评分平均可分别达到 6 6 .7%和 79.0 %。该评分成绩已明显高于云南省气象台目前的实际业务预测水平 ,并达到了“九五”攻关的目标要求 ,因此该模型的建立具有重要的实际意义     

基于GPS的MODIS近红外可降水量季节性模型建立

在考虑可降水量季节性变化的基础上,提出利用GPS数据建立MODIS近红外可降水量季节性模型。首先对比分析2014年北京房山(BJFS)站的GPS可降水量和相应时间的MODIS近红外可降水量数据,发现两者之间的变化趋势基本一致,存在显著线性相关性;然后以GPS可降水量为标准值,利用回归分析建立GPS和MODIS可降水量之间的季节和全年校正模型。经检验,GPS可降水量与四个季节模型校正的MODIS近红外可降水量的均方根误差均小于3mm,最大误差不超过6mm,季节校正模型的精度都要高于全年校正模型。