CMA-GFS V4.0模式关键技术研发和业务化

针对CMA-GFS V3.3强降水预报偏弱、西北太平洋副热带高压等天气系统预报衰减偏快以及模式计算效率偏低等问题,对模式物理过程与动力框架关键技术开展研发改进。在预报性能方面,通过在云微物理方案中增加霰粒子相关的微物理过程、调整蒸发速率,并在积云对流方案中改进触发条件、卷入率、准平衡闭合假定等关键因子的参数化方法,缓解模式强降水预报不足和小雨过多的问题;采用质量守恒修正算法解决模式长时间积分质量损失问题,改善天气形势预报。在计算效率方面,研制二维参考廓线方案延长模式积分时间步长,开发预条件经典斯蒂菲尔迭代（PCSI）算法提高Helmholtz方程的求解效率,对辐射方案、预估-修正算法等进行计算效率优化。通过上述关键技术的研发和应用,CMA-GFS在降水和天气形势方面的预报技巧得到显著提升,计算效率提高1/3左右,满足模式在0.125°分辨率下业务运行的时效要求,为CMA-GFS V3.3升级到V4.0奠定了基础。     

海洋环流模式中不同近似假设下的海表高度

Boussinesq近似是现代海洋环流模式中经常采用的假设，但随着海洋模式的不断发展完善以及气候研究应用的需要，有必要估算Boussinesq近似造成的模式误差。分别利用一个非Boussinesq近似的海洋模式与另一个结构相同且采用Boussinesq近似的模式计算海表高度，并同时利用模式预报的温度、盐度资料计算了比容异常高度。分析结果显示，这3种不同定义的海表高度无论空间结构，还是时间演变，都基本类似，尤其在热带海区最接近，差值≤1cm。Boussinesq近似意味着在模式中以体积守恒代替质量守恒，通常的做法是对其进行简单的质量补偿来保持质量守恒。比较说明，以质量补偿方法进行的高度订正对减小Boussinesq近似带来的误差没有本质的意义。     

质量守恒的订正算法在GRAPES_GFS中的应用

如何在长时间积分的过程中保证模式大气的质量守恒是数值模式动力框架面临的基本问题之一,对于半拉格朗日动力框架来说, 在理论上要满足质量守恒面临着诸多的困难,质量订正方案不失为一种简单可行的选择。中国气象局数值预报中心的GRAPES_GFS (Global-Regional Assimilation and PrEdiction System, Global Forecast System) 在长时间积分过程中质量损失问题较为明显,该研究工作借鉴C-CAM (Climate-Community Atmosphere Model) 中对地面气压进行订正控制模式质量守恒的思路,在GRAPES_GFS中开发了一种对每个网格内的质量按照不同权重系数进行调整、控制模式大气总质量守恒的算法。经过一系列的试验,验证了该方法在GRAPES_GFS中的可行性,在保证模式质量守恒的情况下可有效减小高度场的预报偏差,缓解模式预报结果中天气系统偏弱的问题,在实际业务预报中有一定应用价值。     

用稳定同位素方法估算大型浅水湖泊蒸发量——以太湖为例

湖泊蒸发量的准确估算对于水文学、气象学和湖泊学等研究有重要的意义.基于2013-2015年太湖水量收支资料、气象观测数据和稳定同位素观测资料,采用稳定同位素质量守恒模型、水量平衡法和Priestley-Taylor模型估算太湖蒸发量,分析太湖蒸发量的季节变化和年际变化特征,并以Priestley-Taylor模型结果为参考值,评价水量平衡法和同位素质量守恒方程的计算精度.结果表明:5-9月太湖蒸发量较高,冬季最低.2013-2015年太湖年总蒸发量分别为1069、894和935 mm,蒸发量的年际变化受到天气条件的影响.2013年12月2014年11月期间,用Priestley-Taylor模型计算的湖泊蒸发量为885 mm;同位素质量守恒模型的估算结果较一致,为893 mm;而水量平衡方程的估算结果明显偏高,为1247 mm.     

6个环保关键词

碳交易 这就像物理中的质量守恒的原理。假如碳排放的总量是限定好的,那么在这个框架内,我们就可以通过技术升级来降低碳排放。每个国家都有相应的“指标”,比如说今年全球限定排放100单位的碳排放量,A国获得15的指标,B国获得10的指标,     

基于质量守恒的示踪测速模型及实证

示踪测井技术能准确测定地下水渗透流速,传统方法适用于没有垂向流的测井。总结了前人的研究,结合工程实际引入函数vv(z)和vh(z),并根据示踪剂质量守恒的原理建立了基于质量守恒的示踪测速模型,考虑了测井中水流垂向运动的影响。最后利用模型计算了存在较强垂向流的小浪底反调节水库6#井的渗透流速,计算结果与水库渗漏勘探结果一致,说明模型的计算结果是正确的,能排除垂向流的干扰,模型有较强的实际应用价值。     

地倾斜固体潮O1和K1日波分潮的海潮效应

本文采用沈育疆等编绘的海潮图,用Farrell给出的地倾斜负荷格林函数褶积积分法,计算了海潮O₁和K₁分潮对我国北京等12个测站地倾斜固体潮的海潮效应。对泰安等测站地倾斜固体潮的观测值进行了海潮改正。     

氢和氧稳定同位素示踪湖泊蒸发的对比研究

氢氧稳定同位素被广泛用于水文循环过程的研究。本文观测了2015年太湖湖水H~2HO和H_2~(18)O组分,分析了它们的时空变化规律及其控制因子,探讨亚热带大型浅水湖泊的同位素富集机制;基于稳定同位素质量守恒法计算太湖蒸发量;评价了动力分馏学系数的传统湖泊算法与海洋算法的适用性;重点分析了H~2HO和H_2~(18)O示踪湖泊蒸发的效果,对比二者之间的差异。研究结果表明,在空间上,太湖湖水和河水的氢氧同位素在南部特别是东南部较为富集但在北部区域较为贫化,这主要是受水流方向的控制,东南部湖水经历的蒸发时间较长,因此湖水中同位素累积较多;在季节上,冬季湖水同位素较贫化、春夏季较富集。对于2015年太湖的年蒸发量,用氢同位素示踪的结果与观测值较一致,为880mm;氧同位素的示踪结果略低,为690mm。使用传统湖泊研究中对动力学分馏系数的取值,会导致蒸发被显著低估,而氧稳定同位素的示踪结果对动力学分馏系数的取值更为敏感,同时氢稳定同位素在同位素分馏过程中主要是平衡分馏效应占主导,因此H~2HO在动力学分馏系数的参数化方案中影响较小,在实际应用中更为稳定。本文的研究结果表明了稳定同位素水文学研究中使用合适的动力学分馏系数的重要性。     

海潮负荷潮的研究

本文讨论海水质量守恒改正和等潮图的差异对计算负荷效应的影响,并研制海潮主要分波的球谐模型。数值计算结果表明:在按Schwiderski全球1°×1°等潮数据计算中国大陆的海潮负荷效应时,须用我国更精细的近海潮汐资料对其进行修正,同时还应该进行海水质量守恒改正。用褶积和级数相结合的方法计算倾斜海潮负荷潮的精度为0.04ms。     

海洋生态系统动力学模型的稳定性和Hopf分岔研究

海洋生态系统动力学模型的可预测性是模型应用的重要限制因子之一,而模型稳定性则是模型可预测性的前提。本文提出了一个基于降维理论的方法,用于研究质量守恒的营养盐-浮游植物-浮游动物-碎屑(NPZD)这类海洋生态系统动力学模型的稳定性和Hopf分岔。研究结果显示,NPZD模型的非奇异平衡点是稳定的,而当模型参数在临界值附近变动时可能会发生Hopf分岔。同时,本文采用数值模拟的方法对该理论分析结果进行了实例验证。本文提出的基于降维理论的方法能够从理论上有效分析质量守恒系统的稳定性问题和Hopf分岔。