1980—2018年黄河上游气候变化及其对生态植被和径流量的影响

黄河上游是黄河流域最重要的水源涵养地和产流区,对黄河流域的水资源安全、生态环境和粮食安全有决定性的意义。近年来在西北地区气候暖湿化的背景下,黄河上游气候生态水文等问题受到了各方的高度关注。本文利用卫星遥感数据、格点融合数据和水文监测数据,分析了黄河上游气候的多尺度变化特征及其对植被和径流量的影响。结果表明：1）1980-2018年黄河上游暖湿化趋势呈现全区域较一致的气候特征,温度增加率为0.023℃/a,降水增加率为1.09 mm/a,但同时又存在明显的区域差异性,湟水流域至甘肃中部降水增加最显著,宁蒙荒漠地带增温趋势最明显,2000年以来整个黄河上游降水明显增加。2000年后汇流区与流径区的蒸散发明显增加,但源头区南部波动减少。2）当前的暖湿化有利于黄河上游植被生长,1999年以来汇流区和源头区部分区域的植被增加率达到0.04/（10 a）;从长期趋势看,源头区、汇流区植被指数与上年降水呈显著正相关关系,而流径区植被指数与当年降水相关性显著;降水对黄河上游流域植被具有明显的改善作用,而温度对其影响较复杂,各区域不同的植被类型是导致降水、温度、蒸散影响存在差异的可能原因。3）1980-2018年唐乃亥站和兰州站的年径流量均呈减少趋势,但1998年以来两站的年径流量明显增加,兰州站年径流量的增加率是唐乃亥站的近3倍。长期趋势表明,唐乃亥站年径流量与当年降水呈显著正相关关系,兰州站年径流量与当年降水、蒸散的相关系数均明显低于唐乃亥站;从年际波动看,降水是决定年径流量的最主要影响因子,而生态植被、冻土退化、水储量变化及社会活动等因素对径流量的影响也不容忽视。该研究为科学应对黄河上游生态保护及实现黄河流域高质量发展提供了参考依据。     

利用奇异谱分析提高极移中长期预报精度

由于空间大地观测数据传输耗时及处理过程复杂, 导致极移测量值的获取存在时延, 无法满足对高精度的极移预报值有重大需求的应用领域. 针对极移复杂的时变特性, 提出一种基于奇异谱分析(singular spectrum analysis, SSA)的预报方法. 首先用SSA分离提取极移时序中的高频组分与低频组分; 其次建立最小二乘(least square, LS)外推与自回归(AutoreGressive, AR)模型对极移高频和低频组分进行组合预报. 结果表明, SSA方法能够准确地分离和提取极移低频和高频组分, 对低频和高频组分组合预报可以显著改善极移的中长期(30--365d)预报精度, 与国际地球自转和参考系服务局(International Earth Rotation and Reference Systems Service, IERS)提供的A公报中的极移预报值相比, SSA方法对极移PMX分量(本初子午线方向)和PMY分量(西90$^\circ$子午线方向)的中长期预报精度改进最高分别可达45.97%和62.44%. 研究结果验证了SSA方法对极移中长期预报改进的有效性.     

大型射电望远镜主反射面调整方法研究

随着毫米波天文学和空间通信的重要性日益提高, 对天线性能提出了越来越高的要求, 而天线性能往往受到其反射器表面精度的限制. 微波全息技术是一种快速有效的检测反射面天线表面轮廓的测量技术. 通过微波全息测量得到天线口径场, 计算天马65m射电望远镜反射面与理想抛物面的偏差. 天马65m射电望远镜的主反射面板是放射状的, 有14圈. 面板的每个角都固定在面板下方促动器的螺栓上进行上下移动, 且相邻面板交点处的拐角共用一个促动器. 采用平面拟合的方法可以计算各块面板拐角处的调整值, 但是同一个促动器会得到4个不同的调整量. 通过平面拟合, 同时以天线照明函数为权重的平差计算方法得到相邻面板拐角的一个平差值, 即天马65m射电望远镜1104个促动器的最佳调整值. 通过多次调整和新算法的应用, 天马65m射电望远镜反射面的面形精度逐渐提高到了0.24mm.     

高层大气密度的午夜极大值特征分析与建模

利用CHAMP (CHAllenging Minisatellite Payload)、GRACE-A (Gravity Recovery and Climate Experiment-A)、SWARM-C (The Earth''s Magnetic Field and Environment Explorers-C)等3颗极轨卫星的资料, 研究360—480km高层大气密度在低纬度区域的午夜极大值(Midnight Density Maximum, MDM)现象. MDM一般出现在23:00- 02:00 LT (Local Time)之间,峰值位置在低纬度15°以内,谷值位置在中纬度35°-45°附近,整体略偏向南半球,振幅约为平均密度的26%.随着高度增大以及太阳辐射水平的增强,MDM振幅呈减小趋势;冬至和夏至日附近的季节效应会减弱MDM振幅,在春秋分日的振幅最大.用3个主流大气模型DTM2000 (Drag Temperature Model 2000), NRLMSISE00 (US Naval Research Laboratory, Mass Spectrom-eter and Incoherent Scatter radar)和JB2008 (Jacchia- Bowman 2008 model)对MDM进行模拟,JB2008没有刻画出MDM现象;另两个模型低估了MDM效应,在360km和480km两个高度DTM2000模型的振幅仅为观测的46%和53%, NRLMSISE00模型仅为观测的33%和26%;模型没有准确刻画出MDM与高度、辐射水平和季节的关系.联合3颗卫星的资料,研究了-种基于地理纬度的6阶勒让德多项式,同时融合地方时和高度因素的经验函数,在振幅和相位上可以较好地刻画MDM特征,相关系数达到0.923,可为大气密度模型的修正提供借鉴,服务于低轨道航天器高精度轨道预报.     

基于全球及区域气候模式的江苏省降水变化趋势预估

利用气象观测资料,8个全球耦合气候系统模式的集合平均以及区域气候模式(RegCM4)的结果,通过方差分析、相关分析、趋势分析、扰动法等方法对模式性能进行了评估,并对江苏省在未来RCP8.5高端排放情景下降水的变化趋势进行了预估。结果表明,在RCP8.5情景下,至2020、2030和2050年,全球模式模拟的江苏省年平均降水在未来有逐渐增加的趋势,线性增加率约为7 mm/(10 a)。至2050年,江苏省年平均降水量将增加2%左右;区域模式模拟的年平均降水在未来线性增加率为1.5 mm/(10 a),变化不显著。区域模式模拟的夏季降水在未来有所增加,最多可增加20%～30%,但增幅随时间逐渐减小;全球模式模拟的夏季降水比现在有所减少,至2050年,减少了大约10%。区域模式模拟的冬季降水在未来不同时间段均比现在有所减少,同现在相比,最多可减少30%～40%;而全球模式模拟的冬季降水在未来则是先减少,后增加,至2050年,比现在大约增加10%。对于不同季节,总体而言,南部地区降水量的变化较北部地区显著。对于极端降水事件来说,江苏省未来小雨日数将减少,而暴雨日数则微弱增加。但由于全球模式本身的性能、区域模式对全球模式的依赖性以及温室气体排放的不确定性使上述预估结果仍具有不确定性。     

北太平洋冬季西部发展型天气尺度涡旋对平均流的影响

在中纬度北太平洋大气强斜压区,存在频繁的天气尺度涡旋活动,通过水分、动量和能量输送维持大气环流。为了进一步研究天气尺度涡旋发生发展与大尺度环流之间的联系,利用1981—2013年再分析资料,筛选出西部发展型天气尺度涡旋114个偏强日和87个偏弱日,给出了西部发展型天气尺度涡旋异常导致的动力和热力强迫的变化,同时从能量转换的角度分析了西部发展型天气尺度涡旋与平均流之间的相互作用,并探讨了其与西太平洋遥相关型的关系。结果表明:西部发展型天气尺度涡旋通过动力强迫和热力强迫影响平均流,其中动力强迫主要造成北太平洋中纬度上空的西风气流加速并向北移动;热力强迫的作用则是减弱中纬度大气斜压性。同时,强西部发展型天气尺度涡旋有利于西北太平洋上空对流层低层斜压有效位能向扰动动能的转化增大和扰动动能向平均流的转化增大,有利于中纬度地区对流层高层平均流向扰动动能的转化增大。此外,西部发展型天气尺度涡旋通过与平均流的作用,对维持西太平洋遥相关型的负位相有一定影响。     

基于卡尔曼滤波的中国区域气温和降水的多模式集成预报

利用TIGGE资料集下欧洲中期天气预报中心(ECMWF)、日本气象厅(JMA)、美国国家环境预报中心(NCEP)、中国气象局(CMA)和英国气象局(UKMO)5个模式预报的结果,对基于卡尔曼滤波的气温和降水的多模式集成预报进行研究。结果表明,卡尔曼滤波方法的预报效果优于消除偏差集合平均(BREM)和单模式的预报,但是对于地面气温和降水,其预报效果也存在一定的差异。在中国区域2 m气温的预报中,卡尔曼滤波的预报结果最优。而对于24 h累积降水预报,尽管卡尔曼滤波在所有量级下的TS评分均优于BREM,但随着预报时效增加,其在大雨及以上量级的TS评分跟最佳单模式UKMO预报相当,改进效果不明显。卡尔曼滤波在地面气温和24 h累积降水每个预报时效下的均方根误差均最优,预报效果更佳且稳定。     

一个ENSO多模式集合预报系统介绍

厄尔尼诺-南方涛动(El Ni?o and Southern Oscillation,简称ENSO)是短期气候预测的主要可预报性来源.为提高ENSO的预报水平,我们构建了一个包含5个动力耦合模式的多模式集合预报系统,其中各个模式具有不同的复杂程度、参数化方案、分辨率、初始化和集合扰动生成方案,以尽可能全面地考虑各种不确定性对预报结果的影响.回报试验结果表明:多模式集合的预报效果明显好于任何一个单一模式,其显著降低了均方根误差,并提高了异常相关性技巧.该多模式集合的预报效果可以比肩甚至优于同期北美多模式比较计划中的ENSO多模式集合预报技巧.此外,多模式集合预报能够削弱“春季预报障碍”的影响,提供更为可靠的概率预报.实时预报能够提前六个月准确地捕捉到近期连续两年的拉尼娜事件,并且该系统从2022年4月开始的预报也显示出连续三年拉尼娜事件的可能性.总体来说,这一多模式集合预报系统能够提供比任何模式成员更加准确的确定性预报和概率预报.这些改进主要得益于:一方面不同模式之间的优势互补增加了可预报信息,另一方面该系统集合成员规模较大有助于更为合理地刻画预报不确定性的分布.     

云南省鹤庆盆地2.78Ma以来的环境演化

通过构建于新沂河河漫滩上的表面流人工温地系统处理污染河水的现场中试研究表明,在CODMn和NH4 -N进水浓度分别为11．69-60．00 mg／L和1．37-20．18 mg／L时,种植千屈菜、美人蕉、香蒲、水葱4种不同植物的表面流人工湿地系统,对CODMn的平均去除效率分别为26．44％、40．12％、46．71％、28．23％,对NH4 -N的平均去除效率分别为64．27％、70．49％、66．78％、58．52％,其中香蒲和美人蕉的净化能力较强．4种植物中水葱的耐淹能力最强,在完全淹水达22 d以上时,水葱依然生长良好;千屈菜的耐淹能力最弱,在完全淹水7 d后就开始枯萎,淹水17 d后地上、地下部分全部死亡．     

多波束数据处理中的UTM直角坐标与经纬度坐标转换技术

简要介绍了地图投影的一般概念,重点描述了UTM的优点及其与大地坐标之间的相互转换,该转换方法软件化后形成的技术可以为多波束数据后处理商业软件提供坐标转换的补丁技术。最后附上部分经实际检验的Fortran程序供参考。