联合资料同化理论及其研究进展

联合资料同化是在"集合预报与资料同化一体化"的思想框架下研究发展的一种数值预报新理论和新方法。它在变分同化系统框架的基础上,充分利用集合预报结果,构造"流依赖"的背景误差协方差,提高对不同尺度天气系统背景误差协方差的刻画能力,进而改善分析和预报的质量。目前该方法已引起国际各主要气象业务中心广泛关注,极具业务应用潜力。本文以联合ETKF-3D-Var为例简要介绍了联合资料同化理论及其研究进展,也说明了联合资料同化的应用前景。     

一套格点化的中国区域逐日观测资料及与其它资料的对比

为高分辨率气候模式检验等的需要,基于2400余个中国地面气象台站的观测资料,通过插值建立了一套0.25°×0.25°经纬度分辨率的格点化数据集(CN05.1).CN05.1包括日平均和最高、最低气温,以及降水4个变量.插值通过常用的"距平逼近"方法实现,首先将计算得到的气候平均场使用薄板样条方法进行插值,随后使用"角距权重法"对距平场进行插值,然后将两者叠加,得到最终的数据集.将CN05.1与CN05、EA05和APHRO三种日气温和降水资料(四种资料的分析时段统一为1961-2005年)进行对比,分析了它们对气候平均态和极端事件描述上的不同,结果表明几者总体来说在中国东部观测台站密集的地方差别较小,而在台站稀疏的西部差别较大,相差最大的是青藏高原北部至昆仑山西段等地形起伏较大而很少或没有观测台站的地方,反映了格点化数据在这些地区的不确定性,在使用中应予以注意.     

6级左右历史地震震源参数的模拟估计

本文借鉴直接拟合烈度数据点和枚举震源参数的做法,设计了一种利用烈度资料估计6级左右历史地震震源参数的方法.该方法对震源参数所有可能的组合进行枚举,采用地震波场模拟计算转换的理论烈度值,利用模型选择方法评估各可能的震源参数组合模型与历史破坏记录推断的地震烈度数据点的拟合程度,对震源参数做出估计.该方法充分考虑到历史资料相对稀少对震源参数估计的影响,以多种震源参数估计结果和相应权重值来定量化表示估计的不确定性.通过对给定震中位置、震源深度和滑动角的Bootstrap数值恢复检测与2006年美国Parkfield 6.0级地震实例的测试,表明该方法得出的震源参数估计结果具有统计一致性和一定的无偏性.将该方法应用于1882年河北深县6级地震的震源参数估计,结果显示东西向旧城北断层或何庄断层及北东东走向的深西断层为深县地震的发震构造的可能性较大.     

地球自由核章动及核幔耦合的研究

由于地球自转导致的自由核章动(FCN)及内核自由章动(FICN)等地球简正模是地球内部动力学过程的重要表征,也是认识核幔边界和内外核边界的重要手段,其包含的物理信息可为目前地球深部的研究手段比较匮乏的情况下获得地球深内部结构及物理性质和研究核幔及内外核耦合提供非常重要的约束。本文围绕地球自由核章动利用全球地球动力学计划观测网提供的全球超导重力观测资料和国际VLBI服务组织提供的章动观测资料,采用不同方法研究了自由核章动的本征周期和品质因子等     

长江三角洲地区人体舒适度时空变化特征北大核心CSCD

基于1981~2020年ERA5逐小时再分析资料,采用通用热气候指数(Universal Thermal Climate Index,UTCI)计算方法,分析了气候变化背景下长江三角洲地区人体生理热响时空变化特征。研究表明:近40年长江三角洲地区人体无冷热胁迫气候条件的出现频率约为43.77%、热胁迫和冷胁迫出现频率分别约为22.42%和33.81%,其中,显著热胁迫和显著冷胁迫出现频率分别约为8.38%和1.58%;在空间分布上,长江三角洲地区无冷热胁迫气候条件的出现频率总体表现为南多北少地带性分布,兼有山区多平原少、沿海多内陆少分布特征,显著热胁迫主要出现在皖西和皖南的平原以及浙江的嘉绍平原和金衢盆地,显著冷胁迫主要出现在苏北、皖北和舟山以北的沿海岸区;在全球气候变暖背景下,长江三角洲地区UTCI值的年代际变化呈上升趋势,由1981~1990年13.83℃增加至2011~2020年14.75℃,人体生理热响应表征为冷胁迫减少、热胁迫增加、无冷热胁迫基本不变,春季无冷热胁迫时长的增加基本抵消了夏季无冷热胁迫时长的减少。     

基于伴随敏感性的风廓线雷达和地基微波辐射计观测对模式预报的影响评估研究

同化大量观测资料可以有效地改进模式预报结果,但不同观测对预报的影响有着显著差异,合理评估观测对预报的贡献是数值模式中最具挑战性的诊断之一。本文采用基于伴随的预报对观测的敏感性（Forecast Sensitivity to Observation,简称FSO）方法,构建WRFDA（Weather Research and Forecasting model’s Data Assimilation）框架下的WRFDA-FSO系统。基于2019年9月超大城市项目在北京地区获取的风廓线雷达（Wind Profile Radar,简称WPR）和地基微波辐射计（Microwave Radiometer,简称MWR）观测数据,利用WRFDA-FSO系统,开展观测对WRF模式12 h预报的影响试验,并分析风温湿观测对预报的贡献。结果表明:（1）同化的观测资料（MWR、WPR、Sound、Synop和Geoamv）均减小了WRF模式12 h预报误差,对预报为正贡献,其中MWR观测对预报的影响最大,WPR风场观测对预报的改进效果优于Sound的风场观测。（2）WPR的U、V观测和MWR的T、Q观测中,V观测和T观测对预报的正贡献值更高,对预报的改进效果更优。（3）WPR和MWR多数高度层的观测均减小了预报误差,对预报为正贡献,其中MWR的T观测对预报的正贡献主要位于近地面800 hPa以下。     

GCOM-W AMSR2资料在CMA_GFS 四维变分中的同化应用

卫星微波仪器的辐射率资料,由于兼具卫星观测的全天空优势和微波观测的全天候特性,成为数值天气预报系统同化的日益重要的角色。微波成像仪作为被动微波辐射计的重要一类,其在数值预报中的应用潜力亟待进一步的检验和更充分的挖掘。针对全球水循环变化观测卫星GCOM-W上搭载的第2代先进微波扫描辐射计AMSR2的10个通道,建立了半径200 km的稀疏化方案;研发了包含9项检验的质量控制方案,对于污染低频通道观测的太阳耀光现象和无线电信号干扰等因素进行屏蔽;设计基于经典预报因子的偏差订正方案,对仪器系统偏差进行有效的校正;采用基于变分同化后验估计的观测误差统计,克服了观测误差难以准确估计的问题。通过以上方法,GCOM-W AMSR2共有10个通道辐射率资料在中国自主研发的全球/区域同化预报系统（CMA_GFS,原名为GRAPES_GFS）3.0版的四维变分同化系统（4DVar）中实现了直接同化应用。1个月的批量试验证明,同化GCOM-W AMSR2后,CMA_GFS湿度分析场得到了一定的改进,各量级定量降水中期预报评分有所提高,同时,GCOM-W AMSR2辐射率直接同化对CMA_GFS南半球和赤道地区预报有明显正贡献。研究证实AMSR2能够很好地弥补常规观测资料稀疏区的资料匮乏,发挥水汽敏感特性,改进湿度分析和降水预报的技巧。      

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。      

陕北延安地区基底断裂及其油气地质意义

以重磁力资料为基础,结合钻井及地质地震资料,推测出研究区有8条基底断裂。已有油田大都沿基底断裂走向分布在断裂两侧,勘探井的试气产量高低与基底断裂分布关系密切,基底断裂的"隐性"活动导致沉积盖层中发育构造裂缝且以垂直裂缝为主,裂缝不仅能作为油气运移的通道,而且能提高储层的孔隙度和渗透率,对研究区内油气分布及储层产能起关键作用。     

中国石油集团川庆钻探工程有限公司地球物理勘探公司

中国石油集团川庆钻探工程有限公司地球物理勘探公司（简称川庆物探公司）,创建于1956年。公司是以山地地震为特色、集地震资料采集、处理、解释和科研于一体的地震勘探工程技术服务企业,能提供在各种复杂地区的物探工程技术、综合地质研究以及工程测量等专项和一体化服务。