Polar WRF模式海冰密集度方案对北极海雾模拟效果的个例研究

全球变暖的背景下,北极航线的常规通航甚至商业运营有望实现,而海雾会严重影响航道上船只的航行安全。海冰的存在使海气之间相互作用变得更为复杂,是研究北极海雾不可忽略的因素。船载观测发现,与中纬度常见平流冷却雾形成时气温下降速度往往超过海水降温速度不同,北极海雾发生时海冰的存在还会使海水降温速度超过空气降温速度。然而目前海冰分布是否会影响模式模拟海雾的准确性还不得而知,因此本文利用Polar WRF（Polar Weather Research and Forecasting）模式模拟了中国第七次北极考察中观测到的一次海雾过程,并进行海冰密集度敏感性试验。通过与船载观测和欧洲中期天气预报中心再分析数据比对发现,在低浮冰区内（海冰密集度小于50%）考虑海冰分布时可以更加准确地刻画潜热通量与水汽通量,模拟出与观测事实相符的表层空气降温与增湿过程以及相对湿度的变化,因此能够更好地刻画海雾的三维结构及其生消演变。     

不同类型草地挥发性有机物排放特征的研究

2003年9月,对内蒙古草原不同类型草地挥发性有机物(VOC)的排放、太阳辐射、气象参数等进行观测,结果表明,固定和新的羊草样地、封育样地、不同程度放牧样地异戊二烯、α蒎烯、β蒎烯、柠檬烯、蒈烯的排放均有明显的日变化规律,并与可见光辐射以及温度有较好的一致性.羊草样地、封育样地、过度放牧、适度放牧样地异戊二烯排放的最大值分别为139.5、25.9、132.3、107.1(单位:μg·m-2·h-1,以碳计).多数情况下,异戊二烯排放通量的测定结果为羊草样地高于封育样地、过度放牧样地高于适度放牧样地.不同程度放牧样地α蒎烯、β蒎烯、柠檬烯、蒈烯等的排放具有明显差别,一般是过度放牧草地高于适度放牧草地.剪草增大了绝大部分VOC组分的排放、以及过度和适度放牧草地VOC的排放,剪草可以造成过度和适度放牧草地异戊二烯排放在中午前后的增加.剪草后,过度放牧草地异戊二烯、α蒎烯、β蒎烯、柠檬烯、蒈烯等的排放通量均远大于适度放牧草地的相应值.土壤异戊二烯、α蒎烯、β蒎烯等的排放很小,分别占相近可见光辐射和温度条件下固定羊草样地排放的0.2%、0、3.0%.     

土壤墒情遥感反演与旱情诊断

土壤墒情与植被生长状况和地表温度之间存在密切联系?贑OST模型算法和单窗算法,开展了TM/ETM+多光谱数据的地表反射率、地表温度(LST)和土壤调整植被指数反演(MSAVI),分析了地表温度和植被指数的线性关系,提出了土壤墒情几何特征指数和旱情诊断函数,结合土壤含水量实测数据,建立了横山县土壤墒情遥感反演模型。实证结果表明,基于TM/ETM+数据反演的长度指数可进行旱情诊断;对土壤含水量的反演模型进行T检验,差异不显著,而基于地面温度的土壤墒情反演模型优于土壤调整植被指数反演模型。     

Soil moisture retrieval from satellite images and its application to heavy rainfall simulation in eastern China

The soil water index (SWI) from satellite remote sensing and the observational soil moisture from agricultural meteorological stations in eastern China are used to retrieve soil moisture. The analysis of correlation coefficient (CORR), root-mean-square-error (RMSE) and bias (BIAS) shows that the retrieved soil moisture is convincible and close to the observation. The method can overcome the difficulties in soil moisture observation on a large scale and the retrieved soil moisture may reflect the distribution of the real soil moisture objectively. The retrieved soil moisture is used as an initial scheme to replace initial conditions of soil moisture (NCEP) in the model MM5V3 to simulate the heavy rainfall in 1998. Three heavy rainfall processes during 13–14 June, 18–22 June, and 21–26 July 1998 in the Yangtze River valley are analyzed. The first two processes show that the intensity and location of simulated precipitation from SWI are better than those from NCEP and closer to the observed values. The simulated heavy rainfall for 21–26 July shows that the update of soil moisture initial conditions can improve the model’s performance. The relationship between soil moisture and rainfall may explain that the stronger rainfall intensity for SWI in the Yangtze River valley is the result of the greater simulated soil moisture from SWI prior to the heavy rainfall date than that from NCEP, and leads to the decline of temperature in the corresponding area in the heavy rainfall days. Detailed analysis of the heavy rainfall on 13–14 June shows that both land-atmosphere interactions and atmospheric circulation were responsible for the heavy rainfall, and it shows how the SWI simulation improves the simulation. The development of mesoscale systems plays an important role in the simulation regarding the change of initial soil moisture for SWI.     

利用反射GPS信号遥感土壤湿度

在水文、气候、农业等问题的研究中,土壤湿度信息十分重要。近年来,利用GPS系统进行遥感的新方法,已经越来越多地引起研究者们的关注。特别是GPS卫星广播的L1（1.57542GHz）频率信号,是土壤湿度遥感的最佳频率。反射GPS信号功率是土壤介电常数的函数,而土壤介电常数又和土壤湿度有关。根据这一原理,美国国家航空与航天局于2002年进行了基于地表面反射GPS信号的遥感土壤湿度实验。结果证明反射GPS信号对土壤湿度特性十分敏感,由于植被的影响对反射率进行了修正,并用此方法模型与其它方法进行了比较。在利用GPS遥感土壤湿度方面,研制高增益天线,更好的修正信号波动的影响,发展更加完善的遥感土壤湿度方法等是今后在此项研究中所要解决的问题。     

2004年3月18日高纬磁层顶多重通量管事件分析

2004-03-18 23:10～23:50 UT期间,“双星（Double Star）”探测一号卫星（TC 1）在向阳面磁层顶高纬晨侧由内向外穿越磁层顶,其时TC_1的GSM坐标为 (75RE, -55RE, -54RE), RE为地球半径.穿越过程中TC_1观测到了8个通量管和1个磁通量传输事件（FTEs）.在此期间Cluster星簇位于向阳面太阳风内,其GSM坐标为(180RE, -31RE, -62RE),其4颗卫星监测到行星际磁场（IMF）的BZ分量持续南向,BＹ有较大的负值.本文的研究表明：TC_1观测到的前7个通量管具有准周期重现性,周期大约是1～4 min,明显小于以前所观测到的FTEs的平均周期(8～11 min);所有的通量管都具有较强的核心场.本文分别使用最小方差分析法（MVA）和Grad_Shafranov反演方法（GSR）对通量管的轴向进行了分析和对比,发现所有的通量管主轴基本沿晨昏向,结果显示GSR方法在轴向分析上比MVA优越.本文使用GSR方法对通量管的磁场结构进行了分析,恢复出了通量管的磁场在卫星穿越面的结构图;此外,本文还对这次多重通量管事件进行了deHoffmann Teller(HT)分析,结果表明,所有通量管大致朝南极方向运动,均来源于向日面低纬区域.这说明它们可能起源于向日面低纬区,由该区的磁场分量重联产生.     

利用气象要素计算五道梁地区土壤热流量的试验

根据五道梁地区1994—1997年的热流板测量土壤热流值,初步分析了该地区土壤热流随时间的变化特征。利用1994—1996年的月平均资料分别分析了总辐射、地表温度、地表温度和80 cm深度温度差和2 cm、10 cm深度的土壤热流的相关性,并建立了相应的回归方程;利用得到的回归方程对1997年的土壤热流作计算检验,就月平均资料来说,用总辐射和地温差来计算浅层土壤热流结果是比较可靠的。     

冬小麦蒸腾速率在不同土壤水分条件下的修正

为找到不同土壤含水量对蒸腾速率的影响程度,通过对L1-6200便携式作物生理测定仪在不同土壤水分处理下的蒸腾速率观测值与气象条件计算得出的理论值进行比较,确定不同土壤水分条件下的蒸腾速率修正系数.分析发现:①在不同的土壤含水量下,未考虑修正系数的情况时,土壤含水量越小,理论计算误差越大;土壤含水量越大,理论计算误差越小.②土壤含水量小时蒸腾速率计算值的修正系数大,而土壤含水量偏大时修正系数小.③考虑修正系数后,计算误差显著减小,除了土壤含水量为14.89％稍有偏差外,其它土壤含水量状态下的理论计算值非常接近实际观测值.同时验证了不同土壤水分下的修正系数足显著的.     

前期土壤湿度、海表面温度对中国夏季极端气温的预测能力评估

基于中国587站日最高、最低气温观测资料、月平均的ERA_interim土壤湿度（Soil Moisture,SM）再分析资料及扩展重建的海表面温度（Sea Surface Temperature,SST）资料（ERSST）,对极端气温指数进行了定义,利用变形的典型相关分析和集合典型相关分析方法（Ensemble Canonical Correlation,ECC）,分析了1979-2009年我国夏季极端气温与前期（春、前冬）SM、SST间的线性联系,建立了中国夏季极端气温预测模型,并对独立样本检验的效果进行了评估。结果表明：1）与中国夏季极端气温联系密切的前期SST异常的空间分布为类PDO（Pacific Decadal Oscillation）型,前期土壤湿度异常的区域为华南、青藏高原、东北和西北地区。2）交叉检验结果表明基于前冬预测因子的极端气温预测模型技巧高于春季,基于SM的极端气温预测模型技巧高于SST。3）独立样本检验表明基于前期SM、SST的ECC模型对中国东部夏季极端气温有一定的预测能力。因此,可以在夏季极端气温的预测业务中考虑前期SM、SST的影响。     

珠江口磨刀门整治前后水动力数值模拟

磨刀门是珠江的主要泄洪通道之一,径流分配居珠江三角洲八大口门之首。利用磨刀门1977年地形(大规模整治前)和2003年的地形,通过ECOMSED模型模拟了磨刀门海域洪枯季节水动力场,对潮流、余流、潮能通量特性进行了对比,发现整治后磨刀门水动力强度加大,而且流速滩槽分异明显,余流场与落潮流方向一致。20世纪70年代,余流自口门出来后在内海区右偏,现在磨刀门水道余流偏向西部浅滩;潮能通量密度加大,滩槽分布差异明显。