生态地理建模中的多尺度问题

本文在分析生态地理建模内涵的基础上,讨论了生态地理建模中的尺度转换问题、跨尺度相互作用问题、空间尺度与时间尺度的关联问题和多尺度数据处理问题.由于生态地理问题的非线性、生态环境的异质性和随机事件,简单的线性尺度转换方法远不能满足生态地理建模的要求.为了从根本上解决生态地理建模中的时空尺度问题,除需要运用微分几何学和等级理论等经典方法外,还需要引入格点生成法和网格计算等现代理论和技术手段.     

太阳辐射管理地球工程对海洋酸化影响的模拟研究

研究地球工程对海洋酸化的影响对于评估地球工程对全球气候和环境的影响有重要意义。文中使用中等复杂程度的地球系统模式,模拟了典型CO₂高排放情景RCP8.5下,实施太阳辐射管理地球工程对海洋表面的pH和文石（碳酸钙的一种亚稳形态）饱和度的影响,并定量分析了各环境因子对海洋酸化影响的机理。模拟结果表明,在RCP8.5情景下,到2100年,相对于工业革命前水平,全球海洋表面平均pH下降了0.43,文石饱和度下降了1.77。相对于RCP8.5情景,2100年地球工程情景下全球海洋表面平均pH增加了0.003,而文石饱和度降低了0.16。地球工程通过改变溶解无机碳、碱度、温度等环境因子影响海洋酸化。相对于RCP8.5情景,实施地球工程引起的溶解无机碳浓度的增加使pH和文石饱和度均减小,碱度的增加使pH和文石饱和度均增大,温度的降低使pH增大而使文石饱和度减小。总体而言,太阳辐射管理地球工程可以降低全球温度,但无法减缓海洋酸化。     

基于观测系统模拟试验的海表气象观测站点布局方案研究

为了科学设计黄渤海海洋气象边界层观测站网并研究观测网布局对数值天气预报模式的影响,本文采用模式误差、海洋气象要素特征区域资料统计分析和观测系统模拟试验（OSSE）方法,根据边界层雾、层云降水、小风与中等风速天气条件设计布局方案,并分析站点观测要素对数值预报模式的要素预报的影响。模拟试验数据使用了每6 h NCEP再分析资料FNL（NCEP Final Operational Global Analysis data）、NCEP每天平均的高分辨率海温资料RTG_SST（Real-Time Global Sea Surface Temperature）和石油平台、浮标站等每小时实况观测资料,评估了黄渤海海洋气象站网布局各个方案的优缺点。评估结果表明,湿度和风的要素预报受实况风向风速条件影响,偏东和偏北风个例湿度要素预报较好。然而,在偏南中等风速个例中,风场预报要素更接近实况。温度场的分析综合结果显示,在海气相互作用影响较大的天气过程中,特征区域布站能明显提高温度要素的预报准确率。最后,综合分析多项模拟试验的结果,给出了改进数值预报准确率的海洋布站建议。     

大西洋热盐环流与气候突变

未来是否会发生由大西洋热盐环流崩溃引起的气候突变是目前极富争议性的全球气候变化问题。首先回顾了过去发生的气候突变事件以及若干成因假说,介绍了McGill地球系统模拟组的有关研究成果,并探讨了过去气候突变事件中的南北半球遥相关,最后讨论了未来是否会发生大西洋热盐环流崩溃引起的气候突变。对过去发生的大西洋热盐环流突变的研究表明,它产生的气候背景与现代气候以及将来进一步变暖的气候截然不同,因此不能凭过去发生过的突变事件来推论将来会发生类似的气候突变。尽管有的气候模式预测全球变暖会导致大西洋热盐环流减弱甚至崩溃而引发气候突变,但是目前全球气候系统的观测有许多不足之处,并且现代气候模式也存在较大的不确定性,因此尚不能确信现在的全球变暖会导致这样的气候突变。     

基于GRAPES四维变分的静止轨道微波观测系统模拟试验研究

地球静止轨道微波观测同时具有高频次、大视场和穿透云雨的全天候观测能力,因此中国在规划第二代静止轨道气象卫星“风云四号”系列时已经明确提出对静止轨道微波观测的需求。基于中国候选的50、118、183、380和425 GHz五频段静止轨道微波辐射计载荷方案,开展了地球静止轨道微波观测系统模拟试验,理解其观测时间分辨率、频段选取和观测误差对台风预报的影响。试验基于GRAPES全球四维变分同化系统,同化静止轨道微波模拟观测资料,以2018年台风“玛利亚”和“山竹”为例分析了静止轨道微波资料同化对台风预报的影响。试验结果表明,对于静止轨道微波资料同化应用,提高观测资料的时间分辨率、增加通道数量和降低噪声水平能够有效提升台风数值预报性能。      

从实验水文到水文系统模拟——刘昌明先生水文科学思想学习的几点认识

刘昌明院士是国际知名的水文水资源学家,长期倡导和力行水循环、水环境、水生态、水资源和水灾害的研究,将水文学的地球物理、工程和地理方向相结合,提出了水文循环研究的微观与宏观系统观点和方法,发展了较为完善的"五水"转化的理论模式,构建了全新的分布式水文模型系统,并对华北平原的节水农业发展、"南水北调"工程环境效应、缓解黄河断流的对策等国家重大应用问题,提出了系统性的科学观点和有效的决策咨询意见。本文仅从实验水文学、稀缺资料地区水文预测和水文模型三方面,探讨刘昌明院士跨越50多年的研究工作,从中可以体会出先生研究的系统性思想和不断创新发展的精神。     

北京地区暴雨个例的观测敏感区研究

利用基于集合预报的相关方法对2009年7月23日发生在北京及周边地区的暴雨过程的观测敏感区进行了分析。通过WRF(Weather Research Forecast)三维变分方法对初始场进行随机扰动,形成30个初始集合样本,做了预报时效为12 h的集合预报。利用该方法分析检验区(北京及周边地区)累积降水[14:00(北京时间,下同)至20:00]相对于初始时刻(08:00)各基本要素的敏感性,确定感性要素及其对应的区域。研究发现初步确定的敏感性要素为水汽和温度,对应的敏感区分别位于北京的西南侧和北京的东北侧,且通过实况分析可知初步确定的敏感性要素和对应的敏感区具有明确的物理意义。还进一步通过观测系统模拟试验(OSSE)的资料同化验证所确定的敏感区,结果表明在水汽对应的敏感区内同化水汽对降水的预报结果有明显的改进;在温度对应的敏感区内同化温度,降水的预报准确率有了明显的提高,说明了初步确定的敏感性要素和敏感区的正确性。在水汽对应的敏感区内同化水汽的同时在温度对应的敏感区内同化温度,使降水预报的技巧有大幅度的提高,说明了温度和水汽的共同作用对提高降水预报准确率贡献最大。因此,通过基于集合预报的相关方法能够快速的确定敏感区。研究结果将为确定北京暴雨的观测敏感区提供参考。     

加强观测网建设促进数值预报业务发展

现有观测网的粗分辨率已成为影响初值场精度从而制约数值预报质量提高的主要因素之一。改善和加强我国现有的观测网对提高我国数值预报准确率至关重要。利用观测系统模拟试验的方法确定在有限的经费投入前提下最佳的观测系统配置。条件成熟时进行一次展示观测的加强对数值预报效果影响的大型外场试验，以检验根据观测系统模拟试验结果而加强的观测是能有效地提高数值预报水准。     

从地理信息系统到地球系统模拟

围绕我国地理信息系统的建设特点和发展脉络,从地理信息系统的概念、结构与功能,从图形数据管理、数据挖掘、空间分析到地理现象或实体空间分布格局、时间演化过程、系统界面间耦合模式及系统间的相互作用分析,再到地球系统模拟的发展历程,回顾分析了陈述彭先生发展我国地理信息系统事业的学术理念、战略思想与科学体系,从中领悟地理信息系统的多维动态、区域综合、系统耦合、过程集成的研究体系。     

条件非线性最优扰动在长江中下游地区冬季暴雨中的应用研究

为了提高长江中下游地区高影响天气的数值预报,利用条件非线性最优扰动(CNOP)方法,对一次长江中下游地区冬季降水个例(高影响天气事件)进行目标观测研究,并通过观测系统模拟试验(OSSE)检验了该方法确定敏感区的有效性和可行性。试验结果表明,CNOP方法可有效识别对应于高影响天气事件的敏感区。通过对敏感区进行初始场修正后,可明显改善验证区内24 h累积降水预报误差和总能量预报误差。进一步分析发现,通过改善敏感区内的初始场信息(如水汽通量场和低层冷空气活动等),使得数值模式不仅能更真实刻画该天气系统的初始结构,还能更好模拟出该天气系统随时间的演变特征,因而减少了验证区内对该天气系统的预报误差。这一结果表明可以把CNOP方法应用于长江中下游地区高影响天气事件的目标观测研究或实践中。