“世界屋脊”大地形坡面探测同化信息对下游天气的预警效应

采用WRF模式多时间层三维变分同化技术(3DVAR),将青藏高原及其周边地区AWS自动气象站观测网多要素资料同化进数值模式的初始场,对发生于2008年1月中国南方及长江中下游特大雪灾天气进行数值模拟试验.由于青藏高原具有极其陡峭的大地形坡面,且高耸于对流层中部,故分布于高原大地形"坡面"不同高度的自动站网观测要素,将与无线电探空探测获取的大气"廓线"信息存在着某种程度的关联性,其不仅在观测点高度、梯度特征,而且在观测时间频数、"定点"、"定高"及其同步性等方面均具有不同于平原自动站、常规探空的特殊功能优势.高原大地形坡面自动站网信息同化场亦可提供高原东部下游天气系统高敏感区前兆性"强信号",并实现模式高原及周边区域初始场大气动力、热力三维结构客观化调整,从而提升下游区域灾害天气系统模拟与预报能力.研究表明,青藏高原及其周边地区自动站的水汽、温度、气压等资料同化信息对于预报下游区域的降水预报至关重要.     

“世界屋脊”大地形坡面探测同化信息对下游天气的预警效应

采用WRF模式多时间层三维变分同化技术(3DVAR), 将青藏高原及其周边地区AWS自动气象站观测网多要素资料同化进数值模式的初始场, 对发生于2008年1月中国南方及长江中下游特大雪灾天气进行数值模拟试验. 由于青藏高原具有极其陡峭的大地形坡面, 且高耸于对流层中部, 故分布于高原大地形“坡面”不同高度的自动站网观测要素, 将与无线电探空探测获取的大气“廓线”信息存在着某种程度的关联性, 其不仅在观测点高度、梯度特征, 而且在观测时间频数、“定点”、“定高”及其同步性等方面均具有不同于平原自动站、常规探空的特殊功能优势. 高原大地形坡面自动站网信息同化场亦可提供高原东部下游天气系统高敏感区前兆性“强信号”, 并实现模式高原及周边区域初始场大气动力、热力三维结构客观化调整, 从而提升下游区域灾害天气系统模拟与预报能力. 研究表明, 青藏高原及其周边地区自动站的水汽、温度、气压等资料同化信息对于预报下游区域的降水预报至关重要.     

青藏高原大气水汽稳定同位素三维观测体系

青藏高原是南北极之外冰雪储量最大的地区,也是亚洲10条大江大河的发源地,其水循环变化会影响全球近五分之一人口的生存和发展.水汽传输是青藏高原水循环的关键过程.大气水汽稳定同位素是研究水汽传输过程和机制的新指标.本文回顾了大气水汽稳定同位素垂直剖面观测研究的发展历程和青藏高原大气水汽稳定同位素研究现状,重点介绍了自第二次青藏高原综合科学考察研究启动以来,本研究团队建成的全球最大的同类地表水汽稳定同位素观测网,及结合浮空艇技术,开展的国际前沿大气水汽稳定同位素三维传输过程观测研究新进展.今后,我们将通过多学科交叉,继续拓展高精度三维(地-空)水汽稳定同位素多尺度连续观测,并结合地球系统模型,从而全面、准确地认知全球变暖背景下的青藏高原水汽传输过程和水循环变化机制,以服务于青藏高原和周边地区的水安全战略和水资源管理.     

上海GPS综合应用网的初步监测结果及其应用展望

上海GPS综合应用网 (SGCAN)是我国第一个区域性连续实时的综合性服务GPS网络 ,该网包括 :由 1 4个GPS基准站组成的 ,以上海为中心覆盖整个长江三角洲地区的GPS气象服务网 ;由 5 0个基准控制点建立的上海高精度(点位精度达厘米级 )三维大地测量控制网 ;2 0个基准监测点建立的上海高精度地壳形变和地面沉降监测网 ;另外 5个GPS基准站作为上海地理信息系统 (GIS)的GPS基准站 ,实时连续发布高精度GPS改正信息 ,满足整个上海地区GIS用户 (包括工程测量、交通航运和公安消防等 )快速实时 (或准实时 )的定位和导航需要 .该网已于 2 0 0 2年 6月投入正常运行 ,在GPS气象、地壳形变和地面沉降方面已经获得初步结果 ,也将为改善长江三角洲地区数值天气预报初始场和监测、治理地面沉降提供充足的信息 .     

塔克拉玛干沙漠及周边地区大气水汽量的时空变化

利用塔里木盆地周边地区27个站的1961~2006年的降水、水气压资料和沙漠腹地塔中气象站1999~2006年的观测数据,重建了塔中站1961~1998年逐月水气压序列,并利用1976~2006年和田、库车、若羌、喀什和民丰(1999~2006年)等5个探空站实测资料对大气含水量与地面水汽压的关系进行了验证和计算,研究了塔克拉玛干沙漠及周边地区大气含水量时空变化,得出了新的水汽分布形式.结果表明:塔里木盆地内大气含水量的高值区,主要分布在沙漠北部、西部的边缘的绿洲地带,大气含水量在14~15mm.而沙漠腹地是水汽的低值中心,水汽含量仅为7~8mm.大气含水量的年际变化总体呈现增加趋势,1961~1986年期间,沙漠周边与腹地水汽含量的升降趋势均不显著,1986年后发生显著意义的突变,两地水汽增加明显.这与近50年来南疆降水显著增加的趋势是一致的.NCEP/NCAR再分析资料在塔克拉玛干沙漠地区偏差很大,与实际情况不符.     

GPS气象学应用进展及其监测实例分析

全球定位系统 (GPS)作为一种卫星导航和定位系统 ,如今已被广泛应用于气象学以及电离层研究 .由于GPS台站数量多、分布广和全天候观测 ,可以同时观测四颗以上卫星 ,得到四个以上的电离层下点处的垂直TEC(totalelec troncontent)等优点 .本文在启用GPS监测太阳耀斑爆发时电离层TEC变化的相关性及其电离层响应 .     

TOGA COARE IOP期间西太平洋“暖池”上空大气水的统计特征

在中、美等多国合作进行的TOGA COARE综合观测期间(1992-11～1993-02),首次实现了对“暖池”上空大气水的全面(包括水汽、云水和雨强)、定点(2°S,158°E)、高分辨率(5 min)的连续监测,本文介绍其统计分析结果.必要时,将它们与1985～1989年间中国科学院组织的在西太平洋热带海域考察的某些结果做了比较.1 观测仪器用一台自制的(船载)双波长(0.86cm和1.35cm)微波辐射计监测水汽总量和垂直路径积分云液态水含量,其取样时间分辨率为5min.该仪器的观测方式及数据的反演方法见文献[1].用美国提供的ISS(integrated sounding system)系统中的自动雨强测量系统(ARRMS)监测降水,该仪器提供的初始数据为每秒钟的雨强,考虑到与水汽、云水资料的可比性,我们将雨强作了5min时段平均.     

青藏高原中部大气水汽稳定同位素捕捉到印度洋台风“费林”信号

大气水汽稳定同位素的变化不仅在长时间尺度上与气候因子相关,而且对于极端天气事件也十分敏感.本文通过分析青藏高原中部那曲地区大气水汽?18 O变化,发现2013年10月15~16日在印度洋台风"费林"暴发期间,大气水汽?18 O达极低值?42.1‰,平均值低于一般值16.6‰.大气水汽同位素与同期气象观测结果对比分析表明该极低值与水汽来源相关.TRMM卫星日降水量分布及水汽反向追踪模型结果显示,该水汽来源于南部的孟加拉湾.这表明即使在季风结束期,印度洋水汽可以通过极端天气事件影响到青藏高原;这也表明极端天气事件有可能通过稳定同位素信号影响不同介质的稳定同位素记录.     

用于对流层遥感的新型数字化双频微波辐射计

在京、津、冀中小尺度危害性天气监测与超短期预报的实验研究中,新研制的数字化双频微波辐射计将为实验中心提供对流层水汽场及液态水的连续观测资料,原理上水汽变化容易从测量水汽1.35cm微波吸收线附近的大气热辐射中得出,在云天情况下,1cm附近大气窗区的辐射测量可用于计算来自云中液态水的微波辐射的贡献。     

T_m-T_s的相关性分析及全球纬度相关的线性关系模型构建

利用全球大地观测系统(Global Geodetic Observing System,GGOS)大气(Atmosphere)的加权平均温度(Tm)数据和欧洲中尺度天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)的地表温度数据在全球范围内计算了利用全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)反演水汽中的关键参数加权平均温度Tm与地表温度Ts的相关系数,结果显示二者的相关性主要受纬度影响,在高纬度地区较强,在低纬度地区较弱.虽然二者的相关性在赤道地区较弱,但这些区域的温度变化幅度较小,在这些区域利用线性回归模型建模依然可以取得较好的结果.在此基础上,本文利用2005~2011年的全球大地观测系统大气的Tm数据和欧洲中尺度天气预报中心的Ts数据按纬度建立了全球分区域线性回归模型.来自全球大地观测系统,气象、电离层和气候的星座观测系统(Constellation Observing System of Meteorology,Ionosphere and Climate,COSMIC)以及无线电探空(Radiosonde)的数据对模型的检验表明,新模型与这3种不同源数据都能较好吻合,分别取得了3.2,3.3和4.4 K的均方根误差,精度明显优于Bevis Tm-Ts关系模型.     

应用双重优化方法估计碳通量

<正>贝叶斯综合反演方法(BSIM)利用先验CO2通量和大气CO2浓度观测数据估计碳通量分布,其结果在很大程度依赖于先验碳通量的偏差.实际应用中,通常用生态碳通量模型计算先验通量,可是不恰当的短期生态过程的模拟将引起先验通量的刻度误差,从而导致BSIM估计结果的偏差.我们提出了一种双重优化算法,     

不同GPS接收机观测值的随机模型评估

根据最小二乘准则或其他准则解算参数的最优估值时, 需要已知观测值的随机模型. 随机模型正确与否将影响参数估值, 因此, 快速高精度GPS定位需要已知正确的随机模型. 采用GPS短基线实测数据, 估计了两种GPS接收机观测值的随机模型, 分析了不同类型数据的精度及其与高度角的关系, 时间相关性以及不同类型数据之间的交叉相关性. 结果表明: 通常采用的独立等权随机模型不适用于GPS观测值; 根据高度角定权并不适应于所有接收机和所有类型的观测数据; 随机模型中应考虑时间相关性和交叉相关性; 随机模型与接收机和观测数据类型密切相关, 不同接收机应采用不同的随机模型.     

台风“麦莎”对电离层TEC的影响

利用50余个GPS台站的观测资料, 研究了台风“麦莎”对电离层TEC的影响. 分析表明, 台风在登陆前已经影响到电离层, TEC出现增大趋势, 在登陆前一天台风及其周边区域的TEC与月中值的差值可超出5 TECU左右; 随着台风的登陆, 这种影响开始减弱, TEC的增大量和增大区域均减小; 台风登陆一天之后, TEC达到最小值, 并小于月中值. 通过将台风路径与离台风较远的3条参考路径上TEC的变化进行比较, 发现台风对TEC的影响完全可以分辨, 也与文献记载的台风期间foF2的变化一致.     

M_w9.0日本Tohoku大地震静态位错模型:陆地GPS资料和海底GPS/Acoustic资料联合反演的结果

采用分层介质模型,联合陆地GPS资料和海底GPS/Acoustic资料反演了Mw9.0日本Tokohu大地震的静态位错模型.反演中,根据先验信息引入更切合实际的断层几何构型,即倾角随深度增加,而走向角则随海沟的走向而变化.结果显示,这次地震的地震矩为3.68×1022Nm,对应的矩震级为9.01,最大同震滑移量约为45.8m.位错主要分布在从39.6°N延伸至36.97°N约240km的范围,并且绝大部分位移在小于40km的断层浅部.检测板测试结果显示,相对于仅使用陆地GPS资料的情况,联合反演能更好地分辨断层的位错分布情况,联合反演结果更真实地反映了断层的破裂情况.     

精密全球卫星定位系统多期复测研究青藏高原现今地壳运动与应变

利用1993,1995和1997年3期全球卫星定位系统(GPS)观测资料测定了青藏高原GPS监测站的三维位移速率,并由此计算分析了青藏高原现今地壳运动与应变.GPS 多期精密复测结果显示,青藏高原现今地壳运动仍以南北向挤压、东西向拉张、垂直方向隆升为主.喜马拉雅块体的相对汇聚速率大约为(19.5±1.7)mm/a,拉张速率大约为(5.5±6.0)mm/a 左右,隆升速率大约为(7.6±5.2)mm/a.西藏块体相对于格尔木南北向缩短率大约为(9.3±4.6)mm/a,东西向拉张速率大约为(8.7±6.4)mm/a,中部拉张速率最大约为(15.6±6.30)mm/a,反映了高原侧向挤出运动.喜马拉雅块体以压应变为主,西藏块体中部以张应变为主,最大张应变率和最大压应变率分别为0.131×106和-0.189×10-6 a-1.     

台风麦莎(Matsa)的波状降水特征研究

采用地面加密观测资料、中国风云2号卫星黑体亮度温度(TBB)资料以及NCEP1° × 1°再分析资料, 分析2005年8月登陆中国的台风Matsa大范围暴雨带的结构特征, 研究台风激发的大气波动、大气三维结构及其与台风雨带的关系. 采用观测实事、诊断分析与大气波动理论, 探讨这类台风引起的远距离暴雨带的形成机理. 结果表明: (ⅰ) Matsa雨带具有显著的波状分布特征和远距离传播特征. (ⅱ) 雨带从台风中心向北绵延达2000 km, 波长约500~1000 km, 波动周期12~24 h. (ⅲ) Matsa雨带分布的波状结构与台风周围大气的三维结构特征, 包括扰动涡度散度场、垂直运动场和水汽通量散度场等相应的波动变化特征有密切关系. (ⅳ) 观测实事和理论分析结果表明, Matsa北向传播的大型雨带分布特征与大气惯性波与大气重力内波的混合波特征有关. (ⅴ) 只有在适当的大气层结与合适的重力波垂直波数条件下, 台风扰动才能激发此类远距离传播的波动, 并形成大范围的波状雨带.     

星载Ku,Ka和W三频雷达探测云雨三维结构模拟仿真

对星载Ku, Ka和W波段微波雷达联合观测中纬度陆地气旋、热带台风和热带洋面气旋个例中云和降水的三维结构进行了模拟仿真.首先利用Weather Research and Forecasting(WRF)云模式模拟了个例中各种水凝物的时空分布,并利用Aqua卫星MODIS观测结果直接检验了中纬度陆地气旋个例模拟结果;然后将模拟结果作为输入,利用星载雷达模拟器计算了相应的雷达回波反射率因子,并利用CloudsSat卫星的W波段云雷达CPR实测信号对之进行了验证;随后利用该模拟数据研究了不同粒子雷达回波反射率的特点.最后假设Ku,Ka和W波段雷达的灵敏度分别为15, 5和-35 dBZ,定量研究了这3个波段在探测云顶高度、云底高度上的优缺点和误差大小.模拟结果证实随着频率的增高,水凝物粒子的雷达回波反射率因子减小.非降水云水和云冰粒子回波明显弱于降水和降雪粒子,一般很难被Ku和Ka波段星载雷达观测到.研究发现W波段雷达对云顶的探测误差一般很小(不到30 m),而Ku,Ka雷达对云顶的探测误差可达数千米.对云底探测而言,W波段雷达可以有效穿透低层液态水含量低的天气系统,但对强降水天气系统云底探测误差较大;Ka波段雷达在台风眼壁云墙附近的强降水区也会出现较大探测误差;而Ku波段雷达云底的探测误差都较小.     

2008 与2010 年黄海浒苔漂移输运特征对比

利用中国近海三维海浪-潮流-环流耦合数值模式, 分别对2008 年6~7 月(青岛奥帆赛前期)和2010 年6~7 月黄海浒苔的漂移开展了模拟和预测, 研究了黄海漂浮浒苔在青岛聚集的动力学成因. 揭示了2008 年6 月浒苔之所以在青岛近岸大量聚集, 是因为该海区月平均表层流向向岸且与岸线几乎垂直; 相比之下, 2008 年7 月上旬表层流场与岸线大致平行, 因而海上浒苔的漂移对奥帆赛场的压力明显减缓. 利用数值模式预测2010 年6 月下旬浒苔主体不会在青岛登陆, 该预测与其后的观测事实相吻合. 研究发现, 风场驱动下的海洋表层流场年际变化是浒苔漂移路径变异的主要原因, 提出区域气候变化是影响海洋生态系统的一种途径.     

GPS,OBP和GRACE估计地球动力学扁率变化及其地球物理激发

行星地球是一个旋转的扁椭球体,其动力学扁率(即J2)变化主要由地球系统物质流动和各圈层相互作用引起.目前国际上地球动力学扁率测定主要用卫星激光测距(SLR)资料得到,然而SLR地面观测台站少,南北半球分布不均,且不是连续观测,以及受动力学模型和常数等影响.尽管新一代重力卫星(GRACE)观测大大提高了地球重力场球谐系数低阶项一两个数量级,但对二阶项C20不敏感.本文利用全球连续GPS观测得到的地表负荷位移估计地球动力学扁率J2,并联合GPS与海底气压(OBP)以及OBP和GRACE资料分别估计地球动力学扁率J2,比较和分析地球动力学扁率多尺度变化特征及其机理.结果发现GPS单独估计结果振幅偏小,GPS+OBP,GPS+OBP+GRACE和GRACE估计J2周年变化与SLR结果非常接近.而J2半周年变化,GRACE估计相对较差,主要由于GRACE资料处理没有很好扣除约161天的S2潮汐影响.另外,GPS+OBP和GPS+OBP+GRACE估计J2季节内和年季变化与SLR结果较一致,而GRACE和GPS单独估计结果与SLR结果偏差较大.并进一步利用地球物理模型资料研究对J2变化的贡献,结果表明,地球动力学扁率J2季节性、季节内和年季变化主要由大气、海洋和陆地水地表流体质量重新分布和迁移激发.     

中国东部季风区大气降水δ18O的特征及水汽来源

季风环流是水汽输送的重要载体, 它通过影响和制约大尺度水汽输送场的分布和水汽收支状况对季风区的降水产生影响. 对我国受季风影响最为显著的东部地区大气降水中稳定氢氧同位素的研究将有助于对季风降水机制的理解. 2005~2006年各月, 在中国大气降水同位素观测网络(CHNIP)位于该地区的17个观测站点进行了月大气降水样品的采集. 根据得到的274组稳定氢氧同位素组分所建立的局地大气降水线方程δD = 7.46δ18O + 0.90, 反应了该地区独特的局地气候特点. δ¹⁸O值由沿海向内陆地区逐渐贫化, 并且南部和东北地区δ¹⁸O值年内变化存在周期性. 不同地区影响降水同位素的气候因子不同, 由南向北, 温度效应逐渐增强, 降水量效应由全年存在变为只在主要降水期存在. 控制δ¹⁸O的地理因子存在差异: 南部和华北地区为高程, 东北地区是纬度. 此外, δ¹⁸O对季风的进退、雨带的移动以及台风/强热带风暴等强对流天气的运动路径有一定的示踪作用.