新一代沙尘天气预报系统GRAPES_CUACE/Dust: 模式建立、检验和数值模拟

基于中国气象局数值预报基地研发的新一代全球/区域同化、预报系统(GRAPES)的中尺度预报模式(GRAPES_meso)和中国气象科学研究院大气成分中心开发的大气化学模块(CUACE/dust), 建立了中国沙尘天气预报系统(GRAPES-CUACE/Dust). 该系统引入了中国地区最新的土地沙漠化资料、中国沙漠沙尘气溶胶的光学特性资料、逐日变化的土壤湿度和雪盖资料. 模式质量守恒性能良好. 将批量实时预报结果与地面天气观测和臭氧分光计反演的气溶胶指数(TOMS AI)的对比表明: 模式能够比较准确地预报中国以及东亚地区沙尘天气发生、发展、输送以及消亡过程, 能够对起沙量、干、湿沉降量、沙尘浓度以及沙尘光学厚度等一系列要素进行实时定量预报. 以2006年4月7次主要沙尘天气为例, 分析了起沙和干、湿沉降以及沙尘大气载荷的时空分布等特征. 结果表明, 2006年4月东亚地区沙漠向大气中注入沙尘总量约为2.25亿吨, 沙尘排放以下面三大源区为主: 中国北部内蒙古和中蒙边界附近沙漠为东亚沙尘最重要的排放源, 沙尘排放量为1.53亿吨, 占排放总量的68%. 塔克拉玛干沙漠沙尘排放量位居第二, 将近4000万吨, 占沙尘排放总量的17%, 浑善达克沙地排放量约为1500万吨, 占排放总量的7%. 其他地区的沙漠、沙地以及废弃的耕地等的沙尘排放量之和只占沙尘排放总量的8%. 2006年4月东亚地区沙尘沉降总量为1.36亿吨. 沙尘沉降的区域分布表明, 三大沙漠源区同时也是沙尘的主要沉降区, 三大源区的沉降量大约占沉降总量78%, 共1.35亿吨的沙尘在三大沙漠源区沉降, 其次是源区下游的中国大陆地区, 沙尘沉降为沉降总量的16%, 大约200多万吨. 120ºE以东的中国近海、韩国、日本以及西太平洋地区沉降量只占总沉降量的6%左右, 约85万吨. 干、湿沉降的分析表明, 由于4月中国北方地区干燥少雨, 在2007年4月的沙尘沉降总量中, 以干沉降为主, 大约占沉降总量的94%, 湿沉降只占沉降总量的6%左右.     

我国冬夏季硫污染物沉降与跨地区输送模拟研究

东亚经济篷勃发展,呈现欣欣向荣景象,但也带来了诸如大气污染、酸雨等环境问题。土壤因酸沉降影响会引发诸多的生态问题。继西欧和北美之后,东亚已成为世界三大酸雨区之一,且有进一步发展的趋势。由于污染物空中滞留时间较长,其跨地区输送已成为各国政府和科学家十分关注的热点问题。利用模式计算不仅有助于了解酸沉降分布及跨边界输送态势,而且可以预测未来变化趋势。为此我们发展了一种三维欧拉型污染物输送模式,能方便地计算长时间(月、季、年)的污染物远距离输送态势。控制方程中考虑了干沉降和降水的湿清除以及污染物的气相和液相化学过程,并用之计算了冬夏季我国和东亚地区硫沉降量的分布、输送通量及国内各大区之间的相互输送量。这不仅有助于了解我国各大区之间和东亚各国之间污染物的输送规律,还可为经济可持续发展战略中控制污染源的排放提供科学依据。     

穿透水方法估算主要可溶性无机组分的干沉降通量

选择重庆市铁山坪小流域背景点开展酸沉降的观测研究, 采用穿透水方法估算了硫、钙和氮的干沉降通量. 结果显示铁山坪监测点硫、钙的干沉降通量远高于国外类似森林背景地区的观测结果, 氮的干沉降通量则与这些地区的结果处于同一数量级内; 硫、钙和氮的干沉降通量均超过湿沉降通量. 此外, 通过冠层收支模型的计算, 证实常规的穿透水计算方法会在一定程度上低估含氮组分的干沉降通量.     

冬小麦产量动态模拟模式研究

在土壤-作物-大气综合系统中,作物的生长发育和最终产量的形成过程,实际是物质-能量的转化、物质分配积累和能量平衡的过程。所谓动态模拟,就是对作物的生存环境、作物的光合作用、呼吸作用、营养积累、输送分配及转换等一系列生理、生化过程进行模拟研究。目前一些发达国家正在深入开展作物产量的模拟模式试验研究。在我国已有的类似试验中,多     

内蒙古浑善达克沙地和河北坝上地区不同地表覆盖类型对北京沙尘天气物源的贡献

根据野外土壤和植被调查以及实验室分析的结果, 探讨了内蒙古浑善达克沙地和河北坝上地区不同地表覆盖类型与北京沙尘天气物源之间的关系. 粒度分析结果表明, 流动沙地单位面积可释放的沙尘量小, 而低湿地草甸、石质丘陵草甸草原等单位面积内可释放的沙尘量大. 进一步考虑地表植被覆盖状况的影响, 可以认为, 作为荒漠化结果的流动沙地只是作为过去沙尘天气的物源, 当前单位面积沙尘释放的能力低, 而正处于荒漠化过程中的大面积的石质丘陵典型草原在同样的气候条件下单位面积内具有较高的释放能力. 农田如果春季耕翻, 则具有一定的沙尘释放能力, 而退耕/撂荒地上出现大量的一年生草本植物, 对起沙过程有一定的抑制作用. 固定沙地、石质丘陵草甸草原、低湿地草甸等由于多年生草本植物的覆盖率高, 单位面积内沙尘释放的能力低. 未来气候变化引起的沙丘活化以及湖泊和低湿地变干则可能使它们成为沙尘天气的潜在物源.     

压实黄土场地湿陷沉降机理与黄土高原平山造城适宜性

黄土高原城市用地紧张与用地需求日益增大的矛盾使得平山造城工程应运而生,大规模平山造城工程会引起场地水文环境变化,诱发填土地基失稳、建筑物破坏等,其工程长期适宜性是人们最关切的问题.通过现场调研、原位监测、室内试验、模型试验、数值模拟和InSAR分析等工作,探究了压实黄土场地湿陷沉降机理及黄土高原平山造城工程适宜性.研究结果发现,场地压实黄土的物理力学性质和微观结构同天然黄土差异较大,其力学性质差、孔隙连通性差、空间变异性大;湿陷变形本质为含水率增大引起土体刚度降低而发生的压密变形,湿陷过程中压实黄土的结构变化整体上表现为颗粒间孔隙的局部压密,颗粒及孔隙形态基本不变;非饱和压实黄土的蠕变特性同屈服应力与上覆荷载的大小密切相关,增大压实土体的干密度可提高屈服应力,缩短蠕变稳定时间,还可显著降低土体的渗透特性;典型平山造城场地厚层压实黄土中的含水状态基本能维持长期稳定,有缓慢的向下水流补给地下水;场地累积变形量随填方土厚度增大而增大,地表变形减缓,沉降速率递减,预测工后15年场地变形可达稳定;增大压实土体干密度和合理设置地下水排水设施可有效减小地表总变形量、变形稳定期和局部破坏.研究结果论证...     

火星全大气模式与沙尘活动模拟研究:回顾与展望

基于火星全大气模式的数值模拟研究有助于深入理解火星陆面-大气-空间环境多圈层相互耦合过程,是当今国际研究热点.模式对整个火星大气区域气象要素的描述亦可作为保障火星探测活动顺利开展的重要参考依据.沙尘活动显著影响着火星气候与天气变化,也对火星表面探测器可造成巨大安全威胁.对沙尘活动及其影响完善的模拟是目前全大气模式开发与研究工作中的重点之一.本文回顾了火星全大气模式的发展历程,概述了其构建方法,总结了相关科研成果,多角度论述了自主发展火星全大气模式的重要科研与工程价值,建议以火星沙尘活动为重点研究方向,牵引我国火星全大气模式的自主研发.模式的开发与应用涉及行星科学、空间科学、大气科学、计算机科学多领域协同合作.其开发过程势必带动我国行星科学全面发展,为相关研究领域积累经验、储备人才.     

谈高层建筑的沉降观测

根据笔者在高层建筑施工过程中沉降观测的应用,对高层建筑施工过程中沉降观测的工作进行了论述.     

公路桥梁地基的承载力及沉降分析

公路桥梁施工过程中,地基的承载力和沉降能力对施工质量具有极大的影响.文章在分析已有相关研究进展的基础上,提出并分析了一种组合型复合地基的形成机理,同时对其承载性能和沉降计算方法进行了讨论;分析过程和结果将为该复合地基的设计及其在公路桥梁建设过程中的工程应用提供必要的理论指导和技术支持.     

207国道少林涵地基不均匀沉降处理

针对国道207少林涵的工程概况,论述了涵洞差异沉降、顶部出现裂缝的处理方案、施工工艺及沉降监测和结果分析.     

基于临界负荷择选硫和氮沉降控制

为了科学地制定酸沉降控制政策, 基于稳定状态质量平衡法(SMB)建立了临界负荷函数, 绘制出二维临界负荷函数曲线图, 提出可将该曲线图定义出五种不同的控制区域, 即临界负荷区(无需控制区)、S沉降控制区、N沉降控制区、S和N沉降选择控制区以及S和N沉降同时控制区, 根据沉降状态点落在不同的控制区域内选择相应的控制途径. 考虑到中国盐基阳离子沉降(BC_dep)高的特点, 将BC_dep作为变量, 得到三维的临界负荷函数曲面与硫和氮沉降控制区. 以广州地区的赤红壤为例, 根据当前沉降数据和植被数据, 结合采样实测的土壤数据, 计算得到当前状态下的沉降点位于临界负荷区, 但若BC_dep下降75%, 则位于S沉降控制区, 表明应进行硫沉降的控制; 若进一步考虑营养氮的临界负荷值, 则当前的沉降状态处于N沉降控制区内, 随着BC_dep值的下降, 逐步转变为S和N沉降同时控制区, 表明应同时控制硫沉降和氮沉降.     

NOAA卫星云图反映播云物理效应

2000年3月14日14︰15至15︰49, 在陕西省境内实施了1次AgI飞机人工增雨作业. 播云80 min (15︰35)后, NOAA-14卫星接收的资料显示, 播云后云顶形成了一条清晰的折线云迹, 其长度为301 km, 平均宽度为8.3 km, 最大宽度达11 km. 形状与播云线相似, 位置和宽度有所不同, 可能为催化剂输送扩散所致. 为了证实云迹是播云物理效应的反映, 验证输送扩散模式的似真性, 利用3D非均匀非定常输送扩散模式, 通过催化剂输送扩散的数值模拟, 对15︰35的模拟结果与卫星云图上云迹的多方面比较、对比分析表明: 云图上每段云迹都与每段催化剂的输送扩散一一对应, 位置、长度、宽度及变化趋势基本一致. 云迹是播云物理效应在云顶的直观反映, 说明播云物理效应区能响应催化剂的输送扩散状况. 从各段云迹的显现、消失时间和宽度随时间的变化分析, 结合数值模拟结果, 发现每段播云线的主要影响时段约为20 ~ 80 min, 宽度达到较大的时间约为50 ~ 70 min. 通过比较表明模式能够较好地反映出催化剂输送扩散的主要特征, 模拟结果也较为准确合理.     

青藏高原沙尘特征与高原黄土堆积: 以2003-03-04拉萨沙尘天气过程为例

青藏高原是否是一个重要的粉尘源区, 它关系到对青藏高原和远东-太平洋地区粉尘堆积、来源、环境效应认识和青藏高原隆升及全球海-陆-气相互耦合作用的重大科学问题. 2003年3月3～5日拉萨地区强扬沙天气过程的大气动力学和遥感影像跟踪分析, 表明高原具备沙尘暴发生的所有条件, 并有强大的上升运动将不同粒径的粉尘扬升到不同的高度, 使粗粒粉尘在高原东部就近堆积成粗黄土, 而较细的粉尘则被西风急流携带漂移并沉降到远东地区. 高原40年来沙尘暴时空分布表明沙尘暴主要发生在冬季和初春, 有较高的发生频率, 从冬到春由南向北移动并与西风急流的位置密切相关. 同中国大陆其他12个沙尘区相比, 高原因较高的沙尘暴发生频率, 特别是粉尘极易扬升到西风急流区, 成为远程传输中主要的粉尘源地之一.     

湘芝塘隧道基底沉降处理施工技术

武广客运专线湘芝塘隧道出口暗洞段因地质原因产生较大沉降,文章介绍了该沉降段处理方案的比选及处理技术,为同类工程积累了经验.     

我国海洋沉降颗粒物质的有机地球化学研究——Ⅱ.酮、醛和醇脂类化合物组成特征的地球化学意义

<正> 海洋沉降颗粒有机质在海洋环境中扮演着重要的角色,它不仅为海洋生物提供了食物、参与了海洋化学循环,而且为海底沉积物提供了沉积有机质,因此,海洋沉降颗粒有机质的来源、传送和转移过程一直受到人们的关注.海洋沉降颗粒有机质的传送过程可以通过测定沉降颗粒物质的有机碳含量去认识,对它们的来源以及生物和生物化学作用过程则可通过研究其脂类化合物的组成特征而详细了解.笔者首次对我国南、东海沉降颗粒物质进行了有     

2002年华北沿海特大沙尘单体长链正构烷烃的碳同位素组成

利用气相色谱/质谱(GC/MS)和气相色谱/同位素比值质谱(GC/IRMS), 就2002年春季华北沿海青岛两次特大沙尘长链正构烷烃的单体碳同位素组成进行了分析和研究. 结果显示典型植物蜡源正构烷烃(C29和C31)单体碳同位素组成比典型人为源汽车尾气部分(C₂₁~C₂₃)明显偏轻. C₂₉非沙尘期碳同位素组成为－30.3‰ ~－31.9‰, 平均为－30.5‰; 特大沙尘期为－31.1‰ ~－31.5‰, 平均为－31.3‰. C₃₁非沙尘期碳同位素组成为－31.1‰ ~－33.0‰, 平均为－31.4‰; 特大沙尘期为－31.3‰ ~－32.6‰, 平均为－31.7‰. 研究区特大沙尘中的植物蜡主要来源于草本植物由长程输送而来, 本地源植物蜡主要来源于落叶植物和木本植物. 华北沿海特大沙尘期的植物蜡83.3%为C₃植物的贡献, 非沙尘期C₃植物对植物蜡的贡献可占80.0%, 表明现代气候环境下, 东亚沙尘向中国近海及西北太平洋输送的植物蜡主要源于C₃植物. 长链正构烷烃的分子和分子-同位素组成可作为东亚沙尘及西北太平洋沉积物中陆源有机质物源识别的有效指标.     

1998年春夏南海低空急流形成机制研究

利用“南海季风试验”提供的同化资料, 分析了1998年春、夏季发生在南海上空低空急流形成机制, 其中重点分析了1998年6月8~10日珠江三角洲暴雨过程中的低空急流过程, 并用MM5中尺度模式进行了数值模拟. 结果表明, 在低空急流形成过程中, 动能向上输送, 造成南海低空急流从对流层低层向高层发展. 其形成过程可以概括为: 在华南西部的天气尺度低压向东移动和西太平洋的一个高压扰动向西移动过程中, 二者的共同作用使南海地区上空对流层低层的气压梯度力加强, 由于气压梯度力作功提供了低空急流形成所需要的动能, 导致南海上空低空急流在这两个系统之间形成. 由于南海季风加强往往以低空急流的形式表现出来, 因此南海低空急流的形成机制也可以解释南海季风加强.     

淡积云中夹卷混合机制的参数化及二次混合的影响

<正>夹卷混合过程影响着低云中降水的形成、气溶胶间接效应的评估、低云和气候之间的反馈以及雷达遥感云水含量的准确度.淡积云中夹卷混合过程的参数化对改进大尺度模式中云的参数化方案是至关重要的,但目前仍处于起步阶段.本文利用淡积云的飞机观测结果,对夹卷混合过程的参数化进行探索,并利用显式混合气泡模式(EMPM)进行数值模拟研究.2009年1月22日至6月30日,美国大气辐射观测项目组在美国南部大     

我国海洋沉降颗粒物质的有机地球化学研究——Ⅱ.酮、醛和醇脂类化合物组成特征的地球化学意义

海洋沉降颗粒有机质在海洋环境中扮演着重要的角色,它不仅为海洋生物提供了食物、参与了海洋化学循环,而且为海底沉积物提供了沉积有机质,因此,海洋沉降颗粒有机质的来源、传送和转移过程一直受到人们的关注.海洋沉降颗粒有机质的传送过程可以通过测定沉降颗粒物质的有机碳含量去认识,对它们的来源以及生物和生物化学作用过程则可通过研究其脂类化合物的组成特征而详细了解.笔者首次对我国南、东海沉降颗粒物质进行了有     

东亚地区沙尘长波辐射对其辐射效应贡献的个例研究

<正>为了评估沙尘气溶胶长波辐射对沙尘总辐射效应的贡献,本文将一个沙尘长波辐射参数化方案嵌套于中尺度沙尘预报系统GRAPES_CUACE/dust中,并将其辐射效应在线反馈到模式的动力过程.采用包括参照实验即不包括沙尘的辐射效应(CTL),只包含沙尘短波辐射反馈(SW)和同时包含沙尘短波和长波辐射反馈(SW+LW)的