5m尺度上夹卷率的变化特征及其与云微物理量之间的关系

<正>云在全球辐射平衡和气候变化中起着重要作用.气候模式中的积云参数化方案影响着降水、季节内震荡和气候等的数值模拟研究.夹卷率是积云参数化中一个重要的物理量,影响着热量、动能和水汽的垂直输送.在过去几十年时间里,为了准确地估算夹卷率,科学家们投入了大量的精力,但目前的夹卷率估算仍然存在很大的不确定性.此外,夹卷混合过程可看成是随机过程,因此,采用夹卷率的概率密度分布函数将有利于积云参数化方案的改进.但夹卷率概率密度分     

我国东北地区季节降雪高分辨率数值模拟

利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式,进行了我国东北地区冬季降雪的高分辨率数值模拟,评估了WRF模式对季节降雪的模拟能力,并探讨了模式水平分辨率和物理过程参数化方案对降雪模拟的影响.结果显示WRF模式可以合理地模拟冬季气温和降水的空间分布,模拟结果和观测吻合较好.该模式可以合理地模拟东北地区季节降雪的空间分布和时间演变,显示了该模式较强的模拟性能.水平分辨率和物理过程参数化方案对降雪模拟有重要影响,高分辨率模拟结果更接近观测;相对于积云对流参数化方案,模式对陆面过程和微物理过程参数化方案更加敏感.     

积云参数化方案的发展和改进及其在季节气候预测模式中的应用

在研究英国气象局的Gregory积云参数化方案特征的基础上, 根据我国区域降水的特点, 发展和改进了Gregory积云参数化方案. 首先, 在总体云群模式中, 直接考虑了低层大尺度辐合对积云对流的影响, 即在云模式中, 加入了有组织的卷入和卷出; 其次, 调整了积云对流初始的质量通并考虑了过冷水存在对饱和水汽压的影响; 最后, 调整了向下拖曳气流的强度. 在改进Gregory积云参数化方案后, 对我国近年来典型年份的夏季降水进行了预报实验, 结果表明: 发展和改进后的Gregory方案能较好地模拟出我国的降水形势, 取得了较好的预报效果.     

区域气候模式(RegCM3)中积云对流参数化方案在纵向岭谷区的适用性研究

为了检验RegCM3中积云对流参数化方案在纵向岭谷地区5月和夏季降水模拟能力,选取不同积云对流参数化方案,运用区域气候模式模拟了纵向岭谷地区1982~2001年共20年5月份和夏季的降水,并对模拟降水场与实测降水场的关系进行了定量的对比分析.结果表明,从RegCM3对纵向岭谷区20年模拟的总降水量来看,Fritsch-Chappell对流参数化方案对纵向岭谷区5月降水的模拟能力最好,Anthes-Kuo积云对流参数化方案次之;Anthes-Kuo积云对流参数化方案对纵向岭谷夏季降水的模拟能力最好,Fritsch-Chappell积云对流参数化方案次之,但模拟获得的总降水量比实际值稍微偏小.对纵向岭谷地区5月和夏季降水年际变化的模拟结果与对纵向岭谷区20年总降水量的模拟结果相一致.Anthes-Kuo和Fritsch-Chappell积云对流参数化方案比较适合描写纵向岭谷区5月和夏季的模拟积云对流物理过程.     

与动力场相耦合的区域沙尘分档模式及个例模拟

综合考虑沙尘的起沙、扬沙、输送、干沉降、湿沉降等物理过程, 建立了一个比较完善的综合沙尘过程模式, 并与MM5中尺度动力模式相耦合, 构成区域沙尘模式. 模式中利用摩擦速度和地表信息资料, 对起沙通量作了订正; 扬沙过程, 根据流场、不同的边界层和不同的积云对流参数化方案, 分别处理; 模式中沙尘的沉降分为干沉降和湿沉降, 对沙尘粒子作了按尺度的分档处理, 对于显式或隐式降水都作了比较精细的考虑. 该模式对2002年3月20日和2002年4月7日影响我国北方大部分地区的强沙尘天气的形成和输送过程进行了模拟试验, 结果表明, 模式能较好地模拟沙尘过程的形成和传输扩散特征.     

青藏高原东北部土壤冻融过程的数值模拟

利用青海省苏里站2009 年2 月1 日~12 月31 日的气象观测资料作为模式强迫场, 使用陆面过程模式CLM3.0(Community Land Model), 对青藏高原东北部季节性冻土区域进行模拟.结果表明, 模式能够较好地模拟出各层土壤的冻融变化趋势, 但在融化阶段, 模拟的土壤温度高于观测, 融化结束时间早于观测; 冻结阶段, 模拟的土壤温度略低于观测, 深层土壤冻结时间早于观测; 整体看来, 模式对冻结过程的模拟好于对融化过程的模拟, 对靠近表层的土壤模拟好于深层. CLM3.0 模式中认为冻土在土壤温度高于0℃时发生融化, 本文根据热力学平衡方程得到土壤发生冻融的临界温度, 进而对冻土的融化条件进行调整, 融化条件的调整减缓了冻土的融化速率, 使得土壤温度模拟降低, 同时, 调整后的模式模拟结果反映了冻土融化过程中伴随有冻结过程的发生, 与真实的冻土融化过程更为接近. 此外, 通过敏感性试验发现, 融化过程和冻结过程中土壤水的冻结速率是不同的, 表明模式中用于计算土壤发生相变后温度的方案还有待进一步改进.     

干旱区夏季晴空期超厚对流边界层发展的能量机制

在全球干旱区,因其特殊的气候环境背景,夏季晴天常常会出现其他地区少见的超厚对流大气边界层(superthick convective boundary layer, SCBL),这种特殊的边界层结构具有重要的天气气候意义,但目前对这种超厚对流边界层发展机制理解十分有限.这既制约了大气数值模式中针对这种超厚对流边界层的参数化改进,也限制了超厚对流边界层与天气气候背景相互作用的科学认识.通过选取我国西北干旱区敦煌荒漠戈壁为代表性研究区,利用以往在该区域开展的陆-气相互作用观测试验资料及长期业务探空观测资料,从大气边界层发展的能量机制出发,对该地区出现的超厚对流边界层的发展过程进行分析.分析表明:从日际尺度看在持续晴空期即使在白天地表感热通量日积分值不变甚至减弱的情况下,大气对流边界层(convective boundary layer, CBL)的日最大厚度仍然表现为逐日持续增高的特点,且地表感热提供的能量无法平衡对流边界层发展所需要吸收的能量.主要原因是深厚的近中性残余层(residual layer, RL)在对流边界层发展过程中发挥了重要作用,通过夹卷过程从残余层进入对流边界层的夹卷能量是对流边界层逐日持续发展的关键能量补充.在夏季连续晴空期,对流边界层与残余层之间会形成逐日循环增长机制,使干旱区夏季发展出超厚对流大气边界层.     

区域环境集成模拟系统RIEMS2.0对中国多年降水和气温模拟能力分析

区域环境集成模拟系统RIEMS2.0(regional integrated environment modeling system version 2.0)是由中国科学院大气物理研究所东亚区域气候环境重点实验室在RIEMS1.0基础上开发的区域气候模式. 为了检验RIEMS2.0对长期气候及其变化的模拟能力, 比较1980～2007年共28 a降水和气温观测资料和模拟结果 (连续积分时间1979年1月1日至2007年12月31日), 并对比不同积云参数化方案对模拟结果的影响, 为模式的调试和应用提供依据. 全年降水和气温模拟结果表明RIEMS2.0能模拟出多年平均气候态降水和气温分布, 但是模拟的中心雨带偏强偏北、气温偏低; 模式能揭示不同子区域降水和气温的年变化和年际变化; 模拟的夏季气温偏差小于冬季, 除了冬季江淮和江南区外模式高估了其他子区域降水; 模式对半干旱区降水和气温模拟偏差较大; 模式能很好地模拟降水和气温距平分布; 不同积云参数化方案模拟的降水和气温分布基本一致, 但强度和分布有差别. 因此, RIEMS2.0对多年平均气候态及气候变化表现出较强的模拟能力, 并具有较好的稳定性.     

九江地区积云冰晶化高度与温度

Hallett在美国佛罗里达地区用飞机穿云,观测积云顶部(-4°—-9℃)的冰粒子,发现新生的猛烈发展中的积云云泡,其中冰粒子一般为低浓度(<0.1个/升);而具有较小的上升速度和衰老的云泡中,冰粒子却有很高的浓度(>10个/升).庐山云雾试验站进行了四年双经纬仪观测,积累了丰富的经验.积云冰晶化高度资料是在浓积云发展成为积雨云过程中取到的,因此,就可以避免梅森在“云物理学”中提到的“云的上部区域的大水滴也能出现一般同冰晶的存在有关的纤维状外貌”.     

三参数冰相云微物理方案的构建及在单柱大气模式中的应用

云微物理的参数化对天气及气候的准确模拟至关重要,其中云粒子谱分布特征通过改变云演化发展和云辐射效应,必然进一步影响气候模拟.目前广泛使用的双参数云微物理方案,无法预报云粒子谱分布的谱形参数,阻碍了气候模式对云物理过程的准确描述.鉴于此,本文在单柱大气模式SCAM5.3(Single Column Atmosphere Model,Version 5.3)中增加雷达反射率因子的预报方程,构建了三参数冰相云微物理方案,实现了冰晶粒子谱分布谱形参数的预报.利用该模式,模拟了大气辐射观测计划在1997年夏季实施的为期29 d的观测个例(ARM97),分析了双、三参数方案对云量和辐射的模拟差异.结果表明:首先,三参数方案预报的冰晶粒子谱的谱形参数主要集中在0～4,峰值在2左右,至少有85%的μ都大于默认的0.其次,与双参数方案相比,三参数方案对云量的模拟更接近观测;利用辐射通量密度的观测值进行评估,发现无论是短波还是长波辐射通量密度,三参数方案的误差都比双参数方案小.最后,揭示了三参数方案对云量和辐射模拟效果的改进机理:主要是因为三参数方案减弱了冰晶到雪的自动转化过程,增强了冰晶凝华增长过程,从...     

中国人工影响天气准隐式云分辨模式的研制和应用

利用准隐式格式,建立了一套详细混合相双参数微物理雪晶方案.新方案包括云水比质量、云冰、雨水、雪和霰的比质量和数浓度等变量,31个微物理过程,21个相变过程.新方案的物理过程描述有较大优势,云雨自动转化中没有给定阈值,减少了人为性.新方案设计了准隐式格式,保证了模式的正定、守恒和稳定.增加了4个预报量后,新方案实     

北太平洋副热带西部模态水形成区海洋涡旋对冬季垂直混合过程的影响

利用国际ARGO观测中心2001年2~3月在黑潮再循环环流圈投放的浮标资料, 结合TRMM观测的海表温度资料和T/P-ERS卫星高度计资料, 分析了北太平洋副热带西部模态水形成区海洋涡旋对冬季上混合层的影响. 反气旋式暖涡增强了冬季局地的垂向混合过程, 形成较深的混合层及温度跃层, 有助于北太平洋副热带西部模态水的形成. 发现上世纪90年代, 96~98年对应北太平洋副热带西部模态水形成区的黑潮及黑潮延伸体海区的涡旋活动以气旋式冷涡为主, 较多的气旋式冷涡有效抑制了冬季上层海洋的垂向混合过程; 而93~95年则相反, 较多的反气旋式暖涡加强了冬季上层海洋的垂向混合过程.     

运用四参数三相混合模型和瞬态超声成像技术提取关节软骨的弹性模量

作为一种覆盖在关节骨表面的重要承重组织, 关节软骨的结构或成分的细微变化都会造成软骨的退化, 最终导致如骨关节炎等疾病的发生, 因此研究软骨的力学性质有重要意义. 应用50 MHz高频瞬态超声系统观测关节软骨随深度变化的渗透性膨胀行为, 依据超声回波计算得到软骨不同深度的应变量, 然后运用改进的四参数三相混合模型计算软骨的轴向弹性模量, 实验结果与模型预测趋势基本一致. 该研究表明利用瞬态超声技术, 可以有效观测软骨内部随深度变化的膨胀行为, 结合四参数三相混合模型, 可以更准确的描述关节软骨的力学性质.     

NoahMP-RAPID在高海拔山地流域的模拟检验与误差分析

高海拔山地流域水能资源丰富、山洪易发;但产汇流机制复杂、降水数据不确定性大,准确的山地水文过程模拟面临较大困难.本研究采用中国区域地面气象要素数据集CMFD(China Meteorological Forcing Dataset)驱动NoahMP陆面过程-RAPID河网汇流耦合模式,模拟青藏高原东侧大渡河干流逐日流量,并根据铜街子、龙头石流量站观测数据率定RAPID中的波速参数,检验了NoahMP中SIMGM和NOAH两种不同的产流过程参数化方案的模拟能力,评估了CMFD降水驱动数据的系统性偏差.研究发现,基于Philip入渗模型的NOAH方案优于基于TOPMODEL的SIMGM方案,能较为准确地模拟大渡河干流流量逐日变化,相关系数大于0.85、纳什系数约为0.3;对纳什系数的数学分解发现,纳什系数较低主要是由于模拟流量显著偏低造成的,若剔除系统性偏差,NOAH方案的纳什系数可提高至约0.7.模拟流量的系统性偏差主要来自于降水驱动数据;与雨量站观测和反演数据相比,CMFD显著低估了大渡河流域平均降水量,且其系统性偏差与高程有关,在低海拔地区高估,高海拔地区低估.本研究表明,使用NOAH产流方案的NoahMP-RAPID耦合模式对大渡河流域水文过程有较好的模拟能力,可进一步应用于水库调度优化;而提高雨量站密度、降低降水数据产品的系统性偏差是进一步改进高海拔山地流域水文过程模拟的关键.     

原子力显微术研究相分离混合单分子膜中微晶畴的多相性

近10年来,利用荧光显微术和布儒斯特角显微术等光学观测手段,已对气-液界面上两亲性分子的微晶畴结构(Domain)进行了广泛的研究.但是,这些研究主要集中在单组分单分子膜从液态扩张相(LE)到液态凝聚相(LC)的相变过程,很少涉及混合单分子膜的畴结构与相行为.这一状况主要源于光学显微术在分辨率上的局限性.新近出现的原子力显微术(AFM)由于其具有极高的分辨率,为混合单分子膜Domain结构的观测提供了十分有效的手段.这里,我们报道在混合单分子膜——花生酸(AA)和5,10,15-三苯基-20-(4-dl-α-苯丙氨酰氨基)苯基卟啉(TPPP)中所形成的Domain以及Domain的某些生长过程.     

Noah-MP陆面过程模式在雅鲁藏布江流域径流模拟中的适用性评估

雅鲁藏布江(以下简称雅江)流域的气象水文模拟是当前全球变化研究的热点与难点. Noah-MP(the Noah land surface model with multi-parameterizations)陆面过程模式作为该区域气象水文双向耦合过程的重要数值模拟工具,鲜有研究针对其径流模拟能力进行过系统性评估,限制了模式在该区域的水文应用.本研究基于中国区域地面气象要素数据集CMFD(China Meteorological Forcing Dataset)驱动Noah-MP模式,对雅江流域2000～2018年的径流进行时空分辨率为3 h/5 km的数值模拟;选取与流域径流产生机制相关的10个主要物理过程,评估了16种参数化方案组合对于径流模拟的影响,并确定了最优参数化方案组合.结果表明:(1)采用默认参数化方案, Noah-MP在奴下站的月尺度模拟纳什效率系数NSE(Nash-Sutcliffe efficiency)为0.23、偏差百分比PBias为–35.79%,而采用基于临界温度的雨雪分离方案、改进的二流近似辐射传输方案以及基于BATS的产流方案后, PBias分别减少至–2...     

二甲醚发动机的新型可控预混合燃烧

提出一种二甲醚可控预混合新型燃烧(CPC)概念, 探索在发动机上实现无烟与超低NO_x排放的新途径. 采用电控低压喷射系统, 将燃料喷射到预混合室, 并由控制阀控制预混合气的形成及燃烧过程. 以单缸135柴油机为基础设计制作了试验装置. 初步试验表明: 在优化的发动机参数条件下, NO_x排放量低于 65×10^-6, 烟度为零. 燃烧过程分析发现, 控制阀对燃烧过程有着显著的影响, 是实现高效燃烧过程的关键.     

振动混合颗粒形成的反巴西果分层及其相图的实验观测

在混合均匀的铜颗粒和玻璃颗粒受到不同加速度Γ和频率f的正弦振动作用下, 获得了巴西果(BN)、反巴西果(RBN)、三明治(Sandwich)的不同分层相构型及其相图. 首次观测到小颗粒在上大颗粒在下的稳定的反巴西果分层(reverse Brazil Nut segregation)现象. 还观测到区分不同分层区域的Γ值具有滞后效应, 表明分层过程与系统的初始条件有关.     

黑河流域高分辨率区域气候模式建立及其对降水模拟验证

以中国科学院大气物理研究所东亚区域气候-环境重点实验室研制的区域环境集成系统模式为基础,采用黑河流域观测和遥感数据对模式中地形高度、植被类型、饱和土壤水势、饱和土壤导水率、田间持水量和萎点含水量、土壤孔隙度和土壤水势参数b等重要参数进行重新率定,进行模式本地化,建立适合黑河流域高分辨率区域气候模式,并且利用该模式对黑河流域进行了2000年连续积分模拟,重点考察了区域气候模式在水平分辨率为3 km条件下对黑河流域降水模拟能力.结果表明:模式能够较好地模拟出黑河流域降水的年、季节空间分布特征和不同区域降水年变化.对于不同区域来说,上游地区模式模拟降水较观测偏多,中游和下游地区较观测偏少,降水偏差在?39.9%~9.06%之间,与IPCC 2001报告中在区域尺度105~106 km2上降水偏差为±50%较为一致;模式模拟黑河流域上游、中游和下游地区平均降水与观测之间对应的相关系数分别为0.8123,0.5064和0.7033,都通过99%置信度检验.其中黑河流域上游地区模拟最好,相关系数达到0.8123;该研究表明采用黑河流域高分辨率区域气候模式进行动力降尺度后,弥补了黑河流域观测站点少的缺陷,为水文模型评估与实现对流域水资源精细化管理和决策支持提供科学数据.     

基于混合高斯模型的日冕物质抛射探测方法

提出了一种基于混合高斯模型的日冕物质抛射(CME)探测方法.基本思想是利用自适应的混合高斯模型建立较为稳定的日心极坐标下的日冕图像的动态背景,从而探测作为前景变化的CME.采用SOHO卫星上的大视角分光日冕仪(LASCO)观测的2组日冕序列图像作为研究对象,研究的内容主要包括日冕序列图像的预处理、CME的探测、自适应混合高斯背景差分法与其他多种CME探测方法的对比3个方面.实验结果表明,自适应混合高斯背景差分法探测CME是可行的,它能探测到CDAW手动目录列出的全部CME,还能探测到CDAW探测不到的强度弱和张角小的CME,而且探测数量也多于CACTus和SEEDS探测算法.