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.     

SACOL站冰云微物理特性的反演

冰云是全球分布范围最广的云类型之一,对地气系统的辐射收支有重要作用.本文利用兰州大学半干旱气候与环境监测站(SACOL)Ka波段毫米波云雷达(KAZR)2013年8月至2014年7月的观测数据,结合微脉冲激光雷达(MPL)观测数据,分别使用传统经验算法、考虑温度订正的反演算法和KAZR-MPL联合反演算法,反演了冰云的冰水含量和有效粒径两个微物理量,形成了云微物理量的反演数据产品.在此基础上对SACOL站上空云微观特性进行了统计分析,并进一步结合Fu-Liou辐射传输模式,模拟了冰云在大气层顶处对长短波辐射通量的影响,与CERES卫星观测的辐射通量值进行比较,用以评估不同冰云微物理量的差异对辐射所造成的影响.结果发现:SACOL站冰云主要出现在2～14 km的范围内,在7 km处出现频率最高,达到13.02%; 3种云微物理方法反演的冰水含量相差不大,均呈现单峰型分布,概率密度最大处的冰水含量集中在10~(-3)g/m~3左右,而有效粒径的谱分布呈现出较大差异, KAZR-MPL反演算法模拟的冰晶粒径普遍偏大,也正是由于这种差异,造成了对大气层顶的短波辐射通量模拟的偏差.而各种算法对于大气层顶出射的长波辐射模拟效果远好于对短波的模拟,平均误差为5.04%,相关系数均大于0.6,而模拟效果较差的部分,主要存在于光学厚度较薄的个例当中.     

利用KAZR云雷达对SACOL站云宏观特性的研究

云是气候系统中最为重要的因子之一,对地气系统的辐射收支有显著影响.然而由于云在气候模式中的表征和反馈作用不能很好地被描述,因而也是造成气候预测存在较大不确定性的重要因子.兰州大学半干旱气候与环境监测站(SACOL)于2013年7月引进了Ka-Band Zenith Radar(KAZR),在西北干旱区进行云的长期连续观测.本文利用云雷达观测数据,首先实现了目前ARM用于云检测的业务算法.在此基础上对2014年SACOL站上空云宏观特性进行统计,初步分析了云底、云顶和云厚的分布变化,结果表明:云底在1.5和5.5 km处出现频率最高,云顶发生频率在2.5和8.5 km处达到峰值;67%的云层厚度分布在2 km以内;月平均总云量的发生频率为44%~76%,低云、中云和高云的发生频率分别为13%,30%和34%;单层云、双层云和三层云占到云总数的98%,其中夏秋季节多层云发生频率较高;各个季节不同类型的云都具有一定的日变化特征;通过KAZR与Cloud Sat和CALIPSO卫星的观测比对,结果表明Cloud Sat对厚云的穿透性好,但无法探测到反射率因子低于?30 d BZ的弱云,CALIPSO对弱云最敏感,但信号受云滴粒子衰减较快,对于厚度较大的云探测的云底高度偏高.     

夏季青藏高原东南部气溶胶对云特性的影响

青藏高原(以下简称高原)东南部是高原人口活动最为密集的地区,随着川藏铁路的修建,该地区的云降水特征进一步受到关注,但是其中气溶胶对云特性的影响作用依然较为模糊.利用2015～2021年葵花-8静止卫星数据,结合MERRA2、ERA5再分析资料,探究了夏季高原东南部气溶胶对云特性的影响.研究发现,高原东南部地区的气溶胶日平均浓度近年来整体趋势稳定,存在人为源气溶胶与沙尘气溶胶的混合污染现象,其分布受人为活动区域影响,存在显著的地域特征.在水汽输送条件不利的情况下,气溶胶的增多可导致云的出现频率减少、云光学厚度以及云滴粒子有效半径降低.其中硫酸盐气溶胶的增多可显著增强吸湿增长和成云潜势,促进云的生成和发展.此外,高原东南部南侧的雅鲁藏布江河谷和念青唐古拉山脉以及北侧的唐古拉山脉区域附近的地形作用有助于气流抬升,增强气溶胶的凝结增长和碰并过程,对云的生成和发展有较为明显的促进作用.气溶胶对对流云特性的影响比层状云更为显著,其具体影响效应受制于水汽条件:当水汽充足时,云的出现频率提升,而水汽不足时Twomey效应可能导致云滴粒子有效半径下降而云光学厚度上升.本研究结果对于预测和评估川藏铁路沿线...     

青藏高原那曲地区夏季对流云结构及雨滴谱分布日变化特征

青藏高原对于我国大气水循环、生态环境、灾害天气产生及气候变化等均具有重要作用和影响.为进一步揭示青藏高原气象和大气物理过程,我国启动了第三次青藏高原科学试验-边界层与对流层观测(2014~2017年)重大研究项目,其中云降水物理观测试验采用了包括C波段连续波雷达、Ka波段毫米波云雷达、地面雨滴谱仪、激光云高仪等目前先进的观测仪器.本文利用2014年7月1日~8月31日期间在西藏那曲的观测数据,结合FY-2E卫星的TBB资料,分析研究了青藏高原夏季(7~8月)对流云及其降水过程和雨滴谱分布特征.研究结果表明,观测试验期间青藏高原对流活动主要集中在高原东南部和中部地区,其降水过程存在准两周的周期性;由于高原的加热效应,对流云和降水过程有着显著的日变化特征,对流活动在11:00(当地时间)由局地热对流发展,经合并增长在17:00~18:00达到最强,入夜后降水过程开始偏平流性并持续至6:00,之后逐渐消散,上午对流活动较少.高原对流云平均云顶高度为11.5 km左右(海拔高度),最大云顶高可超过19 km;平均云底高度6.88 km.降水过程主要表现为短时阵性降水,持续时间基本小于1 h,平均降水强度在1.2 mm/h左右.另外,研究发现高原雨滴谱分布相对于同纬度和季节的平原地区较宽,导致高原对流易产生降水.Γ分布相对于M-P分布更适用于对高原上的雨滴谱分布进行拟合.     

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...     

云的非均匀性对双向反射率的影响

应用SHDOM模式对选自供国际比对的I3RC PhaseⅡ的积云场与层积云场计算了其0.67及2.13 μm的天底方向的双向反射率, 探讨了云的非均匀性对双向反射率(BRDF)的影响. 数值模拟结果表明, 随着太阳天顶角的增大, 积云场有约6%的格点的0.67 μm的BRDF值出现>1的异常值. 进一步分析表明, BRDF值异常聚集出现于云顶的局地低谷. 这些区域既可以受到太阳的直射, 也可以接收到邻近较高的云的散射辐射, 从而造成该区域的散射辐射增强. 这说明云的非均匀性有可能造成卫星的观测值出现与平面平行辐射传输理论不相符的状况, 提示高分辨率的卫星资料的像素点的辐射值可能会因云非均匀性的影响而被增强, 对应用其反演的产品要有清醒的认识. 中高纬度地区的优势太阳天顶角均较大, 云非均匀性对于这些区域的反演结果的影响更大.     

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.     

一次单体雷暴云的穿云电场探测及云内电荷结构

自行设计制作了携带GPS的强电场探空系统, 可以获取探测路径上的电场垂直分量、温度、相对湿度和GPS定位数据. 2008年夏季, 在地面大气平均电场仪以及一部X波段天气雷达的配合下, 在甘肃平凉地区进行了雷暴云内的电场探空实验, 获得了中国内陆高原地区雷暴云内的电场廓线资料. 通过对一次过顶雷暴活跃阶段的探空资料分析, 表明在雷暴云及其下边界存在4个电荷区域: 在海拔高度4.3~4.5 km之间(云底)存在一个负屏蔽电荷层; 在4.5~5.3 km存在一个正电荷区, 对应3~2℃温度层; 在5.4~6.6 km存在一个负电荷区, 对应温度–3~–10℃; 在6.7~7.2 km存在一个正电荷区, 对应温度–11~–14℃. 本文提供的观测结果支持中国内陆高原地区雷暴云内(0℃层之上)存在三极性电荷结构, 但下部正电荷区较正常三极性结构要强的结论.     

中国大陆地区雷暴上方的巨大喷流

巨大喷流(gigantic jet)是发生在雷暴云上方的一类大尺度瞬态放电现象,将雷暴云和电离层直接电连接起来.与发生在雷暴云上方的其他放电现象相比,巨大喷流很难在地面观测到.2010年8月12日晚,在我国大陆地区黄海附近雷暴上方(雷暴中心位于35.6°N,119.8°E)观测到一例巨大喷流放电事件,这是迄今为止观测到的距离赤道最远的发生在夏季雷暴上方的巨大喷流.研究结果表明,观测到的巨大喷流放电顶端约位于地面上方89km.产生巨大喷流的雷暴是一个多单体雷暴,巨大喷流出现在雷暴发展阶段,云顶最低亮温约为73℃,最大回波顶高为17km,45dBZ雷达回波顶高位于12～14km.与已有研究结果巨大喷流产生前后正地闪占主导不同,本文得到在巨大喷流产生前后负地闪占主导,而且负地闪在整个雷暴过程中占主导,表明产生巨大喷流雷暴的雷电活动特征存在多样性.另外,本文观测结果是两个雷暴过程产生了两类不同的放电事件,产生巨大喷流的雷暴仅产生了这次巨大喷流,而另外一次雷暴则只产生了5次红色精灵.这一研究结果丰富了对已有产生巨大喷流的雷暴的认识.此外,由于本文观测到的巨大喷流处在台湾FORMOSAT II卫星搭载的ISUAL(Imager of Sprites and Upper Atmospheric Lightnings)观测设备的有效探测范围(30°S～30°N)之外,因此,本文也是对台湾卫星观测结果的有益补充.     

北京一次典型灾害性雹暴、大风的形成过程与云物理特征

利用MM5中尺度模式和强风暴模式对北京2003年8月23日晚发生的一次强雷暴、大风天气的形成过程与云物理结构特征进行了分析研究.研究结果表明,北京地区特有的地形、冷暖气流分布特征对强灾害性风暴的发生、发展和维持具有非常显著的作用.西风气流经过地势较高的地区时,由于受太阳辐射加热和地形抬升的共同作用,易形成对流单体,在随高空气流向地势较低的城区移动过程中,暖湿空气从云体前方进入云体,对流得到显著加强,在云的中上部形成大量的霰/雹粒子.降水主要是由于霰/雹粒子通过融化层融化形成的.强下沉气流主要是由霰/冰雹的拖曳、融化以及雨水的蒸发冷却过程形成的负浮力效应产生的,这种强下沉气流在地面辐散导致地面瞬时局地灾害性大风.同时,强辐散出流也迫使暖湿气流更大程度地抬升而形成新的云系,使强风暴系统得到进一步发展和维持.     

介孔分子筛SBA-15负载的双亚胺镍催化剂的合成及乙烯聚合

应用新型介孔分子筛SBA-15为载体, 成功地对后过渡金属镍双亚胺催化剂进行了物理和化学负载, 并应用元素分析, 等离子体发射光谱(ICP), FT-IR和X射线粉末衍射(XRD)等对载体催化剂进行了表征. 乙烯聚合结果表明, 载体催化剂不仅具有镍双亚胺均相催化剂的高活性, 而且由于载体孔道效应生成了纤维状聚乙烯, 同时聚合物的分子量和分子量分布较均相催化剂有大幅度提高.     

基于格子Boltzmann方法的复杂多孔介质内双扩散效应的对流传热传质机理研究

基于TD2G9不可压格子Boltzmnann模型, 通过引入第3个分布函数表征浓度场的演化, 并在标准演化方程后附加源项, 构造了用于模拟多孔介质内在多物理场(浓度场, 温度场)下交叉耦合效应的自然对流传热传质格子Boltzmann模型. 基于非平衡态不可逆热力学的基本原理, 引入Boussinesq假设, 在考虑了耦合扩散效应的基础上建立了可用于描述多物理场耦合效应下的自然对流传热传质的控制方程. 采用提出的格子Boltzmann模型结合多孔介质构造算法从孔隙尺度对规则以及随机多孔介质内双扩散效应的自然对流传热传质过程进行了模拟, 研究了不同瑞利数Ra, 不同孔隙率下的多孔介质内传热传质特征, 考察了温度梯度等因素对多孔介质内传质过程的影响, 创新地从孔隙尺度对多孔介质内的耦合对流扩散过程的传热传质机理进行了研究.     

一个东亚区域海气耦合模式初步结果

建立了一个应用于东亚的区域海气耦合模式并通过20年的连续积分来评估其对东亚气候的模拟能力. 模式由大气模式RegCM3和海洋模式HYCOM组成并利用OASIS3耦合器控制整个模式的运行, 其中RegCM3的水平分辨率为60 km, HYCOM为33 km. 与其他区域海气耦合模式相比, 该模式的显著特点是耦合模式中海洋侧边界采用了单向嵌套方法来处理侧边界强迫问题. 另外, 在耦合模式中对太阳短波辐射进行了通量订正, 较好地消除了在直接耦合时出现的海温偏冷2℃的问题. 对模拟结果的初步分析表明, 该耦合模式可以成功地模拟出东亚地区大气和海洋的气候平均态, 季节变化以及年际变化的主要特征. 尽管由于分量模式本身的缺陷导致耦合模式的模拟结果和观测还存在一定的差距, 但和未耦合时相比确有一定程度的改善, 尤其是在东亚季风中最为重要因素之一的降水的模拟上. 进一步的分析表明降水模拟得到改善得益于耦合模式对夏季西太平洋副高模拟能力的提高, 从而增强了中低纬大气中水汽输送的模拟能力以及降水和海表温度(SST)的关系. 这些结果表明, 在东亚地区区域海气耦合模式具有一定优势, 但需要对模拟结果进行更加细致的分析, 如从日变化到年际变化的更详细分析.     

利用非常规资料对城市强暴雨的中尺度分析与模拟研究

利用国家"973"项目获取的特殊加密观测资料, 包括自动气象站雨量资料、风廓线仪资料、多普勒雷达图像资料、GMS5卫星云图资料和NCEP再分析资料, 采用诊断分析与数值模拟相结合的研究方法, 对2001年8月5～6日上海城区出现的1949年以来最强一次降雨过程进行了中尺度分析与模拟研究. 目的是了解造成此次城市暴雨灾害的热带气旋内中尺度系统的发展演变特征和将较高时空密度的非常规观测资料用于高分辨率MM5中尺度数值模式, 对于有效地预报城市灾害性暴雨的可行性、必要性. 研究揭示出 (1)此次暴雨是由登陆热带低压内发生发展的一系列中尺度对流云团所致, 具有时空尺度小的特征; (2)热带低压在入海前的重新加强为这场暴雨的发生提供了有利的环境条件; (3)热带低压与其内中尺度云团间可能存在相互作用; (4)及时、准确地充分运用各种观测资料对于有效地监测、预测出此类城市暴雨灾害具有重要意义; (5)局地风速的增强和风向的转变是暴雨中尺度系统的触发机制, 而充沛的水汽输送、聚集的对流有效位能为暴雨中尺度系统发生发展提供了必要的物理机制.     

GRAPES 变分同化系统中卫星辐射率资料的直接同化

变分方法能够处理与代表大气状态的预报模式变量有复杂非线性关系的观测资料, 使得直接同化与大气状态量有着非线性关系的观测量(如卫星辐射率)成为可能. 各种观测资料的同化都需要有一个对应的观测算子, 观测算子给出了大气状态物理量和观测物理量之间的确定映射关系. 详细介绍了GRAPES-3DVar同化系统对实际卫星辐射率资料直接同化的实现, 包括系统中不同选择的模式变量所对应的空间插值、直接同化卫星辐射率观测的物理量变换和质量控制等观测算子的各个组成部分. 之后, 考虑实际卫星辐射率资料, 进行了应用试验. 为此使用NOAA17 AMSU-A和AMSU-B的辐射率资料, 设计了两个同化试验方案. 根据试验结果能够在清楚的物理意义上理解和反映GRAPES-3DVar系统直接同化卫星辐射率资料的合理效果.     

2022年泸定MS6.8地震同震形变特征及周边强震危险性

2022年四川泸定6.8级地震发生于鲜水河断裂磨西段,为揭示此次地震的同震形变特征,收集了震中200 km范围内的连续全球定位系统(global positioning system, GPS)测站和震中50 km范围内的强震动数据,进行了高精度处理以提取测站的同震水平位移.此外,还收集了覆盖震中区域的Sentinel和ALOS-2降轨数据,通过干涉差分技术处理并获得了卫星视线向同震形变场.结果显示:水平同震形变呈四象限分布,表明泸定地震的震源机制为左旋走滑;距震中16 km的强震动台站记录到了明显的位移波形,其峰值位移达14 cm、永久变形约为12 cm;合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture radar, InSAR)显示断层近场30 km×30 km区域具有明显的同震变形,断层西侧卫星视线向最大位移达15 cm,挖角乡附近的局部形变超过15 cm;野外调查推测在“二台子-爱国村”间的断层段发育地表破裂,但从InSAR形变场上难以判定,同震是否破裂到地表仍需详细的野外考察予以确定.反演了川滇块体北东边界主干断裂在泸定地震前的闭锁分...     

青藏高原羌塘西部上地幔SH波速度结构的研究

利用INDEPTH-Ⅲ台阵记录到震中距14°~19°之间的一个中深源地震事件(~220 km深), 采用三重震相波形模拟方法, 得到了青藏高原羌塘西部地区上地幔一维S波速度结构模型. 所得的上地幔SH波速度模型(ATIP)显示在上地幔190~270 km深度范围内有一速度变化达-4%左右的明显低速异常. 同时ATIP模型显示上地幔过渡带上方速度梯度小, 与前人结果一致. 结合其他地球物理研究结果, 认为羌塘西部地区软流圈顶部埋深约190 km, 岩石层不存在大规模减薄现象, 其上地幔结构与稳定欧亚大陆地幔类型相类似.     

1998年11月7~8日磁暴的行星际源分析

首先分析了1998年11月7~8日的太阳风特性, 分析结果显示, 日地连线引力平衡点的ACE卫星在11月7日07:33 UT观测到一个激波(以下简称第一个激波), 从激波开始到11月7日22:00 UT为激波之后的鞘区, 随后在11月7日22:00 UT至11月8日11:50 UT之间观测到一个类磁云(MCL)物质, 其中在11月8日04:19 UT观测到另一个激波(以下简称第二个激波), 第二个激波显然进入到类磁云的后半部分, 类磁云前半部分未受第二个激波的影响. 通过对1998年11月7~8日磁暴参数SYM-H的分析, 我们把磁暴的主相分为3个阶段. 第一阶段为从磁暴的急始11月7日08:15 UT到11月7日22:44 UT; 第二个阶段为从11月22:44 UT至11月8日04:51 UT; 第三阶段为从11月8日04:51 UT至11月8日06:21 UT, 其中第二阶段对整个磁暴主相的发展起关键作用. 通过对11月7～8日太阳风特性的分析, 我们得到磁暴主相三阶段的行星际源分别为11月7日07:33UT开始的鞘区、11月7日22:00 UT至11月8日04:19 UT和之间的类磁云前半部分和从11月8日04:19 UT至11月8日05:57 UT之间的激波压缩类磁云后半部分, 其中类磁云的前半部分具有持续时间较强的行星际磁场南向分量, 它对这次磁暴主相的发展起着决定性的作用. 第二个激波压缩类磁云后半部分对磁暴主相发展的贡献远低于类磁云前半部分对磁暴主相的贡献.     

InP基UTC-PD的理论分析与模拟

首先采用漂移-扩散理论分析了单行载流子光电探测器(UTC-PD)的光电流响应. 利用器件仿真器ATLAS建立了UTC-PD的器件模型, 并对优化设计的InP/InGaAs PD的能带结构和性能参数作了二维模拟. 模拟结果表明, 光敏面为14 ?μm×1 μm、反偏电压为2 V时, 光电流响应的线性动态范围达60 mW, 响应度和?3 dB带宽分别为0.16 A/W和40 GHz. 当输入光脉冲宽度为10 ps时, 光电流响应的峰值达1.3 mA, 半峰全宽(FWHM)为28 ps.