“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.     

青藏高原极端天气气候变化及其环境效应*

 青藏高原气候变化敏感性强、幅度大,而极端天气气候变化是高原生态、环境变化的重要驱动因素。过去几十年高原气温增暖幅度明显大于全国平均值,高原绝大部分地区极端高温事件频次显著上升、极端低温事件频次显著下降,并伴随有风速和地表感热加热等气候要素的显著变化。高原极端天气气候事件以及相应的地表和大气热源变化会对高原周边区域天气气候产生重要影响。高原冬春季积雪、春季感热强度以及夏季高原低涡东移发展是东亚夏季风异常和旱涝灾害预报的重要指标,可影响到其下游地区的大气环流和中国东部的天气气候异常。为构建稳固的青藏高原生态屏障,深化对高原极端天气气候环境事件及其对周边区域气候变化影响的研究,建议国家加强高原上对流层-下平流层水汽和微量成分输送过程与机制的研究,加强高原湿地及其对周边区域气候环境变化的影响研究,以及加大投入灾害卫星监测和灾害预警系统的能力建设。     

嫦娥一号探测器发现月球正面 “玉兔&rdquo|火山

月面白天日照情况下, 高海拔、高反照率地区反射阳光产生的辐射状光线, 会对其周围海拔低、地形变化缓慢、反照率低的地区带来显著的“灯下黑”照明效应的影响, 甚至把这些地区的地貌从光学波段 “隐藏” 起来. 利用嫦娥-1绕月探测器激光测高得到的地形DEM模型, 对比重力探测的历史结果, 在月球正面风暴洋西部(中心位于(14°N, 308°E)处), 从“灯下黑”区域新认证了一个直径约300 km, 高度约2 km的火山——暂时称为“玉兔”山. 还修正了“玉兔”山以北300 km左右的“桂树”火山三维地形. 该发现对研究月球正面演化过程有重要的参考价值.     

多种观测资料的四维变分同化对台风路径预报的影响

利用了MM5V3模式及其伴随模式、快速辐射传输模式RTTOVS-5及其伴随模式, 研究了多种资料的四维变分资料同化对台风路径预报的影响. 同化资料包括大尺度背景场资料、Bogus资料、云迹风资料、卫星反演资料和卫星红外辐射计(HIRS)资料等, 一共针对5个台风个例进行了数值试验和同化试验. 数值结果表明, 应用了四维变分资料同化方法, 能够更好地描写初始时刻的台风结构以及提高数值模式的初始场质量.     

中国国家级新一代业务数值预报系统GRAPES的发展

数值预报是世界各国业务天气预报最重要的手段, 是一个国家气象综合能力的集中体现. 2000年, 中国气象局在中国气象科学研究院组建了国家气象数值预报创新基地, 建立和发展具有自主知识产权、面向21世纪的“新一代全球/区域多尺度通用同化与数值预报系统(GRAPES)”. 近年来, GRAPES取得了快速发展, 自主研究建立了从模式到同化、有限区/全球一体化的研究与业务通用的数值预报系统. 对GRAPES数值预报系统进行了简要评述, 从模式系统整体设计方面说明GRAPES数值预报系统的先进性; 从已经实现的多领域应用方面说明GRAPES数值预报系统的多种应用性; 通过区域和全球GRAPES模式的回报试验结果, 说明GRAPES数值预报系统在业务应用中的有效性.     

中国大地形东侧霾空间分布“避风港”效应及其“气候调节”影响下的年代际变异

研究发现中国区域霾日空间分布的大地形影响与季节特征显著,在西风带背景下高原大地形东侧背风坡可构成"避风港"效应,其可能是中国东部区域霾日高频区域性分布重要的影响因素之一;中国区域冬季为霾日高频时段,春、夏、秋季大部分区域为霾日数低频区,但近10年大气污染物排放持续加剧,中国东部霾高发时段由冬季延伸至春、秋、夏季,其呈现出大气环境恶化的"强信号"特征.虽然中国区域霾日数年际变化趋势主要依赖于污染源排放程度,值得注意的是虽然20世纪80,90年代中国区域CO2排放强度加大,但中国东部霾日频数年际变化却表现出波动型相对"平稳"缓升特征,此阶段中国东部对流层中下层出现了大气温度距平垂直结构"上冷下暖"的"不稳定"状态,其有利于中国东部大气扩散或对流;而近10年阶段中国东部出现霾天气与大气污染排放同步加剧异常变化,2001~2012年期间中国东部对流层中下层则呈"上暖下冷"类似"逆温盖",即大气温度距平垂直结构出现年代际"逆转"趋势,此大气温度垂直结构年代际特征可能加剧了大气污染排放的环境影响效应,引发了中国东部大范围霾天气变异现象.     

夏季青藏高原大气热源与东亚大气热源及环流的关系

利用1971~2000年NCEP/NCAR versionⅠ逐日再分析资料, 通过倒算法计算出大气热源资料集, 并采用相关分析和综合对比分析相结合的方法研究了夏季青藏高原大气热源(Q₁TP)对大范围大气热源及相应大气环流的影响, 结果表明: 夏季青藏高原大气热源(Q₁TP)可以在东亚大陆和西太平洋间激发出一支沿海岸向东北方向传播到达白令海峡-北极的热源波列, 这支波列可能会影响到北美地区. 另外, 当夏季高原东部热源偏强(弱)时, 南亚高压偏东(西)偏南(北), 西太平洋副热带高压偏西(东)偏南(北), 年际变化上南亚高压和西太平洋副热带高压在东西方向上存在“相向而行, 背向而去”的关系, 而高原东部的热源强迫似乎是其一种热力解释.     

“嫦娥一号”对环形山起伏非均匀月表层微波辐射观测的理论建模分析

中国“嫦娥一号”探月卫星在世界上首次采用多通道微波辐射计垂直测量月球表面的微波热辐射, 以期由多通道微波辐射亮度温度了解整个月球表面的微波辐射特征, 进而反演月壤层厚度, 估算月壤层富含的氦3含量. 在该科学目标和技术条件下, 讨论了月球表面微波辐射理论建模中月表粗糙面、温度廓线介质辐射、密集粒子散射等物理要素的影响. 按照月表面环形山数目与形态的统计特征, 数值构造环形山随机分布的月表面地形. 由规则三角形网格对“嫦娥一号”微波辐射计空间分辨率量级的月表面地形数值剖分, 来计算随机起伏粗糙月表面微波平均反射率与发射率. 数值结果表明在“嫦娥一号”微波辐射计空间分辨率的条件下, 环形山月表面可视为平表面建模. 由具有相干势的准晶体近似讨论了月壤层密集颗粒的散射与吸收特性, 及其月壤层有效介电常数的计算. 用分层辐射传输方程推导具有非均匀温度廓线分布的月尘、月壤、月岩层微波辐射亮度温度, 分析了各个物理参数对辐射亮度温度的影响. 从而分析了“嫦娥一号”对月表面微波辐射观测的三层结构理论建模与参数选取.     

青藏科学研究范式与效应

20世纪50 年代以来中国青藏高原综合科学考察,取得了举世瞩目的成就,在世界自然科学考察的历史上有它自己的地位。青藏高原科学研究范式的特点是：长期基础研究的平台,传播知识的过程,出成果又出思想。青藏科学研究范式产生了明显的结果,即探索自然奥秘的凝聚效应、不同学科的相互渗透效应、人才涌现的催化效应和不断扩展的社会效应,可称之为“青藏效应”。上述青藏科学研究范式是在国家支持、组织体制改革、学术自由以及国际合作等文化氛围下形成的。蕴藏在“青藏效应”中的精神内涵包括：创新意识,瞄准国际前沿;立足实地,取得原创信息;提倡协作,加强综合集成;结合实际,服务高原建设;持之以恒,献身青藏事业。     

全球有限区数值预报模式动力框架的试验验证

全球有限区通用数值预报模式是21世纪数值预报模式的发展趋势, 为此“十五”期间中国气象局发展了一个GRAPES(global/regional assimilation and prediction system)全球有限区多尺度非静力数值预报模式. 为了验证GRAPES模式方案设计的科学性、程序编写的正确性, 针对模式的特点设计了一套完整的理想试验方案来对GRAPES动力模式的性能进行检验, 包括用于检验中尺度模式的密度流和三维地形波试验; 用于检验近极地半拉格朗日上游点和极区离散方案正确性的越极地气流试验等. 密度流试验显示模式框架对精细尺度的非线性流及其瞬变特征有较强的模拟能力; 三维地形波试验说明GRAPES模式动力框架能够较好地模拟气流过山时重力内波的水平与垂直传播. 而越极地气流试验验证了模式对极地半拉格朗日上游点及近极地的离散处理是正确的. 实际个例试验表明, GRAPES全球模式对影响中国夏季的大尺度环流形势有较好的预报能力.     

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.     

上海GPS网层析水汽三维分布改善数值预报湿度场

水汽三维分布信息是数值天气预报模式的初始条件之一, 大气中的水汽具有较强的时空变化特性, 传统观测手段受时空分辨率的限制, 对模式初始水汽场的描述远远不够. 利用地基GPS信号斜路径观测值探测水汽垂直剖面信息是目前国际上的研究前沿, 利用上海GPS综合应用网GPS信号斜路径水汽观测值, 在国内首次层析了上海地区水汽三维分布. 层析中采用高斯加权函数进行水平约束, 利用数值预报结果做先验值, 考虑了边界条件. 针对无法准确给出各类观测信息先验权的问题, 在层析水汽三维分布问题中首次采用了方差分量估计, 进行验后定权; 为了降低观测噪声对参数估计的影响, 采用了抗差估计; 针对水汽密度随高度减小的特点, 垂直方向上采用随高度变化的非等权约束方法. 层析结果与MM5数值预报结果比较, GPS信号斜路径水汽观测值对数值模式的预报湿度场有明显改善, 利用GPS信号斜路径水汽观测值准实时地探测水汽的三维分布, 应用于短期数值预报中, 可改善短期预报的初始湿度场, 提高数值预报的准确度.     

三江源区典型高寒草甸土壤侵蚀的137Cs定量分析

高寒草甸是青海三江源地区的主体生态系统. 高寒草甸的根系盘结, 形成坚实的“地毯式”草皮层, 固土持水能力强, 是维持“中华水塔”的主要贡献者. 为了定量分析典型高寒草甸的抗侵蚀能力, 本文选择草皮层完整、植被覆盖度在60%以上的典型高寒草甸坡面, 进行了土壤侵蚀的¹³⁷Cs核素示踪研究. 结果表明: (1) 各采样坡面土壤侵蚀强度属微度-轻度侵蚀水平, 玉树县玛龙村坡面多年平均土壤侵蚀模数为464 t km^-2 a^-1, 玛多县野牛沟乡坡面为415 t km^-2 a^-1, 称多县珍秦乡坡面为875 t km^-2 a^-1. (2) 在坡面尺度上, 土壤侵蚀速率与植被覆盖度呈负相关, 植被覆盖度越高, 坡面侵蚀模数越小(P<0.01, R²=0.986); 在样点尺度上, 土壤侵蚀速率与植被覆盖度之间也具有较好的负相关关系(P<0.01, R²=0.555). (3) 三江源地区高寒草甸坡面侵蚀强度及其与植被覆盖度的关系表明, 植被是土壤侵蚀的最主要影响因素之一, 具有完整草皮层且植被覆盖度较高的高寒草甸, 对于土壤保护和防止水土流失具有重要的意义.     

影响我国霾天气的多尺度过程

频发的霾天气是我国现阶段面临的最主要大气环境问题之一.霾期间高浓度大气细颗粒物(PM_(2.5))是多种物理化学过程综合影响的结果,包括排放、气-粒转化、大气边界层、局地环流、天气与气候等过程.上述过程的时空尺度跨越了几个数量级,在空间尺度上涵盖了纳米尺度至上千千米尺度.多尺度过程本身的复杂性以及不同过程之间的相互影响是目前大气环境领域面临的最严峻挑战,直接影响到对于霾天气形成机制的科学认识、预报技术与数值模式研发,以及相应的大气污染治理.文章综述了在影响我国霾天气的多尺度过程及其与气溶胶的相互作用领域取得的研究进展.研究表明:二次气溶胶已经成为我国大气气溶胶的主要部分,在霾过程后期,液相非均相过程对气-粒转化有重要贡献; PM_(2.5)呈现多时间尺度周期性振荡,包括1, 4～7以及40～60 d等,边界层、天气和气候等多尺度过程是造成上述周期性变化的主因;已有证据表明,我国高气溶胶已经影响到该区域大气光化学、大气边界层,甚至天气和气候过程.气溶胶与上述过程的相互作用进一步影响了气溶胶浓度及其空间分布,但是此问题极为复杂,尚存在很大不确定性.为此,今后需重点加强以下研究:加强包含气溶胶理化性质、大气光化学、气象要素在内的多要素协同观测,重点开展对流层内多要素协同垂直探测;增强跨学科领域研究,尤其是大气物理-大气化学-天气/气候等多学科间的交叉性研究;加强气溶胶与大气化学、边界层、天气气候等过程相互作用的数值模拟研究.     

青藏高原ERA40和NCEP大气非绝热加热的不确定性

深入理解青藏高原上空大气非绝热加热三维结构,有助于揭示高原热动力效应和机械强迫效应在亚洲夏季风系统中的作用机理.然而现有的高原非绝热加热率资料存在较大不确定性.本文详细比较了NCEP和ERA40再分析资料"残差诊断法"计算的大气非绝热加热数据,分析两种资料所反映的高原上大气非绝热加热的时空分布特点,重点比较了二者在高原南麓的差异,并结合TRMM PR降水和潜热资料分析了差异的可能原因.研究发现两种资料之间的差异在夏季最大:ERA40在高原南麓高海拔地区所诊断的非绝热加热显著大于NCEP.ERA40大气强加热区域从高原南部山脚向北延伸、越过海拔4000位势米直至高原主体的南部;而相应NCEP大气强加热区主要位于高原南麓低海拔地区,不超过海拔4000位势米界限.上述差异不仅限于贴地层(地表感热的直接影响区域),而在400~500 h Pa大气层也很显著.同时发现,ERA40所估计的夏季高原南麓降水显著大于NCEP和TRMM PR的观测,这种差异在时间、空间上都与非绝热加热的差异相吻合.这说明降水所释放的潜热是造成上述差异的主要原因.分析大气加热场和大气环流的经向垂直剖面发现,ERA40在南麓高海拔地区所诊断的大气非绝热加热可向上延伸至对流层高层~300 h Pa,而相应NCEP大气非绝热加热主要集中在较低大气层,相应ERA40诊断的大气垂直上升速度明显强于NCEP,200 h Pa的水平辐散也较强.高原南麓深对流降水及其潜热的不确定性是充分理解高原-大气相互作用的主要难点.     

福建泉州湾盐沼对台风“格美”的沉积动力响应

为了探讨海岸盐沼在台风条件下的海岸防护机制, 利用小型压力传感器、电磁式流速仪、Seapoint浊度计观测了互花米草盐沼、光滩在2006年“格美”台风登陆前后的水位、流速、流向、悬沙浓度等沉积动力参数. 结果显示: 互花米草盐沼内底层流速一般小于5 cm·s^-1, 明显低于光滩(5~35 cm·s^-1); 互花米草盐沼内底层流速大小对台风的响应不显著, 但其流向随台风作用强度的不同而出现较大差异; 台风过境对附近海域悬沙浓度的影响非常显著, 悬沙浓度达到正常天气情况下的13~19倍, 台风影响后期互花米草盐沼底层悬沙浓度高于光滩. 计算结果表明, 台风期间互花米草盐沼和光滩底层悬沙输运量是平常天气情况下的4倍左右; 落潮期间, 光滩底部切应力在大部分时间大于临界切应力, 滩面发生侵蚀, 台风登陆后的侵蚀通量为正常天气情况下的2~3倍不等, 而互花米草盐沼底层切应力一般小于临界侵蚀切应力, 符合悬沙沉降条件的时间段也比较长, 整个滩面很少发生侵蚀, 以沉降为主, 台风显著影响期间的悬沙沉降通量是正常天气情况下的3~6倍, 落潮期间的沉降通量是涨潮期间的1~2倍. 根据台风期间互花米草盐沼和光滩的沉积动力过程的对比, 前者有利于悬沙的堆积, 而光滩的沉积动力过程则使滩面发生侵蚀.     

青藏高原及其邻区地壳、岩石圈和软流层厚度研究

基于由瑞利面波层析成像所得的青藏高原及其邻区的群速度纯频散,以线性的深度反演获取的s波速度分布为非线性反演的初始模型,用快速模拟退火方法进行速度和层厚度的联合反演．根据非线性反演结果求得研究区地壳、岩石圈和软流层的厚度分布．结果表明,青藏高原内部具有巨厚的地壳,厚度为60～80km,其岩石圈相对邻区较薄,厚度在130～160km之间,且在内部呈现出以90°E～92°E北北东向为界的东、西分块图像．高原的软流层厚度较周边地区要厚（150～230km）,其内部羌塘块体西部的软流层最厚．在区域上的分布特点为,印度的地壳厚度较薄即32～38km,岩石圈厚度可达190km,软流层厚度相当薄仅60km左右;四川盆地和塔里木盆地的地壳厚度均小于50km,其岩石圈厚度要比高原内部厚,而软流层厚度则相对于高原内部要薄．文中还讨论了羌塘块体西部的典型壳一幔过渡带特征和其形成机制．     

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...     

中国及周边地区夏季中尺度对流系统分布及其日变化特征

利用1996~2006年(无2004年)10年6~8月地球静止卫星高分辨率逐时红外亮温(简称TBB)资料对夏季中国及周边地区的中尺度对流系统(简称MCS)活动情况进行了统计分析, 并同已有文献中使用常规地面观测资料统计的雷暴日数分布以及低轨卫星观测的闪电资料分析结果进行了对比, 结果表明低于-52℃红外亮温的统计特征可以较好地展现该地区夏季MCS时空分布的基本气候特征. 该地区夏季MCS的总体分布特点是具有3条东西分布的带状MCS活跃区; 30°N附近的活跃中心表现为明显的东西波动状; 从大气环流来看东亚夏季风把3条MCS活跃带联系在一起. 重点对不同下垫面区域的MCS日变化特征进行分析表明中国及其周边地区具有单峰与多峰型两种MCS日变化特点, 单峰型MCS多发生在高原与山区, 多峰型MCS多发生于平原与盆地. 由于不同地区单峰型MCS持续时间与活跃时段的并不相同, 因此又可以区分为青藏高原MCS、一般山地热对流、琉球附近海域MCS等. 多峰型MCS具有类似于MCC (中尺度对流复合体)日变化的特点, 反映此类MCS生命史较长、水平尺度较大、日落后一度减弱、午夜后又再度发展. 青藏高原MCS与一般山地热对流一般都在午后发展, 但青藏高原MCS持续时间长, MaCS(a中尺度对流系统)活跃. 琉球附近海域MCS具有午夜后发展、持续时间长的特点, MaCS也较活跃. 印度季风涌地区由于充沛的水汽与有利的大尺度环境使得全天几乎任一时次MCS都很活跃, 而且MaCS非常活跃. 四川盆地地区由于山谷风环流的影响MCS夜发性特征特别显著, 该区域也是MaCS的活跃区之一. 两广地区海陆交界处是海陆风环流显著的区域, 因此MCS具有午后向陆地传播、午夜后向海洋传播的特征. 低于-52℃红外亮温的气候统计特征清楚地展现了海、陆、山地的热力性质差异所导致的MCS不同气候分布特点. 不仅大尺度大气环流而且海、陆、山地热力差异引起的局地环流在很大程度上决定了中国及周边地区夏季中尺度对流系统活动的气候特征.     

全球山脉隆升影响副热带干旱气候的模拟

现代全球山脉主要形成于新生代,对全球气候格局起重要作用.本文利用全球海气耦合模式CESM,设计并开展了3组不同地形隆升情景的数值试验,集中研究了全球地形对干旱的影响.在全球无地形试验中,各大陆副热带干旱区总体呈现东西对称的纬向型带状分布.随着全球地形隆升,一方面,亚洲东南部和中部、北美东南部和南美中部由干旱区变为湿润区,而欧亚内陆、东非沿岸则由湿润区退化为干旱区;青藏高原隆升的作用主要局限在欧亚大陆和非洲东部有限区域.另一方面,欧亚和非洲地形的存在缓解了北非西部沿岸及其北部的干旱化,但在一定程度上加剧了北非中部、北美西部和南美西部的干旱环境;而青藏高原隆升加剧了其西部包括中东、北非大部和东非的干旱化.干燥度指数分析表明,地形隆升主要通过改变降水影响干旱,潜在蒸散发的作用其次,二者对干燥度指数的贡献在空间分布格局上定性一致,但定量上有所差别.潜在蒸散发的影响因子中,地形隆升主要通过改变相对湿度和近地面气温影响干燥度,近地面风速的作用其次.上述模拟结果在一定程度上与地质时期重建证据和以往大气模式结果定性一致,表明其科学合理性及其古气候意义,从而有助于加深理解全球地形的气候效应.