Noah-MP陆面模式对干旱区不同下垫面水热通量模拟评估

基于干旱区张掖国家气候观象台2021年1月-2022年6月和大满灌区绿洲农田站2020年1-12月的观测数据,评估Noah-MP模式对干旱区荒漠和农田两种下垫面的水热通量的模拟性能。结果表明:Noah-MP模式模拟的干旱区荒漠下垫面辐射与观测值的相关系数均>0.98,泰勒评分>0.93。感热的泰勒评分(0.809)>潜热的泰勒评分(0.504),对辐射及湍流通量的变化特征、峰谷值与观测值总体一致,模拟效果较好。模拟的5 cm土壤湿度对降水过程有明显的响应,表现出明显的冷暖季差异,但其模拟性能仍有待改进。Noah-MP模式模拟的干旱区农田下垫面辐射通量及各层土壤温度的相关系数均>0.98,泰勒评分>0.58,模拟效果较理想。但模拟的潜热通量及各层土壤湿度较观测值偏低,尤其在生长季模拟性能不理想。Noah-MP模式对干旱区荒漠下垫面水热通量的模拟性能优于农田下垫面,优化和发展模式水文过程的参数化方案,在模式中考虑人为作用,是提高干旱区陆面过程模式模拟能力的重要方向。

WRF模式多参数化方案对东南亚低纬高原陆气耦合强度的模拟评估

东南亚低纬高原是全球陆气耦合的热点地区之一,其陆气相互作用对气候、水文和环境均具有重要的影响。本研究采用均匀抽样方法,结合WRF模式中多参数化方案,开展了48组数值模拟试验,通过优选参数化方案组合,对该地区陆气耦合强度及其相关变量进行了模拟评估。研究表明:(1)从48组模拟试验集合中可发现,对于近地面或地表的气温、比湿、向下长波、向上长波和土壤温度,集合模拟能力较好;对于近地面或地表的风速、降水、感热通量、潜热通量、向下短波和向上短波,集合模拟可较好反映各变量的变化特征;但是对于地表的土壤湿度,集合模拟能力较差。对于近地面或地表的风速、降水、潜热通量、向下短波、向上短波、土壤温度和土壤湿度,不同组合间模拟差异较小;但是对于地表的感热通量,不同组合间模拟差异较大。(2)根据等权重平均Taylor评分获得的最优参数化方案组合可以提升对于近地面或地表的气温、比湿、向下短波、向上短波、向下长波、向上长波和土壤温度的模拟能力,但对于近地面或地表的风速、降水、感热通量、潜热通量和表层土壤湿度提升效果不明显。(3)最优参数化方案组合可以合理地反映陆气耦合的空间特征和时间变化,但模拟的耦合强度较参考值偏弱,主要与潜热通量和向下短波辐射模拟能力较差有关。

基于液冷技术的高性能计算系统助力实现“双碳”目标的研究与实践

碳达峰碳中和是我国实现可持续发展、高质量发展的内在要求,已多次被写入政府工作报告,报告中提及要促进新能源节能环保技术、装备和产品研发应用,培育壮大节能环保产业。高性能计算系统作为航天领域重要的科研生产研制工具,一直面临着高能耗和高散热的挑战。通过对高性能计算系统冷却系统现状分析,提出基于液冷技术的高性能计算系统的解决方案,通过降低PUE值,推动高性能计算系统低碳运转,打造具备绿色节能特点的高性能计算中心,助力“双碳”目标实现。

消防救援装备管理及维修保养的研究

为了进一步提升我国消防救援工作的质量和效率,从改革消防救援装备管理和维修保养机制出发,进一步加大资源投入,提升消防救援装备管理和维修保养能力,升级装备管理和维修保养技术,打造现代化、专业化、制度化的消防救援装备管理和维修保养制度,对全面提升我国消防救援战斗力、保障我国人民生命财产安全有着重要的促进作用。

欧洲东部土壤湿度对东北亚初夏气温异常转折的影响及其可能物理过程

采用1979—2020年观测和再分析资料,研究了年际时间尺度上初夏(5—6月)东北亚气温异常月际转折的基本特征,以及欧洲东部土壤湿度异常对其的影响及可能物理过程。结果表明,年际时间尺度上东北亚初夏气温异常月际演变的主导模态为转折模态,即5月偏暖(冷)则6月偏冷(暖);转折模态的形成直接源于东北亚地区环流异常的转折。进一步分析发现,5月欧洲东部土壤湿度偏低往往导致东北亚5月偏暖而6月偏冷,可能的物理过程如下:5月土壤湿度偏低导致局地土壤温度和对流层低层增温,进而造成地中海地区(欧洲北部)对流层低层经向温度梯度和大气斜压性减弱(增强),相应地高频瞬变波活动减弱(增强),并通过瞬变涡度强迫有利于欧洲中东部形成异常高压和Rossby波波源;相关的Rossby波沿极锋急流东传,导致东北亚为准正压的异常高压,地表升温。土壤湿度异常可持续到6月,但强度减弱;类似地,其可通过瞬变涡度强迫有利于异常高压和Rossby波波源的形成,但中心西移至欧洲西部;相关Rossby波活动导致东北亚为准正压的异常低压,地表降温。5月和6月欧洲东部土壤湿度异常相关的Rossby波的活动特征(波源、活动中心和传播路径)存在明显差异,这与两个月欧亚北部大气平均态的差异密切相关。当5月欧洲东部土壤湿度偏高时,上述物理过程则大致相反。

近地层能量闭合度对陆面过程模式影响

大量近地层观测试验表明,利用涡动相关法观测的湍流通量小于近地层可利用能量,即近地层能量是不闭合的,这种不闭合度一般为20%甚至更高.而陆面过程模式是基于地气间能量平衡建立,并且模式中的湍流边界层参数化方案通常根据实际观测的湍流通量来确定,因此能量不闭合必将对陆面过程模式造成一定的影响.本文利用2007年春季SACOL站的近地层观测资料,依据能量守恒将能量不闭合中的残余能量通过波文比分配到观测的湍流通量中,即修正涡动相关法观测的湍流通量使得近地层能量达到平衡;之后分别利用观测和修正的湍流通量,建立了能量不闭合和闭合情形下的湍流参数化方案,借助陆面过程模式SHAW,通过数值模拟和对比分析方法考察近地层能量闭合度对陆面过程模式的影响.研究结果表明近地层能量闭合对陆面过程模式有显著的影响:在陆面过程数值模拟中,当应用近地层能量不闭合的湍流通量形成的湍流参数化方案时,陆面过程模式会明显高估地表长波辐射及土壤温度;但当应用修正湍流通量使得近地层能量达到闭合形成的湍流参数化方案后,在不改变任何地表土壤物理生化属性的情况下,陆面过程模式能较好地模拟地表长波辐射和土壤温度.

陆面过程模式TBLSHAW的设计及其在黄土高原地区的模拟研究

为了改善陆面过程模式在半干旱地区的模拟能力,在SHAW(Simultaneous Heat and Water Model)模式和CoLM(Common Land Surface Model)模式参数化方案基础上,结合黄土高原SACOL站(Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University)得到的部分土壤和近地层的研究结果,利用SHAW模式的动力框架,发展了一个新的陆面过程模式TBLSHAW(Two-Big-Leaf-SHAW)。该模式由一层植被、多层土壤和湍流边界层构成。在植被层主要采取双大叶模型计算能量平衡;土壤层利用水热耦合传输模型计算土壤温度和湿度,并包含了冻融、蒸发及降水渗透等物理过程;湍流边界层采取莫宁—奥布霍夫理论计算湍流通量。最后利用SACOL站获取的观测资料,对TBLSHAW模式进行了模拟检验。结果表明,TBLSHAW模式能够合理地模拟半干旱地区各项陆面过程特征的变化趋势;模拟的土壤温度和土壤湿度与观测值的偏差较小,模式效率和相关系数较高;模拟的净短波辐射及向上长波辐射较好;但是模拟的感热通量、潜热通量与观测值偏差较大,这可能与该地区的能量闭合度较低有关,还有待进一步研究。

Noah-MP陆面过程模式对西双版纳热带雨林下垫面碳水热通量的模拟评估

陆地植被生态系统是气候系统的重要组成部分,准确模拟植被与大气间碳水热通量交换对提高气候预测具有重要意义。本研究使用西双版纳热带雨林站近地层综合观测资料,评估了Noah-MP模式中72组不同参数化方案组合对碳水热通量的模拟能力。在此基础上,利用Tukey’s检验方法,对比分析了4个物理过程的不同参数化方案对模拟碳水热通量的影响。结果表明:Noah-MP模式能较好的模拟西双版纳站碳水热通量,参数化方案选择对干季碳水热以及湿季热通量模拟影响较大;不同的近地层湍流交换方案和土壤湿度限制气孔阻抗方案对模拟结果的影响最为显著。

SHAW模式的改进及其在黄土高原半干旱区的模拟研究

陆面过程模拟研究中的一个关键问题是如何准确的计算陆气间能量交换,但现有的陆面过程模式模拟的湍流通量与观测值间仍然存在较大偏差,因此改进湍流通量的参数化方案对于提高陆面过程模式模拟能力有重要意义。本研究通过改进陆面过程模式SHAW中的热力粗糙度方案,以及引入干表层蒸发方案,以期改善湍流通量的模拟能力。在此基础上利用黄土高原半干旱区SACOL站观测资料,进行模式改进前后的单点模拟对比试验,研究其参数化方案改进对陆面过程模拟的影响。结果表明:改进后的SHAW模式能够合理地模拟黄土高原半干旱区陆面特征的变化趋势,模拟值与观测值偏差较小。与原来的SHAW模式模拟结果相比,改进后的SHAW_MOD模式显著提高了湍流通量的模拟能力,并改善了净辐射和深层土壤温度的模拟,但对土壤湿度的改进并不明显,这可能与土壤内部水热传输过程及相关参数化方案有关,还有待做进一步研究。

粒子群算法在陆面过程模式参数优化中的应用研究

陆面过程模式中输入参数的不确定性会引起模式模拟偏差。为了改善模式的模拟能力,减小参数的不确定性,通常要进行参数优化过程。利用温江站观测的近地层资料,结合粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO),优化了陆面过程模式SHAW(Simultaneous Heat and Water)中难以直接观测的土壤和植被参数。在此基础上,分别利用优化后的参数和默认参数运行SHAW模式,模拟该地区陆面过程特征,并与观测值进行对比,研究优化参数后对陆面过程模拟的影响。结果表明:利用PSO算法优化SHAW模式后,能提高土壤湿度和潜热通量的模拟性能,模拟的土壤湿度和潜热通量与相应的观测值偏差减小。但与此同时,并没有改进净辐射、土壤温度和感热通量的模拟性能。说明PSO算法可以用于陆面模式参数优化,但仅仅通过参数优化并不能同时提高所有变量的模拟性能。

CLM4.0模式对干旱区荒漠草原过渡带快速变化陆面过程的数值模拟研究

利用2012年7-9月微气象蒸发观测实验的观测资料和陆面模式CLM4.0,对荒漠草原过渡带快速变化的陆面过程进行了单点数值模拟试验,通过比较模拟值与观测值来检验模式的模拟能力。结果表明:(1)CLM4.0模式能较好地模拟下垫面快速变化的辐射通量、湍流通量、土壤温度及土壤含水量的变化特征,但模拟值较观测值还存在一定偏差。在干旱及湿润地表状况下,CLM4.0模式模拟的反射辐射与观测值的偏差较小,而草地地表时模拟值较观测值偏高;CLM4.0模式较好地模拟了地表长波辐射的变化趋势,但是在正午和夜间偏差较大。(2)CLM4.0模式模拟的湍流通量与观测值之间的相关系数达0.85以上,但模拟值较观测值偏高。(3)CLM4.0模式模拟的土壤温度及含水量较观测值偏小,且对强降水引起的土壤含水量的变化过程的模拟性能较差。发展适用于干旱荒漠草原过渡带的土壤孔隙度参数化方案,进而通过改善土壤热导率、导水率的模拟有助于提高该类下垫面土壤温度及土壤含水量的模拟性能。

基于MODIS遥感产品估算西北半干旱区的陆面蒸散量

在中分辨率成像光谱仪(MODIS)数据产品的基础上,使用MODIS地表温度替代净辐射及蒸散模型中的气温进行计算,并利用兰州大学半干旱气候与环境监测站(SACOL)的实测资料对模型进行修正。将模型修正前后估算的SACOL站和定西干旱气象与生态环境试验站(定西站)的净辐射和蒸散与实测值进行对比。结果表明,MODIS的白天\夜间地表温度与日最高\最低气温之间具有很好的相关性,相关系数都超过0.75,使用其替代气温进行净辐射和蒸散的估算是可行的,且各参数具有明确的物理意义。通过比较模型估算值与地面通量观测站的实测值发现:使用实测资料对模型进行修正后,净辐射和蒸散的估算结果较修正前有了明显的改善。净辐射估算值与实测值之间的均方根误差减小到25.93 W·m^(-2);修正后模型估算的SACOL站和定西站蒸散更接近于实测值,均方根误差分别减小到0.81 mm和0.68 mm,相关系数都增加到0.6以上,通过了0.01显著性水平检验;且遥感估算的区域蒸散分布特征与地表覆盖特征相符,说明利用修正后模型估算的净辐射和地表蒸散是合理的,由于这种估算净辐射和蒸散的模型不需要任何实时地面资料的辅助,可以为观测资料缺乏地区的辐射及蒸散研究提供一种新的思路。

三个陆面过程模式在西北半干旱区的模拟性能对比

利用NOAH(The Community Noah Land Surface Model)、SHAW(Simultaneous Heat and Water)和CLM(Community Land Model)3个不同的陆面过程模式及兰州大学(Semi-Arid Climate Observatory and Laboratory,SACOL)2007年的观测资料,对黄土高原半干旱区的陆面过程进行了模拟研究。通过与观测值间的对比,考察不同陆面过程模式在半干旱区的适用性。研究结果表明:3个模式在半干旱区的模拟性能有较大差异。其中,CLM模式模拟的20 cm以上的浅层土壤温度最优,SHAW模式模拟的深层土壤温度最优;SHAW模式模拟的土壤含水量与观测值最为接近,而NOAH和CLM模式模拟值有较大偏差;3个模式均能较好地模拟地表反射辐射,其中SHAW模式模拟值与观测值的偏差最小;对地表长波辐射的模拟,CLM模式的模拟最优;3个模式均能较好地反映感热、潜热通量的变化趋势,其中CLM模式对感热的模拟性能优于其他两个模式,在有降水发生后的湿润条件下,CLM模式对潜热的模拟性能最优,而无降水的干燥条件下,CLM模式的模拟偏差最大,NOAH模式对冬季潜热的模拟最优。总体而言,CLM模式能够更好地再现半干旱区地气之间的相互作用,但模式对土壤含水量及干燥条件下的潜热通量的模拟较差,模式对半干旱区陆气间的水文过程还有待进一步的研究和改进。

干旱区荒漠草原过渡带快速变化的陆面过程特征观测分析

干旱区荒漠草原过渡带下垫面受降水影响而变化，在短期内由沙漠转化为草地，因而其陆面过程特征快速变化十分显著，可能对区域天气或气候造成一定影响。本文利用2012年7～9月在腾格里沙漠南缘的荒漠草原过渡带开展的“微气象蒸发观测实验”的观测资料，通过分析强降水前后土壤温度、含水量、辐射及湍流通量，研究快速变化的陆面过程特征。结果表明：40cm以上的浅层土壤温度在降水后降低，随着降水辐射效应的消失，土壤温度升高；而深层的土壤温度变化较小。土壤含水量对降水有明显的响应，20am以上的浅层土壤含水量迅速增大，而后缓慢减小；30、40cm的土壤含水量先增大后迅速下降。7、8月的净辐射变化不大，在一50—450W·m-2间变化。降水发生后，反射辐射和地表长波辐射较干旱荒漠有所降低，2～3d后又恢复到干旱荒漠的量级。地表反照率在降水后先降后升，荒漠草地的地表反照率日均值较大，与地表含水量、太阳高度角及植被生长参数密切相关。感热和潜热在降水前后变化显著，潜热增大而后减小，感热减小而后增大，干旱荒漠地表能量传输以感热通量为主，强降水发生后，潜热通量占主导地位，而后由于蒸散发使土壤含水量减小，潜热的主导地位逐渐被感热代替。

中国区域陆气耦合强度的时空分布特征

使用陆气耦合强度来表征陆面状态对降水、气温或大气其他物理过程的影响程度,可以辨识陆气相互作用的热点地区,加深对陆气相互作用和气候系统的认识。利用ERA5再分析资料,结合Pearson相关系数、Kendall’s Tau相关系数及土壤湿度-潜热通量、潜热通量-抬升凝结高度的陆气耦合指数对中国区域陆气耦合强度进行定量分析。结果表明:(1)我国北方干旱半干旱区土壤湿度增大导致潜热通量增加,为降水提供了所需的水汽条件;潜热通量增大导致感热通量减小,温度降低,对边界层的驱动减弱,不利于气团的抬升凝结,该区域是我国陆气相互作用的热点地区。(2)我国陆气耦合强度存在显著的季节性差异。干旱半干旱区陆气耦合强度在春夏季较强,秋冬季较弱。西南地区春季土壤湿度较低,有显著的陆气相互作用。

中国西南地区地表感热和潜热通量时空变化特征

基于1979—2017年ERA再分析资料地表潜热和感热通量数据,采用经验正交函数(EOF)和功率谱方法对中国西南地区地表感热和潜热通量时空变化特征进行分析。结果表明:(1)中国西南地区,春季感热通量比夏季大;而潜热通量则是夏季大、春季小。春夏季感热通量在2000年以后有明显减弱;而春夏季的潜热通量从2000年以后显著增强。(2)春季感热通量主要存在3种模态空间型,表现为东西反向、全区一致和“-+”偶极子分布;夏季感热通量主要存在2种模态空间型,表现为空间分布一致型。相应的时间系数表征了夏季感热通量显著的年代际变化特征。春季潜热通量存在3种模态空间型,主要表现为全区一致、东西反向和由中心向外递减分布;夏季潜热通量主要存在2种模态空间型,主要表现为全区一致型和由西北向东南呈梯形逐步增强的趋势。相应的时间系数表征了潜热通量显著的年际和年代际变化特征。(3)春夏季感热通量主要有3 a左右的年际变化和10 a以上的年代际变化特征,且年代际变化信号强于年际变化信号。春夏季潜热通量主要存在10 a以上的年代际变化特征。

巴朗山川滇高山栎群落水平结构的海拔梯度特征

采用标准地法对卧龙自然保护区4个海拔梯度川滇高山栎群落水平结构进行了研究,结果表明:(1)在各个海拔梯度上物种以川滇高山栎为主,其相对密度分别为61.40、65.67、77.21和62.27;随海拔升高伴生木本植物种类逐渐减少,从11种减少到3种。(2)有随海拔升高,川滇高山栎群落物种相对频度大于2.0以上的物种数量具有先升高后降低的趋势,川滇高山栎是各个梯度出现频度最大的物种。(3)川滇高山栎群落物种重要值大于5.0以上的物种数量具有随海拔升高先升高后降低的趋势,川滇高山栎在从低到高的4个海拔梯度上重要值分别为68.47、80.37、119.93和84.01。(4)林分平均树高和林分平均地径具有随海拔升高而降低的趋势,海拔每升高100 m树高和基径分别平均降低0.18 m和0.22 cm。(5)按株频度计算,在巴朗山阳坡各个海拔梯度的川滇高山栎种群多为聚集分布;而丛频度计算,在高海拔和低海拔地带川滇高山栎种群格局呈聚集分布,在中等海拔区域川滇高山栎种群格局呈随机分布或均匀分布。

黎平县林下仿野生天麻种植技术

天麻是一味大宗名贵中药材,在我国中医领域药谱中广泛应用,兼具药用和食用价值。为了满足市场需求和提高林地效益,黎平县开展了林下仿野生天麻种植。本文主要从种植区选择、菌材选择及培植、整地种植、天麻基地管理与管护、病虫害防治、采收与运输、加工和分级等方面系统介绍了林下仿野生天麻种植技术,以期为黎平县天麻林下仿野生栽培提供参考。

西北地区典型下垫面空气动力学阻抗估算方法改进及其验证

利用2010年古浪近地层野外观测试验取得的干旱区典型下垫面(荒滩、沙漠和农田)的观测资料,对常用的3种空气动力学阻抗算法——Verma-R算法、Liu算法、Thom算法进行了适用性检验,并通过分离Thom算法中的动量和热量粗糙度对其进行改进(下称Thom-2算法)。对比不同下垫面空气动力学阻抗估算结果发现:在沙漠和荒滩下垫面,动力因素较热力因素影响大,空气动力学阻抗与风速的指数关系较农田下垫面明显;与其他3种算法相比,考虑了热量粗糙度的Thom-2算法在各种典型下垫面上的估算结果与观测值相比偏差最小,且在较为均匀的荒滩和沙漠下垫面上估算的空气动力学阻抗精度较农田高;通过比较4种算法估算干旱区不同典型下垫面空气动力学阻抗结果,说明干旱区空气动力学阻抗的估算应考虑热力粗糙度的影响。

关于在航天总体单位搭建数字地图的构想

在市场化转型、二次创业的背景下,北京临近空间飞行器系统工程研究所以“圆满完成科研任务、确保长远健康发展”为指导思想,在技术发展、创新管理等方面努力探索,持续完善,取得了较为理想的成果,为国家宇航技术的发展和进步作出了贡献.