应用Models-3/CMAQ模式对华北地区一次强沙尘天气的研究初探

根据2002年在ACE-Asia和TRACE-P试验中获得的亚洲区域污染源排放资料,结合由MICAPS能见度观测资料估算而得的颗粒物排放资料,利用美国EPA最新发展的Models-3/CMAQ模式系统,模拟研究了2002年3月华北地区发生的一次强沙尘暴个例。结果表明,(1)模拟的各气态污染物的时空演变及相互关系与已有的观测结果基本一致。(2)颗粒污染物的模拟结果也反映了已有的观测事实,粗细颗粒物呈一致的先降后升日变化趋势;沙尘过程前期,颗粒物污染主要来源于近地面污染源;沙尘期间,颗粒物污染主要源自外界沙尘的高空输送,且粗颗粒物污染是此次过程的首要颗粒污染。(3)该模式系统可用于沙尘气溶胶研究的进一步开发与利用。

“2002．3”华北地区强沙尘暴天气的螺旋度分析

利用MM5非静力中尺度模式和螺旋度计算结果,对2002年3月18—22日华北地区发生的一次强沙尘暴过程进行了分析研究,重点分析了北京及周边地区水平与垂直方向螺旋度和完全螺旋度的结构变化及演变特征,结果表明:螺旋度的演变与强沙尘暴天气的发生、发展有较好的对应关系,将中尺度模式和螺旋度计算结合起来可以有效提高沙尘暴天气的预报准确度。

几种台风初始化方法及其对比实验

利用中尺度MM5V3模式及其伴随系统,运用四维变分同化方法,将Bogus台风作为观测资料进而优化台风初始场,对0422号台风个例进行了数值模拟和试验,并与传统Bogus方法和Nudging方法进行比较。结果表明,经过BDA方案优化的台风初始场更加接近实际台风的结构,有效地提高了台风路径和强度预报的准确率。

一次大雾天气下PM2.5二次无机粒子的数值模拟

利用多尺度空气质量模式系统(Models-3/CMAQ)对2002年12月1—3日北京及周边地区发生的一次大雾天气进行数值模拟,分析了大雾天气下PM2.5二次无机粒子的演变及其影响。结果表明,白天相对湿度降低,雾滴蒸发脱水后PM2.5二次无机粒子会悬浮在大气中;夜间在水汽凝结成雾滴的过程中,大量的PM2.5二次无机粒子提供了充足的凝结核,促进大雾天气的进一步发展。午后PM2.5二次无机粒子积聚及较高的相对湿度是造成北京及周边地区低能见度的重要原因,并推断该区域很可能是霾天气。

NCEP/NCAR FNL资料在强对流天气中可信度的初步分析

基于NCEP/NCAR FNL(1°×1°)资料已成为研究强对流天气触发机制、演变等特征的基础资料,有必要分析该资料在强对流天气中的可信度。利用山西岢岚地区2005-2014年共414个强对流天气日的NCEP/NCAR FNL(1°×1°)资料与探空资料,采用偏差、绝对差、相关系数和偏差区间占有率的统计方法,对常用的常规气象要素、诊断量进行统计分析,结果表明:1)在常规气象要素中,温度的可信度最高,而相对湿度的可信度最低,纬向风和经向风的可信度相差不大,均略低于温度的可信度。2)总体上,诊断量的可信度不如常规气象要素的,其中,K指数偏差值在[-5,5]内占总数的57. 25%,沙氏指数SI偏差值在[-3,3]内占总数的75. 12%,对流有效位能CAPE偏差值在[-100,100]内占总数的78. 26%,风暴强度指数SSI偏差值在[-10,10]内占总数的62. 08%。因此,虽然NCEP/NCAR FNL资料中的常规气象要素可信度较高,但与强对流天气存在紧密联系的诊断量却存在较大偏差和绝对差,其可信度较低,若以其进行强对流天气机理的诊断分析,需注意该资料的这种特征。

基于NCEP FNL资料的山西岢岚地区雨雪天气诊断可信度分析

基于山西岢岚地区2005—2014年共1218个雨雪天气日的NCEP FNL资料(1°×1°)与探空资料,采用偏差、绝对差、相关系数和偏差区间占有率的统计方法,对常规物理量(温度、相对湿度、纬向风和经向风)和诊断物理量(T_(800-500)、T_(d800)和TT_(d700))进行统计分析。结果表明:常规物理量中的温度平均偏差值和绝对差值最小、相关系数值最大,分别为-0. 22℃、1. 02℃、0. 90,可信度最高;而相对湿度的平均偏差值和绝对差值最大、相关系数值最小,分别为12. 31%、19. 68%和0. 63,可信度最低;纬向风和经向风的可信度相差不大,略低于温度;诊断物理量T_(800-500)、T_(d800)和TT_(d700)的偏差值分别为-0. 08℃、1. 50℃和2. 79℃,绝对差值分别为1. 21℃、3. 33℃和4. 14℃,相关系数值分别为0. 95、0. 92和0. 74,偏差值为[-5,5]占总数百分比分别为98. 77%、80. 30%和75. 04%。即T_(800-500)可信度最高,TT_(d700)指数可信度最低。

气旋活动对福岛核污染物扩散影响的模拟研究

基于拉格朗日粒子扩散模式FLEXPART-WRF,根据Stohl推导的日本福岛第一核电站核事故(下称福岛核事故)发生后40d内的137Cs排放量数据,对核污染物在中尺度区域的扩散传输进行数值模拟研究,并选取近5年3次典型气旋个例(北方气旋、南方气旋和缓慢移动气旋)进行敏感性试验,以分析不同气旋系统对污染物扩散的影响.结果表明:福岛核事故发生后,受中纬度西风带影响,核污染物主要向东部太平洋方向扩散;核事故发生后的5 d,受北方气旋和日本南部局地中尺度气旋2次气旋过程的影响,核污染物对日本本土部分地区影响较大,但影响时间不长.典型气旋个例的敏感性模拟试验结果表明:北方气旋和南方气旋均可使核污染物对日本本土造成一定的影响,但由于气旋移动速度较快,影响日本岛的时间较短,沉降量也较小;当出现缓慢移动气旋影响日本和周边地区时,可致污染物影响日本岛的时间延长,并直接进入东亚大陆.

火箭最大气动载荷预报精度及建模订正分析

以qamax实况值为基准,分析了火箭最大气动载荷预报值精度随预报天数的变化特征。发现在预报天数1~11天内,最大气动载荷预报值精度随预报天数延长而降低,其绝对差从225.78 Pa·rad(第1天)增长到533.87 Pa·rad(第11天)、相对误差由10.97%(第1天)增大到24.54%(第11天);利用多元线性回归方法建立最大气动载荷预报值订正模型,可提高各预报天数的最大气动载荷预报值精度,平均绝对差由402.45 Pa·rad减小到309.82 Pa·rad,平均相对误差由17.71%减小到14.60%,这些发现对于火箭发射前的安全飞行保障具有参考价值。

几种起沙方案对东亚风蚀起沙模拟的比较

针对源区起沙的不确定性,整理并选取了国际上最具代表性的几种起沙方案,结合中尺度气象模式MM5V3.7输出的高分辨率气象资料,将其应用于东亚地区一次强沙尘暴天气过程的源区起沙模拟研究,利用地面观测实况和卫星监测图像资料,比较了它们对东亚起沙源的模拟效果和差异。结果表明,两种起沙方案的模拟效果较好且性能稳定。

WRF模式对2013年1月华北一次大雾的数值对比试验

采用WRF模式系统模拟了2013年1月22—23日华北大雾天气过程,针对不同的边界层方案、微物理方案和陆面方案,设计了三组数值试验方案,并利用地面观测资料对其模拟效果进行了对比分析,找出了部分最适合于此次大雾过程模拟的参数化方案,它们分别是TEMF边界层方案、Goddard微物理方案和RUC陆面方案。此次数值试验结果还表明,WRF模式对大雾天气地面风速风向的模拟能力较好,其他气象要素存在一定的误差,用10 m液态水含量和10 m相对湿度指标共同诊断大雾天气能有效提高大雾判识准确率。

一次强沙尘暴过程的动量下传诊断分析

动量下传对沙尘暴的发生发展起着十分重要的作用。选取2002年3月18—22日发生在我国华北地区的一次强沙尘暴过程,利用中尺度气象模式MM5V3.7输出的高分辨率动力协调资料,应用位涡理论详细探讨了沙尘暴发生发展的动量下传过程。结果表明:①蒙古气旋是此次强沙尘暴的主要影响系统;大风与干燥低湿是风蚀起沙的前提条件。②沙尘暴过程中,位涡沿等熵面下滑是高、低层动量交换的重要环节,揭示了沙尘暴动量下传的物理机制。

IRI2016参考电离层模型在高度60～100km的精度分析

60~100 km低电离层对无线电传播、测量具有重大影响。IRI2016作为目前最新的国际参考电离层模型,研究其提供的电子密度在高度60~100 km的精度具有重要实际意义。本文以廊坊中频雷达(位于中纬度地区)提供的电子密度资料(2014—2016年)为基准,利用偏差、绝对差、相关系数、相对偏差和Lomb-Scargle周期图方法,定量分析了IRI2016模型电子密度在中纬度地区60~100 km高度范围内的精度特征。结果表明,在中纬度地区60~100 km高度范围内:①电子密度偏差、绝对差、相对偏差与季节有密切关系,在高度86~100 km,随高度增加均快速增大;相关系数同样与季节有密切关系,但随高度增加表现出增大、减小的交替变化特征;②IRI2016模型电子密度精度与太阳活动、地磁条件有关,在太阳活动低年、磁宁静条件下的电子密度精度最高;③中频雷达和IRI2016模型电子密度在82~84 km均显著(通过90%显著性检验)含有准全日潮汐波、准8 h重力波,同时IRI2016模型还显著含有准半日潮汐波,而中频雷达未显著含有准半日潮汐波;在86~92 km均显著含有准全日潮汐波、准半日潮汐波,无准8 h重力波;④中频雷达、IRI2016模型电子密度在同一高度层显著含有的波周期及功率谱存在差异,不同高度层之间显著含有的波周期及功率谱也存在差异;⑤对于高度82~92 km的中频雷达、IRI2016模型电子密度变化特征,准全日潮汐波均为主要作用,准8 h重力波在82 km为次要作用,而准半日潮汐波在86~92 km为次要作用。

应用Models-3/CMAQ对2011年3月日本福岛核泄漏的数值研究

2011年3月12日,受日本以东地震和海啸影响,福岛核电站发生核物质泄漏。本文采用空气质量模式系统(Models-3/CMAQ),在理想假设条件下,对此次核泄漏事故进行了数值模拟。研究结果表明:模拟期间,核泄漏物质主要影响福岛附近地区和西北太平洋海区;核泄漏物质能扩散至较高的高度,源区核辐射量随高度呈指数减小;核泄漏物质主要通过东北路径和偏东路径影响我国,但核辐射影响极其轻微;Models-3/CMAQ具有对核泄漏事故的模拟能力。

大气密度对运载火箭飞行的qα_(max)精度影响及建模分析

基于运载火箭是在真实大气密度中飞行,本文以2017年8月1日-2019年7月31日高垂直分辨率探空资料为例,分析参考大气密度与真实大气密度、以及对应的qα_(max)之间差异特征,最后建立订正模型,研究结果表明:1)密度偏差、相对偏差随高度变化特征与季节有关,有较明显的年内变化特征;2)qα_(max)偏差随时间呈现“M”字型变化特征,其值范围为-217.1721~219.0648 Pa·rad,平均值为-9.4684 Pa·rad,在(-20,0]区间范围内占有率最大(20.4110%);3)qα_(max)偏差具有明显的年内变化、季节变化特征,在1-3月和11-12月为正偏差、4-10月为负偏差,春、夏、秋季均为负偏差,冬季为正偏差;4)利用多元线性回归建立订正模型能较好地提高参考大气密度得到的qα_(max)精度,其中,偏差由-36.1569 Pa·rad减少到-7.7012 Pa·rad、绝对差由49.3254 Pa·rad减小到20.3244 Pa·rad,因此,在分析大气环境对运载火箭飞行影响时,应采用真实大气密度代替参考大气密度进行计算。

不同阶曲线拟合扰动场对下平流层重力波气候特征影响研究

重力波参数气候特征是确定大气模式中重力波参数化方案的重要条件之一,高垂直分辨率探空资料扰动场是获取重力波参数气候特征的基础数据;目前,获取扰动场的方法较多,但基于不同方法计算的扰动场对重力波参数气候特征影响的研究较少。基于2014—2017年山西太原气象台高垂直分辨率探空资料,利用2—4阶曲线拟合方法获取下平流层(17—24 km高度)温度扰动场、纬向风扰动场和经向风扰动场,经统计发现2阶与3阶曲线拟合方法的扰动场相似程度较高;在此选取相似度较高的2阶、3阶曲线拟合方法的扰动场分别计算大气重力波参数,并对大气重力波参数间的气候差异特征进行研究。结果表明:(1)不同阶曲线拟合方法扰动场的变化振幅及随高度变化趋势存在差异,且扰动场间的相关较弱;(2)2阶、3阶曲线拟合方法扰动场得到的重力波参数大小、年内变化趋势及在不同区间范围内占有率均存在差异,且相关较弱;(3)1—12月,相对3阶曲线拟合方法的扰动场,基于2阶曲线拟合方法的扰动场得到的重力波群速、水平波长、垂直波长、周期、固有相速均较大,而重力波能量上传百分比在某些月份较大。因此,不同阶曲线拟合方法扰动场间存在差异,会导致计算得到的大气重力波参数气候特征存在差异,最终对研制大气模式中的大气重力波参数化方案产生影响。

不同途径获得的大气重力波参数扰动场特征对比分析

重力波参数气候特征是确定全球大气模式中重力波参数化方案的一个重要环节,利用高垂直分辨率探空资料扰动场是获取重力波参数气候特征的基础数据和重要手段。目前,通常采用2~4阶曲线拟合、带通滤波方法获取高垂直分辨率探空资料扰动场,但针对不同方法之间的扰动场差异特征研究较少,本文利用2~4阶曲线拟合、带通滤波方法(0.5~5.0km)获取2014-2017年太原地区(112.55°E,37.78°N)高垂直分辨率探空资料扰动场,采用相关系数、Lomb-Scargle、不同区间范围占有率方法进行研究,结果表明:①不同方法之间的纬向风扰动场、经向风扰动场、温度扰动场均存在较明显差异,且相关性均较弱;②Lomb-Scargle分析表明,不同方法得到的平均纬向风扰动场、平均经向风扰动场、平均温度扰动场显著含有(通过90%置信检验)的垂直波长均存在明显差异;③不同方法得到的纬向风扰动场、经向风扰动场、温度扰动场显著含有的垂直波长,在不同区间范围内的占有率均存在明显差异。

相似偏差订正法在短期温度预报中的应用研究

为提高温度预报精度,本文提出一种新的相似偏差订正法建立短期温度预报模型,并与气象业务常用的多元回归法、BP神经网络法进行对比。结果表明:(1)温度预报精度均具有明显日变化特征,午后精度较高,而凌晨精度偏低;(2)基于20:00起报资料得到的温度预报精度略高于08:00起报资料;(3)温度预报精度由高到低的顺序依次为相似偏差订正法、BP神经网络法、多元回归法和ECMWF模式产品的2 m温度,若从制作短期逐时温度预报的精度、合理性及运行效率等方面考虑,相似偏差订正法优于BP神经网络法和多元回归法。

高速公路网络上行车时间估计和最优路线的选取

首先建立交通流动力学模型求解问题Ⅰ.在不考虑流量和考虑流量的两种情况下,该模型都能够解出在任意给定的时刻t位于第一个传感器的车辆到达第5个感应器的行车时间.我们还从四个方面给出了判断交通堵塞的衡量标准,并且利用神经网络方法准确地对未来的车流状态进行了预测.问题Ⅱ建立了交通网络的加权有向图模型,引入协方差矩阵描述网络中道路之间的相关性,并设计了查找最优路径的动态Dijkstra算法.问题Ⅲ构建了统计多目标规划模型,利用车比雪夫不等式,成功找到了从端点3到14和14到3的最优路径,并估算出了对应的行车时间.

日本大地震福岛核污染物扩散传输区域模拟研究

2011年3月11日日本大地震引发了福岛核电站放射性污染物泄漏事故.根据日本官方公布的污染物释放量,通过核泄漏放射性物质的源项设计,采用CMAQ模式中PM2.5作为核污染物的示踪物,并考虑核污染物扩散和干湿沉降过程等,建立了基于大气模式WRF和空气质量模式Models-3/CMAQ的耦合模式系统.在此基础上,分别采用30和4km模式水平分辨率对放射性污染物中远距离和近距离(局地)扩散传输路径和强度进行了5天数值模拟.中远距离模拟结果表明:福岛核事故发生之后,受西风带影响,放射性污染物大部分时间向太平洋东部方向扩散,5天后到达美洲大陆,但浓度仅相当于福岛核电站附近的10-7左右,模拟的污染物到达美国的时间与加利福尼亚州3月18日的监测结果基本吻合,同时发现,由于高空西风风速大于低层,污染物的分布随高度形成向东倾斜的垂直结构.对近距离(局地)高分辨率模拟结果表明:伴随气旋过程的大风和降水可加快污染物的扩散传输和局地沉降,同时,气旋性环流又可使污染物改变传输路径,甚至对局地造成重复影响.污染物于3月14日18时扩散到日本本州岛东南部,模拟结果与当地观测的吸收剂量率增加时间基本一致.结果表明,福岛核事故放射性污染物主要以向东扩散传输为主,即使在气旋系统的影响下,对日本本土的影响时间较短,因此从大气条件角度看,福岛核电站的选址比较科学,对其他核设施的选址和保护具有借鉴意义.