基于本征微观态方法探究全球地表气压变化特征及其与降水的联系

利用ERA5和GPCP再分析资料及NOAA提供的气候指数,基于本征微观态和传统气象学方法,探讨了全球1950—2022年地表气压变化特征及其与全球降水和环流变化之间的关系。结果表明:全球地表气压的第一大本征微观态主要以南极一致性变化为主,与南极涛动显著相关;第二大本征微观态以北极一致性变化为主,与北极涛动和北大西洋涛动显著相关;第三大本征微观态在热带太平洋呈现纬向偶极子结构,与厄尔尼诺—南方涛动(EI Nino-Southern Oscillation,ENSO)联系紧密。不同本征微观态对全球降水的影响存在显著的区域性差异。第一大本征微观态处于正位相时,南极绕极环流增强,南半球高纬度地区降水增多,中纬度地区降水减少。第二大本征微观态处于正位相时对应北极降水增多,北大西洋及其周边地区降水减少。第三大本征微观态影响范围较广,主要表现为西太平洋降水减少和中东太平洋降水增多。

几种再分析地表气压资料在中国区域的适用性评估

应用台站观测资料对ERA-40,NCEP/NCAR以及NCEP/DOE再分析地表气压产品在中国不同区域、不同年代和不同季节的适用性进行了评估。分析发现,几种再分析产品虽然能在一定程度上反映出观测资料所具有的时空分布特征,但它们之间的差异却具有明显的区域和季节变化特征,即冬季小而夏季大、东部地区小而西部地区大;同时还发现ERA-40和NCEP/NCAR再分析产品在20世纪70年代以前均与观测资料有相对较大的差别,特别是NCEP/NCAR在70年代以前的夏季气压值过于偏低,从而夸大了很多地区的年代际变化特征。相比而言,ERA-40地表气压的长期变化趋势以及时空演变规律在中国大多数地区要优于NCEP/NCAR再分析产品,特别是在中国西部地区。分析还表明,NCEP/DOE虽与观测资料存在一定的系统性偏差,却与另外两种再分析产品有着较为相似的年际变化特征及趋势。

青藏高原地表气压拖曳的估算及其特征分析

为了更好地了解青藏高原多尺度地形的动力作用,并为改良数值模式中地形的表示方法奠定基础,通过采用2010年青藏高原西南部6个地面台站的观测资料以及4种不同分辨率的分析(再分析)资料,分别估算了冈底斯山及整个青藏高原主体范围内的地表气压拖曳,得出了青藏高原可能存在的拖曳类型,并且分析了青藏高原气压拖曳的一些特征。得出如下主要结论:由罗斯贝波产生的波动拖曳作为行星尺度的拖曳对青藏高原地区总拖曳的贡献最大;同时,青藏高原范围内存在着大量与天气过程密切相关的天气尺度的拖曳;对于冈底斯山对气流的中尺度动力作用的进一步分析可知,夏季基本全为气流分离,冬季500 hPa以下为气流分离,500—200 hPa为气流分离和波动破碎的混合区,而200 hPa以上的平流层则为重力波的产生及其破碎区域;冈底斯山地区的地表气压拖曳主要集中在3000—5000 m高度,并且,冈底斯山总拖曳的方向近乎与山脊垂直;地表气压和地形高度资料的分辨率越高,所能分辨出的更小波长的气压拖曳也越多,估算出的高原主体范围内的拖曳值也越大;变压梯度和地形梯度是影响气压拖曳的基本因子,但地形梯度对拖曳的影响最终是通过气压梯度来实现的。

复采工作面瓦斯涌出随地表气压变化的相关性分析及对策

以西安矿为例,发现残复采工作面地表气压的突然下降造成井下回风流瓦斯涌出异常增大,且瓦斯异常涌出通常滞后于气压下降3~6 h左右。异常涌出的瓦斯浓度曲线分"极峰"、"波动""波动+极峰"3种类型。分析了地表气压影响井下复采工作面回风流瓦斯浓度的基本原理,认为巷道空气压力的绝对值影响煤孔隙壁上瓦斯的"解吸葑吸附"速度,巷道空气压力的相对变化引起的压力梯度影响煤孔隙和裂隙中瓦斯运移速度。结合实测数据,得出了初始地表气压条件下,残煤复采工作面回风瓦斯浓度随地表气压变化的量化方程。最后根据大气压降对复采面瓦斯涌出的影响原理,提出切断瓦斯向外涌出的通道和抵消大气压降这2种防治思路。

地表气压对温室气体柱总量反演的敏感性分析及敦煌地区温室气体的柱总量观测

地表气压对温室气体浓度反演具有非常重要的影响。利用地基便携式傅里叶变换光谱仪EM27/SUN观测了敦煌地区H2O,CO2,CH4及CO气体分子的浓度,获得了2018年6月27日到7月21日敦煌地区大气中XH2O,XCO2,XCH4及XCO的时间序列,结合敦煌观测数据,定量分析了地表气压对气体柱-平均摩尔分数Xgas(column-averaged dry air mole fractions, DMFs)反演的影响。结果表明:XH2O,XCO2,XCH4及XCO与地表气压密切相关,相关系数均高于0.99,柱总量随地表气压的变化快慢决定柱-平均摩尔分数随地表气压的变化趋势。相比较CO2,CH4及CO分子,XH2O对地表气压的敏感性较弱,地表气压改变1 hPa,XH2O,XCO2,XCH4及XCO分别变化0.027 8%,0.065 9%,0.068 6%和0.062%;观测期间,H2O,CO2的浓度变化幅度波动较大,XCH4,XCO变化较小,XH2O平均值在2 000×10-6~6 000×10-6变化,而XCO2平均值在407.27×10-6~417.60×10-6变化,敦煌站点XH2O,XCO2,XCH4及XCO的测量精度分别为2.3%,0.14%,0.12%及1.7%,XCO2及XCH4的测量精度均优于TCCON网的测量精度;与GOSAT卫星数据对比结果显示,地基反演的XCO2,XCH4值均偏大,XCO2的绝对偏差为7.07×10-6,XCH4的绝对偏差为0.025×10-6;与WACCM数据对比显示,地基反演XCO2结果多数大于WACCM值,最大绝对偏差可以达到8.0×10-6,地基反演XCH4值小于WACCM值,最大绝对偏差为0.032×10-6。实时观测数据更能反映当地的具体情况,研究结果可为我国温暖带干旱性气候温室气体源与汇的研究提供数据支撑和理论基础。

星载激光测高系统大气折射延迟的影响分析

星载激光测高系统发出的测距光束经过大气层时会发生折射,由此产生的与大气延迟相关的测距误差在数米量级。讨论了激光测高系统大气延迟修正理论及实现算法,通过使用沿天顶方向的大气传输延迟值与非天顶方向相应映射函数乘积的方法来计算大气延迟,并对影响大气延迟主要气象参数地表气压进行修正。结合全球首个对地观测星载激光测高系统GLAS测量数据和美国国家环境预报中心NCEP气象数据进行大气延迟修正,并与GLAS系统公布延迟数据对比。结果表明:大气干项延迟偏差小于2cm,湿项延迟偏差小于1mm。

利用境内气象站观测数据的激光测高仪大气延迟改进算法

由大气层折射率分布不均匀引起的大气折射延迟是星载激光测高仪测距误差的主要来源之一,其主要受地表气压的影响。目前计算地表气压方法仅有美国GLAS系统使用的基于NCEP气象数据和时间空间的内插方法,GLAS系统观测相对平坦的南北极冰盖区域的精度足够,但观测地表起伏复杂的陆地目标的精度较低。文中利用国内气象站的观测数据,基于改进的反距离加权内插算法对大气折射延迟修正方法进行改进,并与传统GLAS方法的修正结果进行精度对比。在高原地区以及高纬度地区,采用国内气象数据和新的内插算法可以将修正残差由超过2cm降低至小于0.5cm,相对GLAS系统整体15cm的测量精度,相当于整体精度提高10%,对于未来国产卫星激光测高仪测量精度的提高将有一定参考价值。

星载激光测高仪大气干项延迟校正

星载激光测高仪发射的激光脉冲在通过地球大气层时发生折射,导致激光路径的延长,为了获得高精度的测距结果,必须对大气延迟进行修正;而大气干项延迟在大气延迟中占主导作用,仅由测量位置的地表大气压力决定。通过推导静态大气在非理想气体条件下的流体静力学方程,得出地表气压与位势高度有关的大气压力模型,结合NCEP基于标准大气压层的气象数据和GLAS测量的时间经纬度和高程数据,对位势高度使用4阶Runge-Kutta算法进行数值积分得出地表气压,进而计算大气干项延迟。通过该方法和NCEP地表气压估计得出的干项延迟分别与GLAS官方公布的干项延迟对比,该方法计算结果的趋势与准确程度均占优,且最大干项延迟误差小于2 cm。证明通过流体静力学方程数值积分计算地表气压的方法能够得出对星载激光测高仪较为准确的大气干项延迟。