华南区域大气成分业务数值预报GRACEs模式系统

总结了华南区域大气成分数值预报GRACEs模式系统的业务发展进程,系统介绍了GRACEs模式的计算域、气象驱动场、输入排放源、计算平台与产品应用,报告了GRACEs模式的业务预报性能。概述了国内外大气成分数值预报模式的发展现状与趋势,介绍了新版CMAQ模式Ver5.1的化学机理,及其在光化学、气溶胶化学、源排放、化学与气象双向反馈机制等方面的重要更新。GRACEs模式系统预期将在本地精细化气象模式、污染源本地化、化学机理以及初始场同化等方面进一步研究,深入开展华南区域"一体化"大气成分模式系统的研发与应用。

华南区域大气成分数值模式GRACEs预报性能评估

利用2016—2019年广东省国控站实况监测数据对华南区域大气成分数值模式系统(GRACEs)预报性能进行了综合评估。除空气质量指数AQI外,重点对PM_(2.5)、O_(3)及NO2进行了分析评估。(1)模式预报性能存在年际差异,对各要素的预报值总体偏低。(2)模式预报能较好地反映空气质量的空间分布,PM_(2.5)中心在珠三角西北部,而O_(3)-8 h高值区在珠三角核心区和粤东沿海,但模式对O_(3)-8 h高值区存在显著预报低估现象。(3)模式可较好地模拟出PM_(2.5)月变化的单峰型特征和O_(3)-8 h月变化双峰型特征,但模式对AQI的秋冬季主峰值和春季次峰值的预报存在低估,分别与模式对O_(3)-8 h、PM_(2.5)的低估有关。(4)模式能较好体现O_(3)的午后峰值和NO2双峰值的日变化规律;模式对O_(3)前体物NO2的预报偏差,有可能是导致随后几小时对O_(3)浓度预报偏差的重要原因。(5)日平均浓度预报效果检验显示模式可较好预测AQI和3种污染物的变化趋势,但对夏秋季高O_(3)-8 h浓度预报显著偏低;模式对轻度污染及以上等级预报能力偏低,亟需提升模式对污染天气的预报能力。

Saving Graces

A while ago a Dickinson College studentasked the white-haired chairman of the Eng-lish department if he had ever read Tolstoy’sWar and Peace from cover to cover.The el-derly don considered his answer before speak-

4-time Grammy Award Winner Graces Guangzhou

The band has not had an easy flight to Guangzhou.Bass player Lex Sadler explains that his flight to Istanbul was delayed,as was his flight to Guangzhou.He is running on three espressos and is also dealing with business he has to take care of in New York.

南极和格陵兰岛GPS连续台站背景噪声时空特性

基于GPS观测数据获取的陆地垂向运动对研究现今两极区域的冰川质量变化具有重要的科学意义.受地表环境负荷对GPS时间序列中背景噪声空间异质性的影响,在利用GPS时间序列获取垂向速度场时,估计结果存在较大不确定度.本文针对南极和格陵兰岛区域的GPS连续观测时间序列中背景噪声的空间特性对速度场及其不确定度的影响问题,利用地表环境负荷模型(包括大气、非潮汐海洋和水文负荷)和重力卫星GRACE/GRACE-FO观测数据反演的地表弹性形变对GPS时间序列进行了改正.通过对改正前后的数据进行背景噪声特性分析,揭示出修正环境负荷形变能够有效降低极区GPS时间序列背景噪声幅度,但是大气和非潮汐海洋负荷改正造成了大多数台站背景噪声谱指数的减小,南极和格陵兰岛分别约为其GPS台站总数的46.1%和84.6%,直接导致了对GPS速度不确定度估计的改善效果不明显.对背景噪声空间异质性的研究结果表明,极区台站的背景噪声参数主要表现为随纬度变化的空间特性.

基于GRACE星间重力位差的Slepian局部地表质量变化反演法

根据Slepian基函数在频域和空域的局部集中特性,建立了利用GRACE星间重力位差(GPD)估计局部地表质量变化的Slepian基函数反演模型及病态问题求解算法,并以亚马逊流域的陆地水储量变化(TWSC)反演为例,评估了反演方法的精度和有效性.首先,通过闭环数值模拟比较了Slepian基函数法(GPD SBF)、基于GPD的mascon方法(GPD Mascon)和球谐系数法(GPD SH)反演2005年亚马逊流域TWSC的性能,结果表明:Slepian基函数法通过限定信号的频域和空域范围,降低了反演过程中向下延拓带来的不确定性,有效削弱了法方程求解的病态性,其解算结果的稳定性明显优于GPD Mascon;GPD SBF的反演精度及可靠性总体上优于GPD Mascon和GPD SH,并且能够更好地恢复边缘区域的信号和减小泄漏误差的影响.其次,利用实测的GRACE GPD数据反演了2004—2015年亚马逊流域的TWSC时间序列,结果显示:GPDSBF相比GPDMascon反演的TWSC与官方mascon模型(CSR、JPL和GSFC RL06 mascon)更为一致,并且GPD SBF反演结果呈现出更多的空间细节和更好的信噪比.最后,利用不同GRACE反演结果计算的(TWSC的一阶导数)和水文气象数据(GPCP降水、ERA5蒸散发)由水量平衡方程估计了亚马逊流域Obidos水文站的月平均径流量,并采用测站的实测径流量进行检验,结果表明:GPD SBF和GPD Mascon估计的径流量与实测值扣除季节性信号后的差值STD分别为12.35 mm和14.54 mm,相关系数分别为0.71和0.69,并且GPD SBF和各种官方mascon模型估计的径流量与实测径流量更为接近.本文研究证明Slepian基函数法可削弱病态问题求解对正则化约束的依赖,其比传统的GPD Mascon解算精度和可靠性更高,为反演高精度、高分辨率的局部地表质量变化提供了一种新的解决方案.

基于GRACE/GRACE-FO数据降尺度方法反演库尔勒东区地下水储量变化

GRACE与GRACE-FO重力卫星为全球中大尺度地下水反演监测提供了新的手段,但难以提供小尺度上较高空间分辨率的地下水储量变化(GWSA)信息。本文针对新疆库尔勒东部缺资料区,采用动力降尺度方法提高GRACE/GRACE-FO反演GWSA数据的空间分辨率,分析GWSA的时空分布规律。首先,基于数据融合方法构建了库尔勒东区GWSA数值模型;然后,利用优化后的模型将GWSA反演数据的分辨率从1°降尺度至0.25°和0.05°,将反演的GWSA与水井监测的地下水位(GWL)数据进行对比验证;最后,利用0.05°GWSA数据分析研究区GWSA态势。结果表明:①与降尺度前1°GWSA数据相比,降尺度转换后的高分辨率GWSA数据在空间上更加平滑、展示了更加丰富的细节,且提高了与水井GWL监测数据的相关性,改进了反演精度和可靠性;②小尺度上,降尺度后的GWSA数据能够反映水源地地下水的季节性、年际和长期开采下的亏损等动态特征;③研究区GWSA呈现出时空分布差异性,2005—2020年区内地下水储量变化率为-1~1 mm·a-1,总体上呈南增、北减态势,南、北部山区的变幅大于中部相对平坦区域。

基于GRACE和GLDAS的河南省2003—2022年地下水储量变化研究

河南省是中国水资源相对短缺严重的地区之一,地下水的过度消耗已成为制约该地区经济社会发展和生态环境保护的重要因素。本文基于2003—2022年GRACE、GRACE-FO卫星重力数据及GLDAS陆面同化数据,采用奇异谱插值法和时序分解法,分析了河南省近20年地下水储量的时空变化特征及影响因素。结果表明:河南省近20年地下水呈“V”形变化特征,变化速率呈现由西南至东北逐渐递减的阶梯式分布;2015年前后变化速率分别为-15.53、8.88 mm/a,东北部地区地下水由亏损转为盈余状态;对比反演结果与降水和南水北调中线工程调水数据发现,降水与地下水变化密切相关,但不是地下水长期下降的主要原因;通过南水北调工程异地调配地表水供给受水区生产生活用水而置换地下水抽采,有效缓解了地下水亏损,是地下水止跌回升的重要影响因素。本文研究结果为了解近20年河南省地下水储量的时空变化规律及更好发挥南水北调工程调水作用提供了参考依据。

黄河流域地下水储量时空演变特征及影响因素分析

基于GRACE和GRACE Follow-On卫星及GLADS数据,考虑气候、植被等影响,构建了时间序列分解和随机森林算法耦合模型,揭示了2003—2022年黄河流域地下水储量时空变化特征及主要驱动过程。结果表明:近20 a黄河流域地下水储量显著减小,减小变率为-3.3 mm/a,其中汾河盆地和关中平原地区减小速度最快,变率为-15~-30 mm/a;气候呈暖干化趋势,植被绿度提高,蒸散发量显著增加;地下水储量的减小是植被覆盖增加、气温升高和蒸散发量增加共同作用导致地下水消耗量增加的结果;地下水储量空间变化主导因素差异显著,不同区域主导过程均由植被状况和气温的相互作用驱动。

GRACE和GRACE-FO缺失数据重建研究进展

GRACE和GRACE-FO重力卫星为获取地球重力场的长期时变特征提供了宝贵的观测数据.然而,由于卫星电池问题、载荷校准误差以及GRACE与GRACE-FO任务间较长的时间间隔导致GRACE和GRACE-FO观测的时变重力序列出现了缺失或间断,从而影响了结果的连续性及完整性.本文在介绍GRACE和GRACE-FO任务、数据产品及数据缺失情况的基础上,将GRACE/GRACE-FO缺失数据重建方法分为两大类,即基于数理统计方法的数据重建和基于辅助信息的数据重建.评述了以上两类重建方法的现状及其进展,比较了各方法的优缺点、应用领域及局限性.以长江流域为例,对GRACE反演的陆地水储量时间序列重建方法进行了分析和预测,结果显示基于经验模态分解的长短时记忆法重建效果最好.综上,虽然基于数理统计方法的GRACE/GRACE-FO缺失数据重建较为简单方便,但利用深度学习并结合各种辅助数据的缺失数据重建结果质量更高.本文对后续GRACE/GRACE-FO数据缺失数据填补方法选择提供了借鉴,并为时变卫星重力后续应用与研究提供了有益的参考.

基于随机森林模型的GRACE数据3种空间降尺度对比

陆地水储量是赋存在陆地上各种形式水的综合体现,研究其时空变化对认识区域水循环过程和水资源调控等具有重要意义。然而现有陆地水储量变化数据实际分辨率较低,限制了其在中小流域或地区中的应用。针对这一问题,本文基于GRACE重力卫星和其后续卫星GRACE-FO反演的陆地水储量变化数据,首先采用随机森林模型,分别基于格点、区域(流域)和区域(全国)3种空间降尺度思路将GRACE数据降尺度至0.25°×0.25°,后结合GLDAS模型数据,基于水量平衡原理计算得到地下水储量变化数据,最后基于降尺度模型模拟效果和实测地下水位数据评估3种降尺度思路在全国的适用性。结果表明:随机森林模型能够较好地模拟驱动数据(降水、气温、植被条件指数和土壤水储量)与GRACE数据的统计关系,验证期格点降尺度思路的平均相关系数总体在0.6左右,区域降尺度思路的平均纳什效率系数、相关系数和均方根误差分别>0.5、>0.75和<6.6 cm,3种空间降尺度思路的模拟精度均满足基本要求;2003—2021年间,GRACE数据、格点降尺度、区域降尺度(流域)和区域降尺度(全国)得到的我国陆地水储量亏缺量分别约为119.5×10^(8)、62.4×10^(8)、121.1×10^(8)和121.8×10^(8)m^(3)/a,地下水储量亏缺量分别约为230.0×10^(8)、171.8×10^(8)、235.6×10^(8)和236.4×10^(8)m^(3)/a,受制于样本数较少等原因,格点降尺度结果精度较差;两种区域降尺度思路得到的水储量变化速率均和原始GRACE数据基本一致,模拟结果均优于格点降尺度,且细化到流域的区域降尺度对地下水储量变化验证精度有一定的改善。区域降尺度具有适用性强、模拟精度高、计算效率高的优势,研究结果可为流域水资源可持续利用以及水资源规划等提供精细化的水储量变化数据。

联合GNSS与GRACE/GRACE-FO数据反演中国西南地区陆地水储量变化

GNSS和重力恢复与气候试验(GRACE)及其后续任务(GRACE-FO)给陆地水储量变化(TWSC)研究带来了技术革新,但这两种技术估计的区域TWSC具有不同的时空尺度和精度特性。因此,有必要融合两种观测数据,以获得同一尺度且高精度的TWSC。本文基于GNSS独立反演模型,使用求和算子对喷气推进实验室(JPL)的GRACE/GRACE-FO Mascon数据进行求和运算来构建约束,通过赤池贝叶斯准则选择最优模型参数,构建了一种联合GNSS与GRACE/GRACE-FO数据的区域TWSC反演模型。随后,本文设计数值模拟试验,以验证利用该模型反演中国西南地区TWSC的可行性。结果显示,1000次试验中联合反演估算的均方根误差均值为10 mm,比GNSS独立反演结果低47%。基于此方法,本文联合GNSS与JPL Mascon数据反演了中国西南地区2011年1月—2022年6月的时变TWSC。对比联合反演、GNSS独立反演、GRACE/GRACE-FO和高分辨率全球陆地数据同化系统(GLDAS)的结果,发现联合反演与GLDAS的TWSC周年振幅空间分布特征最吻合,表明联合反演估计的TWSC空间分辨率优于GNSS独立反演和GRACE的结果。最后,结合水平衡方程估算的区域水文收支情况,并通过广义三角帽方法评估陆地水储量等效水柱高的变化率(d(EWH)/d t)的不确定性。结果显示,联合反演估计的d(EWH)/d t不确定性为8 mm/月,较GRACE/GRACE-FO、GNSS独立反演和水平衡方程结果分别低33%、68%和62%。研究结果表明,与GNSS和GRACE/GRACE-FO独立反演方法相比,联合反演能够改善TWSC估值的精度,可为水资源管理决策及水文气候学研究提供更可靠的数据支撑。

黄河流域未来陆地水储量时空演变趋势

在气候变化和人类活动影响下,流域水循环发生了显著变化,水资源保护形势愈加严峻。为解决黄河流域陆地水储量难监测的问题,利用GRACE数据和可变下渗容量(VIC)模型预测黄河流域2030—2100年陆地水储量变化,剖析气候变化对陆地水储量的影响机制。研究表明:1)利用GRACE数据和VIC模型通过组分相加法计算的陆地水储量变化一致性较强,能很好模拟黄河流域陆地水储量时空演变特征;2)2030—2100年黄河流域陆地水储量呈现不显著的增加趋势,SSP585情景陆地水储量的增加幅度最大;3)预测期黄河流域降水量、气温和蒸散发量均比历史时期上升,预测期黄河源区和兰州附近的径流深比历史期减小,虽然预测期黄河流域整体陆地水储量呈现不显著增加趋势,但仅内蒙古部分地区陆地水储量增加。

重力卫星加速度计数据预处理研究

静电悬浮加速度计主要用于测量重力卫星质心处受到的非保守力,是重力卫星的核心载荷,卫星平台和环境中的各类干扰均会对加速度计测量产生影响.本文重点研究了GRACE Follow-On卫星加速度计ACC1A原始数据的预处理方法,给出了加速度计数据预处理详细流程,重点分析了卫星平台和环境中各类干扰引起加速度计数据异常的量级和处理方法(包括姿控推力器推力偏差、磁力矩器干扰、温控开关、阻尼震荡等引起的异常影响).基于加速度计ACC1A原始数据生成ACT1A产品和ACT1B产品,并与JPL发布相应产品进行比较.结果表明,ACT1A产品的三轴线加速度残差中误差优于10^(-17)m·s^(-2),残差幅度谱密度优于10^(-18)m·s^(-2)/(Hz)^(1/2),ACT1B产品的三轴线加速度残差中误差优于10^(-11)m·s^(-2),残差幅度谱密度优于10^(-12)m·s^(-2)/(Hz)^(1/2),均低于加速度计测量精度10^(-10)m·s^(-2),生成的产品可以用于后续重力场反演.

2002—2020年海河流域陆地水储量变化的时空变化特征

为了探究海河流域陆地水储量变化的时空变化特征,基于2002—2020年GRACE(gravity recovery and cli-mate experiment)卫星和GRACE-FO卫星数据,计算海河流域陆地水储量变化,并通过地下水储量变化估值与地下水位变化的相关性分析GRACE/GRACE-FO卫星数据的可靠性.结果表明:①地下水储量变化估值和地下水位变化之间的相关性较强,相关系数r=0.78.②海河流域陆地水储量变化大致呈现自南向北递减趋势;陆地水储量变化的变化速度为-9.80 mm/a.

基于GRACE的青藏高原地下水储量时空变化研究及干旱性监测

随着全球气候变暖,了解和掌握青藏高原地下水储存变化对水资源管理和利用具有重要意义。本文基于GRACE重力卫星数据开展青藏高原2002年4月至2022年8月地下水储量变化研究,并进行干旱性监测。研究结果表明:青藏高原平均地下水储量在近20年期间呈小幅上升趋势,平均增加速率为0.33 mm/a;在空间上表现为柴达木盆地和藏北高原呈漏斗状增加,其他区域都减小的特征。青藏高原年际降雨快速下降或上升时,地下水储量会在当年下降或次年出现相应的上升。年内时空变化格局存在明显区域差异性,青藏高原北部主要受降雨影响,增加强度和范围随夏秋降雨增多逐渐增大,且地下水储量变化响应降水时间自西向东逐渐延长;而青藏高原南部地下水储量表现为夏秋减少、冬春增多的特征。WSDI能够有效监测青藏高原干旱事件,干旱主要分布在青藏高原北部,东北及东南区域。

基岩热膨胀对中国西南三维地表周年形变的影响分析

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)可以监测获取地表形变时间序列,其中的周年信号除包含负荷形变外,还有由于地表温度变化引起的基岩热膨胀效应。利用全球三维热弹性形变模型,对中国西南地区39个陆态网观测站在U、E、N三个方向的热膨胀效应进行估计,分析GNSS时间序列在热膨胀效应改正前后,与GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)和GRACE Follow-On(GRACE-FO)卫星重力观测所反映地表负荷形变的符合程度。结果表明,加以热膨胀效应改正后,GNSS垂直分量(U方向)与卫星重力结果的符合程度略微减弱;而在水平分量E方向的符合程度有一定改善,但N方向出现较显著的减弱。该文得到的西南地区研究结果与已有全球或者大尺度区域的研究结果不一致,表明利用全球热弹性形变模型估计不同区域热膨胀效应的精度需要进一步评估,并且其对地表三维形变的影响也值得后续深入研究。

基于GRACE的新疆平原区地下水干旱时空变化及其对气象干旱的响应

地下水资源具有重要的资源保障和生态安全维系功能,随着全球气候变暖及人类活动强度增大,导致新疆平原区地下水资源量呈减少趋势,进一步加剧地下水干旱发生的风险。揭示新疆平原区地下水干旱时空变化特征及其对气象干旱的响应关系,对区域经济可持续发展、生态系统安全有重要意义。基于GRACE重力卫星数据和全球陆地同化系统(GLDAS)数据估算2003—2022年新疆平原区地下水储量变化,在此基础上对地下水储量变化进行标准化处理,构建地下水干旱指数,分析新疆平原区地下水干旱时空变化特征,最后使用最大相关系法分析地下水干旱对气象干旱的响应关系。结果表明:(1)新疆平原区地下水储量变化呈下降趋势,其下降速率为0.60 cm·a^(-1),下降较为明显的区域主要集中在天山区域山前平原区,上升区域主要集中在昆仑山北麓山前平原区及阿尔泰山南麓西部山前平原区。(2)地下水干旱指数监测到新疆平原区于2014年4月—2015年4月、2022年5—12月分别发生了历时13个月、8个月的地下水干旱事件。整体来看,新疆平原区地下水干旱频率为0.21,地下水平均干旱强度为1.0~2.0,地下水平均干旱历时为4~28个月;其中,平均干旱历时为4~10个月、11~16个月、17~22个月、23~28个月的面积占比分别为80.68%、9.54%、4.15%、5.63%。(3)新疆平原区地下水干旱对气象干旱的平均响应时间为18个月;响应时间为1~3个月、4~6个月、7~9个月、10~12个月、13~24个月的面积占比分别为11.00%、2.13%、2.75%、2.00%、82.12%。其中,近20 a来天山北麓山前平原区的响应时间呈增大趋势,响应时间由1~3个月增大为18~24个月,昆仑山北麓山前平原区部分区域的响应时间则先由9~12个月减缓至1~3个月,后延长至12~24个月。

联合GNSS和GRACE数据分析华北平原地表垂直形变

为了分析华北平原陆地水储量变化等环境因素对GNSS非线性垂向时间序列产生的影响,结合GRACE数据和GNSS数据以水井水位数据为补充对华北平原进行研究。研究结果表明,华北平原地区GNSS垂向位移时间序列与GRACE负荷形变具有较好的相关性,改正后的GNSS观测与GRACE负荷形变的相关性有较大程度地减少。基于水井静水位资料对结果的可靠性进行了验证,扣除GRACE负荷形变影响后的GNSS垂向位移时间序列与水井静水位观测之间的相关系数相较于扣除前降低了40%~96.7%。将GRACE观测得到的负荷形变从GNSS时间序列中扣除,可以有效降低包括陆地水储量变化在内的环境因素导致的负荷形变对GNSS观测造成的非构造运动影响。研究结果为获取华北平原及其周边地区更为精确的垂向构造运动变形提供了科学参考。

新型炎症指标对急性ST段抬高型心肌梗死患者冠状动脉病变程度及不良预后的评估

目的检测新型炎症指标系统免疫炎症指数(SII)对急性ST段抬高型心肌梗死(STEMI)患者冠状动脉(冠脉)病变程度及不良预后的评估。方法选取重庆医科大学附属璧山医院于2018年1月至2020年3月于住院期间接受经皮冠状动脉介入治疗(PCI)的272例STEMI患者。根据SII的中位数(621.38)进行二等分组,分为低SII组(SII<621.38)和高SII组(SII≥621.38),收集两组患者的临床数据,分析SII与STEMI患者PCI术后不良预后的关系。结果与低SII组患者比较,高SII组患者的年龄和心率更高,血压更低,合并高血压病病史和2型糖尿病史的比例更大,发生MACE事件的比例更高(P<0.05)。与低SII组患者比较,高SII组STEMI患者的白细胞计数、中性粒细胞计数、血小板计数、Gensini评分、GRACE评分、高敏C反应蛋白(hs-CRP)、血糖、左室射血分数(LVEF)和肌酐含量更高(P<0.05),而淋巴细胞计数更低(P<0.05)。相关性分析显示,SII与Gensini评分、GRACE评分均呈显著正相关性(P<0.05)。相较于低SII组,高SII组患者MACE事件的发生率明显升高(P<0.05)。ROC曲线结果表明,SII联合GRACE评分对STEMI患者PCI术后MACE的预测价值高于二者单独应用,AUC为0.935。结论SII联合GRACE评分在评估急性心肌梗死患者冠脉病变程度及PCI术后不良预后方面,具有良好的预测价值。