1.55μm激光雷达高原机场下击暴流探测应用研究

为了探究激光雷达在湿下击暴流天气时的风场探测效果和低空风切变识别能力,采用多元资料结合具体事件进行理论分析和数据验证的方法,利用西宁曹家堡国际机场的测风激光雷达数据,结合地面观测记录,对2021-05-18的一次湿下击暴流过程进行了分析和研究。结果表明,下击暴流具有复杂的风场结构,主体到达机场前,首先造成了超过14 m/s的外流,并与环境风耦合形成逆风切变辐合线,且最强外流区位于辐合线后侧1 km~2 km;下击暴流抵达跑道上空时,造成了地面辐散风场,辐散中心风速远小于外流边缘且垂直气流存在着剧烈变化,下击暴流共持续约10 min;测风激光雷达对雷暴云内部垂直气流分布、跑道区域下击暴流辐散风场的水平和垂直结构以及地面风场辐合线的形成和演变均有良好的识别效果,交互使用雷达不同探测模式和数据产品有利于机场低空风切变的监测和预警。该研究为激光雷达在下击暴流风切变预报和研究中的应用提供了参考。

北京市冬季气溶胶粒子尺度谱分布研究

对2000年12月和1980年代中期北京市近地面气溶胶尺度谱的观测数据,进行了分析和比较研究。结果表明,在粒子尺度谱上,粒子分布向更细粒子位移;0.1～2.0μm的积聚模态粒子,其峰中心在0.12μm处。在粒子体积(质量)尺度谱上,粒径小于2μm的细粒子约占26.9%,粗粒子约占73.1%,表现出细粒子浓度增加的趋势。气溶胶发生源结构的变化,使原生粒子减少,再生粒子增加。这部分粒子对人的危害更大,更难于治理。

大气风温湿垂直观测网资料快速更新混合同化试验研究

基于WRF预报模式、WRFDA Hybrid集合变分同化系统和ETKF方法,构建了面向城市气象观测网数据的快速更新混合同化系统。针对北京地区地基微波辐射计和风廓线雷达组网观测资料数据同化,开展了静态背景误差调整因子(特征长度尺度因子和方差因子)、局地化距离和集合权重系数4个重要参数敏感性试验研究。试验结果表明:当温度、相对湿度、u风和v风的特征长度尺度因子和方差因子分别调整为0.7/1.0、1.0/1.0、0.7/1.0和0.7/1.0,局地化距离和集合权重系数分别调整为11.2 km和0.5时,快速更新混合同化系统的分析场均方根误差最小。为对比三种常用同化方案,开展了默认参数混合同化、最优参数混合同化、三维变分同化对比试验,试验结果表明:在针对北京地区地基微波辐射计和风廓线雷达组网观测资料的快速更新同化预报试验中,混合同化方案表现优于三维变分,同时相对于默认参数混合同化方案,最优参数混合同化方案的风场、温度及湿度的分析场和预报场得到了进一步改善:风温湿的分析场均方根误差分别最大降低了13%、19%和5%,12~24 h预报场的均方根误差分别最大降低了2%、12%和5%。

南海海表盐度变化特征及机制研究

海表面盐度(Sea surface salinity,SSS)的变化机制复杂,主要受海气交换及海洋环流过程影响。南海SSS存在显著的年际及年代际变化,受厄尔尼诺与南方涛动(El Nino-Southern oscillation,ENSO)和太平洋十年涛动(Pacific decadal oscillation,PDO)的复合作用机制尚不明确。本文融合海洋再分析数据和卫星遥感数据,处理生成151 a(1871—2021年)的长期南海SSS数据集,采用EOF和相关分析等方法,分析了南海SSS的长期时空变化特征及机制。研究结果表明:近150年来,南海SSS整体变化不明显,但1940—1958年SSS显著上升(每10年上升0.31);珠江口和吕宋海峡受径流和黑潮作用,SSS变化幅度最大(每10年为-0.04和每10年为0.03);南海SSS整体变化主要由降水和黑潮控制,相关系数分别为-0.41和-0.49,南海陆架和近海海域SSS受河流径流影响显著,相关系数为-0.45;ENSO在年际尺度上控制南海的降水,PDO在年代际尺度上影响黑潮入侵南海的变化,当PDO正位相时,厄尔尼诺事件会导致降水减少,同时黑潮入侵南海强度增加,两者共同作用使南海SSS显著上升。本研究对理解南海海气交换和海洋环流变化有重要意义。

应用GRIST 模式对“23·7”华北极端降水的模拟试验

全球-区域一体化预测系统(Global-Regional Integrated forecast SysTem,GRIST)的变网格公里尺度非静力模式(以下简称GRIST模式)兼具全球和区域模式的特点,可在无需侧边界条件下进行中期时间尺度预报,有望在局部区域达到与高分辨率的区域模式预报接近的效果。为了检验该模式对极端天气事件的模拟能力,以2023年7月29日—8月2日华北地区特大暴雨过程(以下简称“23·7”极端降水)为例,通过回报试验对GRIST变网格模式对“23·7”极端降水的模拟能力进行了评估;同时利用CMPA降水资料和ERA5再分析资料,采用空间相关系数、TS和BIAS评分等客观分析指标,将国内外GRIST变网格模式对极端降水的模拟效果与目前国内外5种主要业务模式即ECMWF、CMA-GFS全球模式和CMA-MESO、CMA-SH、CMA-BJ区域模式的预报效果进行了比较。结果表明:(1)GRIST及5种业务模式均能模拟或预报出“23·7”极端降水过程的发生。GRIST对该过程中降水最强时段(7月30日08:00—8月1日08:00,北京时,下同)的模拟效果最佳,与观测降水的空间相关系数最高可达0.85,各量级降水的TS评分均达区域模式的预报水平。(2)GRIST模式能准确模拟“23·7”极端降水过程的大尺度环流特征,包括西太平洋副热带高压的位置和范围、北向的水汽输送等,对于表征局地环流演变特征的风暴相对螺旋度的分布和强度也有较好的模拟效果。(3)GRIST模式对不同尺度环流形势的准确模拟,有助于其对降水落区和降水演变特征的精准刻画。

北京“7.21”特大暴雨环流形势极端性客观分析

2012年7月21日(简称"7.21"),北京发生了自1951年以来最强的暴雨事件。利用倾斜旋转T模态主成分分析法和美国国家环境预报中心/美国国家大气研究中心再分析资料,探讨了北京"7.21"特大暴雨的大尺度环流形势的极端性。结果表明,北京"7.21"暴雨日所属的大尺度环流型在1951-2012年夏季出现的频率为10.9%,而在"7.21"同类环流型中暴雨出现的概率为4.51%。和同类暴雨日平均场相比,"7.21"暴雨日当天西太平洋副热带高压西伸更强,北京地区对流层低空急流更强,并伴随环境大气中极端充沛的可降水量和较大的风垂直切变。在"7.21"同类环流型下的621 d中,"7.21"暴雨日北京南侧的低空急流排在第54位,北京局地风垂直切变排在第209位,可降水量排在第8位,显示出其在低空急流和可降水量上的极端性。1951-2012年夏季,具有"7.21"暴雨日同类环流形势、且925 hPa低空急流和可降水量均达到或超过"7.21"暴雨日值的个例有3次,相当于每21年发生一次。

气象卫星资料在估测热带气旋强度方向的应用进展

在常规观测资料稀少的热带洋面上,气象卫星是监测热带气旋的主要工具。基于可见光和红外的Dvorak技术通过一系列经验规则,将热带气旋在卫星云图中表现出来的云系结构特征及特定的参数同其发展强度联系起来,但它无法得到气旋内部辐射信息。相对而言,波长较长的微波能穿透热带气旋中高层云系,反映出与热带气旋强度相关的暖核辐射信息。介绍了国内外利用Dvorak技术和星载微波技术估测热带气旋强度的研究进展,指出它们在应用中存在的优势和不足,同时展望了该领域在未来的发展方向。

POLDER-2/PARASOL卫星气溶胶业务产品在北京地区的验证分析(英文)

利用地面AERONET/PHOTONS气溶胶观测网北京和香河站点的资料,在北京地区对POLDER-2/PARASOL卫星多角度偏振信息获得的气溶胶反演产品进行了验证分析。地基AERONET/PHOTONS观测网的体积谱分布资料分析显示,在北京地区气溶胶尺度分布的细粒子截断半径约为0.3μm。将POLDER-2/PARASOL卫星气溶胶业务产品和重新定义的地基AERONET/PHOTONS细模态(半径r<0.3μm)气溶胶光学厚度(AOT)比较,两者在北京地区有着很好的一致性,说明卫星的气溶胶业务反演产品表征了主要来自人类污染排放的细粒子气溶胶贡献。然而,由于POLDER系列卫星业务反演方法固定了埃斯屈朗(ngstrm)指数的变化范围是1.8～3.0,造成了细粒子贡献占绝对主导的局限。由地基AERONET/PHOTONS观测资料的分析可知,这个埃斯屈朗指数的先验值远远大于北京地区的地基测量结果,导致了POLDER业务反演的气溶胶光学厚度偏低,埃斯屈朗指数偏高。

多流形结构数据建模与应用研究

研究多流形结构的复杂数据的聚类方法,在流形学的基础上提出种子生长模型。对一维和二维多流形结构数据的建模和分析,表明该模型能够有效地解决类似的混合子空间聚类问题。以工业测量中的实例为研究对象建立模型,实验结果达到工业测量的目的,验证该模型在实际应用中的可行性。

融合空间物理参数的小样本极光涡旋自动分类研究

复杂的空间物理过程导致极光出现各类复杂的形态.极光形态的自动分类有助于分析极光发生机制以及了解空间物理过程.当前的极光分类主要采用传统的机器学习或深度学习的方法,需要大数据作为支撑.但在实际发生的极光事件中,一些事件相比其他极光事件出现频率小(如极光涡旋),这样的事件是小样本事件.本文提出一种基于注意力机制,结合空间物理参数信息的小样本极光事件分类方法.从北极黄河站2003—2017年全天空极光数据集中,构建了一个有85个极光涡旋序列的实验数据集.利用该方法,对极光涡旋这一类特殊小样本极光事件进行分类研究.研究结果显示,加入空间物理参数有助于极光涡旋的分类,分类准确率从56.37%提升到66.25%,同时也表明空间环境参数对极光涡旋的产生有着明显的调制作用.

研究所科研用户的信息需求及其获取方式

为了解科研用户的实际信息需求,提高图书馆的信息服务水平,对研究所科研人员的信息需求与获取方式进行了问卷调查与统计分析,并提出了相应的建议与对策。

地球系统模式理论与技术研究综述

地球系统模式是理解过去气候与环境演变机理、预估未来潜在全球变化情景的重要工具,是集成地学相关研究的重要平台,已经成为国际前沿课题。地理信息科学的研究对象正在从传统的地球表层向整个地球系统发展,文章从地球信息科学的视角,对地球系统模式理论与关键技术进行综述分析,包括:地球系统模式关键概念及各分量关系、地球系统模式关键技术分析(包括数值模式与求解方法、参数化方法、高性能计算方法、海量数据存储方法等)、地球系统模式关键数据分析(包括美国、欧洲、日本和中国的再分析数据等)、地球系统模式预报方法分析(包括集合预报、多尺度预报、智能预报、高时空分辨率预报等)。最后,对地球系统模式研究的未来发展趋势及应用前景进行了展望。

大气环境仿真的工程化应用研究

随着系统仿真技术的纵深发展,大气环境仿真技术已成为仿真技术领域中一项重要的公共支撑技术,逐渐向大型化和复杂化的方向发展。针对工程化应用对大气环境仿真的需求,设计了大气环境仿真应用流程,并对大气环境仿真应用中涉及到的大气环境仿真表述、环境仿真的校核和验证、工程化应用接口、大气环境联邦等技术进行了阐述,为大气环境仿真应用提供了思路。

机器学习在气象领域的应用现状与展望

机器学习是人工智能的核心,是使计算机具有智能的根本途径之一。随着以深度学习为代表的机器学习算法取得突破,人工智能呈现了加速发展的趋势,在各行业取得了广泛的应用。机器学习在计算效率、准确性、可移植性、协同性、灵活性、易用性等方面具有较大的优势,下一步将有可能改变传统的气象观测模式,加速和改善气象观测数据的处理,改善数值天气预报质量以及推进地球科学的交叉融合。为更好地推动人工智能相关技术在气象领域的应用,本文从气象观探测、数值预报、危险天气识别与预警和卫星资料处理等方面对机器学习算法的应用现状进行了整理。

风廓线雷达湍流探测应用研究

文章利用2020年8月满洲里西郊机场风廓线雷达数据,对湍流耗散率ε进行了计算,针对满洲里典型天气条件下的湍流耗散率ε、折射率结构常数C^(2)_(n)、水平风速、垂直风速等进行了分析。得出了大气湍流耗散率ε的变化范围;湍流耗散率ε具有较为明显的时空分布特征;风廓线计算得到的湍流耗散率ε与机载QAR记录的数据结果一致性等结论,为风廓线雷达湍流探测应用提供了参考。

基于多源信息融合的气象无人机平台可靠性评估研究

针对气象无人机平台可靠性评估中现场试验数据样本小的特点,提出了将气象无人机平台各个分系统的试验数据折合为系统试验数据,然后融合可靠性历史数据以及可靠性仿真数据,对气象无人机平台的可靠性进行评估的方法。结果表明,该方法具有可行性,能够达到在不降低置信度的前提下减少定型试验次数、节省经费的目的。

基于多源卫星数据的云底高度反演算法在中国近海的应用研究

本文利用直减率反演云底高度的计算方法,联合星载主、被动探测资料开展了中国东海、南海上空暖云云底高度反演研究,同时对暖云的分布特征进行了统计。结果表明受大气层结稳定程度影响,夜间的反演效果优于白天。两种资料的云顶高度较一致时,反演效果好,该方法具有可行性。

多旋翼无人飞行器在气象业务中的应用

文章介绍了多旋翼无人飞行器在大气边界层科学研究、大气成分分析研究和人工影响天气作业等方面的应用情况,分析了平台、载荷、数据处理与应用场景等关键技术,为推动多旋翼无人飞行器在气象业务中的广泛应用提供参考。

雷达吸波涂层海洋大气环境适用性试验研究

目的分析一种雷达吸波隐身涂层在海洋大气自然环境下性能的变化规律。方法对12个月不同阶段涂层的常规物理性能和电性能进行检测,其中常规物理性能包括宏观形貌、金相形貌、微观性能、附着力、抗冲击强度和红外光谱。结果从宏观形貌看,涂层明度和色差值呈上升趋势,12个月明度增加1.22,色差值增加2.91,颜色向绿色和蓝色发展,失光率先增大、后减小,最大失光率为9个月时的34%。涂层附着力和试验时间呈现非线性关系,6个月时,附着力降低了18%,12个月时增大了24%。涂层在2~18GHz的频率范围内,吸波曲线大体呈“U”形,最低反射率随时间向低频方向偏移。涂层金相形貌、微观性能、抗冲击强度和红外光谱特征总体变化不明显。结论在1a内,自然海洋大气环境对雷达吸波隐身涂层常规物理性能和电性能产生了一定影响,但在试验时间相对较短情况下,海洋大气环境对涂层老化的影响作用尚未充分显示,需要结合更长周期的试验数据进一步分析。

汤加火山喷发SO_(2)全球传输扩散态势模拟研究

针对2022年1月汤加火山喷发SO_(2)全球扩散态势,采用拉格朗日粒子扩散模式(FLEXPART),基于卫星监测信息对SO_(2)源项进行评估和设计,在此基础上开展数值模拟(截至2022年2月20日).结果表明,火山喷发初期模式对SO_(2)南北扩散范围模拟偏窄,但随着时间演变与观测呈现逐渐吻合趋势;SO_(2)主体位于南半球,向西传输区域主要位于0~30°S纬度带,最大传输速度约22.5°/d,在研究时段跨赤道传输作用弱,对北半球和我国影响小;SO_(2)在西向传输过程中总体保持前高后低倾斜态势,传输最快高度和向上扩散最大高度分别位于27km和31km左右;截至2月20日,SO_(2)累积地面沉降已扩展至60°N以南全球大部分区域,主要区域位于0~50°S纬度带,沉降最强地区位于澳大利亚东部、汤加火山西北部和南美洲南部.研究结果可为汤加火山气候效应评估提供数据支撑和思路借鉴.