FY-2C静止气象卫星资料对不透明云云顶气压的反演研究

采用红外窗区通道法尝试对FY-2C静止气象卫星图像上的不透明云的云顶气压进行反演,并结合MODIS反演产品和CloudSat/CPR雷达探测产品对反演结果进行对比分析。结果表明:(1)对于厚实密蔽的云层,不透明云云顶气压的反演结果与MODIS反演结果一致性较好,特别是对于发展较强的对流云和厚实密蔽的多层云,易满足云层比辐射率近似为1的条件,可近似看作黑体;(2)对于单层云和光学厚度不够厚的云层,反演结果更接近辐射中心,尤其是对于锋面云带暖水云上空覆盖卷云的情况,由于FY-2C对于薄卷云的检测不如MODIS细致,导致反演结果与MODIS和CloudSat存在一定偏差。

航空短期区域气候模式预测系统研究

基于国家气候中心的海气耦合业务预测系统CGCM_1.1的预测资料产品,集成并完善了一个单向嵌套的、中尺度海气耦合的区域气候模式ASRegCM,并以其为数值计算核心,建立了一套航空短期区域气候预测业务系统ASRCPOS。对1983～2002年(共20年)的回报试验结果显示,ASRCPOS业务预测水平较前期统计预测为主业务系统的预测水平有一定程度的提高。尤其是在对连续型变量地面气温的距平,以及对非连续型变量地面降水的距平量级预测能力方面,该动力业务系统预测能力较前期业务系统有所改善。回报结果同时显示,业务系统在异常天气气温的预测方面存在较大的改进空间,对月以下时间尺度预报的解释应用方面仍存在一定的局限。

MODIS多光谱云相态识别技术的应用研究

介绍了卫星多光谱云相态识别的基本原理,并给出了EOS/MODIS云相态识别的流程。针对简单和复杂云场,利用个例并结合无线电探空资料与MODIS三通道合成图肯定了多光谱云相态识别的合理性和实际效果。文中对几个特定天气系统(西南涡旋和西太平洋台风)下大面积云场相态分析的结果表明:多光谱云相态识别技术有一定应用价值,且需要引入可见光技术来减少红外谱段对多层云覆盖和薄卷云的相态分析误差。

CLM4．0模式对中国区域土壤湿度的数值模拟及评估研究

本文利用普林斯顿大学全球大气强迫场资料，驱动公用陆面过程模式（Community Land Model version 4．0，CLM4．O）模拟了中国区域1961-2010年土壤湿度的时空变化。将模拟结果与观测结果、美国国家环境预报中心再分析数据（Naional Centers for Environmental Prediction Reanalysis，NCEP）和高级微波扫描辐射计（Advanced Microwave Scanning Radiometer-EOS，AMSR-E）反演的土壤湿度进行了对比分析，结果表明CLM4．0模拟结果可以反映出中国区域观测土壤湿度的空间分布和时空变化特征，但东北、江淮和河套三个地区模拟值相对于观测值在各层次均系统性偏大。模拟与NCEP再分析土壤湿度的空间分布基本一致，与AMSR-E的反演值在35°N以北的分布也基本一致；从1961-2010年土壤湿度模拟结果分析得出，各层土壤湿度空间分布从西北向东南增加。低值区主要分布在新疆、青海、甘肃和内蒙古西部地区。东北平原、江淮地区和长江流域为高值区。土壤湿度数值总体上从浅层向深层增加。不同深度土壤湿度变化趋势基本相同。除新疆西部和东北部分地区外，土壤湿度在35°N以北以减少趋势为主，30°N以南的长江流域、华南及西南地区以增加为主。在全球气候变暖的背景下，CLM4．0模拟的夏季土壤湿度在不同程度上响应了降水的变化。中国典型干旱区和半干旱区土壤湿度减小，湿润区增加。其中湿润区土壤湿度对降水的响应最为显著，其次是半干旱区和干旱区。

“9608”号台风登陆北上引发北方特大暴雨的中尺度对流系统研究

利用NCEP再分析资料和常规观测资料,对1996年8月3—5日发生在河北和山西的特大暴雨过程进行了分析和模拟研究,并对模拟结果用部分特殊观测资料进行了证实。天气形势的分析表明,“96.8”暴雨过程中登陆减弱的台风低压并未出现“75.8”暴雨中的台风与中纬度西风槽发生相互作用,入侵的弱冷空气是由华北高压南侧的偏东风引导至台风倒槽外围,是属于比较少见的登陆台风北上受高压阻挡停滞类型;台风倒槽内发生发展的2个中尺度对流云团是造成此次暴雨的直接影响系统,对流层低层的偏南风低空急流对中尺度对流云团的发展具有重要作用;暴雨期间,低空急流不仅强度大,而且伸展高度也相对较高;伴随强对流系统的主要入流和出流气流分别有2支,其中对流层高层的高空中尺度急流中心主要由强出流气流形成。分析还表明太行山对对流系统的阻挡可能是导致强降水长时间维持在石家庄附近的原因之一。

集合数值天气预报的研究进展

集合预报是目前国外广泛应用的一种新的数值预报技术 ,国内由于计算条件的限制 ,集合预报的研究应用起步较晚 ,目前虽已取得了一些研究成果 ,但还没有广泛的应用到实际的业务预报之中。集合预报的应用 ,在天气预报上主要是概率预报 ,另外在“目标观测”、资料同化等方面也有广泛应用。集合概率预报的一系列适用的验证 ,增加了概率预报的信度。

湍流通量参数化方案的非迭代方法研究

基于Hgstrm(1996)和Beljaars et al.(1991)的研究工作,沿用Louis et al.(1982)和Launiainen(1995)的思路,本文采用多元回归分析方法,研发了一种采用非迭代方法的湍流通量参数化方案。该方案直接用整体理查森数、空气动力学粗糙度长度和热力学粗糙度长度对稳定度参数进行参数化,从而避免了通过循环迭代计算Monin-Obukhov长度。该方案不仅有效地节省了CPU计算时间,而且其计算结果与迭代方案(BHH方案)的计算结果非常接近。

一次由海岸锋引发山东半岛暴雪过程的研究

2005年12月3～21日山东半岛发生了持续性强降雪。对降雪期间持续最长一次降雪过程（12月11～15日）的发生、发展机制进行了分析,结果表明：降雪前后从东北到山东对流层中层分别有冷涡和横槽存在。此次过程中对流层低层有冷空气入侵,属于层云降雪。700 hPa低槽是降雪的主要触发机制。中尺度海岸锋形成并维持较长时间,与海岸锋环流相伴随的上升运动对于降雪的局地增强有重要作用。渤海洋面是降雪期间水汽的主要源地,冷锋后部的强偏北风有利于将渤海的水汽输送到山东半岛上空。另外,对此次山东半岛海岸锋暴雪天气与2008年初南方准静止锋雨雪、冰冻天气的特点作了比较。

江淮流域两次中尺度对流涡旋的结构特征研究

对2003、2007年江淮梅雨期的中尺度对流涡旋(MCV)进行了统计分析,结果表明我国梅雨锋上MCV活跃,这些MCV与强降水有关。2003、2007年江淮梅雨期有9个MCV发生,大多数的MCV发生在32°N～35°N之间的江苏境内。采用ARPS(Advanced Regional Prediction System)的资料分析系统(ADAS)和WRF模式模拟了2个MCV的发展过程,并使用数值模拟结果分析了它们的结构特征。MCV一般发生在强对流系统的北侧,其涡旋环流一般在600hPa以下,对应涡旋区域对流层高层为强辐散,涡度最强的中心在对流层中层,但正涡度区可伸展到300hPa。初始阶段MCV的中心为上升运动和中性层结,成熟阶段MCV的中心转为下沉运动,同时其南侧有新的对流发生。发展型和不发展型的MCV对比发现,涡旋对流层高层有涡度增加以及二次对流的潜热释放多,可能是发展型MCV维持时间较长的原因。此外,MCV发展过程中南侧急流的增强对MCV中对流的触发和维持有一定作用。

2004年冬季风期间一次强寒潮过程的能量收支研究1

利用1°(纬度)×1°(经度)的NCEP再分析资料和常规站点观测资料对2004年12月28～31日的一次强寒潮、冷涌过程作了研究,研究结果表明:(1)此次强寒潮事件在我国南海引发了强烈的冷涌,该支冷涌一直向南越过赤道影响南半球。大尺度环境场有利于此次寒潮、冷涌事件的爆发,本次寒潮属于"横槽转竖型",其中200hPa的西风带大槽经历了一次调整,500hPa经历了一次明显的横槽转竖过程,对流层低层蒙古高压稳定维持,其东侧的偏北大风是冷空气南下的有利条件。(2)此次寒潮大风区内的动能制造以正压动能制造和斜压动能制造为主,寒潮爆发初期,以正压制造过程为主,此后,由于有效位能释放的作用增强,斜压制造过程与正压制造强度相当,大风区随着动能制造的增强而增强;当斜压、正压动能制造均减弱,大风区亦随之减弱。(3)有效位能收支表明,整层有效位能的释放与大风区相对应,有效位能的释放有利于寒潮、冷涌的维持。寒潮大风区内,对流层高层受有效位能释放的影响最大,有效位能和风能可以互相转换;对流层中层所受的影响最小,且以风能向有效位能转换为主;对流层低层则以有效位能向动能转化为主,十分有利于低层风速的增大和维持。

南水北调大面积农业灌溉的区域气候效应研究

基于社会经济学模型对中国未来不同社会经济发展情景下土地利用变化的预测资料,利用区域气候模式RegCM3,重点研究了南水北调工程建成后,对中国北方13个省(区)范围内农田、农林混作区和草地等进行大面积灌溉所产生的区域气候效应。结果显示:大面积农业灌溉对中国区域气候影响明显,主要受灌区及其邻近地区土壤湿度、近地层空气湿度、总云量、潜热通量、降水量等均呈增加趋势,地表温度、感热通量及500 hPa位势高度将降低。灌溉后受灌区土壤湿度的增加,不仅使受灌区气候环境发生变化,还通过动量、热量及水汽交换对邻近地区气候产生影响。

沙尘期间大气颗粒PM_(10)与PM_(2.5)化学组分的浓度变化及来源研究

于2006年3月—4月北京沙尘发生期间,监测了沙尘与非沙尘期间悬浮颗粒PM10和PM2.5质量浓度,分析了样品中无机水溶性离子和金属元素。结果显示:沙尘天气导致PM10和PM2.5质量浓度上升,粗颗粒物质量浓度明显上升,细颗粒物受到的影响相对较小。SO42-、NO3-和NH4+为PM10与PM2.5主要水溶性离子。沙尘与非沙尘期间SO42-、NO3-和NH4+浓度变化表现出不稳定性,可能与沙尘的强度和持续时间、来源有关,沙尘下来自于土壤源Ca2+和Mg2+浓度都显然提高。沙尘期间Sc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Rb和Cs金属元素浓度高于非沙尘期间浓度,并且富集因子系数都小于10,说明主要来自于自然源,而Zn、Se、Cd、Pb和Bi这5种元素浓度随沙尘的侵入并没增加其含量,反而使浓度有所下降,富集因子和富集程度对比表明这些元素主要来自于当地污染源。

基于方位向多波束-多相位中心的星载SAR多维波形编码技术研究

通过方位向多波束与多相位中心结合,采用方位向-快时间二维波形编码发射技术获得了星载SAR系统高分辨-宽测绘带成像的优良性能.所提方案在发射端的方位向采用脉内扫描形成多个方位窄波束,以减小子多普勒带宽,距离向通过波束展宽获得宽测绘带;在接收端沿距离-方位向形成多个等效相位中心,通过俯仰DBF技术分离各子波束回波信号来抑制距离模糊,方位向通过谱重构方法解方位多普勒模糊,并通过多个子多普勒谱拼接获得方位高分辨.文中研究了本系统的主要系统参数典型设计及性能优势.仿真结果表明,该系统能有效的完成高分辨-宽测绘带任务,相对已有的其它星载SAR系统,系统性能优势明显,系统结构更加轻便灵活.

耦合模式在局地辐射雾三维数值模拟研究中的应用

本文利用中尺度数值模式MM5与三维辐射雾模式相耦合,分别对重庆和长沙地区的一次冬季辐射雾过程进行了模拟研究。结果表明,中尺度数值模式与三维辐射雾模式的单向耦合可以较好地模拟出雾的生消演变过程,以及雾的浓度、地理分布特征、形成和维持。由此可以说,利用耦合模式开展雾的预报是可行的。

云微物理参数的地基探测反演研究综述

云相态、云滴谱分布和云液态水含量作为重要的云微物理参数,对气候变化、天气变化、人工影响天气和飞行安全等很多方面都有着重要的影响。云微物理参数的研究已是国际气象学研究领域中的热点之一,而在国内这方面的研究较少。简要论述了地基方法在云微物理学研究的优越性,扼要总结了国内外地基探测技术的发展现状,重点概括了云相态、云滴谱和云液态水3个参数的地基反演算法,并予以评价,展望了未来发展趋势,为国内云微物理研究提供了参考与借鉴。

云分类中逐个修改聚类和模糊聚类分类性能的对比研究

利用卫星图像对各种云型进行识别在大气科学领域具有重要意义,为了深入了解云分类过程中逐个修改聚类和模糊聚类对各种云型的识别能力,采用极轨卫星EOS/MODIS图像资料和静止卫星GMS-5图像资料,在样本采集和特征提取的基础上,选择不同的光谱或纹理特征对两种分类器的分类性能进行测试和对比分析。结果发现,不管采用哪种图像资料,提取哪些特征量,逐个修改聚类的平均分类准确率总体上略高于模糊聚类。但就两种分类器对各种云型的识别能力而言,模糊聚类对低云和高云(如层云、薄卷云、密卷云、卷层云、积云)的分类准确率明显好于逐个修改聚类,而逐个修改聚类对积雨云的分类准确率稍高于模糊聚类。从各类别间混判的情形来看,积雨云和高中低混合云、低云之间及卷云子类之间混判的情形较多,模糊聚类与逐个修改聚类相比,混判的类别增多,相对比例减少。

凝结加热条件下垂直切变基本流中的混合波不稳定研究

在实际大气中凝结加热对中尺度系统的发展起着重要作用,通过数值计算方法研究了扰动的波谱和谱函数,重点讨论在凝结加热条件下扰动不稳定的性质及特征。研究结果表明:考虑凝结加热时,在相同垂直切变条件下,随着波长的减小,不稳定增长率增大,即加热放宽了不稳定出现的条件,且尺度越小的扰动,对不稳定的条件要求越低。当Nse2<0时,在大尺度和中α尺度波段,风切变有利于不稳定的发展,由风切变造成的动力学不稳定是主要的,而凝结加热造成的热力学不稳定处于次要地位;而在中β尺度波段,风切变则抑制不稳定发展,此时凝结加热造成的热力学不稳定处于主要地位。

冷镜式露点仪研究

从理论和实验两方面研究了对露点温度测量作用较大的几个影响参数。我们进行了几个冷镜式露点仪的实验测试,来研究镜面清洁、热力环境、流动速度、泄漏、压力变化、温度测量和光学探测对露点仪的影响作用。该研究集中在-40～0℃之间的露点温度。研究结果显示,当使用冷镜式露点仪作为参考标准或传递标准时,必须特别注意流动速度的作用,同时还发现,用来清洁镜面的棉花头是污染的主要来源。

HY-2卫星高度计波高资料在集合最优插值同化中的应用研究——以台风“Lipee”为例

基于海浪模式SWAN(Simulating Waves Nearshore),以台风"Lipee"为例,开展了集合最优插值(EnOI)同化HY-2卫星高度计有效波高(SWH)资料的台风浪数值预报影响研究。结果表明,利用HY-2卫星高度计波高资料结合EnOI方法进行同化,可有效改善海浪初始场质量,同化对绝对误差的改进可达15%,均方根误差改进14%。同化对预报误差、均方根误差都有一定程度的改进,其中在0~24h预报时效内的改进最为明显,绝对误差可改进12%,均方根误差改进13%。研究结果不仅可为海洋预报、同化提供参考,而且可为进一步加强HY-2卫星高度计资料的应用提供技术支持。

卫星资料在模式初值中的初步应用研究

运用物理初值化方法,将气象卫星资料引入模式初始场,使初始场向观测场逼近,试图改进由于初始资料不完善而造成的模式积分前期降水量偏少的现象。应用ARPS中尺度模式对天津地区的一次强降水天气过程进行了数值模拟对比试验,结果表明,加入卫星观测资料后,部分卫星观测为对流云区,水汽和云水物质的水平和垂直分布进行了较为明显的调整,模式的临近短时降水预报也有明显增强的趋势。可判断出模式的初始状况更接近观测实际,对提高中小尺度天气系统的短期和临近预报的准确率有积极作用。