摘要:

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摘要:陆地生态系统通过植被光合作用可以吸收约30％的人为碳排放,在全球碳循环、减缓大气二氧化碳浓度上升等方面具有重要作用。最近10年发展起来的日光诱导叶绿素荧光遥感技术,可以监测植被实际光合作用,为全球陆地生态系统碳循环的研究提供了新的思路和方法。本文回顾了叶绿素荧光遥感产品发展及其在陆地生态系统碳循环和陆气相互作用中的应用研究进展,特别是在全球植被总初级生产力估算和陆地生态系统碳循环模型发展方面的进展,并进一步讨论了该领域研究面临的挑战和未来的发展方向。

摘要:目前,集合预报已成为天气预报业务的主要支撑。然而,由于数值模式本身的限制与不完善以及集合系统存在初值扰动、集合大小等方面的局限,常存在预报偏差。不同预报模式通常具有不同的物理过程参数化方案、初始条件等,导致其预报能力各有不同。为此,如何纠正预报偏差以及如何充分有效地利用不同模式的预报信息以获得更加准确的天气预报广受关注。近年来,利用统计理论与预报诊断,基于多个集合预报系统的多模式集成预报技术得到快速发展,已成为有效消除预报偏差从而提高天气预报技巧的一种统计后处理方法。针对气温、降水和风3个最基本的地面气象要素,首先依据预报形式将应用范围较广的简单集合平均、消除偏差集合平均、超级集合、贝叶斯模式平均、集合模式输出统计等加权或等权平均多模式集成技术,分成确定性预报和概率预报两大类,并做系统介绍。最后,讨论使用和发展多模式集成技术需要关注的问题,包括考虑参与集成的模式个数、发展降水及风速分级预报模型和发展基于机器学习的多模式集成新技术。

摘要:依据政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告(AR6)第一工作组(WGI)报告第七章的内容,详细解读了气候反馈对温度空间模态的依赖性。与第五次评估报告(AR5)相比,AR6对于地表温度空间模态演变在驱动气候反馈变化中作用的理解已有了较大提升。AR6认为,在温室气体强迫下,北极在21世纪的增温幅度很可能大于全球平均水平,南极在百年时间尺度上的增温要强于热带地区;同时,在百年时间尺度上热带太平洋东部的变暖幅度大于西部,即热带太平洋东-西向海表温度梯度减弱。极地放大效应(尤其是南半球)和热带太平洋东-西向海表温度梯度随时间的变化是影响未来气候反馈如何演变的关键因素。随着地表增温空间模态的演变,气候反馈(尤其云反馈)预计将在未来几十年的时间尺度上逐渐增加,对气候变化更多是起放大作用。

摘要:长江流域是我国夏季高温热浪灾害的多发区之一,该地区日最高温度(T_max)具有显著的低频(10～30 d和30～60 d周期)变化特征,超前-滞后相关分析和气温方程诊断的结果显示,影响长江流域T_max低频变化的大尺度环流/对流信号包含:自欧亚大陆东移南下的低频波列,自东北亚向西南方向传播的异常环流,以及由西太平洋向东亚传播的低频对流;这些低频对流/环流活动通过改变辐射加热过程及绝热过程,导致长江流域T_max的低频变化。为了客观且有效地辨识和捕捉这些先兆信号,并考虑长江流域T_max与大尺度因子间的非线性作用,本文采用机器学习方法中的卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)对大量历史数据进行训练,并构建了长江流域T_max的延伸期预报模型。在独立预报阶段,CNN预报模型对长江流域区域平均T_max的预报时效达30 d,提前5～30 d预报的T_max与观测T_max的时间相关系数介于0.63～0.70(通过99％置信度的显著性检验),量级偏差(均方根误差)小于1个标准差,显示出CNN在延伸期灾害天气预报的应用潜力。

摘要:为了进一步提高RISE系统高分辨率网格化预报产品的准确率,同时考虑到深度学习近年来在地学领域的有效应用,采用2019—2021年高分辨率RISE系统数据,设计出卷积神经网络模型Rise-Unet,实现了未来4～12 h地面2 m温度、2 m相对湿度、10 m-U风速以及10 m-V风速预报结果的订正。订正试验结果表明,采用均方根误差和平均绝对误差作为评分标准,与RISE原始预报结果相比,基于Rise-Unet模型可以有效提高温湿风预报结果的准确率。该基于深度学习的Rise-Unet偏差订正技术可应用于RISE系统的后处理模块,对提升RISE系统百米级分辨率或其他高分辨率模式系统格点预报水平具有重要的科学意义和应用价值。

摘要:基于中国区域逐日降雪、降水、气温、相对湿度、气压和风速等观测数据,构建了中国区域的Logistic降雪判定方法,并对该方法和当前广泛应用的其他降雪判定方法在中国区域的适用性展开对比研究。结果表明,单温度阈值法和S曲线法对[-3,4] ℃气温区间内的降雪模拟不确定性相对较大。比较而言,Logistic拟合的系列方法成功率更高,对中国不同区域降雪识别也更为稳健,尤其是对青藏高原地区降雪事件的识别效果明显优于其他方法。在Logistic方法中,温度和相对湿度对降雪判定起决定作用,而气压和风速的影响相对较小。Logistic湿球温度方案(LogT_w)和气温+相对湿度方案(LogT_aH_R)均能很好地再现降雪量的空间分布和年际变化特征,且相应偏差均小于其他方法;总体上,这两种方案对降雪量识别效果差别不大。因此,可使用LogT_w方案或LogT_aH_R方案对中国区域降雪事件进行判别,尤其是对模式中降雪事件的识别。

摘要:基于风云三号(FY-3)气象卫星的积雪产品数据(snow cover),提出了基于经验模态分解的趋势提取方法,探讨了2010—2019年中国积雪时空动态变化趋势。结果表明:1)中国积雪覆盖频率(Snow Cover Frequency,SCF)具有显著的季节性特征,呈现先增加后减少的特点,每年2月、3月SCF达到当年最大;东北的SCF呈显著下降的年际变化趋势,其他地区变化不大。2)中国整体的积雪覆盖率(Snow Cover Rate,SCR)下降了约1.2％,内蒙古和西藏的SCR下降了约1.5％,其他地区的SCR变化不显著;主要积雪覆盖区的SCR均在2016年发生由增加到减少的转变。

摘要:利用1958—2014年47个CMIP6模式输出资料和NCEP/NCAR再分析资料,研究了模式大气中南北涛动(InterHemispheric Oscillation,IHO)的季节变化特征,且评估了CMIP6对IHO季节特征的模拟能力。结果表明:47个CMIP6模式都能模拟出IHO的季节演变特征,但模式间存在一定差异。通过比较,筛选出模拟IHO季节循环较好的16个模式,它们能成功模拟出半球大气质量的时间演变和空间结构。进一步分析表明,水汽对IHO季节变化有抵消作用且半球内部水汽质量变化可驱动越赤道质量流的产生;地表净短波辐射夏高冬低,其加热造成的水汽蒸发在水汽质量变化中起到重要作用;地表净长波辐射在春秋变化幅度较大,与大气质量逐月变化吻合。对比再分析资料表明,CMIP6模式模拟的半球大气质量的峰谷值变化有明显的月份偏差,且CMIP6模式模拟的地表气压异常值的偏差主要出现在北太平洋、欧亚大陆、南半球中纬度地区和两极极区,模拟的南北半球的蒸发和降水量、赤道风场、地表净长波和短波辐射通量等均存在明显的偏差。

摘要:依据一种基于建筑用地比例和土地利用信息熵的城乡站点划分方法,将西安市环境与气象站点划分为城区、郊区和两类乡村站,讨论其PM_2.5的城乡分布特征及与城市热岛效应强度(Urban Heat Island Intensity,UHII)间的相关关系。结果表明,不同季节西安市呈现不同的PM_2.5城乡分布特征和日变化特征,两类乡村站点PM_2.5差异明显且下风向乡村站点(乡村D)对应的UHII_D对城区和乡村的影响程度大于上风向乡村站点(乡村U)对应的UHII_U。在城区较多本地排放的影响下,乡村PM_2.5浓度与 UHII_U(或UHII_D)相关系数均大于城区。随着UHII_D的增加,城乡PM_2.5相对浓度差值(RUPII_D)整体呈下降趋势且UHII_D与RUPII_D在春夏秋季显著负相关。UHII_D增大,城区近地面PM_2.5的水平扩散能力减弱,但PM_2.5的垂直扩散能力较乡村更强,从而UHII_D通过影响PM_2.5的传输扩散特征,进一步影响西安市RUPII_D。

摘要:本文使用中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecasting Model)模拟了2010年7月8—9日发生在四川盆地的一次西南涡降水天气过程,并计算该过程中零度层以下对流云中的夹卷率。从云内垂直特征看:云内的含水量、垂直风速和浮力都在云底之上随高度递增,而在云顶附近随高度递减;云内的湿静力能则主要随高度递减;夹卷率在云底以上随高度递减,而在云顶附近随高度递增,但是云顶高度越高,在云顶附近的递增趋势越不明显。另外,夹卷率和云内的云水、雨水含量都呈负相关,说明夹卷抑制了对流云的发展以及地面降水。当假设被夹卷的环境空气来自云边界附近时,计算所得的夹卷率值要大于假设夹卷空气远离云边界所得值,但这两种假设中夹卷率的其他特征是类似的。从演变特征看,夹卷率总体上随时间减小,这和这段时间内对流云整体发展增高有关。

摘要:克拉玛依气象局研发了区域集合预报系统并已实现业务运行,该系统仅采用了集合变换卡尔曼滤波(ETKF)初值扰动,导致离散度发展受到限制,为改善区域集合预报的离散度,本文尝试在初值扰动基础上引入随机物理过程倾向(SPPT)模式扰动方案。通过开展SPPT方案关键参数的敏感性试验,确定了适用于本系统的参数设置,构建了初值-物理过程扰动方案(ETKF-SPPT),并与仅采用初值扰动的集合方案(ETKF)进行了对比。结果表明:ETKF初值扰动方法能够产生具有动力学结构的初值扰动,但是随着预报时效的延长,集合离散度增长很快达到饱和,并在侧边界约束下逐渐减小;ETKF初值扰动结合SPPT模式扰动可使集合离散度在各个预报时效均保持增长状态;集合预报检验结果表明,仅采用ETKF初值扰动的集合预报概率分布可靠性较低,概率预报准确性也较差;ETKF-SPPT方法可获得更好的概率预报结果,可靠性更好,均方根误差更低。对克拉玛依城区一次大风预报个例表明,ETKF方案对大风起风时间和量级把握较差,而ETKF-SPPT可以增加集合离散度,起风时间和风速预报更准确。综合而言,增加SPPT扰动可以有效改善克拉玛依区域集合预报系统的预报技巧。

摘要:利用数值模式WRF进行二维飑线理想数值试验。通过改变初始场低层湿度和低层环境垂直风切变探讨了初始环境场对飑线在触发阶段与发展初期结构和强度的影响。低层湿度试验表明,增加低层湿度有利于初始启动阶段对流的发生从而使对流系统强度更强;飑线强度增加,对流上升运动增强,更有利于冷池前沿激发出新生对流单体,系统发展更快;同时激发更多降水,冷池强度增强。低层环境垂直风切变试验表明,在飑线触发阶段,更强的环境垂直风切变使对流主体前倾趋势更大,对对流的触发有阻碍作用;冷池和环境垂直风切变的相互作用被认为是飑线发展的重要机制,基于RKW理论,在飑线发展初期,近地面冷池相对较弱,在更弱的环境垂直风切变作用下更容易使对流结构呈直立状态从而产生更强和更深的上升运动,飑线强度增强。

摘要:为探讨黄海海洋涡旋的三维结构特征、能量输送与转换及影响机制,对黄海海域典型台风海洋气旋与近海海湾反气旋式涡旋个例进行数值模拟和时空诊断分析。采用FVCOM(Finite Volume Community Ocean Model)区域海洋数值模式精细化描述台风海洋涡旋与近海海洋中小尺度涡旋系统。对涡旋能量传输特征模拟显示,气旋式和反气旋式海洋涡旋中,非对称强流区动能能量下传比涡旋中心部位的强度更强,维持时间更长,下传深度更深。反气旋式海洋涡旋因Ekman流动形成的向中心辐合作用,造成此类差异更显著。气旋涡的动能主要来源于台风的近海面风应力动能和海洋涡旋有效位能的转换,反气旋涡旋区域风动力偏弱,其动能强度维持在低位,其涡旋增强伴随着有效位能的增加。环境因子影响机制从风浪,底摩擦和地形三方面讨论。结果显示:耦合波浪模块后,台风强风应力和风浪的综合作用扩大台风海洋涡旋尺度,并增强涡旋环流强度,同时对相邻的反气旋涡有压缩和减弱作用。风浪效应对台风海洋涡旋有正贡献。强台风过程表层环流响应台风应力而浅水地形和底摩擦强烈影响涡旋下层,造成台风海洋涡旋结构在垂直方向上偏移,并影响到下层环流速度减小,流向与表层相反。在海洋气旋涡和反气旋涡的显著辐散区,其混合层下方有温盐要素的涌升对应,辐合区有温盐要素的下沉对应;同时海底地形的升降也造成温盐强迫上升与下降,其强度与地形起伏尺度成正比,较环流系统作用更强。