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土壤水分数据融合及其在旱涝灾害多维度评估中的应用

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农业工程学报 2024年第13期40卷 68-76页

作者：张蕾郭安红宋迎波何亮赵晓凤赵运成国家气象中心北京100081

获取高精度的土壤相对湿度对开展土壤墒情和旱涝精细化监测评估和预报预警有重要意义。该研究基于2020–2023年4–11月中国气象局陆面数据同化系统(China Meteorological Administration Land Data Assimilation System,CLDAS)逐日土壤... 详细信息

获取高精度的土壤相对湿度对开展土壤墒情和旱涝精细化监测评估和预报预警有重要意义。该研究基于2020–2023年4–11月中国气象局陆面数据同化系统(China Meteorological Administration Land Data Assimilation System,CLDAS)逐日土壤相对湿度、全国土壤水分自动站逐小时土壤相对湿度以及土地利用类型、土壤属性、地理信息等数据,采用随机森林和支持向量机模型构建土壤水分自动站观测和CLDAS反演的土壤相对湿度动态融合订正模型,基于融合的土壤相对湿度构建土壤旱涝强度-面积-时间多维度评估指数,开展多维度旱涝监测评估。结果表明:1)采用随机森林模型融合后,0~10、0~20、0~50 cm土壤相对湿度与观测的土壤相对湿度的决定系数分别为0.79、0.81、0.80,相对均方根误差分别为13.81%、11.40%、9.50%,优于支持向量机模型。2)全国土壤缺墒日数百分率呈东南至西北增加趋势,内蒙古中西部、西北地区大部普遍在70%、甚至80%以上,内蒙古东南部、华北中北部、西南地区中西部为50%~70%,中东部大部在40%以下;土壤过湿日数百分率呈东南至西北减小趋势,华南东部和南部、西南地区南部、东北地区东北部多数在50%以上。3)基于融合土壤相对湿度数据构建的土壤缺墒、土壤过湿、墒情指数以及旱涝面积、持续时间指数,明显提升了2022年长江流域高温干旱、2023年台风“杜苏芮”和“卡努”等典型灾害性天气过程动态评估的定量化、精细化水平。土壤湿度融合数据及其旱涝评估指数可有效助力旱涝灾害多维度精细化定量评估,为防灾减灾提供重要支撑。

关键词：模型土壤相对湿度旱涝指数随机森林支持向量机

新疆天山西部伊犁河流域不同海拔雪岭云杉生长衰退特征

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应用生态学报 2024年第5期35卷 1196-1204页

作者：张昕宇高露双刘可祥秦莉张瑞波韩新宇赵冰倩北京林业大学林学院北京100083 中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所/中国气象局树木年轮理化研究重点开放实验室/新疆树木年轮生态重点实验室乌鲁木齐830002

本文以新疆天山西部伊犁河流域优势树种雪岭云杉为对象,采用树轮指数(TRI)和生长变化百分率(GC)的方法研究不同海拔(1800、2300和2800 m)雪岭云杉的衰退特征,分析不同海拔雪岭云杉生长对干旱事件的响应差异,揭示该地区海拔对树木生长衰... 详细信息

本文以新疆天山西部伊犁河流域优势树种雪岭云杉为对象,采用树轮指数(TRI)和生长变化百分率(GC)的方法研究不同海拔(1800、2300和2800 m)雪岭云杉的衰退特征,分析不同海拔雪岭云杉生长对干旱事件的响应差异,揭示该地区海拔对树木生长衰退的影响。结果表明:低海拔(1800 m)雪岭云杉呈现多次衰退,但树轮指数法和生长变化百分率法判定的衰退时间存在差异。树轮指数表明,低海拔雪岭云杉在1927—1933、2007—2014年期间出现了2次的持续大规模衰退;生长变化百分率表明,低海拔雪岭云杉在1891—1893、1924—1926、1973—1975、2004—2009年期间出现了4次生长衰退。上一年生长季帕尔默干旱指数(PDSI)显著影响不同海拔雪岭云杉径向生长。随着海拔上升,当年生长季PDSI对雪岭云杉径向生长的作用呈现先显著增强再减弱的趋势。在极端干旱年份(1917年),雪岭云杉生长衰退程度随海拔增加呈现增强趋势,低海拔处(1800 m)树轮指数为0.65,比平均水平低35%,而中(2300 m)、高(2800 m)海拔则分别为0.56和0.54,显著低于平均水平40%。1917年的干旱事件对不同海拔雪岭云杉生长均存在2年的遗产效应,1920年树轮指数达到0.9以上,接近正常水平。海拔因素对干旱导致的森林衰退具有重要影响,分布在水热条件相对较差的低海拔处的树木生长更易受到干旱事件的抑制作用,进而引发了次数多、规模大的衰退事件。但在面对极端干旱时,水热条件较好的中、高海拔处的树木也会出现更大程度的衰退事件。

关键词：天山西部雪岭云杉生长衰退干旱事件海拔气候响应

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土壤冻融过程中的水热参数化方案研究进展

高原气象 2024年

作者：侯雅李伟平左金清中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室中国气象局地球系统数值预报中心中国气象局气候预测研究重点开放实验室/国家气候中心

冻土是陆地冰冻圈的重要组成部分，其冻融循环变化能够影响土壤结构、土壤水热传输以及土壤生物化学等过程，并通过陆-气相互作用影响局地甚至全球天气气候。因此，研究土壤冻融过程对冻土区人类生产生活和了解区域外天气气候变化具有... 详细信息

冻土是陆地冰冻圈的重要组成部分，其冻融循环变化能够影响土壤结构、土壤水热传输以及土壤生物化学等过程，并通过陆-气相互作用影响局地甚至全球天气气候。因此，研究土壤冻融过程对冻土区人类生产生活和了解区域外天气气候变化具有重要的科学意义。本文回顾了土壤中的砾石、有机质对土壤冻融过程的影响及物理机制，总结了土壤冻融过程中水热参数化的相关研究成果，包括土壤导热率和水力学参数的计算、水热耦合方案以及冻融锋面计算方案等。相对于普通的矿物质土粒而言，砾石具有高导热率和低热容，有机质具有低导热率和高热容，他们对热量在土壤中的传输及土壤温度垂直分布有不同的影响。另外，砾石和有机质的存在改变了土壤孔隙度、土壤基质毛细作用与吸附作用，进而影响水分在土壤中的传输过程和垂直分布。已有研究表明：（1）当前大部分数值模式中土壤导热率采用Johansen方案及其派生方案进行计算，其中Balland-Arp方案考虑了砾石和有机质对土壤导热率的影响，该方案更好地刻画了土壤冻融过程中土壤导热率变化的连续性；综合考虑热-水-变形相互作用的导热率参数化方案可以较好地刻画土壤冻融过程中的水热耦合和土体冻胀的作用，对相变过程中土壤导热率变化特征的模拟更符合实际观测。（2）过冷水参数化方案刻画了土壤液态水在0℃以下存在的事实；相变温度方案描述了土壤相变温度低于0℃且不固定的事实；导水阻抗方案考虑了土壤冻结对土壤水分下渗的阻抗作用，改善了对冻土区水文过程的模拟效果。（3）土壤冻融过程伴随着水分的相变和能量的转化，水热耦合方案的发展能够较好地刻画土壤中热力-水文过程的协同变化特征，细化了对冻融过程中水分和能量相互作用的复杂物理机制的描述。（4）等温框架的数值模式通过模拟每层土壤中间深度的冻融过程代表该模式分层的整体特征，导致对冻融深度的严重高估或低估，尤其是对厚度较大的模式深层土壤，冻融锋面计算方案的提出和应用减小了这种模拟偏差。目前土壤冻融参数化方案的不足之处包括：绝大多数数值模式没有考虑土壤盐分导致土壤水的冰点降低这一事实；虽然大部分数值模式考虑了土壤有机质对土壤水、热传输的影响，但是模式中对土壤有机质含量及垂直分布的考虑与植被根系的生长状态脱节；模式模拟的土壤深度不足并且下边界通量为零的假定不符合实际情况。发展土壤溶质传输参数化方案以模拟盐分的分布、刻画植被根系生长过程和土壤有机质的分布特征、考虑深层土壤对浅层的热力学影响并完善数值模式中的下边界条件，这些是未来陆面模式改进土壤冻融过程模拟的可能方向。

关键词：土壤冻融过程参数化方案土壤导热率土壤水文参数冻融锋水热耦合

环境湿度影响人工催化消减雨效果的数值模拟研究

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大气科学 2024年第2期48卷 572-584页

作者：花少烽查思佳陈宝君中国气象局云降水物理与人工影响天气重点开放实验室北京100081 中国气象局人工影响天气中心北京100081 上海市金山区气象局上海201508

利用耦合了碘化银催化过程的WRF(Weather Research and Forecast)模式,对2014年8月16日南京青奥会开幕式当天实施的人工催化作业开展数值模拟,评估催化效果并通过敏感性数值试验调查低空环境干层对催化效果的影响。结果表明,催化作业产... 详细信息

利用耦合了碘化银催化过程的WRF(Weather Research and Forecast)模式,对2014年8月16日南京青奥会开幕式当天实施的人工催化作业开展数值模拟,评估催化效果并通过敏感性数值试验调查低空环境干层对催化效果的影响。结果表明,催化作业产生了减雨效果,低空干区的存在是影响催化效果的关键。当低空存在深厚的相对湿度很小的干层时,催化导致减雨效果;当增加低层的相对湿度即弱化低空干层,催化减雨效果减弱甚至出现增雨效果。催化增强了雪的形成过程但减弱了雪的增长过程尤其是凝华增长,导致雪粒子浓度增加但粒径减小,融化产生更多的小雨滴增强了蒸发过程,最终导致地面降水减少。

关键词：人工消减雨碘化银催化环境干层雪融化雨蒸发

天津市气象因素和大气污染物对慢性阻塞性肺疾病就诊人次的影响及其交互效应

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中国慢性病预防与控制 2024年第5期32卷 358-363页

作者：刘博段丽瑶樊文雁蒋萍柳艳香天津市气象台天津300074 天津市环境气象中心环境气象预报科天津市第一中心医院呼吸科中国气象局公共气象服务中心公众服务室

目的探讨气象因素和大气污染物对慢性阻塞性肺疾病(COPD)就诊人次的影响及其交互作用,为开展健康气象预报与服务以及COPD的防治提供依据。方法COPD疾病数据来源于天津市某三甲医院2012年1月1日至2021年12月31日共10年的就诊数据。同期... 详细信息

目的探讨气象因素和大气污染物对慢性阻塞性肺疾病(COPD)就诊人次的影响及其交互作用,为开展健康气象预报与服务以及COPD的防治提供依据。方法COPD疾病数据来源于天津市某三甲医院2012年1月1日至2021年12月31日共10年的就诊数据。同期气象数据来自于天津市气象信息中心天津城市气候监测站2012至2021年逐日气象数据。大气环境资料来自于天津市生态环境监测中心。采用R 4.1.2软件应用广义相加模型分析气象因素和大气污染物对COPD就诊人次的影响及其交互作用。结果基于广义相加模型的单因素分析结果显示,24 h内平均气温下降幅度超过5.0℃时,每降低1℃,1 d后COPD日就诊人次增加3.98%;气温日较差大于13.2℃时,每升高1℃,3 d后COPD就诊人次增加1.44%;PM_(10)>233μg/m^(3)或PM_(2.5)>128μg/m^(3)或O_(3)>175μg/m^(3)时,每增加10μg/m^(3),5~7 d后COPD日就诊人次增加1.00%~2.53%。交互作用分析结果显示,冬季24 h内平均气温下降幅度超过5.0℃,PM_(10)浓度≥227μg/m^(3)时,PM_(10)浓度每升高10μg/m^(3),COPD日就诊人次增加27.39%(95%CI:0.50%~63.04%)或PM_(2.5)浓度≥147μg/m^(3)时,PM_(2.5)浓度每升高10μg/m^(3),COPD日就诊人次增加8.83%(95%CI:1.41%~20.24%)。春夏季气温日较差193μg/m^(3)时,O_(3)浓度每升高10μg/m^(3),COPD日就诊人次增加4.69%(95%CI:1.71%~7.65%)。结论24 h内平均气温下降幅度、气温日较差以及中度以上环境污染对COPD就诊人次有影响,且气象因素和大气污染物对其影响存在交互作用。

关键词：慢性阻塞性肺疾病气象因素大气污染物广义相加模型

气候变化和人类活动对云南省植被净初级生产力的影响

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高原气象 2024年第4期43卷 1064-1075页

作者：徐虹程晋昕何雨芩王玉尤婷张茂松云南省气候中心云南省大湄公河次区域气象灾害与气候资源重点实验室云南昆明650000

深入理解气候变化和人类活动对植被变化的驱动机制对于生态保护和可持续发展有重要的科学意义。本研究基于MOD17A3/NPP产品数据,采用线性趋势分析、Mann-Kendall显著性分析、Hurst指数和二阶偏相关分析,探讨云南省2001-2021年植被NPP的... 详细信息

深入理解气候变化和人类活动对植被变化的驱动机制对于生态保护和可持续发展有重要的科学意义。本研究基于MOD17A3/NPP产品数据,采用线性趋势分析、Mann-Kendall显著性分析、Hurst指数和二阶偏相关分析,探讨云南省2001-2021年植被NPP的时空分布特征和未来持续性以及植被NPP与气候条件的关系。采用偏导趋势残差法分离和量化气候变化和人类活动对植被NPP的影响。结果发现,空间上,2001-2021年云南植被NPP年均值南高北低。不同植被类型NPP值(单位:gC∙m^(-2))从大到小依次为:林地(1106.7 gC∙m^(-2))、灌木(964.4 gC∙m^(-2))、农田(946.6 gC∙m^(-2))和草地(878.8 gC∙m^(-2))。植被NPP随海拔上升先增后降。(2)在研究时段内,植被NPP年均值为1020.8±30.7 gC∙m^(-2),最小值和最大值分别出现在2010年(950.0)和2019年(1062.1)。植被NPP呈显著增加趋势,增加率为2.1 gC∙m^(-2)∙a^(-1)(p60%的面积占比分别为12.7%和73.4%。大部分地区人类活动对植被NPP的影响大于气候变化。云南植被改善主要受气候变化和人类活动的共同作用的影响,植被退化则主要受人类活动主导和两者共同作用的影响,生态保护、恢复工程对云南植被改善有着显著的促进作用。

关键词：云南气候变化人类活动植被净初级生产力

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MODE检验在天气预报中的应用研究进展

地球科学进展 2024年第2期39卷 193-206页

作者：潘留杰张宏芳刘嘉慧敏祁春娟梁绵马丹萌李培荣戴昌明高星星陕西省气象台陕西西安710014 秦岭和黄土高原生态气象环境重点实验室陕西西安710014 陕西省气象服务中心陕西西安710014

客观评价高分辨率中小尺度变量的预报表现是数值天气预报模式应用和发展的重要环节。传统点对点的检验在高分辨率数值预报模式评估中存在显著不足。空间面向对象或目标法MODE检验方法利用卷积函数和给定的阈值在预报和观测场中识别目标... 详细信息

客观评价高分辨率中小尺度变量的预报表现是数值天气预报模式应用和发展的重要环节。传统点对点的检验在高分辨率数值预报模式评估中存在显著不足。空间面向对象或目标法MODE检验方法利用卷积函数和给定的阈值在预报和观测场中识别目标对象、诊断模式的预报表现,在天气预报中有着广泛应用。首先系统回顾了MODE检验方法的学术思想、技术架构、算法流程和检验指标;详细归纳了MODE检验在降水预报、天气雷达、卫星云图、集合预报以及其他不同要素或物理量场中的典型应用,阐述了检验结果在数值模式预报质量评价中的意义和对天气预报结果主客观订正的影响;介绍了近年来MODE检验方法的更新发展,主要包括考虑不匹配目标对象属性的综合评价指数MCS,以椭球体为目标的三维时域空间对象追踪和MODE扩展的时域检验方法MODE-TD;最后总结和讨论了MODE检验方法的适用性、优势和不足,同时对MODE检验方法未来的发展方向和应用前景进行了展望。旨在为更好地应用MODE检验方法诊断数值模式的预报性能提供参考。

关键词：数值天气预报空间检验目标对象 MODE

东北地区生态系统服务空间分布及其驱动因子分析

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环境科学 2024年第9期45卷 5385-5394页

作者：王佳琪邢艳秋常晓晴杨红东北林业大学机电工程学院森林作业与环境研究中心哈尔滨150040

东北地区是我国重要的生态屏障,深入了解生态系统服务空间分布格局以及驱动因素,对实现生态系统服务后续的管理与保护至关重要.基于气象数据、遥感数据和社会经济数据等,采用InVEST、RWEQ和RUSLE模型定量评估了东北地区生态系统服务空... 详细信息

东北地区是我国重要的生态屏障,深入了解生态系统服务空间分布格局以及驱动因素,对实现生态系统服务后续的管理与保护至关重要.基于气象数据、遥感数据和社会经济数据等,采用InVEST、RWEQ和RUSLE模型定量评估了东北地区生态系统服务空间分布,利用地理探测器识别了生态系统服务空间分布的驱动因子.结果表明,东北地区生态系统服务空间分布存在明显的空间异质性,生境质量、固碳服务和土壤保持服务高值主要分布在内蒙古自治区东四盟北部、黑龙江省北部、吉林省东部和辽宁省东部,水源涵养服务和防风固沙服务高值则分别分布在东北地区东部和内蒙古自治区东四盟.根据地理探测器结果,生态系统服务的空间分布主要受到自然因子的影响,坡度对土壤保持服务的空间分布解释力最强,q值为0.31,土地利用类型对生境质量和固碳服务空间分布的解释力最强,q值分别为0.64和0.52,植被覆盖度和年降水量对防风固沙和水源涵养服务空间分布的解释力最强,q值分别为0.24和0.64,并且各驱动因子之间都存在交互作用.研究结果可为后续东北地区生态系统服务的管理和提升提供科学依据.

关键词：生态系统服务(ESs) 地理探测器 InVEST模型 RUSLE模型 RWEQ模型

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基于视频的天气现象识别及其应用研究

太阳能学报 2024年第8期45卷 441-447页

作者：刘冬韡史军俞玮王亚东郭巍杜明斌上海市生态气象和卫星遥感中心上海200030 上海市气象信息与技术支持中心上海200030

针对传统天气现象观测因采用专用设备导致布设和维护成本高、获取难的问题,提出一种利用广泛布设的视频实现对天气现象观测的方法。通过将因特网获取的16327张天气现象图片放入深度神经网络中训练,建立一个天气现象分类的预训练模型。... 详细信息

针对传统天气现象观测因采用专用设备导致布设和维护成本高、获取难的问题,提出一种利用广泛布设的视频实现对天气现象观测的方法。通过将因特网获取的16327张天气现象图片放入深度神经网络中训练,建立一个天气现象分类的预训练模型。在此基础上加入上海徐家汇和洋山港气象站2021年视频图像,对模型进行微调,开发基于站点视频的天气现象识别模型。利用2022年1—10月份的视频图像数据对模型进行检验,模型识别结果的F1评分分别为0.74和0.67,而人工识别结果分别为0.67和0.61,表明所建立的模型性能接近或优于人眼识别的效果。通过例举两个应用案例,证明该项技术具有较好的应用前景。

关键词：太阳能图像识别视频神经网络天气现象日照时数

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