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运用成壤碳酸盐叁氧同位素重建古湿度的原理

高校地质学报 2024年第3期30卷 241-252页

作者：达佳伟德州大学奥斯汀分校地球与行星科学系奥斯汀

成壤过程中形成的次生碳酸盐(成壤碳酸盐)是古气候研究中的重要材料,在过去研究中被广泛用来重建大气CO_(2)浓度、古植被(C_(3)、C_(4)植被)、古高程、降雨量和温度的演化。然而,和绝大部分其它古气候指标一样,成壤碳酸盐指标(稳定碳氧... 详细信息

成壤过程中形成的次生碳酸盐(成壤碳酸盐)是古气候研究中的重要材料,在过去研究中被广泛用来重建大气CO_(2)浓度、古植被(C_(3)、C_(4)植被)、古高程、降雨量和温度的演化。然而,和绝大部分其它古气候指标一样,成壤碳酸盐指标(稳定碳氧同位素、微量元素等)也受到多个气候因子的控制而具有多解性,因此需结合多个指标耦合分析才能获取可靠的古环境信息。随着近年来同位素测试手段的发展,在传统^(18)O/^(16)O的基础上,叁氧同位素(^(17)O/^(16)O)测试越来越多地被应用于古气候领域。成壤碳酸盐继承了土壤水的氧同位素信号,可以重建土壤水的^(17)O异常。土壤水的Δ′^(17)O主要受控于土壤水的蒸发过程,可反映空气湿度的变化。文章详细介绍了成壤碳酸盐叁氧同位素的理论基础,结合现有的土壤水叁氧同位素模型,定量探讨了各个气候因子对成壤碳酸盐叁氧同位素的影响。

关键词：叁氧同位素成壤碳酸盐古气候古湿度

非静力地形重力波参数化方案对气候模式大气环流模拟的影响

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地球物理学报 2024年第9期67卷 3277-3289页

作者：张蓉蓉季玉枝徐昕路屹雄王元南京大学大气科学学院中尺度灾害性天气教育部重点实验室南京210023 中国气象局地球系统数值预报中心北京100081

本文通过在中国气象局BCC-AGCM3-MR(middle-atmosphere version of Beijing Climate Center Atmospheric General Circulation Model version 3)数值模式中引入非静力地形重力波参数化方案,研究非静力效应对次网格地形重力波垂直动量传输及大气环流的影响.本研究开展了两组次网格地形重力波参数化方案试验,分别采用原有的静力地形重力波参数化方案以及考虑非静力效应的新方案.结果表明,在南半球冬季,新方案相比原方案在南极地区将更多的地形重力波动量通量上传至平流层高层,产生更强的地形重力波拖曳.地形重力波拖曳经向梯度的增强导致更强的绝热下沉增温,从而减弱南极极涡的冷偏差和西风偏差.此外,南半球中高纬地区的行星Rossby波上传也增强,同样有利于极涡西风偏差的减少.在两者共同作用下,有效缓解了模式中的南极极涡破碎延迟问题.在北半球冬季,新方案对大尺度环流的整体影响并不显著,但是能够显著改善青藏高原复杂地形区的东风偏差.

关键词：地形重力波参数化极涡青藏高原数值模式

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ATOVS卫星资料同化对三江源暴雨预报影响的试验研究

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大气科学学报 2024年第3期47卷 460-475页

作者：钟浩斌王磊李谢辉陈旭梁周彤成都信息工程大学大气科学学院四川成都610225 高原大气与环境四川省重点实验室四川成都610225 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室北京100029

选取3个三江源的典型降水个例(2018年6月30日、7月5日、8月24日),利用NCEP FNL再分析数据,并加入ATOVS湿度探测器MHS资料同化,基于WRF模式及其三维变分同化系统对三江源区域3次降水过程进行循环同化试验,分析3次事件的模拟状况,并定量... 详细信息

选取3个三江源的典型降水个例(2018年6月30日、7月5日、8月24日),利用NCEP FNL再分析数据,并加入ATOVS湿度探测器MHS资料同化,基于WRF模式及其三维变分同化系统对三江源区域3次降水过程进行循环同化试验,分析3次事件的模拟状况,并定量分析降水结果。结果表明,3次降水事件在加入MHS资料同化后,1)模拟的水汽增大,在中层体现最明显且更符合实际情况,高空水汽和风模拟较好,地面温度预报欠佳;2)MHS资料对降水预报的影响主要体现在降水区面积和降水量的增大,提高了降水预报水平,但也带来较多空报区域;3)从TS、ETS、POD评分结果来看,有两个降水试验的提升较为明显,其中“0630”试验TS评分结果在0.5~10 mm之间提升了0.05~0.1,ETS在5 mm提升超过0.08,在10~20 mm之间也有少量提升,POD检验在0.5~20 mm之间均有提升,在0.5~10 mm之间提升最为明显,提升了0.1~0.25,“0824”试验TS与ETS在10~20 mm之间提升超过0.1,POD检验在6~20 mm之间提升了0.1~0.4,同化后降水预报有所改善,且在大阈值降水尤为明显;4)MHS资料同化对“0705”试验降水预报改善不明显,说明同化并不是每次都能给结果带来正效应,因此在使用MHS资料时不能过于信赖它,但总体上,同化MHS资料能够提升预报质量。

关键词：三江源降水 WRF模式资料同化微波辐射数据

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甲烷柱浓度红外高光谱遥感反演与验证

遥感学报 2024年第8期28卷 1968-1985页

作者：周敏强倪启晨王佳欣蔡兆男南卫东王普才中国科学院大气物理研究所碳中和研究中心北京100029 中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049 中国科学院大气物理研究所香河大气综合观测试验站廊坊065400

甲烷(CH_(4))浓度变化是当前气候变化研究中的一个焦点问题。红外高光谱遥感技术已经成为探测大气CH_(4)浓度变化的重要技术手段。本文针对红外高光谱CH_(4)地基遥感反演技术,介绍了国际上重要的观测网络,包括TCCON(Total Carbon Column... 详细信息

甲烷(CH_(4))浓度变化是当前气候变化研究中的一个焦点问题。红外高光谱遥感技术已经成为探测大气CH_(4)浓度变化的重要技术手段。本文针对红外高光谱CH_(4)地基遥感反演技术,介绍了国际上重要的观测网络,包括TCCON(Total Carbon Column Observing Network),NDACC-IRWG(Network for the Detection of Atmospheric Composition Change-the Infrared Working Group)和COCCON(COllaborative Carbon Column Observing Network),讨论了这些观测网络的主要特点,包括观测仪器、波段设置、反演算法、产品特性等。针对红外高光谱CH_(4)浓度卫星遥感反演,概述了国际上的CH_(4)卫星遥感发展现状。同时,以日本GOSAT(Greenhouse gases Observing SATellite)卫星为例,探讨了卫星CH_(4)遥感地基验证工作中的关键技术,阐明了地基遥感对于卫星CH_(4)遥感产品改进的重要性。最后,利用TCCON香河站的观测资料,对最新版的TROPOMI(TROPOspheric Monitoring Instrument)卫星CH_(4)观测反演数据产品进行了地基验证,表明在华北地区TROPOMI CH_(4)柱浓度产品达到了其观测精度目标设定要求;TROPOMI观测得到的CH_(4)柱浓度年增长率要略高于TCCON的观测结果,两者相差0.263±0.172%/a;地基与卫星的差值具有季节变化特征,春季卫星的观测值大于TCCON观测值约0.3%,秋季卫星的观测值小于TCCON观测值约0.2%。

关键词：遥感甲烷柱浓度地基傅里叶光谱卫星验证 TROPOMI

耦合条件非线性最优扰动及其在ENSO集合预报研究中的应用

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中国科学：地球科学 2024年第3期54卷 845-861页

作者：段晚锁胡蕾冯蓉中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室北京100029 中国科学院大学北京100049

考虑到目前集合预报初始扰动方法未能充分刻画地球系统不同圈层相互作用影响的局限性,本研究提出了能够考虑多圈层耦合初始不确定性的耦合条件非线性最优扰动(C-CNOP)方法.将C-CNOP方法应用于热带太平洋典型的海气耦合现象厄尔尼诺-南... 详细信息

考虑到目前集合预报初始扰动方法未能充分刻画地球系统不同圈层相互作用影响的局限性,本研究提出了能够考虑多圈层耦合初始不确定性的耦合条件非线性最优扰动(C-CNOP)方法.将C-CNOP方法应用于热带太平洋典型的海气耦合现象厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)事件的集合预报研究,表明了C-CNOP方法能够产生ENSO集合预报的更恰当考虑海气耦合不确定性的快速增长初始扰动(CPs);从Nino3.4海表温度距平(SSTA)时间变率的预报和ENSO成熟位相SSTA空间变率的预报两方面,揭示了CPs能够有效促进ENSO集合平均预报的水平,尤其从春、夏季开始的预报,即使该季节热带太平洋海气耦合强度最弱, CPs也能够捕捉到该弱海气耦合信息的不确定性,从而大大抑制了ENSO预报误差在该季节由于最强海气耦合不稳定性导致的快速增长,有效延长了ENSO的预报时效.因此, C-CNOP方法是一个能够产生集合预报的更充分考虑初始耦合不确定性的初始扰动的方法,期望未来在继续研究的基础上,使C-CNOP在地球气候系统预测中发挥重要作用.

关键词：集合预报多圈层相互作用初始扰动 ENSO

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人工智能大模型为精准天气预报带来新突破

科学通报 2024年

作者：张峰黄小猛穆穆秦博李佳皓上海市海陆气界面过程与气候变化重点实验室复旦大学大气与海洋科学系/大气科学研究院复旦大学极地海-冰-气系统与天气气候教育部重点实验室清华大学地球系统科学系地球系统数值模拟教育部重点实验室

天气预报不仅是国际科学前沿领域,也具有巨大的经济与社会价值.目前的数值天气预报(numerical weather prediction, NWP)范式可以追溯到20世纪50年代,通过求解描述大气运动的偏微分方程来推断未来大气状态,且针对未来几天的预报往往需...

天气预报不仅是国际科学前沿领域,也具有巨大的经济与社会价值.目前的数值天气预报(numerical weather prediction, NWP)范式可以追溯到20世纪50年代,通过求解描述大气运动的偏微分方程来推断未来大气状态,且针对未来几天的预报往往需要花费超级计算机的数百个核时.欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)的综合预报系统(Integrated Forecasting System, IFS)技巧在众多国家或机构的业务预报模式中脱颖而出,引领了NWP发展的风向标.世界气象组织将数值天气预报革命评价为20世纪最重要的科学、技术和社会进步之一.

关键词：

基于烟雾箱模拟的异戊二烯夜间臭氧化反应的研究

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中国环境科学 2024年

作者：谈琰张玉佳刘晓刘亭马子轸张华伟李顺诚青岛理工大学环境与市政工程学院香港科技大学(广州)功能枢纽地球与海洋大气科学学域

通过烟雾箱系统模拟研究了异戊二烯夜间臭氧化反应过程.利用质子转移反应飞行时间质谱仪（PTR-TOF-MS）实时检测异戊二烯-臭氧反应体系中气相产物浓度随反应时间的变化;利用扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪（SMPS）实时监测二次有机气溶胶（... 详细信息

通过烟雾箱系统模拟研究了异戊二烯夜间臭氧化反应过程.利用质子转移反应飞行时间质谱仪（PTR-TOF-MS）实时检测异戊二烯-臭氧反应体系中气相产物浓度随反应时间的变化;利用扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪（SMPS）实时监测二次有机气溶胶（SOA）的产生过程.实验表明，在反应温度298 K ± 1 K，相对湿度30%的条件下，异戊二烯被臭氧消耗并随之产生SOA，在反应约4 h时SOA达到浓度峰值3.14 μg/m3.异戊二烯夜间臭氧化反应的主要气相产物为C1～C4的含氧挥发性有机物（OVOCs），包括:甲醛（HCHO）、甲酸(CH2O2)、乙酸(C2H4O2)、丙酮(C3H6O)、丙酸(C3H6O2)、甲基丙烯醛（MACR）、甲基乙烯基酮（MVK）和甲基丙烯酸(C4H6O2)等，且产率随着臭氧与异戊二烯比值的变化而变化. HCHO和MACR + MVK在所有反应产物中产率最高，在臭氧与异戊二烯比值为0.5～6.8时，产率范围分别为17.0%～35.6%和59.3%～89.5%. NO2对HCHO和MACR + MVK的生成有较为明显的抑制作用，其它的OVOCs随NO2浓度的增加表现出较为温和的负相关.实验结果表明，异戊二烯夜间氧化反应对OVOCs和SOA具有重要贡献.

关键词：异戊二烯臭氧烟雾箱氧化产物

平流层NAM事件中阻塞高压发生及其调制地面温度异常型的统计特征

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大气科学 2024年第3期48卷 875-892页

作者：李亚飞任荣彩虞越越 CAI Ming 天津市气象灾害防御技术中心天津300074 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室北京100029 南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心/大气科学学院南京210044 美国佛罗里达州立大学地球、海洋和大气科学学院美国塔拉哈西32304

本文利用1979~2020年ERA5逐日再分析数据,分析了在平流层北半球环状模(NAM)正负事件中,阻塞高压(简称阻高)发生及其调制地面温度异常型的统计特征。结果表明,北半球的四个阻高系统分别趋于在NAM事件的不同阶段发生,其中格陵兰阻高(GB)... 详细信息

本文利用1979~2020年ERA5逐日再分析数据,分析了在平流层北半球环状模(NAM)正负事件中,阻塞高压(简称阻高)发生及其调制地面温度异常型的统计特征。结果表明,北半球的四个阻高系统分别趋于在NAM事件的不同阶段发生,其中格陵兰阻高(GB)和北太平洋阻高(NPB)更趋于出现在正NAM事件的发展阶段和负NAM事件的衰减阶段,乌拉尔山阻高(UB)多出现在正NAM事件的衰减阶段和负NAM事件的发展阶段,而大西洋–欧洲阻高(AEB)则多发生在正、负NAM事件的衰减阶段。尽管NAM事件过程中有阻高发生的天数远少于无阻高发生的天数,但阻高的存在对平流层NAM影响下的地面温度异常空间型有显著的调制作用,特别是在正NAM事件中,GB的出现可导致欧亚大陆从整体偏暖或北暖—南冷型变为北冷—南暖型,同时导致北美大陆从整体偏冷或北冷—南暖型变为北暖—南冷型;此外在负NAM事件衰减阶段出现的UB,不仅可导致欧亚大陆的北冷—南暖型反转为北暖—南冷型,亦可使北美大陆由北暖—南冷型转为南暖—北冷型。相比之下,AEB和NPB两阻高发生时地面温度异常型多由平流层NAM的影响所主导,即阻高的调制作用并不显著。在NAM影响以及各阻高的协同作用下,从正NAM事件峰值至负NAM事件发展阶段,整个中纬度地区欧亚大陆偏冷、北美偏暖;从负NAM事件衰减阶段至正NAM事件的初始阶段则相反;两大陆地区的温度异常多呈中—高纬南北反位相变化特征。本文进一步通过蒙特卡洛随机取样检验,证实了上述关于阻高调制地面温度异常型的结论。

关键词：平流层北半球环状模阻塞高压地面温度异常调制

北京夏季一次深对流过程对不同溶解度气体垂直输送的模拟

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气候与环境研究 2024年第4期29卷 465-477页

作者：吴敏凡卞建春雒佳丽王辉李丹王澜白志宣兰州大学大气科学学院兰州730000 中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测重点实验室北京100029 中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049 北京市气象探测中心北京100089

利用中尺度大气化学模式WRF-Chem,对2012年7月21日北京及其周边地区一次深对流过程中大气成分垂直输送过程进行了模拟,量化深对流系统对大气中不同溶解度气体成分再分布的贡献。将本次模拟个例与微波临边观测仪(Microwave Limb Sounder,... 详细信息

利用中尺度大气化学模式WRF-Chem,对2012年7月21日北京及其周边地区一次深对流过程中大气成分垂直输送过程进行了模拟,量化深对流系统对大气中不同溶解度气体成分再分布的贡献。将本次模拟个例与微波临边观测仪(Microwave Limb Sounder,MLS)卫星数据的对比发现,数值模拟可以较好地再现深对流天气过程中大气成分CO和O_(3)的分布特征。在本次模拟个例中,从CO、O_(3)、SO_(2)和NH_(3)等不同溶解度气体体积浓度随时间和高度的变化特征发现:深对流可以将不同溶解度的气体输送到对流层上层,甚至进入到平流层下层;在对流层上层,不易溶的CO(O_(3)),其体体积浓度由对流发生前期的70 ppb(1 ppb=10^(-9))(220 ppb)增加(降低)到对流最强盛期的111 ppb(102 ppb),增加(降低)的百分比为58.6%(53.6%);而易溶的SO_(2)和NH_(3),在对流层上层,其体积浓度分别由对流前期的0.036 ppb和0.011 ppb增加到对流最强盛期的0.4 ppb和0.15 ppb,增加的百分比为1011.1%和1263.6%。

关键词：大气成分气体溶解度深对流垂直输送