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利用长短期记忆网络LSTM对赤道太平洋海表面温度短期预报

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大气科学 2024年第2期48卷 745-754页

作者：张桃林鹏飞刘海龙郑伟鹏王鹏飞徐天亮李逸文刘娟陈铖中国科学院大气物理研究所大气科学与地球物理流体动力学数值模拟国家重点实验室北京100029 中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049 哈尔滨工业大学电子与信息工程学院哈尔滨150001 北京应用气象研究所北京100029 西北工业大学航海学院西安710072

海表面温度作为海洋中一个最重要的变量,对全球气候、海洋生态等有很大的影响,因此十分有必要对海表面温度(SST)进行预报。深度学习具备高效的数据处理能力,但目前利用深度学习对整个赤道太平洋的SST短期预报及预报技巧的研究仍较少。... 详细信息

海表面温度作为海洋中一个最重要的变量,对全球气候、海洋生态等有很大的影响,因此十分有必要对海表面温度(SST)进行预报。深度学习具备高效的数据处理能力,但目前利用深度学习对整个赤道太平洋的SST短期预报及预报技巧的研究仍较少。本文基于最优插值海表面温度(OISST)的日平均SST数据,利用长短期记忆(LSTM)网络构建了未来10天赤道太平洋(10°S~10°N,120°E~80°W)SST的逐日预报模型。LSTM预报模型利用1982~2010年的观测数据进行训练,2011~2020年的观测数据作为初值进行预报和检验评估。结果表明:赤道太平洋东部地区预报均方根误差(RMSE)大于中、西部,东部预报第1天RMSE为0.6℃左右,而中、西部均小于0.3℃。在不同的年际变化位相,预报RMSE在拉尼娜出现时期最大,正常年份次之,厄尔尼诺时期最小,RMSE在拉尼娜时期比在厄尔尼诺时期可达20%。预报偏差整体表现为东正、西负。相关预报技巧上,中部最好,可预报天数基本为10天以上,赤道冷舌附近可预报天数为4~7天,赤道西边部分地区可预报天数为3天。预报模型在赤道太平洋东部地区各月份预报技巧普遍低于西部地区,相比较而言各区域10、11月份预报技巧最低。总的来说,基于LSTM构建的SST预报模型能很好地捕捉到SST在时序上的演变特征,在不同案例中预报表现良好。同时该预报模型依靠数据驱动,能迅速且较好地预报未来10天以内的日平均SST的短期变化。

关键词：海表面温度 LSTM (long short-term memory) 短期预报赤道太平洋

2016年冬季四川盆地一次重度灰霾事件形成机制研究

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高原气象 2024年第3期43卷 775-789页

作者：任鑫冰杨显玉文军王式功成都信息工程大学大气科学学院/高原大气与环境四川省重点实验室四川成都610225 成都平原城市气象与环境四川省野外科学观测研究站四川成都610225 中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室北京100029 中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049

深入理解重度灰霾污染事件的形成和演化机制对于区域尺度空气质量的管控以及霾污染防治政策的制定具有重要的意义。本文应用中尺度气象模式WRF和区域空气质量模型CMAQ,结合实际观测数据,研究了2016年12月23日至2017年1月7日发生在四川... 详细信息

深入理解重度灰霾污染事件的形成和演化机制对于区域尺度空气质量的管控以及霾污染防治政策的制定具有重要的意义。本文应用中尺度气象模式WRF和区域空气质量模型CMAQ,结合实际观测数据,研究了2016年12月23日至2017年1月7日发生在四川盆地成都地区的一次重度灰霾事件。主要分析了在此污染期间气象要素场的时间变化,PM_(2.5)浓度和通风系数的时空变化,量化了各个物理化学过程对PM_(2.5)的相对贡献以及污染源区的分布,以研究此次重污染霾事件的形成和演化机制。研究表明:(1)霾事件期间低温和低风速的环境条件为污染物的积累创造了有利条件。(2)盆地北侧的偏北气流和南侧的偏西南气流以及较低的通风系数(大气的湍流扩散能力弱)是污染物积累的主要原因,成都地区PM_(2.5)浓度在东北气流的作用下达到峰值。污染物的消散主要是因为偏北气流的加强和较高的通风系数(大气的湍流扩散能力强)。(3)此次霾事件中气溶胶过程和排放源的正贡献加强,PM_(2.5)的增加主要在夜间(平流过程和扩散过程的负贡献减弱)且增加幅度更大,使得PM_(2.5)总体上逐渐增加。(4)PSCF和CWT分析表明,在此次霾事件期间,致使成都地区PM_(2.5)浓度升高的主要气流为其东北方向和西南方向的气流,潜在的污染源区在总体上呈东北-西南向的分布状态。

关键词：霾事件 CMAQ PM_(2.5) 成都四川盆地

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南京城市下垫面对夏季暴雨云团特征的影响

水科学进展 2024年第3期35卷 453-462页

作者：沈烨张晶寒袁慧玲杨龙南京大学地理与海洋科学学院江苏南京210023 南京大学关键地球物质循环前沿科学中心江苏南京210023 南京大学中尺度灾害性天气教育部重点实验室江苏南京210023 南京大学大气科学学院江苏南京210023

为了理解城市下垫面对降雨的影响机制,选取南京地区2次不同天气背景的降雨过程,利用中尺度气象模式和暴雨云团追踪算法开展数值试验,揭示城市下垫面对暴雨云团形态、结构和演进特征的影响机制。结果表明:当天气强迫较弱时,城市热岛效应... 详细信息

为了理解城市下垫面对降雨的影响机制,选取南京地区2次不同天气背景的降雨过程,利用中尺度气象模式和暴雨云团追踪算法开展数值试验,揭示城市下垫面对暴雨云团形态、结构和演进特征的影响机制。结果表明:当天气强迫较弱时,城市热岛效应增强大气边界层对流活动,暴雨云团进入城市后快速坍塌,云团数量减少,空间覆盖增大,降雨在城区增加;当天气强迫较强时,城市冠层影响暴雨云团特征,城市地区出现大量面积小、移动缓慢且空间结构“尖瘦”的暴雨云团,降雨在城区和城市下风向增加。城市下垫面对暴雨云团特征的影响与降雨前期天气强迫有关,更新了城市对降雨影响机制的传统认识,为城市地区暴雨临近预报和设计暴雨方法提供了科学支撑。

关键词：暴雨云团城市洪涝降雨下垫面数值模拟

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火星全大气模式与沙尘活动模拟研究:回顾与展望

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科学通报 2024年第8期69卷 1058-1067页

作者：周旭魏勇吴兆朋任志鹏谭宁范斯腾何飞戎昭金闫丽梅王誉棋范开高佳维中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院地球与行星物理重点实验室北京100029 中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049 中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院新生代地质与环境重点实验室北京100029 南方科技大学地球与空间科学系深圳518055

基于火星全大气模式的数值模拟研究有助于深入理解火星陆面-大气-空间环境多圈层相互耦合过程,是当今国际研究热点.模式对整个火星大气区域气象要素的描述亦可作为保障火星探测活动顺利开展的重要参考依据.沙尘活动显著影响着火星气候... 详细信息

基于火星全大气模式的数值模拟研究有助于深入理解火星陆面-大气-空间环境多圈层相互耦合过程,是当今国际研究热点.模式对整个火星大气区域气象要素的描述亦可作为保障火星探测活动顺利开展的重要参考依据.沙尘活动显著影响着火星气候与天气变化,也对火星表面探测器可造成巨大安全威胁.对沙尘活动及其影响完善的模拟是目前全大气模式开发与研究工作中的重点之一.本文回顾了火星全大气模式的发展历程,概述了其构建方法,总结了相关科研成果,多角度论述了自主发展火星全大气模式的重要科研与工程价值,建议以火星沙尘活动为重点研究方向,牵引我国火星全大气模式的自主研发.模式的开发与应用涉及行星科学、空间科学、大气科学、计算机科学多领域协同合作.其开发过程势必带动我国行星科学全面发展,为相关研究领域积累经验、储备人才.

关键词：火星全大气模式数值模拟火星沙尘暴火星多圈层耦合

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利用钒同位素来确定月球形成物质的比例

高校地质学报 2024年第3期30卷 371-378页

作者：石震戚玉菡黄方丁昕中国科学院壳幔物质与环境重点实验室中国科学技术大学地球和空间科学学院合肥230026 阿尔伯塔大学地球与大气科学系加拿大埃德蒙顿阿尔伯塔T6G 2E3 中国科学院比较行星学卓越创新中心合肥230026

经典碰撞模型是目前解释月球形成过程的最广为接受的假说,其要求一个约火星大小的撞击体Theia与吸积最后阶段的原始地球相撞,且月球主要来自撞击体Theia。然而关于撞击体对于月球质量贡献的百分比仍缺乏精确的制约。该研究采用地幔橄榄... 详细信息

经典碰撞模型是目前解释月球形成过程的最广为接受的假说,其要求一个约火星大小的撞击体Theia与吸积最后阶段的原始地球相撞,且月球主要来自撞击体Theia。然而关于撞击体对于月球质量贡献的百分比仍缺乏精确的制约。该研究采用地幔橄榄岩和科马提岩的高精度测量数据,用于重新评估硅酸盐全地球(BSE)的V同位素组成,相比之前的研究,新的数据表明δ^(51)V_(BSE)=-0.91‰±0.02‰(2SE,n=18)。将其重新代入到地月双组分混合模型中,考虑了一个包含撞击前(原地球、Theia)和撞击后(地球、月球、逸出物质)成分的系统,得出现今月球中Theia的质量分数的最佳估计为M_(Theia)=0.8*M_(Mars)时的73%到M_(Theia)=0.45*M_(Earth)时的83%。这与先前的研究相比,降低了对Theia在月球形成中的贡献度约5%。这一结果为经典碰撞模型提供了更可靠的参数,有助于深化对月球形成过程的理解。

关键词：经典碰撞模型硅酸盐全地球月球钒同位素

CMIP6模式模拟的人类活动和自然强迫对全球地表气温多尺度变化的影响

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地球物理学报 2024年第2期67卷 477-491页

作者：徐川赵天保张京朋陶丽南京信息工程大学大气科学学院南京210044 中国科学院东亚区域气候-环境重点实验室北京100029 西北农林科技大学资源环境学院陕西杨凌712100

量化人类活动在气候变化中的定量贡献是气候变化检测归因研究的核心科学问题,也是提高气候变化预测和预估水平的重要科学基础.本文基于最新的第6次国际耦合模式比较计划(CMIP6)多模式历史归因模拟试验(DAMIP),检测了人为因素(ANT)和自... 详细信息

量化人类活动在气候变化中的定量贡献是气候变化检测归因研究的核心科学问题,也是提高气候变化预测和预估水平的重要科学基础.本文基于最新的第6次国际耦合模式比较计划(CMIP6)多模式历史归因模拟试验(DAMIP),检测了人为因素(ANT)和自然因素(NAT)对近百年(1915—2014年)全球地表气温多尺度变化的影响,归因了温室气体(GHG)、气溶胶(AA)、土地利用(LU)等不同人为因素对全球地表气温长期变化的相对贡献及南北半球差异.结果显示,近百年来人为因素引起的全球陆地实际增温约为1.1℃(0.8℃~1.3℃),对南北半球的贡献则分别约为0.7℃和1.2℃;全球大多数区域人为排放GHG和AA的显著作用在1960—1980年期间就能够被检测到,其中北半球AA的冷却作用要超前于GHG的增温效应;气候系统内部自然变率是调制大多数区域气温年代际(10~30年)及多年代际变率(30~60年)的主导因子,而人为和自然外强迫在全球地表气温年代际变率中的方差贡献约为5%~20%,但二者在北半球尤其在东亚和欧洲中高纬度地区地表气温多年代际变率中的方差贡献可达50%.人为因素强迫可使近50年(1965—2014)极端高温事件的发生风险概率增加3倍,其中北半球发生风险要高于南半球.

关键词： CMIP6模式多尺度气温变化人类活动检测归因

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甘肃省暖季降水日变化特征

干旱区研究 2024年第1期41卷 1-12页

作者：周子涵王基鑫刘维成王勇张君霞郭润霞兰州中心气象台甘肃兰州730020 中国科学技术大学地球和空间科学学院安徽合肥230026 兰州大学大气科学学院甘肃兰州730000 中国气象局兰州干旱气象研究所甘肃兰州730020

利用2013—2022年4—10月甘肃省340个气象站点逐1 h降水观测资料,揭示了甘肃省暖季降水在日变化尺度上的精细化演变特征,并分区域进行讨论分析,为甘肃省极端降水事件的研究提供科学参考。结果表明:(1)甘肃暖季降水量和降水强度日变化峰... 详细信息

利用2013—2022年4—10月甘肃省340个气象站点逐1 h降水观测资料,揭示了甘肃省暖季降水在日变化尺度上的精细化演变特征,并分区域进行讨论分析,为甘肃省极端降水事件的研究提供科学参考。结果表明:(1)甘肃暖季降水量和降水强度日变化峰值主要出现在10:00—13:00,降水频率日峰值在夜间22:00—01:00居多。降水日变化季节性差异明显,中南部有较为集中的秋雨分布。(2)降水日变化区域性特征鲜明,祁连山区、甘肃中部和高原边坡的降水时段主要在白天,午间较强的降水强度主导着降水量的白天峰值;河西西部降水量和降水频率日峰值多出现在夜间,但短时较强降水在18:00—21:00有一定突发性;陇东南和陇东地区降水呈非均匀分布,在降水频率夜间峰值影响下夜雨频繁,但降水较强的时段分别在午后和早晨。(3)不同持续时间降水特征不同,持续时间在6 h及以下的短时降水,降水日变化多呈“双峰型”。持续时间在6 h以上的降水日变化近似于“单峰型”,多在傍晚开始,夜间达到峰值,于次日中午结束。

关键词：日变化暖季降水不同区域不同持续时间甘肃省

基于集成时变矩模型和动态蒙特卡洛方法的防洪风险分析

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水利学报 2024年第9期55卷 1084-1097页

作者：董立俊董晓华马耀明魏冲喻丹苏中波三峡大学水利与环境学院湖北宜昌443002 三峡库区生态环境教育部工程研究中心湖北宜昌430002 中国科学院青藏高原研究所青藏高原地球系统与资源环境重点实验室地气作用与气候效应团队北京100101 中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049 兰州大学大气科学学院甘肃兰州730000 西藏珠穆朗玛特殊大气过程与环境变化国家野外科学观测研究站西藏定日858200 中国科学院加德满都科教中心北京100101 中国科学院中国-巴基斯坦地球科学研究中心巴基斯坦伊斯兰堡45320 特文特大学地球信息科学与地球观测学院荷兰恩斯赫德7500 AE

与作为水利水电工程设计依据的历史水文情势相比,未来受到全球气候变化影响的水文情势将与之产生偏差,进而导致流域内各水电工程水文分析成果的改变。这些成果的改变又将对流域梯级水库群中长期的运行安全和防洪调度产生影响。本文以雅... 详细信息

与作为水利水电工程设计依据的历史水文情势相比,未来受到全球气候变化影响的水文情势将与之产生偏差,进而导致流域内各水电工程水文分析成果的改变。这些成果的改变又将对流域梯级水库群中长期的运行安全和防洪调度产生影响。本文以雅砻江流域为研究区域,通过耦合SWAT水文模型和全球气候模式,定量识别未来气候变化条件下的流域气象水文要素变化情况,在此基础上提出能同时考虑非一致性和历史特大洪水的集成时变矩模型方法,最后选取流域内杨房沟水电站,基于动态蒙特卡洛方法进行未来气候变化条件下的调洪演算。主要结果如下:率定好的SWAT模型模拟精度较高,且在雅砻江流域有较好的空间适用性。在未来气候变化条件下,麦地龙站洪峰流量序列在SSP1-2.6情景下,从现在到2070年左右小幅上升,随后小幅下降;在SSP2-4.5情景下,从现在到2070年左右明显上升,然后趋于稳定;仅在SSP5-8.5情景下持续上升,且上升趋势非常明显。在未来气候变化条件下,除SSP1-2.6情景的超校核洪水位风险率外,其他情景下杨房沟水电站超设计洪水位、校核洪水位风险率较设计标准均明显增大。未来全球气候变化将对雅砻江流域水循环和陆气水分交换产生显著影响,导致水文极端事件更加突出,流域内基于稳定环境下水文情势及水文分析成果规划建设的水电站(水库)将面临更大的防洪风险。本文提出的融合集成时变矩和动态蒙特卡洛模型的防洪风险分析方法,在考虑未来全球气候变化导致的非一致性基础上同时融入了历史特大洪水信息,经验证适用性较好。研究成果可为相关运行管理部门应对相应风险和指导实际生产提供一定参考。

关键词：气候变化非一致性集成时变矩模型防洪风险

长江三角洲地区高空云过程气溶胶——云相互作用的观测研究

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大气科学 2024年第4期48卷 1283-1296页

作者：陈怡欣杜荣光张佃国滕晓咪王玥刘磊徐亮王文青谢筠齐冰方双喜李卫军浙江大学地球科学学院大气科学系杭州310027 杭州市气象局杭州310051 山东省人民政府人工影响天气办公室济南250031 富阳区气象局杭州311400 浙江工业大学浙江碳中和创新研究院杭州310014

气溶胶—云相互作用过程对于评估大气云和气溶胶的寿命及气候效应至关重要。目前关于气溶胶—云相互作用的研究主要以飞机航测、卫星反演和模式模拟为主,地基直接观测由于布置难度大、实验时间长、人力物力耗费等原因开展得较少。当前... 详细信息

气溶胶—云相互作用过程对于评估大气云和气溶胶的寿命及气候效应至关重要。目前关于气溶胶—云相互作用的研究主要以飞机航测、卫星反演和模式模拟为主,地基直接观测由于布置难度大、实验时间长、人力物力耗费等原因开展得较少。当前针对气溶胶—云相互作用机制的理解还比较低,亟需外场观测资料深入认识其过程。本研究以长江三角洲地区高山站点的云雾为背景,利用雾滴谱仪、地用逆流虚拟撞击器、混合凝聚核粒子计数器、扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪等仪器,研究了大明山顶(海拔1483 m)7月份多云雾期间云滴和气溶胶的特性,探讨了气溶胶对云形成和发展的影响以及云对气溶胶颗粒物的清除作用。云形成初期对气溶胶颗粒物的清除率约为20%~50%。研究显示水汽过饱和度越高且颗粒物粒径越大,清除率越高,这表明粒径较大的吸湿性颗粒物容易活化为云凝结核。对比同一云雾事件中气溶胶数浓度差异较大的三个阶段,我们发现较低的气溶胶数浓度有利于形成液态水含量高的浓云,此时云团由数量相对较少而粒径大的云滴组成,而大气颗粒物数量增多会使云雾变淡,此时的云团由大量细小的云滴组成。本研究分析了8μm以上云滴的云凝结核数量分布特征,发现大云滴的云凝结核几乎都是100 nm以上的颗粒物;随着气溶胶数浓度升高,8μm以上大云滴的数量减少,且大云滴云凝结核的平均直径变大。这些结果显示气溶胶数浓度升高会促使云滴的数量增多而等效直径变小,在水汽有限的自然环境中,气溶胶数浓度越高,颗粒物的临界活化直径越大。总之,我们发现大气气溶胶的数浓度—粒径分布特性影响着云滴的数量和粒径,云的形成和发展也对气溶胶颗粒物有较强的清除作用。

关键词：云气溶胶外场观测云清除作用粒径分布液态水含量

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