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基于卫星遥感的氮氧化物排放快速反演方法比较

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地球科学进展 2024年第3期39卷 269-278页

作者：王思杰林金泰孔浩张宇航徐呈浩李春锦任芳萱北京大学物理学院大气与海洋科学系气候与海—气实验室北京100871

基于对流层二氧化氮(NO_(2))垂直柱浓度卫星遥感数据,实现快速、高空间水平分辨率(5 km或更高)的氮氧化物(NO_(x)=NO+NO_(2))排放反演,可为空气污染精准治理提供及时、细致的排放数据。现有多种低计算成本的快速反演方法,如指数修正高... 详细信息

基于对流层二氧化氮(NO_(2))垂直柱浓度卫星遥感数据,实现快速、高空间水平分辨率(5 km或更高)的氮氧化物(NO_(x)=NO+NO_(2))排放反演,可为空气污染精准治理提供及时、细致的排放数据。现有多种低计算成本的快速反演方法,如指数修正高斯模型、散度模型和PHLET算法,但其反演效果尚未得到充分对比分析。以2019年夏季京津冀地区为研究对象,对比了上述3种方法的反演效果,研究发现,指数修正高斯模型主要适用于点源排放,但在京津冀等排放源密集地区的反演效果较差;散度模型考虑了在预定NO_(x)大气寿命情况下的水平输送,能快速识别主要排放源位置,但存在排放低估和负排放等问题;PHLET算法考虑了水平输送、NO_(2)垂直柱浓度和NO_(x)大气寿命的非线性关系以及卫星像元不规则等因素,对排放的估计较为准确。改善风场数据、填补卫星数据缺失和改善NO_(x)化学损失估计是进一步提升排放反演质量的关键。

关键词：卫星遥感氮氧化物排放快速反演京津冀

基于多种动力-统计方法的中国夏季降水集成预测研究

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地球物理学报 2024年第3期67卷 982-996页

作者：杨子寒托雅杨杰吴银忠龚志强封国林苏州科技大学物理科学与技术学院苏州215009 复旦大学大气与海洋科学系/大气科学研究院上海200438 江苏省气象局江苏省气候中心南京210009 国家气候中心气候研究开放实验室北京100081

中国夏季降水预报对中国社会和经济发展具有重要意义,但由于气候系统的不确定性,中国夏季降水预报在当前气象研究中仍然是一个具有挑战性的问题.本文在分析7种动力-统计预报方法对我国夏季降水预报效果的基础上,提出了动态加权集成预报... 详细信息

中国夏季降水预报对中国社会和经济发展具有重要意义,但由于气候系统的不确定性,中国夏季降水预报在当前气象研究中仍然是一个具有挑战性的问题.本文在分析7种动力-统计预报方法对我国夏季降水预报效果的基础上,提出了动态加权集成预报方法.通过比较动态加权集成预报方法与模式系统误差订正、单个动力-统计方法和等权重集成预报的空间距平相关系数(ACC)和预报评分(PS)值,发现动态加权集成预报较系统误差订正、单个动力-统计方法和等权重集成均有更好的预报效果.主要表现为:(1)动态加权集成预报方法2011—2020年夏季降水预报的ACC均值为0.05~0.10,较系统误差订正(-0.08)提高了0.13~0.18,较等权重集成提高了0.02~0.04,且优于绝大多数单个动力-统计预报方法的结果.(2)动态加权集成预报PS均值达到69.3~70.7,明显优于等权重集成预报的67.8~68.5和多数单方案动力-统计预报结果.(3)2021年独立样本检验中,动态加权集成预报中国夏季降水ACC值最高为0.21,明显优于等权重集成预报的最高值0.14,且PS评分值均高于70分.因此,动态加权集成预报可以在单个动力-统计方案预报的基础上,进一步提高中国夏季降水预报的准确率,改进预报技巧稳定性,具有较好的潜在应用价值.

关键词：降水误差订正动力-统计预测集成预测

内蒙古区域数值预报对探空和地面观测资料的敏感性试验研究

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气象 2024年第2期50卷 144-158页

作者：姚乐宝沈丹孟雪峰孙鑫孟智勇黄晓璐叶飞刘林春孙永刚中山大学大气科学学院/广东省气候变化与自然灾害研究重点实验室珠海519082 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海) 珠海519082 内蒙古自治区气象台呼和浩特010051 北京大学物理学院大气与海洋科学系北京100871 中国气象局雷达气象中心长沙气象雷达标校中心长沙410207

基于内蒙古睿图预报系统的低分辨率版本和WRFDA-FSO诊断工具,评估2021年7月现有探空和地面观测对内蒙古睿图预报系统预报的影响。该方法计算代价相对低廉,并允许根据观测变量、观测类型、气压层次、地理区域等观测的子集对观测影响进行... 详细信息

基于内蒙古睿图预报系统的低分辨率版本和WRFDA-FSO诊断工具,评估2021年7月现有探空和地面观测对内蒙古睿图预报系统预报的影响。该方法计算代价相对低廉,并允许根据观测变量、观测类型、气压层次、地理区域等观测的子集对观测影响进行划分。代价函数为以干总能量为度量的背景场和分析场的预报误差之间的差异。结果表明:观测影响的总体总和为负,观测对预报起正贡献作用。对12 h预报误差减小贡献最大的观测来自探空观测的动力变量(U、V风分量)。而单时次单位数量平均观测影响,探空观测的贡献约为地面观测的1/2。探空观测对12 h预报误差减小从近地面层至模式层顶均保持正贡献作用,并在对流层中低层和对流层高空急流层存在两个极大值区域;地面观测在850 hPa以下低层正贡献占比明显。探空观测在被同化系统同化时均总体具有有利的影响,也反映出探空观测数据稳定、质量较高的特征;地面观测对12 h预报误差减小起正贡献作用次数最多的区域在河套地区尤为显著。同时,探讨了需进一步提高地面观测资料同化率的问题。

关键词：数值预报资料同化基于伴随的预报对观测敏感性(FSO) 观测影响

秦岭北麓城郊过渡带CO和水汽的湍流通量和输送实验研究

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中国环境科学 2024年

作者：彭艳赵奎锋张璐张宏昇李星敏北京大学物理学院大气与海洋科学系气候与海-气实验室陕西省气象科学研究所秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室陕西省气象局秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室

本研究利用中国气象局秦岭气溶胶与云微物理野外科学试验基地长安站2021年4月至2022年3月涡动相关系统观测资料，结合气象观测资料，研究了秦岭北麓城郊过渡带近地面大气CO2、H2O浓度、蒸发量以及湍流通量演变特征，并讨论了气象要素对... 详细信息

本研究利用中国气象局秦岭气溶胶与云微物理野外科学试验基地长安站2021年4月至2022年3月涡动相关系统观测资料，结合气象观测资料，研究了秦岭北麓城郊过渡带近地面大气CO2、H2O浓度、蒸发量以及湍流通量演变特征，并讨论了气象要素对碳通量的影响。结果表明：观测时段内CO2小时浓度年均值为(404.4±27.9)ppm，与瓦里关大气背景观测站和全球背景观测站CO2年均值浓度水平相当，水汽小时浓度年均值为9.44g·m-3，年总蒸发量为1321.5mm；CO2、水汽浓度和蒸发量均存在显著的月、季节变化特征；CO2和水汽通量存在明显的日、月和季节变化，全年白天均表现为较强的碳吸收，观测时段内CO2总吸收量约为-3047g·m-2；夜间表现为碳排放，观测时段内总排放量约为2631g·m-2；气温、土壤温度、相对湿度和风速的变化均会对区域内CO2通量产生影响，温度升高会增加区域内植被的固碳能力；白天CO2通量负值多出现在西风条件下，农田和植被覆盖率较大的区域为CO2通量的主要贡献区域；夜间 CO2通量正值主要来自于植被、土壤呼吸作用和人类活动排放的贡献。总体而言，秦岭北麓城郊过渡带呈现较为明显的碳汇属性，实验时段内CO2的净吸收量约为-416 g·m-2。

关键词： CO 通量秦岭北麓城郊过渡带涡动相关气象因子

秦岭北麓地区CO_(2)和水汽湍流输送实验研究

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中国环境科学 2024年第5期44卷 2407-2417页

作者：彭艳赵奎锋张璐张宏昇李星敏陕西省气象科学研究所秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室陕西西安710016 陕西省气象局秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室陕西西安710016 北京大学物理学院大气与海洋科学系气候与海-气实验室北京100871

利用中国气象局秦岭气溶胶与云微物理野外科学试验基地长安站2021年4月~2022年3月涡动相关系统观测资料,结合气象观测资料,研究了秦岭北麓城郊过渡带近地面大气CO_(2)、H_(2)O浓度、蒸发量以及湍流通量演变特征,并讨论了气象要素对碳通... 详细信息

利用中国气象局秦岭气溶胶与云微物理野外科学试验基地长安站2021年4月~2022年3月涡动相关系统观测资料,结合气象观测资料,研究了秦岭北麓城郊过渡带近地面大气CO_(2)、H_(2)O浓度、蒸发量以及湍流通量演变特征,并讨论了气象要素对碳通量的影响.结果表明:观测时段内CO_(2)小时浓度年均值为(404.4±27.9)×10^(-6),与瓦里关大气背景观测站和全球背景观测站CO_(2)年均值浓度水平相当,水汽小时浓度年均值为9.44g/m^(3),年总蒸发量为1321.5mm;CO_(2)、水汽浓度和蒸发量均存在显著的月、季节变化特征;CO_(2)和水汽通量存在明显的日、月和季节变化,全年白天均表现为较强的碳吸收,观测时段内CO_(2)总吸收量约为-3047g/m^(2);夜间表现为碳排放,观测时段内总排放量约为2631g/m^(2);气温、土壤温度、相对湿度和风速的变化均会对区域内CO_(2)通量产生影响,温度升高会增加区域内植被的固碳能力;白天CO_(2)通量负值多出现在西风条件下,农田和植被覆盖率较大的区域为CO_(2)通量的主要贡献区域;夜间CO_(2)通量正值主要来自于植被、土壤呼吸作用和人类活动排放的贡献.总体而言,秦岭北麓城郊过渡带呈现较为明显的碳汇属性,实验时段内CO_(2)的净吸收量约为-416g/m^(2).

关键词： CO_(2)通量秦岭北麓城郊过渡带涡动相关气象因子

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全球变暖下南大洋吸热的季节变化特征

中国海洋大学学报（自然科学版） 2024年第3期54卷 9-19页

作者：罗菁郑小童中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室海洋与大气学院山东青岛266100 青岛海洋科学与技术试点国家实验室山东青岛266237

本文基于第六次耦合模式比较计划的未来高排放情景试验模拟结果,研究全球变暖背景下未来南大洋吸热的季节变化。发现在未来变暖气候下南大洋占全球海洋累积吸热的近一半。未来南大洋海洋吸热有明显季节变化:南半球春、秋季吸热峰值大致... 详细信息

本文基于第六次耦合模式比较计划的未来高排放情景试验模拟结果,研究全球变暖背景下未来南大洋吸热的季节变化。发现在未来变暖气候下南大洋占全球海洋累积吸热的近一半。未来南大洋海洋吸热有明显季节变化:南半球春、秋季吸热峰值大致位于63°S,夏季70°S附近吸热最小,冬季58°S附近吸热全年最大。秋、冬季海洋吸热的空间结构由湍流热通量主导;春、夏季高纬度海洋吸热主要受辐射通量影响。进一步研究发现,南大洋60°S以南海区净热通量变化趋势与海冰变化有关。春、夏季海冰消融通过海冰-反照率反馈机制产生较大的海洋吸热,而秋、冬季海冰消融加强了海洋向大气放热,造成海洋吸热减少,年平均下二者显著抵消。在南大洋30°S—60°S海区,海洋吸热主要受湍流热通量变化影响,夏、秋季吸热较少,冬、春季吸热较大,这与气候态混合层深度的季节变化有显著关系。此外,本文研究还发现,南大洋上层海洋热量的经向输送对全球变暖的响应也存在显著的季节变化,冬、春季经向热输送的增强范围相较于夏、秋季向赤道和向下延伸,与气候态混合层深度和西风增强的季节变化有关。

关键词：南大洋海洋吸热海气相互作用全球变暖季节变化

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火山气溶胶影响气候的研究现状与未来

科学通报 2024年第2期69卷 230-252页

作者：周天军左萌满文敏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

火山喷发主要通过改变大气成分进而影响气候异常,火山喷发后在平流层形成的硫酸盐气溶胶是影响气候变化的重要自然外强迫因子.本文在概述火山喷发影响气候的基本原理和研究方法基础上,围绕着过去2500年主要火山事件的记录重建,火山喷发... 详细信息

火山喷发主要通过改变大气成分进而影响气候异常,火山喷发后在平流层形成的硫酸盐气溶胶是影响气候变化的重要自然外强迫因子.本文在概述火山喷发影响气候的基本原理和研究方法基础上,围绕着过去2500年主要火山事件的记录重建,火山喷发对全球气候、厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-southern oscillation,ENSO)、东亚和中国气候的影响,火山喷发对年代际气候预测和未来气候预估的影响、火山空气污染及其人体健康影响等问题,总结了近年来的主要进展,探讨了亟待加强的研究方向.主要结论如下:(1)较为可靠的火山气溶胶强迫资料重建已延伸至过去2500年,全球范围内能够造成有效辐射强迫减少1 W m−2以上的大型火山喷发的平均周期为43±7.5年;记录重建的难点在于如何利用冰芯中的硫酸盐记录来重建火山强度、持续时间和空间分布等.(2)火山气溶胶的全球气候影响,包括令全球平均温度降低和冬季北半球中高纬地区升温,使全球平均降水减少,季风环流减弱,季风降水减少;火山喷发后平流层水汽的增加能够部分抵消火山气溶胶的冷却作用;火山喷发还能够影响海表高度、海温和海洋环流的年代际变化,通过影响生态系统碳循环造成大气中CO_(2)浓度降低.(3)热带火山喷发后太平洋会出现El Niño型海温响应,热带和北半球高纬度火山喷发对El Niño型海温异常形成的驱动作用强于南半球火山,海温初始位相能够影响火山喷发对ENSO的影响.(4)火山气溶胶能够导致东亚地区气温下降,出现极端低温,并使东亚夏季风环流减弱,中国东部降水总体减少,但呈现出空间分布上的不均匀性.(5)考虑火山气溶胶的影响能够提升年代际气候预测技巧,强迫气候系统内部变率模态的位相变化,潜在的火山喷发能够导致预估的未来百年全球平均温度低于预期、全球季风区降水减少.(6)火山喷发能够引起火山空气污染,进而对人体健康产生影响.(7)未来需要加强的研究工作,包括历史时期火山记录的重建和器测资料时期火山气溶胶等资料的卫星反演、火山影响全球和区域气候的物理学机理研究、“平流层化学-气溶胶-气候”耦合模式的研发、火山气候影响研究的多学科交叉国际合作,需要重视现代小型火山喷发的气候影响问题,以及火山喷发对年代际气候变率模态和年代际气候预测的作用问题.

关键词：火山气溶胶重建和气候模拟温度降水厄尔尼诺-南方涛动气候预测和预估

1961—2020年长江下游地区夏季降水趋势分析

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大气科学学报 2024年第4期47卷 557-569页

作者：杜如意宋雨佳赵传湖黄菲王国复中国海洋大学海洋与大气学院山东青岛266100 物理海洋教育部重点实验室/深海多圈层与地球系统前沿科学中心山东青岛266100 青岛海洋科学与技术国家实验室山东青岛266237 国家气候中心北京100081

近几十年来长江下游地区夏季(6—8月)降水量呈现出显著上升的变化趋势,利用1961—2020年夏季台站降水资料,通过降水项分解法,定量分析了该降水趋势的可能影响因素。结果表明:1)长江下游地区夏季降水的上升趋势主要是由日降水量显著增加... 详细信息

近几十年来长江下游地区夏季(6—8月)降水量呈现出显著上升的变化趋势,利用1961—2020年夏季台站降水资料,通过降水项分解法,定量分析了该降水趋势的可能影响因素。结果表明:1)长江下游地区夏季降水的上升趋势主要是由日降水量显著增加造成,而日降水量显著增加主要与整层水汽垂直梯度增大和垂直上升速度增强所导致的降水增加有关;2)长江下游地区对流层低层大气温度因地面升温的加热作用而显著上升,高层大气温度受亚太振荡相位正转负的影响而下降,使得高、低层大气的温差变大,低层大气比湿升高、高层大气比湿降低,导致整层水汽垂直梯度增加,为局地降水的增强提供了充沛的水汽条件;低层大气异常辐合加之显著增长的不稳定能量为垂直上升运动的增强和对流性降水的增加提供了有利的动力和热力条件,从而造成了长江下游地区夏季降水的显著上升趋势。

关键词：长江下游地区夏季降水降水项分解比湿垂直梯度垂直上升速度

CAS-ESM2中由热带西太平洋海表温度偏差引起的双赤道辐合带偏差

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中国科学：地球科学 2024年第5期54卷 1631-1644页

作者：佟晋宁郑飞靳江波杨若文朱江曾庆存云南大学大气科学系昆明650091 中国科学院大气物理研究所国际气候与环境科学中心北京100029

双赤道辐合带(Double Intertropical Convergence Zone,Double ITCZ)是当前气候系统模式和地球系统模式中常见的热带太平洋降水偏差问题,关于该系统偏差的形成原因一直受众多学者们的广泛关注和研究.本文采用中国科学院地球系统模式第... 详细信息

双赤道辐合带(Double Intertropical Convergence Zone,Double ITCZ)是当前气候系统模式和地球系统模式中常见的热带太平洋降水偏差问题,关于该系统偏差的形成原因一直受众多学者们的广泛关注和研究.本文采用中国科学院地球系统模式第二代版本(CAS-ESM2),通过对比一组热带太平洋海表温度(SST)的偏差订正试验,从地球系统模式耦合偏差的角度,探讨了海表温度偏差引发大气降水“Double ITCZ”偏差的可能物理机制.研究发现,模式模拟的热带太平洋海温偏差可以通过饱和比湿(潜热释放过程)造成海气交换界面的潜热通量偏差,而潜热通量偏差则进一步通过凝结释放机制造成湿空气的垂直上升速度产生偏差,最后导致了热带太平洋降水的偏差,即通过“SST-饱和比湿-潜热通量-垂直速度-降水”这一海气相互作用过程来传递和放大模式偏差.此外,通过不同SST订正试验的相互比较,本文揭示造成“Double ITCZ”降水偏差的来源可能来自模式模拟的SST的气候态偏差,且主要来自于热带西太平洋SST的模拟偏差.本研究表明针对海气耦合模式/地球系统模式,可以通过抑制热带太平洋海表温度SST模拟偏差,特别是西太平洋SST模拟偏差,来提高热带地区大气海洋物理量的模拟精度,最终显著减小耦合偏差.

关键词： SST偏差 Double ITCZ Nudging SST CAS-ESM2