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土壤湿度-地表气温耦合对长江中下游地区2022年8月复合型热浪事件的影响

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地球物理学报 2024年第5期67卷 1709-1720页

作者：崔彩珍余锦华代刊云星娥南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心南京210044 国家气象中心北京100081

2022年8月长江中下游地区的复合型热浪给社会经济、人类健康、农业生产和自然环境等方面均造成了严重影响.本文利用国家信息中心提供的1979—2022年6—8月逐日最高、最低气温和欧洲中期天气预报中心再分析数据集的土壤湿度等资料,定义... 详细信息

2022年8月长江中下游地区的复合型热浪给社会经济、人类健康、农业生产和自然环境等方面均造成了严重影响.本文利用国家信息中心提供的1979—2022年6—8月逐日最高、最低气温和欧洲中期天气预报中心再分析数据集的土壤湿度等资料,定义了复合型热浪事件强度指数及其相应的土壤湿度-地表气温耦合指数,采用分段线性拟合等方法,探讨此次复合型热浪特征及土壤湿度-地表气温耦合的影响.结果表明:(1)2022年8月长江中下游地区的复合型热浪事件强度为1979年以来最强,伴随最强的土壤湿度-地表气温耦合.空间分布显示,强的热浪发生在四川东部、重庆西部、湖南等地,这些区域的土壤湿度严重偏干,蒸发受限,获得的净辐射主要用于地表向上的感热通量,使土壤湿度-地表气温出现强的正反馈过程,对热浪的维持起重要作用.(2)复合型热浪中土壤湿度-地表气温耦合影响日间和夜间热浪的物理强迫及过程不同:日间,地表净太阳短波向下辐射增强的强迫作用,促使发生强的土壤湿度-地表气温耦合,引起日间热浪.夜间,白天积累在土壤的热量,通过减小大气热量通量辐散,使夜间地表气温下降减慢,形成夜间热浪,这与以往研究单独夜间热浪的过程不同,后者认为夜间热浪主要与大气柱水汽增加引起的大气逆辐射增强有关.

关键词：复合型热浪事件土壤湿度-地表气温耦合长江中下游地区

基于星载红外高光谱观测用机器学习算法反演大气温湿廓线

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红外与激光工程 2022年第8期51卷 451-462页

作者：姚姝含官莉南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心江苏南京210044

星载红外高光谱垂直探测仪GIIRS(Geostationary Interferometric Infrared Sounder)能够实现大气温度和湿度参数高垂直分辨率的观测,为数值天气预报提供精度更高的初始场。基于GIIRS观测辐射值采用BP神经网络(Back Propagation Neural N... 详细信息

星载红外高光谱垂直探测仪GIIRS(Geostationary Interferometric Infrared Sounder)能够实现大气温度和湿度参数高垂直分辨率的观测,为数值天气预报提供精度更高的初始场。基于GIIRS观测辐射值采用BP神经网络(Back Propagation Neural Network)法和深度学习的卷积神经网络(Convolutional Neural Networks,CNN)法反演大气温度、湿度垂直廓线,重点在于CNN法模型的构建与参数的优化,得到反演精度最高的网络模型配置。将训练样本根据不同地表类型和是否有云的影响分为三种方案(方案一:不分类、方案二:陆地/洋面分类、方案三:晴空/有云分类),分别进行建模、反演和检验。结果表明两种反演算法都有较好的反演精度,相对而言CNN法在所有高度层上反演偏差、均方根误差和平均相对误差均较小,反演精度更高。CNN法温度反演在高层10~200 hPa改进较大,三种分类方案改进的最大值分别为1.15 K、1.06 K和1.02 K;湿度反演在对流层低层500~1000 hPa改进较大,三种分类方案分别平均改进了0.43 g/kg、0.41 g/kg和0.34 g/kg。BP神经网络法方案三时(即分晴空和云时)温度和水汽混合比廓线反演精度最好;CNN算法方案一时(即不对样本数据进行任何分类)反演精度最高。

关键词： GIIRS 大气温湿度廓线 BP神经网络卷积神经网络反演

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风云四号A星红外高光谱大气垂直探测仪观测资料质量评估

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红外与激光工程 2022年第9期51卷 168-179页

作者：王雨润官莉南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心江苏南京210044

评估星载红外高光谱仪器观测资料的质量可以推进其在数值天气预报中的应用。使用2020年7月FY-4A红外高光谱干涉式大气垂直探测仪(Geostationary Interferometric Infrared Sounder,GIIRS)观测数据,分析GIIRS所有通道观测噪声随视场和纬... 详细信息

评估星载红外高光谱仪器观测资料的质量可以推进其在数值天气预报中的应用。使用2020年7月FY-4A红外高光谱干涉式大气垂直探测仪(Geostationary Interferometric Infrared Sounder,GIIRS)观测数据,分析GIIRS所有通道观测噪声随视场和纬度的变化、偏差(观测亮温与辐射传输模式模拟亮温的差)随时间、视场、纬度和天顶角的分布来评估GIIRS观测资料质量。研究结果表明:波段727.5~733.8 cm^(-1)、1 107.5~1 130 cm^(-1)和1 650~1 776.9 cm^(-1)的观测噪声超出仪器灵敏度设计指标,且这些通道的偏差和偏差标准差明显大于其他通道;除了长波观测噪声大的通道外,其余通道噪声等效温差NEdT在32×4阵列上均呈“中间小,两边大”的特征,且NEdT的分布不随纬度带和FOR阵列而改变,在进行GIIRS资料同化或变分反演时,其观测误差只用考虑不同通道在32×4阵列内的NEdT分布;由于数值预报模式的地表温度在白天时值偏低,使得模拟辐射量偏低,造成偏差绝对值减小,使偏差有明显的日变化;中波通道偏差特征基本不随32×4面阵的列而改变,主要与阵列中的行有关,在中波通道进行偏差订正时可以针对32×4面阵中行开展,基本不需要纬度带和卫星天顶角的订正。

关键词：红外高光谱大气探测仪噪声等效温差偏差

中国东部AOD等级变化及与东亚夏季风的联系

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中国环境科学 2018年第9期38卷 3201-3210页

作者：马奋华管兆勇南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室气象灾害预报预警与评估协同创新中心江苏南京210044

利用2000年3月～2017年1月Terra卫星反演的最新版本C06的MODIS气溶胶光学厚度(AOD)、NCEP fnl全球业务分析数据、CMAP降水、CERES SYN1deg Ed4月平均资料、NCEP/NCAR再分析资料等,依据区域平均AOD距平的显著年际变化特征,将历年AOD划分... 详细信息

利用2000年3月～2017年1月Terra卫星反演的最新版本C06的MODIS气溶胶光学厚度(AOD)、NCEP fnl全球业务分析数据、CMAP降水、CERES SYN1deg Ed4月平均资料、NCEP/NCAR再分析资料等,依据区域平均AOD距平的显著年际变化特征,将历年AOD划分为5个不同的污染等级,并探讨了不同污染等级的局地成因及其与季风环流的联系.结果表明,夏季中国东部地区AOD异常偏大与地面风速小、中高层季风环流系统不利于气溶胶扩散有关.气溶胶污染最重(最轻)时,气溶胶与到达地面的太阳短波辐射、地面气温、风速及降水存在密切联系;在其他污染等级下,除了与到达地面的短波辐射有密切关系外,与其他量的联系并不明显.气溶胶污染严重时,到达地面的太阳短波辐射相对减小,地面气温异常偏低,低层大气冷却,地面风速减小,地面降水呈现南多北少的变化特征;反之,气溶胶污染较轻时,到达地面的太阳短波辐射相对增加,地面气温异常偏高,低层大气加热,地面风速增大,地面降水呈现南少北多的变化特征.

关键词：中国东部地区 AOD 东亚夏季风

2018年中国长江三角洲地区气溶胶的垂直分布特征

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环境科学 2019年第11期40卷 4743-4754页

作者：沈吉曹念文南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心

利用主动式遥感卫星云-气溶胶激光雷达和红外探测者卫星观测(CALIPSO)提供的激光雷达资料,重点分析了2017-12~2018-11中国长江三角洲地区对流层大气中532 nm气溶胶消光系数,气溶胶退偏比,气溶胶色比以及各类型气溶胶的时空变化特征.对... 详细信息

利用主动式遥感卫星云-气溶胶激光雷达和红外探测者卫星观测(CALIPSO)提供的激光雷达资料,重点分析了2017-12~2018-11中国长江三角洲地区对流层大气中532 nm气溶胶消光系数,气溶胶退偏比,气溶胶色比以及各类型气溶胶的时空变化特征.对气溶胶的光学参数随高度变化的研究表明,与对流层高空相比,一般在对流层低空中气溶胶消光能力更强,气溶胶粒子更规则,气溶胶粒径更小.对气溶胶的光学参数随季节变化的研究表明,与冬春季相比,一般夏秋季在对流层高空中气溶胶消光能力更强,在2 km以下气溶胶粒子更规则,在对流层高空中气溶胶粒径的范围更大.长江三角洲地区全年中污染沙尘气溶胶出现的频率最高,为37.481 6%,夏秋季烟尘、污染大陆与洁净海洋气溶胶出现的频率比冬春季高,而夏秋季沙漠沙尘气溶胶出现的频率相对较低.

关键词：气溶胶垂直分布光学参数类型主动式遥感卫星云-气溶胶激光雷达和红外探测者卫星观测(CALIPSO)

中国东部冷锋推进中的PM_(2.5)三维结构变化特征

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环境科学 2022年第1期43卷 85-92页

作者：牟南南朱彬卢文南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心气象灾害教育部重点实验室国家综合气象观测专项试验外场南京210044

利用观测资料和中尺度天气-化学模式(WRF-Chem)对一次冷锋南下天气过程导致的我国东部大范围空气污染开展研究,强调了冷锋过境前后的边界层结构及其对PM_(2.5)三维结构和变化的影响.观测发现,地面重污染区域位于冷锋前部均压场或等压线... 详细信息

利用观测资料和中尺度天气-化学模式(WRF-Chem)对一次冷锋南下天气过程导致的我国东部大范围空气污染开展研究,强调了冷锋过境前后的边界层结构及其对PM_(2.5)三维结构和变化的影响.观测发现,地面重污染区域位于冷锋前部均压场或等压线稀疏区域,在冷锋由北向南快速移动过程中,途经各站点PM_(2.5)浓度峰值伴随锋前而至.WRF-Chem模式可以较好地模拟中国东部地面和高空气象要素以及PM_(2.5)浓度的时空变化.模拟结果表明,处于该移动冷锋天气系统相同位置的沿途各站点的边界层结构以及PM_(2.5)垂直廓线表现出相似的特征.即:当冷锋开始入侵时,锋前污染物从地面被抬升到高空,PM_(2.5)浓度的增加和高空风速的增大导致高空PM_(2.5)通量增大,且PM_(2.5)浓度高值区随着高度升高向暖气团一侧倾斜.夜间冷锋过境引发边界层内对流性不稳定增加,边界层高度可达1 km以上,打破了边界层昼夜演变特征.本研究表明,垂直观测和精细模拟的结合可以有效地解释天气过程对空气污染的输送、分布和演变的影响,并为区域空气污染归因和治理提供精确指导.

关键词：数值模拟空气污染边界层结构气象要素 PM_(2.5)三维结构

新息增量法评估FY-3E/HIRAS-Ⅱ观测质量

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红外与毫米波学报 2023年第6期42卷 834-844页

作者：陈宏涛官莉南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心江苏南京210044

FY-3E/HIRAS-Ⅱ作为世界上第一个晨昏轨道的星载红外高光谱仪器,评估其观测资料质量对提高资料同化分析场和全球数值天气预报精度具有十分重要的作用。本文基于2021年12月-2022年1月及2022年3月共35天的HIRAS-Ⅱ观测,采用新息增量法检... 详细信息

FY-3E/HIRAS-Ⅱ作为世界上第一个晨昏轨道的星载红外高光谱仪器,评估其观测资料质量对提高资料同化分析场和全球数值天气预报精度具有十分重要的作用。本文基于2021年12月-2022年1月及2022年3月共35天的HIRAS-Ⅱ观测,采用新息增量法检验了其在轨辐射观测资料质量,按陆地和洋面分别统计了O-B偏差和标准差的分布特征;进一步匹配相同时间段、相同区域的MetOp-B/IASI观测资料,使用双重差异的O-B法分析了HIRAS-Ⅱ观测资料质量,可消除偏差中辐射传输模式模拟的影响。结果表明,不论海洋还是陆地,HIRAS-Ⅱ长波与中波大部分通道的O-B平均偏差均小于0.5 K、标准差在1 K以内,陆地上标准差比洋面偏大(尤其是窗区通道)。664~665 cm^(-1)CO_(2)吸收带和1300~1680 cm^(-1)水汽吸收带,由于再分析资料的偏差引起RTTOV模拟的辐射值存在系统性误差,使得偏差较大;980~1080 cm^(-1)O_(3)吸收带和1300 cm^(-1)CH_(4)吸收带附近较大的偏差是由于辐射传输模式RTTOV中吸收气体浓度采用固定的气候廓线值造成的,这些波段与MetOp-B/IASI相比的double O-B偏差均趋近于0 K,说明O-B偏差主要是由于辐射传输模式模拟误差造成的,而不是仪器观测的质量低。短波大部分通道的O-B平均偏差在-2 K~2 K之间,标准差在2 K以内。1920 cm^(-1)附近通道由于是仪器中波与短波的交界处,采用的探测器不同造成较大的O-B偏差。2267~2380 cm^(-1)较大的偏差是由于RTTOV模拟亮温时没有考虑非局地热力平衡NLTE效应的影响。波数大于2400 cm^(-1)的短波波段由于太阳污染使得偏差和标准差都逐渐增大。HIRAS-ⅡO-B偏差随扫描角存在不对称现象,使用时需要进行扫描角偏差订正。

关键词： FY-3E/HIRAS-Ⅱ RTTOV 新息增量法观测质量评估

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混沌海杂波背景下的微弱信号检测混合算法

物理学报 2015年第4期64卷 48-54页

作者：行鸿彦张强徐伟南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心江苏省气象探测与信息处理重点实验室南京210044

基于经验模态分解理论,提出了一种基于粒子群算法的支持向量机预测方法.采用总体平均经验模式分解法将混沌信号分解为若干固有模态函数和趋势分量,将复杂的非线性信号转化为具有不同尺度特征的平稳分量.利用粒子群算法对支持向量机的惩... 详细信息

基于经验模态分解理论,提出了一种基于粒子群算法的支持向量机预测方法.采用总体平均经验模式分解法将混沌信号分解为若干固有模态函数和趋势分量,将复杂的非线性信号转化为具有不同尺度特征的平稳分量.利用粒子群算法对支持向量机的惩罚系数和核函数进行优化,结合支持向量机建立混沌序列的单步预测模型.从预测误差中检测淹没在混沌背景中的微弱信号(包括瞬态信号和周期信号).对Lorenz系统和实测IPIX雷达数据进行仿真实验,结果表明,该方法能够有效地从混沌背景噪声中检测出微弱目标信号,Lorenz系统得到的均方根误差0.000000339(-102.8225 d B时)比传统支持向量机方法的均方根误差0.049(-54.60 d B时)降低了5个数量级,从海杂波中检测出具有谐波特性的微弱信号,表明预测模型具有更低的门限和误差.

关键词：粒子群算法支持向量机混沌海杂波微弱信号检测

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一次冷锋过程中我国区域空气污染边界层特征

中国环境科学 2020年第10期40卷 4284-4291页

作者：张晨朱彬刘晓慧侯雪伟牟南南康汉青王丽娟南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心气象灾害教育部重点实验室国家综合气象观测专项试验外场江苏南京210044

利用常规地面气象和探空资料、ERA-interim再分析资料、以及全国PM2.5浓度数据,针对2015年3月7~11日一次冷空气南下的锋面天气过程中,我国华北、华东地区出现的大范围空气污染,开展了高空各层天气形势分析,以及本次过程中污染区域由北至... 详细信息

利用常规地面气象和探空资料、ERA-interim再分析资料、以及全国PM2.5浓度数据,针对2015年3月7~11日一次冷空气南下的锋面天气过程中,我国华北、华东地区出现的大范围空气污染,开展了高空各层天气形势分析,以及本次过程中污染区域由北至南6个城市(北京、章丘、郑州、南阳、武汉、长沙)边界层气象要素的垂直结构及其时空演变特征的研究.结果表明:在污染前期(3月7~8日)中高纬度500hPa平直的纬向环流和地面均压场,为污染天气的发生和维持以及空气污染物的集聚提供了有利的环流场.污染中期(3月8~10日)冷空气南下,地面冷高压向华东地区移动,重污染区域随冷高压前部的弱低压场或均压场由北向南移动.伴随着天气系统移动,六个地面观测站的边界层特征在时空上表现出相似性,由北向南各站在污染期间先后出现多层逆温,风速较小,逆温层下相对湿度较大.此次多层逆温的形成是由于夜间近地面辐射冷却、冷锋移动过程中产生的锋面逆温以及边界层以上的下沉运动造成的.本研究揭示了在天气系统移动中,位于天气系统相同部位站点的边界层结构具有共同的特征,及其与空气污染的关系.

关键词：空气污染天气系统移动边界层结构多层逆温