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新一代火星大气模式GoPlanet-Mars V1的研制

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科学通报 2024年第10期69卷 1343-1350页

作者：董理普业李艺苑刘鸿波刘娟娟邓世雅黄叶薇刘明宇刘帅王斌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 中国科学院大学海洋学院青岛266400 中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049

火星探测是当前国家高科技竞争力的标志,世界航天强国均研制火星大气模式,为登陆探测提供气象环境保障.本文描述了我国新一代火星大气模式(global open planetary atmospheric model for Mars,缩写GoPlanet-Mars,简称GoMars)的研制,其... 详细信息

火星探测是当前国家高科技竞争力的标志,世界航天强国均研制火星大气模式,为登陆探测提供气象环境保障.本文描述了我国新一代火星大气模式(global open planetary atmospheric model for Mars,缩写GoPlanet-Mars,简称GoMars)的研制,其中的动力框架完全自主研发,具有二阶精度、能保证质量守恒.GoMars引进并耦合了美国宇航局艾姆斯研究中心的火星物理过程,具备模拟沙尘、水和CO_(2)的能力.基于我国“祝融号”、美国“维京1号、2号”的实测数据以及国际火星大气全球数据集评估了GoMars,结果表明:GoMars能成功再现3个探测器记录的火星大气独特的地表气压“两峰两谷”特征;在全球地表温度、纬向急流、极区CO_(2)冰和沙尘方面,GoMars也具备良好的模拟性能,可为我国火星探测计划实施提供新的气象环境保障手段.

关键词：火星大气模式气象环境祝融号

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中美大陆区域气溶胶成分消光贡献研究综述

大气科学 2024年第1期48卷 273-286页

作者：辛金元吴肖燕张文煜孔令彬马翼宁马永敬中国科学院大气物理研究所大气边界层物理与大气化学国家重点实验室北京100029 中国科学院大学北京100049 国家气象信息中心北京100081 兰州大学大气科学学院兰州730000 郑州大学地球科学与技术学院郑州450001

气溶胶消光作用是影响大气能见度的主控因素,气溶胶浓度、成分与其散射和吸收特性的非线性关系导致其对能见度的影响存在较大不确定性。1988~2008年美国IMPROVE(Interagency Monitoring of Protected Visual Environments)能见度监测网... 详细信息

气溶胶消光作用是影响大气能见度的主控因素,气溶胶浓度、成分与其散射和吸收特性的非线性关系导致其对能见度的影响存在较大不确定性。1988~2008年美国IMPROVE(Interagency Monitoring of Protected Visual Environments)能见度监测网络各区域的重构细颗粒物(RCFM)浓度范围为1.4~19.4μg m^(-3),重构气溶胶消光系数为10.0~172.5 Mm^(-1)(1 Mm^(-1)=10^(-6) m^(-1))。2006~2018年中国各地区已有观测的平均细颗粒物PM2.5浓度为14.3~188.3μg m^(-3),对应的重构消光系数为52.6~1044.0 Mm^(-1)。美国地区PM2.5浓度水平与我国三亚地区相当;硫酸盐是气溶胶消光的最大贡献成分,占比可高达77%;其次是有机物,最大可达50%;而硝酸盐只有在南加州对气溶胶消光的贡献较大,超过了30%。同时,由于东部的相对湿度高于西部,东部和西部的消光差异比气溶胶浓度的差异更显著。在我国,硫酸盐和有机物同样是消光的主要成分,贡献分别为21%~57%和21%~39%;硝酸盐只在华中地区是主要的消光成分,超过了30%。我国气溶胶浓度和消光水平显著高于美国地区,当前广泛使用的气溶胶消光IMPROVE方程存在较高误差,消光系数低值高估和高值低估范围可达-60%~35%;并且污染越严重,消光低估越显著。采用较大误差的气溶胶消光算法将直接影响我国大气污染防治与蓝天计划的准确实施,随着我国大气污染防治工作的深入开展,急需针对我国各类环境和气候区域进行气溶胶成分消光的精准核算与溯源研究,为我国大气能见度提升提供关键科技支撑。

关键词：气溶胶 PM2.5 化学成分消光系数 IMPROVE方程大气能见度

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利用深度学习预报美国东北部日降水分布

大气科学学报 2024年第1期47卷 55-64页

作者：张弛陈国兴杨洪涛复旦大学大气与海洋科学系/大气科学研究院/中国气象局-复旦大学海洋气象灾害联合实验室上海200438 上海期智研究院上海200232 复旦大学上海市海洋-大气相互作用前沿科学研究基地上海200438

现阶段降水预报主要依靠数值天气预报模式。但受物理参数化、计算资源等因素的影响,基于数值模式的降水预报还存在非常大的不确定性。近年来,深度学习在天气预报领域显示出巨大优势和潜力。本文通过构建神经网络预报美国东北部日降水分... 详细信息

现阶段降水预报主要依靠数值天气预报模式。但受物理参数化、计算资源等因素的影响,基于数值模式的降水预报还存在非常大的不确定性。近年来,深度学习在天气预报领域显示出巨大优势和潜力。本文通过构建神经网络预报美国东北部日降水分布,探讨神经网络模型基于低分辨率气象场(ERA-Interim, 0.7°)预报高分辨率降水(CPC,0.25°)的能力,并比较3种主流网络框架(VGG,ResNet, GoogleNet)在该任务中的表现。结果表明,3种网络框架都对美国东北部日降水分布具有一定的预报能力(VGG框架表现最优),但三者的均方根误差(RMSE)均高于ERA-Interim 24-h(ERA24)的降水预报。3种神经网络的集合预报结果优于ERA24预报,且这三者与ERA24预报结果的集合平均能够显著提高ERA24对不同季节、不同强度降水的预报。

关键词：降水预报深度学习神经网络框架模式评估美国东北部

2008年M_(W)7.9汶川地震早期余震频度衰减速率空间分布特征分析

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地球物理学报 2024年第8期67卷 3017-3031页

作者：侯金欣王宝善彭志刚袁松湧石家庄铁道大学安全工程与应急管理学院石家庄050043 中国科学技术大学地球和空间科学学院合肥230026 美国佐治亚理工学院地球与大气科学学院佐治亚州亚特兰大30332-0340 中国地震局地球物理研究所地球物理先导技术研究室北京100081

深入认识余震频度衰减及其影响因素对理解余震触发机理和震后应急救援具有重要意义.然而,由于强震后余震数量庞大,波形相互叠加导致了目录中余震缺失,进而影响了余震频度衰减速率的估计.本研究采用模板匹配技术对2008年M_(W)7.9汶川地... 详细信息

深入认识余震频度衰减及其影响因素对理解余震触发机理和震后应急救援具有重要意义.然而,由于强震后余震数量庞大,波形相互叠加导致了目录中余震缺失,进而影响了余震频度衰减速率的估计.本研究采用模板匹配技术对2008年M_(W)7.9汶川地震后约50天内连续数据进行扫描,检测余震数量约为模板地震数量的5倍,完备震级由M3.0降低到M2.3.根据余震沿映秀—北川断裂走向优势深度分布的变化,以映秀、汶川、茂县、北川、南坝为界,余震活动大致可分为6个区域.本研究利用最大似然法分别计算了各个区域的余震频度衰减速率,结果显示:以茂县、青川为界,余震频度衰减速率表现出映秀—北川断裂西南段较快、中间段居中、东北段较慢的特征.将余震频度衰减速率和余震空间分布、断裂类型、震后形变、同震形变等进行对比分析,本研究得到以下结论:1、余震频度衰减速率分区与断裂类型分区吻合.其中,映秀—北川断裂西南段余震频度较快衰减速率区域断裂以逆冲为主,中间段为经过各种震源机制类型交替出现的过渡带,映秀—北川断裂东北段余震频度较慢衰减速率区域断裂以右旋走滑为主;2、余震频度衰减速率西南段较快、东北段较慢的空间分布特征与震后形变特征相一致;3、余震频度衰减速率与同震形变相关性不强.结合本研究观测到的同震滑移量较大区域余震分布较少、部分区域余震数目和震后形变空间分布一致性等特征,我们推测汶川地震早期余震可能主要与震后余滑相关,余震频度衰减速率的空间分布差异主要与不同类型断裂震间滑移速率不同相关,震间滑移速率较快的区域余震频度衰减速率较快及震后形变较大.

关键词：汶川地震模板匹配早期余震频度衰减断裂类型震后形变

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四川盆地城市群臭氧污染时空精细演变特征的观测与模拟

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中国环境科学 2024年第1期44卷 1-14页

作者：张小玲雷雨王聪聪吴锴杨显玉谭钦文陆成伟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 加州大学尔湾分校土木与环境工程学院美国尔湾92617 成都市生态环境科学研究院四川成都610046

基于四川盆地污染物浓度和气象数据,结合ERA5再分析资料研究了2019年8月22~28日臭氧(O_(3))污染过程的演变及高低空大气环流特征,并利用高分辨率中尺度天气预报模式WRF和多尺度空气质量模型CMAQ探究了O_(3)形成与传输过程.结果表明:①O_... 详细信息

基于四川盆地污染物浓度和气象数据,结合ERA5再分析资料研究了2019年8月22~28日臭氧(O_(3))污染过程的演变及高低空大气环流特征,并利用高分辨率中尺度天气预报模式WRF和多尺度空气质量模型CMAQ探究了O_(3)形成与传输过程.结果表明:①O_(3)浓度的分布特征与风向、温度的分布密切相关,O_(3)高值区主要位于高温和主导风向的下风向区域.污染过程中南亚高压和西太平洋副热带高压稳定地控制整个四川盆地,700和850hPa均受高压控制,盛行下沉气流,地面升温,促进O_(3)的迅速生成,同时抑制了地面O_(3)向高空的稀释扩散.②夜间1000m高度上O_(3)浓度水平和空间分布特征受白天地面O_(3)_8h浓度分布以及风场传输作用的影响较大.夜间O_(3)低值主要在盆地底部地区,成都及重庆市区受NO滴定作用影响,为两大低值中心,O_(3)高值中心受山脉阻挡作用,呈带状堆积在盆地边缘地区.③利用WRF-CMAQ模型中的过程分析量化不同物理化学过程对O_(3)浓度的相对贡献,垂直传输过程和气相化学是白天O_(3)的主要来源,干沉降和水平平流为地面O_(3)的主要汇.④利用ISAM综合源解析方法估算城市间输送对O_(3)浓度的相对贡献.受东北风输送的影响,模式边界对川东北城市群贡献为58.86%~79.23%;东南风使重庆O_(3)浓度受边界的影响较大,贡献约为72.50%.NO_(2)贡献的来源主要为城市自身及周边城市的传输.川东北城市群的NO_(x)排放较低,来自模式边界以及重庆地区的输入对川东北城市群有较大的贡献.⑤生物源、工业源和交通源对四川盆地O_(3)浓度的贡献显著,而居民源和电厂的贡献较低.成都、德阳、重庆、眉山、内江、宜宾等城市工业源的贡献率较高.

关键词：臭氧污染传输过程化学生成来源贡献数值模拟

基于MSISE-90研究高海拔宇宙线观测站处的大气深度廓线模型

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物理学报 2024年第16期73卷 229-237页

作者：祝凤荣柳靖夏君集张丰刘虎西南交通大学物理科学与技术学院成都611756 西藏大学理学院拉萨850000 天府宇宙线研究中心成都610213

高海拔宇宙线观测站(LHAASO)位于四川省稻城县海子山,它的广角切伦科夫望远镜阵(WFCTA)主要是通过观测广延大气簇射过程中产生的切伦科夫光信号对宇宙线进行研究.WFCTA的标定、模拟和重建都和大气深度有关,目前使用的大气深度模型是美... 详细信息

高海拔宇宙线观测站(LHAASO)位于四川省稻城县海子山,它的广角切伦科夫望远镜阵(WFCTA)主要是通过观测广延大气簇射过程中产生的切伦科夫光信号对宇宙线进行研究.WFCTA的标定、模拟和重建都和大气深度有关,目前使用的大气深度模型是美国标准大气深度廓线模型.本研究中将美国标准大气深度廓线模型与卫星TIMED搭载的红外辐射计SABER记录到的LHAASO处14-50 km处的大气深度廓线进行比较,同时也与LHAASO处地面气象站记录的大气深度进行比较,美国标准大气模型的大气深度均偏小.MSISE-90大气模型描述了地球大气中从地面到热层的中性温度和密度,进一步研究发现MSISE-90大气模型与TIMED/SABER和LHAASO处地面标准气象站记录的大气深度的一致性较好.根据MSISE-90大气模型计算得到LHAASO处的大气深度均值廓线在1月最低,其次是2月、3月、4月、11月和12月,这也是WFCTA运行的最佳观测月份.4月份的大气边界层最高,其大气深度存在约2%的日变化.利用美国标准大气模型的函数形式,拟合每月的4.4-100 km处的大气深度廓线,得到了LHAASO处的每月的大气深度廓线模型,并比较了30°天顶角入射的100 TeV的宇宙线质子在MSISE-90大气模型和美国标准大气模型中产生的切伦科夫光的横分布的差异,二者最大差异约可以达到20%.

关键词： MSISE-90大气模型大气深度廓线高海拔宇宙线观测站切伦科夫光

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沙漠绿洲地区夏季地表能量收支的数值模拟

地球物理学报 2009年第5期52卷 1197-1207页

作者：刘树华潘英胡非刘和平梁福明辛国君王建华北京大学物理学院大气科学系北京100871 国家气候中心中国气象局气候研究开放实验室北京100081 中国科学院大气物理研究所大气边界层和大气化学国家重点实验室北京100029 美国杰克逊州立大学物理、大气科学系和地球科学系 JacksonMS39217U.S.A

本文在MSPAS(Modified Soil-Plant-Atmosphere Scheme)的基础上,引入了一个有效的晴天大气辐射传输方案,建立了一个能在物理上真实地模拟陆气相互作用及其反馈机制的二维模式MLAIM(Modified LandAtmosphere Interaction Model).本文利用HEIFE实验的观测资料对MIAIM的模拟结果进行了检验,对其中不合理的部分进行了分析,指出了在干旱半干旱区陆面过程参数修正的必要性,对干旱半干旱区土壤水分传输以及大气近地面层湍流输送的参数化方案进行了改进.改进后的模式能够较好地模拟夏季连续晴天条件下沙漠的地表能量收支,因此,本文利用MIAIM研究了绿洲对其周围沙漠地表能量收支的影响,并对地表能量收支各分量之间的相互作用进行了分析.结果表明,绿洲向其下风向沙漠的水汽输送是导致其上下风向沙漠间地表能量收支差异的最重要的因子.

关键词：沙漠绿洲夏季地表能量收支陆气相互作用数值模拟

基于O_(2)大气带及近红外大气带气辉的临近空间温度廓线联合反演

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地球物理学报 2024年第9期67卷 3265-3276页

作者：武魁军王治华王道琦宿家瑞于光保李发泉何微微烟台大学物理与电子信息学院山东烟台264005 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院武汉430071

临近空间大气温度廓线信息对于支撑临近空间开发与利用具有重要的学术意义和工程价值.基于O_(2)分子气辉光谱理论及大气辐射传输机理提出了利用O_(2)大气带及近红外大气带气辉光谱信号联合反演临近空间温度廓线的方法.利用"剥洋葱"算法... 详细信息

临近空间大气温度廓线信息对于支撑临近空间开发与利用具有重要的学术意义和工程价值.基于O_(2)分子气辉光谱理论及大气辐射传输机理提出了利用O_(2)大气带及近红外大气带气辉光谱信号联合反演临近空间温度廓线的方法.利用"剥洋葱"算法,处理扫描成像吸收光谱仪(SCanning Imaging Absorption SpectroMeter for Atmospheric CHartographY,SCIAMACHY)在临边观测模式下测量得到的O_(2)(a^(1)Δ_(g))波段和O_(2)(b^(1)∑_(g)^(+))波段的气辉辐射光谱信号,采用最优化算法分别反演得到了50~110 km以及80~130 km的温度廓线信息,并通过与宽带辐射大气测量仪(Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry,SABER)、大气化学实验傅里叶变换光谱仪(Atmospheric Chemistry Experiment Fourier transform spectrometer,ACE-FTS)、迈克尔逊被动大气探测干涉仪(Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding,MIPAS)等遥感卫星的温度产品数据对比,验证了O_(2)(a^(1)Δ_(g))波段和O_(2)(b^(1)∑_(g)^(+))波段气辉反演温度的可靠性与合理性.研究结果表明,利用O_(2)大气带及近红外大气带气辉联合反演温度可以有效覆盖中间层-低热层的临近空间区域(50~130 km);O_(2)(a^(1)Δ_(g))及O_(2)(b^(1)∑_(g)^(+))波段气辉光谱在80~100 km高度范围内存在交叠区域,温度反演结果的相关系数优于99.9%;自吸收效应与大气散射,以及光谱污染及信噪比降低分别是导致50以下及130 km以上区域温度反演结果出现偏差的主要原因.

关键词：温度反演卫星遥感气辉辐射临边观测剥洋葱算法最优化算法

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全无机钙钛矿太阳电池:现状与未来

化学进展 2020年第10期32卷 1608-1632页

作者：马晓辉杨立群郑士建戴其林陈聪宋宏伟河北工业大学材料科学与工程学院天津300130 杰克逊州立大学化学、物理和大气科学系杰克逊39217 吉林大学电子科学与工程学院集成光电子国家重点实验室长春130012

近年来,基于ABX_3结构的有机无机杂化钙钛矿材料因其具有优良的光电特性和廉价的制作成本得到了全世界的广泛关注,但体系中的有机组分容易受到光、热、湿等外界条件的影响而分解,导致器件的PCE发生严重的下降,极大地限制了PSCs(Perovski... 详细信息

近年来,基于ABX_3结构的有机无机杂化钙钛矿材料因其具有优良的光电特性和廉价的制作成本得到了全世界的广泛关注,但体系中的有机组分容易受到光、热、湿等外界条件的影响而分解,导致器件的PCE发生严重的下降,极大地限制了PSCs(Perovskite solar cells,PSCs)的产业化进程。利用纯无机阳离子完全取代ABX3结构中的A位有机阳离子制备出全无机钙钛矿材料,因其优异的热稳定性和环境稳定性而得到了快速的发展。现阶段,基于全无机钙钛矿材料的全无机钙钛矿太阳能电池(I-PSCs)的效率已超过19%,应用前景广阔。本文回顾了近年来全无机钙钛矿材料的研究进展,对不同类型的全无机钙钛矿材料进行了综述和讨论,从成膜工艺、掺杂工程、后处理工程等方面论述了如何提升器件的稳定性。最后,对I-PSCs的大面积制备及其柔性应用进行了介绍,揭示了I-PSCs面临的挑战,并对该领域进行了展望。

关键词：全无机钙钛矿太阳能电池掺杂热稳定性相稳定性