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1960-2008年冬季期间,中国南方发生了23次低温冰冻(冻雨)天气事件,其中满足站日数大于10的事件有11次.2008年初中国南方发生了一场影响巨大的区域持续性低温冻雨天气事件,2011年初再次发生了类似的区域持续性低温冻雨事件.提前5天预报这类极端事件是国内外大气科学面临的难题.利用去逐日气候变化后的逐日850 hPa温度扰动,可以提前3~10天发现中国南方持续低温雨雪冰冻(冻雨)事件发生的信号.2008年初和2011初,影响中国南方的850 hPa冷空气扰动具有源地和路径相似性,它们都来自北非-中东并绕过青藏高原北侧到达中国南方,在对流层大气中形成"冷-暖-冷"的温度垂直结构.通过对欧洲中期天气预报模式产品中850 hPa温度扰动的相似性分析,成功地提前4~9天实际预报出了2011年初的中国南方低温冻雨天气过程. 相似文献
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若不考虑特定的数据同化方法,数据同化通常可被分解为先验信息、观测算子、观测误差协方差和背景误差协方差等组成部分.本文基于经典的Lorenz模式,研究了数据同化各组成部分对初始条件误差和预报误差的影响,以期为设计不同尺度天气系统的数据同化方法提供理论基础.研究结果表明,预报误差经历三个典型阶段:0～5天为预报误差的缓慢增长期; 5～15天为预报误差的快速增长期,其中确定性预报和集合预报的误差增长速率具有显著差异; 15天后为预报误差的饱和期.数据同化可通过提供更加准确的初始条件,进而提升可预报性.相比于静态背景误差协方差(B),流依赖的背景误差协方差(Pf)可提供更精确的初始条件,因此当瞬时观测或频繁的时间平均观测被同化时,循环同化效果优于离线同化;但当时间平均观测频率低时则结果相反,这是因为循环同化在模式缺乏预报技巧时无法构造具有信息的先验估计,且流依赖的Pf相比于静态的B不能有效地从含信息量低的观测中提取出观测信息.瞬时观测相比于时间平均观测包含更多的信息,因此在时间频率低的观测系统中,瞬时观测应优先被考虑.此外,集合预报优于确定性预报,且... 相似文献
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中国大陆构造环境监测网络(简称陆态网络)是以全球卫星导航定位系统(GNSS)为主,辅以多种空间观测技术,实时动态监测大陆构造环境变化,探求其对资源、环境和灾害的影响的地球科学综合观测网络.基于陆态网络约200个基准站的GPS观测数据,本文探讨了其在电离层空间天气监测与研究方面的应用.包括磁暴期间电离层暴扰动形态,大尺度电离层行进式扰动,太阳耀斑引起的电离层骚扰和低纬电离层不规则体结构等.研究结果表明:陆态网络布局合理,观测数据质量良好,完全可用于中国及周边地区电离层空间天气监测与研究,为进一步开展我国电离层空间天气预警和预报奠定了观测基础. 相似文献
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郄秀书 袁善锋 陈志雄 王东方 刘冬霞 孙萌宇 孙竹玲 Abhay SRIVASTAVA 张鸿波 卢晶雨 肖辉 毕永恒 冯亮 田野 徐燕 蒋如斌 刘明远 肖现 段树 苏德斌 孙成云 徐文静 张义军 陆高鹏 Da-Lin ZHANG 银燕 余晔 《中国科学:地球科学》2021,(1)
在国家"973"项目"雷电重大灾害天气系统的动力-微物理-电过程和成灾机理"(简称:雷暴973)资助下,2014~2018年连续五年在北京组织开展了雷电(也称闪电)灾害天气系统的暖季综合协同观测实验,旨在获得对北京及周边城市群区域的雷电天气系统特征和规律的实际认识,探索雷电资料在数值预报模式中的同化方法,以期改进雷电重大灾害天气系统的预报效果.主要观测设备包括:由16个子站构成的雷电(全闪)三维定位系统、2台X波段双线偏振多普勒雷达和4台激光雨滴谱仪等,协同观测还充分利用了中国气象局在京津冀地区的中尺度气象观测网.观测结果表明,受地形和环境条件影响,飑线和多单体雷暴是影响北京地区的两类主要的雷电灾害天气系统,它们除产生频繁的雷电活动外,还常伴随突发性局地短时强降水和冰雹,造成城区突发洪涝灾害.雷电密度的高值区位于北京昌平区东部、顺义区的中部和东部以及中心城区.超强雷暴(占总雷暴数的5%)、强雷暴(占比35%)和弱雷暴(占比60%)对总雷电分布的贡献分别为37%、56%和7%.北京城区的热岛效应对过境雷暴增强产生了重要作用,超强雷暴在中心城区的雷电频数可以高达每分钟数百次.雷电活动与雷暴云的热动力、微物理特征之间存在紧密联系,因此雷电频数可以作为冰雹、短时强降水等灾害性天气的指示因子.在对流可分辨数值预报模式中,建立并引入雷电资料同化方案,通过调整或修正模式的热动力和微物理参量,可明显提高模式对强对流和降水的预报效果. 相似文献
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数据同化是在基于物理机制的背景模型上,融合时空不规则分布的观测数据的一种现报方法.同化能够有效弥补数据的时空局限和模型的精度偏差,使二者相互匹配从而获得更加合理可信的模拟效果.本研究利用电离层数据同化方法,针对中国及周边区域（15°N-55°N,70°E-140°E）构建了电离层总电子含量（TEC）同化现报系统.系统使用国际参考电离层（IRI）作为背景场,利用中国科学院空间环境监测网和国际GNSS服务组织（IGS）的部分地基GNSS台站数据作为观测值,并采用三维变分与Gauss-Markov卡尔曼滤波相结合的算法进行背景场和观测值的数据同化,生成覆盖中国及周边区域的电离层TEC和GPS单频接收机延迟误差的格点化准实时现报地图,并在中国科学院空间环境预报中心（http：//sepc.ac.cn/TEC_chn.php）网上发布,每15 min进行更新.该系统是我国基于同化算法的电离层现报系统之一,已用于中国及周边区域的电离层环境实时监测,可为卫星导航、雷达成像、短波通信等科学研究和工程应用提供相对及时、准确、有效的电离层TEC和误差修正信息. 相似文献
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大气温度、湿度、位势高度和风等数值模式变量可以物理分解为纬圈-时间平均的对称部分和时间平均的非对称部分,以及行星尺度瞬变扰动和天气尺度瞬变扰动等四个部分.区域持续性干旱、暴雨、热浪、低温和雨雪冰冻等极端天气事件与前期及同期数值模式中的行星尺度和天气尺度大气扰动系统之间呈现出密切的关系.瞬变扰动天气图可成为预报极端天气事件的新工具.本文在归纳本期9篇原创性文章的基础上,探讨大气变量物理分解后需要进一步研究的理论问题和应用前景. 相似文献
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本文采用高效集合卡尔曼滤波(EnKF)算法和背景场热层电离层理论模式NCAR-TIEGCM,开发了热层电离层数据同化系统.基于全球空地基GNSS电离层斜TEC观测、CHAMP和TIMED/GUVI热层参量观测构型设计了系列观测系统模拟实验,对热层参量进行估计.实验结果表明,(1)通过集合卡尔曼滤波算法同化电离层TEC观测能够较好地优化热层参量.(2)中性质量密度优化效果在整个同化阶段均有提升,提升百分比能达到40%.(3)积分氧氮比在同化阶段也能得到较好的优化,但在电子密度水平梯度变化剧烈区域效果较差.最后本文对中性质量密度进行了预报评估,结果表明,由于中性成分优化,在地磁平静条件下其预报时间尺度可长达24h. 相似文献
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地磁扰动是空间天气中的重要现象,对地基技术系统具有重要的影响.准确预报地磁扰动可以有效避免重大灾害发生.本文基于Weimer电势和磁势模型发展了高纬地区地磁扰动的模拟方法,并与地面台站观测数据进行了比较.地表磁场扰动主要受电离层电流系统的影响,利用Weimer模式计算出电离层等效电流分布后,基于毕奥-萨伐尔定律推导了地磁扰动三分量与电流的关系,最终计算出地磁扰动量.模型的输入参数为太阳风速度、太阳风密度、行星际磁场和磁偶极倾角.模型计算结果与不同纬度和经度的地磁台站观测结果对比表明本文的计算方法能有效地模拟地磁暴期间地磁扰动特征.本文结果对今后发展高纬地区地磁场预报模型奠定了重要基础. 相似文献
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土壤湿度在陆气相互作用过程中扮演着重要的角色,是气候、水文、农业、林业等研究中重要的地球物理参数之一.土壤湿度影响地面蒸散,径流、地表反射率、地表发射率以及地表感热和潜热通量,从而对气候有重要影响,它对大气的影响在全球尺度上仅次于海面温度,在陆地尺度其影响甚至超过海面温度.本文介绍了基于EnKF及陆面过程模型的中国区域陆面土壤湿度同化系统（CLSMDAS,China Land Soil Moisture Data Assimilation System）,以及该系统应用于中国区域陆面土壤湿度同化试验的结果.CLSMDAS包括以下几个部分：1）陆面模式采用美国国家大气研究中心NCAR的陆面过程模型Community Land Model Version3.0（简写为CLM3.0）;2）大气驱动场数据中的降水和地面入射太阳辐射数据来自FY2静止气象卫星每小时产品;3）陆面数据同化方法采用EnKF（Ensemble Kalman Filter）同化方法;4）观测数据包括AMSR-E卫星反演土壤湿度产品以及地面土壤湿度观测资料.利用CLSMDAS对2006年6~9月的土壤湿度同化试验结果的分析表明：陆面模式模拟和同化结果都能比较合理地反映出土壤湿度时空分布,同化的土壤湿度分布与2006年8月重庆、四川发生建国以来最严重的夏伏旱有非常好的对应关系,与发生在9月的湖北东部、广西南部等地的干旱区也有非常好的对应关系. 相似文献
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基于集合Kalman滤波及SCE-UA(shuffled complex evolution)算法发展了能够直接同化微波亮温的土壤湿度同化方案. 该方案以陆面过程模式CLM 3.0中的土壤水模型作为预报算子, 以辐射传输模型作为观测算子. 整个同化过程分为参数优化和土壤湿度同化两个阶段, 利用SCE-UA算法优化辐射传输模型中难以确定的植被光学厚度参数和地表粗糙度参数, 并利用优化参数作为观测算子的模型参数进行同化. 通过人工理想试验表明该同化方案可以明显改善表层土壤湿度的模拟精度, 并且对深层土壤湿度的模拟也有一定程度的改善; 利用AMSR-E亮温(10.65 GHz垂直极化)所进行的实际同化试验表明顶层(0~10 cm)土壤湿度同化结果与观测的均方根误差(RMSE)由模拟的0.05052减小到0.03355, 相对减小了33.6%, 而较深层(10~50 cm)平均减小了20.9%. 这些同化试验显示该同化方案的合理性. 相似文献
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《中国科学:地球科学》2016,(1)
局地强降水可以引发山洪、泥石流等次生灾害,目前准确预报局地强降水依然是天气预报业务的难点.本文针对一次发生在西北太平洋副热带高压边缘、导致12人死亡的极端局地强降水事件,利用集合卡尔曼滤波(En KF)开展多普勒雷达径向风观测资料同化试验,并对En KF同化过程不确定性进行分析.结果表明:不同化观测资料,采用单一初值的确定性预报或增加初值扰动、采用多物理过程的集合预报均不能正确预报强降水发生位置,而利用En KF同化雷达径向速度观测资料能有效改进确定性和集合预报效果,特别是强降水位置预报.通过En KF同化雷达资料,建立深厚的中尺度对流系统是改进降水预报效果的直接原因.在具备了对流发生条件的大尺度环境背景场中,上游地区、对流层中下层经向风和水汽场的合理扰动是影响同化过程和降水预报的关键因素.该个例预报过程受实际可预报性影响,具有不确定性,大尺度初始条件的差异或初始扰动场振幅偏小导致的En KF分析场差异都会对模拟结果造成较大影响,而采用En KF循环同化有助于提高该个例的预报准确性.敏感性试验还表明未来通过改进数值模式或改善观测系统,提供更准确观测信息,可以对此类短时强降水事件做出更准确预报. 相似文献
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2008年1月下旬至2月上旬福建省西部北部出现了历史罕见的雨雪冰冻灾害。利用多普勒雷达反射率、回波顶高、径向速度、垂直风廓线等产品对此次雨雪冰冻天气进行特征分析,通过分析发现:①冰晶和雪的回波强度通常比连续性降水回波弱,在反射率图上,回波表现为边缘毛松,丝缕状纹理结构明显,边缘模糊不清,没有确定的边界;②回波顶高和零度层较低,因为垂直方向大气相对较稳定,不利于对流发展,降水粒子没有发展到高空;③在径向速度图上存在牛眼,说明在低空有急流存在。在低层有环形的零速度线,中高层的零速度线为倒"S"形,表明低层有风切变存在,中高层有冷平流;④风廓线图上高层为西南风,中层为西北风,低层为西南风,近地层为东北风。说明从近地层到高层为"冷-暖-冷-暖"的层结结构,有利于冻雨天气形成。 相似文献
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本文给出了一个基于Gauss-Markov卡尔曼滤波的电离层数据同化系统的初步构建和试验结果.我们选择中国及周边地区部分涉及电离层观测的台站(包括子午工程台站、中国地壳形变网和部分IGS台站)作为观测系统进行模拟试验,背景场利用IRI模式,观测值则由NeQuick模式计算得到.我们的同化结果表明,采用Kalman滤波算法,把部分斜TEC同化到背景模式当中,能够获得较好的同化结果,说明我们设计的算法可行、所选择的各种参数比较合理,采用Gauss-Markov假设进行短期预报也取得了较合理的结果.本项研究经过进一步的改进和完善,可以用来对中国地区的电离层进行现报和短期预报,一方面满足相关空间工程应用,另一方面可以提升现有观测系统的科学意义. 相似文献
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基于残差重采样粒子滤波的土壤水分估算和水力参数同步优化 总被引：1，自引：0，他引：1
陆面数据同化由于能将观测数据和模型模拟有机结合,已逐步发展为地球科学研究的重要方法之一.通过数据同化方法在模型中不断融入新的观测数据,一方面可以有效地校正陆面过程模型的预测轨迹,提高模型状态变量的估算精度,另一方面可以不断减小模型中的不确定因素,优化模型中的相关参数.在众多数据同化算法中,粒子滤波算法不受模型线性和误差高斯分布假设的约束,适用于任意非线性非高斯动态系统,逐渐成为当前数据同化算法研究的热点.本研究基于残差重采样粒子滤波算法发展了一个数据同化方案,将微波亮温数据同化到大尺度半分布式VIC(Variable Infiltration Capacity)陆面水文模型中,对土壤水分进行估算,并对模型中的三个水力参数进行同步优化.最后设计了一系列对比实验并利用美国亚利桑那州在SMEX04(Soil Moisture Experiment 2004)期间获取的一套完整的实验数据对该同化方案进行了验证.结果表明,该同化方案能够大幅度提高土壤水分估算精度,同时模型中的三个水力参数也得到了较好的优化,从而证明了该数据同化方案的有效性. 相似文献
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《中国科学:地球科学》2021,(10)
陆地碳循环是地球生物化学循环的重要组成部分,与人类福祉和可持续发展息息相关,但其模拟和观测都具有高度不确定性.融合模型和观测数据以减少陆地碳循环估计的不确定性、提高其可预测性,已成为陆地碳循环研究前沿.文章综述了陆地碳循环模型与观测各自不确定性的来源和特征,介绍了数据同化和参数估计这两类模型-数据融合方法的数学原理,其实质都是在考虑模型和观测各自误差的基础上,实现模型和观测信息的最优融合.文章进一步分析了陆地碳循环模型-数据融合的挑战和研究热点,重点讨论了真实和虚假的模型"异参同效"及其可识别性,地面通量观测与遥感观测代表性误差的估计,敏感性分析得到的参数后验概率分布对于确定模型误差矩阵的潜在作用,对日光诱导叶绿素荧光等新型遥感观测的同化,并指出把多源观测整合到一个协调一致的碳数据同化系统中绝非易事,然而这方面的突破是发展新一代全球碳数据同化系统的前提.论文最后指出,应用陆地碳循环数据同化,产出更高分辨率、更长时间序列、更可靠和一致的陆地碳循环再分析数据产品,对于准确估计全球和区域碳循环、实现碳管理和碳中和具有重要意义. 相似文献
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针对四川盆地东部的2006年特大干旱, 分析MODIS遥感观测资料对旱情的响应, 以探求区域干旱遥感监测的可操作性方案. 首先, 依据地面气象和水文观测初步估算了旱情的发展过程和空间分布范围, 利用MODIS产品计算了2001~2006年夏季每8天的地表水分遥感指数; 然后, 构造并计算了地表水分距平遥感指数, 用之检验了四川盆地东部特大干旱的遥感响应; 最后, 基于地表水分距平遥感指数分析了不同植被覆盖类型对干旱的敏感性. 研究结果表明: 该距平指数对水分盈缺敏感, 优于基于绝对含水量的遥感监测方法, 准确提取了四川盆地东部2006年特大干旱的时空格局, 重建了旱情的发展和消退历程, 同相关旱情统计比较吻合. 同干旱的地面监测比较, 该方法不仅考虑了局地需水持水特性, 而且克服了观测站点的空间代表性局限, 能快速提供区域旱情的详细空间分布, 因此为区域干旱的日常监测提供了一个具可操作性的实用方案. 相似文献
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《中国科学:地球科学》2018,(11)
文章研究了基于理论模型TIEGCM的电离层热层同化预报系统,通过同化模拟的COSMIC掩星观测电子密度廓线,利用集合卡尔曼滤波方法和联合状态参数估计理论,优化估计了离子成分、中性大气温度、风场以及中性成分等背景参数.电子密度的误差统计结果显示,氧离子和中性成分对电子密度预报改善效果最佳,温度和风场较差.在同化期间离子成分、中性成分和温度的优化在12h内分别使电子密度的误差下降约30%、40%和10%.由于作用于不同的物理化学过程,中性成分、温度和离子成分影响的弛豫时间分别约为12h以上、6h和3h.同化9h以后中性成分的优化对电子密度预报的改善效果好于离子成分,这表明中性成分在电离层预报中是最重要的热层背景参数.实测数据同化结果显示,离子成分和中性成分均可使电子密度预报偏差减小约20%,并且中性成分的弛豫时间更长. 相似文献
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本文以拉格朗日观点分析北极涛动(Arctic Oscillation,AO),也被称为北半球环状模(Northern Hemisphere Annular Mode,NAM)的指数异常事件中北极近地面冷气团的活动路径,直接地表现出了异常事件中冷气团运动的优势路径,从而反映出AO/NAM对地面气温的直接调控作用.在正AO/NAM指数异常事件中,极区近地面冷气团活动轨迹以纬向环流为主,表现为环绕北半球中高纬地区的冷气团活动轨迹特征明显.而在负AO/NAM指数异常事件中,极区冷气团以反气旋式轨迹流出极区后,流入中纬度海洋上的低气压区,这种由极区向中纬度地区流动的经向运动轨迹特点显著.并且在指数下降的中后期出现两种强烈影响欧亚大陆的运动轨迹.正负事件中冷气团运动轨迹很好地解释了传统公认的AO/NAM对北半球不同地区冬季气温的影响.特别是对中国冬季气温的影响上,正AO/NAM指数异常事件中的中低层冷气团活动有利于南支槽加深,进而为南方地区冰冻雨雪天气提供了有利条件;而负事件中的极地近地面冷气团可直接影响东北地区,形成寒潮降温天气. 相似文献