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大气科学 2025年第1期49卷 23-37页

作者：戴秋丹郭振海王龙欢孙向明谢正辉孙菽芬肖霞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(LASG) 北京100029 新加坡国立大学新加坡118415 中国科学院大气物理研究所公共技术服务中心北京100029

基于2010~2019年ERA5单层再分析资料,结合安徽省淮南森林观测站2016年5月1日至2017年4月30日的大气边界层塔(PBL塔)观测资料,驱动陆面模式CLM4.5(Community Land Model Version 4.5),模拟了淮南山地森林下垫面上的陆面过程,并比较分析... 详细信息

基于2010~2019年ERA5单层再分析资料,结合安徽省淮南森林观测站2016年5月1日至2017年4月30日的大气边界层塔(PBL塔)观测资料,驱动陆面模式CLM4.5(Community Land Model Version 4.5),模拟了淮南山地森林下垫面上的陆面过程,并比较分析了不同驱动场对其影响,同时设计了土壤质地对土壤湿度影响的三个模拟试验。结果表明,CLM4.5对淮南森林陆气交换过程表现了较好的模拟性能,PBL塔观测资料驱动的总体模拟效果优于ERA5再分析资料的。在辐射模拟方面,CLM4.5利用ERA5资料和PBL塔观测资料,都很好地模拟了辐射分量,特别是PBL塔观测资料驱动的全年模拟结果与观测相关系数达0.97以上,均方根误差在25.056 W m^(-2)以下。ERA5再分析资料强迫模拟的相关系数略低,但也达到了0.92,均方根误差在29.939 W m^(-2)以下。在土壤温度模拟方面,相关系数都达到0.98以上;土壤湿度模拟的相关系数都在0.86以上,但系统性偏高;对感热通量的模拟全年平均的相关系数分别为0.72和0.78。实测的三层土壤质地加上深层给定的土壤质地的数据对土壤湿度的模拟结果与观测最为接近,土壤质地的准确描述可以大幅提高土壤湿度的模拟。本研究发现ERA5单层再分析资料在淮南森林站精度较好,可以应用于该山地森林区域陆—气交换过程的模拟研究。

关键词： CLM4.5陆面模式南北气候过渡带山地森林土壤质地

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基于区域自动站降水数据的厦门暴雨过程空间划分及强度评估研究

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大气科学 2025年第1期49卷 123-137页

作者：池艳珍吴伟杰王彦明郑伟鹏厦门市海峡气象开放重点实验室厦门361012 厦门市气象服务中心厦门361012 中国科学院大气物理研究所地球系统数值模拟科学中心北京100029 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(LASG) 北京100029

区域自动气象站的广泛应用极大地提高了当前气象监测的覆盖面和精密度,能够为中小尺度灾害性天气监测预警和区域气象服务、气候分析等科研和业务应用提供重要的数据支撑。本文基于2015~2021年厦门市国家气象站和区域自动气象站逐日降水... 详细信息

区域自动气象站的广泛应用极大地提高了当前气象监测的覆盖面和精密度,能够为中小尺度灾害性天气监测预警和区域气象服务、气候分析等科研和业务应用提供重要的数据支撑。本文基于2015~2021年厦门市国家气象站和区域自动气象站逐日降水资料,对厦门市暴雨空间范围、强度和天气背景等进行分析,得到如下主要结论:(1)基于各区观测站点的面积权重,研制了暴雨过程空间范围划分指标,根据过程日最大值将暴雨过程划分为局地暴雨、部分暴雨、大部暴雨及全域暴雨;综合考虑评估因子之间的独立性及站点非均匀分布,基于不同量级暴雨站数和致灾影响,研制了暴雨过程强度评估指标,利用百分位法确定暴雨过程强度等级,实现暴雨过程空间范围和强度的紧密关联。(2)受山、海、湾、城地形地貌特点影响,厦门市降水的区域非均匀、局地性特点突出,平均年降水量、暴雨频次分布呈现从沿海向内陆递增,暴雨频次与地形的分布密切相关。(3)2015~2021年期间,共出现局地、部分、大部及全域暴雨过程106、37、16和5场;各月均出现暴雨过程,但集中于主汛期5~9月,以6月和8月为最多;164场暴雨过程包括特强、强、较强和一般强度分别为8、24、33和99场,总强度和平均强度均以2016年居首位、2020年最弱,8场特强暴雨的空间范围均在大部以上,而99场一般暴雨均为局地暴雨。(4)部分暴雨以上过程的典型影响系统包括冷空气活动、台风等热带低值系统、偏南气流、热带辐合带北抬、低层切变线及强对流等,大部以上特别是全域暴雨则主要由冷空气活动及台风(含热带低压)造成。在简述大部以上暴雨类型天气背景基础上,对2015年12月9日的罕见冬季全域特强暴雨进行了详细分析。本文所得结果可为开展监测评估、预报预警和精细化气象服务提供参考。

关键词：暴雨过程区域自动气象站空间类型强度评估

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中高层大气环境变异及天气气候致灾效应——重大项目简介及最新进展

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大气科学学报 2025年第1期48卷 8-25页

作者：田文寿卞建春陆高鹏肖子牛尹志聪黄金龙胡定珠周放张重阳宋晓蕾兰州大学大气科学学院甘肃兰州730000 中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测重点实验室北京100029 中国科学技术大学地球和空间科学学院安徽合肥230026 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 南京信息工程大学大气科学学院江苏南京210044

中高层大气因其对天气气候的显著影响而被列为世界天气气候研究计划前沿科学研究领域。同时,作为航空到航天的过渡空间,中高层大气被视为国防安全的“高边疆”。然而,由于观测数据不足以及缺乏完备的中高层大气模式,我国对中高层大气环... 详细信息

中高层大气因其对天气气候的显著影响而被列为世界天气气候研究计划前沿科学研究领域。同时,作为航空到航天的过渡空间,中高层大气被视为国防安全的“高边疆”。然而,由于观测数据不足以及缺乏完备的中高层大气模式,我国对中高层大气环境变异及其天气气候致灾效应的认识还很薄弱。为了加深对中高层大气的认识,国家自然科学基金委资助了重大研究项目“中高层大气环境变异及天气气候致灾效应”,该项目旨在:1)发展中高层大气成分观测的新技术和方法,开展“天空地”一体化多要素协同观测,获取中高层大气的多时空尺度观测资料;2)研究跨大气层相互作用和多源扰动对中高层大气的影响,量化外部强迫因子和内部变率对中高层大气变异的影响及贡献;3)完善模式的中高层大气物理化学过程,发展中高层大气资料同化系统;4)揭示中高层大气环境变异对东亚极端天气气候的影响和机制,评估其致灾效应和风险。该研究将为防灾减灾、气候变化应对以及国防安全保障提供重要的科技支撑和决策依据。本文简要介绍了该项目的研究背景和内容、关键科学问题及最新研究进展。

关键词：中高层大气协同观测数据同化化学-辐射-动力反馈地球系统模式极端天气气候事件

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静止气象卫星大气廓线目标观测及在高影响天气预报中的影响

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中国科学:地球科学 2025年第4期55卷 991-1005页

作者：韩威尹若莹李俊刘永柱王金成李永辉秦晓昊张志清沈学顺中国气象局地球系统数值预报中心北京100081 国家卫星气象中心北京100081 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 灾害天气国家重点实验室北京100081 中国科学院大学北京101408

对高影响天气预警预报而言,针对天气敏感区进行高时间频次的大气温湿度廓线目标观测比常规观测更具价值.条件非线性最优扰动方法和线性奇异向量方法可用于确定目标观测敏感区,而静止气象卫星上搭载的红外高光谱大气探测仪则能够在这些... 详细信息

对高影响天气预警预报而言,针对天气敏感区进行高时间频次的大气温湿度廓线目标观测比常规观测更具价值.条件非线性最优扰动方法和线性奇异向量方法可用于确定目标观测敏感区,而静止气象卫星上搭载的红外高光谱大气探测仪则能够在这些敏感区进行目标观测.我国风云四号系列静止卫星红外高光谱探测仪(GIIRS)能够在可能发生恶劣天气的目标区实现频次高达15min的连续观测,针对敏感区调整观测模式,获取超高时间频次的观测数据,为目标观测提供了前所未有的机遇.高时间分辨率的观测不仅能够提供三维大气热力场结构,还可以通过追踪水汽的移动获取三维大气动力场信息.此外,高频次晴空辐射率的时变信息还可以提高大气廓线反演精度和资料同化效果,从而提升高影响天气预报能力并改进数值预报技巧.本文讨论了风云四号A星和B星上GIIRS目标观测在高影响天气预报中的应用,重点利用中国气象局全球四维变分同化预报系统(CMA-GFS),在实时业务环境下进行GIIRS同化,并在多个台风案例中分析GIIRS目标观测对预报的影响.同时,比较了条件非线性最优扰动方法和线性奇异向量方法在识别敏感区方面的差异.研究结果表明,高时间分辨率的观测能够改进台风预报,并且更高的观测频次对台风预报效果更佳,论证了风云四号静止卫星系列GIIRS目标观测在高影响天气预报中的重要价值,为国际上正在发展的新一代静止气象卫星大气探测系统的应用提供了新的思路.

关键词：目标观测 GIIRS 资料同化高时间分辨率 THORPEX

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云南西南部2010年代5～6月降水突变减少的成因分析

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气候与环境研究 2025年第2期30卷 141-150页

作者：韩迁立肖子牛陈权亮云南省红河州气象局气象灾害防御技术中心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室验室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

5～6月是云南干季和雨季转换的关键期，其间降水量的多寡对当地农业生产和生态环境有重要影响，也是雨季开始期早晚的重要指标。本文利用1971～2022年云南5～6月站点观测降水资料和同期NCEP/NCAR再分析资料对该区域5～6月降水的变化特... 详细信息

5～6月是云南干季和雨季转换的关键期，其间降水量的多寡对当地农业生产和生态环境有重要影响，也是雨季开始期早晚的重要指标。本文利用1971～2022年云南5～6月站点观测降水资料和同期NCEP/NCAR再分析资料对该区域5～6月降水的变化特征进行分析研究，结果发现：云南西南部5～6月降水呈现显著下降的趋势，并在2009年发生气候突变，2010年之后显著减少。进一步的分析表明，热带西印度洋海温暖异常，会导致中南半岛北部和云南地区上空200 hPa高层大气辐散和700 hPa辐合减弱，不利于大气垂直上升运动和降水；还会导致中亚和孟加拉湾地区500 hPa高度场正异常，使得中高纬地区东移南下的冷空气和南支槽前的西南气流减弱，不利于云南西南部地区降水天气过程的形成；同时，西印度洋海温暖异常也导致大气低层从南海海域到中南半岛形成异常反气旋环流，云南出现西北风异常，西南风的水汽输送减弱，进而造成云南西南部5～6月降水减少。热带西印度洋海温持续上升及其在2010年代末期的突变增暖，是导致云南西南部降水突变减少的关键驱动因子。

关键词：云南西南部 5~6月降水热带西印度洋海温大气环流水汽输送

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用格子Boltzmann模型模拟垂直平板间的热对流

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物理学报 2004年第3期53卷 671-675页

作者：赵颖季仲贞冯涛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

引入一个新的能量分布函数 ,利用该能量分布函数与粒子速度分布函数耦合来求解一个热流场 .因而 ,这一能量分布函数与粒子速度分布函数和Boltzmann方程构成了一个新的格子Boltzmann模型 .这一模型满足质量、动量和能量守恒的准则 .用该... 详细信息

引入一个新的能量分布函数 ,利用该能量分布函数与粒子速度分布函数耦合来求解一个热流场 .因而 ,这一能量分布函数与粒子速度分布函数和Boltzmann方程构成了一个新的格子Boltzmann模型 .这一模型满足质量、动量和能量守恒的准则 .用该模型对垂直平板间的狭缝热对流进行了数值模拟 ,数值结果表明 ,在Prandtl数为 1,Grashof数在 1 3× 10 2 — 1× 10 6 之间时 ,流场将出现多个旋涡结构的流型 .

关键词：能量分布函数热对流 Boltzmann方程粒子速度分布函数能量守恒动量守恒质量守恒热力学

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基于TRMM卫星资料揭示的亚洲季风区夏季降水日变化

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中国科学：地球科学 2012年第4期42卷 564-576页

作者：毛江玉吴国雄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

利用1998~2008年间热带测雨卫星TRMM 3B42降水率资料,从气候学角度揭示了亚洲季风区夏季降水日变化特征.基于降水量日变化振幅和位相的空间分布,分析了地形对日变化的影响以及位相传播规律.结果表明,降水日变化振幅和位相存在显著的地... 详细信息

利用1998~2008年间热带测雨卫星TRMM 3B42降水率资料,从气候学角度揭示了亚洲季风区夏季降水日变化特征.基于降水量日变化振幅和位相的空间分布,分析了地形对日变化的影响以及位相传播规律.结果表明,降水日变化振幅和位相存在显著的地域性差异.亚洲大部分陆地及海岸带、印度尼西亚群岛及其附近洋面降水日变化显著,其相对振幅大都在40%以上.其中海岸带的陆面（如我国东南沿海地区、中南半岛沿岸）和孟加拉湾西北部的洋面上,降水最大值至少是日平均值的两倍.尽管热带陆面上降水日变化的基本特征是极大值一般出现午后至傍晚（15~18时）,但印度半岛中南部和中南半岛中部地区的峰值位相却推迟到21~00时.在西太平洋和赤道印度洋上,降水的日变化较弱,其相对振幅低于40%,相应的峰值位相出现在午夜至早晨（00~06时）.可是,在南海、孟加拉湾北部和阿拉伯海东部这三个洋面上,降水峰值却出现白天（09~15时）.南亚和东亚一些地区的降水日变化,峰值位相还具有明显的经向传播.在印度中东部地区,同时存在自北（25°N附近）向南和自南（最南端陆面）向北的位相传播,二者均到达中部地区而结束.沿着我国东部和加里曼丹岛所在经度带,前者位相从海洋（南海北部）向内陆（华南）传播,而后者从陆地（加里曼丹岛屿）向外海传播,显示出海岸带型日变化规律.孟加拉湾海域降水日变化位相具有纬向传播特征,极大降水区于凌晨起源于印度半岛东岸的海陆交界处,其后向东传播,于18时到达孟加拉湾东岸,最后深入中南半岛.

关键词： TRMM 亚洲季风区夏季降水日变化

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混沌系统可预报期限随初始误差变化规律研究

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物理学报 2008年第12期57卷 7494-7499页

作者：丁瑞强李建平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

利用非线性误差增长理论计算了Logistic映射和Lorenz系统可预报期限随初始误差的变化,发现Logistic映射等简单混沌系统的可预报期限与初始误差的对数存在线性关系.在非线性误差增长理论的框架下,理论分析表明,平均误差增长达到一定值时... 详细信息

利用非线性误差增长理论计算了Logistic映射和Lorenz系统可预报期限随初始误差的变化,发现Logistic映射等简单混沌系统的可预报期限与初始误差的对数存在线性关系.在非线性误差增长理论的框架下,理论分析表明,平均误差增长达到一定值时,误差增长进入明显的非线性增长阶段,最终达到饱和;对于一个确定的混沌系统,在控制参数固定的情况下误差增长的饱和值也是固定的,因此可预报期限只依赖于初始误差.在可预报期限与初始误差对数存在的线性函数关系式中,线性系数与最大Lyapunov指数有关,在已知混沌系统的最大Lyapunov指数和某个固定初始误差的可预报期限的条件下,利用可预报期限与初始误差对数的线性函数关系可以外推得到任意固定初始误差的可预报期限.

关键词：非线性局部Lyapunov指数可预报期限初始误差混沌系统

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用格子Boltzmann模型模拟非等温流场

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物理学报 2001年第7期50卷 1207-1212页

作者：冯士德张琼任荣彩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

根据微观和宏观之间的质量、动量、能量守恒准则和在原格子Boltzmann模型基础上 ,建立了几个新的格子Bo ltzmann模型 ,使得在外力场中的格子Boltzmann模型得到进一步完善 .通过还原宏观流体力学方程 ,捕捉到了浮力强迫系数与Grashof数... 详细信息

根据微观和宏观之间的质量、动量、能量守恒准则和在原格子Boltzmann模型基础上 ,建立了几个新的格子Bo ltzmann模型 ,使得在外力场中的格子Boltzmann模型得到进一步完善 .通过还原宏观流体力学方程 ,捕捉到了浮力强迫系数与Grashof数之间的关系 .所得动量方程和Navier Stokes方程相比 ,在黏性输运项上有明显的改进 ,说明黏性应力不但与流体的速度梯度和流体的压缩性有关 ,而且还与非定常的内能梯度和动量通量有关 .该模型对非等温流场的数值结果证明了其具有很好的数值稳定性和适用性 .

关键词：格子Boltzmann模型平衡分布函数流体力学非等温流场 Navier-Stokes方程统计物理学

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地球自转与北半球中纬度地面温度的年代际关系及其可能物理过程分析

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地球物理学报 2018年第7期61卷 2641-2653页

作者：石文静肖子牛李崇银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(LASG) 北京100029

利用地球日长(LOD)资料和美国环境预报中心/国家大气研究中心(NCEP/NCAR)的气象要素资料,统计分析发现1962—2010年LOD的变化和北半球中纬度地面温度均存在明显的十年以上的波动周期.相关分析、合成分析等统计方法均检测到LOD与中纬度... 详细信息

利用地球日长(LOD)资料和美国环境预报中心/国家大气研究中心(NCEP/NCAR)的气象要素资料,统计分析发现1962—2010年LOD的变化和北半球中纬度地面温度均存在明显的十年以上的波动周期.相关分析、合成分析等统计方法均检测到LOD与中纬度地面温度的显著负相关关系,当地球自转速率加快时,北半球中纬度地面增温;反之,中纬度地面降温.小波功率谱和交叉谱分析则确定二者的相互关系属于准20年周期尺度上的年代际变化联系,并且LOD的变化超前于地面温度的变化大概3~4年.平均而言,LOD的变化可带来中纬度地面温度0.2℃的降温(或增温).通过对大气相对角动量、纬向风场、海平面气压场的年代际合成分析,揭示了LOD与地面温度的年代际联系形成的具体物理过程.当地球自转加速时,北半球高低纬度经向温差梯度减弱,热带地区向极地扩展,造成北半球中纬度地区地面增温;地球自转减速时段相反,经向温差梯度增强,热带地区向赤道收缩,中纬度地区地面降温.

关键词：中纬度地面温度地球日长经向温差梯度副热带西风带

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