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考虑地形影响和震源动力学过程的2021年漾濞MS6.4地震强地面运动数值模拟

地震工程学报 2024年

作者：王珏胡才博周元泽程宇云南地震局中国科学院大学地球与行星科学学院地球系统数值模拟与应用国家重点实验室中国科学院计算地球动力学重点实验室

2021年云南漾濞MS6.4地震是云南省近年来发生的强度最大地震,引起较为强烈的强地面运动,造成了严重的生命和财产损失。为更深入地理解漾濞地震的强地面运动特征,采用数值模拟方法对此次地震的强地面运动过程进行模拟研究。建立三维地质... 详细信息

2021年云南漾濞MS6.4地震是云南省近年来发生的强度最大地震,引起较为强烈的强地面运动,造成了严重的生命和财产损失。为更深入地理解漾濞地震的强地面运动特征,采用数值模拟方法对此次地震的强地面运动过程进行模拟研究。建立三维地质模型时,考虑了实际地形,并采用断层弹性弱化模型来模拟震源动力学破裂过程。模拟结果显示,横断山区起伏的地形对漾濞地震的强地面运动分布具有较大的影响,在山脊、陡坡等高程陡起的区域地震动放大效应显著。此外,通过施加应力边界条件引入震前应力场,并考虑地震前后断层应力场强度的变化,使模拟的强地面运动的幅值大小、分布和衰减快慢等更为接近实际地震的情况。模拟得到的近场台站峰值加速度（PGA）、反应谱（ARP）与观测记录有较好的一致性,地表PGA等值线图与地震烈度图形态接近、分布范围相似。考虑实际地形起伏并采用动力学震源模型,能够增加强地面运动模拟的可靠性和有效性,在防震减灾和城镇规划中可发挥重要作用。

关键词：漾濞地震震源动力学模型强地面运动有限元模拟峰值加速度

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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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GRIST模式全球0.125度基线配置的中期降水预报性能分析

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大气科学 2024年第5期48卷 1916-1936页

作者：王一鸣李晓涵张祎原韦华周逸辉李建航天宏图信息技术股份有限公司2035未来实验室北京100195 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081 南京信息工程大学北京研究院北京100094 中国科学院大气物理研究所地球系统数值模拟与应用重点实验室北京100029

利用国内自主研发的全球-区域一体化预测系统(GRIST)0.125度天气预报模式配置开展了中期天气预报试验,通过与ERA5再分析数据、卫星观测数据(Global Precipitation Measurement, GPM)和成熟的业务全球数值天气预报模式结果进行比较评估... 详细信息

利用国内自主研发的全球-区域一体化预测系统(GRIST)0.125度天气预报模式配置开展了中期天气预报试验,通过与ERA5再分析数据、卫星观测数据(Global Precipitation Measurement, GPM)和成熟的业务全球数值天气预报模式结果进行比较评估了该系统基线配置下的降水预报性能,并探索了模式对不同动力配置的敏感性。结果表明,冷启动下的GRIST模式能较好地模拟全球500 hPa环流场,其对500 hPa位势高度异常相关系数(ACC500)的预报性能和美国国家环境预测中心(NCEP)的全球预报系统(GFS)较为接近。降水方面,GRIST能够再现和观测一致的全球平均降水的空间分布。随着积分时间增加,模式在赤道辐合带和青藏高原南坡附近相比于NCEP-GFS出现了稍高的系统性降水湿偏差。基于降水强度和频次的分析表明,这种湿偏差很可能源于GRIST模式对这些区域降水频次的高估。针对全球6个降水关键区,考察了模式的强度-频次谱结构和日变化特征。GRIST对“较强降水”强度-频次结构的模拟能力优于NCEP-GFS,且对降水日循环的总体模拟较好,但部分地区存在对降水峰值的略微高估和提前。GRIST静力和非静力动力内核在0.125度分辨率的降水预报统计特征具有较高一致性。垂直60层较30层在环流和降水的模拟上均有一定增益效果。

关键词：数值模式中期预报降水评估

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GRIST单柱模式及其在评估两套物理方案包中的应用

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气象学报 2024年第6期82卷 789-800页

作者：张萌李晓涵陈湉茹张祎航天宏图信息技术股份有限公司2035未来实验室北京100195 清华大学地球系统数值模拟教育部重点实验室/地球系统科学系北京100084 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081

介绍了面向全球-区域一体化预测系统(GRIST)发展的单柱模式(GRIST_SCM)。GRIST_SCM通过将三维大气动力简化为一维计算,实现对大气柱内物理过程的独立测试和评估。基于GRIST_SCM,考察了面向天气预测应用的物理参数化包(PhysW)和面向气候... 详细信息

介绍了面向全球-区域一体化预测系统(GRIST)发展的单柱模式(GRIST_SCM)。GRIST_SCM通过将三维大气动力简化为一维计算,实现对大气柱内物理过程的独立测试和评估。基于GRIST_SCM,考察了面向天气预测应用的物理参数化包(PhysW)和面向气候模拟及气候变化预估的物理参数化包(PhysC)在刻画云降水过程时的物理过程间相互作用。基于热带暖池国际云试验,展示了两套物理参数化包对一次深对流过程的模拟性能。PhysW和PhysC都形成了与观测总体一致的云和降水演变趋势。区别在于:PhysC对降水事件生消的捕捉能力弱于PhysW,其原因是深对流触发过于频繁,产生持续弱对流降水;PhysW形成的暖云量少于观测和PhysC,主要原因是深对流对低层水汽的垂直输送较强,使得基于环境相对湿度诊断的大尺度凝结过程以蒸发为主。GRIST_SCM详细展示了两种物理参数化包对于云降水过程的刻画能力及其差异背后的物理机制。由于PhysW对流参数化能更好地捕捉降水生消过程,因此PhysW表现出比PhysC更好的降水模拟能力,而PhysC模拟的云量分布和云生消过程与观测更接近,因此展现出优于PhysW的云过程模拟能力。

关键词：单柱模式物理参数化云和降水过程模拟

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基于密集台阵H/V谱比法探测三河——平谷沉积层界面结构和隐伏断层

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地球物理学报 2025年第4期68卷 1329-1339页

作者：唐志伟张怀尹光耀张冰李志伟石耀霖地球系统数值模拟与应用全国重点实验室中国科学院大学地球与行星科学学院北京101408 北京燕山地球关键带国家野外科学观测研究站中国科学院大学北京101408 中国空间技术研究院北京卫星环境工程研究所北京100081 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海) 广东珠海519080

三河—平谷地区位于太行山—燕山隆起和华北平原沉降带的结合处,该区域晚新生代以来构造活动强烈,强震频发.横贯该地区北东走向的夏垫断裂带被认为是1679年三河—平谷8.0级地震的发震断层,整个断裂带分布在较厚沉积层的华北平原西缘.盆... 详细信息

三河—平谷地区位于太行山—燕山隆起和华北平原沉降带的结合处,该区域晚新生代以来构造活动强烈,强震频发.横贯该地区北东走向的夏垫断裂带被认为是1679年三河—平谷8.0级地震的发震断层,整个断裂带分布在较厚沉积层的华北平原西缘.盆地-丘陵-山地结合部的地质特征与盆地结构效应对大震诱发的地震波强地面运动具有显著放大效应.为获取该区域沉积层的精细结构,本文基于密集台阵(由496个台站组成,间隔0.5~5 km)记录的背景噪声利用H/V谱比法计算了各个台站处的峰值频率,并通过频率-厚度转换方法获得了三河—平谷地区三维第四纪沉积层界面结构.结果表明,受隐伏断裂带的影响,沉积层厚度由北西至南东方向整体呈现“厚-薄-厚-薄”趋势,北东部较薄、西南部较厚特点.大兴隆起和宝坻隆起处沉积层厚度约为100~300 m,北京凹陷和大厂凹陷处沉积层厚度约为300~800 m.反演结果与钻井勘探结果和地震勘探剖面基本一致,且沉积层的起伏与隐伏断裂带的分布具有良好的对应关系.本文获得的三维第四纪沉积层精细结构将为区域地震强震模拟、隐伏断层识别、大震危险性量化评估提供关键的数据约束与盆地结构参考模型.

关键词：密集台阵背景噪声 H/V谱比法第四纪沉积层

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单模流体界面不稳定性势流理论研究进展综述

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中国科学：物理学、力学、天文学 2024年第10期54卷 2-29页

作者：刘昌文肖左利张又升北京大学高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室应用物理与技术研究中心北京100871 北京大学湍流与复杂系统国家重点实验室北京100871 北京应用物理与计算数学研究所北京100094 计算物理全国重点实验室北京100088

Rayleigh-Taylor(RT)不稳定性和Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性广泛存在于自然界和工程应用中,是流体力学研究领域的重要研究课题.在惯性约束聚变工程中,这些不稳定性对于聚变点火过程的成功至关重要.因此,深入理解不稳定性的发展机制... 详细信息

Rayleigh-Taylor(RT)不稳定性和Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性广泛存在于自然界和工程应用中,是流体力学研究领域的重要研究课题.在惯性约束聚变工程中,这些不稳定性对于聚变点火过程的成功至关重要.因此,深入理解不稳定性的发展机制并建立相应的理论模型,不仅具有深远的科学意义,而且对实际工程应用具有重要的理论支撑作用.本文详细综述了自1955年Layzer提出势流理论模型以来,学术界在平面单模RT和RM不稳定性界面顶点演化预测方面所取得的一系列研究进展.研究内容涵盖了影响不稳定性发展的多种关键因素,包括初始扰动形式、流体密度比、涡量、表面张力、黏性和可压缩性等.同时,本文深入探讨了这些因素之间的非线性耦合关系和背后的物理机理,并分析了向汇聚几何扩展时由于几何效应所产生的附加影响.最后,本文对单模不稳定性理论未来的发展方向和研究重点提出了展望.

关键词： Rayleigh-Taylor不稳定性 Richtmyer-Meshkov不稳定性界面顶点演化 Layzer势流理论

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基于电力数据优化大气污染物排放清单

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中国环境科学 2023年第7期43卷 3350-3359页

作者：周卫青李朋吴华成何学娟孙世达薄宇贺克斌国网冀北电力有限公司电力科学研究院(华北电力科学研究院有限责任公司) 北京100045 清华大学地球系统科学系地球系统数值模拟教育部重点实验室北京100084 清华大学环境学院环境模拟与污染控制国家重点联合实验室北京100084

为提高工业部门大气污染物排放清单的时空分辨率,提出基于电力数据优化工业部门时间分配及空间分布的方法,并以河北省唐山市为例进行研究,将基础排放清单及优化后的排放清单输入WRF-CMAQ模型验证其优化效果.结果表明,WRF-CMAQ模型很好... 详细信息

为提高工业部门大气污染物排放清单的时空分辨率,提出基于电力数据优化工业部门时间分配及空间分布的方法,并以河北省唐山市为例进行研究,将基础排放清单及优化后的排放清单输入WRF-CMAQ模型验证其优化效果.结果表明,WRF-CMAQ模型很好地模拟了2019年1月、4月、7月、10月唐山市各污染物浓度的时间变化与空间分布.与基础排放清单相比,优化后的排放清单PM_(2.5)年均模拟值与监测值相关性提高了3.3%,对NO_(2)的改善效果最好.10月份改善效果最明显,PM_(2.5)、PM_(10)、CO的△R^(2)均超1.4%.优化后的排放清单PM_(2.5)浓度变化具有更加明显的区域性特征,部分区域出现差异高值区,如迁西县、遵化市等.优化后的排放清单在一定程度上提升了空间模拟的精确度,更能体现工业部门的污染物排放变化.

关键词：电力数据工业部门排放清单时间分配系数 WRF-CMAQ

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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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全球土壤加速变暖

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气候与环境研究 2024年第6期29卷 735-743页

作者：杨占梅张井勇吴凌云湖南工商大学资源环境学院长沙410205 中国科学院大气物理研究所地球系统数值模拟与应用重点实验室北京100029 中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049 碳中和与智慧能源湖南省重点实验室长沙410205 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ERA5-Land陆面再分析资料探究土壤温度的变化规律,发现最近几十年全球土壤温度正在加速变暖,2000~2023年的年平均变暖速率超过1980~1999年变暖速率的2倍。1980~2023年全球土壤变暖的热点地区主要呈现在北极地区、地中海—中国华北... 详细信息

利用ERA5-Land陆面再分析资料探究土壤温度的变化规律,发现最近几十年全球土壤温度正在加速变暖,2000~2023年的年平均变暖速率超过1980~1999年变暖速率的2倍。1980~2023年全球土壤变暖的热点地区主要呈现在北极地区、地中海—中国华北一带、非洲中北部、北美南部和南美中南部。2023年不只是陆地气温最热的一年,也是土壤温度最热的一年,2023年8~12月陆地气温和土壤温度为历史同期最热。本研究揭示出全球土壤温度正在加速变暖,对更好理解全球变暖具有重要意义。

关键词：全球土壤温度加速变暖 2023年温度异常气候变化指标

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中新世中低纬度海道变化对大西洋经圈翻转流和气候变化影响的模拟研究

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海洋地质与第四纪地质 2024年第4期44卷 32-40页

作者：魏吉林刘海龙郑伟鹏林鹏飞赵彦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 中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049 崂山实验室青岛266237 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 中国科学院青藏高原研究所大陆碰撞和高原隆升重点实验室北京100101

自中中新世以来,特提斯海道和巴拿马海道的开合状态可能直接影响了大西洋经圈翻转流(AMOC)的强度和空间形态演变。但是,当前对这两处关键的中低纬度海道与AMOC之间联系的系统性研究较少。本研究基于中中新世时期的边界条件,利用耦合气... 详细信息

自中中新世以来,特提斯海道和巴拿马海道的开合状态可能直接影响了大西洋经圈翻转流(AMOC)的强度和空间形态演变。但是,当前对这两处关键的中低纬度海道与AMOC之间联系的系统性研究较少。本研究基于中中新世时期的边界条件,利用耦合气候模式开展了中中新世气候模拟试验,以及特提斯海道和巴拿马海道先后关闭的敏感性试验。模拟结果显示,开放的特提斯海道和巴拿马海道分别为热带印度洋和太平洋海水进入北大西洋提供了“捷径”,同时分别向北大西洋输运高盐度海水和低盐度海水,对AMOC强度的变化起着相反的作用。特提斯海道开放增强了AMOC,这抵消了巴拿马海道开放导致的对AMOC的减弱。这两处中低纬度海道的关闭均能引起全球海表温度的南北不对称响应,分界线大致位于巴拿马海道所在纬度。本研究表明,只有特提斯海道和巴拿马海道关闭时,才会形成现代意义上的AMOC空间结构,因此这两处中低纬度海道的关闭时间对研究AMOC演变具有重要意义。

关键词：大西洋经圈翻转流中中新世大暖期淡水输运巴拿马海道特提斯海道

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