An approach to estimating and extrapolating model error based on inverse problem methods:towards accurate numerical weather prediction

Model error is one of the key factors restricting the accuracy of numerical weather prediction(NWP). Considering the continuous evolution of the atmosphere, the observed data(ignoring the measurement error) can be viewed as a series of solutions of an accurate model governing the actual atmosphere. Model error is represented as an unknown term in the accurate model, thus NWP can be considered as an inverse problem to uncover the unknown error term. The inverse problem models can absorb long periods of observed data to generate model error correction procedures. They thus resolve the deficiency and faultiness of the NWP schemes employing only the initial-time data. In this study we construct two inverse problem models to estimate and extrapolate the time-varying and spatial-varying model errors in both the historical and forecast periods by using recent observations and analogue phenomena of the atmosphere. Numerical experiment on Burgers’ equation has illustrated the substantial forecast improvement using inverse problem algorithms. The proposed inverse problem methods of suppressing NWP errors will be useful in future high accuracy applications of NWP.     

新型两性聚电解质高吸水性树脂CMCTS-g-（PAA-co-PTMAAC）的制备研究

通过氧化还原引发荆引发的接枝共聚反应,使阴离子型单体丙烯酸(AA)和阳离子型单体三甲基烯丙基氯化铵(TMAAC)在羧甲基壳聚糖(CMCTS)的分子链上接枝共聚,制得羧甲基壳聚糖接枝-(聚丙烯酸-co-聚三甲基烯丙基氯化铵)(CMCTS-g-(PAA-co-PTMAAC)两性聚电解质高吸水性树脂.采用红外光谱对产物的结构进行了表征,比较了反应条件对产物吸液性能的影响.发现制备具有良好吸液性能的高吸水性树脂的最优化反应条件为:TMAAC占单体总质量的14.3%,mNNMBA/mAA值在0.014附近,单体总质量为CMCTS质量的9.33倍,丙烯酸中和度在20%～30%之间.研究发现,随外部溶液pH值的变化,两性聚电解质高吸水性树脂的溶胀性能在酸性和碱性条件下各有一个最大值,在等电点处产物的吸液性相对较低.     

Pr_(0.75)Na_(0.25)Mn_(1-x)Fe_xO_3的制备及磁学和输运性质研究

采用溶胶凝胶法通过较低温度、较短的烧结时间制备了单相的多晶钙钛矿Pr0.75Na0.25Mn1-xFexO3(0≤x≤0.3),避免了Na元素的挥发及锰氧化物的析出,使Pr1-xNaxMnO3中Na的最大掺入量由文献报道的0.19提高到0.25,样品单相性得到大幅度提高.系列样品的磁化强度、电阻率随温度的变化关系表明2%的Fe掺杂便能大大减弱低温电荷有序;在x≤0.05时系列样品磁化强度随Fe含量的增加而增加,电阻率随Fe含量的增加而下降,然后二者随Fe含量进一步增加均朝相反的趋势变化.用几何效应(Fe3+的几何尺寸大小)和电子结构的影响两个方面的竞争解释这种现象.     

S型叶尖小翼对风力机流场特性影响的研究

在额定尖速比下,结合滑移网格的大涡模拟方法,对有无叶尖S型小翼的三叶片水平轴风力机流场特性进行了数值研究,结果表明:加装S型小翼后,改善了风轮上游的速度及压力分布情况,汲取了更多的风能;风轮压力面及吸力面的最大压差由1359 Pa提高到1756 Pa,使风轮功率放大;叶尖涡结构扩展规律与PIV(Particle Image Velocimetry)实验结果一致,叶尖涡轴向速度由15.6 m/s降低到了13.3 m/s,涡漩能量减少,叶尖涡涡量强度减弱,降低了气动噪声。     

基于Lorenz系统的数值天气转折期预报理论探索

以Lorenz系统为研究对象,对数值天气转折期预报中的动力学特征进行了理论研究,通过对Lorenz系统平衡点稳定性的讨论,得到了区分准稳定区域和准不稳定区域的分界曲面,由此标定出准稳定区域和准不稳定区域.在准稳定区域,Lorenz曲线保持相对稳定,能够在该平衡点周围周期运动;在准不稳定区域,Lorenz曲线可能会从这个平衡点周围跃过分界曲面而进入另外一个平衡点周围,即发生突变,这是Lorenz系统的一个重要动力学特征;对数值天气转折期预报与气候突变检测、预测给出一种新理论和新方法.     

国家气候中心大气环流模式冬季模式误差特征分析

本文利用1982—2010年国家气候中心第二代月动力延伸预测系统中大气环流模式(BCC_AGCM)的回报资料和美国国家环境预测中心和美国国家大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析资料,分析了该模式对冬季气温预测的误差特征及其与外强迫的联系.结果表明模式能够在整体上较好地反映出欧亚区域冬季气温的变化趋势,能抓住东亚冬季风区气温年际变化的主要空间模态,对东亚冬季风区冬季气温具有一定的预报能力.预报误差的空间分布和时间演变特征的结果表明,误差在陆地大于海洋,高纬地区大于低纬地区,同时与海拔高度也有密切关系.预报误差的主要模态与一些关键区域的海温和海冰存在显著的相关性,表明模式对外强迫异常的响应能力存在缺陷.这为结合模式对关键区海温和海冰异常的响应能力,有针对性地改进模式对东亚冬季风区冬季气温的预测能力提供了依据.     

木质纤维素纳米纤丝制备及形态特征分析

以阔叶树材杨木木粉为原料,始终保持纤维处在水润涨的状态下,利用亚氯酸钠在酸性条件下脱除木质素,氢氧化钾脱除半纤维素,然后借助高强度超声波的空化作用,依次制备了综纤维素、纯化纤维素及木质纤维素纳米纤丝(WCNF).通过傅里叶变换红外吸收光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)对WCNF制备过程中的化学组分、晶型结构、结晶度及形态特征变化进行了表征,并进一步利用图像分析系统对WCNF的直径分布进行了测量统计.结果表明,WCNF的主要成分为纤维素,其晶型结构仍为纤维素Ⅰ型,结晶度为65.68%,较之原料木粉提高了12.33%.所得纤丝的直径集中分布在5～32nm之间,长度大于10μm,长径比高于300,纤丝间相互交织成网状缠结结构.WCNF的高结晶度、高长径比、纳米尺度、网状缠结结构,显示其为一种十分理想的增强增韧材料.     

基于无导数优化方法的数值模式误差估计

初始场误差和模式误差是制约数值预报准确率的两个关键因素,本文主要考虑利用历史观测资料实现时空演变的模式误差的估计问题.通过把模式误差综合考虑成为准确模式中的未知项,把历史资料看作是带有未知项的准确模式的特解,构造了求解时空演变的模式误差项的反问题及其最优控制问题.给出了一个解决最优控制问题的无导数优化方法,该方法的优点是不需要建立原数值模式的切线性模式与伴随模式,它只需在增加一个外强迫项的基础上运行原数值模式即可实现模式误差项的最优估计.关于Burgers方程的算例表明,无论模式的初始状态是否准确已知,无导数优化方法都能有效解决时空演变的模式误差的最优估计问题,它为实际业务模式利用历史数据提取模式误差信息并显著地改进预报效果提供了一种方便可行的数值方法与理论依据.     

离子液体中的纤维素溶解、再生及材料制备研究进展

近年来,离子液体作为一类新型的环境友好介质和软功能材料受到了广泛的关注,并被广泛应用于有机合成、催化、电化学、分离分析等领域.其中,离子液体中的纤维素化学是当前离子液体研究的热点领域之一,离子液体的出现也为纤维素化学的进一步发展提供了广阔的空间.离子液体以其低熔点、高稳定性、低蒸汽压、溶解性能可调节等优异的理化性能已被证实为纤维素的有效溶剂,被广泛用于纤维素的溶解、再生及应用研究.综述了离子液体中纤维素的溶解行为,包括纤维素溶解度的影响因素、纤维素在离子液体中的溶解过程、纤维素的溶解及再生机理等,以及离子液体中基于纤维素的新型材料制备研究进展,并对离子液体中纤维素研究存在的问题和未来的发展方向进行了总结和展望.