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代表性成果

【来源:半干旱气候变化教育部重点实验室 | 发布日期:2009-05-09 | 作者:SACOL 】     【选择字号:
(1)实验室科学研究情况
      本实验室的科学研究始于1970年代,主要集中在两大领域,其一,以数值天气预报、气候动力学与气候预测研究为主线,在丑纪范教授的率领下,开展了一系列独具特色具有创新性的工作,在利用历史资料信息实现动力-统计相结合改进气候预报的研究方面,取得很多重要成果,一直处于国内领先水平。曾于1978年获全国科学大会成果奖,1989年被命名为全国教育系统劳动模范。出版有《长期数值天气预报》(获全国高校优秀教材奖)等6部专著。培养出一批优秀研究生,其中有2名分别被国家教委和国务院学院委员会授予“做出突出贡献的中国博士学位获得者”称号和“做出突出贡献的中国硕士学位获得者”称号;2名获“涂长望全国青年气象科技一等奖”(1992;1998);指导的博士论文被评为“首届全国百篇优秀博士学位论文”(1999)。其二,以复杂地形大气边界层、大气扩散观测实验与数值模拟研究为主线,在陈长和教授的带领下,在国内率先开展兰州SF6示踪剂大气扩散试验,随后与中国环科院、北京大学等单位合作,在国内首次系统地研究了光化学烟雾污染,之后出色完成了早期国家自然科学基金重点项目“复杂地形上大气边界层和大气扩散的试验和数值模拟研究”,并被遴选为国家自然科学基金委优秀项目。获得“国家科技进步二等奖”1项,“国家环境科技进步二等奖”1项和省部级奖励10余项。上述卓越工作和成果使本实验室在半干旱气候理论与预测、气象灾害机理与预测预防及其相关的大气探测实验研究领域处于国内领先行列,为其后续研究工作的深化和拓展奠定了坚实基础。
      从1990年代初开始,特别是“93.5.5”特强沙尘暴后,本实验室围绕着西北地区沙尘暴成因、时空变化特征以及由此产生的沙尘气溶胶和城市气溶胶,开展了化学成分分析、辐射特性和气候效应研究,取得了一系列成果。特别是近期以兰州大学半干旱气候与环境观测站为平台,深入开展了气溶胶和云的辐射特性及其气候效应、遥感资料反演与同化、黄土高原半干旱区近地层湍流输送特征的研究,探讨了沙尘暴对兰州市区空气质量及其人群呼吸道疾病的影响,显示了可喜进步和广阔前景。
      围绕上述几方面的工作,2003年以来,主持承担国家自然科学基金项目21项,973计划项目专题11项,省部级项目48项,环境评价等应用项目98项,合计科研经费达5554万元。发表论文330余篇,其中SCI(EI)收录的80余篇,出版教材和专著10余部,获省部级科技进步一等奖等各类奖励22项。
正在执行的研究项目包括973计划项目课题1项,其它973计划项目专题5项,国家自然科学杰出青年基金项目1项,国家自然科学基金重点项目2项,面上项目9项,青年基金项目2项,海外青年学者合作研究基金项目1项,以及博士点基金项目2项,其它省部级项目27项,环境评价项目3项,合计科研经费3094万元。
 
    (2)实验室科学贡献情况
      实验室在利用历史资料信息实现动力-统计相结合改进气候预报的研究方面,一直处于领先水平并已做出了很多重要成果。围绕如何基于历史资料实现动力-统计相结合的问题,以丑纪范教授为首的课题组开展了一系列独具特色有创新性的工作,例如,多时刻预报模式、相似-动力模式,等等。近年来,系统地研究了将历史相似性信息与数值预报模式结合使用的动力相似预报的策略和方法,数值天气预报和短期气候预测的初步试验显示了令人鼓舞的预报效果。最近,提出了“利用历史相似信息对模式预报误差进行预报”的新思路,从而将动力预报问题转化为预报误差的估计问题,并发展了一种基于相似误差订正的预测新方法(FACE),能实现在动力预报中有效运用历史资料的相似信息。将FACE应用于全球尺度的跨季节预测试验,发现该方法能有效提高夏季环流和降水的预报准确率,并且对气候变率的方差具有较好的预报能力。在这一研究方向,出版有《长期数值天气预报》(获全国高校优秀教材奖)、《大气动力学的新进展》(获国家教委高校出版社优秀学术专著奖)、《大气科学中数学方法的应用》、《非线性动力学》等著作。
      西北半干旱区沙尘暴频发,且城市大气污染普遍比较严重,引发了更为复杂的气溶胶科学问题,本实验室在沙尘和城市气溶胶辐射效应方面进行了卓有成效的工作。通过地面观测和卫星反演资料的分析,证实了西北沙尘气溶胶可以通过成为冰云的凝华核的方式来改变冰云的微物理特性,增加高云云量并延长其寿命,间接影响地气系统的辐射收支,减弱云的冷却效应(黄建平,2005,GRL);还发现沙尘气溶胶可抑制和减弱降水(黄建平等,2006,GRL),论文被认为“是第一篇说明亚洲沙尘半直接效应的文章,是气溶胶气候效应研究中的重大进展”(GRL审稿人)。有关沙尘暴与干旱气候的最新研究成果被Nature杂志在其网站气候研究栏目和地球科学栏目中分别介绍(黄建平等,2007,Nature Geoscience, Nature Climate Change Report);利用星载和兰州大学地面激光雷达的观测资料研究了沙尘暴的垂直结构和传输特征(黄建平等,2008,JGR);率先比较系统地揭示了中国沙尘暴的空间分布和时间变化特征以及沙尘暴的区域特征(王式功等,1995,J. Desert Research;2003,Atmospheric Environment),揭示了强沙尘暴发生发展的某些物理机制(王式功等,2003,JGR),首次从光学角度揭示了特强沙尘暴呈现上黄、中红、下黑三色尘团的成因,得到国内外同行专家的充分肯定(王式功,1997,气象出版社); 探讨了沙尘暴强度演变与干旱化之间的联系(付培健等,2008,Atmospheric Environment;王鑫等,2008,Atmospheric Environment);建立了大气边界层气溶胶辐射参数化方案,为计算气溶胶的辐射效应提供了有效途径;发展了WRF耦合气溶胶扩散、气溶胶辐射效应的三维、非静力综合模式;通过数值模拟分析,揭示了严重大气污染地区气溶胶辐射强迫及其气象场响应(张镭等,2006,大气科学;2008,Atmos. Chem. Phys. Discuss.); 同时还分析了沙尘暴对空气中颗粒污染物(PM10)的影响(王式功等,2006,Atmospheric Environment)。
      围绕半干旱区遥感和地面观测资料应用问题,从基础理论、资料获取和同化方法方面,进行了一系列创新性工作。提出了由多普勒雷达资料反演风场的简单伴随方法,并不断改进完善,成为国内外广泛运用的方法之一(邱崇践等,2006,Meteor. Atmos. Phys.)。基于对卫星遥感反演问题不适定产生根源的理论分析,提出在观测空间区分“有效信息”和“无效信息”,在参数空间区分“可反演模态”和“不可反演模态”以及“现实模态”和“不现实模态”,依据这一思想提出了反演大气温湿廓线的新算法和把奇异值分解运用于四维同化的一种新技术(邱崇践等,2006,Adv. Atmos. Sci.;2007,JGR)。提出了利用多波段积分混浊度仪资料反演气溶胶粒子谱和光学厚度的方法(张武等,2005,Adv. Atmos. Sci.)。提出了利用多通道卫星观测资料识别和监测沙尘暴生成和移动的新方法(黄建平等,2007,Remote Sensing of Environment;葛觐铭等,2008,Atmos. Chem. Phys.)。分别用非线性热力学理论和非平衡态线性热力学方法研究了非均匀下垫面湍流输送特征,提出了用土壤温度估算土壤湿度的自适应卡曼滤波同化方法(左洪超等,2005,地球物理学报;陈晋北,2007,Adv. Atmos. Sci.;张述文等,2005,J. Appl. Meteor.),为非均匀下垫面湍流输送参数化提供了新思路。
围绕半干旱区特殊的大气成分与大气化学过程问题,发展了大气化学气候模式(田文寿等,2005,QJRM;2008,Tellus),研究了青藏高原臭氧低谷的成因,分析了高原上空的化学过程对臭氧低谷的贡献。探讨了沙尘输送对城市颗粒物污染和近海海洋浮游生物的影响(袁薇等,2006,GRL),前景广阔。
       面对西北地区突出的大气环境污染问题,从70年代中期就开始了大气环境评价研究,主持完成了国内有重要影响的“兰州第二热电厂环境影响评价”(1982)、“兰州西固地区发展环境影响评价”及后评估(1996,2005),探索和总结了我国火电厂环境评价和区域环境评价的方法,承担和完成了一系列环保科技和规划项目,为地方政府进行大气环境管理、预测和治理提供了科学依据(田良等,2004,《环境影响评价研究》;王式功等,2002,《城市空气污染预报研究》;张镭等,2001,环境科学学报),产生了明显的环境效益和社会效益。
      针对复杂地形上工业城市大气污染严重的问题,进行了系统的观测和模拟研究,获得一些国际水平的成果。早在1970年代末,通过SF6示踪剂扩散试验研究,揭示了河谷盆地高架源大气扩散、污染物的分布和演化特征,发展了多项试验技术(陈长和等,1981,气象学报,环境科学学报);通过观测和数值模拟研究,揭示了兰州西固光化学烟雾的成因,提出控制对策(唐孝炎,陈长和等,1985,中国环境科学)。全面系统地进行复杂地形上大气边界层和大气扩散研究,进一步揭示了山区城市边界层热力和动力结构、湍流和地面能量收支特征及其变化规律,发展了复杂地形上的边界层数值模式,并应用于大气污染控制等实际工作(陈长和等,1993,《复杂地形上大气边界层和大气扩散的研究》,气象出版社;张镭等,2001,Water, Air, & Soil Pollu.)。
     在沙尘暴等气象灾害、环境气象预报、医疗气象学等方面开展了卓有成效的研究。先后主持完成了“我国西北特强沙尘暴的成因分析和数值模拟研究”等3项国家自然科学基金项目、973计划项目专题2项,省自然科学基金项目3项,相关研究成果获省部级一等奖2项、二等奖2项、三等奖4项。目前正在执行国家自然科学基金项目“沙尘天气对兰州地区空气质量影响的观测分析与数值模拟研究” (2007-2009)和甘肃省科学技术攻关重点项目“气候变暖对甘肃省疫情变化的影响及其预测研究”(2006-2007),并将沙尘暴研究和城市空气质量研究两方面内容结合,初步探讨了甘肃河西沙尘暴对兰州市区空气质量及其人群呼吸道疾病的影响。研究了甘肃省甲肝等十种主要传染病的时空分布状况和变化趋势, 初步搞清楚天气、气候突变与某些疾病爆发的关系,得到了一些很有价值的研究结果。
 
 
 
 
 
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