BCC_AGCM大气环流模式异构众核加速技术

针对未来高性能计算在CPU混合架构上的发展趋势,本文对大气环流模式BCC_AGCM中的部分核心段在混合架构的神威·太湖之光高性能计算机系统上进行众核加速分析与优化。文中以核心段quad为例,通过对代码内容结构重写和使用OpenACC语言对程序进行运行指示的方式,将该核心段成功移植加速并通过了结果正确性验证。结果表明,使用OpenACC语言能够以对源代码的较小改动来获得一定的加速比,在异构环境中源代码优化加速提升的效果取决于程序结构、循环并行颗粒度以及地址连续性。     

一维热扩散湖模式在太湖的应用研究

利用在太湖获得的2010年8月11-28日的观测资料研究了一维热扩散湖模式在太湖的适用性,通过对比模拟进一步研究了影响太湖湖表温度模拟的主要因子。该湖模式对太湖最初的模拟结果并不理想,模拟的湖表面温度与观测有较大的系统性偏差,温度的日变化幅度与观测相比也偏小。通过分析该模式对太湖的模拟效果不理想的可能原因,针对太湖的生态环境和污染情况,设计了18个测试参数的敏感性试验,从敏感性试验的结果分析得到,适用于太湖的、依赖于湖泊类型的3个参数应做如下修改:消光系数（η₀）应放大3倍,湖泊表层吸收的太阳辐射系数（β）应取0.8,粗糙长度（z₀）采用公式计算得到。用新得到的适用于太湖的3个参数,模拟得到的结果与最初的模拟结果和观测资料对比,发现采用新的参数后,模拟结果比最初的模拟结果有了很大的改进,模拟的湖表温度基本接近观测,模拟的湖水垂直剖面时间序列图也跟观测吻合得较好,随之的感热、潜热通量的模拟也都与观测接近。最后,对输入湖模式的主要大气参量（太阳辐射、2 m气温及风场）±10%的误差引起的模式模拟的湖表面温度误差进行分析,结果表明该湖模式对大气强迫场的误差敏感度不高;相比之下,模拟结果对风场敏感性最小,对辐射和气温的敏感度相当。     

基于耦合湖模式的城市边界层模式研究太湖的气象与环境效应

本文发展了一个耦合的城市边界层—湖泊模式(RBLM-Chem-Lake),通过离线和在线两种方式对模式的模拟效果进行了检验。并通过敏感性实验分析了太湖冬季和夏季对周边地区气象特征和空气污染的影响。结果表明：(1)白天太湖对周边气象环境产生了明显的降温效应,而夜晚出现了明显的升温。冬季夜晚周边地区升温达到0.4～0.6℃,白天可以使得周边气温降低1～2℃。夏季夜晚使周边地区升温可达1～1.5℃,白天使得周边气温降低1～2℃。(2)太湖对周边地区气温的影响范围夏季远高于冬季,夏季影响范围可达到80 km,冬季影响范围平均为5 km。此外,太湖使得湖区平均边界层高度下降,湿度上升,使得苏州市区垂直风速减弱,这种影响同样在夏季更为明显。(3)太湖的存在总体上使湖区和周边地区PM_2.5和臭氧的质量浓度增加。在冬季PM_2.5污染个例中,太湖导致区域夜晚PM_2.5质量浓度下降,下降幅度达到4～5μg·m^-3。而在白天,太湖区域500 m高度以下PM_2.5质量浓度增加,幅度达到25～30μg·...     

WRF_Lake湖气模式对我国太湖的湖温模拟应用评估

文章把一维热扩散湖模式成功地耦合到中尺度天气研究和预报模式WRF3.2中,建立了湖气耦合模式。并用太湖区梅梁湾获得的2010年8月11—28日的观测资料对该耦合模式模拟湖温的能力进行了初步评估。设计了3组方案进行对照试验,分别为:(1)没有加入湖模块的WRF模式试验(WRF);(2)没有对参数进行优化的原始耦合模式试验(WRF_Lake_Old);(3)对3个参数进行优化后的耦合模式试验(WRF_Lake_New)。结果表明耦合了湖泊模块并且参数优化后的湖气耦合模式(WRF_Lake_New)比没有包含湖面方案的WRF模式对太湖水温的模拟能力有了很大的改进。WRF_Lake_New能够合理地模拟出太湖梅梁湾上湖表温度的日变化,模拟的湖表温度误差范围平均在±1℃左右,模拟的空气温度平均误差范围在±0.5℃以内,模拟的感、潜热通量也与观测更为接近。该耦合模式在太湖的初步评估结果表明,该湖气耦合模式为下一步研究湖泊过程和湖气相互作用提供了重要的工具。     

基于遥感数据光流场的2021年郑州“7·20”特大暴雨动力条件和水凝物输送特征分析

本文针对2021年7月20日河南省郑州市发生的“7·20”特大暴雨天气过程,主要基于FY-4A静止气象卫星成像仪和地基天气雷达遥感数据,利用光流法分别计算遥感数据图像的光流场（Optical Flow Field）。经与FNL数据水平风和地面风速观测对比表明,气象卫星和雷达光流场可以近似反映大气和云系的高空和低空的运动特征。在此基础上,分析了与暴雨天气过程有关的动力条件和水凝物输送特征。结果显示,在20日午后,存在从华南经河南延伸至华北“西南—东北”走向的水汽和云水输送带,其中对流活动非常明显,并一直延伸至河南中北部的既有云系中,为河南郑州地区特大暴雨的形成提供了有利的水汽和云水输送条件。20日午后至16时（北京时）最强降水发生前,郑州地区低空由辐散转为强烈的气旋状辐合,并且高空的反气旋涡度增强,表明郑州地区整个降水系统上升运动增强。在最强降水发生前,从郑州地区南侧输入的水凝物急剧增加。这些结果表明,郑州地区不仅存在大量水汽输入,同时还有大量水凝物随强对流云输送进入到大范围降水系统的上升运动区,可能极大地加速了水汽转化为云水进而形成降水的微物理过程转化速率,这可能是此次郑州特大暴雨快速增强的主要成因。本文提出的基于遥感数据光流场的分析方法在暴雨短临预报和预警中有显著的应用潜力。     

一维热扩散湖模式在太湖的应用研究

太湖微气候条件及局地热环境的研究对于太湖周边城市地区可持续发展以及大气宏观调控具有重要意义。为了更准确模拟太湖湖-气交换,将CLM4-LISSS浅水湖泊陆面过程参数化方案耦合进入WRF中的Noah陆面过程模型。采用太湖湖上平台及岸边陆上测站观测的数据,评估了CLM4-LISSS浅水湖泊过程方案对太湖区域近地层气象条件的模拟性能。并基于耦合模型模拟研究了太湖对周边城市区域热环境的影响。结果表明,CLM4-LISSS湖泊陆面过程方案模拟的湖表面温度能反映真实温度的变化趋势。两种陆面过程方案在2 m气温的模拟值也存在一定的差异。CLM4-LISSS与Noah方案计算所得湖上2 m气温的模拟值与观测值的平均均方根误差分别为1.77和2.22℃,平均相关系数分别为0.88和0.84;模拟10 m风速的平均均方根误差分别为1.93和2.78 m/s,平均相关系数为0.72和0.68。太湖对周边城市热环境存在明显的影响。8月太湖对周边地区15时（北京时）近地层平均降温0.5-0.7℃,影响范围达60 km。06时太湖导致周边近地层平均升温达0.7-1℃,影响范围达50 km。湖风带来的冷空气抑制了城市热岛的垂直运动,在高温天气下使得苏州、无锡和常州城市地区昼间边界层下降高度可达300、400和100 m。无锡地区边界层内气温最高降幅可达0.5-0.7℃。通过选取无锡地区2015年8月28日高温小风天气作为背景条件,分析该地区湖风对城市热岛环流的影响机制。结果表明湖风能够破坏无锡地区的热岛环流结构,改变近地面热量和水汽的分布,抑制城市热岛的垂直发展,并影响至整个无锡地区。局地热力环流的变化对于局地气候以及污染物质的输送与扩散有可能产生重要影响,准确的湖泊陆面过程参数化方案对于天气预报、空气污染模拟,以及气候模拟研究等均具有重要意义。     

伴随系统及非线性优化方法在REM模式可预报性研究中的实际个例应用

利用REM模式的伴随系统和非线性优化方法，通过三个实际天气个例，对REM模式的可预报性问题进行了研究。结果表明，REM模式在给定的实际应用中可接受的预报误差范围内，对三个天气个例都具有预报能力。对于个例一，利用现有的常规报文初始观测场，进行简单的插值处理（最优插值等），REM数值模式就可以得到比较满意的预报结果； 对于个例二和个例三，对现有的报文初始观测场进行处理（如四维变分资料同化）后，REM模式在给定的误差允许范围内，对这两个天气个例仍得到满意的预报。研究结果不仅对改进数值模式具有一定的指导意义，而且对如何改进数值模式的初值问题，特别是在中尺度天气预报中如何改进具有一定的参考价值。     

遗传算法优化的BP神经网络在地面温度多模式集成预报的应用研究

基于TIGGE资料集中的ECMWF、CMA和JMA的数值预报产品,利用加权集成、回归集成和消除偏差集成等线性集成方式与遗传算法优化的BP神经网络(GABP)集成,对我国大部开展地面2 m温度在24 h、48 h和72 h预报时效的多模式集成预报试验。通过对2013年1—6月的预报检验,结果表明:GABP集成预报效果有较大提升,均方误差明显小于各单一模式预报。GABP集成的误差分布在新疆和华北均方误差较大,但是在预报效果改进上GABP集成在西部地区相对单一模式的误差减小更加明显。在进行几种多模式集成方式时,GABP集成相比线性方法预报结果更加精准。对于天气过程个例的预报,GABP集成预报出预报量的变化趋势,预报效果优于单一模式和线性集成预报。无论是较长时间段还是短时间的天气过程,在改进预报效果上GABP集成都起到了最佳的作用。     

《亚洲沙尘暴数值模式系统》在新疆的应用及检验评估

2006年底新疆气象局引进了《亚洲沙尘暴数值模式系统》,并对该系统进行本地化试验。2007年初该系统开始业务运行,运行情况良好。为了更好地了解该模式的各种预报指标,提高新疆沙尘天气的预报准确率,本文对2007年春、冬季时节该模式输出的沙尘预报结果分别进行了主、客观检验。并从检验结果可以看到,沙尘模式的预报能力非常强,区域预报有无检验一般60%以上,空报率也比较高,一般都在30%以上。但总的来说该模式对于强冷空气造成的大范围的沙尘天气有很好的预报能力,在新疆尤其是沙尘天气的高发时段,可发挥该模式的作用。本文对其使用的主客观检验方法进行了详尽的描述。     

气候-天气研究及预报模式（CWRF）在中国的应用：区域优化

从资料分析和实际模拟两个方面,对中国区域气候模拟中的首要问题——模拟区域的选取进行了研究。首先,采用相关分析确定大尺度环流因子影响中国区域降水的关键区,以保证行星及天气尺度系统能够有效地通过区域气候模式的侧边界传入模拟区域,同时依靠自身的物理机制使中尺度系统在模拟区域内部发展;其次,利用NRA (NCEP\|NCAR Reanalysis II) 和ERA (ECMWF Reanalysis 40) 两再分析资料的相关性,对侧边界场资料的可信性进行分析,结果表明南部赤道洋面附近和青藏高原地区两种再分析资料的相关系数很低,表明资料的可信度低,因此侧边界的位置要尽量避开这些地区。根据以上分析结果,确定了中国区域气候模拟的最佳区域,在此基础上利用实际个例模拟对模拟区域的优化结果进行验证。将美国伊利诺伊州立大学水文研究所开发的CWRF（Climate－Weather Research and Forecasting Model）应用于中国季风区,选取1998年夏季的极端洪涝事件作为验证个例,结果表明:模拟区域对区域气候模式的模拟性能有决定性的作用,资料分析确定的最佳模拟区域能够较好地再现1998年长江流域的极端洪涝事件。当模拟区域扩大,南部缓冲区位于赤道,东西侧边界远离环流因子影响关键区时,模拟结果急剧下降,基本无法再现实测降水。当模拟区域仅在东西方向扩大时,模拟结果略好于上述扩大的区域,但仍然远低于资料分析确定的最佳区域,表明有效地抓住主控环流因子对区域气候模拟的重要影响。资料分析和实际模拟的一致结论确定了中国区域气候模拟的最佳区域,实现了CWRF对中国季风区模拟区域的优化。     

沙尘表面非均相吸附系数不确定性及其影响的数值模式研究

本文从实验气溶胶样品、实验技术和分析方法三个方面对以往的实验室研究结果进行综合分析, 归纳总结出适合东亚地区沙尘气溶胶的非均相吸附系数γ的参考值, 并利用区域大气化学模式, 模拟研究了非均相吸附系数γ的不确定性对东亚地区沙尘气溶胶非均相化学过程的影响。为了研究非均相反应对γ的敏感性, 针对其中四种物质(HNO3、N2O5、O3和SO2) 的γ上限值和下限值, 分别进行了T-up (上限值) 和T-low(下限值)两个敏感实验; 针对相对湿度对HNO3和N2O5非均相吸附系数的影响进行了T-rh敏感实验。模拟结果与观测资料进行了对比分析, 结果表明模式可以比较好地反映气态物质、气溶胶浓度的演变过程和非均相反应过程。考虑非均相反应后模拟的硫酸盐和硝酸盐浓度与观测值更接近一些。采用γ参考值的模拟结果总体上比采用γ上限值和γ下限值更合理, 把γ系数作为相对湿度的函数来处理比作为常数处理更合理。沙尘气溶胶通过非均相化学反应, 可以使模拟区域内SO2、NOx和O3的平均浓度下降, 使硫酸盐和硝酸盐颗粒物浓度增加, 采用γ参考值计算得到3 km以下的上述物质的变化率分别为－3.44%、－5.92%、－1.75%、5.22%和23.25%, 显示沙尘表面非均相化学反应对大气化学成分特别是气溶胶有较大的影响; 不同γ取值对上述物质变化率有一定影响, 其中对硝酸盐和臭氧的影响较大, T-up和T-low 模拟结果之间可以相差13.4%和10.1%。     

多源异构日志综合分析技术研究与实践

多源异构日志分析技术是目前国内外网络安全领域的研究热点.首先,提出了一种包括聚焦分析、统计分析和因果关联分析在内的多源异构日志综合分析模型,引入重要度评价方法对日志信息进行聚焦分析,并通过实例加以说明;然后探讨了多源日志因果关联分析算法;最后利用网络实例数据,对所提出的综合分析模型和算法进行了验证.结果表明该模型和算法是可行的和有效的.     

融合多模态特征的社会多媒体谣言检测技术研究

以微博为代表的社会媒体的蓬勃发展在加速信息交流的同时,也促使虚假谣言信息迅速在社会网络上传播,造成严重的后果.自动谣言检测问题受到了国内外学术界、产业界的广泛关注.围绕社会多媒体谣言检测这一问题,本文总结了融合多模态特征的谣言检测相关技术.首先从基本概念出发,阐述了谣言的定义和社会多媒体的特点,给出了社会多媒体谣言检测问题的定义.针对谣言检测面临的多模态特征抽取和模型构建两大难点,分别总结和归纳了各种类型的特征及其提取方法和不同的机器学习检测模型.这些特征和算法是检测谣言的基本手段,也是接下来研究的基础,可为进一步谣言检测的研究提供参考.     

多智能体系统的群集行为研究综述

近些年来,多智能体系统的群集行为分析已成为复杂网络领域的一个研究热点.本文从个体内部动力系统与个体间的拓扑结构这两个因素出发,对多智能体系统的群集行为问题的发展现状进行概述,并对相应的分布式协议、收敛速度以及实现的条件做了介绍和分析.最后,结合目前的研究现状,讨论了群集行为未来的研究方向.     

地表湿度及粗糙度非均匀分布情况下整体输送方法的初步研究

利用一个裸土与Pielke中尺度边界层的耦合模式，对大气环流模式网格尺度的地表湿度和粗糙度的非均匀分布情况下整体输送系数的平均方法进行了初步研究。首先估算了将单点陆面模式应用到大气环流模式的非均匀网格时所产生的误差，并且构造了一种有效阻抗的平均方法，与其他几种方法相比，它可以更有效地消除这种误差。     

Numerical study on the impacts of heterogeneous reactions on ozone formation in the Beijing urban area

The air quality model CMAQ-MADRID （Community Multiscale Air Quality-Model of Aerosol Dynamics, Reaction, Ionization and Dissolution） was employed to simulate summer O3 formation in Beijing China, in order to explore the impacts of four heterogeneous reactions on O3 formation in an urban area. The results showed that the impacts were obvious and exhibited the characteristics of a typical response of a VOC-limited regime in the urban area. For the four heterogeneous reactions considered, the NO2 and HO2 heterogeneous reactions have the most severe impacts on O3 formation. During the O3 formation period, the NO2 heterogeneous reaction increased new radical creation by 30%, raising the atmospheric activity as more NO→NO2 conversion occurred, thus causing the O3 to rise. The increase of O3 peak concentration reached a maximum value of 67 ppb in the urban area. In the morning hours, high NO titration reduced the effect of the photolysis of HONO, which was produced heterogeneously at night in the surface layer. The NO2 heterogeneous reaction in the daytime is likely one of the major reasons causing the O3 increase in the Beijing urban area. The HO2 heterogeneous reaction accelerated radical termination, resulting in a decrease of the radical concentration by 44% at the most. O3 peak concentration decreased by a maximum amount of 24 ppb in the urban area. The simulation results were improved when the heterogeneous reactions were included, with the O3 and HONO model results close to the observations.     

Numerical Sensitivity Studies on Effects of Ice Nucleating Processes on Electrification in Thunderstorms

This study employed numerical simulations to explore the impact of varying ice nucleation processes on the microphysics and electrification within thunderstorm clouds. A two-dimensional cumulus model, incorporating both non- inductive and inductive charge separation schemes, was utilized. The findings revealed that the freezing nucleation mechanism significantly influenced the microphysical development, electrification, and charge structure of thunderstorms. Homogeneous freezing generated a large quantity of small ice crystals near the cloud tops, which were primarily re- sponsible for the development of positive charge regions through a non-inductive charging process. Conversely, hetero- geneous freezing resulted in larger ice crystals, enhancing graupel formation and leading to a more rapid and intense charge separation rate of around ?15°C. Ice crystals formed heterogeneously and charged negatively during the development stage, resulting in an inverted dipole charge structure. When both immersion and homogeneous freezing processes were considered, the competition between these two distinct freezing processes resulted in reduced cloud water content and weaker electrification. Under conditions of low cloud water content at lower storm levels, graupel particles were negatively charged through non-inductive charging, causing the charge structure to quickly revert to a normal dipole structure.     

Numerical Investigation of the Influence of Mineral Dust on the Tropospheric Chemistry of East Asia

An investigation of the influence of mineral dust ontrace gas cycles in the troposphere is carried out inthis study. A 3D regional scale atmospheric chemistrymodel (STEM-III) which includes aerosol processes isused for the numerical simulations for May 1987.Heterogeneous interactions between gaseous species(SO₂, N₂O₅, HNO₃, HO₂andH₂O₂) and the dust particles are considered.Emissions of dust behind convective cold fronts aremodeled. The transport and distribution of mineraldust predicted from the model is compared withsatellite measurements (aerosol index from TOMS). Themodel is shown to capture the synoptic variability inthe observed aerosol index. Calculations show twomajor dust events in May 1987, during which thedust levels close to the source reach more than500 g/m³. The transport of dust is mostlyrestricted towards the north, with the net continentaloutflow of 6 Tg for the entire month. Results showthat the presence of mineral aerosol can greatlyimpact sulfate and nitrate distributions. Averagedover the month of May, the presence of dust isestimated to increase particulate sulfate and nitratelevels in east Asia by 40%. Furthermore, the sulfateand nitrate on the dust particles are predicted to beassociated with the coarse mode (3–5 m particlediameter), consistent with observations over Japan.The influence of mineral dust on the photochemicaloxidant cycle is also investigated. For the entiremonth, a5–10% decrease in boundary layer ozone ispredicted by the model closer to regions of higherdust levels. The ratio of nitric acid to NO_x overmarine regions is reduced by a factor between 1 and 2in the boundary layer to more than 2 in the freetroposphere as a result of aerosol processes.     

基于ElasticSearch的异构数据迁移方法

随着信息技术应用创新和信息系统集约化进程的不断推进,气象部门政务管理信息系统正加速实施国产化自主可控迭代升级,其对历史数据迁移的平滑与否是衡量升级成败的关键因素之一.借助分布式全文检索框架ElasticSearch的动态映射、分布式可扩展以及非结构化数据处理等能力,本文提出一种异构数据迁移方法,能够解决传统方法在系统替...