考虑人类活动影响的高分辨率集合陆面数据同化系统研究

Human activities alter the underlying land surface apparently, and influence the urban weather and climate. In order to study the impact mechanism of human activities to urban weather and climate, and climate effect of human activities quantitatively, a high resolution urban land model and land data assimilation system are necessary. Based on the four-dimensional variational assimilation algorithm in natural land surfaces, this project proposal develops a joint variational assimilation algorithm to assimilate the state variables in urban and natural land surfaces simultaneously. This project proposal uses multi-kinds assimilation algorithms to assimilate multi-source remote sensing and observed data, and develops a joint land data assimilation system. A multi-resolution and multi-parameter land data dataset is generated based on this land data assimilation system. The joint land data assimilation system could be coupled with numerical forecast model and climate model to improve the weather prediction accuracy and study the urban climate effect; it also could be used in a variety of industries such as urban planning, hydrology, transportation, urban ecology and urban heat environment and so on.

人类活动显著改变了陆地表面，对天气、气候产生显著影响。研究人类活动对天气、气候影响机理，准确定量刻画人类活动的天气、气候效应需要发展高分辨率城市陆面模式及陆面数据同化系统。本申请项目在自然下垫面四维变分同化算法研发的基础上，发展集成陆面模式集合变分同化算法，同时同化自然及城市下垫面状态变量，实现真正的全区域同化。同时本申请项目采用多种同化算法，同化多源遥感观测数据，构建集合陆面数据同化系统，生成高分辨率多参数陆面同化数据集，为耦合天气、气候模式，提高数值预报准确率以及开展城市化气候效应研究做准备。集合陆面数据同化系统在城市规划、水文、交通以及城市热环境等行业也有着较为广泛的应用。

陆面模式是地球系统模式的重要组成部分，陆面数据同化是提高陆面模式模拟准确率的重要手段。城镇化是我国的一项基本国策，准确模拟城市化区域及全球气候效应需要考虑人类活动对地气相互作用的影响。综合考虑人类活动及气候变化影响，需要耦合城市陆面模式与自然下垫面陆面模式，发展集合陆面数据同化系统。.本项目的主要研究内容包括以下几部分：1) 人类活动影响陆面参数和地气相互作用物理机制研究。主要从辐射平衡、能量平衡、水分平衡三个方面考虑人类活动的影响。2) 集合变分同化算法发展。发展集合四维变分同化算法，同时同化自然及城市下垫面地表温度及土壤湿度。3) 多源遥感观测数据同化。发展多种同化算法，同化多源遥感观测数据。4) 高分辨率集合陆面同化系统研制。以集成陆面模式为基础，构建集合陆面资料同化系统(JLDAS)。5) 高分辨率多参数北京地区陆面同化数据集建立及检验。生成北京地区高分辨率多参数陆面同化数据集，并且和高分辨率陆面数据同化系统（u-HRLDAS）进行比较。.本项目取得的主要成果如下： 1）揭示了人类活动影响地表辐射平衡、能量平衡和水分平衡物理机制。2）发展了集合四维变分同化算法。3）发展了北京地区高分辨率集合陆面数据同化系统。4）生成了高分辨率、多参数北京地区陆面同化数据集。5）发表SCI 文章8 篇，获得发明专利1项，软件著作权2项。6）四人获得副研究员任职资格；联合培养硕士生1名，博士生1名。.本项目研究具有重要意义。项目采用多种同化算法，同化多源遥感观测数据，构建集合陆面资料同化系统，生成多分辨率多参数陆面数据集，为耦合天气、气候模式，提高数值预报准确率以及开展城市化气候效应研究做准备。集合陆面数据同化系统在城市规划、水文、交通以及城市热环境等行业也有着较为广泛的应用。