大气中H_2O、CO_2和O_3的重叠吸收对CO_2辐射效应的影响

本文研究了大气中 H_2O、CO_2和 O_3吸收带对因 CO_2增加一倍所引起的辐射收支扰动的重叠影响。这种影响与大气中的各种气体量以及吸收带的强度有关。我们用吸收带的窄谱带表达式研究了与气体含量的变化有关的这种影响。这个谱带表达式能考虑吸收带结构,从而说明吸收气体频谱特征的相关。据发现,H_2O 和 O_3的存在对 CO_2所引起的平流层中太阳辐射和热辐射扰动的影响都是比较小的。然而,在对流层和地面,这种重叠影响似乎是十分重要的,并且改变了 CO_2引起的辐射能量扰动的垂直分布。例如,在红外区,这个影响是减小了 CO_2放射辐射的效率,同时加强由于 CO_2增加所引起的从平流层来的向下热通量在对流层的吸收。各种气体的重叠吸收的净效果是使由于 CO_2增加而引起的对流层的加热变大和使引起的地面加热减小。我们也发现,由于大气中 H_2O的变化,重叠吸收影响有很强的季节和纬度变化。     

大气中二氧化碳浓度的测量

一、引言许多气体对大气形成所谓的温室效应,二氧化碳是其中最重要的一个,其他还有H_2O、CH_4、N_2O、O_2、CO等。CO_2在12—18微米波段吸收很强,拦截了原会直接散失到太空去的地球辐射。这些气体的温室效应的总和使地球地面温度比行星辐射温度高出大约35°K,这对于生物生存是至关紧要的。四十多年前卡伦德(Callendar)提出,大气中CO_2浓度在增大,这可能是当时观测到北半球增温的原因。普拉斯(Plass)1956年计算得到,如果大气中CO_2浓度增加一倍,平均地面温度会增加3.6℃。大气CO_2的测量五十年代末还不充分,从1957年     

微量气体气候效应的数值模拟

本文利用能量平衡模式(EBM)研究了二氧化碳(CO_2)、臭氧(O_3)、甲烷(CH_4)一氧化二氮(N_2O)及氟氯烃(CFC_s)等微量气体的气候效应,结果表明,CO_2、CH_4、N_2O、O_3和CFC_s的浓度全部增至现在浓度的2倍时,将使全球海平面平均气温上升2.68℃。CO_2的浓度单独变为目前浓度的2倍、3倍和4倍时,全球海平面平均温度将上升2.16℃、3.88℃和5.64℃。CH_4(或N_2O)、O_3、CFC_s等的浓度分别单独变为目前浓度的2、3和4倍时,全球海平面平均温度将分别上升0.26℃、0.53℃、0.75℃;0.21℃、0.42℃、0.64℃;0.004℃、0.008℃及0.012℃。 可以看出,在目前情况下,CH_4、N_2O、O_3和CFC_s等微量气体的作用与CO_2相比还很小,但它们比CO_2在大气中的聚集速度快、滞留时间长,且保热力较强,因而它们所起作用的相对大小会随时间而增大。 另外,增温在赤道最小,随纬度增高而增大,在极地达极大值,但南北极增温不等,南极增温比北极大。     

辐射模式对红外冷却率计算的影响

本文以一种精度可与逐线积分相比拟的新的红外透过率模式为基准,系统地研究了不同辐射模式以及不同光谱资料对大气红外冷却率计算的影响.结果发现:光谱资料的不同对大气平流层红外冷却率的影响大于对对流层和地面的影响.同时,我们还发现:比辐射率模式在CO_2和O_3长波冷却率的计算中带来较大的误差;使用CG近似的各种带模式方法都程度不同地带来误差;当用压力换算因子来处理大气非均匀路径时,不但应当对不同气体采用不同的n值,而且在不同的高度范围,同一气体的n值亦应不同.最后,我们表明了当用透过率相乘定律来处理重迭吸收带时,只有那些宽度小于15cm~(-1)的窄带模式才能得到比较满意的结果.     

风云三号气象卫星红外分光计探测大气CO2浓度的通道敏感性分析

依据红外分光计（InfraRed Atmospheric Sounder,IRAS）光谱通道特征,发展了基于IRAS的大气辐射传输计算模式。以大气分子吸收光谱数据集（HIgh resolution TRANsmission,HITRAN） 2004为初始谱线输入资料,利用该模式模拟计算IRAS在CO2 吸收带的10个通道辐射率测值对CO2浓度变化的响应,并对比了其与大气温度和水汽、O3等气体浓度误差对辐射率测值的影响,探讨了利用风云三号气象卫星探测大气CO2浓度的可行性。结果表明,IRAS的通道4最适于用来监测大气CO2浓度的变化,当CO2体积混合比浓度变化在10×10-6时,对应的辐射率变化同仪器等效噪声辐射率相当,所以IRAS在理想状态下,最高可分辨的大气CO2浓度变化约为10×10-6。     

大气红外吸收带重迭及其处理方法对长波辐射计算的影响

本文详细地讨论了H_2O,CO_2,O_3,N_2O以及CH_4这五种大气主要红外活性气体的红外吸收带的重迭及其处理方法对长波冷却率及通量计算的影响.结果表明:气体吸收带的重迭对大气红外冷却率具有重要的作用;但在一定的误差范围内,不仅某些气体吸收带的重迭效应很小,可以忽略不计,而且某些重迭光谱区域对整个红外冷却率及通量的贡献亦可不予考虑.另外,本文还定性地讨论了处理重迭带的不同方法对红外辐射计算的影响.     

大气化学及其气象和环境效应

大气是不同气体和颗粒成分组成的混合物,组成相对稳定的大气化学系统。在该系统中某些成分的含量,如N_2,O_2和惰性气体等是相对稳定的;大多数成分如H_2O,CO_2,CO,硫化合物,O_3,NO_x,有机物和颗粒物质等随时空有很大变化。现有的技术尚不能定量测量多种大气痕量物质。所有这些成分,不管它们的含量是否相对稳定,在     

基于大气辐射传输模型的单通道海表温度反演算法研究

在分析大气辐射传输模型基础上,提出了单通道海表温度反演算法。首先,利用像元尺度的大气廓线精确计算大气上行辐射、下行辐射和透过率,然后将这些参数与海水比辐射率代入大气红外辐射传输方程,求解海表温度。与传统的劈窗算法相比,该算法具有时空变化适应性强的特点,尤其适用于缺乏浮标数据的海域。为了验证算法的可行性和准确性,利用2009年全年的MODIS数据在美国西海岸海域进行试验。通过与浮标实测数据比对可发现,单通道海表温度反演算法与浮标实测值的标准方差为0.73 ℃,平均偏差为0.23 ℃,说明该算法具有较高的精度,能满足常规的业务观测需求,另外也可用于标定劈窗算法的系数。      

对“青藏高原夏季晴天的大气热辐射”一文的补充说明

作者之一在研究了1979年夏季青藏高原晴天大气热辐射的观测结果后曾撰文指出:青藏高原夜间大气视发射率的测量值和根据水汽、CO_2和O_3的发射率计算得出的理论值符合得很好,而在白天,测量值则比理论值系统偏高,偏高值伴有明显日变化:早晚低,中午高(原文图4)。中午前后测量值平均要比理论值高15％,相当于42瓦/米~2(0.06卡/厘米~2·分)。根据上述结果,作者在该文最后指出:“在青藏高原的夏季,大气中除水汽、CO_2和O_3     

内蒙古地区T639气象要素预报性能评估检验

通过T639模式预报产品在内蒙古地区降水量、2 m温度、相对湿度和10 m风向、风速及降水过程预报效果的适用性研究,得出以下结论,温度和相对湿度预报的准确率较风向、风速明显偏高,温度和相对湿度预报的误差系统偏小,风速预报误差偏大的概率较大;降水量的预报准确率随降水等级增加而递减,对小雨而言,模式漏报率小于空报率,多报降水的偏差和少报降水的偏差相近。在预报要素空间分布上,风向预报的偏差顺时针偏转,其夹角小于45°,温度预报偏差总体偏小,相对湿度预报偏差由西向东表现为“+、-、+、-”的分布特征;小雨和中雨落区预报偏大,暴雨落区预报偏小;贝加尔湖冷涡强度的预报偏强,西太平洋副热带高压的强度预报偏弱,影响范围偏西偏北。     

青藏高原夏季晴天的大气热辐射

根据青藏高原夏季晴天大气热辐射的定时观测资料,计算了高原大气的视放射率,并和水汽、CO_2和O_3混合层的放射率作了比较。结果表明:高原的大气视放射率在白天系统偏高,偏高值在中午前后达到最大,平均为0.10,占混合层放射率的15％,相当于0.06卡/厘米~2·分。计算还表明:大气视放射率的测量值和用温度作变量的Swinbank型经验公式计算值之间的差异不管是在高原还是在平原都具有相同的日变化特性。     

CO_2浓度升高对半干旱区春小麦生长发育及产量影响的试验研究

利用典型半干旱区定西试验基地的开顶式气室(Open-Top Chamber,OTC)研究平台,以春小麦"定西24号"为供试品种,设置对照(370μmol·mol~(-1))和增加90μmol·mol~(-1)(460μmol·mol~(-1))、180μmol·mol~(-1)(550μmol·mol~(-1))3个CO_2浓度梯度,研究大气CO_2浓度升高对半干旱区春小麦生长发育、产量及产量构成因素的影响。结果表明:CO_2浓度升高使春小麦冠层空气温度和相对湿度增加,10 cm深处的土壤环境温度降低,春小麦根际浅层的土壤湿度增加;CO_2浓度增高,春小麦发育加快,生育期相应提前,全生育期缩短2~4 d;CO_2浓度升高对春小麦株高、叶面积指数和叶绿素含量有明显促进作用。其中,株高和叶面积指数在开花期增幅最大,叶绿素含量在灌浆后期到乳熟期增加更为显著;随着CO_2浓度升高,穗长、穗重、小穗数、穗粒数、穗粒重、千粒重、产量均呈增加趋势,而无效小穗数、不孕率以及收获指数则呈下降趋势,在460μmol·mol~(-1)和550μmol·mol~(-1)浓度下,籽粒产量分别比对照提高8.88%和19.93%。     

气候变化对华北4个城市建筑节能设计气象参数的影响

分析了1951年以来华北地区北京、天津、石家庄和太原4个城市建筑节能设计气象参数的变化特征,以期为建筑节能设计提供参考。结果表明：自1951年以来的近60年,4个城市采暖及冬季空气调节室外计算温度都明显升高,夏季空气调节室外计算干球温度呈升高趋势,夏季空气调节室外计算日平均及逐时温度总体上升高,但升高幅度较冬季采暖和冬季空气调节室外计算温度升高幅度均偏小;夏季通风室外计算温度呈弱的升高趋势,而室外计算相对湿度在北京、天津及太原降低,石家庄基本不变。气候变化对建筑节能设计气象参数存在明显的影响,对冬季采暖和空调的影响明显大于夏季空调,这对建筑节能设计是有利的。由于夏季通风室外计算温度升高不明显,对通风节能影响不大,而北京、天津相对湿度的降低有利于通风节能。     

青藏高原及周边地区垂直温度梯度特征及其成因分析

利用1980 2015年ERA-Interim全球0.25°×0.25°月平均再分析温度场、风场、垂直速度场资料,分析了青藏高原(下称高原)上空垂直温度梯度(T_G)特征及其成因。结果表明:(1)高原主体地区温度随高度升高而降低的程度要比周边地区大,东西两侧的温度随高度升高而降低得慢;(2)对流层中下层高原边缘陡峭地形区的T_G变化程度比周边地区大,对流层中上层各层T_G呈水平均匀分布;(3)非高原地区温度随高度升高而降低的程度略大于高原地区;在冬春季,两个区域的T_G对外界因素变化的反应都很灵敏;(4)初步成因分析显示,对流层中下层高原边缘地区,非绝热加热(冷却)作用越强时,T_G越小(大),温度随高度升高而降低的程度就越小(大);对流层中上层,高原部分区域非绝热加热(冷却)作用越强,T_G越大(小),温度随高度升高而降低的程度越大(小);在高原整层大气中,非绝热加热(冷却)作用是引起温度随高度升高而降低得慢(快)的主要因素。     

大气CO2浓度升高及气候变化对作物冠层光合影响的数值模拟

利用美国Licor-6200光合作用测定仪,对黄淮海地区代表性冬小麦品种鲁麦23号叶片光合作用速率进行了较为全面的测定,分别确定了冬小麦叶片光-光合作用响应曲线和CO2-光合作用响应曲线,在此基础上,建立了叶片光合作用模式,并进而建立了一个具有瞬时时间尺度,空间积分为叶片尺度的冬小麦冠层模式,利用模式分别分析了大气中CO2浓度升高和温度变化对冠层光合作用的不同影响,并在此基础上进一步进行了综合数值分析.单因子分析表明晴天状况下,冠层光合速率随CO2浓度升高而上升,当CO2浓度由330×10-6上升至660×10-6时,冠层光合日总量可增加19.7 %;冠层光合速率随辐射增加而增大,辐射量增加10.0 %,冠层光合日总量可增加6.7 %;冠层光合速率随温度升高而下降,温度升高1 ℃,冠层光合日总量减少2.9 %.多因子综合数值分析表明在辐射量较大的气候背景下,冠层光合日总量对温度和CO2变化响应更加敏感.本文的实测数据为研究气候变化对中国农业影响提供了最基本的可靠模型参数,冠层光合模型为未来改进作物模型提供了理论基础.     

西安市温室气体浓度变化规律研究

利用陕西省气象局长安大气科学实验基地(简称秦岭基地)2013年7月—2015年12月温室气体在线连续监测数据及同期气象观测数据,计算分析了两种温室气体(CO_2和CH_4)平均浓度日、月、季变化特征以及气象因素对温室气体浓度变化的影响。结果表明:(1)CO_2和CH_4平均浓度的日变化分布表现为下午低,早晨高的单峰型形态;月变化为明显的两头高中间低;(2)春、夏、秋三季大气中CO_2平均浓度日变化呈较为明显的单峰型,尤以夏季振幅最大,且全天浓度值为各季最小;而冬季CO_2全天浓度值整体高于其他三季。CH_4冬季日平均浓度最高值出现时间略滞后于其他三个季节,春夏两季变化趋势基本同步;(3)CO_2和CH_4采暖季及非采暖季的变化规律与各季节的变化规律极为相似;(4)CO_2和CH_4平均浓度随地面风速的增加而降低,冬季随地面风速的增加降低幅度最小,白天随风速下降的幅度大于夜间;气温越高,CO_2的降低幅度越大,而CH_4则随着气温的升高出现先增加后降低的趋势。     

WUSH-RZ日照仪与暗筒式日照计观测日照时数的比较

利用深圳国家基本气象站WUSH-RZ日照仪与暗筒式日照计的日照时数资料进行统计分析,结果表明:(1)由于两种观测仪器的日照时数统计方式不同,将日照仪的日照数据按10分法换算后,两者差值为0.26 h/d,与两种仪器观测的感光阈值特征相符;(2)日出时段两者差值为-1.8min/h,日落时段两者差值为4.2 min/h,在其他时段,差值在-0.6~2.4 min/h之间;(3)两种资料的差值随云量的增加逐渐增大;差值随能见度的增加逐渐增大;温度≤25℃时,两种日照资料的差值随温度升高的趋势变化较小,当25℃时,两种观测资料的差值随温度升高的趋势变化较大。     

西南地区秋季干旱的年代际转折及其可能原因分析

采用1961~2012年中国气象局753站降水和温度资料、NCEP/NCAR全球大气再分析资料、NOAA海表温度资料等,应用观测统计分析和全球大气环流模式NCAR CAM5.1数值模拟,基于标准化降水蒸散指数(SPEI),对我国西南秋季干旱的年代际转折及其可能原因进行了分析。观测分析结果表明:(1)西南秋季干旱的主要分布型为全区一致型;西南秋季SPEI在1994年发生年代际突变,突变后(前)为偏旱(涝)期。(2)西南秋季偏旱期的主要环流特征是,西太平洋副热带高压位置偏西、面积偏大、强度偏强,南支槽偏弱,西南地区存在下沉运动。(3)热带东印度洋-西太平洋的海表温度年代际升高对西南秋季SPEI在1994年发生年代际突变有重要作用,该关键海区海表温度异常升高,一是会使秋季西南地区500 hPa高度场偏高,南支槽减弱;二是产生偏强的Hadley环流,使得我国西南地区存在下沉运动;三是会在西太平洋激发气旋性环流,使我国西南地区被偏北气流控制,削弱了向我国西南地区的水汽输送,容易造成该地区的秋季干旱。应用NCAR CAM5.1全球大气环流模式进行了关键海区海表温度年代际变化的敏感性试验,验证了观测分析结果,即秋季关键海区海表温度年代际升高对西南秋季年代际变旱有重要作用。     

秋季南疆沙漠塔中边界层O_3浓度及影响因子分析

利用2008年10月11～17日的系留气艇探空资料,分析了塔中边界层O3浓度的变化特征及其与气象因子的关系。结果表明:塔中秋季边界层O3浓度均值为48.7×10-9。在边界层内中午O3浓度随高度升高几乎没有变化;深夜和清晨O3浓度从地面随高度的升高逐渐增大;傍晚O3浓度最大,随高度的升高缓慢减少,达到一定高度后变化均很小。O3浓度随高度变化明显,从1m到700m高度的O3浓度变化分为不稳定型、过渡型和稳定型。根据廓线变化方式分为深夜清晨型、中午型、傍晚型。分析表明,秋季O3浓度与温度、相对湿度、比湿、风速有关。在深夜和清晨出现逆温层,在逆温层内O3浓度较低。O3浓度与相对湿度呈负相关,02:00和08:00的相关性最显著。在深夜和清晨比湿与O3浓度基本上是呈反相的关系。O3浓度与风速的相关性除了深夜相对较高外(R=0.699,n=33,p0.001),其余时间均不太明显。     

青海湖北岸大气向下长波辐射特征及云的影响

大气向下长波辐射对地表能量平衡、水循环等有重要影响。基于青海湖北岸2018年9月至2019年8月辐射观测资料,分析不同时间尺度的辐射通量变化特征,对比晴天条件下10个大气比辐射率参数化公式在该地区的适用性,在此基础上定量评估了云对大气向下长波辐射的影响。结果显示:青海湖北岸地区各辐射分量均呈现相似的"单峰型"日变化特征,辐射量白天较高、夜间较低;一年中,除向上短波辐射(主要受地表反照率影响)外,其余辐射分量均随气温而变化。晴天条件下大气比辐射率参数化Brutsaert公式在青海湖北岸地区的适用性最高。随着云份额数(C_f)的增大,青海湖北岸大气向下长波辐射逐渐增强,在C_f10%时,云增强效应低于10 W·m~(-2);当C_f75%时,云增强效应超过60 W·m~(-2)。云天大气向下长波辐射观测值与晴天计算值的比值r随着C_f的增大而增大,两者存在极显著的二次函数关系,当C_f10%时,r平均为1.04;当C_f75%时,r1.25,该统计关系能够较好地揭示青海湖北岸地区云对大气向下长波辐射的影响。