从Himawari08卫星估算晴空地表长波辐射及其日变化特征初探

通过446183条全球晴空大气廓线的红外辐射传输模拟和统计回归,建立了由Himawari08成像仪通道遥测数据估算晴空地表上行、下行长波辐射通量的反演模式,模式应用于成像仪观测资料,处理出晴空地表上行、下行长波辐射通量实时产品,2016年2~6月的产品精度验证试验结果为:与相同时刻的AQUA卫星CERES仪器同类产品相比,地表上行通量均方根误差R_e=7.9 W/m2,相关系数R=0.9399,地表下行通量R_e=14.5 W/m2,R=0.9586;与由中国地面气象站地面气温和相对湿度观测经Brunt、Brutsaert经验公式计算的实时地表下行长波辐射通量相比,R_e=15.34 W/m2,R=0.8786;与用陆表温度计算的地表上行长波辐射通量相比,R_e=12.6 W/m2,R=0.9977。研究了2016年2、6月的晴空地表长波辐射产品,发现陆地晴空上、下行通量有着与太阳加热地表增温相应的明显日变化特征,峰值出现在12:00（当地时间,下同）至14:00,低谷出现在04:00至07:00,下行通量与上行通量几乎同步变化或约有延时,陆地上2个通量归一化的日变化指数类似一个半正弦曲线,而海面长波辐射通量则没有明显的日变化规律。     

从FY-4静止气象卫星估算晴空地表下行长波辐射通量的反演模式

通过红外辐射传输模拟,计算了446183条全球晴空大气廓线的地表下行长波辐射通量以及FY-4成像仪通道亮温,应用统计回归分析模拟结果,建立了通道亮温与低层大气有效辐射温度的回归关系、大气柱总可降水量与低层大气比辐射率的回归关系,依据黑体辐射定律建立了由卫星观测估算地表下行长波辐射通量的反演模式。初步地,模式应用于FY-4成像仪代理资料Meteosat-8卫星的SEVIRI（Spring Enhanced Visible and Infared Imager）仪器观测数据,估算了2006年8月1日00:00（协调世界时,下同）、06:00、12:00、18:00地理范围在（45°S～45°N,45°W～45°E）的地表下行长波辐射通量,结果与用ECMWF 6 h预报场资料经验计算的通量相比,系统均方根误差（RMS）依次为12.1、13.0、20.7、12.5 W/m2,相关系数分别为0.9256、0.9291、0.9042、0.9325,相比于GOES-R同类产品（RMS=13.7 W/m2）,这一直接把卫星通道亮温与低层大气温度相联系的反演模式,其精度性能达到了应用研究对其反演产品的质量要求。     

改进的FY-3B/VIRR OLR反演模式及其应用效果

FY-3B卫星VIRR仪器的向外长波辐射(outgoing long-wave radiation,OLR)产品处理采用与NOAA/AVHRR相同的算法模型,即用窗区通道亮温-通量等效亮度温度的回归关系式计算OLR,但两星的OLR业务产品与目前国际质量最好的云和地球辐射能量系统(cloud and earth’s radiant energy system,CERES)仪器观测OLR产品相比,存在约10 W·m~(-2)的系统负偏差。FY-3B的原因在于OLR反演模式建立过程中红外辐射传输计算软件的精度不够。鉴于此,本文采用美国21世纪开发的逐线辐射传输模型计算软件(LBLRTM),模拟计算了全球2521条大气廓线的大气顶辐射率光谱,在此基础上计算了每条廓线的OLR和FY-3B/VIRR窗区通道亮温,应用最小二乘法统计回归模拟数据,重新建立了由FY-3B/VIRR窗区通道亮温计算OLR的回归关系式及系数。模式应用于FY-3BL1级数据,处理2016年1,3,7和10月的FY-3B逐日全球OLR资料,该资料与AQUA-TERRA卫星的CERES仪器OLR观测产品相比,得到日平均OLR:RMSE=9~15 W·m~(-2),R=0.9834,Bias=-0.3W·m~(-2);月平均OLR:RMSE=4~7W·m~(-2),R=0.9915,Bias=-0.3W·m~(-2),表明改进的模式能处理出无系统偏差的、精度基本与CERES观测相当的OLR产品,尽管单通道反演算法有着固有的模式回归误差。     

FY-2D静止气象卫星OLR反演模式

介绍FY-2D卫星OLR反演模式的建立过程以及模式与NOAA卫星OLR反演模式的相互对比,包括:地球大气红外辐射传输方程,全球3812条大气廓线的大气顶射出辐射率、射出长波辐射通量密度的模拟计算,3812条廓线FY-2D窗区通道1、2、水汽通道的通道辐射率模拟计算,通道辐射率的临边变暗订正关系式的确立、3个通道波段的窄波段辐射通量密度的模拟计算.通过3812条廓线的窄波段辐射通量密度与OLR的X-Y坐标散点图,建立OLR回归关系式;并通过NOAA-17 AVHRR通道5 OLR反演模式与FY-2D窗区通道2 OLR反演模式形式的互比,得出两星的OLR反演模式接近,给出2007年2～4月OLR产品个例和产品精度分析.     

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。     

秋季珠峰复杂地形下地表能量通量卫星遥感研究

依据目前较为成熟的地表能量通量遥感参数化方案,利用2006年9～10月珠峰地区秋季近地面大气梯度实测资料,结合中分辨率成像光谱仪MODIS卫星资料,遥感估算了包括珠峰地区在内的青藏高原南部地区地表能量通量的空间分布情况.结果表明:地表净辐射峰值约为420.0 W·m-2,介于200.0～620.0 W·m-2之间;地热通量峰值约为110.0 W·m-2,介于50.0～180.0 W·m-2之间;感热通量峰值约为270.0 W·m-2,介于120.0～280.0 W·m-2之间;潜热通量峰值约为90.0 W·m-2,介于0.0～250.0 W·m-2之间.由此可见,在高原季风期后的秋季,该地区白天地面加热场主要通过感热传输加热大气,地气之间水汽传输耗热是地表净辐射平衡中的小量.     

应用改进模式从FY2H卫星数据估算OLR

射出长波辐射(OLR)是大气科学研究领域的关键参量,并在辐射相互作用、气候变化和灾害监测等方面发挥重要作用。2018年6月5日静止气象卫星FY2H成功发射,OLR产品是FY2H的业务产品之一。在原有FY2系列OLR反演算法基础上,参考国际上NOAA/HIRS OLR反演算法,结合FY2H/VISSR 3个红外通道设置,建立适合FY2H的OLR反演算法。利用该算法处理FY2H/VISSR的L1级观测数据,生成实时及日、旬、月平均的OLR产品。FY2H的OLR产品与CERES均匀性下垫面的瞬时视场OLR产品对比,RMSE=3.38 W/m~2,R=0.99,Bias=0.77 W/m~2;与CDR日平均OLR产品对比,RMSE为5～7 W/m~2,R为0.97～0.98,Bias为-2.2～1.9 W/m~2;与CDR旬平均OLR产品对比,RMSE为3～5 W/m~2,R=0.99,Bias为-1.1～0.4 W/m~2;与CDR月平均OLR产品对比,RMSE为2～4 W/m~2,R=0.99,Bias为-1.1～0.4 W/m~2。这表明FY2H OLR改进算法达到了较高的精度,可满足卫星设计和应用研究精度需求。     

青藏高原东南缘近地层微气象学特征对比分析

本文利用位于青藏高原东南缘的温江和大理大气边界层野外观测资料,对比分析了两站包括风温湿、辐射、湍流通量等在内的近地层微气象学特征,主要结果如下：（1）两站风速值均随着高度的增加而增大,但温江站冬季4～10 m风速在白天出现随高度减小的现象.温江站冬季以东北风为主,夏季以西北风和南风为主;大理站冬季以东南风为主,其次为西南风,夏季则以东风和东南风为主.两站近地层逆温和逆湿现象都非常显著.（2）同一季节温江站大气逆辐射和地表长波辐射大于大理站,向下短波辐射小于大理站.温江站地表长波辐射总是大于大气逆辐射,而大理站白天地表长波辐射大于大气逆辐射,晚上则相反.（3）温江站感热通量冬季大于大理站,夏季小于大理站,而潜热通量无论冬夏都要小于大理站.两站潜热通量均大于感热通量,并且大理站潜热通量月平均日变化值全天始终大于零.无论冬夏,温江站土壤热通量都要小于大理站,随着深度的增加两站土壤热通量均有位相上的延迟.     

中国西北干旱区戈壁下垫面夏季的热力输送

以敦煌戈壁站2004年6月和2008年8月的常规观测和超声观测为例,分析了西北干旱区戈壁下垫面夏季热力输送的一般过程及特征。首先评价了湍流通量的观测质量以及仪器观测的地表能量通量闭合问题,结果表明敦煌戈壁站的观测在白天总体较好。夏季地表能量通量的平均日变化显示,潜热通量整天都很小,可以忽略,白天到达地表的短波辐射以及地表向上的长波辐射非常强,地表净辐射主要转化为感热输送（敦煌戈壁站在中午时平均分别达380W·m-2以上和250W·m-2以上）;夜间土壤释放热量以平衡地表的辐射冷却,感热通量略低于0。白天时地表大气经常触发自由对流活动,影响动量通量的观测质量,并有效输送地表热力至上层大气中,有助于形成超厚大气边界层。分析了戈壁下垫面的动量粗糙度特征和热力粗糙度特征（敦煌戈壁站动量粗糙度约为0．6mm）,热力粗糙度基本小于动量粗糙度一个量级,这符合目前对干旱区戈壁下垫面热力输送特征的初步认识。     

南疆沙漠腹地大气边界层湍流通量特征的观测研究

利用新疆塔中站2006年4月、8月的三维风速。温度和水汽脉动资料,运用涡旋相关法计算得到了春、夏季塔中10m高度的动量、感热和潜热通量。结果表明,塔中地区地表热量输送以感热输送为主。春季每天的最大感热通量变化范围为120—320W·m^-2,月平均值为220W·m^-2;夏季最大感热通量的变化范围为140—340W·m^-2,月平均值为230W·m^-2。感热通量值在夜间为负,白天为正,符号的改变出现在日出、日落前后。夏季潜热通量最大值一般为20—60W·m^-2,平均值为27W·m^-2,潜热通量比感热通量小一个量级。春季动量通量的平均值为-0．063W·m^-2,夏季动量通量的平均值为-0．091W·m^-2。日变化规律比较明显,日出后,动量向下传输增大,在09-10时（地方时）出现一个最大值,随后动量向下传输并开始减小。     

Observation-based Estimation of Aerosol-induced Reduction of Planetary Boundary Layer Height

Radiative aerosols are known to influence the surface energy budget and hence the evolution of the planetary boundary layer. In this study, we develop a method to estimate the aerosol-induced reduction in the planetary boundary layer height(PBLH) based on two years of ground-based measurements at a site, the Station for Observing Regional Processes of the Earth System(SORPES), at Nanjing University, China, and radiosonde data from the meteorological station of Nanjing. The observations show that increased aerosol loads lead to a mean decrease of 67.1 W m-2for downward shortwave radiation(DSR) and a mean increase of 19.2 W m-2for downward longwave radiation(DLR), as well as a mean decrease of 9.6W m-2for the surface sensible heat flux(SHF) in the daytime. The relative variations of DSR, DLR and SHF are shown as a function of the increment of column mass concentration of particulate matter(PM2.5). High aerosol loading can significantly increase the atmospheric stability in the planetary boundary layer during both daytime and nighttime. Based on the statistical relationship between SHF and PM2.5column mass concentrations, the SHF under clean atmospheric conditions(same as the background days) is derived. In this case, the derived SHF, together with observed SHF, are then used to estimate changes in the PBLH related to aerosols. Our results suggest that the PBLH decreases more rapidly with increasing aerosol loading at high aerosol loading. When the daytime mean column mass concentration of PM2.5reaches 200 mg m-2, the decrease in the PBLH at 1600 LST(local standard time) is about 450 m.     

FY-3B/VIRR海表温度算法改进及精度评估

该文介绍了卫星观测海表温度 (SST) 算法的发展历程,给出了所用SST算法的回归模型,并在FY-3B/VIRR业务SST算法的基础上进行了改进。基于NOAA-19/AVHRR匹配数据集,进行多算法建模分析及精度评估,白天最优算法为非线性SST (NL) 算法,夜间最优算法为三通道SST (TC) 算法,最优算法的确定与NESDIS/STAR一致。建立2012年8月—2013年3月FY-3B/VIRR匹配数据集,并在此基础上进行多算法回归建模及精度评估,白天和夜间的最优均为NL算法,分析发现夜间TC算法采用匹配数据集版本2(MDB_V2) 时,3.7 μm通道存在类似百叶窗的条带现象。以2012年10—12月FY-3B/VIRR匹配数据集计算回归系数,以2013年1—3月独立样本进行精度评估,与浮标SST相比,NL算法白天和夜间的均方根误差分别为0.41℃和0.43℃。与日平均最优插值海温 (OISST) 相比,NL算法白天和夜间的均方根误差分别为1.45℃和1.5℃; 选择与OISST偏差在2℃以内的样本,NL算法白天和夜间均方根误差分别为0.82℃和0.84℃。     

夏季西藏4个站点大气向下长波辐射观测分析

对2011—2016年部分夏季时段分别在西藏那曲、拉萨、林芝和阿里观测的大气向下长波辐射（L_↓）进行分析,结果显示:L_↓具有明显的日变化,最大值出现在北京时间15:00前后,而最低值出现在凌晨至10:00,日平均值林芝最高（368 W·m-2）,其次是拉萨（319 W·m-2）、阿里（305 W·m-2）和那曲（299 W·m-2）。晴天L_↓ ?ngstr?m（1915）的经验公式最适合林芝,而Konzelmann（1994）的公式则适合那曲、拉萨和阿里;随着人工观测总云量的增加,L_↓增强趋势明显,满云（云量7~10成）情形4个站点云增强效应均从20 W·m-2上升至50 W·m-2以上,低云量对L_↓的增强效应明显高于总云量。云份额数（C_F）上升所对应天顶方向平均云底高度下降,但云增强效应上升。在晴天（C_F为-5%~5%、平均云底高度大于4 km）时,云增强效应仅为5 W·m-2左右（林芝接近20 W·m-2）,但当C_F为90%以上（云底高度小于3.5 km）时,云增强效应则上升到60 W·m-2（林芝接近50 W·m-2）。固定云底高度,C_F与L_↓云增强效应呈显著相关（r2为0.91~0.97）,远高于云底高度与L_↓云增强效应的相关（r2为0.32~0.58）。     

Estimations of Land Surface Characteristic Parameters and TurbulentHeat Fluxes over the Tibetan Plateau Based on FY-4A/AGRI Data

正Nan GE1, Lei ZHONG*1,2,3, Yaoming MA4,5,6, Yunfei FU1, Mijun ZOU1,Meilin CHENG1, Xian WANG1, and Ziyu HUANG1     

阿尔卑斯山杉林冠层影响辐射传输的个例分析

利用瑞士Alptal观测站杉树林冠层上方、下方的辐射观测资料,分析了冠层对短波辐射的减弱及对长波辐射的增幅作用及其季节变化。结果表明,对比较密集的常绿针叶林,冠层对入射短波辐射的透过率随着太阳高度的降低而减小,春季以后趋于稳定;冠层对长波辐射的增幅作用随天气状况而变化,这种增幅作用在晴空条件下最显著,可达1.5倍。在冬季,因为太阳辐射较弱,冠层对长波辐射的增幅作用超过对短波辐射的减弱从而增加地面净辐射。在其它季节,太阳辐射比较强,冠层对短波辐射的减弱超过对长波辐射的增幅作用而减少地面净辐射。地面净辐射与冠层上方气温的变化趋势虽然在有些时段一致,但在伴随降雪过程的降温时段,地面净辐射与气温的变化趋势近乎反相,在积雪融化时段,地面净辐射的增加比气温升高更显著,尤其是在白天。     

中国西北三类典型裸土下垫面地表宽波段发射率变化特征研究

利用2013年我国西北戈壁、沙漠和黄土塬区三类典型裸土下垫面野外观测试验资料,探究了上述地区地表向下、向上长波辐射（DLR&ULR）、地表温度（LST）和地表宽波段发射率（LSBE）的变化特征,结果表明:黄土站地表ULR和LST明显比戈壁和沙漠站偏低;戈壁宽波段发射率（GbBE）、沙漠宽波段发射率（DeBE）和黄土宽波段发射率（LoBE）具有明显的变化特征,尤其是日变化特征;观测期内GbBE、DeBE和LoBE平均值分别约为0.926±0.0452、0.916±0.0419和0.881±0.049。三站点地表宽波段发射率的数值大小和变化特征与陆面模式中所指定的参数化情况不符。地表发射率会受站点周围环境和当时气象条件等因素的影响,表层土壤湿度被认为是一个非常重要的影响因子,将来的野外观测试验中需加强相关影响要素的观测与分析。     

NASA/Goddard长波辐射方案在GRAPES_Meso模式中的应用研究

本文将NASA（National Aeronautics and Space Administration）/Goddard长波辐射方案引入到GRAPES_ Meso（Global/Regional Assimilation and PrEdiction System_Meso）模式中,对2006年4月中国地区进行了一个月的模拟试验,并与相应的NCEP（National Centers for Environmental Prediction）再分析资料进行了对比分析。试验结果表明:在模拟区域内,使用GRAPES_Meso模式进行24 h、48 h预报得到的晴空大气顶向外长波辐射通量（the clear sky outgoing longwave radiation flux,OLRC）、地面接收到向下长波辐射通量（the clear sky downward longwave radiation flux at ground,GLWC）分布形势与NCEP再分析资料具有较好的对应关系;模式预报24 h、48 h OLRC和NCEP再分析资料月平均误差百分比控制在－10%～＋10%以内,GLWC月平均误差百分比比OLRC略大,但总体上两者误差都在合理和可接受范围之内。OLRC和GLWC 24 h、48 h的预报和NCEP再分析资料的逐日距平相关系数及标准误差的对比显示,模式24 h预报OLRC、GLWC的距平相关系数月平均值分别为0.96、0.98,标准误差月平均值分别为24.54 W m-2、27.23 W m-2;模式48 h预报OLRC、GLWC的距平相关系数月平均值分别为0.9521、0.9804,标准误差月平均值分别为22.43 W m-2、27.64 W m-2。总体上,模式24 h、48 h预报OLRC和GLWC的距平相关系数都在0.93以上,标准误差都在31 W m-2以内,且GLWC预报和NCEP再分析资料的相关性比OLRC略好,OLRC预报与NCEP再分析资料的的标准误差比GLWC略小。通过和RRTM长波辐射方案对比可知,两者的预报水平基本一致。本文研究结果表明,引入NASA/Goddard长波辐射方案后的GRAPES_Meso模式整体上能够较好地预报OLRC和GLWC,该辐射方案可以作为模式GRAPES_Meso的备选辐射方案之一。