干旱地区地表辐射的计算——个例研究

我们利用在中国西部黑河流域所进行的陆气相互作用实验的预试验期间地面和卫星观测资料，研究了在于旱地区地表辐射收支演算中所遇到的困难。通过理论辐射传输计算和用卫星资料对云的反演可以得到地表辐射。计算结果与地表测量的太阳辐射和红外辐射比较表明在有些情况下会发生较大的误差。误差主要是由于缺乏气溶胶资料．云反演时的不确定性以及地面观测与卫星测量之间的时间差异所引起。在无云情况下，模式计算的太阳辐射通量系统大于测量值，当地面温度大于50℃和由于不稳定边界层造成尘埃古量大时计算误差特别大，误差的原因是计算中没有考虑气溶胶．我们发现在下午当气溶胶单次散射反射率取为9．5．光学厚度近似地取为0．2时计算误差可以减小，计算的地面太阳辐射通量和实测值比较一致，然而在大气中太阳辐射如此强的吸收原因仍不清楚．对地面测量和卫星测量资料都可以用的个例研究结果表明，地表净太阳辐射通量和红外向下辐射通量的平均误差分别为4．3和-4.7W／m^2．相应的均方根误差分别为17．4和22．1W／m^2．较大的误差出现在云量较少时，这可能是反演中误把气溶胶当成了云所造成的．研究结果强调了气溶胶在地表辐射计算中的重要性。同时，由于该地区地表温度的日变化非常大，而地面红外辐射的计算，要求温度测量有较高的时间分辨率，因此在干旱地区地面辐射计算中，从卫星资料反演气溶胶和地面温度应予以最优先考虑．     

GRAPES模式不同云物理方案对短期气候模拟的影响

在胡志晋、刘奇俊云物理方案的基础上，研制了GRAPES模式的云降水显式方案。用不同云物理方案开展了短期气候（月尺度）过程的模拟试验，并与地面观测资料和NECP再分析资料进行了对比分析。模拟的结果表明，耦合了云降水显式方案的GRAPES模式较好地模拟出了中国地区降水、温度、云量、长短波辐射的特点和分布规律。气候模拟中冰相过程和暖云过程模拟的降水、温度、云量和辐射差异较大，不同相态的水凝物及其分布对辐射特征有较大的影响，混合相云物理方案的模拟结果与实况更为吻合，应使用混合相云物理方案进行短期气候的模拟。     

基于地面观测与GEWEX-SRB卫星反演新疆维吾尔自治区地面太阳辐射研究

利用世界气候研究计划/全球能量与水循环试验(National Aeronautics and Space Administration/World Climate Research Program,NASA/WCRP)发布的长期地表辐射收支(Global Energy and Water Exchanges-Surface Radiation Budget,GEWEX-SRB)数据产品和中国气象局资料室的地面辐射数据产品,分别获得1984—2007年新疆维吾尔自治区地表全天空向下太阳短波辐射辐照度和地表全天空向下日总辐射曝辐量,对比分析两种数据从而确定卫星数据的精度;在此基础上,进一步分析新疆维吾尔自治区地面太阳辐射的时空分布特征。结果表明:基于GEWEX-SRB卫星观测资料反演的新疆维吾尔自治区太阳辐射明显比地面观测太阳辐射偏高约10%—30%,但两种数据反映的新疆维吾尔自治区太阳辐射的时空分布特征一致。在空间分布上,新疆维吾尔自治区太阳辐射呈明显的经向和纬向分布即太阳辐射由西北向东南方向逐渐递减;在时间分布上,太阳辐射从夏季、春季、秋季至冬季依次减小,从春季到冬季太阳辐射逐步由经向分布向纬向分布转变,夏季太阳辐射变化幅度最大,春季太阳辐射多年变化倾斜率增加最多,冬季太阳辐射多年变化倾斜率增加最少;太阳辐射月变化呈正态分布。     

中国大气气溶胶辐射特性参数的观测与研究进展

长期系统的气溶胶辐射特性观测资料是定量研究气溶胶辐射和气候效应的重要基础.本文综合介绍中国大气气溶胶辐射特性观测与研究现状和成果,重点包括以下内容:地面太阳光度计联网观测气溶胶光学厚度、单次散射反照率、尺度谱;从全波段太阳辐射反演气溶胶光学厚度、单次散射反照率;浊度计和黑碳仪测量地面气溶胶散射系数和吸收系数;地基/星载激光雷达观测气溶胶(后向散射系数)垂直分布;极轨/静止卫星遥感反演气溶胶光学特性.     

青藏高原地区地-气系统的辐射平衡特征

本文利用1982年8月—1983年7月青藏高原热源野外考察期间的Nimbus7卫星观测资料,分析了高原及其邻近地区行星反照率、大气顶的射出长波辐射和地-气系统辐射平衡的区域分布及季节变化特征以及它们对天气气候的影响。同时配合同期的地面辐射观测资料,讨论了卫星资料与地面实测资料间的相互关系,为探索卫星资料的应用等作了尝试。     

云天地表总辐射和净辐射瞬时值的计算方法

为减少计算机时,满足实时预报要求,全球数值预报模式中的辐射计算频率通常设定为三小时。这样处理会大大减少计算量,但也同时导致较大辐射日变化偏差,并影响模式对地面能量平衡,对流及降水的模拟。为改进这一缺陷,我们开发了一种辐射快速计算方案,可用于计算瞬时地面太阳总辐射和净辐射,使到达地面的太阳辐射计算可与模式积分同步进行,从而改善地面太阳辐射日变化模拟。本文介绍云天的计算方法。该方案所用的输入变量均为预报模式或卫星观测所能提供的量。结果表明：该方案既可用于数值预报模式也可利用观测资料独立计算地面太阳辐射。经与美国能源部大气辐射观测资料检验,该方案的精度很高,地面总辐射瞬时值的平均计算误差小于7%。     

晴天地表总辐射和净辐射瞬时值计算方法

以较为精确的大气辐射传输模式为基础,研制出晴天地表总辐射和净辐射瞬时值的计算方案。与以往的经验计算方法不同,该方案将辐射传输带模式的思路引入地面太阳辐射计算,并尽可能将大气中吸收和散射物质对太阳辐射的影响考虑进去,从而使该方法具有较好的精确性和普适性。在此基础上采用了Kokhanovsky等人提出的大气气溶胶反射率和透过率参数化方案,使得气溶胶对地面总辐射和净辐射的影响得到较好的处理。采用的自变量都是数值预报模式或卫星观测能提供的气象要素,因此该方案即可用于数值预报模式或陆面过程模式计算地表辐射平衡,又可以利用卫星观测或再分析资料估算地面太阳能资源分布。利用美国能源部三个大气辐射观测站点2005年全年的观测资料及欧洲宇航局提供的卫星反演气溶胶资料对计算方案进行了检验。结果表明,该方法十分精确,所有点的平均相对误差都小于6%,误差的均方差都小于0.3 W•m^-2。     

青藏高原云的气候学特征

利用国际卫星云气候计划（ＩＳＣＣＰ）获取的１９８３年７月～１９９０年６月２．５°×２．５°分辨率的云气候资料以及Ｈａｈｎ等整理的１９７１～１９８１年５°×５°分辨率地面观测云气候资料，综合分析了青藏高原地区冬季和夏季云的水平和垂直分布特征，从而为检验大气环境或气候模式的云模拟能力及进一步研究青藏高原地区云辐射相互作用对气候的影响提供背景依据。     

西北太平洋云辐射实验

“西北太平洋云辐射实验”是对云与气候有关问题,如全球云的变化、云与辐射、云对气候的影响进行深入研究的计划。它包括野外观测实验和多种卫星资料的分析。该区域性实验在南日本海上进行。北京大学是参加单位之一。本文介绍了其研究计划和进行的第一次实验的情况(第一次实验于1989年2月至3月在日本潮岬进行)。此次实验中,北京大学研制的双通道(λ=8mm-1.35cm)微波辐射计用于野外观测,遥感大气水汽含量,云中液态水量,全天云中水量的分布及降雨过程,本文介绍其结果。     

人为源气溶胶的间接气候效应研究综述

气溶胶可以多种途径改变云特征来影响气候。作为凝结核,气溶胶可以增加暖云的云滴数和寿命,间接影响辐射和降水,即为气溶胶的第一间接效应和第二间接效应。观测(包括地面和卫星)和数值模拟是研究间接效应最主要的两种手段,目前这两种方法大多同时采用。本文介绍了气溶胶间接效应的原理及研究方法,并回顾国内一些研究和成果。      

ISCCP产品和我国地面观测总云量差异

国际卫星云气候计划ISCCP是国际上较权威和客观的云气候性研究计划, 自1983年以来为研究全球云和辐射平衡、云水资源分布等提供了有价值的数据。在分析总云量卫星和地面两种观测方式差异的基础上, 研究了1984-2006年ISCCP D2产品和我国地面观测云资料数据集总云量空间及时间差异。尽管两套资料能一致揭示我国总云量的分布形势和气候变化特征, 但区域性差异仍比较明显。天基、地基数据可对比格点上, 全国平均而言总云量卫星观测结果比地面观测偏高8.46%, 华南地区差异最小、东北地区差异最大。气候变化趋势分析结果表明:近23年我国总云量呈减少趋势, ISCCP D2产品总云量每年减少速度为0.015%, 小于地面观测的总云量每年减少速度 (0.063%); 东北地区总云量缓慢增多, 而青藏高原、西北地区总云量减少。利用卫星和地面资料均以累积距平法检测出1984—2001年总云量减少、2002-2006年总云量显著增加。     

近50年来鄂尔多斯地面太阳辐射的变化及与相关气象要素的联系

根据部分气象台站1961-2006年期间的观测资料, 分析了鄂尔多斯高原地面太阳辐射的年变化和年际变化特征, 也联系该地区云量、 降雨日数、 能见度、 沙尘暴日数和相对湿度等相关气象要素的资料的变化, 分析了该地区太阳辐射变化的可能原因以及这些变化对该地区太阳能资源利用的影响。结果表明： 鄂尔多斯高原地面太阳辐射的年变化与该地区天文辐射的变化基本一致, 夏季的云量对太阳辐射的削弱作用最强, 春季的沙尘气溶胶和较多的中高云量使该地区散射辐射的比例明显增加, 而直接辐射的比例明显减少; 近46年鄂尔多斯高原的地面太阳辐射量和直射比均呈总体减少的趋势, 但在1992年以后略微增加\.因太阳辐射变化的原因十分复杂, 进一步更深入的研究是需要的。     

云层与气溶胶对大气吸收太阳辐射的影响

云通过辐射过程对地气系统的能量平衡起着特别显著的调节作用 ,是影响天气、气候以及全球变化的重要因子。近年来 ,有云大气对太阳短波辐射的“异常吸收”又成为云—辐射研究中的一个争论热点。有云大气的短波吸收受到多种因素的影响 ,关于这方面的研究还不够充分。本文通过计算 ,从理论上探讨了若干因素的组合对大气吸收的综合影响。在计算中 ,同时考虑了不同太阳辐射波段、不同太阳入射天顶角、不同云顶高度以及不同下垫面的影响 ,并考虑了包含大气分子、气溶胶和云滴的吸收与散射 ,以及在近红外波段大气自身的热辐射等过程 ,阐明了云与气溶胶在不同波段对大气吸收太阳辐射的影响。     

东莞市典型天气的辐射特征及影响因子分析

通过对东莞观测站进行太阳辐射观测,得到2011年1—12月数据,来统计分析地面太阳短波辐射和地面、大气长波辐射的变化特征。分析典型天气的辐射特征及影响这些辐射变化的因子。结果表明:晴天向下短波辐射、反射辐射、地面长波辐射日总量最大,阴天次之,雨天最小。阴天和雨天的大气长波辐射均大于晴天。有云、雨的天气,净辐射的量值及其日变化特征都受到不同程度的影响。     

1961-2009年大同市太阳辐射变化特征及与气象要素的关系

在全球气候变暖背景下,地面接收太阳辐射总量发生改变,探讨自然和人为因素对其影响成为热点。利用线性趋势分析、M-K突变检验和小波分析等方法,分析了1961-2009年大同市地面接收太阳辐射的变化特征,验证地面接收太阳辐射的突变年份和周期变化及未来变化趋势,探讨太阳辐射与相关气象要素的关系。结果表明：近49 a大同市地面接收太阳辐射年平均值为5617.28 MJ/m²,整体呈现明显下降趋势,但2000年后又缓慢上升;大同市地面接收太阳总辐射在1975年发生突变;太阳总辐射的振荡周期为9a,现正处于太阳辐射偏高年份;日照时数逐年递减,地面接收太阳辐射减少,二者呈现显著正相关;降水量在波动中缓慢减少,而地面接收太阳辐射总量减少,二者呈现一定正相关;云量变化逐年减少,但与地面接收太阳辐射相关性不明显,气候的自然因素变化与地面接收太阳辐射的相关性较小。     

积云对流和云物理过程调整对气候模拟的影响

本文利用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室 (LASG/IAP) 的大气环流谱模式SAMIL, 结合观测与政府间气候变化专门委员会第四次评估报告 (IPCC AR4) 大气模式集合平均结果, 以大气辐射通量为例, 诊断分析了物理过程调整前后模式对气候模拟的影响。旧版本SAMIL对大气辐射通量的模拟存在较大偏差, 经过大气辐射过程、 积云对流和诊断云等物理过程的调整后, 新版本SAMIL模拟的全球辐射通量的年平均结果与观测的偏差大幅减小, 其中大气顶能量收支的年变化及其平均值与观测更为接近。在积云对流方案调整基础上, 通过对诊断云物理方案的进一步调整, 新版本SAMIL对云物理量模拟更为合理, 在赤道辐合带等区域, 在很大程度上克服了单一积云对流物理过程调整引起的云宏观和微观属性不匹配问题, 能模拟出夏季气候平均辐射通量的全球分布特征, 尤其在东亚区域有较好的模拟能力。研究还表明, 在热带和副热带对流活跃区域, 当前SAMIL中积云对流过程偏差对辐射通量的模拟偏差有很大影响, 而模式中较为简单的诊断云方案也会将云宏观物理量模拟偏差带入云微观量模拟中, 也是主要偏差源之一。本文结果表明, 要继续提高SAMIL的模拟性能, 急需更新云物理参数化方案以改进云辐射过程的模拟, 同时也需要有针对性的研究积云对流和云物理过程之间相互作用, 并作进一步协同调整。     

气象卫星的云观测

云体现着不同尺度天气系统发生、发展和消亡的过程。云还通过反射太阳辐射和阻止地球发射辐射,维持着全球能量平衡。1960年气象卫星的出现,揭开了从浩瀚太空,俯视千变万化云系的历史。气象卫星云图的获取,加深了人们对天气、气候变化过程的认识,推进了大气科学的发展。本文围绕气象卫星云遥感主题,首先概述了利用卫星资料开展云检测、云相态识别、云光学厚度与等效粒子半径反演的原理和方法。而后,着重介绍了各类天气尺度和中尺度天气过程的云系特征。最后,文章回顾了国际卫星云气候方面的工作,展望了未来云观测技术的发展前景。     

半干旱区云量变化特征及其与太阳辐射关系的研究

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站2008年全天空成像仪、微脉冲激光雷达和太阳总辐射观测资料,分析了不同时间段内云量的变化特征及其与太阳辐射的关系。结果表明:2008年3~8月总云量经历了先上升后下降的过程,其中3~5月缓慢上升,各月总云量都在8成以上;6~8月显著下降,但各月总云量都大于6成,说明半干旱区春夏季云量充足,属"不缺云"状态;同一时段内,太阳总辐射先"变亮"后"变暗",即3~5月大幅上升,6~8月逐步下降;总云量与太阳总辐射存在显著的负相关关系,相关因子R2=0.68;低云、中云、高云对地面太阳辐射的相对影响值分别为-23.01%、-3.33%和13.09%。     

用FY-2C/D卫星等综合观测资料反演云物理特性产品及检验

云的宏微观物理特性参数无论对天气、气候还是人工影响天气的研究和业务都有十分重要的应用价值.基于FY-2C/D静止卫星遥感观测,融合高空和地面等其它观测资料,研发了近10种云宏微观物理特性参数的反演技术方法,并实现业务化运行.简单介绍反演得到的云顶高度、云顶温度、云过冷层厚度、云暖层厚度、云底高度、云体厚度、云光学厚度、云粒子有效半径和云液水路径等近10种云宏微观物理参数产品的物理意义、反演技术方法和业务流程等;对主要云参数产品,利用最新获得的Cioudsat云卫星实测结果进行了对比检验和可用性分析;将反演产品同MODIS反演的同类产品进行对比分析,发现两者具有较好的一致性.     

利用卫星资料研究云对地面净辐射的影响

采用2002年1月、2月、7月、8月每日8～16时(北京时间)的GMS-5卫星云图资料以及相同时次的漠河和郑州两个辐射站的地面净辐射资料,通过读取红外1、红外2、水汽和可见光云图上的卫星计数值,并将卫星计数值按照GMS-5定标表转换成亮度温度和反射率,最终形成一套利用卫星资料研究云对地面净辐射影响的数据集。采用统计的方法将地面净辐射与影响地面净辐射的各因子：太阳天顶角、地面及云面反射率等有关因子进行拟合,发现地面净辐射与这些因子之间有很好的相关性,特别在引入卫星红外通道亮温值减水汽通道亮温值这一因子后,在有云状况下,拟合的相关系数有较明显的提高,原因可能是这一因子包含了云分类的信息,这一方法的提出为利用卫星资料研究云对地面净辐射的影响提出了一个新的思路。