青藏高原不同地区辐射特征对比分析

利用"全球协调加强观测计划(CEOP)之亚澳季风青藏高原试验"(CAMP/Tibet)在藏北高原的BJ站、NPAM站及中国科学院珠穆朗玛峰大气与环境综合观测研究站、纳木错多圈层相互作用综合观测研究站和藏东南高山环境综合观测研究站2007年的辐射观测资料,分析了这些地区不同下垫面地表辐射各分量及地表反照率的日变化和月际变化特征。结果表明,向下短波辐射受太阳高度角的影响存在明显的日变化和月际变化;向上短波辐射的月际变化基本与总辐射一致,在个别月份由于高原积雪造成地表反照率较高,从而使晴天向上短波辐射全年较高;向下长波辐射存在基本的季节变化,最大值出现在天空总云量较多的夏季(6～8月),最小值出现在冬季(12月和1月);向上长波辐射基本上都是夏季为全年最大,冬季为全年最小。这与地表温度的年变化情况相一致。高原不同地区各季节晴天地表净辐射存在差异,NPAM站和藏东南站由于下垫面植被覆盖较好,净辐射值各季节均高于其它各站;NPAM站、纳木错站和珠峰站地表反照率日变化曲线呈"U"型,BJ站和藏东南站日变化相对复杂,藏东南站全年月平均地表反照率较小且变化不大,其他各站存在基本的年变化趋势。     

东莞市辐射强度特征及影响因子

东莞观测站采用地面辐射基准站网(BSRN)通用的荷兰Kipp & Zonen设备,进行太阳短波辐射和地面、大气长波辐射观测。利用2010年8月—2011年7月的观测数据,用统计分析的方法,得到地面太阳短波辐射和地面、大气长波辐射强度的变化特征,并初步分析了影响辐射强度变化的因子。结果表明,东莞市各月的太阳总辐射平均值呈现单峰值变化,且夏季＞秋季＞春季＞冬季,短波辐射各分量的日变化也呈明显单峰型变化特征;长波辐射的日、月变化趋势较平缓;东莞市全年各月净辐射通量平均值均为正值。云是影响太阳辐射强度变化的显著因子,对直接辐射的衰减更明显,多云天气的总辐射、直接辐射全年平均衰减率分别为11%、34%,阴天总辐射、直接辐射全年平均衰减率分别达到47%、83%。大气透明度对短波辐射和长波辐射强度变化均产生影响,无霾日总辐射、直接辐射、反射辐射强度均比灰霾日强,而散射辐射则较弱,灰霾日的天空长波辐射及地面长波辐射强度稍强于无霾日。还探讨了总辐射观测值与理论值的差异,推测水汽对短波辐射的衰减是造成太阳短波辐射平衡存在差异的原因之一。      

CLM3.5模式对青藏高原玛曲站陆面过程的数值模拟研究

利用通用陆面过程模式(CLM3.5)和青藏高原玛曲站2010年6月-2011年2月的观测资料进行了9个月的单点数值模拟试验。通过比较辐射通量、能量通量、土壤温度及土壤含水量的模拟值和观测值,结果表明,CLM3.5模式能较成功地模拟玛曲地区的陆面能量与水分特征。该模式对夏季向上短波辐射的模拟较好,冬季整体偏小。向上长波辐射的模拟整体较好,但模拟值稍偏大。净辐射的模拟整体较好,模拟值与观测值的相关系数为0.99,偏差为-1.28 W.m-2。感热通量的模拟较差,整体显著偏高。潜热通量的模拟较好,随季节变化特征明显。土壤热通量的模拟夏季较好,冬季土壤冻结及消融期的偏差较大,主要原因与冬季模拟的积雪偏少有关。土壤温度的模拟夏季较好、冬季较差,6层土壤温度模拟值与观测值的相关系数均在0.98以上,平均偏差为-1.80℃。模式较好地模拟出了冬季土壤冻结后存留的未冻水,冻结后土壤含水量的模拟较该模式以前的版本有了很大的改善,6层土壤含水量模拟值与观测值的平均相关系数为0.94,平均偏差为-0.015m3.m-3。     

1997/1998年青藏高原西部地区辐射平衡各分量变化特征

利用中日亚洲季风机制研究计划1997年9月~1998年10月在青藏高原西部改则和狮泉河2个站点自动气象站辐射平衡的观测资料,分析了高原西部2个地区辐射平衡各分量在不同季节的季节平均日变化和年变化特征,并且还与1979年5~8月第一次青藏高原气象科学实验的辐射观测资料和1982,1983年青藏高原辐射平衡观测实验的结果进行了比较分析。结果发现:高原西部辐射平衡各分量的变化不仅有季节之间和年际的差异,高原西部的不同地区之间的变化也有较大的差异:(1)总辐射在春夏两季相差很小,改则春季(3~5月平均)日变化的极大值甚至比夏季(6~8月平均)还大;(2)地表反照率的年际变化及两地之间的差异均可能较大;(3)大气逆辐射日变化、年变化特征与其他辐射分量明显不同,其日变化、年变化的位相均晚于其他分量;(4)两地之间地面辐射平衡的年变化似乎有一个位相差,改则的月平均最大值和最小值均较狮泉河晚了约1个月,因此从冬季到夏季的大部分时间里,改则的地面辐射平衡是小于狮泉河的,而在从夏季到冬季的大部分时间里,改则是大于狮泉河的。     

青藏高原东缘峨眉山地区冬季地表能量交换特征研究

利用青藏高原东缘峨眉山站2018年11月至2019年2月的观测数据,分析了峨眉山地区近地层气象要素的变化特征,并运用涡动相关法、土壤温度预报校正法(TDEC)和最小二乘法等,讨论了地表能量交换特征,并与藏东南丹卡站和排龙站进行对比分析。结果表明:在峨眉山地区冬季感热通量占主导。地表辐射各分量日变化均呈单峰结构,短波辐射的峰值在峨眉山地区于13:00(北京时,下同)左右出现,而长波辐射到达峰值的时间段要晚于短波辐射,在14:00左右出现。地表反照率月变化明显,日变化呈"U"型,即日出后和日落前较大,日间较小的趋势,但在日出后和日落前的值并不相等。峨眉山站冬季地表反照率均值为0.29。峨眉山区域地表能量不闭合现象十分显著,日间和夜间的能量闭合程度差异很大。在考虑地表0～5 cm处的热量储存的条件下,白天闭合程度最好为67.22%,夜间闭合程度最差为65.09%。与藏东南丹卡站和排龙站对比分析表明:丹卡、排龙站地表辐射各分量达日峰值时间晚于峨眉山站。峨眉山站冬季的地表反照率高于丹卡、排龙站,月变化更加显著。峨眉山属于青藏高原东缘地区,其地表能量闭合程度大于青藏高原上部分站点。     

三江平原紫外辐射变化特征

利用2005~2011年共7年的太阳辐射观测资料对三江平原紫外辐射的时间变化规律及紫外辐射与总辐射比值的变化特征进行了分析,结果表明紫外辐射与总辐射的变化规律一致,日变化为正午大、早晚小;季节变化规律是夏季高、冬季低。紫外辐射日累积值的7年年平均值为0.53 MJ m–2 d–1。紫外辐射与总辐射比值存在着明显日、季节变化特征,日变化特征为正午大、早晚小,而季节变化与紫外辐射的季节变化一致也是夏季大、冬季小。紫外辐射与总辐射比值7年平均为0.0433。利用2011年观测的总辐射、紫外辐射数据,通过紫外辐射与总辐射比值和大气质量数与晴空指数的相互依赖关系,建立了适合于三江地区紫外辐射估算的方程。利用建立的估算方程估算的紫外辐射瞬时值和日累积值与观测值之间的平均相对误差最大分别为8.5%和6.1%。     

青藏高原中东部云量变化与气温的不对称升高

利用ISCCP资料和地面观测资料,对1984 2009年青藏高原中东部云量和云状的气候特点进行了研究,并分析了日最高温度和日最低温度的变化特点及其与云量变化之间的关系。结果表明,青藏高原中东部地区中低云量呈明显的单峰型日变化,而高云云量日变化不显著;青藏高原地区日最低气温的上升速率与日最高气温不一致,即气温出现不对称升高。青藏高原中东部地区白天、夜间云的变化分别与日最高、最低气温的变化速率存在显著相关,并在云量变化与气温的不对称升高之间存在着正反馈机制。高原中东部地区不对称升温使得日出时的地气温差减小,并可能通过减弱对流作用使日出后的云量减少。云量的减少导致到达地面的太阳短波辐射增加,从而使得当日上午气温升高明显;中午,高云的增多与中低云的减少增加了地面接收的太阳短波辐射,导致了较高的日最高温度;而傍晚除卷云外,各类云的云量均出现增加,起到了减缓傍晚气温下降的作用,有利于出现较高的日最低温度。     

青藏高原地表辐射通量的气候特征分析

基于对"全球能量水循环亚洲季风青藏高原试验研究"(GAME/Tibet)和"全球协调加强观测计划(CEOP)之亚澳季风青藏高原试验"(CAMP/Tibet)设在藏北高原的安多站、BJ站、D105站和NPAM站以及中国科学院珠峰站和中国科学院纳木错站10～20年晴天日间的辐射观测资料求年均值,分析了高原草甸(草高为5 cm的高原草甸,10 cm的高原草甸和高原稀疏草甸,15 cm的高原草甸)、戈壁和临湖高原草甸这些典型下垫面观测站多年观测的短波向下辐射、短波向上辐射、长波向上辐射、长波向下辐射、净辐射通量和地表反照率的年际变化,得出了青藏高原地表辐射通量的气候特征,发现高原上大部分站点观测到的短波向下辐射有不同程度的减小的年变化趋势,基本所有站点观测的长波向上辐射有不同程度的逐年增加趋势,且高原上基本所有站点观测的长波向下辐射有不同程度的增加趋势,高原地区大部分站点的净辐射通量的年变化趋势基本与短波向下辐射的年变化相一致,青藏高原大部分站点的地表反照率在不同程度上逐年减小。     

藏北高原地面辐射收支的初步分析

利用“全球能量与水循环亚洲季风之青藏高原试验”GAME／Tibet(GEWEX Asian Monsoon Experiment in the Tibetan Plateau)1998年加强期(IOP)观测资料,分析研究了藏北高原地区草甸下垫面在季风前、季风中、季风后的太阳短波向下辐射、大气长波向下辐射、地面长波向上辐射、地面短波向上辐射、净辐射及地表反射率等特征,得到了藏北高原地区草甸下垫面辐射特征的新认识。     

青藏高原地区NCEP新再分析地面通量资料的检验

利用1979—1998年地面气象站温度观测资料和1982年8月-1983年7月高原热源观测资料,检验了NCEP／DOE新再分析地面气温和地面辐射收支在青藏高原地区的偏差。比较表明,气温和地面辐射量新再分析值能反映实际年变化特征,但其温度值系统性偏低,偏低幅度随地区和季节而变化。由于其气温和地表温度偏低造成地表长波辐射和大气逆辐射系统性偏低;冬季积雪地区的地表吸收太阳辐射和净辐射新再分析值偏小;地面净长波、净短波和总的净辐射与实测的偏差比较小。分析发现,同化模式地形高度与地面气象站海拔高度的差异是造成气温新再分析与实测偏差的主要原因,冬季积雪区地表反照率新再分析值偏大是造成冬季地面净辐射偏小的因素,并加剧了冬季气温新再分析的偏差。其研究对改进气候模拟结果分析有一定的启发。     

FGOALS2两个模式版本对青藏高原东侧冬季层云的模拟特征

冬季青藏高原东部（22°N～32°N，102°E～118°E）层云区是唯一存在于副热带陆地的层云密集区，环流特征较为复杂，大多数耦合气候系统模式对该地区层云的模拟存在较大的偏差。对该地区层云模拟能力的系统分析评估是改进模式性能的重要基础。本文基于国际卫星云计划（ISCCP）卫星资料，评估了中国科学院大气物理研究所两个版本的气候系统模式FGOALS-s2和FGOALS-g2的大气环流模式试验（AMIP）对青藏高原东侧层云的模拟能力。通过分析云辐射强迫等相关特征、大气环流、稳定度、以及地表气温和云的关系，探讨了模式偏差的可能原因。结果表明，两个模式都不同程度地低估了青藏高原东侧的低层云量和云水含量。在垂直结构模拟方面，FGOALS-s2模式能较好地模拟出高原东侧低云主导的特征，其模拟的云顶高度与卫星资料更为接近；而FGOALS-g2模式则高估了该地区的平均云顶高度。分析表明，两个模式均低估了高原东侧的低层稳定度，同时不同程度地低估了该地区中低层水平水汽输送，导致层云云量的模拟偏少。此外，FGOALS-g2高估了高原东侧的上升运动和垂直水汽输送，使得模拟的低云偏少而云顶高度偏高。     

2011年2月—2012年1月东南极高原辐射平衡观测研究

利用东南极高原熊猫-1自动气象站2011年2月—2012年1月观测的辐射资料和相关资料,对辐射分量和辐射平衡的季节变化进行了研究。结果表明,夏季是东南极高原获得太阳能的主要时段,总辐射通量夏季平均为365.0 W/m²,总量达到2752.1 MJ/m²,占全年总辐射量的58%。各个季节均能出现总辐射瞬时值大于大气顶水平总辐射,春季发生频率最高,冬季最小,总辐射平均日变化呈单峰型。大气长波辐射除夏季外,日变化不明显。冰雪面长波辐射除冬季外,各季节平均日变化呈明显的单峰单谷型。净辐射12月和1月为很小的正值,其他月份为负值。年平均净辐射为 -8.7 W/m²,表明地表相对于大气为冷源。该站的辐射平衡特征与其他南极内陆高原站相似,雪面具有强烈的辐射冷却效应,导致净辐射绝对值都小于下降风区。     

1984—2017年ISCCP-FH辐射资料在青藏高原地区的适用性评估

长序列卫星辐射资料的缺乏一直是制约青藏高原(以下简称高原)辐射长期变化研究的重要原因之一.对国际上最新提供的1984—2017年ISCCP-FH(以下简称FH)长序列卫星辐射资料中的大气顶逸出长波辐射(OLR)、到达地面短波辐射(SWD)、地面向上长波辐射(LWU)、到达地面长波辐射(LWD)进行分析,评估了FH辐射资...     

Simulation of Effects of Grassland Degradation on Regional Climate over Sanjiangyuan Region in Qinghai-Tibet Plateau

Regional climate model （RegCM3） was applied to explore the possible effects of land use changes （e.g., grassland degradation in this study） on local and regional climate over the Sanjiangyuan region in the Qinghai-Tibet Plateau. Two multiyear （1991-1999） numerical simulation experiments were conducted： one was a control experiment with current land use and the other was a desertification experiment with potential grassland degradation. Preliminary analysis indicated that RegCM3 is appropriate for simulating land- climate interactions, as the patterns of the simulated surface air temperature, the summer precipitation, and the geopotential height fields are consistent with the observed values. The desertification over the Sanjiangyuan region will cause different climate effects in different regions depending on the surrounding environment and climate characteristics. The area with obvious change in surface air temperature inducing by grassland degradation over the Sanjiangyuan region is located in the Qinghai-Tibet Plateau. A winter surface air temperature drop and the other seasons＇ surface air temperature increase will be observed over the Qinghai-Tibet Plateau based on two numerical simulation experiments. Surface air temperature changes in spring are the largest （0.46℃）, and in winter are the smallest （smaller than 0.03℃）, indicating an increasing mean annual surface air temperature over the Qinghai-Tibet Plateau. Surface air temperature changes will be smaller and more complex over the surrounding region, with minor winter changes for the regions just outside the plateau and notable summer changes over the north of the Yangtze River. The reinforced summer heat source in the plateau will lead to an intensification of heat low, causing the West Pacific subtropical high to retreat eastward. This will be followed by a decrease of precipitation in summer. The plateau＇s climate tends to become warm and dry due to the grassland degradation over the Sanjiangyuan region.     

1951/1952～2004/2005年中国冬季降水变化研究

运用AREM模式对2005年5月31日发生在湖南新邵的一次特大暴雨天气过程进行模拟分析.利用模式输出的1 h基本物理量计算螺旋度,结果表明:螺旋度对特大暴雨的预报有指示意义,特大暴雨产生在低层正螺旋度中心与高层负螺旋度中心相配合的区域.在暴雨强盛期,螺旋度中低层最大正值位于750 hPa,最大负值位于450 hPa.比较新邵1 h实况降雨量和AREM模式模拟的降水值与相应时刻的螺旋度,发现5月31日19～22时之间的暴雨增幅最大,为172 mm/3 h,而螺旋度值也相应出现了最大的增幅20 m2/(s2·3 h),31日21～22时新邵暴雨出现峰值,但螺旋度却开始减小,此后两者又一致地逐渐减弱.     

安徽省淮南森林冠层辐射传输过程的特征

本文利用淮南森林观测站2018年7月1日至2019年6月30日冠层辐射观测,分析了淮南栎树森林下垫面冠层内外辐射变化特征。结果表明:（1）从春季到夏季,栎树冠层之上向下的太阳短波辐射增加,到冬季逐渐减少。从早春开始,由于叶片生长增多,冠层中间和冠层之下向下的太阳短波辐射下降,从秋季到冬季树叶凋落,其向下的太阳辐射增加,与冠层之上的变化趋势相反;对于向上的短波辐射,无论冠层之上、冠层中间还是冠层之下,随季节的变化都与向下的短波辐射相似,只是数值小很多。（2）冠层之上、冠层中间和冠层之下向下的长波辐射,随时间的变化从春季逐渐开始增大至夏季达到最大,随后逐渐减小并在冬季达到最小;就空间变化而言,冠层中间和冠层之下向下的长波辐射值比冠层之上的辐射值高,使得冠层对长波辐射的振幅增大,晴空条件最高可达1.3倍。（3）淮南森林区冠层之上（距地面25 m）年平均反照率为0.14,比中国北方地区（35°N）温带季风气候区（混交林为主）反照率的整体水平低0.01,表明淮南的森林茂密、灌丛更多些。（4）冠层上部分和整层的短波辐射透射率主要受叶片的影响。夏季,冠层的短波透射率平均为0.1。到了冬天,叶子凋落,透射率增加并趋于一个平稳的波动。冠层的短波辐射吸收率在夏季最高,秋季逐渐降低,随着叶子凋落在冬季迅速减小,趋于一常值。     

青藏高原云对地气系统短波吸收辐射强迫的气候研究

利用地球辐射平衡试验（ＥＲＢＥ）和国际卫星云气候计划（ＥＳＣＣＰ）提供的总云量、得星反射率资料,计算并分析了青藏高原地气系统年、月平均云对太阳短波吸收辐射的强迫,揭示了其与总云量的关系。结果表明：高原的短事射云强迫与总云量有较好的非线性相关,呈幂指数形式,且季节变化明显;短波辐射云强迫的地理分布与高原云的分产好,高原主体和北部是短波辐射云强迫的低值区,高原东南部和西部边缘迎风部位为强迫的高值区。     

CMIP6与CMIP5对历史大气层顶和地表辐射收支模拟的时空对比

基于云和地球辐射能量系统观测数据集（CERES),对比分析了耦合模式比较计划第五（CMIP5）和第六阶段（CMIP6）模拟的历史大气层顶和地表辐射收支的年际变化和空间分布,明确了多模式间不确定性大的关键区域。结果表明：在年际尺度上,除地表向上长波辐射外,CMIP6的辐射分量的集合均值较CMIP5更接近于CERES观测值,全球地表向下短波辐射的高估和大气逆辐射的低估在CMIP6中分别降低了1.9 W/m²和3.3 W/m²。除大气逆辐射外,CMIP6的辐射分量在多模式间的一致性较CMIP5提高。在北极,CMIP6对大气层顶反射短波、大气层顶出射长波和地表向下短波辐射的模拟偏差较CMIP5大。在南北纬60°,CMIP6对大气逆辐射的模拟偏差较CMIP5大。其他区域CMIP6的辐射分量更接近CERES观测值。CMIP6模拟的地表向下短波辐射和大气逆辐射的不确定性较大区域面积较CMIP5减小,但不确定性极大区域面积无变化。地表净辐射的不确定性空间分布在两代CMIP间变化甚小。青藏高原、赤道太平洋、热带雨林、阿拉伯半岛和南极洲沿海依然是地球系统模式模拟辐射收支不确定性极大的关键区域。     

RegCM4对中国东部区域气候模拟的辐射收支分析

利用卫星和再分析数据,评估了区域气候模式Reg CM4对中国东部地区辐射收支的基本模拟能力,重点关注地表净短波(SNS)、地表净长波(SNL)、大气顶净短波(TNS)、大气顶净长波(TNL)4个辐射分量。结果表明:1)短波辐射的误差值在夏季较大,而长波辐射的误差值在冬季较大。但各辐射分量模拟误差的空间分布在冬、夏季都有较好的一致性。2)对于地表辐射通量,SNS表现为正偏差(向下净短波偏多),在各分量中误差最大,区域平均误差值近50 W/m2;SNL表现为负偏差(向上净长波偏多);对于大气顶辐射通量,TNS和TNL分别表现为"北负南正"的误差分布和整体正偏差。3)利用空间相关和散点线性回归方法对4个辐射分量的模拟误差进行归因分析,发现在云量、地表反照率、地表温度三个直接影响因子中,云量模拟误差的贡献最大,中国东部地区云量模拟显著偏少。     

辐射对高原涡形成和发展影响的模拟研究

已有研究表明辐射对热带气旋发生发展具有明显调制作用,高原涡与热带气旋有类似的暖心低压结构,辐射在高原涡发生发展过程中的作用也值得探讨。本文利用ERA-Interim再分析资料,通过中尺度数值模式WRF-ARW研究了辐射日变化对高原涡个例发展的影响机制。模拟结果表明,太阳短波辐射对高原涡的发生发展具有明显的调制作用。控制试验（CTL;即保留太阳辐射日变化）较好的再现了高原涡的发展过程。在去掉短波辐射过程的夜间试验（All_night）中,前期高原涡发展速度较快。而在白天（All_day）试验中,短波辐射过程抑制了高原涡的发展。诊断分析表明,夜间长波辐射冷却加强对流层温度递减率,减弱大气静力稳定度;同时,大气温度的降低使得夜间相对湿度增大,有利于对流层低层出现位势不稳定,进而促使高原涡的形成和发展。反之,太阳短波辐射有利于对流层高层增温,加强大气静力稳定度,从而抑制对流活动发展。夜间低层辐合更为强盛,有利于上升运动的加强并诱发高原涡形成;非平衡项结果显示,在高原涡环流中心区域存在正值区,而低涡四周为明显的负值区。从动力学和热力学特征来看,高原涡的发展与热带气旋具有一定的相似性。