层状云微物理参数反演及其辐射效应的个例研究

利用毫米波云雷达、微波辐射计联合反演方法,对2015年11月11日安徽寿县的一次层状云过程的云参数进行了反演,将所得云参数加入到SBDART辐射传输模式中,进行辐射通量计算,并将计算的地面辐射通量与观测的地面辐射通量进行了对比分析。研究表明:1)利用毫米波雷达和微波辐射计数据联合反演的云参数比较可靠;2)利用SBDART模式并结合反演的云参数,可以准确实时地计算地面及其他高度层的长短波辐射通量;3)在反演的云参数中,光学厚度对地面各种辐射通量的影响是最大的,云层的光学厚度越大,到达地面的太阳短波辐射越小,地面反射短波辐射也越小。另外云底温度越高,云体向下发射的红外长波辐射越大。地面向上的长波辐射是地面温度的普朗克函数,随地面温度而变;4)云对地面的短波辐射强迫为负值,对地面有降温的作用。云对地面的长波辐射强迫是一个正值,对地面有一个增温的作用;5)云对地面的净辐射强迫随时间变化很大,它的正负与太阳高度角和云参数有关。     

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。     

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。     

基于MODIS产品估算黄土高原半干旱区的净辐射通量

利用中分辨率成像光谱仪(MODIS)的一级数据产品,通过三种不同的方法(两种通过估算各辐射分量来得到净辐射和一种直接通过短波辐射得到净辐射的方法)估算了2007年4-8月兰州大学半干旱气候与环境监测站(SACO/L)的短波辐射、长波辐射和净辐射值,进一步利用2006年6-8月SACOL站实测资料对第三种方法的系数进行修正,并将不同方法估算的净辐射与实测资料进行对比。结果表明,在MODIS一级数据产品基础上,估算的卫星过境时刻短波辐射精度较高,长波辐射稍差;在各辐射分量基础上得到的卫星过境时刻的净辐射较好,平均相对误差最小为9.98%,且通过时间尺度扩展得到的净辐射与实测值较为接近,平均相对误差25.0%;而使用短波辐射直接估算的净辐射较实测值偏大,但相关性较好;在利用实测数据对算法进行修正后得到的SACOL站净辐射较修正前有了较大的改善。值得注意的是,卫星过境时刻各辐射分量的计算不需要任何地面观测资料辅助,计算过程需要的所有参数可以直接由MODIS数据反演,且该方法得到的净辐射精度仅次于修正后的方法,普适性较好,所以,在缺乏地面观测资料的情况下,这种方法可以为大尺度的净辐射估算提供一条有效途径。而通过短波辐射直接估算净辐射的方法,其最大的优势就是避免了长波辐射的估算,可以直接利用短波辐射估算净辐射,对该方法的经验系数局地修正后估算的结果更优,但这种方法需要地面观测资料的辅助,所以在有地面观测资料的情况下,可以通过修正模型的系数获得更高精度的净辐射。     

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。      

三维有云大气辐射变温率数值模拟研究——邻云辐射效应

大气数值模式普遍采用一维辐射传输模型,无法表征有云大气中的三维辐射传输过程,从而影响数值模拟乃至数值天气预报的准确性。为评估这种不确定性,研究了水平云体间的三维辐射相互作用及其改变云体热力结构的规律,力求为改进数值模式辐射计算方案提供理论依据。选取I3RC PhaseⅡ的典型积云场和层积云场作为试验对象,将云场中心区域云体视为目标云体,周围云体为邻近云体,采用宽带三维辐射传输模式SHDOM模拟长波和短波辐射变温率的空间分布,定量阐明邻近云体对目标云体热力结构的影响。结果表明,邻云在长波区域对目标云体主要起辐射保温的作用,目标云体增温区域集中于邻云一侧的云体表面层,增温强度与云覆盖率和云间距离倒数成正比,最高可达3.08K/h,云体增温的厚度与目标云体液态水含量成反比;在短波区域,邻云同时起散射增温和遮蔽降温的作用,太阳垂直入射时,散射增温效应较弱,变温率空间差异小;当太阳天顶角增大后,遮蔽降温效应逐步起主导作用,造成目标云体被邻云遮挡一侧的表面层明显降温,峰值可达-1.72K/h,数值上甚至超过邻云长波增温效应。总之,邻近云体可以明显改变目标云体的变温率空间分布,引入三维邻云辐射效应对改进大气数值模式辐射计算方案具有重要意义。     

城市气溶胶对太阳辐射的影响及其在边界层温度变化中的反映

本文利用冬季观测的兰州市区、邻近山顶以及郊区皋兰县的辐射资料和温度廓线资料,分析了兰州城市气溶胶对太阳辐射影响;并用二流近似累加法计算了低层大气吸收太阳辐射的加热率,其结果与低层大气上部的实际增温在数值上比较接近。分析了城市气溶胶短波辐射效应对边界层温度廓线分布的影响。表明城市烟雾层削弱了地面热通量但增加了低层大气中上部的增温,从而增加了城市低层大气的稳定度。     

考虑湿度影响的城市气溶胶粒子白天温度效应

利用一维晴空大气边界层模式，在详细计算气溶胶短波辐射增温率的 基础上，研究了环境相对湿度和气溶胶粒子浓度对边界层气溶胶白天温度效应的影响。 结果表明，相对湿度的增加与气溶胶粒子浓度的增加在边界层中具有一致的温度效应， 均使边界层中上层增温，近地层降温，从而稳定度增大。     

在北京气象塔上测量城市边界层辐射特征

利用2004年10～12月在北京325m气象铁塔上所测量的长波辐射和短波辐射垂直分层资料,分析了晴空、霾(烟、尘、轻雾)和浓雾天气条件下塔上两层的辐射特征。结果表明,城市边界层大气对短波总辐射有明显的衰减作用,2m处的总辐射280m处的总辐射。在晴好天气下,衰减比例为11.2%;在霾和雾天气下,衰减比例分别达到22.3%和36.6%。在塔上280m处测量的晴天城市地表反照率为0.12,而在霾和雾天气条件下分别为0.17和0.29。大气逆辐射(向下长波辐射)的日变化没有短波辐射的明显且有规律,晴好天气的辐射通量密度最小,霾天较大,雾天最大,2m处的大气逆辐射一般高于280m处的。向上长波辐射呈明显的日变化,且2m处的向上长波辐射日变化幅度280m处的。净辐射具有典型的日变化,晴天日变化幅度最大,霾和雾天的日变化幅度减小。晴天辐射加热最显著,278m厚气层的辐射加热达1.35℃.h-1,霾天为1.13℃.h-1,雾天为0.40℃.h-1。个例分析表明,在近地面气层内,霾中的气溶胶粒子和雾中的水滴对辐射产生程度不同的影响,并影响到辐射平衡,进而影响不同高度气层的加热和冷却,导致边界层结构的改变。     

云层分布对辐射增效和冷却的影响

本文计算了冬、夏两季在平原和高原地区分别有低云、高云和当高、低云同时出现时的短波辐射增热率,长波辐射冷却率以及高低云之间的相互影响。结果发现:1)高原上云的短波增热率和长波冷却率要比平原上的大,低云的增热和冷却较平原尤甚。2)高云存在时,地面附近由冷却变为增热。3)高原地区出现双层云时总是使地面附近增热。4)当两层云同时出现时,高云的短波增热率和长波冷却率都有所增大,低云的短波增热率减小,低云的长波冷却率则减小很多。5)低云量的变化对高云的冷却影响较小,而高云量变化对低云的冷却影响甚大。6)云的短波辐射增热受地面反照率的影响不很大,但对太阳高度角的变化甚为敏感。 由以上结果看来,在大气环流和气候模式中必须要很好地考虑高云云量的变化,否则难以得到好的结果。在区域气候模式中不可忽略高原地区和平原地区云的辐射增热和冷却作用的差别。