基于月球实时加权平均辐射亮度温度的星载毫米波湿度仪的定标

太空环境的变化会给在轨运行的星载有效载荷定标造成一定的不确定性,因此需要一个长期稳定可靠的定标辐射源. 2005年,美国NOAA-18卫星搭载了多类微波辐射有效载荷,其中包括工作在毫米波频段的微波湿度仪(MHS).卫星在轨运行中,对冷空观测时MHS的深空视野(deep space view, DSV)有时会观测到月球.由于没有大气与多变的环境影响,稳定的月表面微波辐射是一个可利用的定标辐射源.文章用实时的太阳辐射强度和日下点位置,基于月球勘测轨道飞行器LRO Diviner红外辐射亮温数据反演的热物性参数,由一维热传导方程计算月球正面的月壤温度廓线;结合"嫦娥二号"微波辐射亮温数据反演得到的月壤层正切损耗,用辐射传输积分方程仿真计算了2011年内89、157、183GHz频段月球正面的加权平均辐射亮温.将月球视为一个圆盘目标,而非一个点目标,用仿真的月球正面辐射亮温来修正拟合深空视野中实际的辐射强度半峰全宽(full width at half maximum,FWHM).仿真分析了卫星与月球的距离、月相、辐射计的FWHM对数据拟合的影响,将修正后的辐射亮温数据与仿真结果进行比较.文章提出了月球正面实时的加权平均辐射亮温模型,为在轨气象卫星微波辐射计的在轨定标技术提供了一个新设计方案.     

COSMIC数据验证AMSU平流层低层观测的初步分析结果

基于Global Positioning System (GPS)掩星数据在平流层具有较高准确性、稳定性的优势,本文尝试用新一代GPS掩星观测——the Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate (COSMIC)资料验证不同卫星平台上先进的微波探测仪（AMSU）的平流层观测结果.通过COSMIC大气温度廓线与AMSU辐射传输模式结合,得到模拟亮温,然后与AMSU平流层观测进行匹配比较.分析表明GPS掩星数据能够作为一个相对独立的参量检验NOAA15、16、18卫星平台内部的偏差.通过一年数据的比较验证,初步显示不同卫星平台的AMSU观测亮温在平流层低层都偏低,并且NOAA18平台的亮温偏低程度明显大于NOAA15、16.AMSU亮温偏差在极地冬季较为显著,尤其南极地区NOAA18的偏差幅度达到1.8 K.结合24小时内AMSU观测亮温偏差变化及其样本分布特征,可以看到明显的太阳辐射差异可能是导致AMSU观测亮温在极地偏差显著的主要原因.     

一种用于微波辐射计遥感海表面盐度和温度的反演算法

海面的微波辐射除了与海表面温度和盐度有关外, 还受海面风的影响. 海面风的观测误差严重地影响了海表面温度和盐度的遥感精度. 通过研究海面风因子对海表面辐射影响, 建立了海面风(包括风速和风向)与海表面的微波亮温T以及风导致的亮温修正量DT之间的关系; 在此基础上, 提出了利用微波辐射计的单卫星、多角度观测数据反演海表面盐度和温度的算法. 在这个算法中, 风对海表面辐射影响已经被剔除, 风速和风向不再是反演算法的输入参数. 因此, 该算法不受制于海面风速和风向的影响导致的误差. 这样, 为利用单卫星、多角度微波辐射计遥感海表面盐度和温度提供了一个新途径.     

火山活动对热带高空温度变化的影响

本文利用序列回归分析、对比分析和个例分析法分析了火山活动对热带高空大气的温度效应. 主要结论为：火山活动影响最显著的高度是平流层70 hPa约22 km高空，由此高度向上或向下，火山活动的影响都逐渐减小；火山活动将引起平流层大气升温、对流层大气降温，其分界线大致位于对流层顶300 hPa附近；火山活动对于热带70 hPa高空温度距平变化的影响超过了总方差的457%；单独考察几次强火山活动（如阿贡火山、皮纳图博火山和厄尔奇冲火山等）的温度效应表明，在热带地区强火山爆发后的20个月内，对热带高空温度的影响超过了其距平变化的80%！成为该时段高空温度变化的决定性因素.     

月球南极的微波辐射分布与异常

对南极的探测是几乎所有月球卫星探测任务的重点目标之一.其目标意在利用该地的光照资源和可能存在的冰为今后建立月球基地提供条件.利用多层微波辐射传输方程模拟并分析了多种影响因子对月壤微波亮温的影响.使用“嫦娥一号”微波探测仪（CELMS）所获得的观测数据研究了月球南极的微波辐射分布规律.在分析其普遍规律的基础上,研究了具有异常微波辐射特征的地区.月球极地微波亮温呈现规则环状分布,从赤道向两极递减.分析认为,在赤道月壤内温度梯度较大,越向两极月壤内的平均温度梯度越小.随着频率降低,白天夜晚的亮温差也逐渐降低.据此制作了两极月球亮温分布图.研究发现,微波亮温的变化在南纬85°以后逐渐与高程变化同步.这一现象与太阳照射月球的角度有关,并指示了南极月壤温度的冷热分布.所提取出的异常冷点分布是永久阴影区的搜索方向,异常热点则标志着该地有丰富的热量资源.     

地震前卫星遥感微波辐射异常统计分析:以堪察加半岛为例

岩石加载实验证实受载岩体能够产生特定频段的微波辐射能量增强,卫星遥感数据分析也表明,个别震例强震前可能存在微波辐射异常,这一重要发现亟待普遍性检验与统计特征研究. 本文收集了俄罗斯堪察加半岛2003—2011年Aqua AMSR-E 的微波辐射亮温数据,并对地震和火山活动信息进行了统计,进而利用改进后的异常识别方法及构建的背景场对9年内多次强震的震前短临异常的位置和时间信息进行了检测与统计. 结果表明:① 勘察加半岛平均亮温变化存在明显的季节特征,1—4月和11—12月为平稳期、5—10月为剧变期,平稳期的亮温曲线基本保持平稳,而剧变期呈抛物线型,自4月起持续增温至7月,随后持续降温至11月;② 受地形地貌影响,半岛南部和东南部亮温较高,中西部亮温较低;③ 火山点亮温小于地震点和非地震点,火山活动对亮温影响有限;④ 使用四分位数法判断辐射异常检测指数,发现17次地震中有13次可以识别到震前异常,其中M_S≥6.0地震均可检测到异常,且异常发生在地震前1个月以内.      

基于全球集合预报的西北太平洋热带气旋预报的评估和改进

西北太平洋热带气旋在2018年7~8月间的预报,特别是在上海登陆的温比亚(2018)、安比(2018)和云雀(2018),给数值模式和预报均带来巨大的挑战.文章基于ECMWF和NCEP的集合预报对这些热带气旋的预报技巧进行了分析.结果表明,ECMWF的集合预报对热带气旋路径和强度的预报技巧高于NCEP的集合预报.对于在上海登陆的三个台风,ECMWF的集合预报对温比亚(2018)和安比(2018)的强度预报技巧优于NCEP的集合预报,但两者对云雀(2018)在峰值附近的强度预报技巧都较低.为了提高集合预报对热带气旋的预报技巧,文章提出了一种集合预报成员的适应性权重估计方法.该方法利用集合成员的预报场和分析场相对于观测的距离,适应性地估计集合成员在集合平均中的权重.当适应性权重方法应用于ECMWF和NCEP的集合预报时,二者的集合预报对热带气旋路径和强度的预报技巧都得到了改进,并且ECMWF集合预报的改进要优于NCEP集合预报.     

用“嫦娥一号”卫星微波探测仪亮温反演月壤厚度和^3He资源量评估的方法及初步结果分析

CELMS是世界上首次从月球轨道对月表进行探测的被动微波遥感器,其探测的亮温是表面物理化学特性的直接反映,包含了表面温度、介电常数、月壤厚度以及表面地形等的综合信息.通过对微波辐射亮温特性的研究,能够建立这些物理化学特征参数与亮温的关系,从而达到对壳温的直接反演.结果表明,月壤厚度的分布范围多数在4～6m,5m以上的厚度区域占全月的43%以上.其次,利用CELMS所获得的亮温反演得出全月月壤表面介电常数和月壤厚度,根据表面介电常数的损耗角正切与3He丰度之间的线性关系,计算了全月3He丰度分布.利用微波辐射计探测的月壤厚度数据对全月3He资源量进行了估算,估算出全月3He资源量约为103万吨.     

基于FY-3C微波成像仪的沙漠地表发射率反演

地表发射率是地表的固有属性,也是反演地表信息和大气温湿度廓线的重要参数.为了获取准确且具有具体物理含义的沙漠地区微波地表发射率,首先选取塔克拉玛干沙漠部分地区为反演区域,根据二元函数泰勒定理,推导了该地区的微波地表发射率与地表温度、地表湿度的线性、非线性函数关系.其次,利用最优控制原理,结合FY-3C微波成像仪的观测亮温资料与辐射传输模式(CRTM)模拟亮温数据,构建了沙漠地区微波地表发射率的线性与非线性反演模型.通过对比发现,利用线性和非线性反演模型得到的地表发射率不仅提高了反演区域亮温的模拟精度,而且模拟亮温的变化趋势也与观测更吻合.最后,对地表发射率的线性和非线性反演模型进行了不同时间与空间上的独立性检验,结果表明:除了反演区域外,在整个塔克拉玛干沙漠地区,两种模型反演的地表发射率仍比原地表发射率模拟亮温更接近观测.总的来说,线性和非线性反演模型对沙漠地区的微波地表发射率反演均具有一定的有效性和普适性,且非线性反演模型优于线性反演模型.     

斜压大气中热带气旋运动特征的动力分析

从绝热、无摩擦、无环境场作用条件下的原始方程组出发,讨论了热带气旋的动力平衡特征,并分别导出了正、斜压大气中综合描述热带气旋中心强度变化的物理量(dI/dt)及其动力平衡关系式,进而分析了正、斜压大气中的热带气旋强度变化及移动的特征.结果表明:热带气旋的定常运动具有"相当地转风平衡”的特征,其等"压能”线和等位涡线均与流线重合;"β涡旋对”及由高(低)层水平风正(负)垂直切变产生的"切变涡旋对”之间的"通风气流”均使热带气旋的强度减弱,高(低)层涡度的负(正)垂直平流则增强热带气旋的强度;热带气旋的中心有向极、向高(低)层涡度垂直平流的梯(升)度方向移动的趋势,垂直运动及高、低层水平风速垂直切变的非对称结构对热带气旋的移动有影响;"γ效应”则是"通风气流”牵引热带气旋移动的动力机制之一.     

南亚高压强度与邻近地区垂直速度的相互依赖关系

利用ERA-Interim 1979—2018年6—8月的再分析资料,通过相关分析、信息流、合成分析等方法研究了南亚高压强度与其邻近地区垂直速度的相互依赖关系.结果表明：南亚高压在上对流层-下平流层区域具有上冷下暖的热力结构,冷、暖中心分别在70 hPa和250 hPa,以这两层的温度异常建立的温差指数可以反映南亚高压的强度.在不同时间尺度上,南亚高压强度与其邻近地区垂直速度的相互依赖关系是不同的.在月时间尺度上,南亚高压强度通过动力作用影响邻近地区的垂直速度,南亚高压增强（减弱）时,其东部地区的上升运动和西部地区的下沉运动同步增强（减弱）;在日时间尺度上,南亚高压中部的垂直速度通过热力强迫影响南亚高压强度,南亚高压中部地区上升运动增强（减弱）时,南亚高压增强（减弱）且位置偏西（偏东）.     

南印度洋海温偶极子型振荡及其气候影响

印度洋海表温度（Sea Surface Temperature，简称SST）的方差分析和相关分析表明南印度洋也存在一个海温偶极子型振荡，并定义了一个南印度洋海表温度异常偶极子指数.夏、秋季（南半球冬、春）的南印度洋偶极子指数与后期热带500hPa和100hPa高度场异常有显著而持续的相关，在冬、春达到最大，并可以持续到次年夏、秋.前期夏、秋季节的南印度洋偶极模对次年我国大陆东部夏季降水异常有显著的影响，对应偶极子正位相，次年夏季印度洋、南海（东亚）夏季风偏弱；副高加强且南撤、西伸，南亚高压偏强且位置偏东，易形成我国长江流域降水偏多，华南降水偏少；负位相年反之.后期冬季西太平洋暖池是联系南印度洋偶极子与次年我国夏季降水异常关系的一条重要途径.南印度洋偶极子表现出了明显的独立于ENSO（El Nio Southern Oscillation，简称ENSO）的特征.     

梅雨期江淮地区极端高温事件的非均匀性特征及其与环流系统的配置

本文基于集中度和集中期的定义方法,利用1960~2007年的48年江淮地区站点的日平均温度资料和累积频率的阈值统计方法,分析梅雨期江淮地区极端高温事件的非均匀分布特征.结果表明,集中度和集中期的方法能够定量地表征梅雨期江淮地区极端高温事件的非均匀分布特征.集中期的异常型为全场一致和南北异常型,集中度的异常分布主要为南北异常和东西异常.进一步比较集中度和集中期异常与同期环流系统的配置关系得知,当集中期南北异常变化时,在高纬度的北太平洋区域出现一对正负的异常模态,且随高度增加而增强,为相当正压结构.海温的异常集中在北太平洋的北美沿岸的显著负异常中心.当集中度为东西异常时,主要环流异常型为约在160°W左右出现 "+ - + -" 的200 hPa纬向西风异常波列形式从低纬度到高纬度地区传播以及与ENSO的显著负相关.     

夏季南亚高压对流层中上层异常暖中心时空分布特征及其激发的大气波动

利用1979年1月至2016年12月ERA-interim月平均再分析资料和CAMP全球月降水资料,分析夏季（6—8月）南亚高压下方500 hPa到100 hPa暖中心的时空分布,从三维结构来揭示夏季南亚高压暖心特征.回归分析进一步探讨青藏高原上空暖中心对全球大气环流产生的可能影响.结果表明：南亚高压在150 hPa达到最强,这一层也是异常冷暖中心分界面,150 hPa以下有一强大异常暖中心,异常暖中心位于300 hPa附近,150 hPa以上为异常冷中心,中心位置位于70 hPa附近.异常暖中心从500 hPa向上逐渐向西向北倾斜,异常暖中心面积200 hPa达最大,150 hPa异常暖中心消失,100 hPa以上转变为异常冷中心.500~200 hPa异常暖中心表现出不断增暖的长期趋势（1979—2016）,100 hPa异常冷中心则表现出不断变冷的长期趋势（1979—2016）.去掉长期趋势的时间序列表现出明显的"准两年振荡"特征,异常暖中心位置在纬向上较稳定,在经向上表现出年际的"东西振荡".300 hPa异常暖中心是整个南亚高压的关键层.300 hPa异常暖中心对全球其他变量场进行回归分析.高度回归场表明,青藏高原上空异常暖中心在北半球中高纬度高度场上激发出3波的行星波,波特征在对流层中上层表现明显,波振幅随高度增高不断加强,在对流层中下层逐渐减弱并消失.纬向风回归场在对流层中上层表现出横跨南北半球的波列,这个波列在200 hPa振幅最大.经向风回归场在北半球中纬度（30°N—60°N）表现出7波型,说明南北能量交换频繁.降水回归场表明,东亚地区长江中下游至日本降水偏少,而其南北两侧降水偏多.     

The role of dynamics in total ozone deviations from their long-term mean over the Northern Hemisphere

Total ozone anomalies (deviation from the long-term mean) are created by anomalous circulation patterns. The dynamically produced ozone anomalies can be estimated from known circulation parameters in the layer between the tropopause and the middle stratosphere by means of statistics. Satellite observations of ozone anomalies can be compared with those expected from dynamics. Residual negative anomalies may be due to chemical ozone destruction. The statistics are derived from a 14 year data set of TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer January 1979-Dec. 1992) and corresponding 300 hPa geopotential (for the tropopause height) together with 30 hPa temperature (for stratospheric waves) at 60°N. The correlation coefficient for the linear multiple regression between total ozone (dependent variable) and the dynamical parameters (independent variables) is 0.88 for the zonal deviations in the winter of the Northern Hemisphere. Zonal means are also significantly dependent on circulation parameters, besides showing the known negative trend function of total ozone observed by TOMS. The significant linear trend for 60°N is 3 DU/year in the winter months taking into account the dependence on the dynamics between the tropopause region and the mid-stratosphere. The highest correlation coefficient for the monthly mean total ozone anomalies is reached in November with 0.94.     

西北太平洋热带气旋活动对大尺度环境场影响的线性回归分析

本文使用西北太平洋累积气旋能量(ACE)月尺度异常序列,对850 hPa相对涡度、地表纬向风、柱水汽含量、OLR、降水和SST等大尺度环境场变量进行时滞回归分析,讨论了月尺度TC活动对大尺度环境场的影响及其与周尺度的区别和联系.结果表明:(1)月尺度ACE回归出的纬向风无论是强度还是范围都要明显大于周尺度ACE回归结果,TC的频繁发生,尤其是强度大且持续时间长的近赤道TC,对于激发或加强TC活动区域南侧的低纬地区西风异常有一定的积极作用,持续并且强度较大的西风异常可能导致西风的爆发,而西风爆发会在很大程度上影响ENSO事件的发生和演变.(2)在月尺度上,OLR、柱水汽含量、降水和SST等物理量均呈现出较为明显的E1Nino型分布,而在周尺度上,仅SST呈现出明显的El Nino型分布,这在一定程度上反映了月尺度TC活动和太平洋ENSO信号之间存在更密切的关联.(3)在TC发生后1-2月,TC的主要生成区域柱水汽含量减少、OLR增大,这会在一定程度上降低该区域生成TC的潜能.虽然TC所引起SST降低的空间尺度很小,但其通过大气和海洋的传导会扩大到更大尺度上,由于这种反馈具有一定的滞后性,所以月尺度TC对大尺度环境场影响的信号更为显著.     

利用COSMIC掩星资料研究对流层/下平流层大气比湿对ONI指数的响应

本文利用2006年6月至2014年6月COSMIC掩星观测的水汽廓线,分析了对流层/下平流层（TLS）比湿信号对ENSO的响应.在数据处理中,将COSMIC掩星水汽廓线计算得到的全球比湿数据内插为1000~30 hPa区间水平分辨率为5°×5°的三维格网,在各等压面上求取各格网点去除年/月际信号后的比湿月异常值.然后在对比湿月异常时间序列低通滤波的基础上,进行经验正交分解（EOF）得到比湿主成分,并对该主成分信号进行二项式平滑;接下来将平滑后的主成分信号与反映ENSO活动的ONI指数进行相关处理,得到各等压面主成分信号相对于ONI指数的相关系数及对应的时间延迟.论文分析了包括Niño-3.4的5个代表性区域的TLS比湿异常主成分信号,结果表明：在各区域,采用本文先低通滤波再EOF分解的处理方法获得的TLS比湿异常主成分信号与ONI指数均有很强相关性,对流层相关系数绝对值达0.8以上,低平流层高于0.7,在300~200 hPa的上对流层达到峰值;各等压面上比湿异常主成分信号相对于ONI指数的时间延迟不尽相同,在对流层中比湿异常主成分信号普遍滞后于ONI指数1~6个月;在各区域,比湿异常主成分与ONI指数相关系数绝对值达到最大的等压面都接近250 hPa,最大相关系数绝对值均达到0.9以上.进一步对全球250 hPa等压面比湿异常主成分与ONI指数相关性的分析表明：两者强相关的区域主要集中在热带;在这些强相关区域,比湿异常主成分相对于ONI主要表现为滞后,且相关系数越大,相应的时间延迟越短.     

Characteristics and mechanism of vertical coupling in the genesis of tropical cyclone Durian(2001)

The vertical coupling(VC)process and mechanism during the genesis of a tropical cyclone(TC)implied by the weak vertical shear of horizontal wind,one of the key factors impacting TC genesis,constitute important but unanswered fundamental scientific problems.This paper carried out a targeted investigation of this problem through numerical simulation and theoretical analyses.The main conclusions are as follows.Even if TC genesis occurs in a barotropic environment,a VC process still occurs between the trough(vortex)at the middle level and that at the lower level in the TC embryo area.VC mainly occurs at the tropical disturbance(TDS)stage.Only after the VC is accomplished can the tropical depression(TD)organize further by itself and develop into the tropical storm(TS)stage or the stronger tropical typhoon(TY)stage through the WISHE(wind-induced surface heat exchange)mechanism.In the VC process,vortical hot towers(VHTs)play vertical connecting roles and are the actual practitioners of the VC.Through the VHTs’vertical connections,the middle-and lower-troposphere trough axes move towards each other and realize the VC.VHTs can produce intensive cyclonic vorticity in the lower troposphere,which is mainly contributed by the stretching term.The tilting term can produce a single dipole or double dipole of vorticity,but the positive and negative vorticity pairs offset each other roughly.While the stretching term ensures that the cyclonic rotations of the wind field in the middle and lower levels tend to be consistent,the tilting term acts to uniformly distribute the horizontal wind in the vertical direction,and both terms facilitate the VC of the wind field.With the latent heat of condensation,VHTs heat the upper and middle troposphere so that the 352 K equivalent potential temperature contour penetrates vertically into the 925–300 hPa layer,realizing the VC of the temperature field.While forming cloud towers,VHTs make the ambient air become moist and nearly saturated so that the 95%relative humidity contour penetrates vertically into the 925–400 hPa layer,realizing the VC of the humidity field.Due to the collective contributions of the VHTs,the embryo area develops into a warm,nearly saturated core with strong cyclonic vorticity.The barotropic instability mechanism may also occur during TC genesis over the Northwest Pacific and provide rich large-scale environmental vorticity for TC genesis.The axisymmetric distribution of VHTs is an important sign of TC genesis.When a TC is about to form,there may be accompanying phenomena between the axisymmetric process of VHTs and vortex Rossby waves.     

Spectrometric gamma radiation of shale cores applied to sweet spot discrimination in Eastern Pomerania,Poland

This paper describes the application and calculation of hydrocarbon anomalies in two different boreholes located in Eastern Pomerania (northern Poland). Spectrometric data from borehole geophysical probe (borehole 1) and portable gamma logger (borehole 2) were used to analyze shale formations. The results from borehole 1 presented a statistically significant, moderate correlation between calculated hydrocarbon anomalies and hydrocarbon saturation data obtained from well log interpretation. Borehole 2 has been analyzed focusing on the gamma radiation of the core samples, and the positive results of borehole 1. Hydrocarbon anomalies calculated from spectral gamma radiation are reliable indicators of sweet spots, based solely on a cursory evaluation of core measurements. These preliminary information acquired from gamma-ray measurements could help increase sampling precision of further geochemical analysis.     

CMIP5模式对东亚冬季风指数变化及其与冬季大气环流和气温关系的模拟评估

本文评估了44个CMIP5模式对东亚冬季风环流系统,特别是东亚冬季风指数及其对应的环流和气温特征的模拟能力.结果表明:CMIP5模式对地表气温和500 hPa位势高度场模拟效果最好,对200 hPa纬向风的模拟次之,而对海平面气压和850 hPa经向风的模拟相对较差.与单个模式相比,多模式集合(MME)的模拟能力要更优,其能够很好地再现西伯利亚高压、阿留申低压、东亚低层偏北风、中层东亚大槽、高层东亚西风急流以及地表气温的空间分布.不过,模拟的环流系统偏强,造成东亚地表气温总体偏低.对于东亚冬季风指数,分别选取基于300 hPa纬向风(I_(Jhun))、850 hPa风场(I_(Wang))、500 hPa位势高度(I_(Cui))、以及海平面气压(I_(Guo))定义的四个指数表征东亚冬季风强度.MME能很好地模拟I_(Cui)和I_(Wang)指数的长期变化,还能合理再现四个指数所指示的东亚冬季风环流和气温的变化特征:对应冬季风偏强年份,西伯利亚高压、阿留申低压、东亚沿岸低层北风、东亚大槽和高空西风急流加强,东亚大陆地表气温和极端低温降低,但变化的幅度比观测结果偏弱.