交叉小波变换在河南降水时频分析中的应用

在利用Marr小波对时间序列进行连续小波变换的基础上，采用交叉小波变换方法，分析了河南省近50a降水与ENSO之间的关系。结果表明，河南降水距平（ΔR）、海面温度距平（ΔTss）以及南方涛动指数距平（ΔISO)序列中都存在着不同时间尺度的周期分量，并且各周期分量的强度是不同的。同时研究了ΔR与ΔTSS，ΔISO之间2－4a和5－7a周期尺度的相关振荡及各尺度上的时频特征。     

我国华东地区气候变化与副高指数的小波分析

根据1951～2007年华东地区逐月平均气温和降水资料,在利用连续小波变换对华东地区的降水、气温与副高指数的时频变化特征进行分析的基础上,采用交叉小波变换方法分析了华东地区近57年的气候变化与副高之间的相关关系.结果表明,华东地区气候要素与副高指数距平序列都存在着不同时间尺度的周期分量,并且各周期分量的强度是不同的.其中以2～8年尺度的年际振荡较为明显,10年以上的年代际变化以1980年为突变点.     

河南省气温变化及其与ENSO的相关

利用Marr小波变换和交叉小波变换，对河南省近50年气温、Nin。海区KSTA、南方涛动指数SOI月平均距平序列进行了时频特征分析。结果表明：河南气温距平(△T)、海面温度距平(△Tss)以及南方涛动指数距平(△Iso)序列中都存在着不同时间尺度的周期分量，并且各周期分量具有不同的强度；河南省气温变化与ENSO振荡过程之间也存在着多尺度联系。     

当阳市水稻产量与气候变化的相关分析

根据1959-1998年当阳市的日平均气温、日降水量以及同期水稻产量资料,采用morlet复值小波变换与小波功率谱方法,分析了近40 a来当阳市水稻气候产量、降水量以及气温的多时间尺度的时频特征,并采用交叉小波方法探讨了气候产量与降水量、气温的相关。研究结果表明:水稻气候产量与降水量均具有5 a以及2-4 a的显著周期变化,与气温均存在2-4 a的显著周期变化,而且气候产量与降水量、气温在时域分布上也存在着某些相似性特征;气候产量与降水量、气温存在着密切的相关,相关关系随振荡周期尺度的不同而不同,且气候产量与降水量在5 a和9 a时间尺度上的相关程度最大,与气温在11 a时间尺度的相关程度最大;气候产量与降水量在2~4 a、6~10 a、11 a以及16~20 a时间尺度上呈负相关而在准5 a时间尺度上呈正相关,与气温在2~4 a、6~8 a、10~12 a以及16~20 a时间尺度上呈正相关而在准5 a以及9 a时间尺度上呈负相关。     

河南省气温变化与北极涛动指数的关系研究

利用连续小波变换和交叉小波变换方法,分析了北极涛动指数和河南省近50多年来月平均气温距平序列的时频变化特征以及两者之间的关系。结果表明:河南省气温和北极涛动都存在着不同时间尺度的周期性变化,且各周期分量的强度不同。北极涛动指数具有2-4 a、8 a左右年际尺度和12-25 a、35 a以上年代际尺度的周期振荡;河南气温存在准2 a、4 a、6-8 a、10-20 a、28 a和35 a以上时间尺度的周期性变化。AO振荡过程影响河南省气温变化的时频结构,且主要表现在年代际时间尺度上。     

河南省气温变化与北极涛动指数的关系研究

利用连续小波变换和交叉小波变换方法,分析了北极涛动指数和河南省近50多年来月平均气温距平序列的时频变化特征以及两者之间的关系.结果表明:河南省气温和北极涛动都存在着不同时间尺度的周期性变化,且各周期分量的强度不同.北极涛动指数具有2～4 a、8 a左右年际尺度和12～25 a、35 a以上年代际尺度的周期振荡;河南气温存在准2 a、4 a、6～8 a、10～20 a、28 a和35 a以上时间尺度的周期性变化.AO振荡过程影响河南省气温变化的时频结构,且主要表现在年代际时间尺度上.     

河南省气候变化与北极涛动的多时间尺度相关

将交叉谱与小波变换方法相结合,采用交叉小波分析方法,分析了冬、夏季北极涛动指数距平(ΔIAO)、河南省降水距平(ΔR)和气温距平(ΔT)序列的时频结构及其联合统计特征,讨论了近55年来河南省气候变化与北极涛动之间的多时间尺度相关。结果表明:冬、夏季ΔIAO、ΔR和ΔT都存在准2年、4年、6~8年和11~22年左右的周期信号。冬季ΔR与ΔIAO之间的显著相关表现在准2年和14~22年尺度共振周期上,年代际尺度正相关振荡的凝聚性最强且为全时域分布;冬季ΔT与ΔIAO的显著正相关表现在2~4年和6~10年尺度共振周期上,时域中相关振荡存在局部化特征;年代际尺度上ΔR与ΔIAO的相关显著性高于ΔT与ΔIAO的相关而年际尺度上ΔT与ΔIAO的相关比ΔR与ΔIAO的相关更显著,表明冬季AO对河南省降水和气温变化的影响机制不同。夏季ΔR与ΔIAO之间的显著相关表现在准2年、4~6年、6~8年和16年左右尺度共振周期上,以6~8年尺度正相关振荡凝聚性最强;夏季ΔT与ΔIAO的相关显著性较低,仅在年际尺度周期上局部时域中有所表现;夏季AO主要通过影响东亚季风强度对河南省降水和气温变化产生间接影响。     

川渝地区降水变化与Nino3区SST的关系及其稳定性分析

根据1960—2006年我国川渝地区120个观测站的月降水资料,分析了降水的空间分布特征,利用相关分析、小波分析和小波凝聚谱等方法,探讨了川渝地区降水与Nino3区SST的关系及其稳定性。结果表明:一致性异常分布是川渝地区降水变化的最主要空间模态,第一模态时间系数与Nino3区SST有着较好的相关关系。这种关系表明,在Nino3区SST暖状态,川渝地区降水偏少;在Nino3区SST冷状态时则情况相反。川渝地区降水和Nino3区SST关系的稳定性分析表明,降水和SST之间在准2 a,4～6 a变化周期上存着较好的相关关系,但这种相关关系并不稳定,存在着年代际变化:1960—1986年呈正相关关系,1987—2006年呈负相关关系。     

热带海表温度及北大西洋涛动与ENSO事件的相关分析

采用交叉小波变换方法分析了热带SST、NAO与ENSO事件之间的多时间尺度相关特征。结果表明,热带SST与ENSO事件在2～7年和30年以上尺度的周期振荡上存在着显著的同位相正相关,其中以4年尺度周期的方差贡献最大,时域中热带SST冷暖变化的时间与ENSO冷暖交替的时间一一对应;北大西洋SST与ENSO事件在4年和15年尺度周期振荡上表现为方差贡献较大的正相关;NAO与ENSO事件相关较弱,在2～7年和10～24年尺度上表现为负相关,而25年以上尺度为正相关,时域中NAO强弱变化与ENSO冷暖交替的对应关系并不完全一致。     

我国西北地区气候变化与北极涛动的交叉小波分析

运用交叉小波方法分析了近56 a来我国西北地区气候变化与北极涛动指数（AOI）、欧亚纬向环流指数之间的联系,讨论了西北地区冬季气温和夏季降水变化与同期AOI之间的多时间尺度相关。结果表明,AOI、西北地区降水和气温变化都存在着不同尺度的周期振荡,西北地区降水与AOI之间存在准3 a尺度的显著共振周期,而AOI与西北地区气温变化的多时间尺度相关表现为准2a、3-5 a和8-11 a左右的显著相关振荡且以8-11 a共振周期的凝聚性最强;AO对西北地区气温变化的影响比对降水的影响更显著,与其年代际尺度的相互作用有关。当冬季北极涛动处于正相位时,欧亚纬向环流偏强,西北地区冬季气温偏高。夏季西北地区降水变化与前期北极涛动指数异常密切相关,这对于西北地区夏季降水变化预测具有重要的参考意义。     

地基消光测量确定新疆博斯腾湖地区大气气溶胶模型

为确定新疆博斯腾湖地区气溶胶主要组分,减小辐射传输计算和卫星遥感应用中由于气溶胶模型误判造成的误差,分别取大陆型、背景沙漠型、体积百分比自定义模型和两种动态气溶胶模型,用6S辐射传输算法计算出对应于太阳光度计测量时段的各波段大气气溶胶光学厚度。将模式计算值与测量值进行比较,确定测量地区的大气气溶胶模型。将该方法用于2010年在新疆博斯腾湖地区测量的太阳光度计数据,结果显示该地区在测量时段较为符合体积百分比自定义模型,沙尘性粒子体积百分比均在88%上,符合当地靠近沙尘源地和测量时段浮尘天气频发的实际情况。     

太湖地区气溶胶光学厚度的分布及其在大气校正中的应用

采用太湖地区水面光谱数据以及MODIS遥感影像数据,利用辐射传输模式6S,选择自定义气溶胶类型,反演得到太湖地区气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)分布,将其与太阳光度计CE318实测气溶胶光学厚度分别应用于太湖区域的大气校正中,得到不同的水面反射率,并参考实测水面反射率进行对比分析。结果表明:反演的太湖地区气溶胶光学厚度分布较为合理,造成此分布的原因可能是太湖北岸工业较发达,污染较严重。太湖颗粒物的吸收特性和卫星接收到的表观反射率导致反演数据的差异,是反演气溶胶光学厚度分布不均匀的主要原因。使用MODIS数据反演得到的太湖地区AOD进行大气校正,更加精确。该研究方法和结果可为气溶胶光学厚度反演、精确卫星数据大气校正提供参考。     

中国遥感卫星辐射校正场气溶胶光学特性观测研究

1999年6月28日~7月19日在敦煌场, 7月25日~7月31日在青海湖水面场进行了一次大规模综合野外测量试验, 其中采用3台先进的法国CIMEL太阳辐射计对两个场地大气光学特性进行了系统全面测量, 获得大量晴空天气条件下的大气光学数据。利用Langley法处理气溶胶通道数据得到气溶胶光学厚度及其光谱变化。测量结果显示550 nm波长平均气溶胶光学厚度分别为0.12、0.18, 由气溶胶光学厚度的波长变化得到气溶胶Junge参数分别为2.6、3.0, 并与几种典型气溶胶类型比较。结果表明两地在晴空天气里, 气溶胶含量较小, 符合遥感卫星传感器辐射定标的大气条件。     

Lidar and Sun photometer observations of atmospheric boundary-layer characteristics over an urban area in a mountain valley

We present measurements of the vertical aerosol structure and the aerosol optical depth in the lower troposphere performed above the city of Sofia (an urban area situated in a mountain valley), western Bulgaria by means of a ground-based aerosol lidar operating continuously for a number of years. The lidar measurements were accompanied by measurements of the aerosol optical depth (AOD) in the visible and near infrared regions of the spectrum performed in October 2004 using Microtops II radiometers. The maximum values of the AOD were found to occur 1–2 h before the complete development of the atmospheric boundary layer, i.e. during the residual layer destruction, which confirms our hypothesis concerning the slope circulation effect on the processes taking place in the atmospheric boundary layer. The AOD values obtained by the lidar are lower than those taken by the sun photometer. Further, the AOD exhibits two different types of behaviour. In the case of a ‘clear atmosphere’ (i.e. in the absence of volcanic eruptions and/or dust transport from the Sahara) most of the aerosol accumulated within the atmospheric boundary layer over the urban area considered. The combined use of the two instruments allows the comparison between the optical characteristics of the atmospheric aerosol (e.g. aerosol extinction coefficient, etc.) obtained by the lidar and through an independent method (sun photometer).     

利用激光雷达观测兰州沙尘气溶胶辐射特性

利用微脉冲激光雷达CE370-2与太阳光度计CE-318, 在兰州观测分析了2007年3月27~29日扬沙过程沙尘气溶胶辐射特性, 并利用HYSPLIT-4模式分析了沙尘过程气溶胶粒子的后向轨迹。分析表明, 此沙尘过程气溶胶粒子的传输路径主要有两条： 一条起源于青海西北经西宁抵兰州, 另一条起源于塔克拉玛干沙漠经河西走廊抵兰州; 沙尘气溶胶主要集中于离地1.5 km高度层内; 沙尘气溶胶消光系数随高度先增加, 到0.2 km左右高度达到最大, 然后急剧减小。沙尘气溶胶光学厚度的时间演变呈双峰型, 最高峰出现在28日12:00, 次高峰在27日22:00。验证表明由CE370-2得到的气溶胶光学厚度与CE-318得到的很接近; 雷达观测资料的处理方法可以较好地反演气溶胶消光系数和光学厚度。     

2010年秋季鞍山气溶胶光学特征变化

利用2010年9-11月鞍山大气成分监测站CE-318太阳光度计观测资料,依据气溶胶光学厚度测量原理,计算得到2010年鞍山秋季大气气溶胶光学厚度、波长指数等大气光学特性数据,通过统计分析,给出鞍山秋季气溶胶光学特性分布特征。结果表明：随着测量AOD波段的降低,AOD值逐渐增大,9月的AOD平均值最大,10月AOD平均值次之,11月AOD平均值最小。从频率分布看,2010年9月 AOD日均值集中分布在0.4-0.6之间,10月和11月AOD日均值集中分布在0.0-0.4之间,表明10-11月大气较为清洁|波长指数日均值的频率分布说明鞍山秋季大气污染物以细粒子为主。500 nm 的AOD值与波长指数成对数关系,两者在9、10月和11月的相关系数分别为0.5145、0.8412和0.2715;9月AOD与PM₁₀、PM_2.5、PM_1.0质量浓度为较小负相关,10月和11月AOD与PM₁₀、PM_2.5、PM_1.0质量浓度成正相关,且10、11月AOD与气溶胶细粒子相关性较为显著。AOD值与能见度在趋势上呈较小的负相关性,可能是由于高层气溶胶粒子对气溶胶光学厚度产生了主要影响。     

近年来大气遥感研究进展

本文着重介绍中国科学院大气物理研究所2003年以来在大气遥感研究方面的主要进展与成果,内容包括:(1)遥感技术与设备的发展;(2)大气气溶胶遥感;(3)云遥感;(4)大气微量气体遥感;(5)反演方法发展;(6)大气辐射传输算法研究。气溶胶的光学特性遥感研究是近年来热点之一,本文简要论述在气溶胶光学特性地基和卫星遥感反演算法、中国大气气溶胶光学特性时空分布特性、气溶胶辐射强迫遥感研究等方面所取得的成果。     

Development of RAMS-CMAQ to Simulate Aerosol Optical Depth and Aerosol Direct Radiative Forcing and Its Application to East Asia

The air quality modeling system RAMS （Regional Atmospheric Modeling System）-CMAQ （Models-3 Community Multi-scale Air Quality） is developed to simulate the aerosol optical depth （AOD） and aerosol direct forcing （DF）. The aerosol-specific extinction, single scattering albedo, and asymmetry factor are parameterized based on Mie theory taking into account the aerosol size distribution, composition, refractive index, and water uptake of solution particles. A two-stream solar radiative model considers all gaseous molecular absorption, Rayleigh scattering, and aerosols and clouds. RAMSCMAQ is applied to simulate all major aerosol concentrations （e.g., sulfate, nitrate, ammonium, organic carbon, black carbon, fine soil, and sea salt） and AOD and DF over East Asia in 2005. To evaluate its performance, the simulated AOD values were compared with ground-based in situ measurements. The comparison shows that RAMSCMAQ performed well in most of the model domain and generally captured the observed variations. High AOD values （0.2-1.0） mainly appear in the Sichuan Basin as well as in central and southeastern China. The geographic distribution of DF generally follows the AOD distribution patterns, and the DF at the top-of-the-atmosphere is less than -25 and -20 W m^-2 in clear-sky and all-sky over the Sichuan Basin. Both AOD and DF exhibit seasonal variations with lower values in July and higher ones in January. The DF could obviously be impacted by high cloud fractions.     

不同污染条件下气溶胶对短波辐射通量影响的模拟研究

将高光谱分辨率的气溶胶光学参数化方案应用于高精度的辐射传输模式BCC_RAD（974带）中,研究不同污染状况下气溶胶在地表与近地层大气中造成的直接辐射强迫与辐射强迫效率。发现气溶胶在地表产生的直接辐射强迫为负,在近地层大气中产生的直接辐射强迫为正,且随气溶胶浓度的升高变大,说明大气气溶胶的含量越高,单位气溶胶光学厚度产生的直接辐射强迫越大。将短波划分为3个波段:紫外、可见光和近红外,发现在紫外、可见光和近红外波段中,不同污染状况下气溶胶在地表造成的直接辐射强迫范围分别为:-1.36—-13.66、-3.03—-32.41和-2.74—-28.62 W/m2,在近地层大气中产生的直接辐射强迫范围分别为0.44—4.26、0.99—9.80和0.93—8.87 W/m2。通过进一步对比自然和人为气溶胶的影响,发现人为气溶胶在地表和大气层顶产生的负直接辐射强迫以及对整层和近地面大气造成的正直接辐射强迫均大于自然气溶胶的影响,且上述两种排放源的气溶胶对整层大气辐射收支的影响主要集中在800 hPa高度以下的大气中。按照地表直接辐射强迫大小来分析不同种类气溶胶的影响,结果为硫酸盐>有机碳>黑碳>海盐>沙尘;按照近地层大气直接辐射强迫大小排序则为黑碳>有机碳>沙尘>海盐>硫酸盐。最后,通过分析散射型气溶胶与吸收型气溶胶对辐射通量的影响,还探究了大气中散射与吸收过程的异同。      

Broadband extinction method to determine atmospheric aerosol optical properties

The equivalent wavelength ( λ _E), at which the aerosol optical depth (AOD) is equal to broadband AOD (BAOD), can change in a wide range from 0.619 μm to 1.575 μm in the usual aerosol conditions. By using the least squares technique and some empirical corrections, a parameterized relationship of λ _E with BAOD, Ångström wavelength exponent ( α ), solar zenith angle ( θ ₀) and H₂O amount is developed. Using this relationship, and based on the strong sensitivity of BAOD on θ ₀ when θ ₀>70°, the broadband extinction method to derive the spectral AOD and α is further proposed. As shown in comparative simulations to retrieve AOD by the present, Molineaux et al. and Gueymard methods, the present method has the best accuracy in most simulations using Junge, MODTRAN, log‐normal and Deirmendjian aerosol models. A key question of the pyrheliometer method to determine wavelength-dependent AODs is the effect of uncertainty in the aerosol size istribution. It is found that the AOD solution around λ _E is less sensitive to the uncertainty. The wavelength exponent α is derived using an assumption of the stable atmospheric turbidity. If the pyrheliometer data from θ ₀=85° to 70° are used and the change of the turbidity is ±10%, the error of solution α is usually within ±0.32. If the variation of the turbidity is random, the mean value of a lot of the measurements of α would be very reasonable.