漠河地区臭氧的观测和计算

1997年3月上旬,在黑龙江漠河地区对地面和整层臭氧、太阳辐射等进行了短期观测,以初步了解该地区臭氧和辐射的变化规律以及它们之间的相互关系.研究发现,漠河地区近地面臭氧日变化明显,其峰值出现在每日10:00(北京时间)左右,并早于紫外辐射(UV)峰值出现时间.整层大气臭氧总量的日变化特征不明显.基于UV能量守恒,建立了臭氧与其影响因子-光化学、散射、UV等因子之间较好的定量关系和经验模式,并将其用于计算地面、整层大气臭氧小时值和日平均值.结果表明,计算值与观测值吻合的都比较好,它们相对偏差的平均值分别为:地面臭氧小时值(11.9%)和日平均值(9.0%);整层大气臭氧小时值和日平均值-7.4%、1.8%.因此,地面和整层臭氧的经验算法是合理和可行的.利用散射辐射/直接辐射(D/S)和散射辐射/总辐射(D/Q)可以描述大气中的物质如气溶胶、云等的散射作用.采用D/Q表示散射作用可以提高地面臭氧和整层大气臭氧计算的准确度,特别是对云量较大的情况.       

由卫星资料估算晴空大气太阳直接辐射和散射辐射

根据光的多次散射理论 ,对水汽、气溶胶、臭氧、混合气体等实行辐射参数化处理 ;利用中国探空站资料和诺阿 ( NOAA)气象卫星垂直业务探测器 ( TOVS)资料反演的探空资料 ,由离散纵标法计算了大气各高度上的太阳直接辐射和散射辐射 ,并与此同时的和同站点位置的卫星可见光、红外测值进行统计回归拟合 ,建立卫星测值与大气中太阳直接辐射和散射辐射的计算模式 ,据此可以利用卫星资料估算太阳直接辐射和太阳散射辐射 ,这对于大气环境光学特性和大气环流、气候变化的研究有重要意义。     

对NOAA／AVHRR通道反照率和植被指数的大气影响订正试验

在利用大气窗区进行遥感时,大气成分对辐射的吸收和散射作用造成辐射消弱,从而影响气象卫星（AVHRR）两个通道（可见光和近红外）反演地表反照率值及其差和比的植被指数值。在选取实测卫星资料对其作预处理并考虑仪器定标衰减作用后,利用LOWTRAN－7大气辐射传输模式对卫星资料进行大气订正的探讨,指出气溶胶、水汽等大气参数是订正计算中的敏感因子。       

有云大气中太阳辐射通量的参数化计算

这里提出了一个建立在二流近似基础上的宽带太阳辐射传输计算模式。整个从0.2—3.58μm的太阳光谱区分成三个宽光谱间隔,各波段上的宽带等效光学厚度和单次散射反照率由已知的大气参数直接算出。在各波段上,二种以上大气成分重迭的辐射作用也得到适当的考虑。在考虑云的辐射作用时,云的单次散射反照率和后向散射参数是预先给定的,而云的光学厚度则根据云中液态水含量来算出。     

中国西北大气沙尘光学特性的数值试验

利用 1991年 2月下旬～ 5月中旬HEIFE张掖和沙漠站的大气浑浊度观测、地面辐射观测及同期卫星资料 ,借助NCARCCM 3中的辐射模式CRM ,模拟估算了我国西北大气沙尘气溶胶的部分光学参数 ,单次散射反照率 (ω0 )和光学厚度比 [k(τλ=8～ 14 /τλ=0 .55) ]。计算结果表明 ,清洁天ω0 和k(τλ =8～ 14 /(τλ =0 .55)在沙漠和绿洲均为 0 .94和 0 .1;浑浊天ω0 在绿洲为 0 .90 ,沙漠为 0 .84 ;k(τλ=8～ 14 /τλ =0 .55)在绿洲为 0 .3 ,沙漠为 0 .4。在气候模式中 ,可将我国西部沙尘源区大气沙尘的ω0 和k(τλ =8～ 14 /τλ=0 .55)分别取为 0 .88和 0 .3。     

用GMS卫星资料研究我国东南部夏季短波云辐射强迫

利用中分辨率辐射计算模式（MODTRAN3）、站点的温压湿探空资料和美国标准大气的气溶胶、臭氧和微量气体参数，计算出无云情况下的地面总辐射，再与实测地面总辐射结合得出云对太阳的辐射强迫。同时利用GMS卫星资料反演出云辐射参数——反照率和亮温，分析了短波云辐射强迫和云辐射参数的关系，建立了两者的回归模式，用于估算地面资料缺少地区的短波云辐射强迫。     

利用多角度POLDER偏振资料实现陆地上空大气气溶胶光学厚度和地表反照率的同时反演Ⅰ.理论与模拟

陆地上空标量辐射对地表反射率和大气气溶胶散射都具有很强的敏感性, 而偏振反射只对大气气溶胶敏感, 对地表不敏感.根据这个原理并结合POLDER (POLarization and Directionality of Earth Reflectance) 资料的特点, 作者提出综合利用标量辐射和偏振反射信息来实现陆地上空大气气溶胶和地表反照率的同时反演.首先, 利用多角度偏振辐射观测提取大气气溶胶光学参数, 再利用标量辐射测量对偏振反演结果作进一步筛选和订正, 同时获得地表反射率.数值模拟试验结果证明, 仅利用偏振信息只能获取大气气溶胶信息, 而且其结果误差较大, 特别是对于散射作用较强的短波长通道如670 nm误差更大, 但经过标量辐射订正后的结果得到明显改善, 气溶胶光学厚度和地表反射率与真实值之间相关系数都达到0.99以上.为提高查找表的计算效率, 提出并建立了反演方案所需要的半参数化数值表, 利用内插方法寻求气溶胶光学厚度和地表反射率的数值解的反演方法.     

陆面模拟中植被辐射传输参数化方案研究

在冠层二流辐射传输模式基础上新发展了一个描述太阳短波辐射在植被中传输的冠层四流辐射传输模式.冠层四流辐射传输模式是在大气辐射传输理论的基础上得到一组描述短波辐射在植被中传输过程的冠层辐射传输基本方程,引进大气中求解辐射传输方程的四流近似解法,并求得冠层四流辐射传输方程的解析解.方程中各项参量能够反映叶子或冠层特殊的几何和光学特征.冠层向上、向下辐射通量取决于冠层散射相函数、叶子在入射光方向投影面积、单个叶子反射率和透射率、叶面积指数以及直射光入射太阳高度角等.四流模式计算叶子水平倾角时对太阳短波辐射的反照率,与二流模式结果比较可以验证模式的理论推导和建模都是正确的:计算结果的比较,表明四流模式在水平叶角分布时计算的冠层反照率与二流模式结果一致,同时直射光从任何太阳高度角入射的冠层反照率结果也一致,从而证明发展的冠层四流辐射传输模式是成功的.模拟试验中将两种模型同时耦合到同一个陆面过程模式中进行比较试验,结果表明,冠层四流辐射传输模式能够得到更精确的植被反照率,从而使得陆面模式计算的地表吸收的净太阳辐射通量更接近于观测值.     

中国西北大气沙尘的辐射强迫

利用CCM3的辐射模式CRM研究大气沙尘的辐射强迫特性。大气沙尘减小地面净辐射冷却地面同时增暖沙尘层大气，最大加热率出现在沙尘层的上部和贴近地面处。地表反照率对地面冷却和大气加热的大小有影响，地面净辐射的减幅和大气加热率在高地表反照率的沙漠大于低地表反照率的绿洲。大气沙尘对地一气系统的辐射强迫同样受地表反照率的影响，存在着一个“临界地表反照率”，其值在0．25～0．3之间。当地表反照率高于“临界地表反照率”(如沙漠)，大气沙尘减小行星反照率增暖地一气系统，反之(如在绿洲)，大气沙尘增大行星反照率冷却地一气系统。     

δ函数在云的反射率计算中的应用

本文证明了二流模式和s-w模式,两种计算散射大气反射率的简化方法,都具有δ-相函数的特点.结合δ函数并通过由二流模式得到的计算结果作为一次近似再代入辐射传输方程中而导出一种更精确计算云层反照率的简单方法.     

晴空或少云状况下紫外辐射强度及指数预报模式

在大气辐射传输理论的基础上，利用中分辨率大气辐射传输系统，应用可测得的实际大气物理参数，建立睛空或少云天气状况下石家庄市紫外波段（280-400nm)辐射强度及指数预报模式，考虑了臭氧的两个吸收带。晴空条件下的散射主要考虑了分子和气溶胶的多次散射，少云时还考虑了云对紫外辐射的影响。其中多次散射的计算采用子离散坐标法。且对由于臭氧实时资料的短缺造成的误差进行了系统订正，并将订正结果与实况资料进行了对比。结果表明，由模式客观预报紫外辐射强度是可行的。     

中国地区近地面太阳紫外辐射的分布及其对大气臭氧层破坏的响应

本文在充分考虑太阳紫外辐射在大气中传输的物理过程的基础上,引入局地地面气压、臭氧和地表反照率的时空变化,利用Delta-Eddington近似法计算了中国地区冬季(1月)和夏季(7月)晴天时地面太阳紫外辐射(0.290—0.400μm)和紫外B辐射(0.290—0.325μm)的分布,并进一步计算出臭氧总量减少5％、15％时紫外B的变化.结果指出,由于臭氧总量的减少,中国北部地区紫外B的增加比南部地区显著.平均而言,臭氧总量减少1％时,冬季紫外B将增加1％左右,夏季紫外B将增加0.6％—0.7％.     

卫星遥感地面紫外辐射的参数化方法

提出了一个从卫星观测推算地面UVB辐射通量密度和红斑生物紫外辐射剂量的新的参数化方法。该方法基于一个简单的模式:大气辐射传输介质被简化成三个等效层:臭氧单独构成的吸收层，空气分子、云和气溶胶粒子组成的散射层，以及地面反射层。地面紫外辐射通量密度和生物紫外辐射剂量可以由臭氧层的等效透过率、散射层和地面的联合反射率计算。臭氧层的等效透过率可由大气臭氧总量计算。散射层和地面的联合反射率可由不存在臭氧吸收的紫外或可见光通道的反射辐射强度测量得到。该反演算法形式简单，只包含很少几个可从卫星测量获得的参数。它通过了一个可靠而相对复杂的基于DISORT的紫外辐射传输模式的检验。在广泛的计算条件下，包括晴天、云天、以及混浊大气，用这个简单算法计算的地面紫外辐射通量密度和红斑生物紫外辐射剂量与精确算法的结果相差无几。另外，还实际运用这个算法利用卫星观测资料反演地面紫外辐射通量密度，与地面实际观测资料做了比较，符合较好。     

香河地区光合有效辐射观测分析研究

利用中国科学院大气物理研究所香河大气综合观测实验站(39°47′N,116°57′E)2004年10月至2005年12月共15个月的太阳辐射观测资料,分析了该地区光合有效辐射与太阳总辐射比值的(PAR/Rs)日变化和季节变化特征,得出月平均PAR/Rs值变化范围在1.808~2.048μE.J-1之间,最大值出现在夏季,最小值出现在冬季,年平均值为1.948μE.J-1。提出了一个利用太阳总辐射观测值计算光合有效辐射瞬时值的参数化算式,用该算式计算得到的PAR与实际观测值的均方根误差为19.28μE.m-2.s-1,有96%的计算值与观测值偏差在±10%以内。比较了香河地区与太湖地区、额济纳地区光合有效辐射瞬时最大值、小时累积最大值及日累积最大值的差异。     

大气臭氧总量的经验计算方法

依据臭氧生消与紫外辐射(UV)能量利用相互作用的观点,考虑与臭氧有关的主要因子UV、大气中物质在化学和光化学反应中对UV能量的吸收、气溶胶粒子的散射等,在分析1990—1992年臭氧总量、太阳辐射、气象资料的基础上,建立了计算臭氧总量的经验模式,其优点是所用资料均可由常规气象站获得。结果表明,计算值与观测值符合得比较好。利用该经验模式计算了北京地区1979年1月—1996年6月的臭氧总量,计算值与观测值同样比较一致,二者相对偏差的最大值、最小值、平均值分别为15.2%、0.05%和4.9%,相对偏差在±10%之内的比例为91.4%,因而该经验模式是合理、可行的。1991年之后北京地区臭氧的下降与Pinatubo火山气溶胶的影响有关。     

参数化的多次散射激光雷达方程和它的反演理论 Ⅰ:方程

本文提出了一个参数化的多次散射激光雷达方程,该方程基于本文引出的四个因子,即几何消光因子、消光分布因子、前向散射因子和后向散射因子.前两个因子表征多次散射成分对大气消光系数分布、激光的发散角和接收视场角以及接收孔径的依赖关系,后两个因子表征多次散射成分对散射相函数的依赖关系.这个参数化多次散射雷达方程在241个数值试验中得以检验,这些试验包含很宽的大气条件和雷达几何参数,包括14个大气散射相函数,均匀和不均匀的大气消光系数分布,0.5至1之间变化的一次散射反照率,地基和空间站激光雷达两种情形.数值试验表明,在小于4的光学厚度内参数化的解和Monte-Carlo解之间的标准偏差小于27％,而本模式的计算时间比Monte-Carlo方法偏小4个数量级左右.本模式不仅适合于研究多次散射对激光回波信号和激光大气遥感的效应,而且对于考虑多次散射的激光大气探测而言,是一个合适的应用模式.     

相对湿度对气溶胶辐射特性和辐射强迫的影响

采用已有的气溶胶折射指数等资料 ,计算了在不同的相对湿度条件下硫酸盐气溶胶的辐射特性。结合两种不同化学输送模式 (CTM )的模拟结果及LASGGOALS/AGCM模式 ,模拟估算了考虑相对湿度影响后全球硫酸盐气溶胶的辐射强迫。结果表明 :(1)随着相对湿度的增加 ,硫酸盐气溶胶的质量消光效率因子在短波波段有所减小 ,单次散射反照率仅在长波波段有所增加 ,不对称因子在整个波段均有所增加 ;(2 )用两个CTM资料模拟辐射强迫的结果相差较大 ,其全球平均辐射强迫分别为 - 0 .2 6 8和 - 0 .816W/m2 ;(3)在考虑相对湿度的影响后 ,硫酸盐气溶胶辐射强迫的分布类型与相应干粒子的强迫分布类型基本相同 ,但全球平均的强迫值减少了 6 %左右。     

基于SCIATRAN模型的二氧化氮DOAS 反演敏感性试验

气溶胶和地表反照率是影响星载SCIAMACHY仪器观测数据定量遥感NO2大气柱总量的2个主要因子.文中利用高光谱分辨率大气辐射传输模型SCIATRAN,在考虑分子吸收和气溶胶多次散射影响基础上,精确模拟了气溶胶、地表反照率和NO2气体浓度变化对差分处理前后卫星反射光谱的影响,并定义影响因子f,对3个模拟参数进行综合评价.结果表明:(1)通过剔除卫星反射光谱中慢变光谱变化成分,DOAS方法明显降低了气溶胶和地表反照率对卫星反射光谱的影响;(2)差分处理前,3个模拟参数的影响强弱依次为地表反照率、气溶胶和NO2浓度;而差分处理后,3个模拟参数的影响强弱依次为NO2浓度、地表反照率和气溶胶.在影响趋势上,气溶胶和地表反照率很相似,均体现为宽带效应,在440-450 nm内有水汽强吸收和多次散射复杂相互作用导致的较大峰值;NO2浓度变化对差分处理前后的光谱都呈现气体吸收结构的影响特性;(3)由于吸收和散射相互作用等因素的影响,在基于卫星观测的差分光谱中仍然残留有气溶胶和地表反照率的误差,地表反照率约占18.6%,气溶胶约占6.2%.因此,当前SCIAMACHY遥感的NO2产品在中国区域浓度偏高,需要对气溶胶和地表反照率进行二次精细化的订正.     

多层模式中臭氧加热率的计算及其对大气温度场的影响

本文介绍一个简单、经济的适用于各种多层大气环流模式中计算臭氧加热率的参数化方案,利用这一方案,可根据臭氧总量气候观测值及其垂直分布资料计算臭氧加热率,也可以在模式中加入臭氧方程,用预报的臭氧含量计算臭氧加热率.用此方案对单站气候资料试算,结果指出,随着高度的增加,臭氧吸收太阳辐射对大气太阳加热率的贡献逐渐接近、达到并在平流层50hPa附近明显超过其它物质如水汽的贡献.此方案用于九层大气环流模式时,对其辐射加热率的计算有较理想的改进,并使模拟的大气温度垂直分布更符合观测事实.     

利用多角度POLDER偏振资料实现陆地上空大气气溶胶光学厚度和地表反照率的同时反演 I. 理论与模拟

陆地上空标量辐射对地表反射率和大气气溶胶散射都具有很强的敏感性,而偏振反射只对大气气溶胶敏感,对地表不敏感。根据这个原理并结合POLDER(POLarization and Directionality of Earth Reflectance)资料的特点,作者提出综合利用标量辐射和偏振反射信息来实现陆地上空大气气溶胶和地表反照率的同时反演。首先,利用多角度偏振辐射观测提取大气气溶胶光学参数,再利用标量辐射测量对偏振反演结果作进一步筛选和订正,同时获得地表反射率。数值模拟试验结果证明,仅利用偏振信息只能获取大气气溶胶信息,而且其结果误差较大,特别是对于散射作用较强的短波长通道如670 nm误差更大,但经过标量辐射订正后的结果得到明显改善,气溶胶光学厚度和地表反射率与真实值之间相关系数都达到0.99以上。为提高查找表的计算效率,提出并建立了反演方案所需要的半参数化数值表,利用内插方法寻求气溶胶光学厚度和地表反射率的数值解的反演方法。