一种快速高效的逐线积分大气吸收计算方法

本文发展了一种新的计算大气气体吸收系数以及冷却率的快速数值方法, 并对影响逐线 积分精度和计算时间的各种因子进行了详细研究。以大气主要吸收气体CO-215 μm带的 500～800 cm-1波段为例,将新方法计算的吸收系数、大气透过率和冷却率结果与经 典的逐线积分方法进行了比较。对从地面到100 km范围的整层大气,大气透过率的 误差不超过0.0004;对70 km以下的大气,大气冷却率的误差不超过0.004 K/d,而计算时 间却节省1～2个数量级左右。     

计算HIRS/2通道透过率的指数和模式

气象卫星HIRS/2各通道的吸收系数，透过率及权重函数与温度廓线一样随地点与时间而变化。把石广玉提出的指数和模式加上各通道仪器响应函数的修正，得出适合气象卫星HIRS/2各通道不同气体吸收系数的指数和模式，可以较快地计算HIRS/2各通道不同温度廓线下的透过率与权重函数。用修正的指数和模式计算CO2一些通道的透过率，与精确的逐线积分法的计算结果相比，CO2通道绝对差值小于0.0036；水汽1364 cm-1通道绝对差值小于0.0035。     

基于梯度提升树的大气分层透过率快速计算方法

大气透过率的计算是红外辐射传输计算的核心,RTTOV（Radiative Transfer for TOVS）通过建立大气廓线中温度、水汽、臭氧和其他气体浓度等参数与卫星通道透过率的统计关系,可实现卫星通道透过率和大气顶辐射率的快速准确计算。但在一些复杂吸收波段,如水汽波段,RTTOV的计算误差较大。为提高RTTOV在水汽敏感波段的计算精度,利用机器学习中的梯度提升树（Gradient Boosting Tree,GBT）方法,选取从ECMWF（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）的IFS-137（The Integrated Forecast System,137-level-profile）廓线集中挑选的1406条廓线和由此计算的透过率真值作为样本,选取风云三号气象卫星上搭载的红外分光计（InfraRed Atmospheric Sounder,IRAS）通道12（7.33 μm）进行个例研究,分别建立陆地和海洋晴空大气等压面至大气层顶透过率的快速计算模型（GBT模型）。通过和透过率、亮温真值的比较,验证了GBT模型。比较结果显示,GBT模型预测的透过率平均绝对误差（Mean Absolute Error,MAE）为:陆地0.0012,海洋0.0009;均方对数误差（Mean Squared Logarithmic Error,MSLE）为:陆地0.0215,海洋0.0095,均小于RTTOV直接计算的透过率的误差（陆地、海洋的MAE分别比RTTOV小0.0008和0.0010,MSLE分别比RTTOV小0.0135和0.0227）;由GBT模型计算的亮温MAE分别为:陆地0.0949 K,海洋0.0634 K,均方根误差（Root Mean Square Error,RMSE）分别为:陆地0.1352 K,海洋0.0831 K,也都小于RTTOV直接模拟的晴空亮温误差（陆地、海洋的MAE分别比RTTOV小0.1685 K和0.1466 K,RMSE分别比RTTOV小0.1794 K和0.1685 K）。本研究的结果表明,在IRAS红外水汽波段,GBT预测的透过率和亮温误差比RTTOV小。机器学习有提高水汽波段正演精度的潜力,或可为辐射传输的快速计算提供可行的替代方法。      

线翼截断方式对大气辐射计算的影响

在大气辐射传输计算方法中,有3种基本方法,即,逐线积分方法,k-分布方法和带模式方法。其中,逐线积分方法是最精确的计算大气透过率的方法,本文根据透过率计算方式的不同,将逐线积分方法分为追线积分法和追点积分法。由于逐线积分计算需要耗费大量的计算时间,在大气遥感和大气探测业务中使用时,必须减少计算成本,提高计算速度。本文在追线积分法的基础上,给出了简化的逐线积分的基本方法,在保证同样计算精度的同时,大大提高了计算速度。对在精确的和简化的逐线积分下,不同线翼截断方式(CUTOFF)对吸收系数、大气透过率和冷却率的影响进行了更详细的探讨。通过数值试验发现,对谱线线翼的截断方式是影响辐射计算精度和计算速度的重要因子。在不同压力下,用CUTOFF=2计算的吸收系数误差最大;对CUTOFF=1,在大多数取样点上误差都小于2%;对CUTOFF=3或4,对绝大多数取样点上计算的吸收系数误差都在5%以内,但所用的计算时间却明显减少。大气低层的透过率对不同的计算方法和不同的线翼截断方式不敏感;对大气高层,无论是对精确的还是简化的逐线积分方法,当CUTOFF=2时的透过率结果与其他线翼截断方式的结果差别较大。通过比较,本文给出线翼截断的优选方案。     

红外窗区大气透过率的测量

文章主要介绍了红外窗区太阳光谱测量的实验装置，观测方法和数据处理方法。处理了2390—3470 cm-1和750—1300 cm-1区域内的太阳光谱资料，得到了它们的大气透过率数据，并对处理结果进行了初步分析。我们认为这些大气透过率对气象卫星遥感仪器红外窗区通道选择和卫星气象资料反演等都是有用的。     

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。     

利用太阳辐射计940nm通道反演大气柱水汽总量

利用太阳辐射计CE318近红外940nm水汽吸收通道和临近窗区道反演大气柱水汽总量，由于大气在940nm附近有水汽吸收。该通道不能采用通常Langley法处理，而采用改进的Langley法。利用MODTRAN3．7模式模拟出太阳辐射940nm通道透过率与水汽量关系常数，考虑了通道的光谱响应函数和不同大气模式的影响，模拟结果表明穿通道（小于10nm)上述关系常数受大气模式影响不大。总消光剔除气溶胶和分子散射，就得出水汽的透过率，从透过率反演水汽量。处理了敦煌和青海湖辐射校正场1999年7月场大气特征测量兼FY－1C辐射定标期间的数据，反演的平均水汽量与探空水汽积分比较，差异在12％以内。还计算出一天中不同时刻的水汽量，给出了同步观测6天卫星过顶前后15min平均水汽量，该水汽量用于FY－1C卫星遥感器辐射定标时辐射传输模式输入参数。结果表明太阳辐射计是一种便携有效测量水汽量仪器。     

用离散坐标法检验LOWTRAN的辐射传输计算

本文对比了用辐射传输程序DISORT和LOWTRAN计算的3—5 μm波段中2000—2020 cm-1，2300—2320 cm-1及0.55 μm区的18180—18200 cm-1段的地面向下及大气顶部向上漫射通量和光强，从而对LOWTRAN和DISORT两个计算程序的精度进行了分析和考察。     

北太平洋洋面太阳辐射收支的计算

本文用参数化方法计算了北太平洋地面泣面的太阳辐射收支各分量。在计算方案中考虑了大气水汽、二氧化碳气体、臭氧和尘埃等的吸收作用，同时计算了北太平洋上空整层大气的大阳辐射增温率，给出了上述各结果的分布特征图，描述了北太平洋地区洋面太阳辐射收支的基本特征及其主要影响因子。     

二氧化碳红外吸收带透过率的计算

本文较简单而系统地说明了大气中CO_2及类似于CO_2的线形分子的红外吸收带透过率公式及计算方法。在不伤害物理本质的前提下采用分子光谱模型处理。在计算P、R两支谱线的吸收时,采用艾尔萨斯模型并加上弱谱线吸收订正。当有Q支谱线时则在靠近Q支吸收有影响的波段计及Q支谱线的吸收,对它也采用相应的模型处理。     

青藏高原大气热源及其估算的不确定性因素

基于1980—2016年的4套再分析资料(NCEP/DOE资料、MERRA2资料、ERA-Interim资料和JRA-55资料),采用计算大气热源的正算法和倒算法,研究青藏高原大气热源及其计算的不确定性因素,得到以下结论：(1)计算方法和资料均会导致结果的不确定性,正算法只能得到整层热源,而倒算法可得到热源垂直结构,但其结果准确性依赖于再分析资料精度;(2)对比4套再分析资料计算结果发现,正算法结果较倒算法结果普遍偏高,采用ERA-Interim资料,基于两种方法计算的大气热源年代际变化趋势一致。基于4套资料,采用倒算法计算的热源在1980—2016年呈现明显的年代际变化特征;(3)夏半年(3—8月)强热源区主要分布在青藏高原中东部,热源自下而上呈源-汇-源分布;(4)基于正算法和ERA-Interim资料估算的夏半年的降水潜热在喜马拉雅山南坡显著偏小,高原西部地区和南部冈底斯山一带则明显偏大。     

The Effects of Line-Wing Cutoff in LBL Integration on Radiation Calculations

There are three basic methods in radiative transfer calculations, i.e., line-by-line (LBL) integration, correlated k-distribution method, and band model. The LBL integration is the most accurate of all, in which, there are two quadrature algorithms named in this paper as integration by lines and by sampling "points when calculating atmospheric transmittance in the considered wavenumber region. Because the LBL integration is the most expensive of all, it is necessary and important to save calculation time but increase calculation speed when it is put into use in the daily operation in atmospheric remote sensing and atmospheric sounding. A simplified LBL method is given in this paper on the basis of integration by lines, which increases computational speed greatly with keeping the same accuracy. Then, we discuss the effects of different cutoff schemes on atmospheric absorption coefficient, transmittance, and cooling rate under both of accurate and simplified LBL methods in detail. There are four cutoff schemes described in this paper, i.e., CUTOFFs 1, 2, 3, and 4. It is shown by this numerical study that the way to cut off spectral line-wing has a great effect on the accuracy and speed of radiative calculations. The relative errors of the calculated absorption coefficients for CUTOFF 2 are the largest under different pressures, while for CUTOFF 1, they are less than 2% at most of sampling points and for CUTOFFs 3 or 4, they are ahnost less than 5% in the calculated spectral region, however, the calculation time is reduced greatly. We find in this study that the transmittance in the lower atmosphere is not sensitive to different LBL methods and different cutoff schemes. Whereas for the higher atmosphere, the differences of transmittance results between CUTOFF 2 and each of other three cutoff schemes are the biggest of all no matter for the accurate LBL or for the simplified LBL integrations. By comparison, the best and optimized cutoff scheme is given in this paper finally.     

Observed and projected climate change in the European region during the twentieth and twenty-first centuries according to Feddema

Climate change in the European region during the twentieth and twenty-first centuries is analyzed according to Feddema’s method. Precipitation and air temperature data from the twentieth century are taken from the Climatic Research Unit, while data for the twenty-first century are taken from the ENSEMBLES climate change project. The latter were bias-corrected to ensure homogeneity across the twentieth and twenty-first centuries. Climate classes based on monthly and annual values of potential evapotranspiration, precipitation and their ratio, are defined for 30-year averages, from which trend and spatial agreement analysis are calculated. There are separate classes for annual values and for intra-annual variation. The results indicate that the change of annual climate characteristics will be much more intense in the twenty-first than it was in the twentieth century. The dominant process in the projections is warming, mostly via cold to cool (about 45% of grid points) in north Europe and cool to warm (about 8% of grid points) transformations. The second most important process is the drying of moderately moist classes affecting about 10% of the grid points in south Europe. Changes in intra-annual variability classes are more common than changes in the annual ones during the twentieth century. The chance of increase in intra-annual temperature variation from high to extreme is about 5% during the course of the twentieth century, and about 10% in the following century.     

SF6气体的辐射强迫和全球增温潜能的研究

IPCC(2007)指出, 六氟化硫(SF6) 作为臭氧消耗物质 (ODSs) 的部分替代物质, 近年来排放量大大增加。它作为控制排放的人造长寿命温室气体之一已经被列入《京都议定书》。但是, 目前在臭氧消耗物质替代品中, 对SF6的辐射强迫和全球增温潜能的研究较少, 而且所用的谱吸收资料陈旧。本文采用最新的分子吸收数据库HITRAN2004中的SF6的吸收截面数据, 利用Shi(1981) 的吸收系数重排法, 建立了SF6的相关k分布的辐射计算方案, 在此基础上研究了SF6在晴空大气下的辐射效率和全球增温潜能, 并首次计算了SF6的全球温变潜能, 与其全球增温潜能进行了比较。本文的研究表明: SF6的辐射效率为0.512 W/m2, 经过大气寿命调整之后的辐射效率为0.506 W/m2, 二者差别不大; 根据IPCC (2007) 给出的排放情景, 到2100年, SF6在大气中的体积分数将达到35×10-12～70×10-12, 引起的相应辐射强迫将在0.004～0.028 W/m2之间变化; 相对于二氧化碳的100年全球增温潜能为2.33×104, 比IPCC(2007)的结果大2.2%; 100年的持续排放的全球增温潜能为2.26×104, 与其他长寿命人造温室气体一道, 其对全球变暖的长期影响不容忽视。     

1951—2009年天津市主要极端气候指数变化趋势

利用1951—2009年天津市逐日气温和降水量资料,计算了极端气候指数,并研讨了其中11个主要指数的变化特征。结果表明：天津市暖日、冷夜具有基本相反的变化趋势,暖日显著增加,冷夜显著减少,且冷夜的变化幅度远大于暖日。持续暖期、霜日呈显著增加趋势,持续冷期呈显著减少趋势。降水指数中连续干日呈增加趋势,最大连续5 d降水量、日降水强度、强降水率和极强降水率及连续湿日均呈减少趋势,表明天津市干旱化倾向明显。与气温有关的极端指数大多在1993年前后出现突变,周期特征不明显。与降水有关的极端指数未现突变,但周期特征明显,大多出现10 a和4 a的周期。     

垂直指向测雨雷达的误差模拟及相互校准

基于马歇尔—帕米尔(M-P)分布的雨滴谱和下落末速—降雨算法, 模拟了垂直气流和雷达垂直倾角对垂直指向测雨雷达雨强测量的影响。同时在外场, 与雨量计观测相结合, 比较了五部垂直指向测雨雷达之间的差异, 对其进行了校准。结果表明: 模拟的上升气流对雨强测量的影响大于下沉气流, 垂直气流速率越大雨强测量误差愈显著; 当雷达垂直倾角<1.5°, 或在低风速下 (水平风速<2 m/s) 且倾角<9°, 对雨强测量的影响均小于10%; 强对流性降雨过程中, 垂直气流对雨强测量的影响大于垂直倾角。另外, 通过挑选层状云降雨过程, 对比雷达与共置雨量计测量的降雨量、 对比雷达间测量的降雨量均可获取较合理的归一化斜率; 但对比雷达间测量的降雨量法更优, 利用该斜率可降低雷达间的仪器误差; 在限定雷达间反射率因子差值的条件下, 比较雷达间全部降雨过程的反射率因子也可反映仪器间的系统误差趋势。     

The Effects of Model Resolution on the Simulation of Regional Climate Extreme Events

The fifth-generation Pennsylvania State University/NCAR Mesoscale Model Version 3 (MM5V3) was used to simulate extreme heavy rainfall events over the Yangtze River Basin in June 1999. The effects of model's horizontal and vertical resolution on the extreme climate events were investigated in detail. In principle, the model was able to characterize the spatial distribution of monthly heavy precipitation. The results indicated that the increase in horizontal resolution could reduce the bias of the modeled heavy rain and reasonably simulate the change of daily precipitation during the study period. A finer vertical resolution led to obviously improve rainfall simulations with smaller biases, and hence, better resolve heavy rainfall events. The increase in both horizontal and vertical resolution could produce better predictions of heavy rainfall events. Not only the rainfall simulation altered in the cases of different horizontal and vertical grid spacing, but also other meteorological fields demonstrated diverse variations in terms of resolution change in the model. An evident improvement in the simulated sea level pressure resulted from the increase of horizontal resolution, but the simulation was insensitive to vertical grid spacing. The increase in vertical resolution could enhance the simulation of surface temperature as well as atmospheric circulation at low levels, while the simulation of circulation at middle and upper levels were found to be much less dependent on changing resolution. In addition, cumulus parameterization schemes showed high sensitivity to horizontal resolution. Different convective schemes exhibited large discrepancies in rainfall simulations with regards to changing resolution. The percentage of convective precipitation in the Grell scheme increased with increasing horizontal resolution. In contrast, the Kain-Fritsch scheme caused a reduced ratio of convective precipitation to total rainfall accumulations corresponding to increasing horizontal resolution.     

星载GPS数据及高精度轨道模型在极轨卫星轨道计算中的应用

利用GPS测量的卫星位置数据, 计算出卫星的瞬时位置和速度, 并以此为初值, 用基于数值积分的高精度轨道模型对卫星轨道进行预报。将这种方法分别用于Terra/MODIS和Aqua/MODIS的轨道计算, 并与GPS测量的卫星轨道进行比较。结果表明:由此方法计算出的卫星在某一时刻瞬时速度矢量与GPS测量的卫星速度偏差不超过±0.1 m/s; 再以此为初值计算卫星位置和速度, 与GPS测量值进行比较, 在Terra/MODIS和Aqua/MODIS一条时长约10 min的轨道数据中卫星位置偏差不超过±40 m, 速度偏差不超过±0.2 m/s。因此该方法基本适用于FY-3卫星轨道计算, 且根据数值方法计算结果的连续稳定性, 还可以用于检验GPS测量数据的可靠性。     

甘肃河东地区近30年季节极端气温指数变化与环流影响

基于1988-2017年61个气象站点逐日气温数据,分析了甘肃河东地区近30年各季节极端气温指数的时空变化特征,并分析了ENSO和AO对河东地区极端气温指数的影响。结果表明:近30年河东地区处于变暖态势中,各季节气温日较差(DTR)、暖夜日数(TN90p)、暖昼日数(TX90p)均呈增加趋势,冷夜日数(TN10p)、冷昼日数(TX10p)均呈减少趋势。甘南高原极端气温指数在各区中变化最显著,春季是各极端指数变化最显著的季节,也是河东地区DTR变化趋势不同于全国的影响因素。DTR于1992年突变后增加,平均气温于1996-1997年发生突变,其余极端气温指数于1997年突变,极端气温指数在其自身以及平均气温突变年份前后的变化反映了区域变暖的态势。El Ni?o影响河东地区冬季DTR的增加,La Ni?a影响冬季TX10p日数增加,AO正相位时河东地区夏季高温事件更易发生。