京津冀地区气溶胶时空分布及与城市化关系的研究

利用AERONET（AErosol RObotic NETwork）数据对2008~2012年Terra MODIS（MOderate-resolutionImaging Spectroradiometer）C006 3 km卫星遥感气溶胶产品在京津冀地区的适用性进行了验证,分析京津冀地区3km分辨率气溶胶光学厚度（AOD）的时空分布和变化特征。利用DMSP（Defense Meteorological Satellite System）/OLS（Operational Linescan System）夜间灯光数据作为城市化评价手段,对京津冀地区城市化与AOD时空分布之间的关系进行了研究。结果表明:（1）MODIS 3 km气溶胶产品遥感反演数据和同期AERONET监测数据在研究区具有很好的一致性,相关系数达0.91,满足期望要求;（2）时间上,2008~2012年研究区年平均AOD值在0.361~0.453之间变化,年际间变化浮动大,总体呈下降趋势;AOD春季呈明显下降趋势,夏季总体呈微弱上升趋势,秋季和冬季呈明显上升趋势;（3）空间上,2008~2012年北京、天津和河北中南部的AOD值较高,河北北边AOD值较低;四季AOD空间分布呈现较强烈季节变化,夏季最高,冬季最低;（4）夜间灯光数据和AOD时空分布不仅在空间分布上呈现较好的一致性,且2008~2012年二者的地理权重回归（GWR）模型拟合度R2达0.8左右。研究区内AOD与夜间灯光数据二者相关性显著,城市化发展水平和人类活动对气溶胶的分布有着明显的影响。     

基于多源卫星资料的中国地区云宏微观特征研究

利用2007—2016年国际卫星云气候计划（International Satellite Cloud Climatology Project,ISCCP）、云和地球辐射能量系统（Clouds and the Earth''s Radiant Energy System,CERES）和中分辨率成像光谱仪（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS）卫星反演云产品,对比分析了不同数据反演的中国地区云系结构的宏微观特征,并采用复合评价指标定量评估了不同数据之间时间和空间上的一致性。结果表明：三套卫星数据都能较好地反演出中国地区总云量呈南高北低、东高西低、夏高冬低的分布特征,但通过比较时间技巧（Temporal Skill,S_T）及空间技巧（Spatial Skill,S_S）复合评价指标及其各项分量发现,与MODIS相比,CERES与ISCCP数据反演的总云量时间序列演变特征明显更为一致,且其评分均有南方优于北方,夏季优于冬季的特征;进一步分析不同高度云量的S_T评分发现,CERES和ISCCP两套数据在南方地区的总云量差异主要来自于低云量的绝对偏差,而北方地区的偏差则同时存在于低云和中云;对比分析MODIS和CERES反演的云滴有效半径发现,高云对应的冰相云一致性较高,而中低云相对应的液相云的偏差则有夏季高于冬季的规律。针对夏季液相和冰相云滴粒径及概率密度分析则表明,相比CERES数据,MODIS对夏季液水和冰水粒子的有效半径在不同地区均有不同程度的高估,液（冰）水谱宽则更宽（窄）。     

天空辐射计观测2006年春季北京地区气溶胶光学特性的研究

利用2006年3～5月天空辐射计观测数据反演得到北京地区春季大气气溶胶光学性质参数,包括大气气溶胶光学厚度(0.5μm)、Angstrm指数、单次散射反射比和粒子谱分布特征。结果表明:北京地区春季气溶胶平均光学厚度0.67,Angstrm指数0.54,单次散射比0.88,粒子吸收性质较弱,粒子谱呈双峰形,以粗粒子为主,粗、细模态粒子粒径分别集中在0.17μm和7.7μm左右。相比2004年此次观测期间气溶胶粒径较大,粒子体积浓度较高,散射作用在其消光特性中的比重略有下降。光学厚度日变化呈单峰型,日间单次散射比随时间逐渐递减,Angstrm指数在上午递减趋势明显,午后变得稳定。对同时观测的天空辐射计与CE-318不同波长光学厚度结果进行比较,结果显示两者得到的光学厚度相关性很好,各波长小时平均结果的相对误差小于7%。     

北京地区PM10浓度空间分布特征的综合变分分析

利用2003年10月北京地区PM₁₀浓度流动观测资料和同期MODIS AOD(Aerosol Optical Depth)高分辨率遥感资料，采用卫星遥感地面观测变分订正处理方法，综合分析了北京地区PM₁₀浓度的空间分布特征以及机动车排放的影响效应。动态观测试验结果表明:北京城区大部分为轻污染区, 北京近郊区PM₁₀浓度高值区沿环路呈环状分布，其中北京西南部、南部和东北部污染较严重，北京城郊街区PM₁₀的空间分布受机动车排放的影响较大。MODIS卫星遥感资料分析表明:北京城区及近郊区AOD值较远郊区高得多，AOD空间分布场中存在虚假高值区，AOD非均匀分布特征不明显。采取点面结合综合观测研究思路，运用卫星遥感地面观测综合变分分析方法，可以取得客观订正的显著效果。经地面实测PM₁₀浓度变分订正后的AOD变分场可以较高分辨率信息描述北京地区AOD的非均匀分布特征，弥补地面PM₁₀浓度观测的缺陷。     

华南区域季节性降水的差异分析

运用EOF方法研究华南区域降水时空分布特征,结果表明：（1）华南地区各季节降水在年际和年代际的时间变化上有区域一致性,但有季节性差异,其中春季和秋季在20世纪80年代后降水明显减少,旱年增多;而夏季90年代后降水明显增加,涝年增多;冬季变化则不明显。（2）华南地区各季节降水在空间分布上也有差异,其中春季降水呈现东多西少的分布特征,大值中心位于广西东北部、广东中部及西南沿海。夏季和秋季降水相似,呈南多北少的分布特征,大值中心位于广西沿海和广东西南沿海。冬季降水呈东北多西南少的分布特征,大值中心位于粤北。     

近年来华东地区大气气溶胶的时空特征

利用2000年2月—2008年12月的AERONET（AErosol RObotic NETwork）地基观测数据对MODIS/TERRA Collection 005气溶胶光学厚度（aerosol optical thickness;AOT）在华东区域的适用性进行了验证,并利用验证后的MODIS气溶胶产品对华东区域气溶胶光学厚度和尺度分布特征进行了分析。结果表明,（1）通过验证比较,MODIS的AOT在华东区域与AERONET站陆基观测到的AOT具有非常好的一致性,满足美国NASA的设计要求。（2）华东区域的气溶胶光学厚度存在明显的时空分布特征。时间上,在春季和夏季达到最大,而在秋季和冬季最小,表现出明显的季节变化规律。空间上,气溶胶光学厚度受地形影响明显。其高值区主要分布在平原地区,而低值区主要在海拔较高的山区。（3）该区域的气溶胶尺度分布也存在显著的变化特征。在冬、春由于沙尘输送的影响,整个华东区域气溶胶粒子的尺度都比较大,主要以自然生成的沙尘粒子为主。而在夏、秋季由于夏季风和降水的影响,气溶胶粒子的尺度都比较小,以工业排放的人为气溶胶粒子为主。     

中国西南地区气溶胶光学厚度的时空特征

采用MODIS卫星遥感产品研究西南地区气溶胶季节变化,并对成都和香格里拉两站2008年的太阳光度计观测资料进行分析。结果表明西南地区气溶胶光学厚度(AOD Aerosol Optical Depth)全年呈西低东高的地理分布特征,但东西部季节变化特征不同:西南地区东部AOD有春季最大,秋冬次之,夏季最小的演变特征,并且在四川盆地,黔、渝、湘交界和广西中部有三个明显的AOD高值区。西南地区西部AOD有春季最大,夏秋次之,冬季最小的演变特征,无明显高值区。太阳光度计资料分析表明,成都地区AOD日变化呈准双峰型,香格里拉AOD日变化呈上升趋势。     

基于地面观测与GEWEX-SRB卫星反演新疆维吾尔自治区地面太阳辐射研究

利用世界气候研究计划/全球能量与水循环试验(National Aeronautics and Space Administration/World Climate Research Program,NASA/WCRP)发布的长期地表辐射收支(Global Energy and Water Exchanges-Surface Radiation Budget,GEWEX-SRB)数据产品和中国气象局资料室的地面辐射数据产品,分别获得1984—2007年新疆维吾尔自治区地表全天空向下太阳短波辐射辐照度和地表全天空向下日总辐射曝辐量,对比分析两种数据从而确定卫星数据的精度;在此基础上,进一步分析新疆维吾尔自治区地面太阳辐射的时空分布特征。结果表明:基于GEWEX-SRB卫星观测资料反演的新疆维吾尔自治区太阳辐射明显比地面观测太阳辐射偏高约10%—30%,但两种数据反映的新疆维吾尔自治区太阳辐射的时空分布特征一致。在空间分布上,新疆维吾尔自治区太阳辐射呈明显的经向和纬向分布即太阳辐射由西北向东南方向逐渐递减;在时间分布上,太阳辐射从夏季、春季、秋季至冬季依次减小,从春季到冬季太阳辐射逐步由经向分布向纬向分布转变,夏季太阳辐射变化幅度最大,春季太阳辐射多年变化倾斜率增加最多,冬季太阳辐射多年变化倾斜率增加最少;太阳辐射月变化呈正态分布。     

青藏高原大气甲烷浓度时空分布变化特征

利用瓦里关大气本底站甲烷观测数据对美国Aqua卫星的AIRS观测结果进行对比分析,并分析研究了2003~2012年青藏高原对流层大气甲烷的时空分布特征,结果表明:1)AIRS观测结果与近地面观测资料变化趋势一致,存在显著的正相关关系,突变时间比较一致,可以用于青藏高原区域的甲烷浓度特征分析。2)青藏高原对流层甲烷浓度在空间分布上存在显著的西北—东南走向的低值带及其南北侧存在4个固定的高值中心,分别位于阿里、那曲、山南和玉树。3)青藏高原甲烷浓度呈现显著随高度而降低的趋势,年平均甲烷浓度分别为1.810ppm(1 ppm=10-6)、1.797 ppm和1.781 ppm。在对流层中层和中上层,甲烷浓度基本呈现低值带最低、南北侧均高的山谷型分布特征。在对流层层顶,以低值带为分界线,呈现明显的南高北低特征。4)青藏高原甲烷浓度随时间呈缓慢上升趋势,平均速度为0.0018 ppm/a,夏季上升最快,秋季上升最慢。5)青藏高原甲烷存在明显的单峰型季节变化特征,夏秋季高,冬春季低,与东部地区冬、夏双峰型特征不同,随着高度上升季节变化更为明显。     

GLASS、 MODIS和GlobAlbedo反照率产品在青藏高原典型高寒草地的适用性评估

地表反照率是表征陆面过程地表能量收支的关键物理参数,对于准确以及定量化地理解高原上的能量和水分循环过程有着至关重要的作用。利用黄河源区玛曲和玛多两个高寒草地站点长达8年的地表反照率观测数据,对GLASS (Global Land Surface Satellite)、MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)和GlobAlbedo地表反照率产品进行了评估与分析。结果显示,玛曲地表反照率的年际变化较小,集中在0. 16～0. 28。各遥感产品在玛曲地区精度各有不同:GlobAlbedo反照率平均比地面观测偏高0. 048;而GLASS和MODIS反照率分别偏低0. 074和0. 063。统计值表明,MODIS产品精度相对最高,其中RMSE=0. 069,R=0. 710。受积雪影响,玛多地区地表反照率年际变化较大。遥感产品中,GLASS产品精度相对较高,其中RMSE=0. 104,R=0. 598。玛曲站地表反照率值为:冬季春季秋季夏季,平均值依次为0. 25,0. 22,0. 19和0. 18。玛曲站年平均地表反照率为0. 21;玛多站为0. 25,而且季节变化较玛曲站更显著,呈现近似"U"形分布。夏季反照率最小,平均值为0. 18,秋季为0. 22,与春季较为接近,冬季平均值最大为0. 33。基于两个观测站点的对比表明,三种遥感地表反照率产品春夏季与地面观测一致性较好,秋季反照率开始增大的时间比观测早,冬季后期反照率的值明显小于地面观测。另外,GLASS和MODIS产品的差异也在秋冬季达到最大。MODIS分离雪和云的能力使其在秋冬季的表现更好。     

广西区域性冰雹天气的云图特征分型研究

基于2007-2017年风云系列卫星云图资料,结合高空、地面常规观测资料,针对广西23次区域性冰雹天气过程,从主要影响系统及卫星云图云型特征方面建立3种区域性冰雹卫星云图概念模型,即华北低槽型、高原东部低槽型以及南支槽东移型。结果表明：高空槽云系的位置和所属模型类型较为关键,冰雹云团多起源于高空槽前底部;华南沿海的副热带急流云系对冰雹云团的发生发展起到重要作用,冰雹云团通常发生在副热带急流云系的北侧晴空区中;广西区域性典型冰雹云团表现为长椭圆形,上风方向边界光滑呈"V"型并沿下风方向伸出很长的卷云砧。     

中国东部大陆和邻近海域暖云特性时空分布及其与气象条件的关系

基于2003~2016年MODIS/Aqua（MODerate resolution Imaging Spectroradiometer）云产品资料（MYD08_D3）,分析了中国东部大陆及其邻近海域云量（CF）、云滴有效半径（CER）、和液水路径（LWP）的空间分布以及季节变化,并结合同期ERA-Interim再分析资料的850 hPa垂直速度（ω_850hPa）、低对流层稳定度（LTS）、以及MODIS/Aqua水汽产品中的大气可降水量（PWV）资料,分析了云宏微观物理量与动力、热力及水汽条件之间的关系。从空间分布来看,夏季由日本海至中南半岛存在一个东北西南走向的云量高值区,覆盖我国东部地区,冬季云量高值区位于我国南方地区和东部海域上空;云滴有效半径冬、夏分布类似,均为由东南洋面至西北内陆递减;夏季液水路径分布较为均一,冬季空间差异很大,30°N是明显的高低值分界线,这与冬季水汽的分布密切相关。陆地和海洋上云量均呈冬高夏低的变化趋势,陆地大于海洋,而云滴有效半径和液水路径则为夏高冬低,海洋大于陆地。总体来说,云量与PWV和LTS均表现为正相关、与ω_850hPa呈负相关,表明低层的上升运动有利于水汽向上输送、凝结形成云,但稳定的大气层结又会阻碍云进一步向上发展,使其被限制在底层空间,由于本文的研究对象为暖云,多为中低云,因而云量较高;云滴有效半径和液水路径均与LTS、ω_850hPa表现为负相关,但是对PWV的变化不是很敏感,表明水汽并不是影响云滴尺度和液水路径的主导因素,其主要受动力、热力抬升作用的影响;以上关系在不同区域、不同季节的表现存在一定差异。     

夏季白天中国中东部不同类型云分布特征及其对近地表气温的影响

本文利用2001～2017年ERA5再分析资料以及CERES卫星资料,探究夏季白天中国中东部不同类型云的云量及其光学厚度的时空变化特征,并利用一维辐射对流模式定量分析不同类型云对近地表气温的影响。观测结果表明:夏季白天中国中东部总云量及其光学厚度整体呈由南向北逐渐减小的分布特征,且中高云量占主导地位。总云量整体呈?0.3% a?1显著减少趋势,其中低云的贡献（?0.27% a?1）最大;总云光学厚度为0～0.1 a?1增加趋势,其中低云光学厚度（0.06 a?1）和中低云光学厚度（0.03 a?1）呈增加趋势,而中高云光学厚度（?0.08 a?1）和高云光学厚度（?0.03 a?1）呈减少趋势。模式结果表明:四种不同类型云的温度效应（Cloud Effect Temperature, CET）均为负值,表现为降温效应。低云、中低云、中高云和高云的年均CET值分别为?2.9°C、?2.7°C、?2.2°C和?1.7°C。其中,低云在华北平原降温可达?5°C;中低云和中高云在四川盆地和云贵高原降温可达?7.8°C。不同类型云温度效应与近地表气温的年际变化具有较好的一致性,具体表现为:2004年前（后）近地表气温呈现下降（上升）趋势,不同类型云的CET在此期间呈下降（上升）趋势,表现为云的降温效应增强（减弱）与近地表气温下降（上升）相对应,体现了夏季白天中国中东部4种不同类型云温度效应与近地表气温都呈正相关关系。特别地,夏季白天中国中东部中高云量占主导地位,其CET与近地表气温的相关系数高达0.63。综上,夏季白天中国中东部不同类型云温度效应对近地表气温的影响不同,但均呈正相关关系。定量分析不同类型云对近地表气温的影响可以为定量研究云反馈对区域增暖的作用以及合理预估未来区域增暖情景提供必要的科学参考。     

北京冬夏降水系统中的云水量及其统计特征分析

根据地基双通道微波辐射计观测的降水天气下大气水汽、液水含量的变化，分析了北京1989年夏季1次降水过程和1990年冬季5次降雪过程的云水量资料，讨论了降水过程中汽态水和液态水含量的一些统计特征及其随时间的变化，并估算了夏季降水中凝结水向降水的转化率。结合极轨气象卫星的遥感云顶温度资料，以及冬季地面降雪强度的观测，对北京冬季降水系统中的液水含量与降水的相关进行了分析，探讨了北京地区降雪的潜力。     

基于CloudSat卫星资料分析青藏高原东部夏季云的垂直结构

本文利用CloudSat卫星资料,对青藏高原东部2006~2010年6~8月云垂直结构的空间分布进行分析,结果表明:(1)夏季青藏高原东部云发展可达到平流层,且高原东部云在5km以下以水云存在,5~10km以液相和固相共存的混态存在,在垂直高度10km以上以冰云存在。由于CloudSat卫星资料云相的反演问题,可能会造成水云和混态云的发展上限偏低,冰云的发展下限抬升。(2)研究区整层水汽输送和云水平均路径空间分布存在一定的差异性,云水含量纬向分布表现为在26.5°~30.5°N附近存在一个明显的峰值区,经向分布表现为95°E以西云水含量低于以东。(3)研究区以单云层为主,尤其在青藏高原主体。单云层平均云层厚度4182 m,云顶高度、云厚限于水汽的输送,表现为由南向北波动下降。多层云发生频率在27°N以北明显减少,说明强烈的对流运动更容易激发多层云的产生。     

高原地区基于微波辐射计反演大气廓线的神经网络算法研究

以2007~2018年西宁二十里铺气象站探空资料为模拟样本,利用MonoRTM模式模拟中心频率21.985~58.759GHz的35通道亮温,应用BP神经网络对模拟数据进行反复训练,构建最优反演模型,并以2019年探空资料为测试样本,对比分析了不同季节和不同天气条件下BP神经网络与微波辐射计的反演效果。结果表明:晴空条件下,BP神经网络与微波辐射计在温度反演上效果最佳,水汽密度次之,相对湿度最差,其中冬春季BP神经网络反演效果优于微波辐射计,夏秋季反之;有云条件下,BP神经网络温度反演效果在冬、春和夏季均优于微波辐射计,其水汽密度反演效果在四季均较微波辐射计有明显提升,其相对湿度反演效果在冬、春和夏季均较微波辐射计更佳。晴空和有云条件下,BP神经网络在不同季节反演温度、水汽密度和相对湿度的平均绝对误差和标准偏差均小于微波辐射计,尤其是相对湿度的反演精度提升最为明显。晴空条件下,BP神经网络反演温度廓线在春、夏和秋季效果最佳,反演水汽密度廓线在中低层精度较高,反演相对湿度廓线的精度较差,但基本和探空资料趋势一致;有云条件下,BP神经网络反演温度廓线与晴空时基本一致,较微波辐射计精度更高,反演水汽密度和相对湿度廓线在8km以上效果较好。      

东亚中纬度夏季陆面增暖与土壤湿度异常的联系

利用1979—2015年ERA-Interim再分析土壤湿度、云量资料,NCEP/NCAR再分析环流资料和CPC土壤湿度资料,分析了东亚中纬度夏季陆面热力异常的时空分布特征及其与前期春季土壤湿度异常的联系,探讨了前期春季土壤湿度影响东亚中纬度夏季陆面增暖的可能途径。结果表明,东亚中纬度夏季土壤表层温度呈全区一致增暖趋势,其中贝加尔湖及以南地区温度变化最剧烈、增暖最迅速,且1990年代中期前后存在一个明显由冷向暖的年代际转变。进一步分析发现,春、夏季西西伯利亚到贝加尔湖北部地区的土壤湿度与夏季贝加尔湖及以南地区的土壤表层温度在年代际和年际尺度上均存在紧密联系:西西伯利亚到贝加尔湖北部地区土壤湿度异常偏高,通常对应贝加尔湖及南部地区夏季土壤表层温度偏高。西西伯利亚到贝加尔湖北部地区春、夏土壤湿度异常可以引起夏季大气环流异常,从而对东亚夏季中纬度陆面热力异常产生影响:春、夏土壤湿度偏高时,贝加尔湖及其南部地区上空位势高度为正异常,对应为反气旋性异常环流,云量减少,有利于东亚中纬度陆面增暖;反之,则对应为气旋性异常环流,不利于陆面增暖。     

First Surface-based Estimation of the Aerosol Indirect Effect over a Site in Southeastern China

The deployment of the U.S. Atmospheric Radiation Measurement mobile facility in Shouxian from May to December2008 amassed the most comprehensive set of measurements of atmospheric, surface, aerosol, and cloud variables in China.This deployment provided a unique opportunity to investigate the aerosol–cloud interactions, which are most challenging and, to date, have not been examined to any great degree in China. The relationship between cloud droplet effective radius(CER) and aerosol index(AI) is very weak in summer because the cloud droplet growth is least affected by the competition for water vapor. Mean cloud liquid water path(LWP) and cloud optical depth(COD) significantly increase with increasing AI in fall. The sensitivities of CER and LWP to aerosol loading increases are not significantly different under different air mass conditions. There is a significant correlation between the changes in hourly mean AI and the changes in hourly mean CER,LWP, and COD. The aerosol first indirect effect(FIE) is estimated in terms of relative changes in both CER(FIECER) and COD(FIECOD) with changes in AI for different seasons and air masses. FIECODand FIECERare similar in magnitude and close to the typical FIE value of ~ 0.23, and do not change much between summer and fall or between the two different air mass conditions. Similar analyses were done using spaceborne Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer data. The satellite-derived FIE is contrary to the FIE estimated from surface retrievals and may have large uncertainties due to some inherent limitations.     

大气污染对中国重点城市地面总辐射影响的时空特征

利用2000年6月\_2003年12月全国33个重点城市的PM10日监测数据与地面总辐射日观测数据, 结合总云量、 降水量等气象观测数据, 定量分析了人类活动排放的污染物质与地面总辐射的关系, 并分析了人类活动影响下的地面总辐射减少的时空分布特征。结果表明： 各观测站点的总辐射随着PM10浓度的增大而减小; 其空间特征表现为西北、 华北和华中地区的重点城市所受的影响较大, 而华南、 西南地区的重点城市所受影响较小; 其时间特征表现为春、 秋季影响较大, 而夏、 冬季影响相对较小\.总的来说, 在2001\_2003年人类活动产生的气溶胶使我国晴天地面总辐射减少20.1±1.9 W·m-2。