北京城市下垫面的非均匀性度量研究

城市下垫面非均匀性度量研究对于改进中尺度数值模式、提高城市气象预报准确率具有重要意义.基于分形布朗运动理论和Landsat-TM卫星遥感图像,估算了2011年北京典型下垫面类型个例和整个空间区域的分数维,由此来度量北京城市下垫面的非均匀性特征.研究结果显示:分数维能有效度量北京城市下垫面的非均匀程度,典型下垫面类型的分数维高低顺序为商业区 >大型居民区 >城市绿地 >农田>林地 >水体;北京六环内区域及郊区城镇地表非均匀特征明显,分数维一般在2.50以上,北京城市中心(二环内)存在一个分数维相对低值区,二环—四环之间区域分数维普遍较高,在2.70以上,五环以外分数维则不断降低,反映出北京城市下垫面非均匀性从中心向外呈低—高—低的空间分布;下垫面类型中建筑用地、绿地、未利用地、农田、林地和水体的平均分数维分别为2.71、2.62、2.55、2.38、2.30和2.28,分数维值的高低反映了城市下垫面类型的非均匀程度大小,对定量描述城市边界层参数的复杂特征具有参考意义.     

利用“3S”技术进行北京地区土壤水分监测应用技术研究

该文主要对适合于北京地区的土壤水分卫星遥感监测方法，利用GIS及GPS工具，提高对土壤水分卫星遥感监测结果的分析能力进行了探讨。在分析研究北京地区土壤水分卫星遥感监测模式及适宜使用的下垫面状况和时段的基础上，提出了一批具有一定物理意义和应用价值的遥感模式。利用GIS和GPS技术实现包括遥感信息在内的多种数据的复合，以影像的方式，将地表地理状况与土壤水分卫星遥感监测结果结合起来，实现了RS、GIS及GPS的融合，提高了土壤水分卫星遥感监测的精度。     

气象卫星高空间分辨率数据的云量计算与检验

该文利用国家卫星气象中心1998—2008年NOAA卫星的存档数据,在再定标和精定位等数据再处理基础上,利用自行研发的云检测算法及云量计算方法,生成空间分辨率为0.01°×0.01°、时间尺度为10年的逐日云量数据,并利用ISCCP和地面观测数据对计算得到的云参数进行数据质量评估。评估结果显示:利用NOAA数据的抽样云检测结果与ISCCP-DX数据相比,晴空像元检测率具有0.70左右的一致性;有云像元检测率具有60%左右的一致性。卫星计算的总云量与地面观测总云量间的月平均相关系数大于0.70。     

确定区域平均地表面反射率的一种方法

本文提出了一种根据各种类型下垫面分布及其反射率值、降水量值,求网格平均反射率的方法。并在1979年5—8月青藏高原辐射平衡和热量平衡图集中采用。检验证明, 此方法可在地形复杂、下垫面类型多样、 日射观测较少的山地和丘陵地区参考使用。     

舟山跨海大桥夏季路表温度特征及统计模型

利用2010—2016年舟山跨海大桥沿线自动气象站逐分钟气温、路表温度资料和舟山站逐时日照时数资料,通过质量控制方法筛选站点,讨论了复杂多样的下垫面条件下,跨海大桥夏季最高气温、最高路表温度分布特征,并根据其特征分类建立线性统计模型。结果表明:最高气温分布自西向东呈"递减—弱递增"趋势,转折点位于册子岛。最高路表温度分布与大桥所在下垫面类型相关,下垫面为海面时(海面类),最高路表温度高;下垫面为陆地时(陆地类),最高路表温度低。受海岛复杂地形影响,册子岛以东站点并不完全满足上述规律。根据下垫面类型建立最高路表温度的统计模型,模型反映日照项对海面类路表温度的贡献明显大于陆地类,气温项对两类路表温度的贡献相差不大。模拟整体效果较好,但由于统计方法对样本的依赖性,部分样本预测值与实测值间仍存在较大偏差。此外,本文的质量控制方法能够较灵敏地反映跨海大桥站点的错误数据,一定程度上避免了其对结果的干扰。     

青藏高原地区地表温度及其取值对大气长波辐射冷却的影响

针对辐射传输模式在青藏高原地区的应用问题，使用Ｌｉｏｕ－Ｏｕ一维辐射传输模式及１９８２年８月￣１９８３年７月青藏高原热源观测实验期间青藏高原地面、高空与卫星观测资料，在高原辐射传输模式中区分了下垫面温度与地表空气温度的作用，并利用卫星观测资料对模式改进后的实际效果进行了验证；分析了地表温度的日变化和季节变化硬度，得到了下垫面温度的简单参数化方法。     

北京地区土地利用/覆被及其变化对气温升温的影响分析

利用北京地区13个气象台站1979～2005年的气温资料、NCEP再分析资料以及1990～2005年的三期1：10万土地利用/覆被数据,在分析气象站点3 km半径缓冲区内土地利用/覆被及变化特征的基础上,通过比较气温变化在不同下垫面状况下的差异,分析了北京地区3种主要土地利用/覆被类型对气温变化趋势的影响,得出以下结论：1）建设用地对气温升高的影响最显著（0.822°C/10 a）,林地、草地、耕地混合类型次之（0.296°C/10 a）,林地最小（0.197°C/10 a）;2）利用“观测减去再分析（OMR）”方法后,建设用地的OMR年均温升温趋势依然最大（0.527°C/10 a）,林地、草地、耕地混合类型次之（-0.012°C/10 a）,林地最小（-0.118°C/10 a）,表明建设用地对气温升高具有增强作用,而林地对气温升高具有抑制作用;3）当土地利用/覆被类型向城市建设用地类型转化时,转化的面积越大,气温变化量越大。     

Regional warming induced by urban surface expansion in Shanghai

如何量化城市下垫面扩张对增暖的贡献,减小气候变化评估和预估的不确定性,是城市化影响研究中的一个难点。本文基于卫星遥感得到的反映过去三十多年城市下垫面扩张的土地利用数据,开展高分辨率的嵌套数值试验,量化了城市下垫面扩张在上海不同空间尺度上对增暖的贡献。城市下垫面扩张对整个区域增暖的贡献在19%左右,而城市下垫面扩张区(N2U)的贡献比一直是城市下垫面区域(U2U)要高得多,分别在42%和17%左右。同时城市下垫面扩张对最低温度的增加强于最高温度的变化,日较差减小,尤其在城市下垫面扩张区更加显著。     

上海城市精细化地表温度分布模拟

本文引入了一种模拟城市复杂下垫面地表温度的方法,该方法基于地表辐射参数化方案（NARP）计算城市净辐射通量,然后利用客观滞后模型OHM计算地表储热通量,再利用强迫恢复法计算表面温度。通过上海地区高分辨率卫星资料获取不同地表类型覆盖比例,以每个格点中各地表覆盖类型所占面积比例为权重计算格点的平均地表温度,并对2013年8月12日上海地区地表温度进行模拟。结果表明：上海城市下垫面与其他类型下垫面相比,地表温度白天升高较快,而夜间下降较慢。模拟结果与MODIS陆面温度及地面观测资料进行比较,模拟的上海地表温度分布结构更精细,与气象站观测值较接近。     

黑河流域气温和降水再分析数据的不确定性评估

评价区域再分析数据的精度和不确定性对于陆面过程模拟和气候变化分析有重要意义。以黑河流域为研究区,基于站点观测数据对中国区域高时空分辨率地面气象要素驱动数据集(CMFD)、黑河流域2000—2015年大气驱动数据集(WRFOUT)及黑河流域3 km 6 h时空分辨率模拟气象强迫数据(SFD)在不同下垫面条件下气温和降水的模拟精度进行评价,并通过广义三角帽法(TCH)评价3套数据集的不确定性。结果表明:(1)对于气温数据,WRFOUT数据集在草地、灌丛地、荒漠裸地及湿地下垫面精度较高,而CMFD数据集在农田下垫面精度相对较高,5种下垫面中,3套再分析数据的气温产品在灌丛地精度最高;对于降水数据,CMFD数据集在5种下垫面精度均较高,SFD数据集在草地、灌丛地和荒漠裸地,WRFOUT数据集在草地、农田和湿地表现出高估。(2) CMFD与WRFOUT数据集中气温数据的不确定性相对较低,而SFD数据集中气温数据的不确定性相对较大; 3套数据集中降水数据均表现出相对较高的不确定性,且区域差异明显,地表植被类型复杂和海拔差异较大的地区数据不确定性较高。     

河南省非降水云中液态水的卫星微波反演试验研究

云中液态水分布对全球气候和局地天气变化有重要影响, 是判别人工影响天气作业潜力区的重要依据。利用TRMM卫星微波成像仪 (TMI) 85.5 GHz通道垂直极化亮温资料与NCEP再分析资料, 结合VDISORT模式采用逐步逼近方法反演了河南地区地表比辐射率; 再利用TRMM/TMI 85.5 GHz通道垂直极化亮温资料、TRMM/VIRS红外辐射资料及NCEP再分析资料, 结合VDISORT模式采用迭代的方法反演了河南地区云中液态水的垂直积分总含量。与红外卫星云图、TRMM卫星2A12产品及NCEP资料对比分析表明:该研究提出的反演陆地上空非降水云中液态水方法是可行的, 且对云中液态水垂直积分总含量水平分布的反演结果较对比产品结果更好。     

On the Contrasting Decadal Changes of Diurnal Surface Temperature Range between the Tibetan Plateau and Southeastern China during the 1980s–2000s

The diurnal surface temperature range(DTR) has become significantly smaller over the Tibetan Plateau(TP) but larger in southeastern China, despite the daily mean surface temperature having increased steadily in both areas during recent decades.Based on ERA-Interim reanalysis data covering 1979–2012, this study shows that the weakened DTR over TP is caused by stronger warming of daily minimum surface temperature(Tmin) and a weak cooling of the daily maximum surface temperature(Tmax); meanwhile, the enhanced DTR over southeastern China is mainly associated with a relatively stronger/weaker warming of Tmax/Tmin. A further quantitative analysis of DTR changes through a process-based decomposition method—the Coupled Surface–Atmosphere Climate Feedback Response Analysis Method(CFRAM)—indicates that changes in radiative processes are mainly responsible for the decreased DTR over the TP. In particular, the increased low-level cloud cover tends to induce the radiative cooling/warming during daytime/nighttime, and the increased water vapor helps to decrease the DTR through the stronger radiative warming during nighttime than daytime. Contributions from the changes in all radiative processes(over-2?C) are compensated for by those from the stronger decreased surface sensible heat flux during daytime than during nighttime(approximately 2.5?C), but are co-contributed by the changes in atmospheric dynamics(approximately-0.4?C) and the stronger increased latent heat flux during daytime(approximately-0.8?C). In contrast, the increased DTR over southeastern China is mainly contributed by the changes in cloud, water vapor and atmospheric dynamics. The changes in surface heat fluxes have resulted in a decrease in DTR over southeastern China.     

Analysis of Short-term Cloud Feedback in East Asia Using Cloud Radiative Kernels

Cloud radiative kernels were built by BCC_RAD(Beijing Climate Center radiative transfer model) radiative transfer code. Then, short-term cloud feedback and its mechanisms in East Asia(0.5°S-60.5°N, 69.5°-150.5°E) were analyzed quantitatively using the kernels combined with MODIS satellite data from July 2002 to June 2018. According to the surface and monsoon types, four subregions in East Asia—the Tibetan Plateau, northwest, temperate monsoon(TM), and subtropical monsoon(SM)—were selected. The average longwave, shortwave, and net cloud feedbacks in East Asia are-0.68 ± 1.20, 1.34 ± 1.08, and 0.66 ± 0.40 W m~(-2) K~(-1)(±2σ), respectively, among which the net feedback is dominated by the positive shortwave feedback. Positive feedback in SM is the strongest of all subregions, mainly due to the contributions of nimbostratus and stratus. In East Asia, short-term feedback in spring is primarily caused by marine stratus in SM, in summer is primarily driven by deep convective cloud in TM, in autumn is mainly caused by land nimbostratus in SM, and in winter is mainly driven by land stratus in SM. Cloud feedback in East Asia is chiefly driven by decreases in mid-level and low cloud fraction owing to the changes in relative humidity, and a decrease in low cloud optical thickness due to the changes in cloud water content.     

西南季风潮与2004年5月我国南方暴雨

以2004年5月初及5月中旬我国华南等地两次较大暴雨过程为例, 分析了西南季风潮与我国前汛期降水的关系。初步结论指出:西南季风潮的爆发与我国华南降水, 特别是大暴雨的形成关系极为密切, 而这次西南季风潮的爆发又与来自南半球的越赤道气流直接有关。同时指出, 这次西南季风潮的爆发主要与来自85°~95°E孟加拉湾地区所在经度的越赤道气流有关, 它们是印度洋“半球间宏观系统”的一个部分。而南海季风潮仅仅是西南季风潮的一种特例, 在这两次重大降水过程中没有南海季风潮的爆发和影响。     

我国三维云融合分析业务系统（3DCloudA V1.0）研制与开发

云是地球系统的重要组成部分,能够通过影响大气辐射传输,进而影响地气系统的辐射平衡。目前对于三维云场观测得到的信息均具有一定的局限性,需要通过融合分析,综合多源观测资料的优势,得到更为准确的三维云场信息。三维云融合分析业务系统(3DCloudA-V1.0)基于逐步订正方法,融合数值预报产品、静止气象卫星、雷达等多源数据,实时生成0.05°/h分辨率、覆盖中国及其周边地区(0°~60°N、70°~140°E)的三维云融合分析产品,并通过国内气象通信系统将产品下发至全国气象部门;系统采用模块化的系统框架,开发了EC-Flow调度进程实时监测与自动重启等容错功能,有效地提升了稳定性和可靠性。评估结果表明,通过融合多源观测资料,三维云融合分析产品能够对云顶、云中和云底信息进行更为准确的描述。     

广州地区太阳分光辐射的某些变化特征

利用广州地区1985—1990年的太阳分光辐射的连续观测资料（观测角度为23°11′），研究了广州地区紫外辐射、可见光辐射（光合有效辐射）、近红外辐射的某些特征。结果指出，每年7—10月份各分光辐射及总辐射总量较大。月总辐射中可见光辐射占总辐射的百分比年平均为47.3%，相应的紫外辐射和近红外辐射分别占7.1%和45.6%。文中还分析了晴天条件下分光辐射的变化和1990年紫外辐射变化的某些特征，并分析和讨论了分光辐射与云量、日照时间等因子的相关。     

利用AVHRR数据反演陆地气溶胶光学厚度

开发AVHRR可见光通道反演陆地气溶胶光学厚度 (AOD) 的算法对于研究长时间序列AOD的变化有重要意义。AVHRR由于缺少2.1 μm通道而不能采用MODIS的暗背景算法,该文利用背景合成算法进行陆地AOD反演。背景合成算法是指假设一段时间内地表反射率变化不大且会出现相对清洁大气, 采用最小值合成即可得到地表反射率,再通过辐射传输模式6S制作的查算表查算得到AOD的反演结果。将此算法应用到2009年AVHRR中国部分陆地区域 (15°~45°N,75°~135°E) 得到AOD的时空分布,将反演结果与同期Aqua/MODIS的MOD04 AOD产品进行对比分析表明,华北和华东地区的反演效果较好,西北地区结果较差。以长江三角洲地区为例可知,AVHRR AOD产品与MODIS AOD产品以及AERONET观测的AOD相比相关系数基本在0.6以上,从时间变化规律来看,AVHRR AOD和MODIS AOD产品年变化趋势具有很好的一致性。该文为建立长时间序列AVHRR AOD数据集提供了一个较为可行的方法。     

利用星载激光雷达资料研究东亚地区云垂直分布的统计特征

已有研究表明: 云的垂直结构(简称CVS)是一个在卫星资料反演和气候模式预测中很重要的云特征。本文通过利用美国2006年刚发射的卫星CALIPSO (Cloud－Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations) 所负载的激光雷达Level 2_05km的云数据, 研究了东亚地区(18°N～53°N, 74°E～144°E) 云的垂直分布特征。结果表明: 东亚地区多层云云量在夏季、秋季、冬季、春季分别为43.6%、29.6%、21.1%、33.3%, 而多层云分布中双层云比例最大。云顶和云底高度除了随季节变化显著外, 还有明显的区域特征。单层云、 双层云以及三层云的云顶和云底高度的数据显示, 三层云中最上层的云顶和云底最高, 并始终高于两层云中最上层云的云顶和云底高度。平均云层厚度季节变化不明显, 其值普遍在0.9～2 km范围之间。而云层间距同样没有明显的季节和区域变化, 其出现的概率随距离的增大而减小。其中, 间距在0.35 km的概率最大, 占到将近50%。而间距在1.45 km附近的概率大约为15%, 高一点的可达到20%。     

FGOALS2两个模式版本对青藏高原东侧冬季层云的模拟特征

冬季青藏高原东部（22°N～32°N，102°E～118°E）层云区是唯一存在于副热带陆地的层云密集区，环流特征较为复杂，大多数耦合气候系统模式对该地区层云的模拟存在较大的偏差。对该地区层云模拟能力的系统分析评估是改进模式性能的重要基础。本文基于国际卫星云计划（ISCCP）卫星资料，评估了中国科学院大气物理研究所两个版本的气候系统模式FGOALS-s2和FGOALS-g2的大气环流模式试验（AMIP）对青藏高原东侧层云的模拟能力。通过分析云辐射强迫等相关特征、大气环流、稳定度、以及地表气温和云的关系，探讨了模式偏差的可能原因。结果表明，两个模式都不同程度地低估了青藏高原东侧的低层云量和云水含量。在垂直结构模拟方面，FGOALS-s2模式能较好地模拟出高原东侧低云主导的特征，其模拟的云顶高度与卫星资料更为接近；而FGOALS-g2模式则高估了该地区的平均云顶高度。分析表明，两个模式均低估了高原东侧的低层稳定度，同时不同程度地低估了该地区中低层水平水汽输送，导致层云云量的模拟偏少。此外，FGOALS-g2高估了高原东侧的上升运动和垂直水汽输送，使得模拟的低云偏少而云顶高度偏高。