地球辐射收支的卫星观测与世界气候研究

一、ERB卫星观测的历史和现状 地球-大气系统(下简称地气系统)与宇宙空间的辐射能交换是影响地球气候演变和异常的决定因子,所以地球辐射收支(ERB)历来是气象学家十分关注的问题。在人类利用人造地球卫星观测地球环境的最初阶段,就考虑到了利用卫星上的传感器观测地球辐射收支的问题。人类第一颗用于气象观测目的人造卫星——探险者7号(Explorer-7)装载了用于ERB观测的仪器——威斯康星半球型黑白传感辐射计,用于观测直接太阳辐射通量、地球和大气反射的短波太阳辐射及地球和大气的放射长波辐射。在其后的实验气象卫星(TIROS系列卫星)、NOAA第一代极轨业务卫星(ESSA系列卫星),NOAA第二代极轨业务卫星(ITOS/NOAA系列卫星)、NOAA第三代极轨业务卫星(TIROS-N/NOAA系列卫星)、NOAA地球静止气象卫星(GOES系列卫星),以及 NASA(国家宇航局)的试验卫星——NIMBUS(雨云)系列卫星上先后装载了各式各样的专门用于或可用于ERB观测的仪器。     

利用地物光谱仪数据研究水汽对太阳辐射的吸收

论文将在介绍太阳辐射衰减理论的基础上,利用地物光谱仪、太阳辐射计和臭氧监测仪测量所得到的海面入射的太阳直射辐射光谱数据及大气衰减数据,提出了一种研究水汽在近红外波段对太阳辐射吸收作用的新方法,利用该方法得到的水汽吸收系数与前人研究结果非常一致。在可见光波段,大气对太阳辐射的吸收主要体现为臭氧的吸收。在近红外波段,臭氧的吸收非常小,对大气起吸收作用的主要为水汽。     

西北太平洋异常变化

根据国家海洋局全部海洋站的水温和水位资料,以及“热带海洋和全球大气(TOGA)”的ADCP测流和CTD资料计算并分析了黑潮源流区输入西北太平洋的北向质量通量和西北太平洋及其邻近海域的水温、水位的异常变化,同时还应用美国宇航局Goddard地球观测系统(GEOS)/四维资料同化系统(DAS)计算并分析了西北太平洋的海面潜热通量的空间和时间变化.结果表明,北向质量通量具有明显的年际变化.这种年际变化与西北太平洋水温、水位和潜热通量的变化有着合理的因果关系.当前者减少时,后3者也明显减小.其物理解释是从热带西太平洋输入西北太平洋的海水质量和热量的减少将导致西北太平洋的减水和热量收入的减少,而热量收入的减少又将会引起水温和潜热通量的减小.     

1983 El Nino盛期洋面的热量平衡

本文利用1983年1月份(1982/83年埃尔尼诺最强时期)的海、气资料,对35°N—35°S、45°E—75°W的印度洋、太平洋海域获得的净辐射、海洋向大气传输的潜热、感热通量及获得的净热量作了计算,计算结果表明,冬半球的潜热、感热向上输送大于夏半球,南半球热带中太平洋感热由大气传给海洋,但数值较小;东太平洋大气获得的潜热通量比常年平均值小.净辐射基本上呈纬向分布,云量对其影响很大,海表面温度(SST)和净辐射有很好相关关系,高SST区与净辐射低值区对应,E1 Nino期间的SST异常使得中太平洋海域洋面获得的净辐射减少,而该处洋面上大气获得的潜热通量则较多,故海洋净获得热量减少.净热量平衡,冬半球海洋一般为大气的能源,夏半球为大气的能汇.     

1983 El Nino盛期洋面的热量平衡

本文利用1983年1月份(1982/83年埃尔尼诺最强时期)的海、气资料,对35°N-35°S、45°E-75°W的印度洋、太平洋海域获得的净辐射、海洋向大气传输的潜热、感热通量及获得的净热量作了计算,计算结果表明,冬半球的潜热、感热向上输送大于夏半球,南半球热带中太平洋感热由大气传给海洋,但数值较小;东太平洋大气获得的潜热通量比常年平均值小.净辐射基本上呈纬向分布,云量对其影响很大,海表面温度(SST)和净辐射有很好相关关系,高SST区与净辐射低值区对应,E1 Nino期间的SST异常使得中太平洋海域洋面获得的净辐射减少,而该处洋面上大气获得的潜热通量则较多,故海洋净获得热量减少.净热量平衡,冬半球海洋一般为大气的能源,夏半球为大气的能汇.     

晚春北极涛动对夏季西北太平洋热带气旋生成频数的影响

利用美国气象环境预报中心和美国国家大气研究中心 (NCEP/NCAR)再分析资料以及中国气象局发布的热带气旋(TC)最佳路径数据集,本文探讨了1950–2018年期间晚春(5月)北极涛动(AO)与随后夏季(6–9月)西北太平洋上空热带气旋生成频数的关系。研究表明,晚春AO对夏季西北太平洋TC生成有明显的预报指示意义,二者之间存在显著的正相关关系。对应晚春AO指数偏高年,夏季西太平洋副热带高压主体位置偏东偏北、强度偏弱,西北太平洋上空大气低层有较强的辐合、高层辐散增强、中层水汽充足、垂直风切较弱,这些大尺度环境因子均有利于TC的生成。而在晚春AO指数偏低年,西北太平洋上空的大气环流特征与上述特征相反,造成TC生成频数偏少。进一步的分析揭示:与AO变化密切相关的北太平洋风暴轴位置的南北移动,在晚春AO与夏季西北太平洋TC生成频数二者关系中起到了关键作用。AO正位相(负位相)年,北太平洋风暴轴向北(向南)偏移,通过天气尺度波动和平均流之间的相互作用,造成后期夏季西北太平洋上空低层形成气旋性(反气旋性)涡度异常,在局地经向环流的调整作用下,西北太平洋副热带高压的位置及强度发生改变,对西北太平洋TC的形成起到了促进(抑制)作用。     

台湾以东黑潮流量变异与冬季西北太平洋海洋-大气相互作用

通过对历史资料进行奇异值分解、合成分析及相关分析,揭示了对应冬季台湾以东黑潮流量增强(减弱)时,西北太平洋海区异常失热(得热),北太平洋(北纬20°N以北)上空500hPa位势高度负异常(正异常);进一步证实了冬季西北太平洋海洋-大气相互作用是一个正反馈过程;发现了冬季台湾以东黑潮的暖平流作用可能是维持该正反馈过程进行的一个必要条件;通过超前和滞后相关及合成分析,提出从10月开始,台湾以东黑潮流量异常形成的暖平流作用会对冬季西北太平洋海区海洋-大气相互作用有贡献。     

西北太平洋低空环流与海温异常关系的季节性差异

通过资料分析与数值模拟研究了西北太平洋低空环流特征及其与海面温度(SST)异常关系的季节性差异,得到如下结论:1)西北太平洋低空环流的空间尺度和位置在春季和夏季存在明显差异,从春季到夏季,异常环流范围缩小且中心位置向西北偏移; 2)西北太平洋低空环流与西北太平洋局地海温的相互作用存在季节差异,春季西北太平洋冷海温与上空反气旋异常之间存在相互作用,而夏季则以大气影响海洋为主,异常的反气旋/气旋可以加热/冷却其下垫面的海温,大气超前3～4 d影响海洋; 3)夏季异常反气旋环流(WNPAC)的维持主要来自非局地海温异常(北印度洋暖海温与中太平洋冷海温异常)的强迫,这两个海区对WNPAC的影响也存在季节性差异,北印度洋的影响主要体现在晚春至盛夏,而中太平洋则主要在晚夏发挥作用。     

副热带海域的海洋加热异常及其对副高的影响

海洋在天气、气候及大气环流变化过程中起着重要作用,海洋热源的异常分布是造成长期天气异常的重要原因。海洋对大气的作用主要是通过海气界面的热量交换来实现的，因此,直接运用海气热量交换来考虑海洋对大气的加热作用,分析海洋加热异常对长期天气、气候及大气环流的影响,具有更明确的物理意义。 西北太平洋副热带高压是造成我国旱、涝及天气变化的主要副热带天气系统,对我国夏季气温、雨带位置及强度影响很大。西北太平洋中、低纬副热带地区是海洋向大气提供热量和水汽较多的地区,也是海气相互作用最强烈的海域,这一地区的海洋加热对西北太平洋副热带高压的变化将有直接影响。本文分析了冬季西北太平洋副热带海域海洋加热主要场的分布特征,指出了海洋加热与西北太平洋副热带高压的关系。结果表明,冬季该海域海洋加热较常年偏多时,冬、春至初夏副高偏弱,位置偏东、南(6月副高脊线位置除外);反之,海洋加热较常年偏少时,副高偏强,位置偏西、北(6月副高脊线位置除外)。该海域海洋加热对副热带地区大气环流,尤其是副热带高压环流的变化有着重要作用。本结果对预测西北太平洋副热带高压的变化,研究中纬度海洋加热对西北太平洋副热带高压及其大气环流的影响有十分重要的意义。     

黑潮的热量收支及其与副热带高压关系的初步分析

黑潮是北太平洋西部的强大暖流。它将海洋在低纬海区接收到的大量太阳辐射热,带向中高纬海区,并通过潜热和感热的形式,将热量传给大气。由于黑潮流域宽广,从低纬向中高纬输送热量的多少,不仅会对东海及邻近大洋的水文要素产生较大的影响,而且还会引起巨大的海——气之间热量收支的变异,从而可能使大气环流发生相应的变化。因此,对黑潮的研究,不仅海洋学者十分重视,气象学者也对此产生了浓厚的兴趣。如wrytki(1965)、Hastenrath(1977)等人曾对太平洋海洋与大气的热量平衡进行过计算和分析,KOPT(1970)计算了黑潮热含量,讨论了它与西风环流指数的关系。我国大气所、地理所等单位也