气候模式中关键陆面植被参量遥感估算的研究进展

卫星遥感资料对于改善气候模式的强迫场,改进相关物理参数,提高数值模式模拟的准确性具有重要作用。目前,全球已经积累了多年的卫星遥感资料,并且已有多种陆面参量遥感产品。然而,卫星遥感资料在气候模式中的应用还非常有限。充分利用卫星遥感资料,对于提高气候模式模拟能力具有重要作用。选择植被覆盖度(Fractional Vegetation Cover,FVC)、叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)和地表反照率(Albedo)3个关键陆面参量的遥感估算方法进行评述,并分析了陆面参量真实性检验的尺度转换问题,还以WRF(Weather Research and Forecasting model)为例,阐述了遥感估算的陆面参量应用于模式的表达方式。最后讨论了关键陆面参量遥感估算的不确定性和遥感参量应用于气候模式的尺度匹配等亟待解决的问题,并对这些问题的未来改进方向进行了展望。     

1960~2012年中国地区总云量时空变化及其与气温和水汽的关系

基于我国地区543个地面气象台站观测的总云量、平均气温和相对湿度日均值资料,采用正交经验函数（EOF）、气候倾向率和线性趋势分析等方法,研究了1960~2012年总云量的时空变化特征及其与气温和水汽的关系。结果表明:（1）我国地区总云量呈南多北少的带状分布特征,最大值在四川盆地（82%）。近53年来总云量气候倾向率为-0.8%（10a）-1,趋势系数为-0.68,通过了99.9%的信度检验。（2）总云量季节变化特点明显,夏季最多,春秋季次之,冬季最少,其中春季、夏季和秋季有显著的下降趋势。（3）EOF分解的前两个模态表明总云量不仅具有一致减少的变化特征,还具有明显的区域差异。以此同时,平均气温和相对湿度不论在总体变化趋势、地区差异、还是时间演变上,均与总云量保持较高的一致性,进一步证明总云量的变化与气温和水汽有密切关系。     

中国东北半干旱区能量水分循环的同化模拟

使用地球观测系统的中分辨率成像光谱仪（EOS．MODIS）提供的归一化植被指数（NDVI）产品估算植被覆盖度和航天飞机雷达地形测绘任务（SRTM）制成的数字高程模型（DEM）数据遥感产品替换WRF模式默认的植被覆盖度和地形高度,并且利用WRF模式及其先进的三维变分同化系统（WRF．3DVar）循环同化东北半干旱区自动气象站近地面气象要素,对东北半干旱区的温度场、湿度场、风场和能量场的结构及其日变化特征进行了较为细致的模拟研究．通过4组数值模拟试验分别探讨了同化气象要素与改变模式地表参数引起的不同下垫面潜热、感热的分配关系和降水、土壤湿度变化弓f起的地表能量通量模拟效果,并利用通榆站、奈曼站、锦州站、和密云站2009年6-8月的通量观测资料与模拟结果对比检验．结果表明,WRF模式能够较好地模拟出东北半干旱区夏季的近地面温度、风向、净辐射、感热和潜热等要素的变化特征及日变化规律．同化试验（Case2）模拟的近地面气温、相对湿度、风速相比控制性试验（Case1）有所改善;陆面参数试验（Case3）和集合试验（Case4）改善了感热和地表热通量的模拟．WRF模式能较好地模拟出下垫面土壤湿度随时间变化的规律,集合试验（Case4）土壤湿度模拟结果与4个通量站观测值相比无太大差别,但降水的模拟有待改善．本研究利用卫星遥感资料改善模式下垫面陆面参数,利用气象资料同化改善近地面大气要素模拟精度,这是将各种不同空间和时间尺度的多源数据与数值模拟融合的有益尝试．此研究生成的东北地区资料同化数据集可用于气候变化、干旱监测等方面,对深入了解半干旱区气候的形成和维持机理具有重要的意义．     

我国对流层二氧化碳非均匀动态分布特征及其成因

人类活动导致大气中温室气体浓度上升,是全球气候变暖的主要原因之一.本文针对已经连续运行13年的AIRS（Atmospheric Infrared Sounder）卫星反演的对流层中层CO₂浓度资料,利用地基观测结果对其进行验证,同时结合多种相关资料对我国区域CO₂浓度的时空分布及季节变化进行研究.结果显示：北半球30°N—60°N是CO₂浓度高值带,低值中心主要出现在15°S—15°N,140°W向东至100°E的低纬地区.地基观测与AIRS卫星反演结果基本一致,年增长率约为1.926 ppmv·a^-1.我国区域CO₂浓度空间分布上呈现北高南低的非均匀分布特征,4个高值中心分别位于东北地区西南部、内蒙古西部、新疆地区东部和西部,低值中心在云南和西藏地区.我国区域CO₂浓度有明显的季节变化特征,最高值出现在春季,冬夏季次之,秋季最低,其季节演变特点与风场的输送、降水量的清除和植被的吸收等密切相关.     

我国北方地区植被总初级生产力的空间分布与季节变化

本研究通过集成Terra MODIS卫星影像数据与地面通量台站的观测数据, 改进了基于遥感的VPM光能利用率模型, 模拟了我国北方地区2008年陆地生态系统总初级生产力 (GPP) 的空间分布与季节变化。研究表明: (1) 我国北方地区植被GPP在空间分布上表现为东高西低的特征, 年均值为518.36 g/m2 (C重量, 下同)。 (2) 我国北方地区主要植被类型的GPP有较强的季节动态, 大体上都表现出单峰变化趋势。GPP值按照由大到小顺序依次为: 夏绿阔叶林 (DBF)>针阔混交林 (MF)>农田 (Crop)>落叶针叶林 (DNF)>常绿针叶林 (ENF)>草地 (Grass)>稀疏灌丛 (Oshrub)>裸地或稀疏植被 (BSV)。(3) 整个区域的GPP季相变化表现为: 夏季最高, 达到32.80 g?m-2?(8 d)-1, 为全年最大值; 春季GPP为5.67 g?m-2?(8 d)-1, 与秋季的5.08 g?m-2?(8 d)-1较为接近, 冬季GPP最弱, 仅为0.07 g?m-2?(8 d)-1。与通量台站实测值及前人研究结果的比较表明, 本文所模拟的GPP与观测值之间的相对误差绝对值多小于15%, 表明模拟结果具有较好的可靠性。这说明通过集成遥感观测数据与台站观测数据的方法来模拟GPP, 可以较准确地模拟区域尺度的GPP空间分布与时间变化, 这为深入研究陆气相互作用提供了重要研究手段。     

1960-2004年新疆地区地表水热过程的数值模拟研究 Ⅰ. 以观测资料为基础的陆面过程模型大气驱动场的发展

 近20 a来,中国西北地区尤其是新疆降水显著增加、温度持续上升,冰川萎缩、冰川融水量持续增加、河川径流量增加、湖泊水位上升面积扩大、植被覆盖有增加迹象等等,这些事实都充分说明该地区的气候水文过程正在发生着重大的变化,但目前由于与水热过程有关的各个分量,如潜热、感热、蒸散、土壤湿度和径流等变量都缺少长时间、大范围的观测数据,因此,现有的研究还不能从整体上认识西北地区水热过程在全球增暖大背景下的变化特征和规律,无法客观地估算该地区水热过程的可能变化趋势。为了能够进一步深入研究这个问题,我们考虑以新疆地区108站1960—2004年气象站的观测数据为基础,并结合其他大气驱动场中结果检验的辐射数据来建立了一个长达45 a,时间分辨率3 h,空间分辨率0.5°×0.5°针对新疆区域的陆面模型大气驱动场,主要的变量包括降水、气温、风速、气压、比湿和辐射。最后得到的产品能够提供一个长期的、区域内具有良好均一性的近地面气象变量数据集,它可以用于驱动陆面、水文、生态过程模式,为研究整个新疆地区年际、年代际,甚至月季到日的连续水热过程变化奠定坚实的基础,并可以作为评估耦合模型以及其他陆面预测计划的初始化条件。     

中国西部地区未来气候变化趋势预测

用中国科学院大气物理研究所的全球环流耦合模式(IAP/LASG GOALS),对中国西部地区由于CO2含量增加引起的未来气候变化进行了模拟预测分析.预测CO2含量每年以1%速度递增,对此进行了控制试验和扰动试验两个长期积分,并用它们的差值来表示中国西部地区的气候变化.结果表明,CO2增加以后,在初始阶段平均温度、降水和湿度变化不大,随着CO2含量的增加,中国西部地区温度、降水及湿度均呈显著的增加趋势,且比全球增加大得多.到2050年全球温度相对于现在增加1.5℃,而中国西部地区温度升高在1.2～2.2℃,其中最大增温区出现在青藏高原附近;西南地区降水将增加200mm以上,比湿增加最大,达0.8 g kg-1以上,新疆西部和西北部地区降水减少50 mm左右,平均降水增加15%,整个西部地区气候变暖变湿.     

气象资料的统计降尺度方法综述

统计降尺度是解决由气象模式输出的低分辨率资料到流域尺度资料转换的手段之一,已成为一个重要的研究领域。统计降尺度方法十分丰富,分为传递函数法、天气形势法和天气发生器3类,3类之间并无严格的界限。统计降尺度涉及到时间与空间降尺度、随机型与确定型降尺度、时间自相关与空间相关性以及面向格点与面向站点的降尺度这4个方面的属性与分...     

亚洲区域气候模式比较计划的进展

区域气候变化的信息是气候变化影响评估的基础。在发展全球气候模式的同时 ,发展高分辨的区域气候模式是获取区域气候变化信息的重要途径之一。作者介绍了由中国科学院大气物理研究所START全球变化东亚区域研究中心发起和主持 ,有中、美、韩、日和澳大利亚 1 0个研究组参加的亚洲区域气候模式比较计划的目的、意义、工作任务和试验设计等主要内容 ,给出了该国际比较计划第 1阶段 (连续 1 8个月积分 )和第 2阶段( 1 988～ 1 998年连续 1 0年积分 )的初步结果 ,讨论了区域气候模式在亚洲应用中的一些共性问题以及进一步研究的方向。     

基于台站降水资料对不同空间内插方法的比较

如何把离散的气象台站资料通过合适的空间内插方法转变成规则的网格数据,对于气候变化分析和模拟研究具有重要的意义.作者利用中国区域160个常用台站10年降水观测资料为例,分别采用克里格(Kriging)插值、反距离加权、Delaunay三角剖分线性插值、双谐样条(Biharmonic Spline)插值和Cressman客观分析等几种常见的空间内插方法,较为系统地分析和比较了这几种内插方法插值结果之间的异同,对其优缺点和适用范围进行了适当讨论,并采用不同的网格分辨率和影响半径对Cressman客观分析方法做了进一步分析比较.结果表明:在台站分布密集的区域不同空间内插方法之间差异较小,在台站分布稀疏的区域则差异较大;与更加密集的台站观测资料的比较显示,自动调节影响半径的Cressman客观分析方法与双谐样条插值方法误差相对较小.