西北地区大气水汽含量时空分布及其输送研究

利用ECMWF和NCEP/NCAR 1979-2016年逐月再分析资料,分析了我国西北地区大气水汽含量的时空分布及其输送特征。结果表明：（1）西北地区水汽含量在20世纪80年代中期至90年代末呈增多趋势,从90年代开始至21世纪初呈减少趋势。就季节而言,西北地区夏季水汽含量最多,占年平均水汽含量的46.6%。（2）西北地区水汽分布与降水分布具有一致性,水汽含量主要集中在西北地区东部及其西部的天山山脉、塔里木盆地东部一带,达12～30 mm,中部水汽含量较少,不足10 mm,水汽含量的空间分布呈现出“两边高中间低”的分布形式。（3）西北地区水汽输送以西风和季风两大环流系统为主,纬向西风水汽输送可达100～500 kg·m^-1·s^-1,在全年水汽输送中占主要地位,夏季从印度洋来的强度可达100～200 kg·m^-1·s^-1的西南季风水汽输送对西北地区东部影响较显著。（4）西北地区水汽源主要位于新疆天山山脉、青海中东部、甘肃河西走廊中西段、宁夏和陕西北部等地区,而水汽汇则位于甘肃南部、陕西南部一带。     

塔克拉玛干沙漠腹地冬季大气边界层O3廓线分析

为了揭示塔克拉玛干沙漠腹地冬季大气边界层O3的浓度变化特征,利用系留气艇于2008年1月18—25日在塔中地区进行了大气边界层O3观测试验,结合相关资料,初步分析了塔中地区冬季边界层O3浓度垂直分布特征及其与温度、湿度的关系。其结果是:①塔中地区臭氧浓度集中分布在10~50 ppb之间,其中试验期间观测到O3最大浓度值56.1 ppb,最小浓度为2.6 ppb,臭氧的最大浓度基本都在40 ppb左右,日平均浓度为34.4 ppb。②大气边界层O3的浓度廓线可分为峰值型、均匀型、增长型3种,其中均匀型所占比重最大。③大气边界层O3浓度与温度、湿度密切相关,逆温及空气中水汽的增加会导致臭氧浓度降低。④大气边界层O3有明显的日变化,越贴近地面日变化越明显,其变化特征与太阳辐射有着密切关系。臭氧浓度夜晚较低,日出后开始增加,午后达到一天中的最大值;随着日落,臭氧浓度开始减小,在清晨达到最小值;臭氧浓度日最大值出现在17:00,最小值出现在08:00。     

新疆大气水汽通量及其净收支的计算和分析

通过对NCEP 2.5°×2.5°再分析资料与NCEP 1°×1°再分析资料和探空资料的比较,讨论了该资料在新疆的适用性,并在此基础上计算和分析了新疆1948—2007年60 a的大气水汽通量及其净收支情况。结果表明,新疆大气水汽输送主要受三支水汽输送带影响：西伯利亚和蒙古方向的西北风水汽输送带、孟加拉湾路径到达新疆南部的西南风水汽输送带和来自大西洋的西风水汽输送带;夏季新疆主要受两股水汽通量影响,即西风和西北风,冬季新疆则主要受西风水汽输送带的影响,仅南疆盆地受来自青藏高原中西部的西南暖湿气流的影响;新疆地区空中水汽1978年以前主要来源于经向输送,而1978年以后纬向输送增加,其水汽净收支由经向和纬向水汽共同提供,但经向水汽的贡献仍最大。     

利用Thorpe尺度估算南极点大气湍流廓线

分析了南极点(South Pole)2012年常规气象参数探空数据,统计了南极点全年的边界层高度分布,利用Thorpe尺度估算了南极点夏季及冬季的折射率结构常数Cn^2、大气相干长度、视宁度、等晕角等参数和边界层高度以上及边界层内的视宁度及其对整层(0—25 km)视宁度的贡献,将之与文献结果比对。结果表明:估算的Cn^2在近地面随高度迅速递减,300 m后随高度缓慢减小,5 km以后出现一个鼓包,10 km后随高度稳定递减,都呈现湍流主要集中于300 m以下这一特点。用Thorpe尺度估算的南极点冬季整层视宁度为1.87",270 m以上高度视宁度为0.39",与文献报道较为吻合。Thorpe尺度相较于其他外尺度模式估算过程更为简便。     

北极水汽输送的时空分布特征研究

水汽输送可以通过直接或间接的方式影响北极地区(60°N—90°N)的水文、辐射和动力等气候因子。了解水汽输送的分布和变化特征,对研究北极气候变化具有重要意义。本文基于ERA5、JRA-55和MERRA-2再分析资料,分析了1980—2018年沿70°N水汽通量的水平分布、垂直分布和月平均分布,以及北极地区整层水汽通量在不同季节的变化特征和线性趋势。基于三种再分析资料的分析结果均表明,沿70°N的水汽输送在东北极主要为向北,在西北极为向南和向北相间分布且相对于东北极更活跃;沿70°N的向北水汽输送在垂直方向上的900hPa高度附近较为强烈。此外,沿70°N的向北水汽输送通量平均高于向南,说明了北极地区整体体现为水汽汇入地。北极地区的向北水汽输送在夏秋季比冬春季节更活跃,且夏秋季的水汽通量在向北水汽输送通道附近和北大西洋区域的增速更为明显。对沿70°N的水汽入侵的时间变化和水平分布结果进行分析后发现,水汽入侵主要发生在向北水汽输送通道附近,且水汽入侵受比湿的影响比经向风更大,这使得水汽入侵的年平均次数在2008年之后出现剧烈波动。整体上,相比ERA5和JRA-55, MERRA-2与IGR...     

北极大气波导时空分布研究

在北极地区,有接通北美洲、欧洲北部和亚洲北部国家之间距离最短的直线路线,所以北极地区的战略位置日益重要。大气波导是重要的电波环境,利用大气波导可实现超短波、微波频段的超视距探测和通信应用。因此,研究北极大气波导有重要的意义。本文利用2007年1月—2016年12月十年的气象探空数据,统计分析了北极16个站点大气波导的时空分布,给出了大气波导出现概率与其波导层厚度、强度特征量的统计特征,并从天气和气候学角度初步探讨了其成因。统计结果显示:1.北极地区大气波导平均出现概率低于50%,且表面波导出现概率高于悬空波导; 2.表面波导层厚度、强度分别在30 m以下和10 M以下,悬空波导层厚度在40—80 m,强度小于10 M; 3.北欧海区和格陵兰岛为北极波导高发区,欧亚大陆的北部边缘为无波导区; 4.表面波导高发区在北欧海区和格陵兰岛,北大西洋暖流、格陵兰冷高压及极夜期的辐射逆温是表面波导形成的可能原因; 5.悬空波导高发区在北欧海区和白令海峡东北部区域,且在7—8月份的暖季极昼期间为其高发季,北欧海区暖季海雾、白令海峡东北部区域暖季受北极锋影响是悬空波导形成的可能原因。     

南极中山站臭氧洞期间O_3廓线的观测研究

本文主要分析了１９９５年臭氧洞期间在中山站用Ｂｒｅｗｅｒ臭氧仪通过Ｕｍｋｅｈｒ（逆转）方法观测和反演得到大气臭氧垂直高度分布的变化情况，并与Ｏ３洞闭合后及１９９５年１～３月的Ｏ３廓线测量结果进行了对比，同时还与国外测站的资料进行了对比，指出南极臭氧洞期间大气臭氧的减少主要发生在平流层下层（１４～２５ｋｍ），这说明发生在平流层气溶胶冰晶云（ＰＳＣ）表面的非均相催化反应主要发生在１４～２５ｋｍ高度。     

关于风沙流中风速廓线的进一步实验研究

总结与分析了以前学者对风沙流中风速廓线的研究成果,指出了其中的不足之处。并通过实验测出两种较典型自然沙(沙丘沙与河滩冲积沙)所形成稳定状态下风沙流中的风速廓线,提出了新的风速廓线模型。实验结果表明风沙流中的风速廓线用幂函数u=az^b拟和最佳,拟合系数均大于0.95。经验证,实验结果可靠。     

黄土高原东部夏半年降水稳定同位素特征及水汽来源分析

大气降水氢氧稳定同位素的组成可以指示降水过程的气候环境变化,分析大气降水稳定同位素的变化,对于研究气候条件下的水文循环过程具有重要意义。本文基于2019年夏半年（4—10月）黄土高原东部8个站点采集的152个降水样本的δ²H和δ¹⁸O的测定,系统分析δ²H和δ¹⁸O的时空分布特征及与气象参数、云下蒸发的关系,并利用HYSPLIT模型分析了水汽来源及运移路径。结果表明：① 研究区夏半年降水δ²H¹和δ¹⁸O存在显著的季节变化,其中5—7月逐渐富集、8—9月逐渐贫化;研究区降水δ²H和δ¹⁸O亦表现出显著的空间差异,整体上呈现由东南向西北逐渐增加的趋势。② 区域大气降水线的结果表明,该区整体上降水受云下蒸发作用较为显著,但位于盆地地区（赵城、阳泉、长治）降水过程受局地内循环影响较明显。③ 该区域降水中δ¹⁸O并未表现出显著温度效应和降水量效应,仅汾河谷地的介休站存在温度效应而介休、临汾站存在降雨量效应。④ 云下蒸发过程对太行山土石山区中部的阳泉站、北部的大同站以及汾河谷地的临汾站影响较为显著,其云底与地表降水的氢氧稳定同位素差异较显著。⑤ 水汽来源分析的结果显示,该区域夏季降水的主要来源为近地及东南方向下的渤海等地,远距离下的西方路径水汽含量占比较小。本文的结果对于增进区域水循环的认识及水资源的合理优化配置具有重要意义。     

1979-2016年祁连山地区大气水汽含量时空特征及其与降水的关系

采用1979-2016年ECMWF1.5°×1.5°逐月再分析资料及同期37个气象站点的降水资料,利用一元线性回归、累积距平、Kriging及IDW（反距离加权）等方法分析了祁连山地区大气水汽含量时空分布特征、降水转化率空间变化规律以及风场分布规律,并对比分析了中国西部不同地区降水转化率的变化趋势。结果表明：（1）1979-2016年祁连山地区大气水汽含量整体呈增加趋势,且季节变化明显。其中夏季是各层大气水汽含量最多的季节,高达329.24 mm,占多年平均大气水汽含量的48.1%。（2）近38 a来,祁连山地区的大气水汽含量呈东南多、西北少的空间分布,且随海拔的升高而逐渐减少,整层大气水汽主要集中在5 000 m以下。（3）祁连山地区的降水转化率从空间上表现出由东向西递减的趋势,说明该地区空中云水资源的开发潜力自东向西逐渐增强,空中云水资源的开发潜力区域差异明显;季风所携带的水汽对其影响区域的降水贡献率较高,西风所携带的水汽则对其影响区域的降水贡献率较低。（4）中国西部地区降水转化率呈向心式递减的趋势,且区域空间波动较大。     

藏北高原夏季降水的水汽来源分析

根据GAME-Tibet加强观测期间取得的降水量和δ18O资料,基于来自海洋性气团的水汽形成的降水中δ18O较低、来自局地蒸发形成的降水中δ18O较高这一认识,尝试性地给出了划分不同来源水汽的标准.基于此标准,对研究区域中局地来源水汽和海洋性气团水汽在总降水中所占的比率定量估计.就安多附近平均而言,1998年6～9月海洋气团的直接输送而形成的降水量至多占总降水量的32.06%,而局地蒸发的水汽所形成的降水量至少占总降水量的46.86%.其它至少有21.8%可能来源于季风环流对沿途蒸发水汽的输送.青藏高原中部(如安多等)的降水,可能是海洋性气团携带的水汽经过若干次凝结-降水(降落到地面)-蒸发-再凝结等过程,不断循环并依次将水分通过季风环流向高原中西部推进.     

一次东北冷涡暴雨的水汽输送特征和位涡分析

通过对2010年7月27~29日吉林省一次较大范围的冷涡暴雨、大暴雨过程进行诊断分析,建立了此类暴雨的天气概念模型：200 hPa呈现“两脊一槽”型,高空急流呈辐散状位于吉林省上空,急流中心最大风速≥60 m/s;500 hPa东北冷涡强烈发展,鄂海阻高稳定维持是此次强降水发生的重要天气系统,中心最大风速≥20 m/s的偏西风急流带横穿吉林省中部;850 hPa风速≥12 m/s的3条急流带在吉林省中东部地区交汇,形成低层辐合、高层辐散的气旋性涡度柱,较强的垂直上升气柱一直向上伸展到500 hPa附近,极有利于对流的发展和强降水的维持。通过计算整层水汽通量与吉林省逐6 h平均降水量的相关矢量场,结果表明：偏西、偏南及偏北3条水汽通道在吉林省中南部汇集是此次强降水发生的重要条件,暴雨落区与整层水汽通量汇合区密切相关,水汽输送以经向(南北方)水汽流入为主。暴雨期间具有较好的动力、热力及能量条件,特别是湿对流有效位能明显偏强,强降水出现在对流有效位能 (CAPE)值由极大值开始下降的过程中。干侵入是激发冷涡发生、发展的动力条件之一,≥1 PVU(位涡单位)的高位涡舌在下降的过程中,同时南移,与中部地区强降水落区自北向南移动相吻合。     

基于GPS数据的MODIS近红外水汽线性回归模型

针对地基GPS反演水汽空间不连续以及MODIS近红外水汽产品精度不足的问题,利用2010年香港地区地基GPS水汽数据和MODIS近红外水汽数据,提出了一种基于地基GPS订正MODIS水汽产品继而得到高精度空间连续分布可降水汽的方法。通过比较3种干延迟模型,选取最适合香港地区的Hopfield模型并利用高精度软件GAMIT解算GPS水汽,建立GPS水汽与MODIS水汽之间的线性模型,以实现对MODIS近红外水汽产品的逐月订正。结果表明,经过订正的MODIS水汽产品在各月的MRE、RMSE、PBIAS均有所改善,该方法能够有效融合地基GPS和MODIS的优点,可以得到连续区域的高精度水汽数据,这对天气预报、气候监测等有重要意义。     

雅鲁藏布河谷水汽通道效应分析及开发设想

印度洋板块与欧亚板块的俯冲碰撞造就了横亘欧亚大陆南部边缘的阿尔卑斯-喜马拉雅造山带,喜马拉雅山脉的拔地而起成为印度洋暖湿气团北进青藏高原的屏障,加强了印度、孟加拉地区高强度的降水过程,导致经向河流的溯源和袭夺,并切穿喜马拉雅山主峰山脊逼近雅鲁藏布峡谷,举世瞩目的"大拐弯"就是布拉马普特拉河溯源、袭夺雅鲁藏布江所致.如今,这些经向河流峡谷成为暖湿气流北移的通道.经研究认为,应用地质规律进行人工干预,有利于青藏高原生态环境的改善.     

Impact of Water Vapor on Elevation-dependent Climate Change

Elevation dependency amongst climate change signals has been found in major mountain ranges around the world, but the main factors causing this dependency have not been clarified. In this study, four different datasets of observation and reanalysis for China were used to examine the elevation dependency of climate change. A lack of consistency was found in dependency between warming magnitude and elevation across the Tibetan Plateau and China. However, a dependency of climate change on water vapor was detected whereby the temperature trend initially increased at low specific humidity, and then decreased as specific humidity increased. At ground level the maximum trend in temperature appeared in the specific humidity range 2.0-3.0 g kg^-1. This suggests that water vapor is a mediator of climate change and may be responsible for elevation-dependent climate change.     

塔里木盆地水汽含量的计算与特征分析

利用1976-2009 年塔里木盆地的和田、库车、若羌、喀什和民丰5 个探空站的实测资料计算了逐月平均水汽含量,并建立了与地面水汽压的关系式;利用这种关系式计算了盆地及周边地区28 个站水汽含量,进行了EOF分解,得出了水汽分布形式;分析了地表水汽压随高度的变化;对在盆地腹地及周边地区进行的GPS观测资料进行了水汽含量的反演,并与探空计算值进行了对比。结果表明：盆地内水汽含量有两个高值区,主要分布在盆地西部和北部的边缘地带,中心水汽含量在13~14 mm,均位于塔里木河干流、叶尔羌河流域、阿克苏河支流周围的绿洲地区。塔克拉玛干沙漠腹地是水汽的低值区中心,水汽含量仅为7~8 mm,塔中是所有站中水汽量最少的,由中心向外逐渐增加,在环塔里木盆地的西部、北部绿洲区达到最高,然后由于海拔高度的影响又逐渐减小。塔里木盆地地基GPS反演水汽数据与探空计算值存在良好的线性关系。     

GF-5卫星高光谱影像数据质量评价与分析

目前遥感影像质量评价的指标与方法虽较为成熟,但尚未发现针对高分五号(GF-5)卫星AHSI影像数据质量评价及其可用性的全面研究。该文在分析高光谱影像质量评价方法的基础上,利用噪声标准差、清晰度和信息熵3个指标,对GF-5可见短波红外谱段的数据质量与可用性进行分析评价,结果表明:GF-5AHSI影像不同波段数据质量存在差异,影像信息主要集中在VNIR和SWIR第1-95波段内(受水汽影响的波段除外),SWIR中第43-50、96-112(1359.03~1418.17nm、1805.44~1940.15nm)共25个波段受水汽影响严重,不可用,第113-180(1948.57~2513.25nm)波段影像质量较差、噪声严重,阻碍了该波段的应用。研究结果可为GF-5AH-SI影像数据的处理与应用提供技术参考。     

基于环境一号卫星的内陆水体水质多光谱遥感监测

基于环境一号卫星多光谱数据,针对我国内陆水体开展遥感监测研究。该研究建立分地区分季节经验模型反演叶绿素a浓度,基于生物光学模型的近红外单波段方法反演悬浮物浓度,以悬浮物浓度间接反演透明度,最终基于叶绿素a和悬浮物获得基于遥感监测的内陆水体营养状态指数。以2009年6月巢湖同步观测试验验证本文的水质参数反演算法,表明叶绿素a浓度反演精度不如悬浮物浓度,两者反演精度符合水环境监测业务需求。