基于地基微波辐射计遥感的天津大气水汽和液态水特征

利用2013年3月至2017年2月天津西青地基35通道微波辐射计观测资料,分析天津地区大气水汽和液态水特征。结果表明：天津地区各季节积分水汽和积分液态水的日变化趋势基本一致,均呈单峰型日变化特征,其中夏季最大,秋季次之,冬季最小。各季节积分水汽最大值出现在23：00时（北京时,下同）的概率均明显大于其他时次,夏季和冬季的积分液态水的最大值出现在14时的概率最大,春季和秋季分别出现在10时和13时的概率最大。天津地区水汽密度由地面至3.5 km处逐渐减小,递减梯度由夏季、秋季、春季和冬季的顺序依次增大,各季节从1.5 km往上日变化均不明显。1 km以下,春季、夏季和秋季平均水汽密度的日变化曲线呈双峰型,主峰值分别出现在08时、11时和12时左右。冬季呈单峰型变化,峰值区出现在12-16时。液态水密度随高度分层变化,夏季的液态水密度大值区（0.08-0.14 g·m^-3）为5-6 km,在18-20时出现最大值。秋季、春季和冬季液态水密度的大值区出现的高度为1.5-3.5 km,但数值依次减小,春季和冬季的最大值出现在05时前后,秋季则出现在02时左右。另外天津地区水汽、液态水与温度和降水量的变化趋势基本一致,除夏季06-18时及冬季部分时次外,水汽与温度呈正相关。液态水与温度相关性较差,但与降水量呈正相关,全年液态水与降水量夜间的相关性大于白天。     

Remote sensing of aerosols over the Solar Village, Saudi Arabia

Aerosol optical properties over Solar Village, Saudi Arabia have been studied using ground-based remote sensing observations through the Aerosol Robotic Network (AERONET). Our analysis covered 8 recorded years of aerosol measurements, starting from February 1999 through January 2007. The seasonal mean values of aerosol optical thickness (AOT), the Ångström wavelength exponent α and the surface wind speed (V), exhibit a one year cyclical pattern. Seasonal variations are clearly found in the shape and magnitude of the volume size distribution (VSD) of the coarse size mode due to dust emission. The Spring is characterized by dusty aerosols as the modal value of the exponent α was low ~ 0.25 while that of AOT was high ~ 0.3. The modal value of wind speed was the highest ~ 3.6 m/s in spring. The increase in wind speed is responsible for increasing the concentration of dust particles during Spring. Spring of 2003 has the highest mean values of AOT, V and VSD and the lowest mean value for the exponent α. The seasonal mean values of the exponent α are anticorrelated with those of the wind speed (r = − 0.63). The annual mean values of the exponent α are well correlated (r = 0.77) with those of the difference between the maximum and minimum values of temperature ΔT. They are anticorrelated (r = − 0.74) with the annual mean values of the relative humidity. Large aerosol particles and high relative humidity increase the radiative forcing. This results in reduction of the values of the temperature difference ΔT.     

Evaluating aerosol optical properties observed by ground-based and satellite remote sensing over the Mediterranean and the Middle East in 2006

This study evaluates the spatial and temporal variation of the aerosol optical depth (AOD), the particle size characteristics (Ångström coefficients) and single scattering albedos during selected episodes over the Mediterranean area in 2006, based on independent observational datasets. We compare the satellite data of MODIS and MISR with those of the ground-based AERONET and in situ measurements. In general the yearly mean MODIS and MISR AODs as well as their temporal variation are in good agreement with AERONET. The highest AODs are caused by mineral dust outbreaks and the accumulation of anthropogenic aerosols during stagnant meteorological conditions. The comparison of MODIS with MISR aerosol optical properties for June corroborates that the AODs, Ångström coefficients and single scattering albedos agree well, and indicates the presence of high dust loads over the Mediterranean. Later in summer, however, MISR AOD is generally lower than MODIS, which is consistent with previous studies that show that MISR tends to underestimate and MODIS tends to overestimate AOD over land when compared to AERONET observations. Comparing MODIS Aqua Deep Blue with MISR for June over the Saharan desert reveals some differences in the location and the maxima of the AODs. Over the eastern Mediterranean highest dust loads occur during spring and autumn. Biomass burning activities around the Black Sea during July and August cause high AODs (e.g. by agricultural waste burning), and the particulate pollution is transported to the eastern Mediterranean and the Middle East by the prevailing northerly Etesian winds.     

Optical and radiative properties of aerosols during a severe haze episode over the North China Plain in December 2016

The optical and radiative properties of aerosols during a severe haze episode from 15 to 22 December 2016 over Beijing, Shijiazhuang, and Jiaozuo in the North China Plain were analyzed based on the ground-based and satellite data, meteorological observations, and atmospheric environmental monitoring data. The aerosol optical depth at 500 nm was < 0.30 and increased to > 1.4 as the haze pollution developed. The Ångström exponent was > 0.80 for most of the study period. The daily single-scattering albedo was > 0.85 over all of the North China Plain on the most polluted days and was > 0.97 on some particular days. The volumes of fine and coarse mode particles during the haze event were approximately 0.05–0.21 and 0.01–0.43 μm³, respectively—that is, larger than those in the time without haze. The daily absorption aerosol optical depth was about 0.01–0.11 in Beijing, 0.01–0.13 in Shijiazhuang, and 0.01–0.04 in Jiaozuo, and the average absorption Ångström exponent varied between 0.6 and 2.0. The aerosol radiative forcing at the bottom of the atmosphere varied from –23 to –227,–34 to –199, and –29 to –191 W m^–2 for the whole haze period, while the aerosol radiative forcing at the top of the atmosphere varied from –4 to –98, –10 to –51, and –21 to –143 W m^–2 in Beijing, Shijiazhuang, and Jiaozuo, respectively. Satellite observations showed that smoke, polluted dust, and polluted continental components of aerosols may aggravate air pollution during haze episodes. The analysis of the potential source contribution function and concentration-weighted trajectory showed that the contribution from local emissions and pollutants transport from upstream areas were 190–450 and 100–410 μg m^–3, respectively.     

从地面高分辨率太阳光谱遥感大气成分的信息内容

本文提出了一种利用地面高分辨率太阳光谱进行大气成分垂直分布反演时,消除太阳零吸收光谱曲线影响的方法,分析了这一方法的权函数特性,讨论了仪器的光谱分辨率、谱线光谱参量以及成分混合比高度分布特性对其可测量高度、垂直分辨率和误差放大率等信息内容的影响。结果指出:对混合比随高度增加或变化不大的大气成分,利用普通高分辨率光谱仪可给出20—30km高度以下混合比高度分布的信息。若采用外差技术,将光谱分辨率提高到0.001cm~(-1)以上,其最高测量高度可达40km以上。     

微波地对空测温核函数的稳定性

近十年来,被动微波遥感技术在气象上得到了广泛的应用,它已经成为探测大气温、湿、云、雨等气象要素的一种新的重要手段。美国已经在第三代气象业务卫星上安装了微波探测装置(MSU),与红外遥感技术相配合,以期提高测温精度。与此同时,地面大气微波遥感的研究工作也有了相应的发展,已经成功地测得对流层大气温度分布和低层     

2017年冬季长沙一次重度霾污染天气过程气象成因分析

利用空气质量监测资料、常规气象资料,根据气象条件的水平和垂直扩散能力,以及地面湿度和动力条件等分析了2017年1月27—29日长沙地区这次严重空气污染事件的污染特征。结果表明:污染发生时段,南支槽不断加深东移,槽前势力强盛的西南气流将孟加拉湾一带的水汽向长沙地区输送,进一步增加了该地区的空气湿度。同时,持续东移的脊前暖平流对长沙中低层大气增温有显著影响,为稳定的大气层结创造了有利条件。长沙处于弱高压的底后部,受大范围的弱鞍型场及均压场控制,地面有暖倒槽发展,且由于高压较弱,导致地面和低空的风速较小,不利于污染物的水平扩散,同时有利于夜间地面的辐射降温。稳定的大气环流形势为霾天气和严重污染提供了持续稳定的大气环境场,逆温结构和稳定温度层结在一定程度上减弱了大气在垂直方向上的湍流交换和热力对流,大气中的污染颗粒不易扩散,为此次污染事件的维持、加剧提供了重要的气象条件。长沙地区处在罗霄山脉和雪峰山脉之间的湘江故地,受周边地形阻挡的影响,污染物在下沉气流的控制下聚集到长沙地区后,很难通过水平输送离开,这也是造成此次霾污染的原因之一。     

地基GPS水汽监测技术及气象业务化应用系统的研究

本研究建立了川渝地区地基GPS（global positioning system,全球定位系统）遥感水汽的本地化计算模型,开发出GPS遥感水汽的计算软件包,开展了局域地基GPS观测网遥感大气水汽的试验及业务应用,反演出30 min间隔的高时间分辨率GPS可降水量序列。评估了反演精度,研究了GPS水汽产品在气象业务应用的可行性。研发了可搭建在MICAPS（meteorological information comprehensive analysis and process system）平台上的地基GPS水汽监测业务化应用系统,实现了局域地基GPS观测网数据的实时传输、数据解算、可降水量反演和GPS水汽产品的可视化,并在气象业务部门试运行,在强降水、暴雪等灾害性天气预报中发挥了独特作用。本项目组系统性研究了GPS可降水量的时间变化、水平分布,分析了GPS可降水量与气温、气压、比湿、辐射和降雨量等地面气象要素以及与局地环流、水汽输送和循环等大气过程及地形的对应关系。研究了GPS水汽产品在几类典型灾害性天气（西南暴雨、持续性降水、冰冻雨雪、大雾）以及人工增雨中的演变特征,揭示了GPS探测水汽技术及其产品在天气预报业务中的应用方法。进行了GPS可降水量的日循环合成分析,GPS可降水量在华北暴雨、西南暴雨、华西秋雨、四川盆地夜雨等方面的应用研究,以及不同云系降雨过程、不同类型降雨过程中GPS可降水量的对比分析。例如,对不同类型降雨过程中GPS-PWV（precipitable water vapor by GPS,GPS可降水量）的比较表明,在夏季暴雨发生前5～10h,GPS-PWV的激增可很好地预示其后的强降雨天气;而对于类似秋绵雨的一般性持续降雨来说,GPS-PWV的连续大幅递增或递减并超过平均值可作为降雨开始或结束的预报依据;对于不同类型降雨天气过程GPS-PWV具有不同的日变化特点,它能及时反映水汽的局地变化特征,作为水汽异常输送中的强信号,GPS-PWV在降雨天气分析及预报中具有重要的指示意义。     

2009年秋季南京地区一次持续性灰霾天气过程研究

2009年10月14—27日,南京地区发生了一次持续性的灰霾天气过程。利用气象观测资料和污染物浓度监测资料,结合焚烧点监测、后向气流轨迹模拟,分析了颗粒物和气态污染物的浓度演变特征、气象要素特征及产生持续灰霾天气的可能原因。研究表明,该次过程中绝大部分时间能见度低于10 km,空气污染指数最大时达到195。地面PM2.5质量浓度有显著增长,在26日达到最大值为0.782 mg/m3。NO2质量浓度日均值在24日和27日超过了环境空气质量二级标准,其含量分别为0.094和0.099 mg/m3,对应NOx质量浓度分别为0.105和0.108 mg/m3。SO2质量浓度在22日达到峰值,最大值为0.161 mg/m3,平均值为0.083 mg/m3,低于环境空气质量二级标准。分析显示:近半个月内南京地区天气形势稳定,处于持续温度偏高、干燥无雨的状态,非常有利于灰霾天气的发生。卫星监测发现24、25、26日江淮之间中部均有火点,其中24日有50个着火点,25日增加为85个,26日减少为38个,表明有秸秆焚烧现象存在。从后向气流轨迹分析来看,在秸秆焚烧最为严重的3 d内,南京地区主要受到来自东到东北方向气流的影响,有利于秸秆焚烧形成的污染物经气流输送影响南京,造成严重灰霾天气。     

基于MODIS的北京地区一次霾过程的能见度反演

利用MODIS_L1B数据,结合AERONET（AErosol RObotic NETwork）地面观测与反演的AOD（Aerosol Optical Depth）数据、北京市自动气象站网的能见度观测数据和北京市道面交通气象监测网的能见度观测数据,选取2012年3月6—11日期间发生在北京市的一次重大霾天气过程作为典型个例,反演了全过程的AOD和能见度变化,分析了两者之间的关系。结果表明：1）由MODIS遥感数据反演的AOD值与地面实测AOD值变化趋势均呈“单峰型”,但由于存在观测时间的偏差,总体上反演值高于实测值;2）利用AOD反演值得到的能见度值与实际能见度观测值基本吻合,两者的时空变化趋势基本一致,两者之间的相关系数大于0.6（P<0.01）,符合此次霾过程的实际发生特征。     

Surface measurements of carbon dioxide and methane at Alert during an Arctic haze event in April, 1986

Carbon dioxide (CO₂) has been measured at Alert by grab flask sampling since 1975 as part of the World Meteorological Organization's Background Air Pollution Monitoring Program. Deviations of CO₂ concentration from the mean annual cycle have previously been attributed to air masses arriving at Alert from the source regions of the industrialized parts of Europe and the Soviet Union. In situ measurements of ambient CO₂ and methane (CH₄) were made at Alert using an automated gas chromatograph, as part of the Arctic Haze Study during April 1986. The temporal behaviour of CO₂ and CH₄ during this period was found to be highly correlated with measurements of particulate sulphate and other atmospheric trace species of anthropogenic origin. Examination of calculated air mass back-trajectories provided further evidence that the observed short-term increases in CO₂ and CH₄ mixing ratios were due to long-range transport from anthropogenic source regions.     

14时探空在改进北京地区对流天气潜势预报中的作用

利用武汉观象台2010年6—7月及2013年6月的加密探空资料,采用两种不同方法与同期同址的MP-3000A型地基微波辐射计资料进行对比分析,讨论了地基微波辐射计探测精度的变化特征。微波辐射计与探空平均廓线对比结果表明,微波辐射计对温度及水汽密度探测精度较高,降水对微波辐射计探测有一定影响。通过对比不同时次的探空与微波辐射计探测资料发现,无降水时,微波辐射计探测的温度及相对湿度在14:00的系统误差较08:00及20:00明显偏大,14:00大气层结不稳定,气球的漂移会对对比探测产生一定的影响。温度及水汽密度在08:00的均方根误差均为最小。微波辐射计与探空的分层对比结果显示,无降水时, 20:00的相对湿度均方根误差在4 km以上明显大于08:00和14:00, 温度的系统误差在14:00最大,特别是3 km以上。降水时,总体而言,14:00的探测偏差大于08:00及20:00。通过对比降水条件下微波辐射计天顶与斜天顶观测的廓线发现,斜天顶观测能够有效减小降水对观测的影响,但斜天顶观测在14:00的探测偏差总体上仍大于08:00及20:00。

     

大气物理学

基于采样间隔为2 min的湖北省高速公路交通气象站观测资料和微波辐射计资料,对2014年1月29—30日发生在湖北省一次强浓雾过程的大尺度环流背景、温度、相对湿度、液态水含量以及水汽密度等要素的演变特征进行了分析。结果表明,这次大雾的发展演变可以分为三个明显的阶段：大雾的形成阶段,气温与路面温度降低,能见度下降,且下降速率明显;大雾的发展增强阶段,气温与路面温度变化平稳,能见度不足百米;大雾的消亡阶段,气温与路面温度升高,能见度上升,大雾消散。大雾产生在特定的大气环流背景下,微波辐射资料分析表明,近地层逆温是大雾产生的重要条件,它的演变与大雾的生消发展有着较好的对应关系。大雾的形成到发展增强阶段,水汽密度明显从近地面逐步向上增加,液态水含量数值增大,相对湿度饱和区高度抬升,大雾厚度变厚,雾浓度变大,能见度下降;大雾的消亡阶段,液态水含量、水汽密度明显减小,相对湿度饱和区高度降低,大雾厚度变薄,雾浓度减小,能见度上升。

     

地基微波辐射计资料在降水分析中的应用

利用神农架机场站2016年6月23日11时—24日08时（北京时,下同）和咸宁站2016年7月3日04时—4日01时两次暴雨过程的地面小时降水数据及同址微波辐射计观测数据反演的地面至10 km高度共58层的水汽密度、液态水含量、相对湿度和温度廓线,以及站点水汽总量、液态水总量、云底高度等资料,得到两次暴雨过程中,位于山地的神农架与位于平原的咸宁的暴雨前后大气垂直结构差异。神农架水汽总量、液态水总量均低于咸宁,测站上空各高度的水汽密度、液态水含量、温度也低于咸宁对应高度的数值,混合层的相对湿度略大于咸宁。多要素综合分析认为：（1）神农架处于山地,外来水汽供应不够充分,降水的形成主要依靠本地水汽凝结产生;由于山地海拔较高,神农架大气层结温度相对较低,冰晶效应的温湿条件较咸宁好,冰晶效应使得神农架在水汽供应不够充足的情况下产生暴雨。（2）咸宁水汽供应充足,水汽凝结之后可以得到及时补充;咸宁尽管混合层的湿度条件不如神农架,冰晶的凝结增长相对较弱,但混合层的凇附过程和融化层的云雨滴碰并都在降水过程中起到重要作用。（3）降水开始前神农架的大气抬升作用比咸宁的强,地形对气流的阻挡抬升作用明显,而降水开始后咸宁的大气抬升作用更显著,表现出明显的对流性特征。

     

地基微波辐射计资料在降水分析中的应用

利用地基微波辐射计的观测资料研究了2016年8月昆明长水国际机场出现的两次不同性质雷暴过程在不同发展阶段的温湿参量分布和演变特征,结果表明：（1）天气尺度强迫下雷暴前40 min,温湿廓线表现为低层温度降低、水汽密度升高,雷暴结束后趋于稳定,该变化可反映对流活动的起止。而局地热力雷暴前8 h~40 min,低层温度持续升高,降水前半小时水汽密度迅速升高,反映出了大气层不稳定能量积蓄过程和对流爆发前的空中水汽变化。（2）积分水汽含量（IWV）和云内液态水路径（LWP）在降水前有明显的陡增。天气尺度强迫下雷暴降水期间,IWV和LWP随着温度的增减相互转化,低层的剧烈降温,加速了水汽凝结饱和到降落的转化,造成降水强度进一步增大,对应IWV减小,转化为LWP和地面降水。热力雷暴降水期间,温度均匀变化,IWV、LWP均匀增长,水汽转化量极小,IWV增量远高于实际降水量。（3）大气可降水量（PW）在两类降水过程前半小时显著上升,天气尺度强迫下雷暴降水前总增幅达14.6 mm,局地热力雷暴降水过程前PW均匀增长7.6 mm。

     

中法海洋卫星微波散射计近海岸产品在台风遥感监测中的应用

中法海洋卫星(Chinese-French Oceanography Satellite,CFOSAT)搭载的微波散射计(CFOSAT Scatterometer,CSCAT)采用 Ku 波段扇形波束旋转扫描体制,具有观测几何信息丰富、观测样本数多的特点,是一种新型的海面风场遥感仪器。CSCAT 的原始空间分辨率可达10 km×12-5 km,是目前空间分辨率最高的微波散射计,为开发高质量的近海岸高分辨率海面风场产品提供了可能性。首先,回顾了 CSCAT 近海岸风场遥感的原理,并利用辅助数据验证了这种新的科学产品的有效性。 然后,利用 CSCAT 近海岸风场开展了台风灾害监测研究。与标准 25 km 分辨率的产品相比, CSCAT 近海岸风场可以更细致地描绘台风结构,能够为气象和海洋防灾减灾提供更精准的信息支持与决策服务。     

中国区域多种微波遥感土壤湿度产品质量评估

以自动土壤水分观测站土壤湿度作为验证数据, 对2012年中国区域ASCAT、WINDSAT、FY3B、SMOS 4种微波遥感土壤湿度产品按省份进行了评估研究。结果表明:ASCAT质量最优, 在中国大多数地区与观测数据的相关系数较高, 归一化标准偏差较小。WINDSAT其次, 质量优于FY3B, 而SMOS在中国大部分地区质量差, 受无线电频率干扰严重。4种产品在中国西北地区表现均略好, 如山西、陕西、宁夏等省区。研究还发现, 同一卫星土壤湿度产品在同一季节, 不同地区评估质量不同, 这可能与不同地区的地表植被覆盖类型有关。     

Satellite remote sensing of the optical depth and mean crystal size of thin cirrus and contrails

Summary Crystal size and optical depth of optically thin cirrus clouds and contrails over the North Sea and Adriatic Sea on the 18^th of October 1989 are retrieved by comparison of NOAA AVHRR/2 brightness temperatures of channel 4 (9.97 µm–11.56 µm) and channel 5 (11.075 µm–12.76 µm) with one dimensional radiative transfer calculations. Measured brightness temperatures in all three infrared channels and their differences show higher values for contrails than for cirrus. The radiative properties of young contrails are consistent only, if smaller crystal size than those given for natural cirrus are adopted for the calculations. However, there is a continuous transition in radiative parameters between clouds classified as natural cirrus or contrails. For the test areas ice clouds are classified with respect to optical depth and mean crystal size. Finally infrared fluxes and heating rates in the spectral range 4 µm–40 µm are calculated for an atmosphere with a 500 m thick contrail or cirrus uncinus. At given ice content a far stronger atmospheric warming is found for a contrail with relatively small ice crystals: up to 80 K/day at cloud base for an ice content of 0.05 gm^–3 compared to 10 K/day for a cirrus uncinus with large crystals.With 11 Figures