中国地区云对地-气系统辐射强迫温度效应的气候研究

文中利用地球辐射平衡试验 (ERBE)和国际卫星云气候计划 (ISCCP)提供的地 气系统行星反射率、射出长波辐射 (OLR)和云量资料 ,计算了中国地区年、月平均总云量对地 气系统短波辐射、长波辐射以及净辐射强迫的温度效应和敏感性系数 ,并讨论了云对各辐射分量强迫的温度效应与总云量的关系。结果表明 :地 气系统云辐射强迫温度效应与总云量间具有较明显的曲线相关。云辐射强迫温度效应及其敏感性系数具有明显的时空变化特点。就中国全国平均而言 ,各月地 气系统云辐射强迫净温度效应一般表现为降温作用。     

利用长波辐射计算地表温度并对比分析

介绍了铂电阻温度传感器观测地表温度和长波辐射计算地表温度原理和方法。把草面温度(简称草温)作为地表温度代表,利用了2011年1月至2011年12月东莞市板岭国家基本气象站草温和长波辐射资料,计算和比较分析了地表辐射温度与草温的差异。结果表明,虽然两者的相关性很好,但还是存在一定的差异,而这种差异主要是由于草温受外部环境影响造成的,通过长波辐射计算地表温度则可以避免外部环境的影响,使观测数据更加准确。     

辐射传输模式中地表参数对大气长波辐射的影响

本文利用Liou-Ou一维宽带辐射传输模式，对地表热力参数取值部分作了改进，使用模式大气和青藏高原实测资料对下垫面温度与地表空气温度两者不能合二为一的问题进行了分析，同时还讨论了下垫面温度的日变化对大气长波辐射通量日变化的影响及地表比辐射率的变化对大气长波辐射通量计算结果的修正作用。     

烟雾层的长波辐射效应以及对边界层温度层结的影响

本文利用一个简化的长波辐射方案，计算了兰州城市烟雾层大气的辐射效应．计算表明:烟雾层气溶胶增加了到达地面的大气逆辐射和气层的冷却率，平均污染状况时，增加量分别为15．2％和0．073℃／h．与烟雾层对太阳辐射吸收加热率相比，冷却率量值较小，但对全天边界层能量平衡所起作用不可忽略．对比分析了兰州和郊区夜晚的平均温度廓线演变情况，可以看出烟雾层长波辐射效应增加了低层大气中上部的冷却．     

一些陆面要素非均匀分布对模式计算结果影响的理论分析

应用平均参数化方法,从理论上分别研究了地表温度、地面粗糙度、积雪深度和密度非均匀分布对相关物理量计算的影响。结果表明:考虑地表温度的非均匀分布影响后,模式网格上平均地面的长波辐射通量增加,地面饱和水汽压也增加;在相同的地表温度分布变差系数和常温情况下,与长波辐射通量相比,地面饱和水汽压的变化对地表温度非均匀分布较为敏感;地面粗糙度非均匀分布对地面中性曳力系数和BATS型地面积雪覆盖率有一定的影响;积雪深度和密度非均匀分布也对地面积雪覆盖率有一定的影响。     

华北一次浓雾过程爆发性增强的微物理特征

基于华北雾-霾综合观测试验资料,分析了2011年12月4日河北涿州一次浓雾过程爆发性增强的微物理特征及形成机理。结果表明:此次浓雾过程除具有均压场、地面辐射降温、逆温层、静稳天气等特征外,还具有雾微物理过程出现爆发性增强的特征,10 min内,小雾滴浓度显著增加,含水量增大了3个量级,雾滴谱由15 μm拓宽到35 μm,能见度由500 m骤降至70 m。夜间地面长波辐射冷却效应导致近地层雾的形成,而近地层雾的形成反过来快速地增强了地面长波辐射冷却效应,促使大量小雾滴的形成和碰并过程的产生,这是一种正反馈效应;大量雾滴形成释放的潜热,促使雾体抬升和向下长波辐射增强,又使地面长波辐射冷却效应减弱,产生负反馈效应。相对于南京辐射雾过程,此次涿州浓雾的小雾滴粒子数浓度高,液态水含量明显偏小,这与华北高浓度气溶胶和弱水汽输送有关。     

青藏高原地表长波辐射参数化及其气候计算

根据１９８２年８月至１９８３年７月青藏高原辐射平衡资料，详细讨论了该地区活动面温度与地表温度的关系，提出了两种计算地表长波辐射的参数化方法Ｕ＝ｋδσ（Ｔ０＋２７３）＾４和Ｕ＝δσ［（Ｔ０＋２７３）＋ΔＴ］＾４。经反演检验，两式的拟合精度相同（均为３．６％），并适用于作瞬时和平均通量密度计算，文中还就ｋ、ΔＴ的日、年变化作了分析，计算并讨论了青藏高原地表长波辐射的气候特征。     

从Himawari08卫星估算晴空地表长波辐射及其日变化特征初探

通过446183条全球晴空大气廓线的红外辐射传输模拟和统计回归,建立了由Himawari08成像仪通道遥测数据估算晴空地表上行、下行长波辐射通量的反演模式,模式应用于成像仪观测资料,处理出晴空地表上行、下行长波辐射通量实时产品,2016年2~6月的产品精度验证试验结果为:与相同时刻的AQUA卫星CERES仪器同类产品相比,地表上行通量均方根误差R_e=7.9 W/m2,相关系数R=0.9399,地表下行通量R_e=14.5 W/m2,R=0.9586;与由中国地面气象站地面气温和相对湿度观测经Brunt、Brutsaert经验公式计算的实时地表下行长波辐射通量相比,R_e=15.34 W/m2,R=0.8786;与用陆表温度计算的地表上行长波辐射通量相比,R_e=12.6 W/m2,R=0.9977。研究了2016年2、6月的晴空地表长波辐射产品,发现陆地晴空上、下行通量有着与太阳加热地表增温相应的明显日变化特征,峰值出现在12:00（当地时间,下同）至14:00,低谷出现在04:00至07:00,下行通量与上行通量几乎同步变化或约有延时,陆地上2个通量归一化的日变化指数类似一个半正弦曲线,而海面长波辐射通量则没有明显的日变化规律。     

散射辐射计算方法和气溶胶的气候效应

本文详细地介绍了大气散射辐射和辐射变温率的计算方法,并就气溶胶的概念、辐射特征以及气候效应进行了讨论。文中提出了求解辐射通量密度的迭代方法。本文是在各类数值模式中引入气溶胶气候效应的理论基础。     

两种计算长波辐射传输的近似方法

在二流近似的基础上,提出了两种计算晴空大气中长波辐射传输的方法,整个长波辐射区域被分成两个宽的光谱带,它们分别对相应的宽带光学厚度和发射率作参数化处理。这两种方法,所需的计算时间很少,但有相当好的精度,因而适于在大气环流模式中进行辐射传输的计算。     

地形非均匀性对网格区地面长波辐射通量计算的影响

从理论和数值试验两个方面证明地形的非均匀性(如海拔高度)对网格区地面长波辐射通量的计算有重要影响,海拔高度场的区域平均值及其变差系数是影响网格区地面长波辐射通量的主要因素,仅仅用地表均匀假定下的区域平均参量(如平均海拔高度和平均温度)所计算的网格区地表有效辐射通量值与其真实值之间存在着一定的误差。由于地表有效辐射通量是海拔高度的非线性函数,在特定情况下,其影响相当大,可产生不容忽略的误差。相对而言,海拔高度自身非均匀性对误差的影响远大于地表温度非均匀性项及其混合扰动项所产生的误差。对于不同的地形平均高度,地形非均匀性影响的程度并不相同。平均高度较小时,非均匀性的影响几乎可以忽略,但随着地形平均高度的增加,地形非均匀性的影响程度呈非线性增长趋势。因而,在复杂地形区域,考虑次网格地形的热力作用非常必要。     

CO2浓度与土壤水分胁迫对红松和云杉苗木影响的试验研究

全球气候变化对植物影响研究的主要内容是由于大气中CO2 浓度升高导致的气温升高和土壤干旱化对植物的影响。文中利用人工气候室试验研究了高CO2 浓度和土壤水分胁迫对红松和云杉的影响 ,结果表明 :CO2 浓度升高使红松和云杉生长量的增长率提高 ,土壤水分胁迫使树木生长量的增长率下降 ,且CO2 浓度升高的正效应要小于土壤水分胁迫的负效应。CO2 浓度升高使树木叶水势增大 ,土壤水分胁迫使树木叶水势减小 ,这从植物生理的角度说明了CO2 浓度变化和土壤水分胁迫对树木的影响机理 ,且在轻度干旱的情况下 ,高CO2 浓度使树木叶水势增大 ,但随着土壤干旱程度的加重 ,树木的叶水势逐渐减小。同时 ,从实验结果还可以看出 ,虽然大气中CO2 浓度和土壤湿度变化对苗木的影响显著存在 ,但与农作物和牧草等植物相比 ,这种影响仍要小得多。     

Numerical Simulation Study on the Impacts of Tropospheric O_3 and CO_2 Concentration Changes on Winter Wheat. Part Ⅱ: Simulation Results and Analyses

With the rapid development of industrialization and urbanization, the enrichment of tropospheric ozone and carbon dioxide concentration at striking rates has caused effects on biosphere, especially on crops. It is generally accepted that the increase of CO2 concentration will have obverse effects on plant productivity while ozone is reported as the air pollutant most damaging to agricultural crops and other plants. The Model of Carbon and Nitrogen Biogeochemistry in Agroecosystems (DNDC) was adapted to evaluate simultaneously impacts of climate change on winter wheat. Growth development and yield formation of winter wheat under different O3 and CO2 concentration conditions are simulated with the improved DNDC model whose structure has been described in another paper. Through adjusting the DNDC model applicability, winter wheat growth and development in Gucheng Station were simulated well in 1993 and 1999, which is in favor of modifying the model further. The model was validated against experiment observation, including development stage data, leaf area index, each organ biomass, and total aboveground biomass. Sensitivity tests demonstrated that the simulated results in development stage and biomass were sensitive to temperature change. The main conclusions of the paper are the following: 1) The growth and yield of winter wheat under CO2 concentration of 500 ppmv, 700 ppmv and the current ozone concentration are simulated respectively by the model. The results are well fitted with the observed data of OTCs experiments. The results show that increase of CO2 concentration may improve the growth of winter wheat and elevate the yield. 2) The growth and yield of winter wheat under O3 concentration of 50 ppbv, 100 ppbv, 200 ppbv and the based concentration CO2 are simulated respectively by the model. The simulated curves of stem, leaf, and spike organs growth as well as leaf area index are well accounted with the observed data. The results reveal that ozone has negative effects on the growth and yield of winter wheat. Ozone accelerates the process of leaf senescence and causes yield loss. Under very high ozone concentration, crops are damaged dramatically and even dead. 3) At last, by the model possible effects of air temperature change and combined effects of O3 and CO2 are estimated respectively. The results show that doubled CO2 concentration may alleviate negative effect of O3 on biomass and yield of winter wheat when ozone concentration is about 70-80 ppbv. The obverse effects of CO2 are less than the adverse effects of O3 when the concentration of ozone is up to 100 ppbv. Future work should determine whether it can be applied to other species by adjusting the values of related parameters, and whether the model can be adapted to predict ozone effects on crops in farmland environment.     

Numerical Simulation Study on the Impacts of Tropospheric O3 and CO2 Concentration Changes on Winter Wheat. Part II: Simulation Results and Analyses

With the rapid development of industrialization and urbanization, the enrichment of tropospheric ozone and carbon dioxide concentration at striking rates has caused effects on biosphere, especially on crops. It is generally accepted that the increase of CO2 concentration will have obverse effects on plant productivity while ozone is reported as the air pollutant most damaging to agricultural crops and other plants. The Model of Carbon and Nitrogen Biogeochemistry in Agroecosystems (DNDC) was adapted to evaluate simultaneously impacts of climate change on winter wheat. Growth development and yield formation of winter wheat under different O3 and CO2 concentration conditions are simulated with the improved DNDC model whose structure has been described in another paper. Through adjusting the DNDC model applicability, winter wheat growth and development in Gucheng Station were simulated well in 1993 and 1999, which is in favor of modifying the model further. The model was validated against experiment observation, including development stage data, leaf area index, each organ biomass, and total aboveground biomass. Sensitivity tests demonstrated that the simulated results in development stage and biomass were sensitive to temperature change. The main conclusions of the paper are the following: 1) The growth and yield of winter wheat under CO2 concentration of 500 ppmv, 700 ppmv and the current ozone concentration are simulated respectively by the model. The results are well fitted with the observed data of OTCs experiments. The results show that increase of CO2 concentration may improve the growth of winter wheat and elevate the yield. 2) The growth and yield of winter wheat under O3 concentration of 50 ppbv, 100 ppbv, 200 ppbv and the based concentration CO2 are simulated respectively by the model. The simulated curves of stem, leaf, and spike organs growth as well as leaf area index are well accounted with the observed data. The results reveal that ozone has negative e ects on the growth and yield of winter wheat. Ozone accelerates the process of leaf senescence and causes yield loss. Under very high ozone concentration, crops are damaged dramatically and even dead. 3) At last, by the model possible effects of air temperature change and combined effects of O3 and CO2 are estimated respectively. The results show that doubled CO2 concentration may alleviate negative effect of O3 on biomass and yield of winter wheat when ozone concentration is about 70-80 ppbv. The obverse effects of CO2 are less than the adverse effects of O3 when the concentration of ozone is up to 100 ppbv. Future work should determine whether it can be applied to other species by adjusting the values of related parameters, and whether the model can be adapted to predict ozone e ects on crops in farmland environment.     

二氧化碳浓度增加对冬小麦生长发育影响的数值模拟

根据国内外小麦生长模拟研究成果,借鉴荷兰学者的模拟思路,从作物生长的主要生理过程人手,综合考虑气候变暖与大气中CO2浓度增加等因素对作物生长发育和产量形成的影响,修正了在一级生产水平下冬小麦生长模拟模式,使得模式能够对CO2浓度的变化做出相应的反应。经资料检验,在当前CO2浓度下,冬小麦总干重和穗干重的模拟平均相对误差小于10％,其它器官干重及叶面积指数的模拟也取得了较好的结果。运用改进后的模式模拟试验了未来气候变暖和CO2倍增对冬小麦生长发育的可能影响。     

不同辐射参数化方案对南京地区大雾过程数值模拟的影响

为了比较不同长、短波辐射参数化方案对江苏省大雾过程的模拟效果,本文利用WRF模式,通过设计不同长、短波辐射参数化方案,对江苏省2015年5月18—21日和12月20—21日2次典型大雾过程进行了数值模拟,讨论了模式中不同长、短波辐射参数化方案对江苏省大雾过程的模拟影响。采用平均绝对误差(MAR)、均方根误差(RMSE)、皮尔逊相关系数(r)及中国气象局颁布的雾区预报规定,评价得到不同条件的最优模拟方案。结果表明:(1)热力条件与水汽条件,模拟最优方案为长波GFDL方案与短波RRTMG方案组合。(2)动力条件,最优辐射参数化方案组合为CAM方案与FLG方案组合。(3)雾区的模拟,效果最好的方案为长波GFDL方案与短波RRTMG方案的组合。     

控制水稻分蘖角度对群体生态特性的影响

控制分蘖角度对群体温度、群体相对湿度、群体CO2浓度和光合有效辐射均会产生一定影响。选用2006年水稻有关研究数据,分析水稻分蘖角度对群体生态特征的影响。结果表明：各生育时期群体温度在07:00－19:00处理大于CK。分蘖高峰期到孕穗期CK白天群体相对湿度大于处理,齐穗期到灌浆期处理群体相对湿度大于CK。群体CO2浓度在拔节期和孕穗期均为处理大于CK,其他生育期差异不显著。光合有效辐射垂直分布是处理前期和后期上层截获的光能均小于CK,群体内消光系数小。控制分蘖角度形成了有较高温度、较低湿度、高CO2浓度和适宜光分布的群体,可为获得高产奠定基础。     

大气环流的一个数值试验

考虑地形及加热作用,建立了一个大气环流数值试验准地转二层模式。在辐射加热中考虑了云对长短波辐射的影响,而假定云的出现与否仅依赖于垂直速度。在模式中放置了北半球实际的地形及海陆分布,而下垫面的温度由求解下垫面热传导方程得出。把方程组化成非线性常微分方程组,用Runge-Kutta方法在电子计算机上求解。 在不计扰动的情况下,在具有年周期的太阳短波辐射的作用下,逐渐建立起下垫面纬圈平均温度梯度及基本气流。下垫面温度具有很清楚的季节变化,位相落后于太阳短波辐射一个月,求得的冬夏季的下垫面温度值与实际的气候值相当。基本气流也有明显的季节变化,夏季风速减弱,急流向北移,冬季风速增强,急流向南移,位相落后于太阳短波辐射一个多月。 北半球实际的海陆分市的热力特性,在冬季能使亚洲及太平洋上空变冷,并能使大西洋及欧洲上空变暖。在非绝热加热和地形的共同作用下,在冬季出现了随时间变化着的东亚大槽和北美大槽,以及冷空气活动过程。这种冷空气活动有其偏爱地区:起源于苏联新地岛上空,并向东南方向移动。     

温室效应引起的东亚区域气候变化

用中国科学院大气物理研究所的两层大气和二十层大洋环流模式耦合的海气模式进行了控制试验和瞬变响应试验两个长期积分,并用它们的差异来分析大气中二氧化碳含量加倍所引起的东亚区域的气候变化。二氧化碳加倍以后,东亚年平均温度升高,降水增加,土壤湿度也是增加的,但存在着显著的季节性和区域性的差异。因此,又把东亚分成８个区,来详细探讨二氧化碳增加所引起的区域气候变化。选取了３个具有代表性的气候量：温度、降水和土壤湿度。二氧化碳加倍以后,温度的增加和土壤湿度的增加主要出现在冬半年的高纬度,降水增加的最大值也出现在冬半年的高纬度。另外,还初步分析了二氧化碳浓度加倍所引起的温度和降水年际变率的变化     

斜压气流中波包的演变及其对外压不稳定波的激发

把斜压气流中的短波槽看成波包，并把波包作为准地转模式的初值进行研究，发现波包的结构对其演变有重要影响，初始阶段急流轴下面向西倾斜的波包能够获得较快的发展，而向东倾斜的波包则是衰减的，这与ＷＫＢＪ方法得出的结论［１］是一致的，但是无论西倾还是东倾的波包，除了其自身随时间的演变外，还会激发出斜压不稳定波动，而且随着扰动的发展，不稳定斜压波会逐步在扰动中占主导地位。由此可以解释某些中纬度气旋的发生发展问题。