利用CFSR资料分析近30年全球云量分布及变化

在利用MODIS卫星的云产品资料对CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)再分析资料云产品质量进行检验评估的基础上,采用CFSR资料对1979—2009年全球总云量及低、中、高云量的平均分布及其随纬度的变化进行了分析;用经验模态分解(EMD)方法分析了近30年全球云量的变化趋势,结果表明:(1)全球近30年平均总云量约为59%,全球总云量及低云量、中云量都有明显的纬向分布特征,全球总云量有3个峰值带和3个低值带。(2)低云量的海陆分布差异较明显,陆地上的低云量明显低于海洋上的,除了两个极圈附近,南半球各纬度的低云量都比北半球相应纬度上的都要多;高云量的高值、低值中心均集中在赤道附近到南、北半球30°之间的中低纬度,并且低值中心主要分布在大洋的东部。(3)总云量的总变化趋势为增长,具体表现为随时间呈现先略减少后大幅增加趋势,其突变点大致在1993年,在1993年之后,总云量显著增多。低云量和高云量均呈现增长趋势,中云量则相反,呈减少趋势。低云量增幅最明显,接近2%,中、高云量则增减幅度较小。     

中国夏季云和降水的定量关系及其成因分析

云的形成是产生降雨的必要条件,云和降水之间存在着极为密切而复杂的联系。利用常规站点数据和ISCCP卫星数据等资料分析了夏季中国地区云的多种特征参数的变化与降水变化在时空分布上的联系。站点数据结果表明总云量、低云量与降水的距平在全国范围内表现出显著的正相关关系;在通过0.05水平显著性检验的站点上,云量和降水距平百分率之间的线性关系较明显,总云量每增加1.00%降水增加2.23%,低云量每增加1.00%降水增加0.46%。ISCCP数据结果显示总云云量、光学厚度和云水路径以及高云中的卷层云和深对流云云量与降水距平呈非常好的正相关关系。采用K-means聚类分析方法并参考中国地理气候分布特点,将中国分为9个气候区,以小波相干分析和交叉小波分析对各个气候区夏季云量和降水距平百分率序列在时频域内多尺度特征的关系做了进一步研究。结果显示9个气候区夏季白天总云量和低云量与降水变化在2~4年(a)和5~8a的尺度周期都具有较强的相干性与共振周期,且处于正相关位相。在时空分布和时频域上,中国地区夏季云和降水的变化之间都存在非常显著的正相关关系,尤其是低云量。云和降水变化之间具有强相干性与共振周期是两者之间正相关联系的原因。     

重污染下华南地区小雨和低云量的时空变化趋势特征

利用华南地区51个站点的逐日小雨降水和低云量等气象资料,采用气候趋势系数、一元回归和相关分析等方法,分析了小雨降水和低云量的年际、季节的长期趋势特征,同时结合华南地区气溶胶光学厚度(AOD)、气溶胶指数和国民生产总值(GDP)等资料进行原因探讨。(1) 华南地区小雨日和低云量呈相反的变化趋势(小雨日下降,低云量上升),而且表现为东部高于西部,沿海高于内陆的分布特征。(2) 小雨日和低云量的回归系数分别为-4.88 d/(10 a)和1.17%/(10 a)。(3) 春季和夏季小雨日变化相对较小,但是对年小雨日贡献较大,而低云量四季均呈现相反的上升趋势。(4) 华南地区的两个AOD大值区分别位于广西中部到南部沿海和广东珠三角地区,其中珠三角地区AOD高达0.7以上,气溶胶指数也表现为沿海地区高于内陆地区的分布特征。近27年华南地区的气溶胶指数呈现波动的上升趋势,与同期的小雨日呈负相关关系,而低云量呈正相关关系,近28年华南地区GDP一直处于明显上升趋势,其中以广东省增加最明显。      

南海及周边地区云量分布及低云量与南海海温的关系

利用国际卫星云气候计划提供的月平均云气候资料集,分析了南海及周边地区云量的分布特征,并进一步研究了低云量与南海海温的关系。结果表明:(1)南海及周边地区总云量分布存在显著的季节性差异特征。(2)低云主要分布在南海海区,中云为华南地区,而高云则主要位于靠近赤道区域。(3)低云受海表温度影响较大,而中高云则主要与强对流相对应。低云主要分布于南海海表冷水中心南侧的暖水区内的温度梯度区,其高值区分布与海表温度梯度分布基本一致,海表温度梯度的大小与高值中心的低云量成正比。(4)低云量高值中心位置与水平海温梯度区两侧基本一致,高温暖水受西边界强迫上升在海表层辐合,有利于低云的生成。     

957—2008年陕西云量分布与变化趋势分析

利用陕西6个基准气象站1957—2008年地面云量资料,分析总云量和低云量时空分布和变化趋势。发现:陕西云量呈南多北少、从北向南渐增的气候特征,总云量汉中最多(7.2成)、绥德最少(4.7成)、低云量安康最多(2.7成)、定边和绥德最少(1成);总云量最多月份北部早于南部,定边6月、绥德和洛川7月、西安9月、汉中和安康在9月和10月;低云量陕北最多月份出现在8月,而关中陕南最多在9月;关中、陕南总云量季节变化呈夏秋季双峰型;总云量在1975年、低云量在1964年分别达到最多,二者同时在1996年最少;52a来总云量和低云量均呈减少趋势,总云量约减少了0.3成,而低云量从20世纪50、60年代的2.3成减少为1.0成;低云量减少趋势明显,80年代至90年代中期低云量减少最为显著;90年代后期以来总云量有增加趋势,而低云量变化不明显。

     

四川地区云和空中水资源分布与演变

利用1971～2000年台站云降水资料和NCEP再分析资料,分析了四川地区云和空中水资源的分布与演变。研究发现:四川地区平均总云量为7.2成,低云量4.7成,全年阴天日数193.5天,降水日数154.0天,小到中雨日147.1天;全年大气可降水量为181.7kg.m-2。云有明显的季节变化特征,总云量夏季最高,春季次之,冬季最低,低云量夏季最高,秋季次之,冬季最低。大气可降水量夏季最大,秋季次之,冬季最少。云和小到中雨日的空间分布具有明显的地域性,且夏季分布与全年分布显著不同。在高原上,总云和低云、降水日、小到中雨日呈相反的变化趋势,总云在平均状态附近波动略有减少,而低云、降水日、小到中雨日在平均状态附近波动略有增加;在盆地内,云和降水日的演变趋势相同,总云量、低云量、降水日、小到中雨日都在线性减少。30年来四川地区大气可降水量线性变化则略有增多。     

基于CloudSat–CALIPSO资料的全球不同类型云的水平和垂直分布特征

基于Cloud Sat-CALIPSO(Cloud Sat–Cloud Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations)卫星观测资料,分析了全球总云量和8类云的云量、云底高、云顶高、云厚度的水平和垂直分布。分析结果表明,全球平均总云量为66.7%,其中卷云(Ci)和层积云(Sc)云量之和与其他6类云量总和相当,是全球云量最多的两类云。积状云云量呈现从赤道向极地递减的特征,层状云则相反,反映了二者不同的生成环境,同时下垫面地形和天气系统也严重影响云的分布。8类云的高度及厚度特征有显著差异。Ci的云底高度和云顶高度都较高,厚度则较薄;高层云(As)和高积云(Ac)的云底高度和云顶高度都位于大气中层,但As比Ac出现的高度高且厚度大;层云(St)、层积云和积云(Cu)的云底高度和云顶高度都很低,属于薄的低云;雨层云(Ns)和深对流云(DC)云底较低但云顶伸展很高,归属于厚云类。总体而言,海洋上云底高度较陆地低;赤道等大气不稳定地区,云底较高,云厚度较大;高原地区则表现出"高云不高,低云不低,云厚较薄"的特征。     

近二十年全球变暖背景下东亚地区云量变化特征分析

利用ISCCP的D2云气候资料集，采用趋势分析方法得到了东亚地区1984—2006年各种不同种类云量的变化趋势，并重点分析了全球变暖背景下气温与不同云量变化之间的关系。结果表明：近20年东亚地区总云量和高、低云量呈现波动减少趋势，减少量分别为2.24%、1.65%和1.68%，中云量呈增加趋势，增加量为1.07%；且云量变化存在较大的区域差异。温室效应所导致的东亚地区气温改变和水汽含量变化，是导致云量分布变化的重要原因，在青藏高原、孟加拉湾及热带辐合带区域的气温与高云存在显著负相关，与中、低云存在正相关，而在西太平洋、日本以东以北洋面的气温与低云呈显著负相关，与高云呈正相关。     

西北地区近40年降水量和云量的变化及其相互关系分析

利用我国西北地区东、西部两个样本区100个站点从1970—2010年逐日云量及降水资料,计算分析了西北地区降水量和云量的变化及其相互关系。结果表明:近40a我国西北地区降水量和云量发生了很大变化,区域差异显著,年代际特征明显,降水量和云量有增加趋势。西北地区降水以低云降水为主,但是降水强度小持续时间短。总云量、低云量、降水量的时间分布特征:冬半年平均云量和降水较少,6—8月份平均云量和降水为每年的最大值期。西北地区降水量分布取决于低云量的分布。     

基于ISCCP观测的云量全球分布及其在NCEP再分析场中的指示

国际卫星云气候计划(ISCCP)已经积累了20多年的持续云观测资料,提供了迄今为止最具权威的全球尺度云量信息,为全面认识全球尺度云气候特征提供了有利条件.利用长期稳定的ISCCP D2云量资料,文中系统地分析了全球尺度总云量以及高、中、低云云量的空间分布特征.结果表明,全球总云量均值为66.5(单位:%),其中洋面71.6.陆面55.9.全球云量分布极不均衡,且海陆差异显著,洋面局部云量最高可达90,而包括南极大陆在内的所有陆面区域多为云量低值中心.高云和低云全球分布形式存在明显差异,其中陆面以高云为主,洋面低云相对较多.低云集中分布于太平洋东南部和东北部的近海岸地区以及南半球洋面,热带辐合带、南太平洋辐合带等大尺度强对流活动区内高云数量占优势.特别,在气候平均态上分离低云和高云区,并结合对NCEP再分析资料所提供环流背景场的分析,研究发现两类云所对应的垂直和水平风场具有明显的差异.高云区从低空到对流层顶为一致的强下降运动,低云区的中高层被上升气流所控制但近地面一般存在弱的上升运动.反映在水平辐散场上,两类云对应的辐散度在垂直方向上变化趋势相反,其中低云对应的典型背景场为低层辐散高空辐合.进一步考虑水汽因素,600与850 hPa水汽通量散度差对低云(负差异)和高云(正差异)的云量空间分布有较好的指示意义.     

Seasonal Variations of Aerosol Optical Depth over East China and India in Relationship to the Asian Monsoon Circulation

Seasonal variation features of aerosol optical depth (AOD) over East China and India in association with the Asian monsoon system are investigated, based on the latest AOD data derived from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) aboard the Terra satellite, the NCEP Final (FNL) Operational Global Analysis data, the Climate Prediction Center (CPC) Merged Analysis of Precipitation (CMAP) data, and the NCEP/NCAR reanalysis data from March 2000 to February 2017. The results indicate that AOD in East China is significantly larger than that in India, especially in spring. The seasonal mean AOD in East China is high in both spring and summer but low in fall and winter. However, the AOD averaged over India is highest in summer and lower in spring, fall, and winter. Analysis reveals that AOD is more closely related to changes in surface wind speed in East China, while no obvious relation is found between precipitation and the AOD distribution on the seasonal timescale. As aerosols are mainly distributed in the atmospheric boundary layer (ABL), the stability of the ABL represented by Richardson number (Ri) is closely correlated with spatial distribution of AOD. The upper and lower tropospheric circulation patterns significantly differ between East China and India, resulting in different effects on the AOD. The effect of advection associated with lower tropospheric circulation on the AOD and the influence of convergence and divergence on the AOD distribution play different roles in maintaining the AOD in East China and India. These results improve our understanding of the mechanism responsible for and differences among the aerosol changes in East China and India.     

基于MODIS数据的郑州市气溶胶时空变化特征分析

利用NASA发布的MODIS/Terra中Collection6数据集的MOD04_3K气溶胶光学厚度(AOD)产品,进行波段提取、重投影、剪裁等预处理,得到郑州市气溶胶光学厚度资料,对此进行统计分析,研究郑州市气溶胶光学厚度的时空变化特征。结果表明:1)2001-2016年郑州市AOD年均值整体以每年0.0033的速率增加,最大峰值出现在2011年(1.01),以2011年为界,2001-2011年呈显著增长趋势,2012-2016年呈显著下降趋势。AOD季节均值夏季的最大,春季的次之,冬季的最小。2)2001-2016年郑州市AOD夏季均值波动较大,春季均值与年均值趋势基本一致,AOD年均值和季均值与对应时间尺度的降水量有负相关关系。工业产值占GDP比重与AOD年均值呈正相关关系。3)2001-2016年郑州市AOD年均值空间分布呈现北高南低、东高西低的特征,高值区主要分布在新郑市、中牟县、郑州市区、荥阳市及巩义市的西北部。春、夏和秋季的AOD均值空间分布形态基本与年均值的分布一致,冬季的高值区集中在郑州市东南部(新郑市)。     

Influence of aerosol on clouds over the Indo-Gangetic Plain, India

Using Total Ozone Mapping Spectrometer Aerosol Index (AI) and NCEP/NCAR reanalysis clouds data for the period 1979–1992, the influence of aerosol on the clouds (low and high cloud cover) over the Indo-Gangetic Plain (IGP) in India has been brought out for the first time in the present study. AI shows increasing tendency over the IGP suggesting that aerosol loading over this region increased significantly during the study period. In our analysis, High Cloud Cover (HCC) shows increasing trend and Low Cloud Cover (LCC) shows decreasing trend over the IGP during the same period. During pre-monsoon season when aerosol loading is more, HCC increases in positive correlation with AI. On the other hand, LCC show decreasing trend and is anti-correlated with AI. During summer monsoon, aerosol shows increasing trend but their effect on HCC and LCC is not seen to be significant. Similarly, the role of humidity on aerosol induced changes in HCC and LCC over the IGP region was also analyzed. In the low to moderate humid areas of IGP region (western and middle IGP), increasing AI leads to increase in HCC and decrease in LCC. On the other hand, in high humid areas (eastern IGP), increase in AI does not show any significant effect on HCC, but LCC shows positive trend. Therefore, we strongly argue that increasing aerosol loading enhances Cloud Condensation Nuclei over the region which in turn, alters the microphysical properties of clouds by reducing the size of cloud droplets, and atmospheric humidity controls the aerosol effect on clouds. During the recent period (2005–2010), similar features have also been observed over the IGP region.     

东亚夏季风环流对气溶胶分布的影响

用2001—2012年逐月的MODIS-TERRA卫星观测气溶胶光学厚度(AOD)资料和NCEP/NCAR风场资料,分析了5—8月东亚地区AOD的时-空分布特征,研究东亚夏季风环流对气溶胶时-空分布的影响。主要结论如下:5—8月的中国东部及邻近海洋上AOD有着显著的季节演变特征,尤其是32.5 °N附近的AOD高值区,其强度和范围在5—8月逐渐增强然后又减弱。东亚夏季风通过环流输送作用对各地的AOD产生了不同程度的影响,使中国南部AOD减少,而华北和东北地区AOD增加。在强、弱季风年背景下,7月观测的AOD差异与环流输送作用差异的分布特征有着一定的相似性,体现出东亚夏季风年际变化对气溶胶分布的影响。在东亚夏季风演变的不同阶段,季风环流对气溶胶输送大部分情况下,可解释局地气溶胶变化10%~20%的方差。     

东亚冬季风异常对区域气溶胶分布的影响

气溶胶已是东亚地区最主要的大气污染物之一,其时空分布会受到东亚季风气候的影响.利用2000～2014年MODIS/AOD (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer/Aerosol Optical Depth)和NCEP月平均气象场再分析资料,本研究分析了东亚冬季风长期...     

非洲地区大气气溶胶光学厚度时空变化及亚速尔高压对沙尘越大西洋传输的影响

研究了非洲地区大气气溶胶光学厚度（AOD）的时空变化及沙尘气溶胶越大西洋海区的传输。结果表明：1）源于撒哈拉沙漠的沙尘及其随赤道东风向西输送使得沙尘气溶胶成为非洲沙漠地区和紧邻的大西洋海区的主要气溶胶组分;AOD高值区和沙尘气溶胶光学厚度高值区在1—7月随赤道辐合带北移同步向北移动,而在8—12月则向南回撤。2）刚果盆地大气气溶胶主要为热带雨林和稀树草原排放的有机碳（OC）和黑碳（BC）气溶胶;其中与生物质燃烧源排放有关的OC、BC高值主要集中在干季（6—9月）的后半段（8—9月）;而生物源OC排放全年连续,其排放峰值出现于雨季开始时;生物质燃烧排放高值期与生物源排放高值期前后相继,形成干季（尤其是后半段）时期的OC、BC光学厚度高值。3）亚马逊河入海口地区主要气溶胶组分为海盐气溶胶,9—11月该区风力输送增强,风向由东南风转变为东风,海盐进入亚马逊河入海口处,形成AOD和海盐气溶胶光学厚度高值区。4）撒哈拉沙漠沙尘气溶胶向大西洋传输的偏北月份为7—9月、偏南月份为1—3月;2000—2016年海区沙尘气溶胶的传输路径存在向南移动的变化趋势,与同期亚速尔高压的增强和沙尘传输路径以北北风分量的增强以及赤道辐合带的移动一致。上述研究结果揭示了利用大气气溶胶时空变化特征反映区域大气环流和气候变化的可能性。     

中国东部地区冬季AOD分布特征及与冬季风环流的可能联系

利用2000年3月—2017年3月Terra卫星反演的MODIS气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)资料、NCEP的fnl全球业务分析数据、CMAP降水资料、CERES SYN1deg Ed 4月平均资料以及NCEP/NCAR再分析资料等,依据中国东部冬季区域平均AOD距平具有显著的年际变化特征,将历年冬季AOD划分为5个不同的污染等级,并探讨了不同污染等级的局地成因及其与冬季风环流的联系。结果表明,中国东部冬季AOD区域平均值与气候要素场有很好的相关关系,即AOD异常偏高(低)时,入射到地面的太阳短波辐射通量减小(增加),地面气温降低(增加),地气系统冷却(加热),地面降水呈现华北与江淮内陆少、江淮东南多(华北与江淮西南部多、江淮地区东部少)的分布特征。中国东部AOD值异常偏高与风速异常偏小有关,且这种负相关关系在华北表现最明显:即AOD异常偏高(低)时,华北地面风速偏小(大),江淮地面风速偏大(小)。个例分析表明,纬向风速异常偏小、东风异常及阿留申低压偏弱是2013年AOD异常偏高的主要原因。     

京津冀地区气溶胶时空分布及与城市化关系的研究

利用AERONET（AErosol RObotic NETwork）数据对2008~2012年Terra MODIS（MOderate-resolutionImaging Spectroradiometer）C006 3 km卫星遥感气溶胶产品在京津冀地区的适用性进行了验证,分析京津冀地区3km分辨率气溶胶光学厚度（AOD）的时空分布和变化特征。利用DMSP（Defense Meteorological Satellite System）/OLS（Operational Linescan System）夜间灯光数据作为城市化评价手段,对京津冀地区城市化与AOD时空分布之间的关系进行了研究。结果表明:（1）MODIS 3 km气溶胶产品遥感反演数据和同期AERONET监测数据在研究区具有很好的一致性,相关系数达0.91,满足期望要求;（2）时间上,2008~2012年研究区年平均AOD值在0.361~0.453之间变化,年际间变化浮动大,总体呈下降趋势;AOD春季呈明显下降趋势,夏季总体呈微弱上升趋势,秋季和冬季呈明显上升趋势;（3）空间上,2008~2012年北京、天津和河北中南部的AOD值较高,河北北边AOD值较低;四季AOD空间分布呈现较强烈季节变化,夏季最高,冬季最低;（4）夜间灯光数据和AOD时空分布不仅在空间分布上呈现较好的一致性,且2008~2012年二者的地理权重回归（GWR）模型拟合度R2达0.8左右。研究区内AOD与夜间灯光数据二者相关性显著,城市化发展水平和人类活动对气溶胶的分布有着明显的影响。     

利用MODIS光学厚度遥感产品研究北京及周边地区的大气污染

对2001年在北京地区利用太阳光度计观测的气溶胶光学厚度和NASA发布的MODIS气溶胶产品进行了比较,验证了这一卫星遥感产品的可靠性;比较了2001年MODIS气溶胶光学厚度(AOD)产品和由空气污染指数(API)计算的每日平均可吸入颗粒物(PM10)浓度,得到了比较高的相关系数,证实该气溶胶产品可用于污染分析.将北京地区AOD与气象能见度观测资料进行比较,得到了不同季节的气溶胶"标高".利用统计的不同季节的气溶胶标高,从光学厚度的季节分布得到了能见度(能见距离)的季节分布.气溶胶光学厚度图像的个例分析表明,除局地排放外,周边区域(主要为西南和南向)的输送对北京市区的空气污染贡献份额较大.卫星遥感气溶胶可以比较直观地再现污染物的区域分布和输送,不仅为研究全球气候变化也为研究区域环境的空气质量提供了一种有效手段.     

典型站点气溶胶对云特性的影响

结合Cloud Sat对云的主动观测和MODIS(MODerate-Resolution Imaging Spectroradiometer)对气溶胶的被动反演,研究了典型站点气溶胶对云的宏观、微观和辐射特性的影响。结果表明,气溶胶对大陆性和海洋性站点的云均有显著影响。1)随气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)增加,水汽含量较弱站点的低层(高层)云量呈减小(增加)趋势,而水汽条件较强站点的各层云量均增大,且具有较高(较低)云顶的云层发生概率在各个站点都呈增加(减小)趋势。2)AOD的增大导致各站点云滴和冰晶粒子的有效半径均减小、大气层顶的短波和长波云辐射强迫均增强、短波云辐射强迫绝对值的加强更显著、长波云辐射强迫增加的幅度相对更大。3)气象要素在AOD大(小)值情况下的变化表明,大尺度动力条件并不能解释云的上述特性随AOD的显著改变。