中国3个典型城市气溶胶光学厚度地基观测及其MODIS气溶胶产品精度分析

利用中国太阳分光观测网的观测资料结合MODIS(中分辨率成像光谱仪)的气溶胶产品分析了北京、兰州、上海3个典型区域城市的气溶胶光学特性。结果表明:北京AOD(气溶胶光学厚度)年平均为0.41±0.35,春夏高,秋冬低,Angstrm波长指数α年平均为1.40±0.85表现为细模态粒子,MODIS的光学厚度为0.52±0.39与地面观测相关系数为0.91,存在系统性高估;兰州AOD年平均为0.55±0.21,夏季最低,秋冬较高,α年平均为0.95±0.20表现为粗模态粒子,MODIS光学厚度为0.43±0.21与地面观测相关系数仅为0.07,存在系统性低估;上海AOD年平均为0.55±0.21,无明显季节变化,α平均为1.03±0.25,MODIS光学厚度为0.74±0.30与地面观测相关系数为0.75,存在系统性高估。城市地理位置和复杂地表等原因造成反照率的不确定,MODIS气溶胶产品在这3个城市的反演效果仍有很大提升空间。     

黄土高原干旱半干旱地区气溶胶光学厚度遥感分析

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站2006年8月-2008年10月太阳光度计(CE-318)观测资料和同期卫星MODIS(Terra和Aqua)产品资料,分析了该站气溶胶光学厚度(AOD)日变化、月变化和Angstrom波长指数(α指数)月变化特征,发现春季AOD日变幅最大,存在双峰现象,秋、冬季较小;9月AOD最小,4月和12月AOD较大;α指数在4月最小,7月最大.采用太阳光度计反演的550 nm AOD与Terra-MODIS和Aqua-MODIS AOD产品相比较,Terra-MODIS与太阳光度计AOD相关系数为0.69,大于Aqua-MODIS的0.62.并从地表反照率假设、气溶胶模型选择和云影响等方面分析了产生对比偏差的原因,进一步分析了黄土高原干旱半干旱地区AOD的分布和季节变化特征.结果表明:气溶胶光学厚度呈西低东高的分布特征;AOD高值中心与大城市有较好对应;黄土高原干旱半干旱地区AOD在春季最大,夏季有所减小,秋季最小,但冬季升高;Aqua-MODIS中深蓝算法对西北荒漠地区亮地表AOD的反演效果较好.     

利用MODIS资料反演兰州地区气溶胶光学厚度

借助6S模式对MODIS的蓝光(0.46μm)、红光(0.66μm)和中红外(2.1μm)通道进行了行星反照率对地表反射率和气溶胶光学厚度的敏感性试验, 并对蓝光和红光通道的路径辐射对行星反照率的贡献做了数值试验; 计算了MODIS的蓝光、红光和中红外通道在兰州市及其周围地区的地表反射率, 检验了Kaufman给出的三个通道地表反射率之间的关系。检验结果表明, 在兰州周围地区蓝光通道与中红外通道地表反射率之间的关系与Kaufman给出的关系比较符合, 对于兰州周围大范围区域都是适用的。利用此关系通过6S模式进一步反演了兰州城市及其附近地区 1×104 km2 范围内的气溶胶光学厚度, 反演结果较为合理。     

FY-3A/MERSI、MODIS C5.1和C6气溶胶光学厚度产品在中国区域与地面观测站点的对比分析

准确获取气溶胶光学厚度对于气候变化研究和大气环境监测具有重要意义。通过波长插值和时空匹配方法,利用气溶胶自动观测站网（AERONET）观测的气溶胶光学厚度（AOD）对风云3A/中分辨率光谱成像仪（FY-3A/MERSI）、Terra（Aqua）/MODIS的C5.1（Collections 5.1）和C6（Collections 6）气溶胶光学厚度产品在中国区域的反演精度进行验证分析。结合一次发生在中国境内的沙尘天气与一次严重雾霾天气个例,分析上述卫星气溶胶光学厚度的分布特征。研究结果表明,（1）FY-3A/MERSI AOD的反演精度较高（R=0.887,RMSE=0.234）,其值低于AERONET的观测值（Bias=-0.293）。（2）在不同的下垫面下,各种卫星暗像元算法AOD产品反演精度有差异,植被覆盖情况越好,反演精度越高,而植被很少的地区,即亮地表甚至没有反演值。（3）MODIS C5.1深蓝算法产品能在亮地表地区反演AOD,但效果不佳。MODIS C6中的深蓝算法产品在不同下垫面的反演精度都很高（RMSE为0.096-0.127）。（4）在不同季节的对比中,各种卫星AOD产品在夏季的反演精度最差,而反演最好的季节各有不同。（5）在一次沙尘天气污染与一次严重雾霾天气个例中,中国西部与北部区域,MODIS C6深蓝算法AOD的监测效果优于其他算法AOD;MERSI AOD产品在此区域的分布不连续。总体而言,MODIS C6 AOD分布比MODIS C5.1产品连续,MODIS 3 km产品在相同区域的AOD值高于其他产品。以上结论可为卫星AOD产品在中国区域的使用提供参考。      

太湖地区气溶胶光学厚度的分布及其在大气校正中的应用

采用太湖地区水面光谱数据以及MODIS遥感影像数据,利用辐射传输模式6S,选择自定义气溶胶类型,反演得到太湖地区气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)分布,将其与太阳光度计CE318实测气溶胶光学厚度分别应用于太湖区域的大气校正中,得到不同的水面反射率,并参考实测水面反射率进行对比分析。结果表明:反演的太湖地区气溶胶光学厚度分布较为合理,造成此分布的原因可能是太湖北岸工业较发达,污染较严重。太湖颗粒物的吸收特性和卫星接收到的表观反射率导致反演数据的差异,是反演气溶胶光学厚度分布不均匀的主要原因。使用MODIS数据反演得到的太湖地区AOD进行大气校正,更加精确。该研究方法和结果可为气溶胶光学厚度反演、精确卫星数据大气校正提供参考。     

中国地区MODIS气溶胶产品的验证及反演误差分析

利用中国地区AERONET(AErosol RObotic NETwork)地基观测资料对Terra/Aqua MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)气溶胶产品精度进行验证,提供资料可靠性分析,并分析了各地区MODIS反演气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)的误差来源,为进一步改进算法提供依据。结果表明:(1)香河、兴隆、榆林、寿县、合肥、香港和台湾等站点MODIS AOD的质量较好。对大多数站点,Terra和Aqua MODIS AOD质量差别不大,除个别站点Terra略优于Aqua。(2)选取香河、太湖、SACOL、北京、兴隆和台湾成功大学站进行详细分析。香河站Terra和Aqua MODIS AOD质量均较好,相关系数分别为0.96和0.97,且落在期望误差内的百分数分别为72%和65%。太湖和北京站MODIS AOD存在统一高估现象,可以通过拟合直线的截距对其进行汀正,得到较接近真实值的AOD。SACOL,Terra和AquaMODISAOD与AERONETAOD的相关系数分别为0.66和0 77,且存在一定的高估。同时验证SACOL MODIS Deep Blue AOD,总体上其精度低于MODIS C005 AOD。兴隆和成功大学站反演误差均小于期望误差,数据质量较好。(3)误差分析表明香河和SACOL站的MODIS反演误差主要来自地表反射率关系的不合适;太湖和北京站的反演误差可能是由于地表和气溶胶模型两方面的共同作用导致的。个别站点随着云量增大,MODIS反演结果对AOD的高估也越大。     

利用MODIS C6产品分析广东省气溶胶光学厚度时空特征

本文采用地面太阳光度计实测数据对MODIS C6AOD(气溶胶光学厚度)产品进行精度检验,结果表明:该产品与地面太阳光度计实测数据的相关系数为0.85,标准偏差为0.28,平均相对偏差为0.27,数据精度满足需求。利用该产品分析了广东省气溶胶光学厚度的时空分布特征,得出以下规律:(1)空间分布:珠三角粤东粤西粤北,其中,珠江三角洲西部的佛山市、东莞市、中山市是全省AOD的高值区;(2)季节变化:春季为AOD高值期,夏季、秋季次之,冬季最低;(3)年际变化:2003—2016年,广东省年均AOD呈现波动式下降趋势,2012年为高值年份,年均AOD值为0.611,2007年为次高值年份,年均AOD值为0.603,2016年为低值年份,年均AOD值为0.382,2015年为次低值年份,年均AOD值为0.440。     

我国380nm波长气溶胶光学厚度分布特征和演变趋势

利用1980—2001年TOMS/ NASA逐月气溶胶光学厚度 (AOD) 资料, 通过EOF, Morlet小波分析、趋势分析和突变检验等方法, 研究了我国大气气溶胶380nm光学厚度的时空分布特征和变化趋势。结果表明:全国全年存在两个范围较大、持续时间较长的AOD高值区:南疆盆地和四川盆地; 绝大部分地区春季AOD值最大, 最小值出现的季节则有所不同; 季节差异随纬度增加而减小; AOD变化具有明显的季节性和年际振荡特征; 年平均AOD呈明显增加趋势, 20世纪80年代末90年代初增加趋势有所减弱。     

京津冀地区气溶胶光学厚度反演及其空间分布特征

利用2014年9月1日至2015年5月31日Terra/MODIS MOD 021KM数据,以京津冀地区为研究区域,采用深蓝算法和查找表法反演京津冀地区1 km分辨率的气溶胶光学厚度,并将反演的气溶胶光学厚度与NASA产品和CE-318观测的气溶胶光学厚度进行比较。结果表明:反演的气溶胶光学厚度与NASA MOD 04_L2(10 km×10 km)和MOD 04_3K(3 km×3 km)两种气溶胶产品的空间分布具有高度的一致性,且空间分辨率更高;反演的气溶胶光学厚度与石家庄站CE-318观测气溶胶光学厚度的平均绝对误差为0.07左右,二者之间的相关系数R~2=0.956。卫星过境时,1 km反演的气溶胶光学厚度与MOD 04_L2气溶胶产品的平均误差约为0.06,反演的气溶胶光学厚度与MOD 04_3K气溶胶产品的平均误差约为0.03。对反演的气溶胶光学厚度与河北省PM_(2.5)和PM_(10)质量浓度的空间分布进行相关性分析表明,气溶胶光学厚度AOD与PM_(2.5)和PM_(10)质量浓度的相关系数分别为0.745、0.663,说明1 km反演的AOD可以有效反映区域PM_(2.5)和PM_(10)质量浓度的空间分布。     

一种反演气溶胶光学厚度的改进方法

该文提出了一种简单快速反演气溶胶光学厚度的方法,该算法对地表反照率的处理与MODIS V5.2算法相同,但气溶胶谱分布假定为Junge谱,设置了新的气溶胶参数。应用2006年9月6日—2008年6月10日太湖MODIS观测资料和2008年5月20日—2009年7月6日香河MODIS观测资料进行反演,并将反演结果与AERONET (AErosol RObotic NETwork) 站点资料进行对比,以检验算法的适用性和精度。对比结果显示:该算法在太湖的反演结果与AERONET太湖站反演结果对比的标准偏差为0.429,而MODIS卫星AOD产品与AERONET太湖站反演结果对比的标准偏差为0.693;相应在香河的两种反演结果与地面观测对比的标准偏差分别为0.493和0.542。该算法的反演误差小于MODIS现行算法,反演结果合理,具有较好的适用性,说明这种方法在这两个区域具有更高的反演精度。     

我国东南海岸线分布对9216号台风暴雨增幅影响的数值研究

利用一个三重水平结构，双向嵌套的台风数值模式，以１９９２年８月２９日１２冒为初始场，根据模式中地形插值时遇到的问题，设计了实际海岩线与扩展海岸线两种方案，对９２１６号登陆台风及其暴雨进行了对比模拟试验。结果表明：地形动力抬升形成的对流陈水是台风暴雨增幅的一个重要原因。     

气候系统性态行为复杂性的探索

用滑动t-检验方法(Moving t-tcst technique)对中国东部部分地区年降水量序列进行阶段分析,从各阶段气候性态频率分布特征得到启示．对气候系统性态行为的复杂性进行探索。提出气候系统性态行为的确定性与随机性份额比接近Fibonacci数(黄金分割比)的假设。用信息论的方法对气候变量的不确定性做了定量计算和分析，讨论了气候预测的局限性．提出气候预测(以年降水量为例)准确率的理论上限在中国北方可能为75％左右：在中国南方可能为80％左右。     

非绝热加热及地形动力作用下的大气环流长期演变过程

本文建立了一个理想的大气环流数值试验模式,其中简单地考虑了辐射、湍流、凝结加热及地形的动力作用。模式中放了两个陆地和两个海洋,海陆的影响由给定的下垫面温度表现出来。把方程组化成常微分方程组后,用Runge-Kutta方法在电子计算机上求数值解。 首先,在非绝热加热的作用下,由静止大气开始经过40天就建立起基本气流。其次,在具有年周期的太阳辐射、下垫面温度及凝结加热的作用下,基本气流以年周期变化。扰动也有明显的年周期,夏季扰动振幅变小,冬季扰动振幅变大,而且海陆温度的季节变化能控制波数为2的超长波的进退。夏季温度槽位于海洋东部,冬季位于大陆东部。 最后,在数值试验中看到初始场的影响只有100天左右。     

局地积云降水过程对云结构的影响

本文考虑了降水过程中水滴对空气的拖带作用和降温作用,并考虑到含水量变化时,由于水滴对空气拖带力的变化,而对垂直运动产生的反馈影响,导出了局地积云的运动方程、热力方程和含水量方程,并由此研究在降水过程中云中空气垂直运动、云内外温差和含水量结构的变化。计算结果指出,局地积云在降水过程的影响下,云中空气的垂直运动、云内外温差和含水量都要明显变小,并且很快地由下向上逐渐出现下沉运动,云也由下向上逐渐消散。计算结果与实际观测现象是基本相似的。本文共做了五个不同条件的个例数值计算,并由此分析比较了不同降水强度、不同稳定度、不同云中初始条件和不同云外环境所起的不同作用。     

日本东部附近海域海温异常对鄂霍次克海高压的影响

通过诊断分析和数值模拟,研究了初夏日本东部附近海域负的海温异常对6月鄂霍次克海地区阻塞高压的影响。首先,利用1951—2000年6月份的500hPa月平均位势高度资料计算了历年6月鄂霍次克海阻塞高压指数,并分析了它的变化规律。其次,对阻塞高压年和非阻塞高压年的500hPa位势高度及其异常进行合成和相关分析表明,阻塞高压年,鄂霍次克海地区存在明显的正高度异常,贝加尔湖附近为负高度异常,乌拉尔山附近为正异常,欧亚中高纬度地区纬向呈“ - ”型;日本东部为负高度异常,东亚呈偶极型。这种高度异常形势为鄂霍次克海阻塞形势的形成和维持提供了大尺度环流背景。对鄂霍次克海阻塞高压指数与同期北太平洋海温的分析结果表明,当鄂霍次克海阻塞高压活跃时,日本东部附近海域为明显的负海温异常。此外,对1998年6月的典型个例的分析也发现,当年强盛的阻塞形势维持时,日本东部附近存在强大的负海温异常。最后,设计假想的负海温异常试验,利用NCAR CAM3模式模拟了日本东部附近海域负的海温异常对初夏欧亚大气环流的影响。结果表明,在该地区5和6月加入较大负的海温异常后6月份鄂霍次克海地区500hPa会产生最大超过4dagpm的正位势高度异常并经检验显著,这种正的高度异常显然对鄂霍次克海阻塞高压的形成十分有利。     

亚洲夏季风各子系统主要变率相互关系初析

使用NCEP/NCAR再分析资料和CMAP月平均降水资料分析了亚洲夏季风各个子系统的相互关系。结果表明亚洲夏季风子系统之间存在显著相关。从同期强度变化可知,当东亚季风偏强时,大尺度亚洲季风、东南亚季风、南亚季风均偏弱,相关区域降水偏少;而同时大尺度亚洲季风偏强时,东南亚和南亚季风偏强,相关区域降水偏多;东南亚季风偏强时,南亚季风偏弱,南亚地区降水偏少;反之亦然。从不同周期强度变化可知各个子系统相关仍然显著。      

地球旋转向量水平分量对赤道β平面上波动的影响

文中利用合理的赤道 β平面近似方程组研究 β效应和地球旋转向量水平分量 (即Coriolis力分量 f*=2 Ω cosφ)共同作用下低纬度大气波动的特征。定性结果分析表明 ,若扰动与纬度有关 (混合 Rossby-重力波和 Rossby波 ) ,f*虽然不影响波动传播的频率特征 ,但修改其决定波动经向结构的振幅。如果扰动与纬度无关 (Kelvin波 ) ,则 f*的影响消失 ,这与 f*- f平面上波动的情况显然不同。     

气象资料三维化技术中的插值问题

通过对不同源气象资料及数字地理信息资料的插值，实现了不同气象资料与地理信息资料分辨率的协调；从而将多种信息叠加到一起，实现了多源资料的二维、三维仿真显示。这对于模拟真实的大气空间结构、理解地形及植被对大气运动的影响、辨识各种天气系统及多种信息的融合等有积极意义。     

THE ANALYSIS OF THE RELATIONSHIP BETWEEN THE SUBSYSTEMS OF THE ASIAN SUMMER MONSOON

In this study, the relationship between the subsystems of Asian summer monsoon is analyzed using U.S. National Centers for Environmental Protection/National Center for Atmospheric Research reanalysis and Climate Prediction Center Merged Analysis of Precipitation monthly mean precipitation data. The results showed that there is significant correlation between the subsystems of Asian summer monsoon. The changes of intensity over the same period show that weak large-scale Asian monsoon, Southeast Asia monsoon and South Asian monsoon are associated with strong East Asian monsoon and decreasing rainfall in related areas. And when the large-scale Asian monsoon is strong, Southeast Asia and South Asia monsoons will be strong and precipitation will increase. While the Southeast Asia monsoon is strong, the South Asia monsoon is weak and the rainfall of South Asia is decreasing, and vice versa. The various subsystems are significantly correlated for all periods of intensity changes.     

影响台湾岛海域的西太平洋台风特征分析

选取台湾岛附近海域(20~27°N,117~125°E)为计算区域,对1949~1999年发生在该海域的西太平洋台风的路径分类、月际变化、年际变化、周期特征、移速和强度等要素进行了气候统计学分析,得出7~9月是台风发生的关键月份,台风发生频次的年际变化表现为下降的趋势,且1995~1999年近5年时间台风频次一直稳定维持在较低水平。用Mann-Kendall方法做突变分析和t检验,没有明显的突变年。利用小波分解技术,计算得出影响台湾岛海域的西太平洋台风年发生频次具有4~6年和13~14年左右的周期。西北行路径西太平洋台风是登陆台湾岛和进一步登陆我国大陆的主要台风,西行路径台风51年来没有登陆我国大陆的记录,转向行路径台风强度最大,平均移速最快。