大连地区一次沙尘过程的激光雷达观测研究

利用激光雷达、PM10观测、地面及探空等综合观测资料,针对大连地区2006年4月7—8日的沙尘过程,基于Fernald积分法反演了沙尘过程气溶胶消光系数,分析了沙尘过程的时空分布特征及沙尘气溶胶的垂直结构,并对沙尘严重影响地面的原因进行了初步探讨。结果表明,激光雷达探测可以精确反映沙尘气溶胶的垂直结构和时空变化信息,并且能弥补人工气象观测的不足;此次沙尘影响高度较低,主体过境时沙尘层中心高度小于0.5 km。沙尘层内消光系数最大达到0.96 km-1;激光雷达反演得到的180 m高度处的气溶胶消光系数与地面PM10浓度吻合较好;沙尘影响地面时,地面PM10浓度增大,相对湿度明显降低。大气低层逆温和近地面风速等气象条件对沙尘影响地面的时间和程度有很大作用。     

激光雷达在沙尘观测中的应用——2004年春季北京和呼和浩特沙尘天气的解析

2004年春季（2003年12月至2004年5月）利用激光雷达在北京和呼和浩特对沙尘天气进行了连续观测。利用激光雷达的数据导出了沙尘和大气污染物气溶胶消光系数的关系,对两个地点的沙尘天气特征和大气污染特征进行了探讨。该期间在呼和浩特观测到较大型的沙尘事件（消光系数大于0.3·km-1）有9次,这些起源于蒙古国/内蒙古的沙尘事件晚于呼和浩特6~10 h在北京被观测到。在呼和浩特观测到的沙尘云块的高度普遍较低（由地表至高空1~2 km）,而在北京较高一般可达到2~4 km,同一沙尘事件的最高浓度（消光系数）是呼和浩特高于北京。在北京观测到的沙尘天气共有17次,其中包括数次小规模的沙尘事件在呼和浩特未观测到。从北京及呼和浩特的观测结果可以看出,北京地区3~5月沙尘的背景浓度高于呼和浩特,北京地区具有明显的区域规模大气污染特征,而呼和浩特只具有局部规模的大气污染特征。     

半干旱荒漠化草原春季边界层特征的一次综合探测

利用“沙尘气溶胶辐射模型及气候环境生态效应研究”项目加强观测期在二连浩特气象站进行的温、风、湿探空观测资料及架设在朱日和气象站的气象激光雷达资料,采用综合评定法分析了内蒙古半干旱荒漠草原地区大气边界层的厚度、结构特征和变化规律,同时利用气象激光雷达回波资料及气溶胶消光系数在垂直高度上的分布特征,确定了朱日和地区边界层的高度及日变化特征。结果显示,用探空资料综合评定得到的二连浩特地区大气边界层总体厚度偏大,边界层最大厚度达到2 300 m,稳定边界层高度在300 m左右;1 000 m附近为风向的转变高度,其下全为偏东风,其上全为偏西风,边界层风速切变较大;午后到夜间,近地层有东风急流出现,急流最强可达12 m·s-1,急流高度在300 m;在600 m高度附近出现逆湿,低层逆湿现象夜间比白天显著。气象激光雷达资料显示,朱日和地区春季晴日混合层最大厚度可达2 400 m,出现在16:00左右。     

东亚沙尘源区晴空和云上沙尘气溶胶特征

利用2006年6月至2012年12月的CALIPSO Level 2 VFM产品、5 km分辨率的Aerosol Profile、Cloud Layer产品以及MISR反演的产品,揭示了东亚地区不同高度层上沙尘的时空分布特征,重点对比分析了东亚沙尘源区晴空和云上沙尘的垂直分布特征、消光系数和光学厚度。结果表明：塔克拉玛干沙漠和戈壁沙漠是东亚沙尘的主要源区,沙尘出现频率具有显著的季节差异,春季最多,夏秋相当,冬季最少,无论在晴空还是有云条件下,前者出现频率大于后者。对于同一地区而言,云上沙尘出现的最大高度较晴空沙尘更高。塔克拉玛干沙漠云上沙尘消光系数高值区集中在2~4 km,而戈壁沙漠则集中在3~5 km,但是在云层之上晴空和云上沙尘消光系数差别不大。塔克拉玛干沙漠以沙尘气溶胶为主,约占总气溶胶光学厚度的77%,晴空和云上沙尘光学厚度平均值分别为0.22和0.15;戈壁沙尘气溶胶约占总气溶胶光学厚度的52%,晴空和云上沙尘光学厚度的平均值分别为0.09和0.06。     

激光雷达探测南极平流层云

１９９３年中国南极中山站（６９°２２＇Ｓ，７６°２２＇Ｅ）的一台波长为０．６９４μｍ的激光雷达对平流层进行了５３次探测，从激光大气回波信号计算出平流层气溶胶后向散射比的垂直分布和１２～３０ｋｍ高度范围内的积分后向散射系数。探测结果表明因受菲律宾Ｐｉｎａｔｕｂｏ火山爆发的影响，１９９３年南极地区平流层气溶胶粒子含量比１９９０年明显增加，证实了南极冬季平流层云的存在。平流层气溶胶为两层结构，１２ｋｍ附近高度上始终存在着一层厚度为数公里的气溶胶层，２５ｋｍ附近高度的一层变化较大。     

基于FY4A AGRI数据的气溶胶光学厚度反演研究

通过遥感技术反演气溶胶光学厚度,对于全面、动态监测大气污染时空变化具有科学价值和实践意义。基于我国新一代静止气象卫星FY4A获取的2018年4-10月AGRI蓝光波段数据,以京津冀地区为研究区,在交叉辐射定标基础上,利用深蓝算法开展气溶胶光学厚度反演研究,并将反演结果与相近时刻的MODIS气溶胶产品进行对比分析。结果表明:FY4AAGRI蓝光波段反演的气溶胶光学厚度与MODIS产品在空间分布上具有较好的一致性,且AGRI图像反演结果能够更好地反映气溶胶光学厚度的空间分布细节,其中AGRI传感器蓝光波段辐射定标精度、与MODIS成像时刻角度差异、地表反射率准确性等是影响AGRI气溶胶光学厚度反演精度的主要因素。     

基于卫星遥感的中国西北地区沙尘天气发生机理及传输路径分析

利用CALIOP/CALIPSO以及OMI/Aura卫星资料,结合HYSPLIT后向轨迹模式,分析了2009、2010、2011年4月下旬西北3次沙尘暴过程中高空流场分布、沙尘气溶胶的垂直分布以及输送气流轨迹.蒙古气旋和冷锋是导致沙尘天气的主要系统,在对流层的中下层区域,沙尘气溶胶在混合型天气系统下主要分布在0～7 km,自西向东移动;在纯冷锋型天气系统下,沙尘气溶胶则主要分布在0～4 km,自西向东南移动;两种天气系统在发展最强烈时,沙尘气溶胶的垂直分布高度均在3 km以上,退偏振比为0.5左右,双波信号比为1.0以上;在沙尘天气减弱时,沙尘气溶胶的垂直分布高度在0～2 km,退偏振比为0.3,双波信号比为0.8左右.混合型天气沙尘气溶胶主要垂直分布高度为3～7 km,较纯冷锋型沙尘粒子高.     

沙尘天气下黑河流域大气长波辐射遥感估算

由于沙尘气溶胶散射和吸收机制的复杂性,目前还没有成熟的可应用于沙尘天气的大气长波辐射反演算法。通过对比分析常见的沙尘、城市、乡村、海洋气溶胶对大气长波辐射强迫和MODIS通道辐亮度影响的基础上,提出利用气溶胶光学参数对线性模型进行修正,构建了适用于沙尘气溶胶条件下的大气长波辐射估算模型,并利用黑河流域4个观测站点(花寨子荒漠站、混合林站、黑河遥感站和张掖湿地站)实测数据对模型的应用能力进行检验。结果表明：4个站点遥感反演的大气长波辐射均方误差为17.1～20.4 W·m^-2,偏差为-12.3～-1.8 W·m^-2。由于考虑了沙尘气溶胶的光学厚度变化和辐射强迫效应,修正后的模型可显著提高沙尘气溶胶影响下大气下行辐射的反演精度,减少长波辐射应用中的不确定性,对干旱区地表能量收支研究提供了重要参考。     

利用EP/TOMS气溶胶指数分析中国和韩国的沙尘天气过程

利用 EP/TOMS卫星反演气溶胶指数、卫星云图和天气形势,研究了沙尘天气对大气气溶胶的贡献以及中国和韩国沙尘天气过程的强度及其演变。结果表明,TOMS气溶胶指数高值对应着沙尘天气的出现地区,可以判别和监测大规模沙尘天气,而且TOMS气溶胶指数能结合卫星云图、大气环流分析,对沙尘天气的影响范围和传输路径进行有效地预报。另外气溶胶指数能排除云的影响并准确地检测到云覆盖的地区。     

基于CALIPSO星载激光雷达的中国沙尘气溶胶观测

基于2006年6月至2012年5月无云条件下CALIPSO星载激光雷达观测资料,分析中国典型地区（塔克拉玛干沙漠、柴达木盆地、戈壁区和华北）沙尘气溶胶分布。结果表明：塔克拉玛干沙漠和戈壁区为沙尘天气发生频率高值区,且前者在各高度层的沙尘发生频率都大于后者。沙尘发生呈季节性分布。塔克拉玛干沙漠在春季沙尘发生频率最大,抬升最高可至10 km,冬季频率最小,高度最低,主要分布在3 km以下。戈壁区在春季沙尘发生频率、抬升高度最大,冬季抬升高度最低,但低层发生频率大于夏、秋两季。在塔克拉玛干沙漠,沙尘光学厚度春季最大约为0.44,冬季最小约为0.17,春,冬季消光系数峰值最大,可达0.25 km^-1,且随高度的递减率大于夏,秋季。在戈壁区和柴达木盆地,沙尘光学厚度春季最大、秋季最小。在华北,沙尘光学厚度春季最大、夏季最小,消光系数在2 km以上春季最大,这主要是由于春季远距离高空传输到华北的沙尘量最多。塔克拉玛干沙漠与柴达木盆地的退偏比为0.2~0.35,戈壁区为0.16~0.28,可能是由于塔克拉玛干沙漠的物质组成与柴达木盆地相同,而与戈壁区不同。华北因低层沙尘与其他气溶胶混合导致退偏振比廓线随高度递增。4个区域对流层上部退偏比全为0.2,表明高空气溶胶可能为来自相同源区的沙尘。     

陕西省榆林市秋冬季黑碳观测研究

利用2011年秋冬季榆林大气成分站黑碳浓度、颗粒物质量浓度、大气能见度、地面气象资料,计算边界层高度、气溶胶吸收系数、大气消光系数,导出单次散射反照率,并对其进行分析讨论。结果表明：（1） 榆林秋冬季平均黑碳浓度为2.6 μg·m^-3。（2）黑碳占颗粒物质量浓度PM_1.0比值为10.6%,黑碳与颗粒物质量浓度PM_1.0、PM_2.5、PM₁₀相关系数分别为0.91、0.91、0.72。（3）黑碳浓度受边界层高度影响,沙漠风场对黑碳的堆积输送起主导作用。（4） 榆林地区气溶胶吸收系数与大气消光系数比值为16.8%。（5）单次散射反照率平均值为0.72。     

基于卫星资料的气溶胶对冰云影响及分布特征分析

通过利用2010年1月—2016年12月CALIOP(the Cloud-aerosol lidar with orthogonal polariz?ation)冰云和气溶胶3级月平均产品和MODIS(Moderate-resolution imaging spectroradiometer)大气3级日平均产品研究气溶胶和冰云空间分布特征及气溶胶对冰云的影响。结果表明:纬度与冰云的分布密切相关,在热带附近的高空区域冰云样本数存在极大值区,随着纬度增加,冰云样本数的最大值和大值区所处的高度也在逐渐减小,且南北半球存在差异;气溶胶在地面附近以赤道为对称的低纬度地区存在极大值,北半球气溶胶能发展到5 km左右,而南半球在3 km左右;气溶胶与冰云随时间变化趋势较为一致,冰水含量和冰云粒子半径随时间变化存在相反的关系,气溶胶与冰水含量和冰云粒子半径的变化在时间上没有较好对应;清洁区域由于海盐粒子作用表现出较大的气溶胶光学厚度,但这不影响清洁区具有较小的冰云光学厚度;气溶胶促进了0℃~-10℃和-20℃~-40℃之间的冰云形成;随着温度降低,云中冰水含量减小,冰云粒子半径增大,在污染区域,冰水含量相对于清洁区域更小,冰云粒子半径也小于清洁区域。     

卫星数据和地面观测结合的珠三角地区颗粒物质量浓度统计估算方法

利用卫星观测的气溶胶光学厚度资料和模式模拟数据,与地面颗粒物观测资料结合,探讨近地面颗粒物质量浓度的估算方法。具体包括：利用区域气侯模式RAMS（Regional Atmospheric Modeling System）模拟的边界层高度对气溶胶光学厚度进行垂直订正,获得近地面颗粒物消光系数;利用模式模拟的相对湿度和颗粒物吸湿增长经验模型对消光系数进行湿度订正,获得近地面颗粒物干消光系数;并基于干消光系数与颗粒物质量浓度地面站点资料建立的统计关系估算获得每个像元的颗粒物质量浓度。利用地面站点观测的颗粒物浓度资料验证表明,基于卫星资料可以获得近地面颗粒物质量浓度,而且细颗粒物质量浓度具有更好的估算精度。     

乌鲁木齐市城区和郊区近地层比湿分布和廓线特征

利用乌鲁木齐市城区和郊区的5座100 m气象铁塔10层比湿数据和乌鲁木齐气象站L波段探空雷达资料,详细分析了边界层2 km内比湿廓线特征,城区和郊区近地层比湿季节变化和日变化特征,揭示了乌鲁木齐逆湿的原因,得出以下结果：（1） 乌鲁木齐市比湿季节差异明显,冬季最小,春季、秋季稍大,夏季最大,夏季比湿约为冬季的4~5倍,但秋季仅比春季大1 g·kg^–1。除冬季外,比湿均随高度增加而趋于减小,夏季减小最显著,冬季比湿的垂直变化很小。比湿廓线极小值白天和夜间出现高度相近,且有多个极小值。夏季和冬季比湿日变化最大,且位相相反;夏季夜间大、白天小,冬季与之相反。冬季,郊区比湿小于城区;其余季节城、郊比湿差异不明显。（2） 2 km内存在逆湿现象,逆湿出现概率高于35%,概率1月最大、7月最小。1月逆湿最大高度超过1 500 m,7月逆湿最大高度可达到1 900 m,且最大厚度可达到1 550 m。逆湿强度最大在7月和10月可达2. 5 g·kg^–1·（100 m）^–1,而1月最小。（3） 1月逆湿往往与逆温相伴随,逆温层改变了水汽的垂直分布结构,从脱地逆温层顶起出现逆湿现象,逆湿还与水汽输送有关。本研究可以有效地揭示空气湿度的季节特征,为研究城市大气污染形成的气象因素提供了一个思路。