大气臭氧垂直分布的电化学测量

用球载电化学O_3探空仪于1990年6月20日测量了0—32km高度范围内大气臭氧的垂直分布.结果表明,大气臭氧的垂直分布具有多层次结构,在25km附近臭氧分压达最大值.从臭氧廓线推算出大气柱臭氧总含量为327.8D.U.     

变分伴随方法应用于大气化学初值和参数反演研究

将结合正则化思想的变分伴随方法应用于大气平流层中臭氧破坏催化反应过程的浓度初始值和反应速率参数的反演问题,推导了在整体资料和末端时刻局部资料反演的伴随模式和泛函梯度,并进行了一组理想数值试验.试验结果表明了变分伴随方法运用于大气化学过程的反演研究的有效性,特别是局部资料联合反演中可以运用正则化思想克服反演的不适定性.     

红外超光谱资料(AIRS)反演“云娜”台风外围晴空大气温度廓线的研究

研究反演了2004年8月11日“云娜”台风附近晴空像元大气温度、臭氧廓线及表层温度、地表气压、地表比辐射率等参数,并与观测资料进行了对比验证。在研究了用高空间分辨率的MODIS成像仪的云检测信息来进行空间匹配,客观确定高光谱大气垂直探测器AIRS的云检测的基础上,用特征向量统计法反演的廓线作为物理反演法的初始猜值,然后利用牛顿非线性物理迭代法求解表层温度、表层气压、大气温度廓线和臭氧廓线等,并将反演结果与多种观测资料进行了对比验证。结果表明,反演得到的廓线水平分辨率可达到13.5 km（星下点）,垂直分辨率达到101层,反演误差较小,可以弥补高原、沙漠以及高原等地方常规观测资料的不足。     

近地层大气气溶胶对曙暮光辐射强度和天空颜色的影响

采用离散坐标法(DISORT)辐射传输软件包UVSPEC的伪球面模式,计算了300～850 nm波段曙暮光时期地面不同观测仰角的辐射强度和天空颜色.模式选取美国标准大气(U.S. 1976),考虑多次散射效应及水汽、臭氧和二氧化碳的吸收.分析研究了近地层大气不同气溶胶光学厚度时曙暮光天空辐射强度和颜色指数随太阳天顶角和观测仰角的变化.结果表明,曙暮光时天空的红蓝光颜色指数随近地层大气气溶胶光学厚度的变化显著.此方法理论上可以用于近地层气溶胶光学厚度的反演测量.     

平流层和中层大气研究的进展

平流层和中层大气研究是20世纪70年代以来持续得到大气科学界和日地物理界共同关注的研究前沿.中国科学界在文化大革命结束后立即抓住这一前沿作为发展重点之一.20多年来,中国科学院大气物理研究所等单位较为系统地开展了这一方向的研究,并在一些方面进行了前沿性的工作.作者着重介绍以下几方面的进展:(1)平流层和中层大气探测设施与探测方法;(2)大气臭氧、平流层气溶胶的监测与分析;(3)行星波在中层大气环流与大气臭氧分布中的作用;(4)重力波在中层大气的传播特征与作用;(5)平流层-对流层交换的动力物理与化学问题.     

探测大气参数的GPS／MET方法

文章介绍了美国在近年发展起来的一种新的遥测地球大气的方法－ＧＰＳ／ＭＥＴ，它是ＧＰＳ导航定位技术与无线电掩星技术相结合的产物，文中比较详细的描述了ＧＰＳ／ＭＥＴ反演折射率和大气参数的方法和步骤，从国外得到的初步反演结果可看出，在５－４０ｋｍ之间，反演出的温度廓与探空资料吻合得到很好，而在５ｋｍ以下和４０ｋｍ以上，反演的结果误差较大，ＧＰＳ／ＭＥＴ探测系统的进一步发展，可能会对天气预报和全球变化研究     

北半球春季大气臭氧变化特征及其对大气温度和环流场的影响

该文利用美国1978～1993年TOMS臭氧资料以及NCEP提供的全球再分析资料,研究北半球大气臭氧变化特征及其对大气温度和环流的影响.研究表明1987年前后北半球40°N以北的中高纬地区春季大气臭氧柱总量的趋势变化存在明显的突变,大部分地区突然减少,与其相对应的对流层(平流层)平均温度突然升高(降低),300 hPa(30 hPa)层位势高度也突然增高(下降).但是在北大西洋北部和哈德逊湾地区大气臭氧柱总量却突然增加,与其相对应的对流层(平流层)平均温度突然降低(升高),300 hPa(30 hPa)位势高度突然下降(增高),平均温度突然升高(降低 )1～2°C.研究还表明,大气温度和环流的趋势变化主要是由于大气臭氧的趋势变化所引起.另一方面,在同一地区1979～1992年春季大气臭氧柱总量强弱异常年的大气温度场和环流场的差异也存在相同的分布特征,这一事实进一步说明大气臭氧柱总量的多少是决定大气温度场和环流场差异的重要原因.     

漠河地区臭氧的观测和计算

1997年3月上旬,在黑龙江漠河地区对地面和整层臭氧、太阳辐射等进行了短期观测,以初步了解该地区臭氧和辐射的变化规律以及它们之间的相互关系.研究发现,漠河地区近地面臭氧日变化明显,其峰值出现在每日10:00(北京时间)左右,并早于紫外辐射(UV)峰值出现时间.整层大气臭氧总量的日变化特征不明显.基于UV能量守恒,建立了臭氧与其影响因子-光化学、散射、UV等因子之间较好的定量关系和经验模式,并将其用于计算地面、整层大气臭氧小时值和日平均值.结果表明,计算值与观测值吻合的都比较好,它们相对偏差的平均值分别为:地面臭氧小时值(11.9%)和日平均值(9.0%);整层大气臭氧小时值和日平均值-7.4%、1.8%.因此,地面和整层臭氧的经验算法是合理和可行的.利用散射辐射/直接辐射(D/S)和散射辐射/总辐射(D/Q)可以描述大气中的物质如气溶胶、云等的散射作用.采用D/Q表示散射作用可以提高地面臭氧和整层大气臭氧计算的准确度,特别是对云量较大的情况.       

北极臭氧垂直分布和天气尺度变化的观测研究

北极地区臭氧对北极气候和环境系统起着重要作用。研究其分布和变化有助于了解北极的气候和环境及其对全球气候系统的影响,有助于气候和环境变化的数值预报。中国北极科学探测1999在北冰洋楚可奇海域成功的进行了大气臭氧观测。通过在中国“雪龙”号破冰船甲板上（于1999年8月18-24日在75°N,160°W附近处）释放大气臭氧探空仪获得了高分辨率的大气垂直结构和臭氧分布资料,可以进行大气尺度的大气臭氧变化研究。分析大气监测资料、TOMS臭氧总量资料和NCEP大气环流资料表明,大气臭氧总量随着对流层顶的低一高一低变化呈高一低一高的变化过程。研究还表明,大气柱的臭氧总量与13公里以下的大气臭氧含量关系密切,而在约20公里处的大气臭氧浓度最大值的变化与整个气柱臭氧的关系不大。500 hPa天气形势图上一个弱一强一弱的西南天气型造成的弱臭氧平流可能是这次臭氧变化的主要原因。     

AIRS晴空大气温度廓线反演试验

2002年5月发射的Aqua是美国地球观测系统中的第2颗卫星EOS-2(Earth Observing System),它携带的大气红外探测仪AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)是目前国际上最先进的超高光谱分辨率红外大气垂直探测仪.1200的光谱分辨率和全球覆盖能力使其可以观测全球大气状态及其变化.对其超高光谱分辨率资料的处理和应用的研究既有科学意义,又有实用价值.利用AIRS实际观测资料反演大气温度,本文使用的是便于处理大数据量的统计反演方法中的特征向量法,计算回归系数使用的是AIRS观测辐射值和T213数值预报分析场.本文从通道个数、地形及地表发射率影响、增加预报因子、国外同类产品比较等4个方面进行了大气温度反演试验研究.研究结果表明:(1)在利用超高光谱分辨率仪器进行反演时,合理选择通道是非常必要的;(2)AIRS反演的大气温度在对流层顶和中上层具有较高的精度,在对流层低层,尤其是近地面反演精度不够理想;(3)增加地表温度,地表发射率和地形3个预报因子,可以提高近地面的反演精度;(4)文中反演的大气温度精度与国外同类产品精度基本一致.     

Potential of occultation atmospheric sounding using an extended radiation source

A possibility is considered of measuring the ozone in the upper atmosphere of the Earth using solar occultation sounding without mechanical scanning of the solar disk. The estimates are given of the error and vertical resolution of atmospheric transmission function profile retrieved from the solar radiation measurements carried out by the instrument with the field of view of more than 0.5°. These algorithm elements are computed using the Backus-Gilbert method. It is shown that using the measurements in UV spectrum region carried out in this way, it is possible to retrieve transmission functions with the vertical resolution of 3–4 km and error of not more than 0.003.     

晴空或少云状况下紫外辐射强度及指数预报模式

在大气辐射传输理论的基础上，利用中分辨率大气辐射传输系统，应用可测得的实际大气物理参数，建立睛空或少云天气状况下石家庄市紫外波段（280-400nm)辐射强度及指数预报模式，考虑了臭氧的两个吸收带。晴空条件下的散射主要考虑了分子和气溶胶的多次散射，少云时还考虑了云对紫外辐射的影响。其中多次散射的计算采用子离散坐标法。且对由于臭氧实时资料的短缺造成的误差进行了系统订正，并将订正结果与实况资料进行了对比。结果表明，由模式客观预报紫外辐射强度是可行的。     

The effect of ozone and aerosols on the surface erythemal UV radiation estimated from OMI measurements

Surface erythemal UV radiation is mainly affected by total column ozone, aerosols, clouds, and solar zenith angle. The effect of ozone on the surface UV radiation has been explored many times in the previous studies due to the decrease of ozone layer. In this study, we calculated the effect of aerosols on the surface UV radiation as well as that of ozone using data acquired from Ozone Monitoring Instrument (OMI). First, ozone, aerosol optical depth (AOD), and surface erythemal UVB radiation measured from satellite are compared with those from ground measurements. The results showed that the comparison for ozone was good with r ² of 0.92. For aerosol, there was difference between satellite measurements and surface measurements due to the insufficient information on aerosol in the retrieval algorithm. The r ² for surface erythemal UV radiation was high (～0.94) but satellite measurements showed about 30% larger values than surface measurements on average by not considering the effect of absorbing aerosols in the retrieval process from satellite measurements. Radiative amplification factor (RAF) is used to access the effect of ozone and aerosol quantitatively. RAF for ozone was 0.97～1.49 with solar zenith angle. To evaluate the effect of aerosol on the surface UV radiation, only clear-sky pixel data were used and solar zenith angle and total column amount of ozone were fixed. Also, RAF for aerosol was assessed according to the single scattering albedo (SSA) of aerosols. The results showed that RAF for aerosol with smaller SSA (< 0.90) was larger than that for with larger SSA (> 0.90). The RAF for aerosol was 0.09～0.22 for the given conditions which was relatively small compared to that for ozone. However, considering the fact that aerosol optical depth can change largely in time and space while the total column amount of ozone does not change very much, it needs to include the effect of aerosol to predict the variations of surface UV radiation more correctly.     

Parameterization of Ozone Photolysis Frequency in the Lower Troposphere Using Data from Photodiode Array Detector Spectrometers

Spectroradiometers using photodiode array detectors (PDAs) are increasingly applied for airborne and ground-based atmospheric measurements of spectral actinic flux densities due to their high time resolution (less than one second). However they have limited sensitivity of ultraviolet (UV) radiation for wavelengths less than about 305 nm. This results in uncertainties of ozone photolysis frequencies derived from spectral actinic flux density measurements using PDA spectrometers. To overcome this limitation a parameterization method is introduced which extrapolates the data towards the wavelength range of limited sensitivity of the PDA spectrometers (less than about 305 nm). The parameterization is based on radiative transfer simulations and is valid for measurements in the lower troposphere. The components of the suggested parameterization are the lower threshold wavelength of the PDA spectrometer, the slant ozone column (ratio of the total ozone column and the cosine of the solar zenith angle), and the ambient temperature. Tests of the parameterization with simulated actinic flux density spectra have revealed an uncertainty of the derived ozone photolysis frequency of ±5%. Field comparisons of the parameterization results with independent measurements of the ozone photolysis frequency were within ±10% for solar zenith angles less than 70^∘. Finally the parameterization was applied to airborne measurements to emphasize the advantage of high time resolution of PDA spectrometers to study ozone photolysis frequency fields in inhomogeneous cloud condtitions.     

太阳准周期变化对北半球夏季平流层加热率的影响

采用1979—2013年6—8月欧洲中期数值预报中心ERA-Interim逐月再分析资料和2004—2010年6—8月美国国家大气和海洋管理局太阳光谱辐照度资料,利用北京气候中心大气辐射模式,计算了北半球平流层夏季臭氧加热率(Ozone Heating Rate,OHR)和净加热率(Net Heating Rate,NHR),分析了太阳准11 a变化中太阳活动强年与弱年纬向平均OHR(NHR)的差异,并讨论了差异形成的原因。结果表明:太阳活动强年比弱年的紫外辐射明显要强,导致OHR、NHR整层增强,且随高度增加而增加;臭氧浓度在平流层下层较小,在平流层上层较大,该变化导致OHR、NHR有类似的变化型,且稍向高处偏移;OHR、NHR在平流层上层的变化,由紫外辐射和臭氧共同作用,其他地区均为臭氧起主要作用。     

Determining the main atmospheric factor on ozone concentrations

This paper presents techniques for studying the influence of the atmospheric variables for the explanation of ozone concentrations. A methodology is described for separating the different time scale components in time series of ozone, namely, the global-term component which describes the long and seasonal variations, and the synoptic-scale component. We prove that the decomposition of the time series of ozone and other atmospheric variables is essential for the analysis. The results indicate that solar radiation is the only main factor between all the atmospheric variables for the global and the synoptic-scale component of the ozone time series. Most of the total variance of ozone can be explained by the atmospheric variables, which makes possible the precise estimation of human effect on ozone. In case the solar radiation data are not available, lagged temperature can be used as a supplement of solar radiation.     

GPSO3和Vaisala臭氧探空仪平行施放比对结果的初步分析

为促进中国大气臭氧高空探测业务化进程，中国科学院大气物理研究所和中国气象局监测网络司联合组织了对国产GPS数字化大气臭氧探空仪（GPSO3）和芬兰Vaisala 公司产大气臭氧探空仪(Vaisala)主要技术性能的比对。现场平行施放比对于2002年1月在北京进行，共施放了7对臭氧探空仪。对两类大气臭氧探空仪现场平行施放比对试验结果的分析表明，两种臭氧探空仪所获得的大气中臭氧浓度随高度的变化特征之间有很好的一致性。在12～27 km高度范围内，两种探空仪臭氧测值之间的相对误差平均在10％以内，而在10 km以下和27 km以上，GPSO3探空仪的臭氧测值偏高。本文介绍了比对方法，分析了两类探空仪对臭氧廓线某些特征值的比对结果并讨论了平行施放比对时气球升速的差异可能对臭氧测值带来的影响。     

Role of Ozone Deposition in the Occurrence of the Spring Maximum

Abstract

A hypothesis has been formulated on the basis of experimental data presented in this article. According to the hypothesis, occurrence of the spring surface ozone maximum at mid-latitudes results from a delay in snow-cover melt. The data were collected at ozone stations in Minsk (Belarus) and Preila (Lithuania). Because the measurements of surface ozone concentration are quite different, despite the close proximity of the stations, a conclusion can be drawn about the significant influence of meteorological parameters on measurements. In addition to a rather subjective and poorly defined parameter—time of snow melt—the difference between the average March temperature and a climatological mean may be treated as a criterion for the presence or absence of the spring ozone maximum.     

云天地表总辐射和净辐射瞬时值的计算方法

为减少计算机时,满足实时预报要求,全球数值预报模式中的辐射计算频率通常设定为三小时。这样处理会大大减少计算量,但也同时导致较大辐射日变化偏差,并影响模式对地面能量平衡,对流及降水的模拟。为改进这一缺陷,我们开发了一种辐射快速计算方案,可用于计算瞬时地面太阳总辐射和净辐射,使到达地面的太阳辐射计算可与模式积分同步进行,从而改善地面太阳辐射日变化模拟。本文介绍云天的计算方法。该方案所用的输入变量均为预报模式或卫星观测所能提供的量。结果表明：该方案既可用于数值预报模式也可利用观测资料独立计算地面太阳辐射。经与美国能源部大气辐射观测资料检验,该方案的精度很高,地面总辐射瞬时值的平均计算误差小于7%。     

Impacts of the atmospheric apparent heat source over the Tibetan Plateau on summertime ozone vertical distributions over Lhasa

青藏高原(TP)是一个对气候变化敏感的地区,其上空的臭氧分布影响着青藏高原及其周边地区的大气环境,北半球夏季青藏高原上空臭氧柱总量相对较低的现象,及其时空变化受到广泛关注.本研究利用北半球夏季5年的拉萨上空臭氧的气球测量数据,研究高原上空大气视热源(Q1)对臭氧垂直分布的影响并探讨了该过程的机制.结果表明,当TP上空对流层整体的Q1相对较高时,拉萨上空对流层臭氧浓度下降.大气更强的上升运动伴随着TP主体区域上空的Q1的增大.因此,当夏季Q1较高时,由于近地表低浓度臭氧空气向上输送,拉萨上空的对流层臭氧浓度下降.