中国东部大气温湿廓线特征及其对辐射收支计算影响的分析

辐射平衡是气候决定性因素之一, 温湿廓线对辐射计算有重要影响。利用中国东部地区1960—2008年74个探空站资料, 将SBDART（Santa Barbara DISORT Atmospheric Radiative Transfer）辐射传输模式自带的大气温湿廓线和探空测得的实际大气温湿廓线进行对比, 并代入SBDART模式中, 分别计算晴空条件下不同温湿廓线对辐射通量的影响。结果表明:（1）中国东部地区的大气温湿廓线有明显的区域和季节特点;（2）模式地面向下辐射通量与实际相比有较明显差异, 尤其是在东北地区的冬季、中东部地区的夏季和华南地区的冬季, 差值达20—35 W/m2, 相对误差达2.01%—3.18%;（3）在东北地区的冬季、中东部地区的冬季以及华南地区的夏、冬季, 模式计算的大气顶向上辐射通量与实际相比差值达10—22 W/m2, 相对误差可达3.67%—8.94%;（4）模式与实际辐射加热率的差值在0.03—0.29 K/d。研究表明, 模式自带的大气温湿廓线区域和季节划分并不够细致, 不足以代表中国东部地区各个区域及季节的温湿特点。建立一套中国东部地区的大气标准廓线可以为辐射模拟提供更准确的输入量。      

中国区域典型大气廓线样本库的一种选择方法

在模拟大气辐射传输过程、发展大气透过率模式及反演大气参数等许多应用中,大气状态廓线是重要的输入参数,为方便使用,建立具有一定代表性的样本数据库十分必要。目前,国际上有几十种各具特色的大气样本库,但包含中国区域的样本极少。为了弥补国际大气样本库中缺少中国区域大气廓线的不足,以中国区域2002年气象探空资料为基础,利用拓扑学方法建立了包含30条大气温度和湿度廓线的中国区域大气廓线样本库2。通过对所选样本的覆盖区域、观测时间、海拔高度、廓线垂直分布等特征分析,结果表明:该样本库具有样本时空分布均匀、样本独立性和气候代表性好等特点,符合大气样本库建立的基本原则,可为辐射传输研究和业务应用提供大气样本支持。     

中国大气净辐射的气候特征

根据ＥＲＢＥ和ＩＳＣＣＰ资料以及实测和计算和地表净辐射资料进行了计算，并讨论了我国大气净辐射的气候特征；分析了其与各辐射分量及影响因子的关系。结果表明，大气净辐射与大气吸收波辐射有很高的线性关系，并可由此建立起统一的大气净辐射计算式。     

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。     

中国大气短波吸收辐射的气候研究

根据ＥＲＢＥ和ＩＳＣＣＰ资料，以及实测和计算的地表吸收辐射资料，计算并讨论了我国大气短波吸收辐射的时空分布特征；分析了其与各影响因子的关系。结果表明，大气短波吸收辐射随纬度和拔高度变化明显，其与天文辐射、水汽压的相关也很显著，总云量对它的影响仅在东部地区有所反映。     

中国大气向上辐射的气候计算及其分布特征

本文根据1979年5—8月季风试验(MONEX)期间印度8个陆地辐射探空站资料,讨论并提出了各等压面大气向上辐射的气候计算式: U↑=ρT~4[a-bln(1+e)] 该式具有形式简单,拟合精度较高的优点。在此基础上计管并讨论了全国104站500hPa等压面大气向上辐射的时空分布特征,得到一些有意义的结果。     

基于国际大气化学-气候模式比较计划模式数据评估中国沙尘气溶胶直接辐射强迫

目前气候模式对沙尘气溶胶直接辐射强迫模拟仍有很大不确定性,多模式对比有助于定量评估不确定范围。国际大气化学—气候模式比较计划（Atmospheric Chemistry and Climate Model Intercomparison Project,ACCMIP）旨在评估当前模式对短寿命大气成分辐射强迫和气候效应的模拟能力。基于7个ACCMIP模式模拟的中国地区沙尘气溶胶浓度,我们评估了中国区域沙尘气溶胶直接辐射强迫和不确定性范围。结果显示,中国区域沙尘气溶胶年排放总量为215±163 Tg a-1,区域年均地表浓度为41±27 μg m-3,柱浓度为9±4 kg m-2,光学厚度为0.09±0.05。中国区域年均沙尘气溶胶产生的大气顶短波、长波和总辐射强迫分别为-1.3±0.8 W m-2、0.7±0.4 W m-2和-0.5±0.7 W m-2;地表短波、长波和总的辐射强迫值为-1.5±1.0 W m-2、1.8±0.9 W m-2和0.2±0.2 W m-2。沙尘气溶胶长波辐射强迫对沙尘浓度的垂直分布敏感。高层沙尘气溶胶浓度越大,其在大气顶产生更强的正值长波辐射强迫。然而,沙尘气溶胶短波辐射强迫主要受整层沙尘柱浓度控制,对沙尘浓度的垂直分布较不敏感。本文结果可为中国沙尘气溶胶的气候模拟提供参考。     

两种逐线积分辐射模式大气吸收的比较研究

由于缺乏完整的和精确的实验室测量结果, 目前无法判断各种逐线积分方案的最终精度.因此, 逐线积分模式精度的比较基本上只能在模式之间进行.比较了作者研制的快速高效逐线积分大气吸收计算方法(简记为ZS2000), 与国际上用得较多的LBLRTM (Line-By-Line Radiative Transfer Model) .得出: 二者在长波区间向上和向下辐射通量的相对差别对整层大气均小于3.1%, 大气冷却率的绝对差别对整层大气均小于0.13 K·d-1, 处于ICRCCM (Intercompariso     

大气红外窗区(10.5-11.5μm和11.5-12.5μm)辐射传输的敏感性试验

大气窗区卫星红外遥感的辐射资料可应用于地表温度的确定,但必须考虑大气影响。为此,本文利用辐射传输模式和中纬度及青藏高原模式大气,用数值模拟的方法研究了大气和地表状态(大气温、湿廓线、地表温度与高度)的改变对大气顶红外窗区射出辐射的影响以及射出辐射对发射方向(天顶角)依赖关系。主要结论见正文小结。     

基于ERA5的快速辐射传输模式与FY-4A成像仪观测结果的偏差分析

2016年12月发射升空的FY-4A是中国第二代静止轨道气象卫星,该星上搭载了可提供东半球近实时高分辨率卫星观测数据的扫描辐射成像仪——AGRI（Advanced Geostationary Radiation Imager）。在其观测数据应用于大气参数反演或同化前,数据偏差的定量化分析是一个必要环节。采用快速辐射传输模式RTTOV（Radiative Transfer for the TIROS Operational Vertical Sounder）,基于欧洲中期天气预报中心（ECMWF）第5个全球再分析数据产品（ERA5）对AGRI的7个红外通道（通道08—14）进行了模拟,并利用MODIS云检测产品对模拟结果进行了晴空筛选,以期得到一些对AGRI的定量应用有价值的偏差分析结果。观测-模拟（O-B）的偏差分析结果显示:海洋和陆地上,通道10（7.1 μm）存在明显大于其他红外通道的系统性偏差,这很可能来源于ERA5在对流层中层对水汽的高估。通道08为近红外短波通道,地表反射作用影响强烈,陆地上存在较大的平均偏差,而海洋上平均偏差小于0.4 K。通道14在ERA5近地层气温偏高及定标偏差的影响下,海洋存在接近1 K的平均偏差;陆地上存在2 K左右的平均偏差。其余各红外通道在海洋和陆地上的平均偏差分别在0.6和1.3 K以下。偏差影响因子分析结果显示:地表海拔高度、观测天顶角对偏差也存在一定程度的影响;海洋上偏差分布存在季节变化可能来源于再分析资料中海表温度估算的季节性误差。      

影响哈密降雪异常的大气环流及水汽输送特征

利用1960—2020年哈密市6个气象站降雪观测数据及NCEP再分析资料,对哈密市降雪的时空分布特征及降雪异常年的大气环流和水汽特征进行了分析,结果表明：哈密市降雪中部多南北少,降雪日数12月最多,降雪量11月最多;降雪量和降雪日数总体呈增加趋势,但主要在2010年前增加,之后减少;降雪以小雪为主,大雪以上量级降雪较少。降雪偏多时,高层偏西急流增强,急流区北扩,中层伊朗副高加强北抬,极锋锋区南压,脊前低槽南下东移;低层风速增大,出现风向辐合和气旋性切变,地面锋面气旋加强,水汽输送增大,低层水汽含量多。降雪偏少时,高层急流偏弱,急流轴南移,中层西风气流控制,极锋锋区偏北,新疆脊东移,冷空气偏北,低层风速辐散增强,北方气旋偏北偏弱,水汽输送量小,水汽含量也少。     

基于格点资料的四川大气混合层高度特征及与空气质量的关系

基于2018年1月~2020年12月中国气象局陆面数据同化系统（CLDAS）资料,利用罗氏法计算四川省大气混合层高度,分析其时空分布特征,并结合大气环境空气质量监测数据,讨论大气混合层高度变化与空气质量的关系。结果表明：四川省大气混合层高度呈西高东低分布特征。盆地与攀西地区、川西高原大气混合层高度季节变化有显著性差异,盆地春季最高,秋季最低;川西高原和攀西地区秋季最高,夏季最低。四川省各地区大气混合层高度月、日变化趋势基本一致。四川省大气混合层高度与O₃质量浓度呈显著正相关关系,与PM_2.5质量浓度呈显著负相关关系。     

应用区域地基全球定位系统观测分析北京地区大气总水汽量

利用2000年6月1日～8月11日北京地区地基全球定位系统(Globe Positioning System)网遥感大气总水汽量试验的观测资料,分析了北京地区夏季大气总水汽量的时空变化,研究了大气总水汽量与日平均温度、地面水汽压和降水的关系.研究结果表明:大气总水汽量存在明显的时空变化,对于地理位置基本相近的台站,海拔高度的影响比较明显,一般情况下高山站的水汽总量低于平原站;在晴天,地面水汽压与大气总水汽量有较好的相关性,而在云雨日,由于高低层大气湿度的变化常常不同步,用地面水汽压估算的大气总水汽量具有较大的偏差;大气总水汽量短时间内的快速增加往往对应有降水过程出现,但总水汽量的大小与降水量之间并没有明显的相关,在降水预报中应综合考虑总水汽量的前期平均水平、短时的增幅和峰值大小等条件的影响.     

中国区域大气加权平均温度的时空变化及模型

大气加权平均温度Tm是地基GPS水汽遥感的关键参数,决定了水汽反演的精度。利用2008—2011年全国123个探空站点资料,分析了Tm与其影响要素纬度、海拔、地面气温、水汽压及大气压之间的关系,结果表明：Tm与纬度和海拔随季节变化呈周期性负相关,与地面温度和水汽压的自然对数呈正相关,与大气压呈负相关;Tm的空间变化具有纬度地带性和明显的气候分布特征,其变异程度在空间分布上有显著差别,不同地理位置的Tm受季节性影响程度不一,Tm也具有明显的年际周期性变化,年内Tm的每日变化符合二次函数分布规律。按照全国、气候分区和季节分区方法,分别建立了Tm单因子和多因子回归模型,并利用2012年1—5月数据对所建模型进行验证,Tm的估算误差能满足GPS水汽遥感2%的精度,模型普遍适用于我国地基GPS水汽遥感中Tm的估算。     

内蒙古呼包鄂地区近56年来大气环境容量变化特征分析

为探讨内蒙古呼包鄂地区大气对污染物承载能力的变化,科学评价气候变化对大气环境的影响,利用1961—2016年呼包鄂地区8个国家气象站降水量、风速、云量资料,分析了该地区气象条件的变化特征及大气环境容量的时空分布特征,并对大气环境容量与气象要素之间的相关性进行了分析。结果显示:呼包鄂地区大气环境容量1月的最小、4月的最大,春季的>秋季的>夏季的>冬季的,年平均大气环境容量为62.4 t/d/km^2;月、季、年平均大气环境容量呈波动减小趋势,特别是20世纪70年代末期之后减小趋势更为显著;有明显的空间分布特征,由城区向郊区逐渐增大,城郊差异冬季最为明显,夏季差异最小;大气环境容量与降水相关性差,与风速和日最大混合层高度呈显著的正相关关系,特别是与风速相关性更显著,与小风日数呈显著的负相关关系。     

亚洲冬季大气动能的时空演变特征及其与中国冬季降水和温度的关系

利用1968～2008年NCEP/NCAR再分析资料、中国测站的降水量和温度资料,分析亚洲冬季大气动能的时空演变特征,探讨与其对应的大气环流异常特征以及大气动能的变异与我国降水量和温度异常的联系。结果表明:亚洲冬季大气动能的主要变异中心在东亚西风急流区,该地区的冬季大气动能存在明显的年际和年代际变化。冬季,我国中东部至日本以东到西北太平洋上空大气动能的减弱(增强)与对流层中高层东亚西风急流的减弱(增强)密切相关,并可导致我国东部大部分地区降水量的偏多(偏少)和我国东北地区温度的偏高(偏低)。青藏高原西南侧大气动能的增强(减弱)则与该地区对流层中高层南亚西风急流的增强(减弱)有关联,并导致冬季我国东南地区降水量的偏多(偏少)和我国广西、贵州和四川一带温度的偏低(偏高)。在冬季,亚洲大气动能的变化可能主要通过影响亚洲西风急流的变化来造成我国冬季气候的变异。     

河南省近11年大气可降水量变化特征

利用2000-2010年1°×1°的NCEP FNL分析资料,分析了河南大气可降水量的时空分布特征及变化趋势。结果表明：河南省年大气可降水量为270.48 kg/m2,从西北向东南逐渐增加。可降水量季节变化显著,夏季最大,月平均为41.77 kg/m2;冬季最少,月平均为8.54 kg/m2。1月份大气可降水量最少,平均为8.04 kg/m2;7月最多,平均为47.19 kg/m2。11 a来,大气可降水量最多年份是最少年份的1.12倍,大气可降水量年际变化特征不明显,总体上有所减少。     

中国地区夏季平均加热率的时空分布特征

The latitude-altitude distributions of radiative fluxes and heating rates are investigated by utilizing CloudSat satellite data over China during summer. The Tibetan Plateau causes the downward shortwave fluxes of the lower atmosphere over central China to be smaller than the fluxes over southern and northern China by generating more clouds. The existence of a larger quantity of clouds over central China reflects a greater amount of solar radiation back into space. The vertical gradients of upward shortwave radiative fluxes in the atmosphere below 8 km are greater than those above 8 km. The latitudinal-altitude distributions of downward longwave radiative fluxes show a slantwise decreasing trend from low latitudes to high latitudes that gradually weaken in the downward direction. The upward longwave radiative fluxes also weaken in the upward direction but with larger gradients. The maximum heating rates by solar radiation and cooling rates by longwave infrared radiation are located over 28-40°N at 7-8 km mean sea level (MSL), and they are larger than the rates in the northern and southern regions. The heating and cooling rates match well both vertically and geographically.