沙漠地区土壤质地对不同频点微波地表发射率反演和模拟的影响

首先运用先进微波扫描辐射仪(AMSR-E)资料反演了北非沙漠地区晴空条件下的地表微波发射率。然后根据不同的土壤类型,进一步分析了沙漠地表微波发射率频谱特性,并将增加土壤质地信息前、后的翁(Weng)氏微波地表发射率模型(2001)的模拟结果和反演结果进行了比较。结果表明,沙漠地表发射率与土壤质地密切相关,随土壤颗粒大小的不同变化明显。在沙漠土壤类型中,以大颗粒为主的土壤类型,其水平(垂直)极化的发射率通常随频率提高而增大(减小);而对于以较小粒子为主的沙漠土壤类型,地表发射率几乎为常数,或水平(垂直)极化的发射率随频率提高略有减小(增大)。并且,发射率的季节性特征明显,特别是以小颗粒组成的土壤,其水平极化的发射率比垂直极化的发射率表现出更强的季节性变化。以上这些发射率特征与翁氏模型模拟结果一致。此外,在翁氏模型的输入参数中增加土壤质地信息(土壤组分含量、粒径尺度)改善了翁氏模型在沙漠地区的模拟结果,特别是对于包含大量小粒子的沙漠土壤类型,如黏土和黏质壤土,模拟误差从6%9%降低至4%以下。由于翁氏模型是美国国家环境预报中心(NCEP)全球同化和预报系统的重要组成部分,对翁氏模型的改进将提高沙漠地区卫星资料的利用率并有望改进数值天气预报的准确度。     

塔克拉玛干沙漠地表发射率及分布变化特征

通过利用便携式傅立叶变换热红外光谱仪,对冷热黑体辐射和漫反射金板辐射校正,测量波长在8–14 μm的热红外大气窗口的地表辐射光谱,计算出地表的发射率光谱,再转换成地表的发射率值(ε)。为获得塔克拉玛干沙漠精确的ε,沿着沙漠公路,从南至北穿越沙漠,平均每50 km进行一次测量,获得了沙漠地表发射率的分布变化特征。结果表明：靠近绿洲的地表发射率值最高,达到0.93,绿洲与沙漠过渡带的值为0.91–0.92,沙漠其它地区的值为0.90–0.91,而沙漠中心区接近0.89。     

全球微波陆表发射率产品质量评估及优化

全球微波陆表发射率（MLSE）地图集是目前卫星资料同化观测算子中的重要初猜值或模拟值,但由于缺乏“真实”的观测MLSE,已有的基于多种微波传感器制作的全球MLSE产品质量可靠性未知,而且还缺少1套质量较好频率覆盖范围较宽的全球MLSE数据集。选择大气快速辐射传输模型（RTTOV）中使用的3套MLSE地图集（SSMI/S、AMSU-A/B、ATMS）、TELSEM2工具背景数据集、2套AMSR-E数据集（AMSR-E1和AMSR-E2）和1套FY-3D数据集,基于统计分析技术开展7套MLSE产品的全球时、空一致性评估,并选择6种典型土地覆盖类型开展各产品MLSE随土地覆盖类型和频率变化一致性评估,并在MLSE产品优选的基础上对TELSEM2发射率产品进行优化,新建1套频率为6.925—150.0 GHz的全球MLSE数据集（CoTELSEM2）。研究结果显示：AMSR-E2几乎不可用,AMSR-E1、TELSEM2、SSMI/S、AMSU-A/B、ATMS、FY-3D月MLSE之间具有较好的时、空一致性,平均空间相关系数为0.887—0.928,其中TELSEM2最高（0.928）,FY...     

中国西北三类典型裸土下垫面地表宽波段发射率变化特征研究

利用2013年我国西北戈壁、沙漠和黄土塬区三类典型裸土下垫面野外观测试验资料,探究了上述地区地表向下、向上长波辐射（DLR&ULR）、地表温度（LST）和地表宽波段发射率（LSBE）的变化特征,结果表明:黄土站地表ULR和LST明显比戈壁和沙漠站偏低;戈壁宽波段发射率（GbBE）、沙漠宽波段发射率（DeBE）和黄土宽波段发射率（LoBE）具有明显的变化特征,尤其是日变化特征;观测期内GbBE、DeBE和LoBE平均值分别约为0.926±0.0452、0.916±0.0419和0.881±0.049。三站点地表宽波段发射率的数值大小和变化特征与陆面模式中所指定的参数化情况不符。地表发射率会受站点周围环境和当时气象条件等因素的影响,表层土壤湿度被认为是一个非常重要的影响因子,将来的野外观测试验中需加强相关影响要素的观测与分析。     

卫星遥感确定沙特阿拉伯吉达地区非均匀地表区域地表参数和能量通量

对临海沙漠地区非均匀地表区域地表能量通量和蒸发(蒸散)的研究,是一个十分重要但又是一个难点问题。本文提出了1个基于卫星遥感和地面观测的参数化方案,并把其应用于沙特阿拉伯吉达地区,利用1个景的陆地资源卫星Landsat-7E^TM^ 资料进行了分析研究,得到了一些有关临海沙漠地区非均匀地表区域地表特征参数、植被参数和地表能量通量的新概念。最后讨论了所提出的参数化方案的适用范围和需改进之处。     

反演寿县TMI微波频率的地表比辐射率(英)

利用一个微波辐射传输模式,晴天下的大气探测廓线,地面的部分观测资料以及卫星观测的亮温,计算了淮河流域能量和水循环实验(HUBEX)中,寿县地区的热带降雨观测卫星微波成像仪(TRMM/TMI)微波频率的地表比辐射率。通过比较所计算的微波地表比辐射率随地表状况的改变,发现地表微波比辐射率随地表状况的变化存在敏感性,并且其变化是合理的。本文中,地表肤温设定等于地表空气温度,并且仅计算了寿县的地表比辐射率,在HUBEX区域上的地表比辐射率的计算需要更多的观测资料。     

同化卫星对地敏感通道微波亮温观测的模拟试验

借助快速辐射传输模式RTTOV v10（Radiative Transfer for TOVS）及其地表微波发射率模块,针对江淮区域晴天和雨天2类不同天气状况,采用理想试验手段,利用集合平方根滤波（En SRF）方法同化AMSU-A对地敏感第1通道的模拟亮温资料,探究改善中尺度模式WRF（Weather Research and Forecasting）初始场的可行性。结果表明：晴天时,同化对位温、水汽混合比及水平风速u和v整体上均有不同程度的改善,但不同高度改善程度有所差异,相对而言水平风场的改进程度最大,位温最小;有降水时,4个要素场整体改进程度与晴天时类似,但分析场误差的水平空间分布与晴天时不同。     

寿县地区小麦和水稻田地表反照率观测分析

利用寿县气候观象台2007年10月～2008年9月地表反射率观测资料,分析了农田地表反照率的季节变化,对比了小麦和水稻在不同生长期的平均反照率,讨论了天气状况和天气过程对反照率的影响.结果表明,在小麦和水稻的生长期内,地表反照率变化相似,均先增大后减小.在作物生长初期,水稻田平均反照率低于小麦田反照率约0.02;中期时,两者相近;成熟后,水稻反照率高于小麦反照率约0.04.降水过后,晴空地表反照率减小.     

通用陆面模式对土壤质地和亮度的敏感性分析

使用前苏联Valdai 1966～1971年的气象观测资料,研究了通用陆面模式(Common Land Model,CoLM)模拟的水分循环和地表通量在12种土壤质地和8种土壤亮度条件下的差异。结果表明,在相同的气象条件下,模拟的热通量对土壤质地和亮度都比较敏感,而地表水文过程只对土壤质地敏感。土壤亮度相同时,相对砂性土壤,粘土含量高的土壤保水性强,土壤湿度、地表蒸发和径流量都比较大（月均最大差值：土壤湿度约为5 kg·m-2,地表蒸发和径流量约为年降水量的7%和1.2 %）,相应地在热通量分配上存在明显差异（月均最大差值为8 W·m-2）;土壤质地相同,亮度由亮变暗时,潜热通量变化很小,地表温度略有升高,而感热通量和净辐射增加显著（月均最大差值为7 W·m-2）。土壤质地和亮度对模拟的影响主要存在于降水少、植被覆盖度低的3～5月。     

地表反照率与高原夏季风爆发关系分析

利用2000～2016年MODIS地表反照率和ECMWF/ERA-Interim再分析资料,选取有代表性的高原季风指数DPMI,统计分析了青藏高原地表反照率与高原季风之间的联系,结果表明:1)11月高原地表反照率大小与次年高原夏季风爆发存在密切关系:11月高原地表反照率偏低(高),次年4月高原夏季风爆发偏早(晚),强度偏强(弱)。2)可能的影响机制为:当前期11月高原地表反照率偏低时,后期高原主体对大气的感热加热信号更强,从而引起4月高原上空近地面层上升运动明显加强,这有利于热量向高空传输,导致对流层加热作用加强,高原上空对流层温度偏高,使得高原季风环流系统加强,最终导致高原季风季节变化相应提前;反之亦然。     

土壤质地对中国区域陆面过程模拟的影响

利用陆面过程模式(CLM3.5)和中国区域两种土壤质地数据(分别来自第二次中国土壤调查SNSS和联合国粮食农业组织FAO),研究了土壤质地变化对于模式模拟的陆表水热变量的影响。结果显示,土壤质地对土壤水文学变量的影响远大于对土壤热力学变量的影响,尤其是对于饱和土壤含水量和饱和水力传导率的影响。对于模式的输出,土壤质地影响比较明显的有土壤湿度、总径流和土壤渗透等水文学变量以及地表潜热、地表感热和土壤热通量等热力学变量,而影响相对较小的有地面吸收的太阳辐射和地表反照率。同时,发现基于SNSS模拟的土壤湿度与站点观测值更加接近。因此,本研究认为基于SNSS土壤质地数据可以有效地改进模式模拟结果,建议以后在陆面模式试验中尽可能使用以观测为基础的SNSS土壤质地数据。     

Influence of Surface Temperature and Emissivity on AMSU-A Assimilation over Land

AMSU-A (Advanced Microwave Sounding Unit-A) measurements for channels that are sensitive to the surface over land have not been widely assimilated into numerical weather prediction (NWP) models due to complicated land surface features. In this paper, the impact of AMSU-A assimilation over land in Southwest Asia is investigated with the Weather Research and Forecasting (WRF) model. Four radiance assimilation experiments with different land-surface schemes are designed, then compared and verified against radiosonde observations and global analyses. Besides the surface emissivity calculated from the emissivity model and surface temperature from the background field in current WRF variational data assimilation (WRF-VAR) system, the surface parameters from the operational Microwave Surface and Precipitation Products System (MSPPS) are introduced to understand the influence of surface parameters on AMSU-A assimilation over land. The sensitivity of simulated brightness temperatures to different surface configurations shows that using MSPPS surface alternatives significantly improves the simulation with reduced root mean square error (RMSE) and allows more observations to be assimilated. Verifications of 24-h temperature forecasts from experiments against radiosonde observations and National Centers for Environmental Prediction (NCEP) global analyses show that the experiments using MSPPS surface alternatives generate positive impact on forecast temperatures at lower atmospheric layers, especially at 850 hPa. The spatial distribution of RMSE for forecast temperature validation indicates that the experiments using MSPPS surface temperature obviously improve forecast temperatures in the mountain areas. The preliminary study indicates that using proper surface temperature is important when assimilating lower sounding channels of AMSU-A over land.     

陆地上空大气温度廓线及地面辐射参数的卫星遥感

本文利用TIROS—N系列卫星HIRS—2资料,结合相应的无线电探空,提出了一个处理卫星遥感方程中地面辐射因子的新方法,在反演大气温度廓线的同时,还获得了地面温度及其比辐射率与统计反演方法得到的结果对比表明,本文的方法对低层大气的温度反演精度有明显的提高。地面温度及其比辐射率的结果也是合理的。     

利用NOAA/AMSU资料和GRAPES同化系统对陆面比辐射率计算的改进研究

地表比辐射率计算的不确定性,直接影响到卫星资料在数值预报中同化应用的效果。本文采用美国NOAA/NESDIS的Weng等[1,2]提出的复杂陆面比辐射率模式,同时用NOAA卫星AMSU-ACh1或Ch2反演的地表比辐射率来调整该模式所需的地表参数,从而在缺少详细地表参数的情况下,改进AMSU-A Ch3和Ch15的地表比辐射率计算精度。在积雪地表情况下,用NOAA卫星AMSU-A资料直接反演各通道的比辐射率,在GRAPES同化系统中的应用表明,结果有明显的改进。     

青藏高原中部季节冻土区地表能量通量的模拟分析

利用“全球协调加强观测计划之亚澳季风青藏高原试验(CAMP/Tibet)”中那曲地区BJ站2002年8月1日\_2003年8月31日的观测资料作为水热耦合模式(Simultaneous Heat and Water, SHAW)的强迫场,对青藏高原中部季节冻土区地表能量通量特征进行了单点模拟研究。通过对实测值与模拟结果的对比分析,发现SHAW模式能较成功地模拟该地区地表能量通量特征, 短波净辐射和长波净辐射的模拟值与观测值吻合较好, 净辐射和土壤热通量在夏半年的模拟值与观测值也吻合,但相对夏\, 秋季而言,它们在冬\, 春季的模拟值较观测值略偏大。模拟的感热和潜热通量的季节变化比较合理,由模拟的感热和潜热通量计算的Bowen比能较好地解释不同季节太阳辐射的能量转化。     

农牧交错带陆面过程的数值模拟研究

利用CLM(Common Land Model)模式对我国内蒙古奈曼旗农牧交错带沙漠和农田两种不同典型下垫面的陆面过程进行了数值模拟试验,并与外场试验观测结果进行了对比分析。结果表明:无论是沙漠还是农田试验,CLM都能够较好地模拟其辐射通量和土壤中的热传导特征,CLM的模拟结果能够真实地再现试验期间土壤热传导过程对天气过程的响应。相比而言,模式对沙漠地区长波辐射通量和干燥时期短波辐射通量的模拟结果好于农田,其原因可能是因为农田下垫面植被及土壤特征较沙漠复杂,有着很大的不确定性,造成了农田地表反照率和温度模拟的偏差。而对农田热传导的模拟结果好于沙漠,反映了CLM对含水量较大、持水力较强的农田下垫面的热传导模拟能力较好,而对含水量较小、持水力较弱的沙漠下垫面的热传导模拟能力相对较差。     

Spatiotemporal Variations of Microwave Land Surface Emissivity (MLSE) over China Derived from Four-Year Recalibrated Fengyun 3B MWRI Data

Microwave Land Surface Emissivity (MLSE) over China under both clear and cloudy sky conditions was retrieved using measurements of recalibrated microwave brightness temperatures (Tbs) from Fengyun-3B Microwave Radiation Imager (FY-3B MWRI), combined with cloud properties derived from Himawari-8 Advanced Himawari Imager (AHI) observations. The contributions from cloud particles and atmospheric gases to the upwelling Tbs at the top of atmosphere were calculated and removed in radiative transfer. The MLSEs at horizontal polarizations at 10.65, 18.7, and 36.5 GHz during 7 July 2015 to 30 June 2019 over China showed high values in the southeast vegetated area and low values in the northwest barren, or sparsely vegetated, area. The maximum values were found in the belt area of the Qinling-Taihang Mountains and the eastern edge of the Qinghai-Tibet Plateau, which is highly consistent with MLSEs derived from AMSR-E. It demonstrates that the measurements of FY-3B MWRI Tbs, including its calibration and validation, are reliable, and the retrieval algorithm developed in this study works well. Seasonal variations of MLSE in China are mainly driven by the combined effects of vegetation, rainfall, and snow cover. In tropical and southern forest regions, the seasonal variation of MLSE is small due to the enhancement from vegetation and the suppression from rainfall. In the boreal area, snow causes a significant decrease of MLSE at 36.5 GHz in winter. Meanwhile, the MLSE at lower frequencies experiences less suppression. In the desert region in Xinjiang, increases of MLSEs at all frequencies are observed with increasing snow cover.     

塔中人工绿地与自然沙面辐射平衡对比研究

使用2014年5—9月塔克拉玛干沙漠腹地塔中大气环境观测实验站地表辐射观测资料,分析了塔中人工绿地与自然沙面在各种典型天气条件下的辐射分量特征差异。结果表明:人工绿地与自然沙面辐射平衡各分量最小值均出现在夜间,最大值出现在中午前后,总辐射和反射辐射日最大值出现在12:00;大气长波辐射日变化振幅较小,地面长波辐射日变化呈现不对称分布。晴天,人工绿地与自然沙面总辐射和净辐射变化幅度较小,自然沙面总辐射高于人工绿地;阴天,地面长波辐射略有减小,绿地大气长波辐射略有增加,总辐射和反射辐射减少,净辐射的变化受总辐射的影响,但减弱幅度小于总辐射;沙尘暴天气下,沙尘对辐射各分量影响明显,辐射各分量日变化不规则,人工绿地与自然沙面总辐射被明显削弱,日变化波动大。     

沙漠陆面过程与沙漠小气候研究进展

陆面过程是影响大气环流和气候变化的基本物理、生化过程之一。沙漠陆面过程及相应的小气候效应已经成为当前沙漠气象研究的热门问题。近年来,在沙漠陆面过程野外观测、陆面过程特征及参数化、陆面过程模拟、小气候及陆面过程对小气候影响等方面已取得重大进展。本文对于沙漠小气候、沙漠陆面过程及沙漠陆面过程参数化进行了简要概述,重点总结了国内外在沙漠地区气候考察、沙漠边界层高度、沙漠热力环流、绿洲效应、塔克拉玛干沙漠气候特征、沙漠陆面过程野外观测试验及结果、沙漠陆面过程对气候的影响、沙漠陆面过程参数化方案方面的成果,回顾了近年来利用地面观测设备和数值模式等对气候效应和陆面过程直接观测和数值模拟所获得的观测事实和模拟试验,并讨论了其陆面过程参数化对模拟的影响,在总结前人研究成果的基础上对未来的研究方向进行了讨论。