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。     

夏季东半球中低纬日平均加热场的模拟特征

本文利用P—σ混合坐标系原始方程五层模式,对夏季东半球中低纬地区的日平均加热场进行了数值模拟,並就其特征进行了讨论。模拟结果表明,除太阳短波辐射加热场外,其他加热分量场经常在几内亚湾、阿拉伯海、孟加拉湾、日本海以及青藏高原地区形成中心。沿海陆交界线附近,加热率的梯度很大,反映了海洋和陆地表面极不相同的热力性质。本文还讨论了几个主要加热分量场之间的相互联系及其分布特征的主要形成机制。本文所得到的日平均总加热场和各分量场的水平和垂直分布特征,有助于对夏季平均气候场形成机制的理解并可供数值试验中设计固定加热场时参考。     

浑善达克沙地沙尘气溶胶的辐射强迫

利用2001年春季浑善达克沙地外场观测的辐射资料及大气辐射模式,对沙尘气溶胶的局地辐射强迫进行了分析和模拟估算。计算结果表明,浑善达克沙地大气透过率日变化显著,晴天可达0.80以上,沙尘天气最低在0.01以下;白天沙尘的辐射强迫对地表有冷却作用,夜间起保温作用。观测期间,平均大气透过率为0.6,白天沙尘对地面向下长波辐射的平均强迫增加量为16.76 W.m-2,对地面净辐射能收支的平均强迫减少量为62.76 W.m-2;夜间地表长波辐射净损失量因沙尘作用减少,平均为67.84 W.m-2。     

东莞市辐射强度特征及影响因子

东莞观测站采用地面辐射基准站网(BSRN)通用的荷兰Kipp & Zonen设备,进行太阳短波辐射和地面、大气长波辐射观测。利用2010年8月—2011年7月的观测数据,用统计分析的方法,得到地面太阳短波辐射和地面、大气长波辐射强度的变化特征,并初步分析了影响辐射强度变化的因子。结果表明,东莞市各月的太阳总辐射平均值呈现单峰值变化,且夏季＞秋季＞春季＞冬季,短波辐射各分量的日变化也呈明显单峰型变化特征;长波辐射的日、月变化趋势较平缓;东莞市全年各月净辐射通量平均值均为正值。云是影响太阳辐射强度变化的显著因子,对直接辐射的衰减更明显,多云天气的总辐射、直接辐射全年平均衰减率分别为11%、34%,阴天总辐射、直接辐射全年平均衰减率分别达到47%、83%。大气透明度对短波辐射和长波辐射强度变化均产生影响,无霾日总辐射、直接辐射、反射辐射强度均比灰霾日强,而散射辐射则较弱,灰霾日的天空长波辐射及地面长波辐射强度稍强于无霾日。还探讨了总辐射观测值与理论值的差异,推测水汽对短波辐射的衰减是造成太阳短波辐射平衡存在差异的原因之一。      

在北京气象塔上测量城市边界层辐射特征

利用2004年10～12月在北京325m气象铁塔上所测量的长波辐射和短波辐射垂直分层资料,分析了晴空、霾(烟、尘、轻雾)和浓雾天气条件下塔上两层的辐射特征。结果表明,城市边界层大气对短波总辐射有明显的衰减作用,2m处的总辐射280m处的总辐射。在晴好天气下,衰减比例为11.2%;在霾和雾天气下,衰减比例分别达到22.3%和36.6%。在塔上280m处测量的晴天城市地表反照率为0.12,而在霾和雾天气条件下分别为0.17和0.29。大气逆辐射(向下长波辐射)的日变化没有短波辐射的明显且有规律,晴好天气的辐射通量密度最小,霾天较大,雾天最大,2m处的大气逆辐射一般高于280m处的。向上长波辐射呈明显的日变化,且2m处的向上长波辐射日变化幅度280m处的。净辐射具有典型的日变化,晴天日变化幅度最大,霾和雾天的日变化幅度减小。晴天辐射加热最显著,278m厚气层的辐射加热达1.35℃.h-1,霾天为1.13℃.h-1,雾天为0.40℃.h-1。个例分析表明,在近地面气层内,霾中的气溶胶粒子和雾中的水滴对辐射产生程度不同的影响,并影响到辐射平衡,进而影响不同高度气层的加热和冷却,导致边界层结构的改变。     

北半球低纬度经圈环流特征及其与臭氧场的变化

本文通过分析北半球低纬度对流层上部多年平均实测风的经向分量,粗略地揭示了低纬度经圈环流沿纬图方向的分布及其季节变化特征;用统计分析的方法讨论了低纬度经圈环流强度和沿纬向分布的季节变化与中高纬度臭氧场含量和经纬向分布的季节变化关系;揭示了秋冬季低纬度海洋加热场与冬春季中高纬度臭氧加热场的相互联系和作用过程。     

暴雨系统中的辐射特征

本文应用参数化的辐射计算方案,计算了北京地区暴雨过程和江淮流域梅雨气旋中长波辐射降冷率和短波辐射增温率。结果表明,在暴雨云区,白天中午的短波辐射增温率最大可达6℃/日。最大辐射增温出现在对流层上层的300—400毫巴处。它的垂直分布特征和积云加热率相似。长波辐射使云中的层结不稳定化,这可能是暴雨夜间多发性的原因之一。总的说来,辐射效应有利于云和暴雨的发展。 本文的初步分析有助于了解暴雨过程中辐射作用的相对重要性和暴雨的机制,以及在数值模式中引入辐射过程后可能产生的影响。     

海洋对大气加热场的区域性年变化特征

本文研究了热带和中纬度一些海表面温度年变化较强的区域中海洋对大气加热场的年度化特征。结果表明海洋向大气提供热通量的强度在冷海区呈年周期性变化,而在暖海区呈半年周期性变化。与潜热的湍流输送及海表面向上的长波辐射通量相比,感热的湍流输送量很小。在暖海区潜热输送总大于长波辐射,并且前者有较强的年变化而后者较弱;在冷海区二者的量级相当,年变化幅度也相当。海表风场和云的变化对海洋对大气加热场年变化的影响非常重要。     

臭氧对夏季大气环流影响的数值模拟

利用球带ｐ－σ坐标系模式，模拟了臭氧对夏季大气环流的作用，结果表明，臭氧作用引入模式后，大气高压环流特征得到显著改善，臭氧使高层大气的加热率增大；对低层大气，虽然臭氧的加热作用很小，但可通过改变其他加热场分量的分布和量值，从而改变总加热率，使低层大气环流同样发生变化。     

欧亚地形对夏季南亚大气环流日变化影响的数值模拟研究

利用大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（LASG）气候模式F-GOALS的大气谱分量SAMIL，设计了有、无欧亚地形的对比试验，并与NCEP/NCAR再分析资料进行比较，通过分析其流场、高度场、温度和涡度的差异，得到欧亚大陆地形对夏季大气环流场日变化的影响特征。结果表明，欧亚大陆地形对大气环流和气候日变化的影响主要集中在青藏高原地区。由于青藏高原上空大气对太阳辐射加热场的日变化最为敏感，随着日间加热场的增强，热力适应造成白天高原低层大气气旋性环流加深，相应地使周边地区向高原辐合增强，引起高原地区日间的上升运动更为强盛，而使大气高层反气旋环流增强，引起高原上空向外辐散气流增强。也就是地形效应在白天增强了高原“感热气泵”的效率，使其产生明显的日变化，随之带来高原及周边地区局地环流强烈的日变化。由于上升运动的日变化，引起高原南部地区降水的日变化，同时降水的增加正反馈于上升运动，使得上升运动在高原南部地区日变化尤为强烈。     

利用CERES(SYN)资料分析青藏高原云辐射强迫的时空变化

利用2001年11月—2005年10月"云与地球辐射能量系统(CERES)"辐射和云资料SYN(Syn-optic Radiation Fluxes and Clouds),分析了青藏高原(下称高原)地区不同高度云辐射强迫的时空变化特征。结果表明:(1)高原整体为云强迫正、负值的过渡区域,这种过渡性有显著的季节差异和区域划分。高原东南部表现出较强的冷却效应,其西部和东北部干旱区在冬、春季表现为较弱的加热效应。(2)高云、高的中云和低的中云对云短波辐射强迫的季节变化都有贡献,其中中云是导致区域差异的主要因素;云长波辐射强迫的区域差异不明显,但季节差异显著,这主要是由高的中云和高云的变化引起的,且云量是主要的影响因子,高云云量虽小但其影响不可忽视。(3)高云在高原地区产生净加热效应,高的中云既产生加热作用也产生冷却作用,低的中云产生净冷却效应。(4)云短波辐射强迫在云辐射强迫的日变化中仍然占主导地位,日变化的区域差异主要是由云量引起的。白天,在云短波辐射强迫的日变化中,低的中云贡献更大。高云对云长波辐射强迫的日变化贡献主要在晚上,低的中云在夜间对云长波辐射强迫有抑制作用。     

冰晶粒子不同形状假定对辐射收支和气候的影响

将包含多形状冰晶粒子的冰云辐射参数化方案应用于全球气候模式中,详细讨论了冰云粒子从球形假定到多形状假定的变化对辐射场和气候场的影响。结果显示,冰晶粒子形状假定的引入对冰云光学厚度、辐射通量和加热率以及温度场均有明显的影响。采用新的冰云方案使得全球平均云光学厚度值降低0.28（23%）;热带地区降低最为明显,其差异绝对值可达1.02,而在中高纬度陆地地区,两者的冰云光学厚度差别较小。冰晶粒子形状假定改变将导致全球平均的大气顶出射长波辐射通量增加5.52 W/m2（2.3%）。与观测资料的比较表明,多形状冰晶粒子假定明显减小了球形粒子假定对长波出射辐射的低估。对大气加热率廓线的模拟显示,多形状冰晶粒子假定会减弱短波辐射对大气的加热作用,同时增强长波辐射对大气的冷却作用;在热带对流层中高层,这两种影响尤为显著。冰晶粒子形状假定的改变对温度场有明显的影响,热带地区的对流层高层大气温度降低幅度可超过1.5 K。研究表明,冰晶粒子形状假定的改变对模拟的辐射和温度场均有重要的影响。      

藏东南草地下垫面地气通量交换日变化的数值模拟

利用2013年5月21日至7月9日藏东南地区草地下垫面的边界层观测数据,分别从典型晴天和长时间平均的角度,评估了中尺度模式WRF对藏东南草地下垫面在南亚季风爆发前后的感热、潜热、地表土壤热通量和地表辐射平衡各分量日变化的模拟能力,对比分析了模拟结果与边界层观测数据的异同点。对典型晴天少云状况的个例模拟和整个时段的平均结果分析均表明,模式对感热通量和潜热通量的日变化具有较好的模拟能力,感热比潜热的模拟效果好,在夜间感热和潜热的模拟效果好,而白天感热和潜热的模拟值大于观测值。典型晴天天气下的向下短波辐射和净辐射的模拟值与观测值基本一致,而向上短波辐射的模拟值在白天大于观测值。长时间平均的向下短波辐射、向上短波辐射和净辐射的模拟值在夜间也与观测数据基本一致,但在白天模拟值比观测值明显偏大。晴天个例和长时间模拟的向下长波辐射和向上长波辐射的模拟值在日循环整个过程中较观测值均偏小。长时间模拟的地表土壤热通量在早上和晚上低于观测值,而在白天高于观测值。虽然平均的结果分析和晴天个例的结果是类似的,但由于晴天个例没有降水过程的干扰,因此晴天天气状态下的分析结果更能一致地反映出这一地区的日变化特征。     

夏季亚非地区季风环流形成中大地形和不同加热因子的作用

本文使用数值模拟方法研究夏季亚非地区季风环流对大地形和不同加热因子作用的响应,目标在于探索季风环流中期变化和年际变化的可能原因。作为整个工作的一部分,首先考虑了大地形和平均加热场,成功地模拟了夏季亚非地区的季风环流和各个环流系统。以此为基础,比较並讨论了平均加热场的二个主要分量——感热加热(以青藏高原和北非大陆热源为明显)和潜热加热(以孟加拉湾及其附近地区为明显)对夏季风环流形成的相对重要性。     

中国地区云对地-气系统辐射强迫温度效应的气候研究

文中利用地球辐射平衡试验 (ERBE)和国际卫星云气候计划 (ISCCP)提供的地 气系统行星反射率、射出长波辐射 (OLR)和云量资料 ,计算了中国地区年、月平均总云量对地 气系统短波辐射、长波辐射以及净辐射强迫的温度效应和敏感性系数 ,并讨论了云对各辐射分量强迫的温度效应与总云量的关系。结果表明 :地 气系统云辐射强迫温度效应与总云量间具有较明显的曲线相关。云辐射强迫温度效应及其敏感性系数具有明显的时空变化特点。就中国全国平均而言 ,各月地 气系统云辐射强迫净温度效应一般表现为降温作用。     

南亚高压的季节变化与趋暖性

利用NCEP／NCAR再分析资料，分析了南亚高压的季节变化，讨论了对流层中高层温度、整层大气视热源和非绝热加热率的时空变化对南亚高压季节变化的影响。结果表明，南亚高压存在两个季节平衡态，即夏半年的大陆高压和冬半年的海洋高压，大陆高压又可分为青藏高压和伊郎高压。加热场对南亚高压的季节变化有重要作用，南亚高压是一个暖性高压，其中心有“趋热性”，通常位于或趋于加热率的相对大值区。南亚高压的年循环过程，主要受南亚地区潜热和感热季节变化的支配。夏季北方地区和高压地区的强烈短波辐射加热对高压中心北移和维持也有作用，长波辐射的冷却作用则是高压减弱的重要原因。     

1979年夏季青藏高原地区大气加热场特征

本文用1979年夏季6—8月青藏高原地区17个站资料（包括青藏高原科学实验资料），通过直接法求得长波辐射、短波辐射、凝结潜热和感热输送等四项加热分量，在此基础上求出高原地区的平均大气热量输送，并和国内外其它作者所估计的高原大气热源情况进行比较。计算结果表明，对高原大气热源的主要贡献是长波辐射，文中还探讨了青藏高原地区大气加热场与高原季风爆发前后以及高原季风活跃和中断时期环流的关系。     

疏勒河上游流域多年冻土区辐射变化分析

利用2008年7月-2010年10月祁连山区西段疏勒河上游流域多年冻土区苏里梯度观测系统的辐射数据,分析了该区域的辐射变化特征.结果表明,向下短波辐射、向下和向上长波辐射、净辐射月总量季节性变化明显,冬、春季较小,夏、秋季较大;向上短波辐射月总量的季节变化不明显.日平均向下短波辐射、向下和向上长波辐射有明显的季节变化,1月或12月达到最小值,6月或7月达到峰值;1-3月和12月日平均向上短波辐射振幅变化较小,而4月和10月则变化较大.净辐射日变化冬、春季较小,且振幅也较小,夏、秋季较大,且振幅也较大;辐射四分量的日变化都呈单峰型.生长季节的地表反照率较小,非生长季较大;每年10月地表反照率的日平均变化起伏较大,日变化基本呈“U”形,早晚高、中午低.     

青藏高原东南缘大理地区近地层微气象特征及能量交换分析

利用2008年1月-2010年2月青藏高原东南缘大理站的长期观测资料,初步分析了该地区近地层基本气象要素、辐射通量和湍流通量的日变化和季节变化.结果表明,各参数均表现出显著的日循环结构和干、湿季变化特征.近地层的风速、气温和动量通量等均在早晨最小、午后最大;相对湿度、地表温度等均是湿季高于干季.近地层2 m高度处的盛行风向,白天以东东南风和东风为主,夜间以静风和偏西风为主,并且盛行风向转变与日出、日落时间有较好的对应关系.地表辐射四分量最高值出现在正午,最低值出现在日出前.除向上短波辐射通量干季大于湿季外,其他辐射分量都是湿季大于干季.地表反照率表现出非对称的“U”形分布,早晨最大、傍晚次之及中午最小.早晚地表反照率差异可能是由于露水、东西两面山体不同程度遮挡以及云的影响造成的.感热、潜热通量全年有相似的日变化过程,变化幅度随季节变化,但潜热通量明显大于感热通量,表明地气热量交换中,感热作用小,潜热输送占主导地位.感热通量一天之中约在20:00出现最小值,这主要是由于风速减弱和地气温差回升影响热量交换系数造成的.地面对大气的加热作用明显,主要是以潜热方式加热大气;地面全年均为大气热源,白天表现为强热源,夜间则表现为较弱的冷源.     

青藏高原和洛矶山脉对气象场日变化影响的对比分析 (一)温压场

本文利用大气中五层、下垫面中一层的全球初始方程数值模式,模拟了青藏高原和洛矶山脉对该地区中夏季气象场日变化的影响。所用的模式中包括了各种非绝热加热因子,还包括太阳辐射的日变化。所用的地形也较实际。计算进行了6.5天,取第6天的结果为青藏高原地区白天的代表(洛矶山地区为夜间),第6.5天的结果为青藏高原地区夜间的代表(洛矶山地区为白天),第5.5天到第6.5天的平均为全日平均的代表。本文是全部模拟结果的第一部分,除了全球模式中极区处理方法的简要介绍外,主要给出青藏高原和洛矶山脉对温压场日变化影响的对比分析。主要结果如下:与平原及海洋地区成鲜明对照,山脉和高原地区上空的温度场与高度场有明显的日变化特征。其中温度场的日变化振幅随着高度衰减,而高度场的日变化振幅在对流层中是随高度加强的。其日变化振幅及日变化影响的垂直厚度与地形大小成正比,青藏高原地区的温度场的日变化振幅最大值可达 9℃,在500mb上仍然明显;而洛矶山地区振幅的最大值为 5℃,它仅能影响到700mb上空。高度场的日变化也有类似的结果。无疑,天气系统和日变化振荡之间的非线性相互作用的机制,是在这个地区的实际预报工作中必须考虑的重要因子。这种显著的日变化振荡在形成和维持这些地区的天气系统中所起的作用