地基微波遥感评估黄河源区草原下垫面土壤冻融过程研究

土壤冻融过程对气候变化非常敏感,如何准确监测土壤冻融过程具有重要的科学意义。利用2017年6月至2018年6月中国科学院若尔盖高原湿地生态系统研究站玛曲观测场地基微波辐射计观测数据、浅层土壤温度和近地面气温数据,通过构建归一化极化比值冻结因子、极化差值冻结因子、组合水平极化差值冻结因子和组合垂直极化差值冻结因子等不同土壤冻结因子,评估了黄河源区草原下垫面土壤冻融过程。结果表明：L波段微波辐射计监测土壤冻融状态的结果与近地面气温和浅层土壤温度表征的土壤冻融过程基本一致。当入射角为50°时,归一化极化比值冻结因子和极化差值冻结因子与实测数据的一致性分别达到83.6%和82.8%。每种冻结因子具有明显的季节性变化,四种冻结因子在春季时的准确度低于夏、秋、冬三个季节。归一化后的相对冻结因子的标准差在秋季最大,可达0.3;在冬季和夏季最小,值小于0.2。在土壤发生冻结和融化转换时,垂直极化和水平极化下的亮温同时下降,其差值较完全冻结或者完全融化时的亮温差大。研究结果可为微波遥感监测土壤冻融过程提供技术参考。     

近岸岛屿周围波生流的数值模拟

基于非结构网格有限体积法的环流模型,建立了相位平均的波流作用模型。模型中考虑了波浪破碎效应的三维辐射应力和波流作用下的扩散系数。通过模拟试验水池中人工岛和天然岛屿周围的波生流,对岛周围波生流的运动特征进行了分析。当波浪垂直入射到均匀斜坡上的人工岛时,岛周围产生回流和对称的环流,流速沿水深分布稍有差异。在天然岛屿中,入射波浪在近岸形成沿岸流。靠近岸线岛屿周围的沿岸流比离岸较远岛屿周围的流速大。这和辐射应力在浅水区域作用有关,岸线区域波生流特征明显。近岸岛屿周围在波浪辐射应力下产生不同的波浪增水,该波浪增水形成压力梯度进而促进岛屿周围的流态变化。     

利用亮温资料建立降水临近预报方法的研究

通过对太湖地区2009年1—4月TP/WVP-3000型微波辐射计的亮温连续观测资料进行分析,建立降水临近预报方法。结果表明,降水开始前4 h,微波辐射计有7个通道的1级亮温资料存在明显的增长趋势。利用降水个例与无降水个例亮温差值最大、降水个例与无降水个例亮温标准偏差差值最大两个标准,选择合适的通道进行降水临近预报。通过计算得到,第1通道的亮温差值最大,而第5、6通道的亮温标准偏差差值最大,因此可分别将第1、第5和第6通道的亮温观测值作为预报因子。根据判别分析方法,分别在降雨前15 min及前30~330 min(时间间隔为30 min)建立12个预报方程,并通过自身验证对每个时间点预报的准确率进行检验,最后选择降雨前90 min的判别方程用于预报,其预报准确率为87%,空报率为24%,漏报率为13%。     

长波区间太阳辐射对气候模拟的影响

长波区间的太阳辐射在气候模式中往往被忽略。利用国家气候中心BCC_AGCM2.0.1大气环流模式,采用矩阵算子辐射传输算法,研究了长波区间太阳辐射对气候模式辐射通量和温度模拟结果的影响。结果表明,以ISCCP和CERES辐射资料为标准,考虑长波区间太阳辐射后,长波区间晴空大气地表向下辐射通量平均误差减小2.05 W/m2,均方根误差减少1.29 W/m2;长波区间晴空大气模式顶向上辐射通量平均误差减小0.70 W/m2,均方根误差减小0.21 W/m2;长波区间有云大气地表向下辐射通量平均误差减小1.38 W/m2,均方根误差减小1.03 W/m2;长波区间有云大气模式顶向上辐射通量平均误差减小0.99 W/m2,均方根误差减小0.30 W/m2。以ECMWF再分析资料为标准,考虑长波区间太阳辐射后,赤道地区上对流层—下平流层区域温度的冷偏差得到改善,对流层顶温度平均误差减小0.27 K,均方根误差减小0.25 K。     

云对地基微波辐射计反演湿度廓线的影响

利用中国气象局大气探测试验基地的L波段探空数据和微波辐射计观测数据,采用MonoRTM辐射传输模型作为正演亮温模型,BP (back propagation) 神经网络作为反演工具,在由亮温反演大气湿度廓线的过程中,添加与样本匹配的云底高度和云厚度信息,建立新的反演模型,使新反演模型得到的反演湿度廓线和未添加云信息的反演湿度廓线分别与探空数据进行对比,获取两种反演方法各高度层的均方根误差,分析云信息对反演大气湿度廓线的影响。对比结果表明:未添加云信息时,测试样本的反演湿度廓线与探空廓线的相关系数平均值为0.685,而添加云信息后,相关系数平均值为0.805。相比未添加云信息的反演廓线,添加云信息之后多数高度层的均方根误差均有不同程度减小,而在有云以上高度层表现尤为明显。     

中国东部气溶胶在天气尺度上的辐射强迫和对地面气温的影响

本文应用WRF-Chem(Weather Research and Forecasting—Chemistry)模式研究中国东部地区气溶胶及其部分组分(硫酸盐、硝酸盐和黑碳气溶胶)在天气尺度下的辐射强迫和对地面气温的影响。5个无明显降水时间段(2006年8月23～25日、2008年11月10～12日、2008年12月16～18日、2009年1月15～17日和2009年4月27～29日)的模拟显示,气溶胶浓度呈现显著的白天低,夜间高的日变化特征,且北方区域(29.8°～42.6°N,110.2°～120.3°E)平均PM_2.5近地面浓度(40～80 μg m-3)高于南方区域(22.3°～29.9°N,109.7°～120.2°E,30～47 μg m-3)。气溶胶对地面2 m温度(地面气温)有明显的降温效果,在早上08:00(北京时,下同)和下午17:00左右最为显著,最高可降低约0.2～1 K,同时气溶胶的参与改善了模式对地面气温的模拟。本文还通过对2006年8月23～25日一次个例的模拟,定量分析了气溶胶及其部分组分(硫酸盐、硝酸盐和黑碳气溶胶)的总天气效应(直接效应+间接效应)、直接效应和间接效应分别对到达地面的短波辐射和地面气温的影响。北方区域平均气溶胶直接效应所造成的短波辐射强迫要高于南方区域,分别为-11.3 W m-2和-5.8 W m-2,导致地面气温分别降低了0.074 K和0.039 K。南方区域平均气溶胶间接效应所产的短波辐射强迫高于北方区域,分别为-14.4 W m-2和-12.4 W m-2,引起的地面气温的改变分别为-0.094 K和-0.035 K。对于气溶胶组分,硫酸盐气溶胶的直接效应和间接效应的作用相当,其总效应在北方和南方区域平均短波辐射强迫分别为-7.0 W m-2和-10.5 W m-2,对地面气温的影响为-0.062 K和-0.074 K,而硝酸盐气溶胶的作用略小。黑碳气溶胶使得北方和南方区域平均到达地表的太阳短波辐射分别减少了6.5 W m-2和5.8 W m-2,而地表气温则分别增加了0.053 K和0.017 K,相比于间接效应,黑碳气溶胶的直接效应的影响更加显著。     

二流—四流球谐函数谱展开累加辐射传输方案在全球气候模式中的应用

本文首先构建了二流—四流球谐函数谱展开累加辐射传输的新方案,然后将其应用于国家气候中心第二代大气环流模式BCC_AGCM2.0.1的新版本中,并与模式中原有的Eddington累加方案进行了比较。由于新方案本质上是单层Eddington近似方案在四流上的推广。因此新方案在计算精度上要优于原方案。通过在全球气候模式中的应用与比较,本文发现新方案对气候模拟会产生比较大的影响。在晴空条件下,新方案计算的在南纬30°到60°区间、北大西洋东北部以及非洲北部的撒哈拉沙漠区域的地表向下年平均短波辐射通量要小于原方案结果,最大差别可以达到3.5 W/m2;同时,新方案计算的在南纬30°到60°区间和北大西洋东北部的大气顶向上年平均短波辐射通量要大于原方案结果,最大差别达到3 W/m2。在有云大气情况下,新方案计算的地表向下年平均短波辐射通量要小于原方案结果,并随着纬度的增加,新旧两种方案的差别逐渐变大,在南北极时达到最大5.5 W/m2;同时,新方案计算的在赤道区域的大气顶的年平均短波向上辐射通量要小于原方案结果,最大差别为2.5 W/m2,而在南北纬30°到60°区间,新方案计算的在大气顶的年平均短波向上辐射通量则要大于原方案结果,最大差别为1.5 W/m2。新方案计算的年平均短波加热率普遍高于原方案结果,特别是在800 hPa到地表之间的低层大气以及50 hPa到100 hPa的高层大气,最大差别可达0.03 K/d。因此,新方案有助于改善全球气候模式中普遍存在的赤道平流层中下层的温度冷偏差现象。     

2013和2012年夏季格陵兰岛冰盖表面融化对比及可能的影响机理分析

本文重点分析了2013年夏季格陵兰冰盖表面的融化特征, 并将2013年与2012年融化极值年的异常进行对比, 探讨二者之间存在的动力和热力差异及其对冰盖表面融化的影响和机制。结果表明:2013年夏季格陵兰冰盖表面最大融化范围仅为44%, 远小于2012年的97%, 持续的时间也比2012年短20天左右, 平均的融化面积和持续时间都接近气候平均态。2013年夏季大气环流异常与2012年近乎完全相反, 格陵兰及附近海域为低压异常, 500 hPa位势高度场为负异常, 大气环流和2012年相比更具有纬向型。格陵兰岛的北部和南部出现气旋异常, 有利于输送北极的冷空气到格陵兰岛, 不仅降低了夏季格陵兰冰盖表面的平均温度, 而且也减少了格陵兰高温事件发生的频率。同时, 2013年夏季格陵兰表面向下的辐射通量异常分布大体上呈西南—东北走向, 不同于 2012年的南北分布。尽管从分布上看, 总的向下辐射通量以正的短波分量为主, 但是长短波分量相互抵消使得 2013年夏季总的向下辐射通量接近气候平均态, 这使得辐射对冰盖表面温度的影响不明显。大气环流的动力和表面辐射收支的热力共同作用导致2013年夏季格陵兰冰盖表面融化经历了相对缓和的一年。     

地基微波辐射计亮温观测数据的综合质量控制与效果分析

针对北京一地基微波辐射计,研究其Level-1级数据的质量控制方案,提出极值检查、时间一致性检查、辐射传输计算检查和多通道亮温交叉检查。并用实际亮温观测数据进行质量控制实验,分析其应用效果。研究结果表明了提出的综合质量控制方案的可行性,为本资料的后续应用提供选择依据。