大连一次沙尘天气的遥感研究

利用中韩合作沙尘暴监测项目的微脉冲激光雷达（micro pulse lidar,MPL）观测了2005年11月6日影响大连的一次沙尘天气过程。MPL观测发现,影响大连的沙尘气溶胶层位于1～2km高度,厚度达1km,层内最大消光系数高达1．08km^-1,占整层气溶胶光学厚度（aerosol optical depth,AOD）的47％,接触到地面后可使地面消光系数达到0．23km^-1。沙尘气溶胶层与气象要素的垂直分布密切相关,整层的相对湿度很低。沙尘气团影响时地面空气动力学直径小于10μm的粒子质量浓度（PM10）达到峰值1678．9μg·m^-3,PM10的时间变化与MPL反演的近地面消光系数相当一致．两者之间的转换系数在1．94到6．50mg·m^-3·km^-1之间.     

Evolution of aerosol vertical distribution during particulate pollution events in Shanghai

A set of micro pulse lidar(MPL)systems operating at 532 nm was used for ground-based observation of aerosols in Shanghai in 2011.Three typical particulate pollution events(e.g.,haze)were examined to determine the evolution of aerosol vertical distribution and the planetary boundary layer(PBL)during these pollution episodes.The aerosol vertical extinction coefficient(VEC)at any given measured altitude was prominently larger during haze periods than that before or after the associated event.Aerosols originating from various source regions exerted forcing to some extent on aerosol loading and vertical layering,leading to different aerosol vertical distribution structures.Aerosol VECs were always maximized near the surface owing to the potential influence of local pollutant emissions.Several peaks in aerosol VECs were found at altitudes above 1 km during the dust-and bioburning-influenced haze events.Aerosol VECs decreased with increasing altitude during the local-polluted haze event,with a single maximum in the surface atmosphere.PM2.5 increased slowly while PBL and visibility decreased gradually in the early stages of haze events;subsequently,PM2.5 accumulated and was exacerbated until serious pollution bursts occurred in the middle and later stages.The results reveal that aerosols from different sources impact aerosol vertical distributions in the atmosphere and that the relationship between PBL and pollutant loadings may play an important role in the formation of pollution.     

一种基于实景图像的低能见度识别算法

为了利用大量视频监控设备提高能见度数据采集密度,提出一种基于实景图像转换的、采用简单卷积神经网络分类提取能见度等级的算法。该算法假设视频设备水平安装且具备开阔视野, 对原始视频图像进行水平分块,提取各分块的梯度、饱和度和亮度信息组成新的图像,基于简单卷积神经网络建模。采用2019年9月—2020年12月上海洋山港气象站29668张视频图像进行训练,建立识别模型,并采用2021年1—5月5757张视频图像对模型进行测试。采用该算法建立的模型参考雾的预报等级(GB/T 27964—2011)将能见度分为5个等级进行检验,白天准确率为87.99%,夜间准确率为81.32%,优于直接采用AlexNet模型。对1000 m以下低能见度天气的识别准确率达95%以上。利用现有的视频摄像头,可有效弥补气象站点能见度仪数据不足的问题,在气象业务上有一定的应用价值。     

太阳光度计反演气溶胶参数的方法比较

气溶胶光学厚度(AOD)、一次散射反射比(ω_0)、粒子谱分布和散射相函数是表征气溶胶光学微物理特征的重要参数。利用CE318太阳光度计的直接测量数据与平纬圈测量数据基于Skyrad.pack算法可以用于反演这些气溶胶参数。结合光度计标定结果以及针对观测数据的严格去云方案和质量控制措施,利用该算法对几种不同的大气混浊度状况计算了上述气溶胶参数。计算结果与基于Dubovik算法的AERONET业务产品进行了比较,发现两种方法得到的结果大部分比较一致。虽然在大气混浊度较小的情况,Skyrad反演的ω_0和谱分布中的小粒子体积浓度与Dubovik结果相比有很大差异,同时Skyrad的计算误差较大,说明在实际AOD较小时,Skyrad算法的稳定性较低,但其反演结果依然能够在一定程度上表征气溶胶的光学特征。基本分析表明,基于Skyrad.pack算法的等天顶角观测反演结果在一定的大气混浊度和合适的太阳天顶角条件下是合理的,能够用于未纳入AERONET体系的光度计观测的气溶胶光学微物理参数研究。     

华东雾和霾日数的变化特征及成因分析

基于华东449个气象站点1961-2007年的雾、霾、气温和露点温度数据、1980和2005年土地利用数据及2000-2007年MODIS气溶胶光学厚度数据,利用气候统计诊断、遥感和地理信息系统技术分析了华东雾、霾日数的气候变化特征及成因,结果表明:1961-2007年期间,华东雾日数在全年及四季都呈现出先增多后减少的年际变化特征,霾日数在全年及四季则呈现出逐渐增多的年际变化特征。在1961-1980年和1981-2007年期间,华东多数地区的雾日数分别呈现出增多和减少的变化趋势,霾日数则在两个时期都表现为增多趋势。华东雾日数和霾日数的变化特征与我国已有的研究结果一致,气象条件的变化、区域城市化和土地利用变化以及大气污染物排放量增加所导致的气温升高和城市热岛效应增强、空气湿度和风速降低、气溶胶光学厚度增加等是华东雾和霾出现频率变化的主要原因。     

利用Vis5D软件包实现数值模拟结果的可视化

本文简要介绍了Vis5D软件包的一些功能及利用它实现数值模拟结果的可视化。Vis5D在可视化方面具有强大的功能，可以方便地在图形下叠加地形、地图；实现按时间步动画；甚至可以利用Tcl脚本文件控制图形的运作方式。利用Vis5D提供的数据转换模板可以将自己的数据转换为Vis5D格式，因此对于气象科研及业务工作，Vis5D不失为一种良好的工具。     

青藏高原夏季卷云分布特征及生成机制研究

卷云在地球能量平衡和大气水循环中扮演着重要的角色。本文使用“云卫星”(CLOUDSAT)联合“云-气溶胶激光雷达与红外探路者卫星”(CALIPSO)数据分析了2007-2010年青藏高原区域夏季6-8月的卷云分布特性和生成机制。结果表明,研究期间高层卷云发生数远远高于低层卷云发生数,高层卷云主要分布在高原南部地区,而低层卷云除了高原西部,在高原的边缘均有较大的发生频率。重力波耗损量和低层卷云发生数成正相关,重力波耗损量越大,导致卷云发生数越多,这是因为高原地区卷云的形成与重力波导致的温度扰动密切相关。深对流活动主要分布在青藏高原东南部,当向外长波辐射(OLR)低于140 W·m^-2,即深对流活动最强时,高层卷云日发生数呈现爆发性增长,远高于高原北部和西部地区。青藏高原南部边缘除了受深对流的影响,水汽含量和垂直向上风速也与卷云发生密切相关,呈现从南到北逐渐减少的趋势,这与高原地形的抬升强迫有直接关系。     

北京城市大气混合层与气溶胶垂直分布观测研究

2002年3～10月在北京大学利用微脉冲激光雷达(MPL)观测了气溶胶时空变化。提出一种反演混合层高度的方法,这种方法减小了仪器订正的误差,反演的混合层高度与探空测量结果有很好的一致性。利用该方法计算了观测期间晴天无云天气条件下的混合层高度,分析了混合层高度及其增长率的日变化、季节变化,初步研究了混合层高度和近地面气溶胶分布的相互关系,分析了表征大气扩散能力的通风系数的日变化。结果表明,利用MPL监测城市混合层是可行的和优越的。     

结合激光雷达和探空资料研究青藏高原地区混合层高度特征

利用那曲地区的微脉冲激光雷达探测资料,采用梯度法获取了那曲地区白天混合层高度随时间的演变信息及混合层特征参数,结果表明混合层在上午发展缓慢,中午以后发展迅速,14:00（北京时）前后达到稳定;强烈的对流热泡活动导致混合层高度起伏较大,参数化反演得到的卷夹层厚度达到0.4~0.5 km,卷夹比在0.2左右。利用探空资料结合日最大位温资料,采用气块法得到了高原地区7个站点的每日最大混合层高度数据集。通过对由激光雷达和探空资料得到的最大混合层高度结果进行对比,发现二者有很好的一致性（相关系数0.85,均值偏差0.11 km,均方根误差0.30 km,并通过0.05显著性水平的t检验）。最大混合层高度在7个站点均有明显的逐日变化特征。从年均值看,最大混合层高度与海拔高度之间没有明显相关关系。从季节均值看,格尔木与都兰站表现出明显的春高冬低的分布特征,而其它五个站点则表现为春高夏低,表明高原地区的盆地地形和山地地形对混合层高度有显著而不同的影响。通过定义热力稳定度和确定特征气压层高度,利用热力稳定度与最大混合层高度之间良好的线性关系,获取了一种简便地获取最大混合层高度的统计方法。     

微脉冲激光雷达及其应用研究进展

微脉冲激光雷达(MPL)对云和气溶胶的光学属性的空间分布提供连续自动的观测，该系统结构紧凑，发射能量对人眼安全，其可靠性已在国内外很多大型试验中得到了验证。文章介绍了微脉冲激光雷达的系统结构、工作原理以及较之传统激光雷达的优越性，给出了气溶胶光学属性的反演方法(斜率法、近端解法、远端解法和迭代求解法)并指出了其优缺点，对MPL在边界层、气溶胶观测等方面的应用研究成果做了简介。