基于瑞利激光雷达对格尔木中间层大气密度的探测研究

2013年8月到2015年10月，利用MARMOT激光雷达对青海格尔木（36．25°N，94．54°E）上空50～90km高度的中间层大气密度进行了探测。利用TIMED／SABER卫星在50km高度探测的大气密度作为参考数据，提出了一种瑞利激光雷达探测大气密度的改进算法。结果表明，在中间层高度范围内，激光雷达的大气密度探测结果与TIMED／SABER卫星数据的一致性较好，二者的结果基本均低于MSIS-00模式值，尤其在冬季75～90km高度存在较大偏差。

基于瑞利激光雷达对格尔木中间层大气密度的探测研究(英文)

2013年8月到2015年10月,利用MARMOT激光雷达对青海格尔木(36.25°N,94.54°E)上空50~90 km高度的中间层大气密度进行了探测。利用TIMED/SABER卫星在50 km高度探测的大气密度作为参考数据,提出了一种瑞利激光雷达探测大气密度的改进算法。结果表明,在中间层高度范围内,激光雷达的大气密度探测结果与TIMED/SABER卫星数据的一致性较好,二者的结果基本均低于MSIS-00模式值,尤其在冬季75~90 km高度存在较大偏差。

大气超高光谱探测仪临边辐射计算的误差分析--四种大气成分的不确定性实验

利用RFM模式,模拟计算了大气红外超高光谱探测仪探测的辐射传输中四种主要大气成分(CO2、O3、H2O和N2O)由于吸收线位置、强度和宽度的不确定性导致临边辐射计算的误差。在统计HITRAN2016数据库中分子吸收线不确定代码的基础上,确定辐射传输计算使用不确定代码不小于3的不确定值。不同分子吸收线的不确定性对不同高度临边辐射影响不同,起主导作用的不确定因子也不同。同时还模拟计算了大气红外超高光谱探测仪4个探测波段综合多种分子的3个不确定因子(位移、强度、宽度)导致的临边辐射误差,为光谱通道选择和大气参数反演提供了数据基础。

以能量观点研究可见光辐射在大气中的衰减

2004年9月至2006年10月,在华北地区的4个站开展了太阳辐射、气象参数等的综合测量,得到了可见光辐射QVIS、总辐射Q等的变化特征。水汽和散射因子对QVIS/Q有明显的影响,同时对QVIS也有明显的作用。基于能量观点,建立了实际天气QVIS小时累计值(时累)的经验模式,得到了较好的计算结果。水汽因子对于QVIS在大气中的传输有一定的作用,应该给予足够重视。计算表明,华北地区受水汽因子衰减到达地面的QVIS以及占地面QVIS的比例分别为8.78W·m-2和4.24%,受散射因子衰减到达地面的QVIS以及占地面QVIS的比例分别为171.91W·m-2和95.76%。华北地区受水汽因子和散射因子影响损失于大气中的QVIS分别为16.54W·m-2和311.07W·m-2,这一能量损失有季节变化和区域差别。敏感性实验表明,到达地面的QVIS对水汽因子、散射因子的变化有不同的响应,QVIS对散射因子的变化比对水汽因子的变化更为敏感。水汽因子与可见光辐射之间的关系密切,水汽因子项的真正含义应该是大气中的各种物质成分(气、液、固态)对可见光辐射直接和间接(通过化学和光化学反应,包括均相和非均相过程)利用的总和。利用QVIS经验模式计算了大气顶的QVIS,其计算误差为3.5%。在目前及未来研究中,应重视和考虑消耗于大气中的这部分与水汽有关的能量。采用能量观点与实测资料相配合来理解和探索大气中的物理化学过程和规律是一种有效、实用的方法。

夏季格尔木中间层大气温度探测初步分析

中间层大气温度及时空演变特征对研究青藏高原中高层大气动力、热力学结构具有重要的科学意义。利用大气物理研究所设计建造的MARMOT激光雷达对青藏高原地区中层大气温度进行探测。介绍了MARMOT激光雷达的瑞利测温原理、系统构成及主要功能参数;并利用格尔木夏季大气温度的激光雷达探测资料分析该地区中间层大气温度,并与MSIS-00大气模式和SABER卫星数据进行对比分析,获得了夏季格尔木地区中间层大气温度的初步结果,并对激光雷达的温度数据进行验证。结果表明:MARMOT激光雷达探测温度与MSIS-00模式和SABER卫星结果整体上均具有较好的一致性;在上中间层和低中间层,激光雷达均比MSIS-00模式值、SABER卫星数据偏高;在中中间层,激光雷达与卫星数据均略低于模式值。

青海格尔木大气气溶胶地基激光雷达观测研究

本文利用中国科学院大气物理研究所自行研制的MARMOT（Middle Atmosphere Remote Mobile Observatory in Tibet）激光雷达系统,于2013年8月~2015年5月在青海省格尔木市（36.25°N,94.54°E）开展了准连续夜间气溶胶垂直分布的观测实验,初步获得了青藏高原北部地区上空气溶胶的消光系数反演结果。本文挑选晴朗无云观测时段进行典型个例分析,发现冬季测站上空空气污染程度比夏季和秋季严重。分析发现气溶胶的垂直消光廓线分布与背景天气系统和人类活动都有密切的关系,说明了人类活动对环境气溶胶浓度有非常大的影响。将激光雷达反演的气溶胶消光系数结果与CALIPSO卫星数据进行了对比,两者具有良好的一致性,验证了激光雷达所获数据的可靠性。

基于GOSAT反演的中国地区二氧化碳浓度时空分布研究

卫星遥感监测大气二氧化碳柱平均干空气体积混合比(XCO2)是实现碳源汇全球监测的最有效手段,本文对国际上4种应用GOSAT卫星观测的短波红外反演算法进行了介绍和结果分析。首先对于4种反演产品的有效数据量的分析表明:现有单一反演产品还不足以支撑XCO2时空分布研究。其次利用集合平均方法,综合使用4种反演产品研究了2010年中国地区XCO2时空分布特征,结果表明:XCO2呈现显著的地理分布和季节变化,不同地区季节变化趋势基本一致,均在春季达到最高值、夏季达到最低值,多数地区全年高于380 ppm(×10-6);在地理分布上,东部和西部地区存在较明显的差异,东部地区人口密集、工农业生产等人为活动旺盛,周边多被森林和草地覆盖,碳源汇强度大,因此XCO2季节变化幅度较大,全年约8 ppm;中、西部地区受人类活动影响较少,植被覆盖稀疏,XCO2全年变化仅5 ppm。

中高层大气瞬态发光事件(TLEs)及可能的影响

中高层大气瞬态发光事件(TLEs)是发生于活跃雷暴上空平流层和中间层的一类快速大气放电现象。根据光辐射的形态特征和发生位置的不同,可将已发现的TLEs归纳为4类:由电离层快速向下发展的Red Sprites(又称红色精灵,红闪);由雷暴云顶部向上发展的Blue Jets(又称蓝色喷流,蓝激流);由闪电激发的低电离层区域的圆环状放电ELVEs(Emissions of Light and VLF per-turbation due to EMP Sources,又称光辐射和EMP源引起的甚低频扰动)和由云顶向电离层快速向上发展的Gigantic Jets(又称巨大喷流)。对已有的TLEs现象学和形态特征的观测事实以及物理机制和理论研究等进行了回顾,讨论了TLEs对平流层和中间层大气以及电离层的可能影响,并提出了目前在TLEs理论方面尚未解决的问题,指出了进一步观测和理论研究的必要性。

冬季太阳11年周期活动对大气环流的影响

利用气象场的再分析资料和太阳辐射活动资料,对太阳11年周期活动影响北半球冬季(11月～3月)大气环流的过程进行了统计分析和动力学诊断.根据赤道平流层纬向风准两年振荡(QBO)的东、西风状态对太阳活动效应进行了分类讨论,结果表明:东风态QBO时,太阳活动效应主要集中在赤道平流层中、高层和南半球平流层,强太阳活动时增强的紫外辐射加热了赤道地区的臭氧层,造成平流层低纬明显增温,同时加强了南半球的Brewer-Dobson(B-D)环流,引起南极高纬平流层温度增加;而北半球中高纬的环流主要受行星波的影响,太阳活动影响很小.西风态QBO时,太阳活动效应在北半球更为重要,初冬时强太阳活动除了加热赤道地区臭氧层外,还抑制了北半球的B-D环流,造成赤道平流层温度增加和纬向风梯度在垂直方向的变化,从而改变了对流层两支行星波波导的强度;冬末时在太阳活动调制下,行星波向极波导增强,B-D环流逐渐恢复,造成北半球极地平流层明显增温,同时伴随着赤道区域温度的下降.

地基与星载仪器观测大气臭氧总量分析

本文选取多个臭氧总量观测站点,采用"三重制约法"分别对下列3组仪器观测臭氧总量数据进行统计分析,解算出不同观测资料的误差标准差,进而对比研究各种仪器的精度特征:1)1996~2003年期间地基WOUDC(World Ozone and Ultraviolet Radiation Data Centre)观测网络仪器(包括Brewer、Dobson和Filter臭氧测量仪)与星载TOMS(Total Ozone Mapping Spectrometer)和GOME(The Global Ozone Monitoring Experiment)仪器;2)2004~2013年期间WOUDC与星载OMI(ozone monitoring instrument)和SCIAMACHY(scanning imaging absorption spectrometer for atmospheric chartography)仪器;3)2004~2013年期间地基SAOZ(Système D’Analyse par Observations Zénithales)与星载OMI和SCIAMACHY仪器。结果表明,1996~2003年期间TOMS V8和GOME观测精度相当,分别为7.6±2.8 DU/46(其中,7.6±2.8 DU为所分析站点观测资料的平均精度及其标准差,46为站点数目)和7.6±1.5 DU/46。TOMS V8观测精度优于TOMS V7(8.5±3.0 DU/46),验证了前者对后者有所改进。2004~2013年期间OMI和SCIAMACHY在WOUDC地基站点观测精度接近,分别为6.6±1.4 DU/21和6.0±1.6 DU/21。SAOZ地基仪器精度为8.4±3.6 DU/8。对于3类WOUDC地基仪器,Brewer站点观测资料的平均精度最优(7.9±3.3 DU/12),Dobson次之(8.7±2.3 DU/19),Filter最差(14.7±4.0 DU/15)。相比于卫星,3种地面仪器观测平均精度较差(10.5±4.3 DU/46),这主要是由于Filter精度较差引起。中国境内的瓦里关(Brewer)、香河(Dobson)和昆明(Dobson)3个地基站点仪器观测精度均较优,分别为7.8 DU、6.7 DU和6.6 DU。尽管不同站点之间存在一定差异,但整体来说,地基与卫星仪器在中国境内3个站点观测臭氧总量吻合较好。

亚热带森林植物挥发性有机物(BVOCs)排放通量与大气甲醛之间的关系

陆地植物是大气中挥发性有机物的主要来源,准确获得中国典型生态系统,特别是亚热带森林植物挥发性有机物的排放通量,对碳循环、空气质量、大气化学和光化学等方面的研究都是一项具有重要意义的工作。2013年5月—2016年1月,采用松弛涡度积累(Relaxed Eddy Accumulation)和梯度技术在江西省亚热带人工林冠层上测量了植物挥发性有机物(BVOCs,包括异戊二烯和单萜烯)的排放通量,同步测量了气象参数、太阳辐射(总辐射、直接辐射、光合有效辐射PAR)等。基于冠层尺度BVOCs排放经验模式和测量数据,计算了2013年1月—2016年12月亚热带人工林BVOCs的排放通量。2013—2016年,通量塔100 km内异戊二烯的年排放量分别为1.2×10~5、2.4×10~5、2.1×10~5、1.6×10~5 kg,单萜烯的年排放量分别为2.1×10~5、2.1×10~5、1.9×10~5、2.0×10~5 kg。4年间,亚热带森林甲醛柱浓度表现出显著的季节变化,夏季高、冬季低,与BVOCs的排放特征基本一致。结合分析卫星测量的甲醛HCHO(molec·cm-2)柱浓度月平均数据,发现亚热带人工林BVOCs排放通量(mg·m^(-2)·h^(-1))与HCHO柱浓度(c_(HCHO))月均值之间存在良好的线性关系:异戊二烯排放通量F_1=1.29×10^(-16)c_(HCHO)-0.77、单萜烯排放通量F_2=1.02×10^(-16)c_(HCHO)-0.21、BVOCs排放通量F=2.31×10^(-16)c_(HCHO)-0.98。因此,基于卫星测量的HCHO数据,可以估算BVOCs排放通量,异戊二烯、单萜烯和BVOCs的计算偏差低于30%。该研究可为获取大范围BVOCs排放通量提供一种新方法,也为卫星数据的广泛应用提供了借鉴。

中高层(60-120km)大气电参数非线性效应对地闪回击电磁场传播的影响

基于麦克斯韦方程组,通过综合考虑电子热效应和电离、吸附效应的非线性变化,利用二维时域有限差分算法(2D FDTD),建立了对流层-中高层大气电动力耦合模式,分析了中高层大气电参数的非线性效应对地闪回击电磁场传播的影响。结果表明,对微秒量级的地闪回击辐射场而言,在60 km以下,由于弛豫时间为毫秒量级,不需要考虑电参数的非线性效应。而在60 km以上的空间,由于弛豫时间快速减小至小于微秒量级,必须考虑电参数非线性效应带来的影响。如果考虑中高层大气电参数非线性效应,距地面90 km高度处地闪回击辐射场峰值明显减小,其中,垂直电场受影响最明显,场峰值最大可减小75%左右,而水平电场受影响相对较小。因为垂直电场脉冲持续时间为几百微秒,而水平电场脉冲持续时间仅为几十微秒,电磁场脉冲持续时间越长,受微秒量级中高层大气电介质弛豫时间的影响越大。

无霾和有霾情况下大气混合层高度的日变化及其特征——基于河北香河站激光雷达的观测

利用Mie散射激光雷达EZLidar和自动观测站气象资料对河北香河站2006年8月~2007年11月大气混合层高度（MLH）进行了观测研究,得出了灰霾和非灰霾两种天气大气混合层的日变化特征：1 MLH的日变化同温度、风速的变化密切相关,相关系数分别为0.968、0.580,通过了0.01的置信度检验;2春季的MLH明显高于秋、冬两个季节,秋冬两季混合层的发展相似,MLH较低,大体上秋季的MLH高于冬季;3灰霾天气溶胶含量高,阻挡地面长波辐射向外发射,形成了类似的保温效应,灰霾天大气温度要高于非霾天的温度,且随着时间的增加而增加;4灰霾天属于静稳天气,热力引起的湍流非常弱,风速变化对它的影响更大。热力和机械剪切作用共同影响了灰霾天和非灰霾天MLH的日变化。

北京闪电综合探测网(BLNET):网络构成与初步定位结果

北京闪电综合探测网(Beijing Lightning NETwork,简称BLNET)由10个观测站组成,每个子站主要由闪电快、慢电场变化测量仪(也称快、慢天线)和闪电甚高频(VHF)辐射探测仪构成,实现了对闪电的多频段的综合观测。本文首先详细介绍了BLNET的网络构成,然后利用蒙特卡罗法对网络的定位误差进行了理论分析,模拟结果表明网络内部水平定位误差小于200 m,网络外部100 km处水平定位误差小于3 km,最后利用Chan氏算法和Levenberg-Marquardt算法相结合的方法,对发生在2013年7月7日的一次雷暴过程分别进行了地闪和云闪定位,将定位结果和对应时次的雷达回波进行比较,发现地闪和云闪都出现在大于30 d BZ的雷达回波区,表明了探测网络和定位方法的可靠性。

加密自动气象站雨量计资料的质量控制及其相关关系的研究

在长春一四平地区100km-100km的范围内，分布有平均间隔10km左右的147个自动气象站。结合该区域雷达回波强度资料，对2007-2011年4～10月的气象站雨量计小时降水数据进行质量控制。多步骤质量控制结果显示，有141个自动站雨量计的数据通过了检查，删除了6个错误站点的数据，对有疑问时段的数据作了标记。利用质量控制后的5年夏季半年自动站雨量计小时降水数据，进行相关关系统计分析表明：距离在10km以内的雨量计测量，平均相关系数均能达到0．6以上；雨量计距离小于5km，平均相关系数在0．7以上；而站点距离超过20km，相关系数普遍降到0．4以下；随着统计时间的增长（从分钟到月降水量），每个雨量计的测量值具有更高的空间代表性。

中国二氧化碳科学实验卫星高光谱探测仪光谱指标影响分析及优化方案

中国第一颗二氧化碳科学试验卫星(碳卫星:TanSat)将搭载高光谱分辨率的光栅光谱仪.信噪比、光谱分辨率、光谱范围和光谱采样频率是决定卫星遥感监测大气二氧化碳精度的核心指标.利用中国科学院大气物理研究所自主研发的碳卫星仪器指标模拟分析系统和短波红外反演算法,分析和论证了碳卫星二氧化碳探测仪的光谱指标对二氧化碳柱平均混合比(XCO2)反演精度的影响,并利用GOSAT卫星观测数据进行了XCO2的反演试验.研究表明,低光谱采样频率主要影响二氧化碳弱吸收带(1.61 m)观测精度,可以造成XCO2反演误差达到1 ppm(1 ppm=1 L L 1).通过降低光谱分辨率,将光谱采样频率提高至2.0以上可以有效降低采样频率的影响,为提高中国碳卫星的观测精度奠定了理论基础.

3mm多普勒云雷达测量反演云内空气垂直速度的研究

垂直指向的W-波段大气云雷达(WACR)不仅测量云粒子的反射率因子Z,而且测量多普勒速度谱。本文利用寿县气象站WACR在2008年11月1日一个时段的测量,进行云内空气垂直速度反演试验。首先讨论个例中反射率、Doppler平均速度及谱宽的分布特征及原因,然后利用小粒子示踪法和改进的以小粒子示踪法为基础的粒子下降速度w0—反射率因子(w0-Z)关系法反演了云内空气垂直速度,进而结合Doppler谱数据分析反演结果。结果显示:小粒子示踪法在湍流较弱时能比较精确地反演空气垂直速度,而湍流较强时,湍流造成的误差不可忽略;改进算法在湍流较强时能够减少湍流对反演结果的影响。

山东半岛一次强飑线过程地闪与雷达回波关系的研究

利用山东省气象局地闪定位资料和青岛多普勒雷达资料,分析了2007年7月31日发生在山东半岛一次强飑线过程的地闪活动演变特征以及地闪活动与雷达回波特征的关系。结果表明,此次过程中地闪异常活跃,最大频数达到1 212fl.(10min)-1,但正地闪仅有15次。在飑线系统快速发展阶段,地闪频数出现了两次"跃增"现象,地闪频数随时间的增加呈"阶梯状"发展特征。地闪主要集中发生在6km高度上雷达回波≥35dBZ的区域,地闪频数与45dBZ以上强回波面积的相关系数达到0.89,但也有少量地闪零星分布在弱回波区域。地闪频数与45dBZ回波顶高的相关性要好于与35dBZ和50dBZ回波顶高的关系,二者之间的相关系数为0.71。为了定量分析对流强度与地闪频数之间的关系,定义了8个对流强度指数,其中0℃层以上所有强回波的反射率因子值之和与0℃层以上所有强回波的反射率因子值与所在高度的乘积之和以及地闪频数的关系非常稳定。对比分析不同强度的对流系统,发现不同雷暴天气过程中的对流强度与地闪频数的关系明显不同,即对流越强,相应的对流强度与地闪频数的相关关系也越好。另外,在飑线系统的发展演变过程中,地闪频数与0℃层以上和7～11km高度的冰相降水含量也存在着非常密切的关系,相关系数均在0.8以上。

华北一次中尺度对流系统中的闪电活动特征及其与雷暴动力过程的关系研究

利用地面地闪定位资料、多普勒天气雷达和常规气象资料,分析了一次具有前部对流线和后部大范围层状云降水(LLTS)的典型中尺度对流系统(MCS)的闪电活动演变特征。整个MCS生命史中负地闪占主导地位,正地闪则表现不活跃。观测得到MCS消散阶段云闪与地闪的比例为2∶1,地闪主要分布在地面相对位温和对流不稳定能量均达到高值的区域;负地闪主要密集地分布在大于40dBZ的回波范围内;正地闪则稀疏地分布在30～40dBZ的回波范围内。在低于-40℃的温度区域内地闪分布较多,而密集的地闪分布在温度梯度大的区域内。结合单多普勒雷达的水平风场反演,发现地闪集中出现在气流表现为气旋性切变或水平风呈现切变的区域。该区域与MCS的强回波区相对应,并且地闪易发生在上升气流达到最大并开始出现下沉气流的阶段。

与东北冷涡相伴的高空急流诱发平流层重力波的数值模拟研究

使用中尺度数值模式WRF-ARW,针对2010年6月发生在中国东北地区一例伴随对流层高空西风急流（位于～9 km高度）演变过程出现的平流层重力波活动特征开展了数值模拟.事件发生期间,对流层区域环流处在一个东北冷涡系统的控制之下.模拟结果再现了该东北冷涡的发展和维持过程,以及与之相伴的高空急流的特征.模拟结果揭示出在急流区域上空的平流层中存在显著重力波活动现象.分析结果显示,重力波活动与急流存在紧密联系,在水平方向上,重力波呈显著的二维结构,出现在急流出口区上部并逆背景流向西传播.功率谱分析结果表明盛行波动具有～700 km水平尺度、9～12 h时间尺度以及4～5 km垂直波长.由于急流的存在,造成其与平流层中下部之间存在显著的水平风速垂直切变,与切变相伴的耗散使得上传的重力波动量通量数值随着高度升高而递减.同时,在18～20 km高度间出现的西风-东风转换带极大地抑制了波动在垂直方向的传播,形成显著动量通量沉积效应.估算结果表明,在11～20 km高度之间,这种效应的整体作用相当于对该层背景流施加强度为0.86 m·s-1·day-1的动力阻曳.