现代大气物理学研究进展

简要论述现代大气物理学的主要研究内容与发展历史,重点介绍中国科学院大气物理研究所的科技工作者在云和辐射的相互作用、气溶胶的光学特性、气溶胶的辐射强迫、大气辐射传输、大气组分探测等方面的研究进展与成果,特别是创新性的研究成果。

北京地区对流层中上部云和气溶胶的激光雷达探测

介绍了近年来研制的一台多波长激光雷达及其探测对流层高云和气溶胶的实验 ,并依据探测结果重点分析了北京 2 0 0 0年 1月至 4月对流层上部云和气溶胶在 5 32nm波长的消光系数分布特征。结果表明 :从 6km至 1 1km的气溶胶光学厚度值在 0 0 1 5 2至0 0 2 84之间变化 ,均值为 0 0 1 92。从 6km至 1 1km的云光学厚度值在 0 0 1 4至 0 2 3之间变化。观测到的单层高云的厚度最大为 6km。 4月 6日 ,近年来最强的一次沙尘暴袭击北京。 4月 7日北京地区无可见云 ,激光雷达探测结果表明 ,从 4km至 1 0km高度范围内 ,存在一层厚度约为 6km的气溶胶粒子层 ,消光系数峰值处于 8km附近 ,比晴天无云时的消光系数值约大一个数量级。估计这是一层沙尘气溶胶 ,系由远距离输送至北京形成的。

大气遥感研究展望

对大气遥感研究发展方向作了展望 ,重点论述了如下几个方面 :1)未来大气遥感研究若干特点 ;2 )主被动式相结合的卫星大气遥感 ;3)大气遥感技术与应用集成 ;4 )大气和地表物理参数的综合遥感 ;5 )气溶胶与云光学特性遥感 ;6 )微量气体时空分布遥感 ;7)地基大气遥感及走向综合集成。

中国10个地方大气气溶胶1980～1994年间变化特征研究

作者发展了一个从地面上太阳短波直射辐射和能见度信息综合确定大气柱气溶胶总光学厚度和平流层气溶胶光学厚度的方法，并应用这个方法从气象台站观测资料反演得到北京、昆明、喀什、上海、广州、郑州、沈阳、武汉、格尔木和乌鲁木齐等１０个地方从１９８０到１９９４年间晴天气溶胶光学厚度资料，分析了这些地方气溶胶光学厚度月变化和年变化特征，并侧重分析了１９８２年墨西哥厄尔奇琼火山和１９９１年菲律宾皮纳图博火山爆发对气溶胶光学厚度的影响。

近年来大气遥感研究进展

本文着重介绍中国科学院大气物理研究所2003年以来在大气遥感研究方面的主要进展与成果,内容包括:(1)遥感技术与设备的发展;(2)大气气溶胶遥感;(3)云遥感;(4)大气微量气体遥感;(5)反演方法发展;(6)大气辐射传输算法研究。气溶胶的光学特性遥感研究是近年来热点之一,本文简要论述在气溶胶光学特性地基和卫星遥感反演算法、中国大气气溶胶光学特性时空分布特性、气溶胶辐射强迫遥感研究等方面所取得的成果。

沙尘暴的光学遥感及分析

本文根据激光雷达和光度计综合探测的结果，结合气象背景资料分析了1988年4月北京地区三次沙尘暴过程气溶胶物理光学特性及其远距离输送时的垂直结构。这三次尘暴主要来源于内蒙的沙漠和黄土地区，根据激光探测消光系数垂直分布资料，在4月11日，沙尘粒子有3个不同的输送带，其中两个输送带的高度处于2000—3000m和3000—6000m，另一个输送带的下边界高度约为200m，其高度结构密切依赖于风场的垂直结构。根据多波长太阳光度计和半球辐射计的观测结果，尘暴期间大气柱沙尘总光学厚度在0．3至15之间变化，峰值光学厚度比平时们大约一个数量级，在0.65μm波长，在4月11目测量的气溶胶一次散射反照率均值为0.85。

关于中国大气气溶胶光学厚度的一个参数化模式

应用中国 1 6个气象台站探测的 1 990年太阳宽带直射辐射信息 ,反演得到了这些台站大气气溶胶光学厚度资料 ,发展了一个应用地面气象能见度和水汽压信息确定大气柱气溶胶光学厚度的参数化模式 ,它比 Elterman模式更适合中国的广大地区。研究还发现 ,比较 Elter-man气溶胶粒子浓度垂直分布模式 ,中国许多地方气溶胶粒子浓度垂直衰减较慢。

从全波段太阳直射辐射确定大气气溶胶光学厚度──Ⅱ：实验研究

本文通过比较太阳直射表和太阳光度计探测的大气柱气溶胶光学厚度，分析了从太阳直射表探测的全波段太阳直射光强信息确定大气柱气溶胶光学厚度的误差，并应用北京观象台的太阳直射表观测资料，反演得到了１９９０－１９９３年北京大气柱气溶胶光学厚度，分析了该光学厚度月与年变化规律以及１９９１年菲律宾皮纳图博火山爆发对北京大气气溶胶含量的影响。本文还提出了关于有效水汽含量的一个经验关系式，用于确定水汽对太阳辐射的吸收率。

北京等7个气象台站太阳总辐射观测资料的准确度评估

基于地面太阳短波总辐射对气溶胶光学特性和地表反照率的敏感性,该文提出了一个评估我国气象台站总辐射资料准确度的方法。该方法选用气溶胶光学厚度和太阳天顶角较小情形下的晴天辐射资料,从太阳直射辐射反演气溶胶光学厚度,用于计算宽带透过率,再从该透过率和总辐射资料反演太阳常数E0,P,并采用E0,P对世界辐射基准(WRR)的偏差表示总辐射资料的不确定性。模拟结果表明:气溶胶折射率虚部和大气柱水汽含量的输入误差是两个主要的评估不确定因子。用于准确度评估的资料越多,越有利于平滑气溶胶、水汽含量等输入参数随机误差的效应,评估结果越合理。应用这一方法,该文评估了2000—2004年我国沈阳、额济纳旗、北京、乌鲁木齐、格尔木、上海和广州7个气象台站总辐射资料的准确度。7个站共有1161个太阳常数反演值,都满足太阳天顶角余弦(μ0)大于0.7的条件。这些E0,P值对WRR的最大偏差为7.33%,97.78%的E0,P值对WRR的偏差小于5%,总平均E0,P值对WRR偏差只有-1.15%。依据这些结果,当μ0≥0.7时,这些台站的晴天总辐射资料的不确定度估计为5%。

从宽带太阳直接辐射小时或日曝辐量反演气溶胶光学厚度研究

从宽带的太阳直接辐射1天或1小时累计量(曝辐量)气象观测资料反演气溶胶光学厚度的一个有效方法是很有用的。作者把太阳曝辐量与“等效”的瞬时太阳直接辐射关联起来,建立了一个与曝辐量“等效”的瞬时太阳直接辐射的模式;应用该模式和一个“等效”波长模式,发展了一个从太阳直接曝辐量反演气溶胶光学厚度的方法。作者还从试验上比较分析了由某时刻的宽带太阳直接辐射、每小时或1天的太阳直接辐射曝辐量反演得到的气溶胶光学厚度以及由太阳光度计探测的气溶胶光学厚度。试验结果表明,由日太阳直接辐射曝辐量反演得到的气溶胶光学厚度可理解为辐射加权的日平均光学厚度。

参数化的多次散射雷达方程和它的反演理论 Ⅱ:反演理论

本文根据参数化的多次散射雷达方程,分析了激光多次散射对激光回波信号和一次散射雷达方程反演结果的效应,提出了迭代前向积分法和迭代后向积分法以求解参数化的多次散射雷达方程,并根据多次散射信号对云和气溶胶的前向散射相函数的高度敏感性提出了一个从双接收视场的多次散射激光回波信号,同时确定云和气溶胶消光系数分布和前向散射相函数的方法.此外,本文还根据数值试验分析了这些反演方法在地基激光雷达和空间站激光雷达两种情形下的适用性.

从全波段太阳直射辐射确定大气气溶胶光学厚度 I：理论

本文提出了从全波段太阳直射辐射信息确定０．７μｍ波长大气柱气溶胶光学厚度的一种新方法。数值试验表明，对各类气溶胶谱分布，在水汽含量±０．２ｃｍ的误差、臭氧总量±０．１ｃｍ的误差、太阳直射辐射的±１％的观测误差以及太阳常数的±２％误差范围内，对小于０．１的０．７μｍ波长气溶胶光学厚度，它的解误差一般小于０．０１７，对大于０．１并小于０．６的光学厚度，它的解误差一般小１０％。

大气气溶胶光学厚度的宽带消光遥感方法及其应用

该文发展了遥感气溶胶光学厚度的一个宽带消光遥感方法 ,它应用地面上太阳直射表探测的宽波段太阳直射信息反演 0 75 μm大气柱光学厚度。这方法的主要误差因子是气溶胶谱的不确定性。数值试验表明 ,气溶胶谱分布的误差所引起光学厚度解的误差一般小于 5 %。 1995年 1— 10月进行的 12 6 7组对比实验表明 ,由本方法探测的气溶胶光学厚度与光度计探测的气溶胶光学厚度的标准差为 10 5 % ,两者平均结果的偏差只有 0 7%。该文还应用这个方法 ,从气象台站辐射观测资料反演得到北京、沈阳等 10个地方 1980— 1994年间晴天气溶胶光学厚度资料 。

宽带太阳漫射辐射法反演辐射加权平均的气溶胶一次散射反照率研究

引入了一个辐射加权平均的宽带气溶胶一次散射反照率(SSA)的定义,提出了一个从宽带的漫射信息反演该SSA的方法。数值模拟结果表明,在Junge气溶胶谱分布情形下,对气溶胶光学厚度、ngstr m指数与气溶胶虚部的通常变化范围,应用该SSA所计算的2160组宽带太阳辐射反射率、漫射透过率、总透过率和吸收率的相对标准误差都在1.107%以内;绝对标准差在0.00287以内。对非Junge的大陆性和都市工业污染气溶胶模式(由水溶性、沙尘和碳粒子组成),在72组反射率、漫射透过率、总透过率和吸收率计算中,相对标准差都在2.047%以内,绝对标准差在0.0075以内。在Junge气溶胶假设下,作者提出了一个综合应用宽带太阳直射和漫射信息同时反演气溶胶光学厚度与辐射加权平均SSA的方法,并通过模拟反演分析了SSA反演的3个主要误差因子。从反演结果可以看出:(1)如果ngstr m指数误差在±0.2以内,对0.55μm气溶胶光学厚度大于0.312大陆性气溶胶,SSA误差在±0.0418以内;(2)波长无关的宽带地表反照率适用于SSA反演;(3)气溶胶光学厚度越大,辐射资料误差所引起的SSA解误差越小。当辐射误差在±2%以内以及0.55μm气溶胶光学厚度大于0.312时,SSA解的误差在±0.0149以内;辐射误差在±4%以内时,SSA解的误差在±0.0317以内。

用于空间对地遥感的一个参数化辐射传输计算模式

一个足够精度的参数化向上亮度模式对空间对地遥感的大气订正应用是很有意义的。依据向上天空亮度对大气散射相函数、光学厚度、太阳天顶角、空间方位和天顶角等有关参数的依赖特性，基于大量的天空亮度数值模拟计算资料，本文发展了一个关于向上天空亮度的参数化模式。３９４４０组的数值模拟对比资料表明，在气溶胶光学厚度τｔ≤１，太阳天顶角小于７２ｏ，μ≤０．４３２（天顶角小于６５ｏ）以及无云的条件下，由现在的参数化的模式所计算的向上亮度的误差一般小于６％。地表反射率越大，参数化模式的精度越高。参数化模式的精度一般随着光学厚度和太阳天顶角的增大而变差。

参数化的多次散射激光雷达方程和它的反演理论 Ⅰ:方程

本文提出了一个参数化的多次散射激光雷达方程,该方程基于本文引出的四个因子,即几何消光因子、消光分布因子、前向散射因子和后向散射因子.前两个因子表征多次散射成分对大气消光系数分布、激光的发散角和接收视场角以及接收孔径的依赖关系,后两个因子表征多次散射成分对散射相函数的依赖关系.这个参数化多次散射雷达方程在241个数值试验中得以检验,这些试验包含很宽的大气条件和雷达几何参数,包括14个大气散射相函数,均匀和不均匀的大气消光系数分布,0.5至1之间变化的一次散射反照率,地基和空间站激光雷达两种情形.数值试验表明,在小于4的光学厚度内参数化的解和Monte-Carlo解之间的标准偏差小于27％,而本模式的计算时间比Monte-Carlo方法偏小4个数量级左右.本模式不仅适合于研究多次散射对激光回波信号和激光大气遥感的效应,而且对于考虑多次散射的激光大气探测而言,是一个合适的应用模式.

从太阳总辐射信息反演云光学厚度的理论研究

本文从理论上探讨了从全波段太阳总辐射信息反演云光学厚度的一个新方法，并分析了引起云光学厚度解的误差的主要因子。理论分析和数值试验表明，在大气满足水平均一的条件下，本方法的云光学厚度解的精度主要取决于气溶胶光学特性的确定误差，如果气溶胶光学厚度的误差在３０％以内，或折射率虚部的误差在０．０２以内，云光学厚度解的误差一般在１５％以内。本文还发展了一个二层模式的半经验的δ－Ｅｄｄｉｎｇｔｏｎ近似，其精度优于Ｅｄｄｉｎｇｔｏｎ和δ－Ｅｄｄｉｎｇｔｏｎ近似，而且无须知道云和气溶胶消光系数的垂直分布，适用于本反演算法。

卫星遥感大气订正的参数化模式及其模拟应用

发展了一个用于卫星大气订正的参数化模式 ,包括一个新的程辐射亮度模式和一个参数化的朗伯地表—大气辐射耦合引起的亮度增量模式。应用最小二乘法 ,程辐射亮度被参数化为大气总光学厚度、一次散射反照率、太阳天顶角、视天顶角、方位角、大气不对称因子的函数。应用这一参数化的亮度模式进行大气订正应用的数值模拟 ,即进行卫星遥感地表光谱反照率的模拟试验。数值检验结果表明 :对于 86 5nm ,6 70nm ,5 5 0nm和 412nm 4个MODIS通道 ,在 0°— 70°的太阳天顶角、0°— 6 0°视观测角以及 0 .0 5— 0 8的地表反照率条件下 ,参数化的向上辐射亮度的标准差小于 4% ,由该参数化亮度模式引起的地表反照率解的标准差小于0 .0 3。

从光谱或宽带太阳总辐射反演气溶胶一次散射反照率研究

提出一个应用光谱或宽带太阳总辐射反演气溶胶折射率虚部和一次散射反照率(SSA)的新方法,它在原理上是基于漫辐射分量对SSA的敏感性.通过数值模拟分析了辐射误差,气溶胶光学厚度(AOD)和谱分布误差,水汽含量误差和平面大气假设所引起的SSA反演误差.如模拟结果所示,对于文中建议的AOD下限,如果辐射资料误差分别在±2%和±5%以内,SSA误差在±0.029和±0.07以内;如果AOD误差在±10%以内,SSA误差在±0.041以内.实际AOD越大,SSA反演精度越高.文中还把从北京气象台站总辐射资料反演的SSA与AERONET北京站的SSA产品进行比较.对4个AERONET波长,应用本方法的SSA平均值对AERONET结果的最大偏差为0.032;均方根偏差都在0.052以内.两者有较好的吻合.

大气遥感与卫星气象学研究的进展与回顾

大气遥感作为大气科学中的重要基础与技术支柱,是20世纪60年代以来迅速发展的一门年轻学科。中国大气科学工作者在这方面也紧密结合国家需求与国际学术前沿,从20世纪60年代开始在理论研究,技术发展与实验研究,以及在气象、环境和国防应用等多方面开展了活跃的研究与发展工作。作者主要对中国科学界在大气遥感与卫星气象学发展方面作简要回顾,并着重介绍中国科学院大气物理研究所在大气遥感的基础与方法研究方面的一些进展,以及对大气遥感发展中的作用。主要内容包括:中国大气遥感的简要发展过程、卫星气象的早期发展、卫星红外遥感的基础理论研究、大气微波遥感的理论与实验研究、大气激光遥感研究、大气光学遥感研究。