大气探测高技术及应用研究进展

大气探测技术是支撑大气科学,特别是大气物理和大气环境学科发展的重要基础,其主要任务是发展新的探测和试验手段、原理和方法,为认识大气运动以及大气中各种物理、化学、生物过程的基本规律及其与周围环境的相互作用提供技术手段和方法。除了充分利用国内外已有的成熟技术和产品对大气科学发展提供支持外,大气探测还存在一系列科学与技术问题需要研究和开发,这也是大气探测科学与高技术的前沿。本文从强对流和降水探测技术、雷电探测技术、云特性探测技术、臭氧和气溶胶等大气成分探测技术、地基GPS观测反演大气和海洋参数、大气与环境综合探测平台六个方面综述近五年来中国科学院大气物理研究所在地面大气探测高技术研发、实验观测及相关研究领域所取得的一些主要进展,并对未来发展进行展望。

利用MODIS资料模拟计算水云大气红外辐射特性

利用MODIS二级云产品和大气产品资料,采用通用大气辐射传输软件模拟计算了水云存在的情况下8.55μm、11.03μm和12.02μm波段水云大气顶亮温,并对三波段的MODIS云顶观测亮温和模拟计算的亮温进行了对比分析.结果表明:利用MODIS卫星观测云参量、大气参量和空间几何参量,结合通用大气辐射传输软件模拟计算的亮温和MODIS云顶亮温分布基本一致,亮温差较小,主要分布在-10K^10K附近.模拟计算的三个通道亮温差BTD(8.55~11.03μm)和BTD(11.03~12.02μm)的变化符合水云的情况.

欧拉观测的大气扩散参数计算方法探析及应用

根据湍流扩散统计理论,讨论了利用欧拉观测的风速资料求解正态扩散模式中大气扩散参数的计算方法及其实现,并以海南洋埔开发区各稳定度大气扩散参数的计算为实例作了分析。

羊八井站多波段多大气成分主被动综合探测系统(APSOS)科学目标

青藏高原以其复杂的地形结构、独特的生态环境和特殊的生态系统类型,以及它对亚洲季风、东亚大气环流、海气作用过程(如El Nino-Southern Oscillation,ENSO)、全球气候变化等重要的影响,受到国内外众多生态和大气科学家的关注。由于青藏高原气象观测站数量少,且受探测技术的限制,高原许多地区大气成分的时空分布观测几乎为零。位于西藏羊八井宇宙线国家野外科学观测研究站的多波段多大气成分主被动综合探测系统(Atmosphere Profiling Synthetic Observation System,APSOS)作为一个全中性大气层多要素、高垂直分辨率、准连续探测系统,能够获取青藏高原高时空分辨率大气要素第一手地基观测数据,可为区域气候变化的长期监测和卫星遥感的地面验证提供关键数据,也能为研究对流层顶、急流区、中间层顶的复杂过程,以及全球变化中的大气上下层对太阳活动和地表的响应过程等科学问题提供基础数据。

基于半参数模型的水位数据预处理方法研究

为消除压力式验潮仪数据因误差而存在的抖动现象,提出了利用半参数模型对水位数据进行预处理的方法。研究了半参数模型在水位预处理中的具体实现方法,并对处理后的数据在应用方面进行了数据实验。实验表明,半参数模型既能够剔除不合理观测噪点,又能够高精度拟合观测水位,利用处理后的数据确定的余水位以及潮汐比较参数更具备合理性,精度得到了提高。

基于欧拉观测的大气扩散参数计算方法

利用超声风速仪对吉林省敦化市大石头镇进行了夏、冬季各10 d的观测。根据大气湍流扩散参数统计理论,利用欧拉观测的风速资料求解正态扩散模式中的大气扩散参数。结果表明:2005年夏季和2007年冬季B—F类稳定度的σy和σz均呈减小趋势,横轴y方向的总体扩散水平大于垂直方向z轴的总体扩散水平。夏季的σy在B—D类明显高于冬季的σy,且随着水平距离的增加更为明显;E—F类,夏季的σy在x=100 m处,略低于冬季,但随着水平距离的增加,夏季的σy比冬季的σy增加更快;夏季的σz在B—F类均高于冬季的σz,且随着水平距离的增加更为明显。该计算方法具有可操作性和实用性,可作为研究该地区大气湍流扩散规律和污染模式选取参数的依据。

不同大气稳定度分类法及扩散参数方案对CALPUFF模拟结果的影响及拟合湍流方案的研究

通过沿海某核电厂址在不同大气稳定度条件下开展的示踪试验,验证了CALPUFF模式中三种大气扩散参数方案在不同大气稳定度条件下的数值模拟效果。研究结果表明,实测湍流方案的模拟效果受大气稳定度分类结果的影响较小,综合评估结果最好。在模式模拟大气稳定度分类结果和基于气象塔实测数据的大气稳定度分类结果一致的条件下,微气象方案模拟结果略差于实测湍流方案模拟,好于PG方案。在环评重点关注的不利天气条件下,采用微气象方案或PG方案的模拟结果可能会与实际浓度分布结果有偏差。为了解决长期实测湍流数据不易获取的问题,将用于大气稳定度分类的气象塔实测数据及对应时段的湍流观测资料进行拟合,构造出各大气稳定度条件下湍流脉动标准差方程。统计结果表明,结合了大气稳定度指标的拟合湍流方案模拟效果良好,对于提高核电厂大气扩散模拟效果具有一定的实用意义。

利用Ka波段云雷达对青藏高原三类重要天气系统云宏观参数日变化特征的研究

青藏高原上空云宏观参数的日变化受大尺度环流、当地太阳辐射和地表过程的联合作用,对辐射收支、辐射传输及感热、潜热的分布等有重要影响。由于缺乏持续定量的观测,对各类天气系统云宏观参数日变化特征的了解还十分不足。多波段多大气成分主被动综合探测系统APSOS(Atmospheric Profiling Synthetic Observation System)的Ka波段云雷达是首部在青藏高原实现长期观测云的雷达。本文基于2019年全年APSOS的Ka波段云雷达资料,采用统计和快速傅里叶变换方法研究了西风槽、切变线和低涡三类重要天气系统影响下的有云频率、单层非降水云或者降水云非降水时段的云顶高度、云底高度和云厚日变化的时域和频域特征,得到了统计回归方程。主要结论有:(1)西风槽系统日均有云频率为56.9%,切变线系统为50.8%,低涡系统达73%。(2)尽管西风槽和切变线系统的成因不同,但两类系统云宏观参数的日变化趋势和主要谐波周期相似:日变化趋势基本为单峰单谷型,日出前最低,日落前最高。有云频率表现为日变化和半日变化,单层云云顶高度、云底高度和云厚主要表现为日变化。(3)低涡系统云宏观参数的日变化特征与前两类系统明显不同:日变化趋势表现为多峰多谷型,虽然有云频率和单层云云顶高度、云底高度主要谐波中均以日变化振幅最大,但频谱分布分散,云厚主要变化中振幅最大的是周期为4.8 h的波动。(4)得到了各系统有云频率、单层云云顶高度、云底高度和云厚日变化的统计回归方程。

辽东湾海冰样区数学模型的建立

从海冰的光学特性出发，利用平行分层大气传输方程加上特定边界条件推导出海冰反射率，厚度及波长三者之间的关系．使用实测数据对其参数进行修正，建立了数学模型．用所建立的数学模型从理论上计算的辽东湾海域不同厚度海冰的反射率值与经过大量实验的结果相对照，证实了计算的海冰反射率是可靠的．同时利用数字计算机编程加快了计算速度，提高了准确度和可靠性，为海冰数值预报奠定了基础．

基于多源信息的大气环境光学特性研究方法

综合利用地面气象观测、卫星遥感、再分析资料等多渠道气象信息,获取较高时间分辨率、空间分辨率、和更大地区范围的大气参数。结果应用于光学探测工作地点和时机选择,大气红外传输特性区域分布特性研究,云的光学参数提取和云背景亮度仿真,有助于全方位研究大气环境光学特征。

云探测中的激光雷达技术研究进展

云宏微观参数的探测对云物理和气候变化研究具有重要意义。激光雷达是实现云宏微观参数高时空分辨率探测的有效的重要科学仪器。回顾和总结了激光雷达在云参数探测中的主要技术及其研究进展,讨论了激光雷达在云探测研究中的不足和局限性及目前在云探测应用中亟待解决的关键问题,展望了激光雷达未来在云探测中的应用潜力,并提出了研究思路与方案。内容涉及云检测和云相态识别的多波长及偏振激光雷达和云内温度、湿度、风速风向与垂直气流探测等激光雷达技术与方法,分析讨论了云系降水潜力探测的激光雷达应用案例。激光雷达对于探测初生云团及稀薄云层具有较好的穿透性及精细探测优势,但对于强对流云等厚云层,需将其与其他探测手段如微波雷达等联合观测,并开展多源数据融合技术研究,以实现云全生命周期的精细化监测。随着激光与光电子技术和大数据及人工智能技术的发展,激光雷达技术日趋成熟,面向业务化应用所需的系统稳定性、可靠性及探测能力的激光雷达产品将越来越受到气象与环境领域行业专家的关注,并将在云探测领域中发挥越来越重要的作用。

2008年新疆乌恰M6.7地震多参量时空变化特征研究

研究与孕震过程相关的多种地球物理和地球化学参量的变化特征,可为进一步理解孕震过程中不同圈层多参数的耦合机理提供依据。基于NOAA卫星观测资料分析了2008年乌恰M6.7级地震前后长波辐射异常变化,根据异常时空特征与地震时空窗的对应关系检测到震前的长波辐射异常信息。结合卫星观测获得的地气系统地表温度、大气温度、大气相对湿度、大气压力、一氧化碳含量等地球物理和地球化学参量,基于DTS(DeviationTime-Space)准则开展了多参量综合分析。结果表明,长波辐射异常点位上的地表温度、大气温度及大气相对湿度在地震前存在耦合关系,而检测到的一氧化碳异常出现在震后4 d,这可能与本次地震的断层特性及震后余震频发有关。此外,震前5—10 d出现的大气压力突变也可能对地震发生起到触发作用。因此,建议将地气系统中长波辐射的异常变化看作与地震活动相关的重要参量,其他地气系统参量作为辅助参量,在未来的地震监测研究中应重视多参量间的耦合及关联性研究。