临近空间大气环境研究现状

临近空间指高度位于(20～100)km之间的地球大气层.简要综述临近空间的已有了解和研究前沿,包括基本状态、主要过程与控制因子.介绍了基于已有探测资料的经验模式的建立和基于基本物理定量规律和数值模拟方法的中层大气环流和化学气候数值模拟.最后从临近空间大气环境保障应用角度提出研究的新建议.

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。

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。

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。

中国东部及邻近海域暖季降水系统的闪电、雷达反射率和微波特征

利用热带测雨卫星的测雨雷达、闪电成像仪和微波辐射计8个暖季的轨道观测资料,研究了中国东部及邻近海域不同类型降水系统的地理分布规律和日变化特征及其闪电活动、雷达回波顶高和微波亮温的特征,并进一步分析了闪电与雷达回波顶高、微波亮温和冰相降水含量之间的关系。结果表明,两个地区的降水系统绝大部分都是无冰散射系统(占85%以上),非中尺度冰散射系统占10%左右,中尺度冰散射系统仅占约1.5%。中国大陆东部降水系统的日变化特征明显,而东海地区日变化幅度很小。中国大陆东部和东海地区分别约有93%和97%的降水系统没有闪电记录,并且前者闪电发生概率高于后者。中尺度冰散射雷暴不但闪电频数最高,而且贡献了总闪电的一半以上。随着降水类型强度的增强,20 dBz最大高度明显增高,最小85 GHz和37 GHz极化修正亮温则逐渐降低。对于同样的20 dBz最大高度和最小85 GHz极化修正亮温,中国大陆东部降水系统发生闪电的概率均高于东海地区。降水系统尺度上的闪电频数与最小85 GHz极化修正亮温的关系在稳定性和相关性方面要好于其与20 dBz最大高度的关系,而闪电频数与7—11 km的总冰相降水含量之间的相关性又比其与最小85 GHz极化修正亮温有了较大的提高。进一步研究表明,单体尺度上的闪电频数和7—11 km总冰相降水含量之间也表现出了非常密切的关系,在两个研究地区的相关系数都超过了0.7。

利用透射太阳辐射反演云光学厚度及有效粒子半径：方法研究

提出了一种利用地基观测透射太阳辐射反演层状云光学厚度及有效粒子半径的方法。通过原理分析和详细的数值模拟对该方法的可行性进行了讨论,并给出了反演流程,进行了误差分析。数值模拟采用了与MODIS遥感云原理相同的波长组合(0.75和2.13μm),结果表明,当水云尺度化光学厚度τ′_(0.75)＞1,γ_e＞5μ时,利用0.75和2.13μm的太阳透射值可以反演出该云的光学厚度及有效粒子半径。对于光学较薄的云,由于透射的2.13μm辐射值对于有效粒子半径敏感性变差,该方法不再适用。随着光学厚度的增大,τ′_(0.75)和γ_e的反演误差均单调减小,当τ′_(0.75)≥2以后,τ′_(0.75)和γ_e的误差分别下降到10％和20％以下。结合0.75和1.65μm的太阳透射值也可以反演水云的光学厚度和有效粒子半径。

北京MST雷达探测中间层-低热层观测结果初步分析

北京MST雷达是子午工程建设的国内仅有的两部MST雷达之一,为研究其在中间层-低热层MLT区域的探测能力以及数据可靠性,本文应用北京MST雷达2012、2013两年高模式数据,从数据获取率、与廊坊流星雷达测风对比以及风场时空分布特征三个方面进行初步分析.结果是：（1）数据获取率日变化特征为：白天65-100km均可获取数据,数据获取率的高值区主要集中在70-80km,最大值可达80%;夜间主要集中在80-100km,数据获取率在30%及以下.表明该MST雷达白天可以探测到电离层D层和E层低层,夜间D层消失,只探测到E层低层.季节变化特征为：夏季白天可获取数据的时间和高度区间都比较大,春季次之,冬季最小.夏季白天以及日落后1h内可探测到120km.（2）对北京MST雷达与廊坊流星雷达2012年5月份、80-100km高度区间测量的水平风进行对比分析,二者测风结果在时空分布上有很好的一致性,表明MST雷达探测数据是可靠的.（3）2012年和2013年相应月份平均的纬向风、经向风时空分布特征有较高的一致性,并与HWM07模式结果也基本一致.上述初步分析结果表明,北京MST雷达对中间层-低热层60-120km高度区域已具备较强的探测能力,所得结果将可用于MLT过程揭示与驱动因子研究,并可与该高度上其他探测手段作综合研究.

两次强对流背景下的对流层向平流层输送特征模拟与分析

为了研究强对流及其背景大尺度天气系统在对流层向平流层输送（TST）过程的作用，分别对发生在低纬度和中纬度的两次强对流天气过程进行了模拟。对于发生在广西及其附近地区的低纬度强对流天气来说，云顶温度较低，强对流所带来的直接TST输送约占总输送数的18%，强对流所在的天气尺度或大尺度的系统造成的输送约占总输送数的82%。对于发生在河北及其附近地区的中纬度强对流来说，云顶温度略高，强对流所带来的直接TST输送约占总输送数的0.17%，强对流所在的天气尺度或大尺度的系统过程造成的输送约占总输送数的99.83%。从输送到平流层以后粒子的移动方向来看，这两次过程强对流引起的直接输送都向西南方向移动，而天气尺度或大尺度系统引起的输送都向偏东方向移动。总的来说，强对流所在的背景天气尺度或大尺度的系统所引起的TST都远大于强对流的直接输送。天气尺度或大尺度的系统引起的输送一般发生在强对流发生的2天后，在强对流发生8～9天后达到最大值。

地球γ射线闪(TGFs)及其物理机制研究进展

根据卫星、地面、飞机和气球的探测结果,TGFs和与雷暴、闪电过程有关的高能辐射现象可以大致分为2类:持续时间为毫秒量级的短时间高能辐射,一般认为多数可能与闪电有关;持续时间为几秒甚至更长的长时间高能辐射,一般认为可能与雷暴有关。对已有的TGFs和与雷暴、闪电有关的高能辐射现象的观测事实、理论探索和数值模拟方面的进展进行简要的回顾,并提出目前尚未解决的问题。

发生于山东沿海雷暴云上方的红色精灵

红色精灵（red sprite）不同于发生在对流层中的雷电，它一般发生在雷暴云上方40-90km之间，通常认为是由强烈的雷电引起的．2007年夏季，在山东沾化首次观测到17次红色精灵，一次发生在7月28日，雷暴中心位于山东省冠县，与观测站的距离约为272km，另外16次红色精灵发生在8月1日深夜至8月2日凌晨，雷暴中心与观测站的距离约为315km．记录到的所有红色精灵均成簇（cluster）出现，而且，红色精灵呈现出多种形态，有柱状，带有天使状翅膀的柱状、胡萝卜状和跳舞状等．红色精灵持续的时间范围为40．160ms，几何平均值约为61ms．红色精灵与母体雷电的时间差范围在3．4—11．8ms之间，几何平均值为7．1ms．在红色精灵发生时段，正地闪在总地闪中所占的比例约是没有产生红色精灵时段所占比例的7倍．红色精灵并不常出现在对流发展较旺盛阶段，而是在雷暴系统开始减弱阶段频繁出现．

云的非均匀性对双向反射率的影响

应用SHDOM模式对选自供国际比对的I3RCPhaseⅡ的积云场与层积云场计算了其0.67及2.13μm的天底方向的双向反射率,探讨了云的非均匀性对双向反射率(BRDF)的影响.数值模拟结果表明,随着太阳天顶角的增大,积云场有约6%的格点的0.67μm的BRDF值出现>1的异常值.进一步分析表明,BRDF值异常聚集出现于云顶的局地低谷.这些区域既可以受到太阳的直射,也可以接收到邻近较高的云的散射辐射,从而造成该区域的散射辐射增强.这说明云的非均匀性有可能造成卫星的观测值出现与平面平行辐射传输理论不相符的状况,提示高分辨率的卫星资料的像素点的辐射值可能会因云非均匀性的影响而被增强,对应用其反演的产品要有清醒的认识.中高纬度地区的优势太阳天顶角均较大,云非均匀性对于这些区域的反演结果的影响更大.