内蒙古半干旱草原土壤-植被-大气相互作用——科学问题与实验计划概述

“内蒙古半干旱草原土壤－植被－大气相互作用（ＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＳｅｍｉ－ＡｒｉｄＧｒａｓｌａｎｄＳｏｉｌ－Ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ－ＡｔｍｏｓｐｈｅｒｅＳｕｒｆａｃｅＳｔｕｄｙ，ＩＭＧＲＡＳＳ）”是国家自然科学基金委在“九五”期间支持的跨学部重大项目。该项目是全球变化研究的一个重要组成部分，主要着眼于具有全球代表性的温带半干旱草原区域中土壤－植被－大气相互作用的过程与参数化方案研究，理解在人类活动逐步增强背景下气候变化对草原生态的作用与反馈，定量了解中纬半干旱草原在温室气体排放与生物地球化学循环中的作用，发展利用卫星定量遥感陆气相互作用的反演方法与集成。这一项目将由一项中尺度综合观测和几项研究课题构成，希望成为我国对全球变化研究的新的独特贡献，亦为温带半干旱草原可持续发展提供进一步的对策依据。本文简要介绍ＩＭＧＲＡＳＳ项目的科学问题与实验计划。

国际全球大气化学计划第二次气溶胶表征实验(ACE—2)

国际全球大气化学计划第二次气溶胶表征实验（ＡＣＥ—２）北大西洋区域的气溶胶表征实验（即ＡＣＥ－２）是由国际全球大气化学（ＩＧＡＣ）计划署协调组织的第二次大气气溶胶气候效应大型实验，为在全球气候模式中考虑气溶胶作用提供必要资料，减少气溶胶气候强迫计算中...

从红外太阳透过率反演大气可降水量的研究

从红外波段太阳透过率测量中可以反演大气可降水量Ｗ。我们在近、中红外波段．选取了三对波长，用ＬＯＷＴＲＡＮ７辐射传输模式，主要研究了散射和气溶胶对这三对波长反演Ｗ算式的影响。结果表明，通常采用近红外波长对（即０．９４２２～０．８６２μｍ）反演Ｗ并非最佳选择，因为其反演算式受到大气状态（混浊度）的很大影响；而在稍远段两对波长（１．４７～１．５５μｍ和３．７０４～３．０６７μｍ）对应的算式较为稳定。

从118.75 GHz附近六通道亮温反演大气温度廓线的数值模拟研究

为了能在静止气象卫星上实现微波被动遥感探测大气温度廓线 ,并保持一定的地面空间分辨率 (如视场小于 60km) ,就需要使用高频微波及大天线。欧洲和美国下一代静止气象卫星上都已考虑采用 1 1 8 75GHz附近通道。为了充分了解 1 1 8 75GHz附近通道遥感反演温度廓线的能力 ,为仪器研制及今后资料的解释反演提供必要的基础数据 ,作者开展了采用 1 1 8 75GHz附近六个通道遥感反演大气温度廓线的数值模拟研究。统计反演的数值试验表明 ,1 1 8 75GHz附近六通道对温度垂直分布有一定的遥感反演能力 ;

北京地区边界层大气臭氧浓度变化特征分析

利用2001-03～2006-10的大气臭氧探空资料,分析了近6 a北京边界层（2 km以下）大气臭氧浓度的平均月变化和季节变化规律.结果表明,边界层大气臭氧浓度的月变化很明显,1月臭氧浓度最小,地面臭氧浓度不到10×10^-9（体积分数,下同）,上层（即2 km）臭氧浓度也不到50×10^-9.而6月臭氧浓度最大,地面达到85×10^-9,上层大于90×10^-9.臭氧浓度具有明显的季节特征,从臭氧浓度值来看,冬季最小,夏季最大.从地面到上层的臭氧浓度的变化幅度来看,冬季变化最大,夏季变化最小.根据廓线变化方式,臭氧浓度廓线可分为3种类型,冬季型、夏季型、春秋季型.不同高度臭氧月平均浓度也明显不同.分析地面及上层臭氧浓度与气象因子如温度和湿度的相关关系,发现地面臭氧浓度与温度具有较好的线性关系,相关系数在0.85以上.

珠穆朗玛峰北坡山谷太阳辐射和大气的特征与分析

2006年5月27日～6月30日HEST2006大气科学实验对珠峰北坡山谷的辐射（总辐射、净辐射）和温、湿度、风等进行了综合观测。沿珠峰北坡山谷布设了3个观测站，3个测站的辐射、温度、风都表现出明显的日变化规律，它们在08：00或09：00（地方时，下同）达到极大值。3个测站总辐射和净辐射的日变化都比较一致。从日变化最大值出现的时间来看，各站的辐射通量早于气温，气温早于风速。3个测站中任意2站之间辐射（总辐射、净辐射）最大值之比与温度和风速最大值之比均比较接近。因辐射状况、地形结构、大气温度等不同，远离珠峰区域的风一天之内多次改变风向，靠近珠峰区域则24h都为南风。珠峰北坡山谷不同区域风向风速变化存在明显时差，南风强于北风，且持续时间长。研究表明，辐射能量对于珠峰北坡大气运动具有重要的驱动作用，是控制和改变其大气运动方式最基本、最重要的因子。净辐射在不同区域风向转变或风速变化过程中起着决定性的作用。

空基微波辐射计遥感晴天大气可降水量：不同通道组合和亮温函数形式的效果的比较分析

为了监测全球海洋上空的大气可降水量，已发射上天多种星载微波波谱仪和辐射计，相应地发展建立了多种反演算式。我们利用逐步回归分析，研究比较了反演晴天大气可降水量（Ｐｗ）的多种通道组合以及算式中不同的亮温（ＴＢ）函数形式的效果。主要结果有：（１）对应于高中低Ｐｗ值有不同的最佳通道组合；（２）常选的水汽吸收中心线２２．２３５ＧＨｚ不太适合于反演高中且变化范围大的Ｐｗ值；（３）有必要建立分气候区域和分季节的反演算式；（４）在反演算式中采用１ｎ（Ｔ０－ＴＢ）一般比线性形式有更好的回归和反演效果，但在有２２．２３５ＧＨｚ通道时则不然；（５）反演中低或变化范围大的Ｐｗ时，２２．２３５ＧＨｚ亮温的平方项能显著改善回归和反演结果。

太阳紫外辐射在大气中衰减的探讨

在对北京紫外辐射观测资料分析的基础上,提出了参与光化学反应的物质对太阳紫外辐射能量的吸收作用。计算表明北京地区1990年云天比晴天紫外辐射减少约为21Wm-2,此值与Cess等人的观测结果比较接近。这表明了大气中参与光化学反应的物质对光化辐射能量的吸收基本上等于云对太阳短波辐射的“异常吸收”之值。所以,在辐射传输模式、大气化学模式、气候模式中,应该考虑参与光化学反应的物质对光化辐射能量的吸收作用。

海洋-大气耦合辐射传输模式

本文在已有的ＤＩＳＯＲＴ大气辐射传输模式基础上，耦合进一个海洋反射模式，在海洋反射模式部分，考虑了风生海表毛细波对海表双向反射的作用以及海洋中叶绿素、悬浮物、溶解有机物对海洋反射光谱的影响，同时，为应用方便，为此模式配套了完整的大气温、压、湿、微量气体、气溶胶及太阳地外谱数据集；此海洋反射模式和海洋－大气耦合辐射传输模式已与１９９５年９月５日黄海海面反射光谱的实测资料和飞行实验中的光谱仪测量数据进行了对比验证，模拟结果与实测数据基本上符合。

西太平洋暖池和北京地区大气水特征的地基遥感测量

近十多年来，用地基双波长（０８５、１．３５ｃｍ）微波辐射计（和雨强计）分别在西太平洋暖池和北京地区对大气水做了多次高时间分辨率长时间连续监测，本文是这些资料的分析总结。文中定量给出了大气水汽（和云液水）的日、季节内、季、年、年际的变化和变化的地理差异；定量给出了大气三水（水汽、云液水和雨水）的季节统计分布特征和地理差异；得到了大气三水之间的定量比例，并得到了降水概率、降水效率和云中水循环次数等与降水过程有关的参量与多种大气水参量之间的统计关系，在一定程度上揭示了大气水循环特征。

包含外强迫因子的大气气溶胶数浓度的预测

利用慢特征分析(Slow Feature Analysis,SFA)方法提取大气气溶胶时间序列的外强迫因子信息,并将此外强迫因子信息嵌入到预测模式中,建立一个包含提取外强迫因子信息的预测模式.利用该方法对2011年6月1日至2011年9月14日黄山山底的每小时大气气溶胶数浓度时间序列进行预测试验分析.结果表明,当提前预报一步时,平稳性模式的预测结果与实际观测数据的相关系数为0.6982,而单一外强迫模式的相关系数为0.7390,强迫模式的相关系数是0.7475,外强迫的加入可以有效的提高预测技巧.

华北大气本底微量气体与颗粒物的长期变化

2005年5月22日~2015年1月31日,在中国科学院大气本底观测网兴隆站开展了对微量气体(NOx、SO2、O3)、颗粒物(PM2.5)的连续观测,获得了它们的长期变化特征。近10年,兴隆大气中气体和颗粒物(NOx、SO2、O3、PM2.5)的浓度表现出明显的月、季节、年际变化特征;NO2和SO2浓度表现出下降的趋势,它们的年减少率分别为3.37%、0.78%。但是,近10年来O3却表现出增长的趋势,其年增长率为1.71%;在2009~2014年,PM2.5也表现出增长趋势,其年增长率为0.91%。兴隆气体、颗粒物、能见度的变化特征揭示了大气中气液固相物质经化学和光化学过程生成高浓度O3和细颗粒物PM2.5的机制。根据对测量数据的综合分析,控制北京以及华北大气污染应该考虑:1) 首要控制各类人为挥发性有机物的源排放,2) 其次,继续加大控制各类NOx和SO2的源排放。从而减少参与大气光化学反应的反应物以及由光化学过程产生的二次污染物(O3和PM2.5)的生成。PM2.5与O3 ×NO2 ×SO2月均值之间表现出有较好的一致性,这表明控制各类污染物(包括一次和二次污染物)对于控制颗粒物PM2.5的产生来说都是必不可少的,而且还要考虑同步控制O3光化学污染。

大气臭氧总量的经验计算方法

依据臭氧生消与紫外辐射(UV)能量利用相互作用的观点,考虑与臭氧有关的主要因子UV、大气中物质在化学和光化学反应中对UV能量的吸收、气溶胶粒子的散射等,在分析1990—1992年臭氧总量、太阳辐射、气象资料的基础上,建立了计算臭氧总量的经验模式,其优点是所用资料均可由常规气象站获得。结果表明,计算值与观测值符合得比较好。利用该经验模式计算了北京地区1979年1月—1996年6月的臭氧总量,计算值与观测值同样比较一致,二者相对偏差的最大值、最小值、平均值分别为15.2%、0.05%和4.9%,相对偏差在±10%之内的比例为91.4%,因而该经验模式是合理、可行的。1991年之后北京地区臭氧的下降与Pinatubo火山气溶胶的影响有关。

异戊二烯在大气光化学过程中的能量作用

2002年夏季在内蒙古草原进行了太阳辐射、异戊二烯排放的综合观测,根据紫外辐射(UV)的传输规律以及对观测数据的统计分析,发展了实际天气条件下UV的经验模型,该模型考虑了影响UV的异戊二烯、光化学、散射等因子的能量作用,对地面和大气顶的UV均有较好的模拟。对数据的统计分析发现,实际天气条件下异戊二烯与UV之间的关系表现为负的能量关系,其揭示的机制是异戊二烯对UV能量的利用,即异戊二烯利用了其他具有UV吸收物质中的能量,进而参与大气中的化学和光化学反应。在冠层尺度上,异戊二烯与PAR也表现出负的能量关系。敏感性分析表明,实际天气条件下,UV对于异戊二烯的变化最敏感,其次是光化学因子、散射因子,这揭示了内蒙古草原实际天气条件下,异戊二烯及其光化学产物等的变化将引起UV最大的变化。内蒙古草原散射辐射与总辐射之比为0.32,表明其大气中的物质含量相对较低。

根据Brewer和TOMS资料分析、验证瓦里关地区大气臭氧总量变化特征

通过对1993年9月～2003年11月瓦里关地区（36．17°N，100．53°E）Brewer资料和TOMS资料的比较分析，结果表明：1）瓦里关Brewer臭氧光谱仪的观测数据与卫星的TOMS观测数据之间存在一定的差异，两者的差异80％以上集中在-2．5％～2．5％之间；2）1993～2003年瓦里关地区的大气臭氧总量有着明显的下降趋势，这与北半球中纬度地区观测到的平流层臭氧减少的趋势相吻合；3）瓦里关地区大气臭氧总量存在明显的年际变化和季节变化，且每年的2～4月较高，8～10月较低，一年中振荡的幅度达到60DU；4）TOMS两个版本的观测数据与地面观测结果呈现出较好的一致性和相关性，相关系数达到0．9以上。

小洋山岛大气气溶胶光学厚度的特征分析

小洋山岛位于上海东南面距海岸线约30km处,四面环海,研究其上空的大气气溶胶光学特性对了解我国东部沿海地区及其近海海域的环境和气候影响等都具有重要的意义。对于近岸海岛的气溶胶光学厚度(AOD)观测,至今国内尚未见这方面的实测资料与分析。本次实验利用2006～2007年连续观测得到的AOD值,分析了AOD的季节变化及其与地面风向、湿度和能见度等气象要素的关系,并给出了气溶胶消光谱。分析发现:小洋山地区AOD具有春季最大,冬季次之,秋季较小的特点,而且在低能见度情况下,气溶胶以大粒子为主;盛行西风时,AOD值增大且大粒子比重增加;AOD与湿度有较好的正相关关系。

利用MODIS卫星资料反演中国地区晴空地表短波反照率及其特征分析

利用MODIS地表双向反照率产品 (MOD43B1 ) ,结合地表海拔高度和地表覆盖类型资料 ,计算并分析了中国地区晴空反照率的时空分布 ,以及地表反照率与地形和地表覆盖的关系。首先 ,利用改则自动气象站的地基观测对MODIS地表反照率进行了对比验证。验证结果表明卫星观测可以较好地反映反照率随时间的变化 ,MODIS地表反照率与地表实测反照率符合较好。年平均地表反照率与海拔高度有很好的相关 ,反照率的高值出现在高海拔山区。冬春季节 ,我国高海拔山区因积雪覆盖成为反照率的高值区 ;夏秋季节 ,地表反照率主要受地表土壤湿度和植被盖度的影响 ,沙地和沙漠地带反照率最高。最后 ,计算了中国典型地表类型的反照率随时间的变化 ,结果表明大部分地表类型的反照率具有较大的时间变化 ,地表反照率在春秋季节较大 ,夏季反照率较小。

内蒙古草原挥发性有机物排放通量的研究

2 0 0 2年夏季 ,利用静态箱方法 ,对我国内蒙古草原生态系统挥发性有机物的排放进行了首次测量 ,同时观测了太阳辐射、温湿度等参数 .结果表明 ,异戊二烯是草地挥发性有机物排放中的主要成分 .异戊二烯的排放有明显的日变化、逐日变化和季节变化规律 .因子分析表明 ,可见光辐射、温度、水汽含量是影响异戊二烯排放的主要因子 ,而且可见光辐射是控制其排放过程的最主要因子 .根据相关分析 ,在考虑影响异戊二烯的排放因子时 ,不仅要考虑通常的影响因子———可见光辐射、温度 ,还要考虑水汽的作用 .箱方法的使用不可避免地造成箱内外太阳辐射、温湿度等的差别 ,因此 ,必须考虑修正采样箱对挥发性有机物排放通量带来的影响 .2 0 0 2年夏季 ,异戊二烯排放通量 (C)的最大值为 1 6 4 9 3μg/ (m2 ·h) .6、8、9月采样期间异戊二烯排放通量的日平均值分别为 886 6、70 7 0、4 2 7 2 μg/ (m2 ·h) .

华北洁净地区微量气体变化特征的初步研究

2005-05-22─2005-12-31,在中国科学院大气本底观测网兴隆站对微量气体成分进行连续测量,获得了O3,NOx(NO,NO2),CO2和SO2等气体组分的变化特征和变化规律,并得到了它们的浓度水平.初步分析表明,φ(O3)在6,9月出现高值,12月出现最低值;φ(NOx)的最低值出现在8月,8─11月缓慢增长,NO在NOx中所占比例非常小;φ(SO2)的最低值出现在7月,之后逐渐增加;φ(CO2)的最低值出现在8月.观测资料表明,兴隆站空气质量最好的时间为7─8月.并对它们之间的相互作用及与辐射的关系进行了研究.

X波段双线偏振雷达冰雹识别初步研究

利用北京市人工影响天气办公室X波段双线偏振雷达2009年4—10月观测的不同降雨类型的资料,统计出下雨天Z_H—Z_(DR)的分布特征,给出了Z_H-Z_DR分布的分段函数表达式,在此基础上定义了X波段双线偏振雷达冰雹识别参量H_DR,H_DR>0表示有冰雹,H_DR<0表示无冰雹,并指出电磁波的衰减会影响H_DR识别冰雹的结果。根据实际降雹情况和识别效果对比,结果表明H_DR大于零的区域与地面降雹情况基本对应一致。