卫星遥感监测中国地区对流层二氧化碳时空变化特征分析

利用北半球5个地面本底站和飞机观测CO₂浓度对AIRS(atmospheric infrared sounder)反演得到的对流层中层CO₂产品进行验证, 结果显示AIRS反演结果与地面观测和飞机观测结果一致性较好, 月平均偏差小于3 ppmv, 可以用于分析研究对流层CO₂的时空分布特征. 利用AIRS 近6年观测数据(2003年1月~2008年12月)分析研究显示: 北半球是CO₂的高值区, 且呈逐年增长态势. 其中, 中国地区的年增长率约为2 ppmv, 与美国、欧洲、澳大利亚、印度等地区相当, 略低于加拿大和俄罗斯. 由于自然条件和工业布局的影响, 中国地区对流层CO₂总体呈现北高南低的分布规律, 在35°~45°N形成4个高值中心, 云南地区为CO₂低值分布区. 中国区域对流层CO₂季节变化特征显著, 高值出现在春季, 低值出现在秋季.     

中国东部城市化与地面非均匀增暖

利用1979～2008年中国东部312个站点均一化调整后的地面气温观测资料及DMSP/OLS夜间灯光数据, 运用滑动空间距平方法, 对冬夏地面气温变化趋势在不同空间尺度下的非均匀性进行检测, 并分析了城市化对地面增暖的影响. 结果表明, 中国东部夏季和冬季的增温高值中心分别集中在长三角和京津冀地区, 其中长三角地区夏季的增暖主要是由夏季最高气温的增加所导致, 城市增温率为0.132～0.250℃/10 a, 增温贡献率为36%～68%; 京津冀地区冬季的增暖主要是由冬季最低气温的增加所导致, 城市增温率为0.102～0.214℃/10 a, 增温贡献率为12%～24%. 城市群增暖的时空差异可能与区域气候背景及人为热排放的变化有关.     

华北地区对流层臭氧长期变化趋势及影响因子分析

利用1979~2013年卫星对流层臭氧遥感数据序列,分析华北地区对流层臭氧的长期变化趋势,考察各主要影响因子和对流层顶高度变化对臭氧变化的影响作用.过去30多年来,华北地区对流层臭氧长期变化趋势在不同季节差异很大:夏季对流层臭氧呈现快速增长趋势,增长率为1.28 DU/10 a;冬季表现出下降趋势,下降率为1.46 DU/10 a;在春季和秋季表现出波动性下降趋势.对流层臭氧夏季含量最高,一般在50 DU上下,春季平均值大约40 DU,秋季平均值35 DU左右,冬季含量最小一般在26 DU左右.对华北地区对流层臭氧分布变化产生显著影响的因子主要有太阳周期(Solar),厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)和准两年振荡(QBO).其中,Solar的影响幅度可达到5~6 DU,ENSO影响作用1~2 DU,QBO影响一般小于1 DU.对流层顶高度在年内不同季节存在显著周期变化,与对流层臭氧变化紧密相关,相关系数R=0.826,表明对流层顶高度年周期变化对对流层臭氧产生重要影响.从年代际时间尺度上,对流层顶高度不存在显著性变化趋势,对对流层臭氧变化趋势影响不大.     

人为排放所引起大气CO_2浓度变化的卫星遥感观测评估

人为排放是引起大气CO_2浓度升高的主要原因,由大气CO_2卫星遥感观测获取全球和区域大气CO_2浓度的变化已被认为是评估区域人为排放的有效手段之一.为了深入定量分析区域人为碳排放对大气CO_2浓度变化的贡献,本研究利用由温室气体观测卫星(GOSAT)获取的近5年(2010~2014年)大气CO_2柱浓度数据,以同纬度带高人为排放区域的中国京津冀和美国东部城市密集区为研究对象区,结合位温气象数据和人为碳排放清单数据圈定出对比背景区,通过分析比较人为排放区与背景区的CO_2浓度差值,评估人为排放对大气CO_2浓度增量变化的影响.分析结果显示,近5年中国京津冀和美国东部城市密集区的大气CO_2浓度比背景区分别显示平均1.8和2.0 ppm的升高;且冬季均高于其他季节,分别为2.4±0.6和2.8±0.8 ppm.进一步分析月变化特征时发现中国京津冀地区2014年11月亚太经合组织会议(APEC)期间大气CO_2浓度异常低于前期3.2 ppm,反映了会议期间政府实施的减排控制效果.论文研究结果表明CO_2卫星观测能够从区域大气CO_2浓度的变化定量评估人为排放的影响,作为有效手段之一辅助于区域人为排放控制效果的评估.     

RegCM3对21世纪中国区域气候变化的高分辨率模拟

使用RegCM3区域气候模式,单向嵌套日本CCSR/NIES/FRCGC的MIROC3.2_hires全球模式输出结果,对中国及东亚地区进行了1951~2100年,在IPCCSRESA1B温室气体排放情景下,水平分辨率为25km的连续气候变化模拟试验.首先分析了区域模式对当代气候的模拟能力,结果表明,模式可较好地再现中国地区地面气温和降水的空间分布及数值.对未来21世纪中期和末期气候变化的模拟表明,未来平均气温将明显升高,且随时间推移,气温升高幅度增大,升温高值区集中在高纬度和高海拔(青藏高原)地区.21世纪中期,冬季降水除青藏高原外以增加为主,夏季降水在中国西部西北地区增加、青藏高原减少;东部地区降水变化呈正负相间的分布.21世纪末期,降水变化分布除个别地方外,和21世纪中期一致,但变化幅度增大.此外,将此模拟结果与以往RegCM3在另一个全球模式驱动下的结果进行了对比,以了解中国地区气候变化预估中的不确定性.     

中国北京和昆明地区大气臭氧层的异常变化

1 观测事实自从1991年下半年以来,中国北京地区臭氧总量呈惊人的下降,中国南部的昆明地区最近的两年里臭氧总量也有显著的下降.这是十几年中国有系统的观测以来,发生在中国地区大气臭氧层中的一件重大事件.SBUV-2卫星观测结果显示出1992—1993年初全球臭氧总量有明显下降,这与我们地面观测的结果是一致的.然而,公布中国地区臭氧总量惊人的下降,这有助于科学家们对全球臭     

全球变暖情景下南亚和东亚夏季风变化对海陆增温的不同响应

采用政府间气候变化专门委员会(IPCC)中等排放情景SRESA1B下的气候模式输出结果,本文研究了南亚和东亚夏季风对未来海陆增温的不同响应.分析表明,虽然未来青藏高原(TP)近地面增暖快于同高度的热带印度洋(TIO)和西太平洋(NWP)地区,但在对流层中高层,TP-TIO和TP-NWP地区的陆海热力差异都将减弱.在从年代际到长期变化的时间尺度,南亚夏季风环流主要与TP-TIO高层热力差异变化一致,而东亚夏季风环流则与TP-NWP地区低层热力差异变化联系更明显.而在年际时间尺度,南亚和东亚夏季风都与高层热力差异变化的相关更显著一些.进一步的分析显示,全球变暖导致的水汽增加及云量的变化可能引起高原和海洋上空出现增强的变暖,未来这些地区的温度变化在垂直结构上出现不均匀分布.由于最大的变暖中心都出现在海洋上,TP-TIO所在纬度带以及TP-NWP所在经度带的热力差异在高层出现负变化中心,高原高层的热力作用减弱.但在低层,由于高原陆地的增温,高原低层的热力作用仍然大于周围海洋.因此,在全球变暖背景下,亚洲地区热力状况的不同影响因子可能引起对流层高低层变暖分布的不一致,而不同时间尺度的变化则可能体现了人为因子和气候系统内...     

基于TES观测的2005～2010年间中国3个代表性区域对流层臭氧浓度变化分析

臭氧(O3)是大气中复杂光化学反应的产物.对流层臭氧既是全球性污染物,又是温室气体.本文采用Aura卫星上搭载的对流层辐射光谱仪(tropospheric emission spectrometer,TES)获得的对流层O3垂直分布数据,基于傅里叶变换,分析了2005～2010年间我国3个代表性区域(西部、华北和华南地区)的对流层臭氧在484,681和825hPa高度上的浓度变化趋势以及季节分布特点.结果显示,在中国大部分地区,O3浓度均呈现夏季高冬季低的特点,而在华南地区和华北近地面,臭氧呈现明显的春秋季双峰值现象.臭氧在464hPa高度上均呈现比较明显的增长趋势,其中华北地区增长速率最快,达到0.89±0.059nL(La)-1.在681hPa,我国华北和西部地区的臭氧都出现了明显的增长趋势,平均年增长率分别为0.57±0.065和0.41±0.041nL(La)-1;而华南地区O3浓度趋势却无明显变化.在近地面的825hPa,华北地区臭氧浓度仍然保持了0.36±0.074nL(La)-1的增长速度,而华南地区则呈现了微弱的-0.21±0.061nL(La)-1的下降趋势.在全国尺度上,我国对流层臭氧浓度在2005～2010年间整体呈现上升趋势,这将对我国的人体健康、农业生产和生态系统造成不良影响.     

中国地区陆地植被甲烷排放及其对对流层低层甲烷浓度的影响

甲烷(CH₄)既是重要的温室气体也是重要的化学活性气体. 有氧环境中陆地植被CH₄排放是CH₄源排放研究中的新发现, 对其进行研究有助于完善中国大气CH₄排放清单. 基于Keppler等的研究, 建立了适用于中国地区的陆地植被CH₄排放模式, 并且利用NOAA气象卫星AVHRR归一化差异植被指数(NDVI)计算得到的中国植被净第一性生产力(NPP), 对中国地区植被CH₄排放总量和空间分布进行了定量估计. 结果显示中国地区植被CH₄排放总量为11.83 Tg/a, 约占全部CH₄排放的24%; 其中森林是最主要的植被源, 约占总排放的43%. 进一步利用三维大气化学模式系统(MM5-CALGRID)探讨对中国地区对流层低层CH₄浓度的影响. 结果显示考虑陆地植被排放后, CH₄平均地面浓度增加了29.9%, 在云南南部变化高达69.68 μg/m³. 因此, 开展陆地植被CH₄排放研究对于正确估计中国CH₄排放对全球的贡献, 以及科学评估CH₄对全球及区域大气环境和气候变化的影响具有重要意义.     

卫星遥感观测中国1996～2010年氮氧化物排放变化

利用卫星遥感观测的NO2浓度作为化石能源消耗和污染物排放的示踪,基于GOME和SCIAMACHY的NO2对流层柱浓度数据对1996～2010年间中国氮氧化物排放的时空格局变化进行了分析.结果表明,我国氮氧化物排放的区域性特征日益显著,呈明显的空间扩张态势,原有排放高值区的范围不断扩大,新的高值区不断出现,受人为源排放影响的范围在从东部向中西部扩张.1996～2010年间,华东、华北地区的人为源氮氧化物排放量增加了133%,而同期卫星观测到NO2浓度增长了184%.最近几年特大城市的氮氧化物排放增速在减缓,而中型城市的排放增速在加快,显示我国亟需对燃煤氮氧化物排放进行控制.     

中国大地形东侧霾空间分布“避风港”效应及其“气候调节”影响下的年代际变异

研究发现中国区域霾日空间分布的大地形影响与季节特征显著,在西风带背景下高原大地形东侧背风坡可构成"避风港"效应,其可能是中国东部区域霾日高频区域性分布重要的影响因素之一;中国区域冬季为霾日高频时段,春、夏、秋季大部分区域为霾日数低频区,但近10年大气污染物排放持续加剧,中国东部霾高发时段由冬季延伸至春、秋、夏季,其呈现出大气环境恶化的"强信号"特征.虽然中国区域霾日数年际变化趋势主要依赖于污染源排放程度,值得注意的是虽然20世纪80,90年代中国区域CO2排放强度加大,但中国东部霾日频数年际变化却表现出波动型相对"平稳"缓升特征,此阶段中国东部对流层中下层出现了大气温度距平垂直结构"上冷下暖"的"不稳定"状态,其有利于中国东部大气扩散或对流;而近10年阶段中国东部出现霾天气与大气污染排放同步加剧异常变化,2001~2012年期间中国东部对流层中下层则呈"上暖下冷"类似"逆温盖",即大气温度距平垂直结构出现年代际"逆转"趋势,此大气温度垂直结构年代际特征可能加剧了大气污染排放的环境影响效应,引发了中国东部大范围霾天气变异现象.     

卫星遥感研究中国气溶胶光学厚度、NO_2和SO_2的相关性

利用2005~2014年Aqua MODIS和Aura OMI卫星遥感的气溶胶光学厚度(AOD)、对流层二氧化氮(NO_2)、二氧化硫(SO_2)柱积分浓度,通过相关性研究分析了这两种气象前体物对中国不同地区气溶胶的影响.结果表明:(1)在中国绝大部分地区,AOD与NO_2和SO_2空间分布存在显著正相关(95%信度),说明NO_2和SO_2通过形成二次气溶胶而显著影响总气溶胶浓度.在日尺度上,卫星观测AOD与NO_2,SO_2的时间相关性不可靠.(2)AOD/NO_2和AOD/SO_2的线性拟合斜率存在较大地区差别:在黑吉辽、晋鲁豫、川渝黔等城市化程度相对较低的区域,AOD/SO_2的斜率显著小于AOD/NO_2斜率,表明这些地区气溶胶仍是以硫酸盐性为主、NO_2的贡献相对较小;而在京津冀、江浙沪、广东等现代化都市群附近,AOD/NO_2和AOD/SO_2斜率较为接近,表明这些地区气溶胶是以硫酸盐/硝酸盐混合性为主.(3)AOD/NO_2和AOD/SO_2的线性拟合斜率存在明显的季节变化,一般是在夏季最大、冬季最小,这可能与气温、冬季取暖、春季沙尘等有关;近10年来,这两种斜率在各地区基本没有体现出显著的年际变化趋势,但在川渝黔地区,AOD/NO_2斜率有微弱的升高趋势.本研究的结果,一方面可以弥补地基观测资料在时空覆盖上的不足,另一方面可以为相应的大气污染模式评估提供参考.     

东南极Dome A 近地面气温及雪层温度的观测研究

利用我国在Dome A 获取的2005~2007 年自动站观测资料, 分析了冰盖近地面3 个高度的气温和近表层4 个深度雪温的季节变化及其差异特征, 并分析了近地面底层逆温及大气稳定状况, 最后对近地面观测气温、10 m 深度雪温以及地面气温的关系作了探讨. 结果表明, Dome A近地面温度变化具有典型的无芯冬季特征, 在长达半年的冬季期间近地面存在强而稳定的逆温. 雪层中季节温度波动的振幅随深度衰减, 同时位相逐渐滞后, 导致近表层内季节温度的垂直分布廓线具有显著差异. 由于很强的近地面逆温效应, 自动站观测的近地面年平均气温比 10 m 雪温所代表的年平均地面温度高得多. 而根据边界层理论对地面气温进行近似推算得到的年平均地面气温与10 m 雪温十分接近, 考虑到其极低的10 m 雪温和很强的近地面底层逆温, Dome A 可能是地球上地面温度最低的地点,这有待于观测进一步证实.     

长江流域夏季降水与前期北极涛动的显著相关

分析了春季北极涛动的变化对随后夏季长江中、下游地区降水的影响.利用观测的降水长序列资料,进行带通滤波处理去掉10年以上时间尺度的变化,结果表明在年际尺度上,近百年的5月北极涛动指数与夏季降水相关最高达-0.39,超过99％信度水平.当北极涛动偏强一个标准差时,整个中国长江中、下游地区到日本南部一带,降水减少3％～9％左右,而中国华北到俄罗斯远东地区则偏多3％～6％左右.降水的这种变化与对流层东亚急流的变化密切相关,如果春季北极涛动强,随后夏季急流位置偏北,雨带位置也北移,从而造成长江中、下游地区降水的减少和北方降水的增加,反之亦然.这为汛期降水的预测提供了有用的信号.     

中国21世纪气候变化的RegCM4多模拟集合预估

基于一套RegCM4区域气候模式动力降尺度试验结果,进行了中国及不同分区在21世纪不同时期, RCP(典型浓度路径)4.5和8.5两种排放路径下的气候变化集合预估.试验中RegCM4在5个不同的CMIP5(耦合模式比较计划第五阶段)全球气候模式分别驱动下运行,水平分辨率为25 km×25 km.分析表明:未来中国范围内平均地面气温将普遍升高,其中冬季(12～2月)的青藏高原和夏季(6～8月)的西北干旱区升温幅度最大;相应的气温极端气候事件指数TXx(日最高气温最大值)和TNn(日最低气温最小值)升高.中国大部分地区冬季降水将增加,西北干旱区增加幅度最大,仅在云贵高原部分地区出现一定减少,模拟间一致性在中国北方较好;夏季降水在中国西部大部分地区、东北北部和黄淮增加,其他地区变化较小或略微减少;集合预估的日最大降水量(RX1day)在全国将普遍增加;连续无降水日数(CDD)在中国北方以一致缩短为主,南方则有所延长.相对于当代参照时段(1986～2005年), 21世纪中期RCP4.5和8.5下全国年平均气温分别上升1.6和2.2°C,降水分别增加4%和5%.各要素变化均随时间推移而增大, 21世纪末期两种排放情景下全国年平均气温分别上升2.4和4.6°C,降水分别增加5%和12%.     

长江流域夏季降水与前期北极涛动的显著相关

分析了春季北极涛动的变化对随后夏季长江中、下游地区降水的影响。利用观测的降水长序列资料，进行带通滤波处理去掉10掉以上时间尺度的变化，结果表明在年际尺度上，近百年的5月北极涛动指数与夏季降水相关最高达－0．39，超过99％信度水平。当北极涛动偏强一个标准差时， 整个中国长江中、下游地区到日本南部一带，降水减少3％－9％左右，而中国华北到俄罗斯远东地区则偏多3％－6％左右。降水的这种变化与对流层东亚急流的变化密切相关，如果春季北极涛动强，随后夏季急流位置偏北，雨带位置也北移，从而造成长江中、下游地区降水的减少和北方降水的增加，反之亦然，这为汛期降水的预测提供了有用的信号。     

中国陆域近地层风能资源的气候变异和下垫面人为改变的影响

研究在全球变暖的气候背景下, 我国近地层风能蕴藏的气候变化以及下垫面人为改变对其气候变化的影响, 将有助于我国风电发展的长期规划和风能资源的合理开发. 利用代表性较好的全国600多个地面站的40 a的常规风速观测资料, 以及NCEP/NCAR 1960~1999年的10 m高程的40 a的再分析资料, 根据Kalnay和Cai在诊断和估算下垫面人为改变对地面气温变化贡献的研究方法, 通过分析比较由地面器测观测资料和NCEP/NCAR再分析资料风能密度十年变化趋势之差异, 提出了由于下垫面的人为改变所引起的我国陆域风能蕴藏长期变化的量级估计. 分析结果表明: 近40 a来, 我国年平均风速序列保持整体上减弱的气候变化趋势, 并且逐年降低的现象在中国陆域普遍存在; 由于下垫面人为改变的影响, 导致了我国近地层风能密度以减弱的十年变化趋势为主, 并且使得我国区域平均的风能密度的十年变化趋势值达-3.84 W·m^-2/10 a, 接近人为因素与自然因素共同影响引起的风能密度的十年减弱趋势值(-4.51 W·m^-2/10 a).     

星载MODIS资料与地面光度计探测气溶胶变分场

提出了地面多点动态光度计与MODIS卫星遥感气溶胶综合观测技术途径, 研究结果表明, 卫星MODIS遥感气溶胶资料经地面光度计观测场变分技术处理可取得显著的效果. 另外, 采用Terra卫星MODIS遥感与地面光度计变分处理的气溶胶分布特征初次揭示了北京周边地区(河北、山东等省)气溶胶及其污染排放影响特征. 这类气溶胶区域性影响特征与北京周边山谷南面开口的“马蹄型”地形相关, 文中采用HYSPLIT-4轨迹分析模式及其气象资料分析, 证实了此个例周边污染物扩散过程轨迹及其区域气溶胶影响特征.     

中国区域土壤湿度变化的时空特征模拟研究

建立基于气象台站观测资料的陆面模式(CLM3.5)大气驱动场(ObsFC), 驱动CLM3.5 模拟了中国区域1951~2008 年的土壤湿度变化. 其结果与站点观测和遥感反演及不同陆面模式模拟的土壤湿度比较检验表明CLM3.5/ObsFC 合理再现了中国区域土壤湿度的时空特征和长期变化趋势, 并且基于观测资料建立的大气驱动场在一定程度上能够提高CLM3.5 模拟土壤湿度的准确度. 土壤湿度模拟分析显示中国区域土壤湿度空间分布具有由东南向西北逐渐减小的总体特征和干湿相间分布的带状结构. 土壤湿度的低值区主要分布在新疆南部和内蒙古西部地区, 高值区主要分布在东北平原、江淮地区和长江流域. 土壤湿度的长期变化, 干旱和湿润地区湿度呈增加趋势, 干旱区20 世纪70 年代中期至90 年代中期变化最为强烈, 湿润区除1970 前后和2003 年之后变化较明显外, 整个序列比较稳定; 半干旱地区呈减小的趋势, 且20 世纪90 年代以后下降趋势更加明显. 1951~2008 年干旱、半干旱和湿润典型区平均体积百分比土壤湿度分别变化了2.35, -1.26 和0.08. 不同区域土壤湿度变化趋势和强度有明显差异,变化最显著的区域主要分布在35°N 以北的干旱、半干旱区.     

~(10)Be/~7Be示踪研究平流层-对流层输送对青藏高原冬春季近地面O_3的影响

10Be/7Be比值是平流层敏感示踪物.根据2005年10月～2006年5月青海瓦里关山中国全球大气本底观测站(36.287°N,101.898°E,3810ma.s.l)近地面10Be/7Be测量,调查平流层-对流层输送及其对青藏高原近地面O3的影响.结果表明,平流层向下输送影响在冬季弱,冬末到春季中期(2月中旬～4月中旬)显著增强并以近地面O3浓度,10Be,7Be和10Be/7Be均显著增加为特点,而春季后期(4月下旬～5月中旬)则又减弱.近地面O3的增加主要来自随着太阳辐射季节性增强的对流层光化学O3反应生成的贡献.