中天山山区大气总水汽量和云液水量的遥感研究

使用QFW-1型双通道微波辐射计,于2002年盛夏(7月10日至8月5日)在天山山区乌鲁木齐河流域上风方的小渠子进行了大气积分水汽和云中积分液水量的遥感观测。观测表明;中天山山区盛夏的晴天平均大气水汽含量与目前公认的亚洲大气中的水汽含量相近;晴天的平均大气水汽量具有明显的日变化。对降水云系的液态水含量及其变化遥感监测表明:云系降水具有先兆性;不同类型降水性云的降水临界值不同;云液水由0.5 mm开始上升到降水临界值的降水酝酿期的时间,可以作为天山山区人工增雨实施播云作业的重要参照指标。     

PATMOS-x、ISCCP云量产品及地面观测在中国区域的对比分析

利用1986~2006年PATMOS-x 、ISCCP总云量和低云量产品与中国区域地面台站观测的总云量、低云量资料进行对比分析,对比不同来源、不同观测方法造成的云量数据在时间、空间上的差异,为资料使用者提供参考。结果表明,与台站观测资料相比,无论PATMOS-x还是ISCCP其总云量数据的空间分布、与站点观测数据的格点相关性均好于低云量数据;PATMOS-x总云量、低云量多年平均的空间分布较ISCCP更接近站点观测;中国区域平均低云量的线性趋势PATMOS-x与站点观测一致,表现为显著的上升趋势,而ISCCP低云量数据则呈现微弱的下降趋势。     

基于CERES的宁夏空中云水资源特征及其增雨潜力研究

利用2009-2014年NASA地球观测系统(EOS)云与地球辐射能量系统(CERES)云资料和气象站降水资料,对宁夏北部引黄灌区、中部干旱带及南部山区3个具有不同地形、地貌、气候特征的地区云水资源及增雨潜力特征进行了对比研究。结果表明:宁夏地区大气可降水量在空间分布上呈现从东南向西北方向递减,从季节变化看表现出随夏秋春冬依次递减的特征。在东亚季风和贺兰山地形的共同影响下,全年总云量和低云量在南部山区最大,北部川区最小。云光学厚度与水云粒子半径及冰云等效直径呈显著的负相关关系,其中中部干旱带相关关系最强是开展人工增雨效果最显著的地区。随着全年四季天气气候变化,宁夏人工增雨主要潜力区会逐渐由春季的贺兰山沿山、中部干旱带地区,移动到夏季的银川以南同心以北和固原西南部地区,秋季缩减到海原、西吉一带。     

天山山脉强降水云宏微观物理属性的空间分布特征北大核心CSCD

天山山脉是新疆重要的水源地,分析这一区域降水云的宏观和微观物理属性的垂直和水平分布,对于科学高效地开展人工增水作业具有重要意义。利用CloudSat和Aqua卫星资料对天山山脉3次强降水过程云高、云厚、冰粒子等效半径和直径(IER、IED)、水粒子等效半径(LER)、冰水含量(IWC)、液态水含量(LWC)、冰水路径(IWP)、液态水路径(LWP)的分析表明:(1)天山山脉强降水云分布在0.9~9.4 km范围内,天山东、西部云底偏低、云体偏厚,而中部云底偏高、云体偏薄。降水云占有率天山中部、东部分别为5%,西部为15.6%。(2)天山山脉强降水云IER以0~60μm为主,LER以0~5μm为主,IWC和LWC集中在0~50 mg·m^(-3),强降水云从低层到高层这些微物理量的低值段占优势,天山山脉西部、中部这些微物理量的低值段随高度呈单峰分布,西部和中部峰值分别出现在云层下部和中上部;天山山脉东部这些微物理量的低值段随高度呈双峰分布,极大值出现在云层下部和上部。(3)天山南脉、天山西部强降水云的IED较小,而天山中部、东部较大;天山中部云的LER较大,天山东部、西部、天山南脉较小;IWP从大到小依次排序为中部、东部、西部、天山南脉;天山中部云的LWP略大于天山西部和东部,天山南脉最小。     

天山山脉强降水云宏微观物理属性的空间分布特征

天山山脉是新疆重要的水源地,分析这一区域降水云的宏观和微观物理属性的垂直和水平分布,对于科学高效地开展人工增水作业具有重要意义。利用CloudSat和Aqua卫星资料对天山山脉3次强降水过程云高、云厚、冰粒子等效半径和直径(IER、IED)、水粒子等效半径(LER)、冰水含量(IWC)、液态水含量(LWC)、冰水路径(IWP)、液态水路径(LWP)的分析表明:(1)天山山脉强降水云分布在0.9~9.4 km范围内,天山东、西部云底偏低、云体偏厚,而中部云底偏高、云体偏薄。降水云占有率天山中部、东部分别为5%,西部为15.6%。(2)天山山脉强降水云IER以0~60μm为主,LER以0~5μm为主,IWC和LWC集中在0~50 mg·m~(-3),强降水云从低层到高层这些微物理量的低值段占优势,天山山脉西部、中部这些微物理量的低值段随高度呈单峰分布,西部和中部峰值分别出现在云层下部和中上部;天山山脉东部这些微物理量的低值段随高度呈双峰分布,极大值出现在云层下部和上部。(3)天山南脉、天山西部强降水云的IED较小,而天山中部、东部较大;天山中部云的LER较大,天山东部、西部、天山南脉较小;IWP从大到小依次排序为中部、东部、西部、天山南脉;天山中部云的LWP略大于天山西部和东部,天山南脉最小。     

近45年广西云量气候变化特征分析

利用近45年广西67个气象站观测资料,使用EOF分析方法对广西云量进行分析。结果表明:广西云量变化以全区一致性为主要特征;第二特征总云量以山区和丘陵平原地区呈反位相变化关系,而低云量则以山脉为界,山的东部和西部呈反位相的变化关系。广西大部分地区总云量变化呈逐渐减少趋势,但趋势不显著;低云量变化特征为除百色、河池西南部分地区呈减少趋势外,其他地区均呈增加趋势,而且趋势显著。总云量与气温成反相关,其中山区和沿海地区相关显著;低云量和气温除了广西中部与西南部的部分地区为正相关外,其他地区为反相关。云量与降水的正相关东部较西部显著。     

新疆及周边中亚地区中亚低涡背景下云中液态水分布研究

利用2003—2014年5~9月中亚低涡发生时的AIRS Version 6 Level 2卫星资料，分析中亚低涡活动规律以及云中液态水空间分布。结果表明：（1） 北涡型中亚低涡共发生97次，南涡型共88次。中亚低涡中心更易向南移动。（2） 整体来看，云中液态水呈现山区多盆地少的趋势，在帕米尔高原、天山和昆仑山脉的山区以及咸海附近均大于100×10^-6 kg·m^-2。在准噶尔盆地、哈密盆地和塔里木盆地东部地区小于1×10^-6 kg·m^-2。（3） 中亚低涡发生路径越偏南，云中液态水柱越低。关于云中液态水柱，北涡路径较南涡路径更多。研究结果将为进一步认识中亚低涡强降水天气系统提供参考。     

基于CloudSat资料分析北疆强降雪天气的云结构特征

利用NASA发布的2008—2015年CloudSat卫星的2B-CWC-RO、2B-CLDCLASS、2C-SNOW-PROFILE和地面气象站的观测资料，对北疆沿天山及其周边区域内21次强降雪天气降雪前和降雪期间卫星过境时云宏微观特征进行了对比分析。本文将研究区域分为了北疆沿天山西部和中部地区，分析结果表明：（1）降雪前和降雪期间的云类型以层云、积云、高层云和深对流云为主。（2）降雪前冰粒子等效半径均值分布在58.65~67.29 μm之间，冰粒子数浓度的均值在41.2~76.5 L-1之间，冰水含量的均值在25.4~135.1 mg·m^-3之间，雪水含量均值在28.0~88.0 mg·m^-3之间，降雪强度均值在0.08~0.36 mm·h^-1之间。（3）降雪前冰粒子等效半径、冰粒子数浓度、冰水含量、雪水含量和降雪强度均值分别比降雪期间大2.9 %、6.2 %、34.4 %、36.4 %和18.7 %，且高值区主要集中在北疆沿天山西部地区。     

1960~2005年西北地区低云量的时空变化及成因分析

基于西北地区177个站点1960~2005年逐日的低云量观测资料,运用地统计学、交叉小波分析和多元回归分析,分析了近46 a来西北地区低云量的时空变化特征及影响因素。结果表明：近46 a来西北地区低云量呈较显著上升趋势,1997年之后上升显著。低云量空间呈自东南向西北递减的趋势。低云量与降水、相对湿度等呈显著的正相关,与昼夜温差、日照时数等呈显著的负相关。低云量存在2~4 a、准6 a、准11 a的周期变化,与宇宙射线在1982~1993年存在5~8 a的共振周期,与NOI指数存在2~4 a、准5 a、准11 a的共振周期,和太阳黑子的共振周期为9~11 a。     

祁连地形云与垂直风的关系

利用2007-07-12至2007-08-19的地面观测资料和三轴风速仪资料,对祁连地形云的形成与垂直风速之间的关系进行了分析。按照地形云形成的天气背景,将其分为5类过程进行了分析,结果表明:降水量和低云量以及气层的抬升(三轴风垂直分量W)有着密切的关系。当该地区主导风向为西南风时,W为正值(气层抬升),低云量增加,此时有降水或降水强度较大;该地区主导风向为东北风时,W为负值(气层下降),低云量减少,此时无降水或降水强度较小;多数情况下,降水发生在主导风向为西南风时,降水时间与W开始抬升时刻相差1～2 h。另外,湍流强度的垂直分量变化也与降水有很明显的关系。一般情况下,湍流强度的垂直分量比较大时,伴随着有较大低云量和降水强度;湍流强度的垂直分量比较小时,伴随着有较小的低云量和降水强度。当湍流强度的垂直分量大于水平分量时,也正是降水发生的时间或与降水时间相差1～2 h。这种情况可以说明降水的产生与地形抬升后的大气形成的低云降水或者中高云降水有关系。     

冰川下垫面对夏季云结构和云水含量的影响——以祁连山区疏勒南山为例

云水含量和云结构参量是天气预报、高山区水循环过程分析的基础。基于2012-2015年夏季CloudSat卫星遥感资料的2B-CLDCLASS、2B-GEOPROF和2B-GEOPROF-LIDAR,结合中国第二次冰川编目数据及气象资料,对祁连山地区疏勒南山冰川区与非冰川区云水含量和云类型特征进行分析。结果表明:(1)云水含量的垂直分布受下垫面和云类型的影响,主要表现为有冰川覆盖的高山上空降水云类型以深对流云为主,无冰川覆盖的高山上空降水云类型以雨层云为主。(2)疏勒南山地区高含水量主要分布在5 km以下的中低层云中,且冰川区气流垂直运动较非冰川区活跃。(3)疏勒南山冰川区云水含量平均值为0.07 g·m^-3,非冰川区云水含量平均值为0.17 g·m^-3,云水的空间变化在一定程度上能够反映降水和水汽的分布状况。     

1979-2012年夏季黄土高原空中云水资源时空分布

利用欧洲数值预报中心(ECMWF)发布的新一代全球全分辨率ERA-Interim再分析数据,采用经验正交函数(EOF)、小波分析、回归分析等方法,分析1979-2012年夏季黄土高原空中云水资源分布特征。结果表明:(1)夏季黄土高原空中云水资源远大于该地区实际年降水量,具有较大空中云水资源开发利用潜势;(2)空间上云水资源表现为两种模态--西北部、东南部反位相振荡(EOF1)以及中部云水资源偏多西北、东南两端偏少(EOF2),且具有显著年际变化周期;(3)黄土高原的空中云水资源主要来自东海,当水汽输送反气旋环流中心偏南(北)时,影响EOF1(EOF2)空间模态;(4)云水、云冰量峰值分别出现在700 hPa、400 hPa左右,当700 hPa存在水汽辐合及上升运动时有利于黄土高原空中云水资源开发。     

基于卫星资料的气溶胶对冰云影响及分布特征分析

通过利用2010年1月—2016年12月CALIOP(the Cloud-aerosol lidar with orthogonal polariz?ation)冰云和气溶胶3级月平均产品和MODIS(Moderate-resolution imaging spectroradiometer)大气3级日平均产品研究气溶胶和冰云空间分布特征及气溶胶对冰云的影响。结果表明:纬度与冰云的分布密切相关,在热带附近的高空区域冰云样本数存在极大值区,随着纬度增加,冰云样本数的最大值和大值区所处的高度也在逐渐减小,且南北半球存在差异;气溶胶在地面附近以赤道为对称的低纬度地区存在极大值,北半球气溶胶能发展到5 km左右,而南半球在3 km左右;气溶胶与冰云随时间变化趋势较为一致,冰水含量和冰云粒子半径随时间变化存在相反的关系,气溶胶与冰水含量和冰云粒子半径的变化在时间上没有较好对应;清洁区域由于海盐粒子作用表现出较大的气溶胶光学厚度,但这不影响清洁区具有较小的冰云光学厚度;气溶胶促进了0℃~-10℃和-20℃~-40℃之间的冰云形成;随着温度降低,云中冰水含量减小,冰云粒子半径增大,在污染区域,冰水含量相对于清洁区域更小,冰云粒子半径也小于清洁区域。     

若尔盖县弯曲河流精细提取研究

利用Google Earth Engine遥感大数据云平台,以若尔盖县的弯曲河流为研究对象,以空间分辨率为10 m的Sentinel-2多光谱卫星遥感影像为数据源,选用归一化差分水体指数(NDWI)、改进型归一化差分水体指数(MNDWI)和自动水体提取指数(AWEI)相组合的方式,建立支持向量机模型,进行弯曲河流信息的提取;利用归一化差分水体指数、改进型归一化差分水体指数和自动水体提取指数,提取出弯曲河流信息,并与支持向量机模型提取的结果进行了比较。研究结果表明,利用归一化差分水体指数提取的弯曲河流的整体性和连续性最优;利用改进型归一化差分水体指数提取的地势复杂区域细小河流的精度较高;利用支持向量机模型提取的弯曲河流更为准确,并消除了山体和植物阴影对弯曲河流提取的影响;与利用3种指数提取的结果相比,支持向量机模型提取的弯曲河流的总体精度和用户精度都相对最高。     

气候变暖背景下祁连山区秋季层状云变化特征

利用祁连山区及周边29 个气象观测站近41 年秋季云形状和气温观测资料, 分析了祁连山区秋季层状云出现频率的空间分布与时间变化特征, 探讨了秋季层状云出现频率与气候变暖的关系, 并选用同期NCEP/NCAR全球再分析资料, 对祁连山区秋季层状云的环流特征和水汽输送进行了分析。结果表明:①祁连山区秋季层状云出现频率为8%～26%, 呈西少东多的空间分布。②近41 年来, 祁连山区秋季增温1.2℃, 气温变化的倾向率为0.29℃/10a, 80 年代中期以后发生了增温的突变。③祁连山区秋季层状云的出现频率呈明显的减少趋势, 近41 年来减少约11%, 倾向率为-2.7%/10a, 尤其在20 世纪80 年代中期以后与同期祁连山区显著增温相对应, 层状云出现频率减少更为明显, 层状云出现频率与气温呈明显的反相变化趋势。④在气候变暖的背景下, 祁连山区的层状云出现频率减少, 减少的幅度从西北向东南递增。当祁连山区秋季平均气温在升高1℃ 时, 祁连山区层状云出现频率减少2%～10%, 祁连山西段、中段减少2%～4%, 祁连山东段减少4%～10%。⑤祁连山区秋季层状云偏多与偏少年在欧亚500 hPa 环流场上存在明显的差异, 层状云偏多年, 极涡向亚洲北部伸展, 东亚大槽较偏弱, 乌拉尔山高压脊偏强, 脊前偏北气流引导极地冷空气沿偏西北路径向中国西北地区输送, 中亚地区到高原上不断有低值系统发展东移, 同时南支槽加强, 来自阿拉伯海、南海、东海的暖湿气流向内陆地区的输送明显加强, 与进入高原北部的冷空气交绥, 从而使祁连山区层状云出现频次增多;层状云偏少年, 中亚-中国西北地区暖性高压异常加强, 东亚大槽偏强, 冷空气活动路径偏东, 亚洲大陆至西太平洋冬季风特征明显, 偏北风加强, 不利于东南暖湿气流向西北内陆地区的输送, 冷暖气流在祁连山区交绥次数减少, 从而使祁连山区层状云出现频次减少。⑥印度洋沿孟加拉湾的向北的水汽输送, 副热带西太平洋的偏东气流在南海和中南半岛附近转为向北的水汽输送, 地中海、里海的西风带纬向水汽输送是3支影响祁连山区秋季层状云多寡的水汽输送通道, 进而对祁连山区秋季降水产生影响。     

河流水情要素遥感研究进展

河流是促进地貌形成和演化的重要因素,也是地球上最重要的淡水资源之一。河流的水体范围、水位/水深、流量、水质和冰情等水情要素在水资源动态监测和水文生态环境保护等研究中具有至关重要的作用。通过水文站观测河流可获得站点上的水情信息,但该方式在财力、物力方面均耗费巨大。同时,对于日益增长的河流水情信息需求,迫切需要一种能够快捷、准确补充河流实测数据的方法。遥感凭借全方位、多时相的对地观测能力极大地提升了河流水情信息获取的效率,已广泛应用于多尺度水情监测、无资料流域水文模拟等多个方面,取得了丰硕的研究成果。因此,有必要对近年来遥感应用于河流水情要素反演所取得的进展进行归纳、总结和展望,以期进一步促进遥感数据和方法在该领域的应用。论文以“河流水情要素遥感”为主题,系统归纳了河流水体遥感提取的常用传感器及方法、水位/水深遥感反演方法、河道流量遥感估算、河流水质及河冰遥感监测的研究进展,详细归纳了利用光学/微波遥感等不同类型的遥感手段获取河流水体范围、水位、水深的优势与不足,总结得出了河流水情要素遥感研究的数据、方法及应用方面的主要结论：① 新型遥感数据在河流水情要素监测中的应用愈加广泛,在空间分辨率、时间分辨率或光谱分辨率等方面不断突破,进一步丰富了河流水情要素研究的数据来源;② 多数中低空间分辨率光学影像依旧面临混合像元影响水体提取精度的问题,合成孔径雷达影像也存在数据处理算法开发难度大的问题,细小河流及非开阔水体的提取方法仍需探索;③ 大数据和云计算技术的发展为实现大尺度、长时序的河流水情要素高时空分辨率遥感监测提供了高效手段。     

FY-2C资料进行云顶粒子热力学相态分析应用初探

利用"9210"系统下发的FY-2C图像资料数字化信息,依据高云、中云、低云在可见光波段和红外波段具有不同的光谱特性,结合水汽通道和红外通道对密蔽云系的辐射特性,分析了2008年华南低温雨雪冰冻期间红外、水汽、可见光3个通道云系的辐射特征,发现了有利于识别水云、冰云和冰水混合云的方法。同时指出,对于密蔽云系,当水汽亮温值大于0℃而红外亮温值小于0℃时,云顶粒子的热力学相态为过冷却液态水的可能性大于冰晶结构的可能性。根据上述辐射特性分析制定了云类的识别方法。实例分析结果表明这种方法能较好地分离出易产生冻雨的云体中缺少成冰核的过冷却液态水云。