太阳天顶角对太湖恰在水面下辐照度比影响的定量分析

恰在水面下辐照度比变化与吸收系数、散射系数和太阳天顶角存在着密切的关系,而太阳天顶角对太湖恰在水面下辐照度比的定量影响程度尚不明确.为此,本文基于2010年5月太湖27个样点的水体光学参数和理论数值模拟,对太湖水体的情况进行研究.理论数值模拟结果表明:当太阳天顶角分别在0°～25°和70°～89°区间内变化时,对恰在水面下辐照度比增幅影响较小,增幅相差不到10%;而当太阳天顶角在30°～70°之间时,对辐照度比增幅影响很大,增幅为13.13%～52.19%.同时,利用实测数据对理论结果进行线性相关验证表明,此数值研究整体上符合太湖的实际情况.因此,对水体光学特性以及光对水生生态系统驱动作用研究的时候,应充分考虑太阳天顶角的影响.     

遥感用途的高光谱中短波红外辐射传输精确计算

中短波红外同时含有来自太阳反射和大气发射的能量,关于该波段的大气辐射传输计算是光学遥感领域一项基础性和应用性很强的工作,国内研究并不多见.本文基于累加法,考虑了有限薄层条件下太阳直射反射、多次散射、大气发射三项基本因素的近似计算,构建了可以同时处理太阳散射和大气发射并存的中短波红外大气辐射传输计算模型.同国际通用的DISTORT模型比较了夜晚单层云、白天多层气溶胶、水云冰云双层云以及多层云、气溶胶同时存在4种场景下的计算精度.结果显示:除个别通道外绝对偏差均小于2×10~(-6)K,同样条件下计算速度是DISORT算法的2~3倍.利用该模型对影响计算精度的4个因素模拟分析显示:在2230~2400cm~(-1)强吸收带大气热发射辐射有很大的贡献,太阳入射辐射可以忽略;在2400~2580cm~(-1)窗区波段,忽略太阳辐射可以引入几十K的误差;采用层平均温度简化热辐射计算,在强吸收波段计算误差相对较大;基于单次散射假设的累加法最小光学厚度值越小,计算误差越小.满足计算精度需求条件下可以考虑采用大气分层平均热辐射简化、选择合适最小光学厚度值,以提高计算效率.该研究构建的自主辐射传输计算模型,将在处理国产星载高光谱仪器的资料模拟、反演、同化中发挥作用.     

太湖水中光辐射传输的数值模拟

水体的初级张产力状況在很大程度上取决于水沐光学状況,与透光层深度Zeu密切联系。Zeu这类表观光学属性取决于光辐射在水中的传输状况,最终取决丁水体：本身的微 物邢汴质如吸收和散射等。本文根椐太湖悬浮质的实测资料计界所得的水体固有光学参位,利用数值模拟的方法研悬浮质浓度垂直梯变的太湖水体中光辐射的传输情況并讨论了诸因子的影响。     

GPU加速的水体辐射传输Monte Carlo模拟模型研究

水体辐射传输方程是复杂的微积分方程,只能利用数值方法求解,如Monte Carlo光线追踪法、不变嵌入法、离散坐标法等,其中,Monte Carlo方法是目前解决水体水下光场三维问题的唯一有效方法.根据辐射传输理论,开发了水下光场的Monte Carlo模拟模型,主要包含大气、水-气界面、层化水体和水底边界4个模块.实现了模拟任意太阳角度、不同水体固有光学属性和任意深度条件下,考虑大气、粗糙水面和水底边界的水下光场,能够获取辐亮度、辐照度等辐射量的空间分布.该模型暂不考虑Raman散射、偏振、内部光源的影响.实现了GPU加速水下光场Monte Carlo模拟,并用Mobley等提出的海洋光学标准问题中的问题1~6进行验证.在两种计算环境下,通过对不同边界条件下的CPU、GPU运行时间及加速比的对比,发现GPU计算可以达到几百至上千倍的加速比.     

Lee生物光学模型在不同水体组分特性下的适用性

辐射传输模型和生物光学模型均可用于模拟水体遥感反射率.前者模拟精度高,但计算复杂.不利于水质参数的反演;后者简便易反演,但在浑浊水体中的模拟精度还有待进一步检验.本文通过设计大量不同组分浓度组成的水体,以辐射传输模型(即Hydrolisht模型)模拟结果为真值,对生物光学模型(即Lee模型)模拟二类水体遥感反射率的精度...     

鲁西北地区鱼塘水体反射率

太阳短波辐射反射率与水体理化特性关系密切,鱼塘水体除具有一般水体反射率特性外,还与鱼塘澡浮游植物一道量存在的良好的负相关。在一定温度条件下,浮游植物的生长速度与光合有效辐射呈正相关,而随着浮游植物的增加,又降低了太阳辐射的反射效应,从而水体对光合有效辐射的吸收,随着浮游植物的增加而增加。     

人类活动对太湖水环境影响的稳定氮同位素示踪

人类活动对湖泊环境变化的影响是目前全球变化研究的热点之一.识别水体中人为氮源的贡献对于研究人类活动对湖泊环境变化的影响十分重要.稳定氮同位素组成(δ15N)是水环境中人为氮源的有效示踪剂.太湖是我国典型的大型浅水富营养湖泊,位于人口稠密、经济发达的长江三角洲地区,是研究人类活动对水环境影响的理想对象.太湖水体δ15N值的空间分异规律大致反映了不同湖区人类活动影响水环境的方式,上游宜兴小流域及河口主要受农业活动影响,胥口湾和东太湖则主要是水产养殖的贡献,梅梁湾受城市生活污水影响较大.而且水体δ15N值的水平反映了人类活动的影响从南部湖区到北部湖区逐渐加强的趋势,表现为南部河口—东太湖—梅梁湾不同水体从草型水体到藻型水体δ15N值增加的趋势.另外,夏季(6月)太湖水体δ15N值的变化响应于初级生产力的变化,体现了生物作用的影响.在蓝藻水华暴发时期,利用水体δ15N值识别人为氮源的结果可能会受到生物过程的干扰.     

秋季太湖悬浮物高光谱估算模型

2004年10月,在太湖设置67个采样点,现场测量了水体遥感反射比、后向散射系数和辅助参数,实验室分析了水体的悬浮物浓度和水色要素吸收系数.本文在对遥感反射比光谱分析的基础上,比较了几种水体遥感反射比光谱估算悬浮物浓度的方法,结果发现广泛应用的带比值项的算法,虽然可以应用于太湖总悬浮物浓度估算,但是普遍存在相对误差较高的弱点.通过对光谱的分析,确定了750hm单波段算法的参数,并提出了利用近红外812nm波峰高度来估算水体悬浮物的方法.文中还详细阐述了为什么比值算法等在太湖水体悬浮物浓度估算中相对误差比较高,并解释了利用近红外估算精度高的原因,并指明以上算法在遥感应用中的优点和不足,以及现实水体(水质)遥感对现有遥感器配置和遥感算法的需求.     

基于矩阵算法的海洋-大气耦合矢量辐射传输数值计算模型

基于矩阵算法开发了适用于精确计算海洋-大气耦合矢量辐射传输方程的数值计算模型- PCOART. PCOART首先将矢量辐射传输方程进行傅里叶展开, 得到与方位角独立的矢量辐射传输方程. 进一步离散天顶角, 得到矢量辐射传输矩阵方程, 并利用加倍法进行数值求解. 根据辐射在海洋-大气界面的反射和折射性质, 将海洋和大气矢量辐射传输过程进行耦合, 得到海洋-大气耦合介质系统的矢量辐射传输数值计算模型. 通过与MODIS精确瑞利散射查找表的比较, 说明PCOART计算瑞利散射辐射的Stokes矢量是精确的, 其对多次散射和偏振的处理是正确的. 同时, 通过Mobley水体辐射传输标准问题的验证, 说明PCOART适合于计算水体辐射传输问题. PCOART是精确计算海洋-大气耦合介质系统矢量辐射传输的得力工具, 它为进一步深入研究海洋-大气耦合介质系统辐射传输的偏振特性及遥感信息反演打下基础.     

太湖水动力学三维数值试验研究——4.保守物质输移扩散

物质输移扩散规律是大型浅水湖泊水质变化机理研究的重要内容,对湖泊水环境的管理具有重要的现实意义,本文在太湖湖流三维模型研究成果的基础上,创建了太湖保守物质输移扩散三维数值模型,并用之模拟了1997年冬季1～2月太湖总磷含量的变化,计算结果表明,模型计算值与观测值吻合,本文所建的保守物质输移扩散模型,可用于冬季太湖营养盐含量时空变化的计算。     

The effect of the pollution of the ground layer of the atmosphere on the albedo

Summary A simple model is proposed suitable for studying the effect of the ground layer of the atmosphere, polluted by aerosol, on the albedo. This model is founded on solving the equation of transfer of radiative energy. The numerical results are discussed, particular attention being paid to the analysis of errors due to neglecting the multiple reflection of solar radiation on the aerosol particles. A method which would also include the multiple reflection is proposed, and the conditions under which the presence of the aerosol is responsible for an increase or decrease of the solar radiation balance on the Earth's surface, are analysed.     

近50年中国东南地区地面太阳辐射变化对气温变化的影响

太阳是地球表层的最终能量来源,地面太阳辐射的变化会深刻影响地球的气候变化.本文利用中国东南地区14个气象台站1961～2008年总辐射和气温的同步观测资料,分析了近50年该地区地面太阳辐射的变化对气温变化的可能影响.结果表明,1961～1989年期间,该地区的地面太阳辐射显著减弱,所引起的气温下降超过了其他因素的增温效...     

大气变率对北极地区近期海冰变化趋势影响数值模拟研究

为研究近期21年(1989—2009年)北极地区海冰变化原因,本文利用欧洲中期天气预报中心ERA-Interim数据集资料和美国麻省理工学院MITgcm全球海冰-海洋耦合模式开展了不同大气强迫条件下海冰变化的数值模拟研究.研究工作中共设计了6个数值试验,除1个试验全部采用1989—2009年每日4个时次的大气强迫场外,其余5个试验各有一种大气强迫(地表气温、地表大气比湿、向下短波辐射通量、向下长波辐射通量和地表风)采用1989年月平均结果.分析了各模拟试验结果中3月和9月北极地区海冰面积的年际变化特征及最小二乘拟合意义下的线性变化趋势,并以ERA-Interim结果为参照标准对各模拟试验结果进行了对比和检验,以说明不同大气强迫量变率对海冰变化的作用.结果表明:地表气温变率和向下长波辐射通量变率是造成海冰面积减少的主要原因;向下短波辐射通量变率对海冰面积变化影响几乎可以忽略;地表大气比湿变率对海冰面积线性变化趋势影响较小,但对海冰面积年际变化特征有调制作用;地表风变率对海冰季节变化、海冰面积线性变化趋势及年际变化特征均有明显影响,说明提高大气风应力精度是改善海冰数值模拟结果的重要手段.     

A new model on bidirectional reflectance surface-atmospheric coupled radiation

An exact and available model on bidirectional reflectance surface-atmospheric coupled radiation is of great significance for spaceborne remote sensing application. Based on the physical process of interaction of solar radiation with the surface and the atmosphere, a new model on bidirectional reflectance surface-atmospheric coupled radiation is developed in this paper. As shown in numerical simulation, this model is evidently better than the 6S model. The standard error among 110112 sets of upward radiance data calculated by this new model is only 0.49%, which is about one fourth of the one by 6S. In the condition of the solar zenith angle θ_s⩽75° and the viewing angle θ _v⩽ 60°, the error by the new model is usually smaller than 2.5%.     

Response of the global fields of temperature and tropospheric wind and the middle atmosphere to variations in the solar UV radiation flow during a solar activity cycle in the presence of planetary waves (3D modeling)

Using a model of the general circulation, the response of the temperature and wind in the Earth’s atmosphere to variations in solar UV radiation flows during an 11-year activity cycle is studied with respect to their dependence on the wavelength. Satellite measurement data for the 23rd cycle that were characterized by anomalously low flows of UV radiation at minimum activity are used in calculations. To implement numerical scenarios, wavelength-dependent variations in the UV radiation flow changing absorption in the bands of ozone and molecular oxygen are used in the radiation block of the model. Based on empirical data, a spatial structure of stationary disturbances having the wavenumbers S = 1, 2, and 3 are assigned at the lower boundary of the model. The calculation results demonstrating the changes in the atmospheric parameters between the solar activity maximum and minimum within the height range 0–120 km are presented. It is shown that the response of monthly average values has a wavy structure in latitude, i.e., a nonseasonal character, amounting to several degrees in the lower atmosphere. The results obtained indicate that planetary waves are an important link in the transmission of an external effect on the lower atmosphere.     

起伏地形下黄河流域太阳散射辐射分布式模拟研究

针对天文、大气、宏观地理与局地地形等因子对起伏地形下太阳散射辐射的复杂作用,将影响起伏地形下太阳散射辐射的天空因素与地面因素分开处理.通过基于数字高程模型（DEM）数据的起伏地形下天文辐射模型和地形开阔度模型,综合考虑地面因素对散射辐射的影响;基于常规地面气象站观测资料建立的水平面散射辐射模型考虑天空因素对散射辐射的影响;依据各向异性散射机理,建立了起伏地形下太阳散射辐射分布式计算模型,探索出一条利用DEM数据和常规气象观测资料实现山区太阳散射辐射定量模拟的技术路线.以1 km×1 km分辨率的DEM数据作为地形的综合反映,实现了起伏地形下黄河流域1 km×1 km分辨率的太阳散射辐射分布式模拟.     

Variations in solar radiation in the solar activity cycle: Response of Earth’s atmospheric parameters (numerical modeling and analysis of observational data)

The results of a three-dimensional numerical simulation of changes in the temperature and wind within a height range of up to 100 km caused by changes in fluxes in the solar ultraviolet (UV) radiation in the 23rd solar activity cycle (which was characterized by unusually low values of UV-radiation fluxes) and also of global changes in the ozone content are presented. The simulation results showed that the response of the temperature to variations in the UV radiation are substantially of a nonzonal character, which is caused by the presence in the model of sources of quasi-stationary waves corresponding to the observational data.     

UVB solar radiation climatology for Mexico

The measurement of solar B band Ultraviolet radiation (UVB) should be considered a priority in Mexico due to implications on public health throughout the country (total population, 108 million), but this is not carried out at present. Installed sensors cover only 0.12% of the country. However, there are alternative methods for estimating UVB radiation to overcome the lack of surface data. The most successful of these are based on the use of satellites for environmental monitoring. In the present work, UVB maps are constructed for the entire country using a single, daily satellite measurement of UVB at solar noon from 1978-2003. Satellite-derived values are compared with the ground measurements by a surface station located in Mexico City in order to validate the former. Wavelet spectrum analysis is employed to this end. A close correlation is observed between the two sets of data. Moreover, there is qualitative correspondence between the spatial distribution of the satellite-derived data and the surface topography. The difference resulting throughout the period mentioned is <2% of the average annual cumulative energy.