北太平洋洋面太阳辐射收支的计算

本文用参数化方法计算了北太平洋地面泣面的太阳辐射收支各分量。在计算方案中考虑了大气水汽、二氧化碳气体、臭氧和尘埃等的吸收作用，同时计算了北太平洋上空整层大气的大阳辐射增温率，给出了上述各结果的分布特征图，描述了北太平洋地区洋面太阳辐射收支的基本特征及其主要影响因子。     

东亚地区的大气辐射能的收支(一)——地球和大气的太阳辐射能收支

本文是讨论东亚地区大气辐射能收支研究工作的第一部分,讨论了以下三个问题: (1)本文利用文献[1]的水汽各吸收带的吸收光谱实验资料,求得了一个适合于手算的水汽对太阳辐射的总吸收能量公式(公式(6))。并把式(6)与Mugge—Moller公式进行了比较。 (2)利用公式(6),计算了东亚地区39个测站1,7月自地面到100毫巴各气层对太阳辐射的吸收能量,及其对大气的加温率。本文还进一步考虑了云的订正、大气对地面反射辐射的吸收,而求得了东亚地区对流层大气吸收能量的分布。 (3)利用1958—1960年中国地区的一些地面总辐射和反射率观测资料,以及本文计算的大气中各种吸牧能量,讨论了中国地区行星反射率的分布和地球大气系统中各种太阳辐射能的收支。     

气溶胶大气对太阳辐射的吸收

大气气溶胶对大气吸收太阳辐射的影响有许多人研究过。目前计算大气吸收太阳辐射的数值模式多数仍忽略大气气溶胶的作用。大气气溶胶一方面本身吸收太阳辐射;一方面对太阳辐射多次散射,使阳光在大气中传输更长的路程,增加了吸收物质对太阳辐射的吸收。计算表明:大气气溶胶对大气吸收太阳辐射的作用是显著而不能忽略的。     

干旱地区大气与地表特征对辐射加热场的影响

本文利用美国犹他大学气象系的辐射和云参数化模式，对ＨＥＩＦＥ期间张掖地区１９９１年春、夏、秋、冬四季资料进行了计算，讨论了晴天条件下的大气状况态地表反射率与地表比辐射率等因子对地气系统的太阳辐射收支以及短波加热率与长波冷却率分布的影响；揭示了不同季节的整层大气反射、透过与吸收特征，分析了大气中各主要吸收成分对加热率与冷却率的贡献，同时就辐射模式的垂直分辨率对加热率与冷却率的影响亦作了讨论。     

兰州冬季气溶胶的短波加热效应及其对混合层发展的影响

综合考虑无云天气条件下，气溶胶和大气中各种吸收气体对太阳辐射的影响，建立了一个气溶胶大气的短波加热率模式，研究了兰州冬季气溶胶的短波加热效应。计算结果表明:气溶胶吸收太阳辐射而加热大气的作用是显著的。在上述工作的基础上，建立了一个完全闭合的混合层发展模式，利用数值方法探讨了气溶胶的辐射效应对混合层发展的影响。计算发现大气中气溶胶的增加会抑制混合层的发展，使混合层内的平均位温减小。     

大气与地表的特性对太阳辐射收支影响的研究

本文应用Hense等的垂直不均匀大气的二流近似辐射模式,讨论了晴天条件下水汽、气溶胶和地表反射率与海拔高度等因子对地气系统的太阳辐射能量收支与加热率的影响。文中还利用高原地区高空温、压、湿的气候资料,计算了高原实际大气的太阳辐射收支和加热率,并与中纬度模式大气的计算结果进行了比较。本文模式计算得到的一些结果在利用卫星观测确定高原地区地气系统的辐射平衡的研究中将得到应用。     

太阳辐射在山谷城市污染大气中的削弱

我们在1980—1981年冬季,在兰州市相对高度差为625米的两个点以及郊区对比点同时进行了地面太阳辐射观测,测量了山谷城市上空污染大气,尤其是山谷中的严重污染大气对太阳辐射的削弱。 太阳直接辐射在兰州市区污染大气中的减弱比在郊区大气中大得多,整层大气中的总减弱达72％,而在厚度为625米的河谷大气中的减弱约占整层大气中总减弱的41％。大气中的气溶胶粒子是削弱太阳辐射的主要因子,其对太阳辐射的削弱在整层大气中约占总减弱的66％,在河谷大气中则为96％。因此,地面上垂直于太阳光线面上的太阳直接辐射强度与大气浑浊度系数之间有很好的相关关系,以此建立了两个公式,在干旱地区,可以用它由大气浑浊度系数或到达地面的太阳直接辐射中的一个量计算另一个量。另外,本文还估计了冬季兰州上空河谷大气中气溶胶粒子对太阳辐射的吸收及其辐射加热率,並讨论了污染大气对于地面辐射平衡的影响。     

利用太阳辐射计940nm通道反演大气柱水汽总量

利用太阳辐射计CE318近红外940nm水汽吸收通道和临近窗区道反演大气柱水汽总量，由于大气在940nm附近有水汽吸收。该通道不能采用通常Langley法处理，而采用改进的Langley法。利用MODTRAN3．7模式模拟出太阳辐射940nm通道透过率与水汽量关系常数，考虑了通道的光谱响应函数和不同大气模式的影响，模拟结果表明穿通道（小于10nm)上述关系常数受大气模式影响不大。总消光剔除气溶胶和分子散射，就得出水汽的透过率，从透过率反演水汽量。处理了敦煌和青海湖辐射校正场1999年7月场大气特征测量兼FY－1C辐射定标期间的数据，反演的平均水汽量与探空水汽积分比较，差异在12％以内。还计算出一天中不同时刻的水汽量，给出了同步观测6天卫星过顶前后15min平均水汽量，该水汽量用于FY－1C卫星遥感器辐射定标时辐射传输模式输入参数。结果表明太阳辐射计是一种便携有效测量水汽量仪器。     

青藏高原地区地气系统太阳辐射能收支的研究

本文利用1982年8月—1983年7月Nimbus-7的月平均行星反射率资料和根据卫星资料得到的地面总辐射、地表反射率的估算结果,分析了青藏高原地区地气系统(大气顶)的太阳辐射能收支和地表、大气对太阳辐射吸收的时空变化特征,给出了表征太阳辐射能收支的一些基本参数,讨论了以行星反射率为基本参数表征大气、地表对太阳辐射吸收的参数化方法。分析表明:过渡季节5月份的行星反射率极小值的出现对青藏高原地区太阳辐射能收支有重要调节作用;全年平均而言,青藏高原地区被地气系统反射和被大气、地表吸收的太阳辐射的比例为37:18:45。     

有云大气中太阳辐射传输的数值试验研究

本文应用Hense等的二流近似辐射模式,分析了云对地气系统太阳辐射能收支与大气加热率的影响,讨论了不同光学厚度的云的反射率与吸收率,并把模式应用于高原模式大气,分析了高原地区云对太阳辐射收支的影响。计算中包括云滴与气溶胶的吸收作用。气溶胶衰减系数的垂直分布取了两种类型,分别对应于能见度为23km与8km。结果表明,光学厚度为10—100的云层的加热率可达7—8℃/天,云滴和气溶胶的吸收作用是增加云层加热率的一个重要机制。云层的复盖对近地层加热率的影响极大。不同光学厚度的云的反射率的变化范围为0.24—0.90,与一些作者给出的观测结果比较符合。云的吸收率变化范围为0.07—0.25,飞机观测表明云的吸收率可达0.30—0.40。云有如此大的吸收率的原因尚需进一步深入研究。云天地面总辐射与晴天(可能)地面总辐射的比值(Q_c/Q_o)主要决定于云的光学厚度(对应于云的光学厚度从1增加到100,比值Q_c/Q_o则从80％降到10％),其次是太阳天顶角。比值Q_c/Q_o受气溶胶、海拔高度、云的高度的影响很小,可作为表示云对地面总辐射影响的一个参数。     

风云三号气象卫星红外分光计探测大气CO2浓度的通道敏感性分析

依据红外分光计（InfraRed Atmospheric Sounder,IRAS）光谱通道特征,发展了基于IRAS的大气辐射传输计算模式。以大气分子吸收光谱数据集（HIgh resolution TRANsmission,HITRAN） 2004为初始谱线输入资料,利用该模式模拟计算IRAS在CO2 吸收带的10个通道辐射率测值对CO2浓度变化的响应,并对比了其与大气温度和水汽、O3等气体浓度误差对辐射率测值的影响,探讨了利用风云三号气象卫星探测大气CO2浓度的可行性。结果表明,IRAS的通道4最适于用来监测大气CO2浓度的变化,当CO2体积混合比浓度变化在10×10-6时,对应的辐射率变化同仪器等效噪声辐射率相当,所以IRAS在理想状态下,最高可分辨的大气CO2浓度变化约为10×10-6。     

Calculation of solar and thermal radiation absorption in the atmosphere, based on the HITRAN data

Summary Using the HITRAN database from 2003, the absorption of solar and thermal radiation by the atmosphere is calculated. The results are presented in the form of spectral densities of absorption yield of the atmosphere and its components, and fractions of absorbed energy of the solar radiation and thermal radiation in the atmosphere by each of its components separately and together. Finally, the obtained results are discussed in the context of the lately published model of Earth’s radiation budget-MAP 85(4), 275–281 (2004). The shares of atmospheric components in the greenhouse effect and in the absorption of solar radiation are calculated. The percentage contributions of the more important atmospheric components in the greenhouse effect are as follows: clouds 66, water vapor 25, CO₂ 6.7, N₂O 0.7, CH₄ 0.7.     

线翼截断方式对大气辐射计算的影响

在大气辐射传输计算方法中,有3种基本方法,即,逐线积分方法,k-分布方法和带模式方法。其中,逐线积分方法是最精确的计算大气透过率的方法,本文根据透过率计算方式的不同,将逐线积分方法分为追线积分法和追点积分法。由于逐线积分计算需要耗费大量的计算时间,在大气遥感和大气探测业务中使用时,必须减少计算成本,提高计算速度。本文在追线积分法的基础上,给出了简化的逐线积分的基本方法,在保证同样计算精度的同时,大大提高了计算速度。对在精确的和简化的逐线积分下,不同线翼截断方式(CUTOFF)对吸收系数、大气透过率和冷却率的影响进行了更详细的探讨。通过数值试验发现,对谱线线翼的截断方式是影响辐射计算精度和计算速度的重要因子。在不同压力下,用CUTOFF=2计算的吸收系数误差最大;对CUTOFF=1,在大多数取样点上误差都小于2%;对CUTOFF=3或4,对绝大多数取样点上计算的吸收系数误差都在5%以内,但所用的计算时间却明显减少。大气低层的透过率对不同的计算方法和不同的线翼截断方式不敏感;对大气高层,无论是对精确的还是简化的逐线积分方法,当CUTOFF=2时的透过率结果与其他线翼截断方式的结果差别较大。通过比较,本文给出线翼截断的优选方案。     

利用红外辐射光谱反演大气CO2浓度的理论研究

依据最新的大气分子光谱数据集（HITRAN 2004）,利用逐线积分辐射传输模式,模拟计算了大气顶射出红外辐射光谱及其对大气CO2浓度变化的灵敏度,发现：大气CO24．3μm吸收带,特别是2241-2249cm^-1、2250-2258cm^-1、2259-2267cm^-1和2382—2390cm^-1波段射出的红外辐射,随CO2浓度的增加而显著降低,且很少受其他大气成分变化干扰,因此特别适于用来遥感探测大气CO2浓度的变化。根据最优非线性反演方法,反演获得了0-15km的大气CO2廓线,结果表明,利用上述4个通道的红外辐射值,可精确反演出自由对流层的CO2浓度变化。     

Impact of Accurate Photolysis Calculations on the Simulation of Stratospheric Chemistry

The interpretation of atmospheric measurements and the forecasting of the atmospheric composition require a hierarchy of accurate chemical transport and global circulation models. Here, the results of studies using Bremens Atmospheric Photochemical Model (BRAPHO) are presented. The focus of this study is given to the calculation of the atmospheric photolysis frequencies It is shown that the spectral high resolved simulation of the O₂ Schumann–Runge bands leads to differences in the order of 10% in the calculated O₂ photolysis frequency when compared with parameterizations used in other atmospheric models. Detailed treatment of the NO absorption leads to even larger differences (in the order of 50%) compared to standard parameterizations. Refraction leads to a significant increase in the photolysis frequencies at large solar zenith angles and, under polar spring conditions, to a significant change in the nighttime mixing ratio of some trace gases, e.g., NO₃. It appears that recent changes in some important rate constants significantly alter the simulated BrO_x- and HO_x-budgets in the mid-latitude stratosphere.     

The albedo of snow for partially cloudy skies

The albedo of snow for different cloudiness conditions is an important parameter in the Earth's radiation budget analysis and in the study of snowpack's thermal conditions. In this study an efficient approximate method is derived to calculate the incident spectral solar flux and snow-cover albedo in terms of different atmospheric, cloud, and snow parameters. The global flux under partially cloudy skies is expressed in terms of the clear sky flux and a coefficient which models the effect of scattering and absorption by cloud patches and multiple reflections between the cloud base and snowcover. The direct and the diffuse components of the clear sky flux are obtained using the spectral flux outside the atmosphere and the spectral transmission coefficients for absorption and scattering by molecules and aerosols.The spectral snow reflectance model considers both specular surface reflection and volumetric multiple scattering. The surface reflection is calculated by using a crystal-shape-dependent bidirectional reflectance distribution function; the volumetric multiple scattering is calculated by using a crystal-size-dependent approximate solution in the radiative transfer equation. The input parameters to the model are atmospheric precipitable water, ozone content, turbidity, cloud optical thickness, the size and shape of ice crystals of snow and surface pressure. The model yields spectral and integrated solar flux and snow reflectance as a function of solar elevation and fractional cloudcover.The model is illustrated using representative parameters for the Antarctic coastal regions. The albedo for a clear sky depends inversely on the solar elevation. At high elevations the albedo depends primarily upon the grain size; at low elevation the albedo depends on grain size and shape. The gradient of the albedo-elevation curve increases as the grains become larger and faceted. The albedo for a densely overcast sky is a few percent higher than the clear-sky albedo at high elevations. A simple relationship between grain size and the overcast albedo is obtained. For a set of grain size and shape, the albedo as a function of solar elevation and fractional cloud cover is tabulated.     

基于水面实测光谱的太湖蓝藻卫星遥感研究

水体叶绿素a含量和蓝藻密度是评价水质污染的主要参数,对监测水体蓝藻水华有重要意义。该文利用2008年11月10日和11日太湖水面实测光谱及FY-3A/MERSI,AQUA/MODIS卫星的波段响应函数,计算了卫星波段的水体表面等效反射率。水体实测光谱显示蓝藻污染提高了近红外波段的遥感反射率,在蓝光波段和绿光波段有明显的吸收谷和反射峰。根据这一原理,该文建立了近红外和红光波段的比值指数RI模型,成功反演了太湖水体叶绿素a含量(均方根误差分别为0.0174 mg·L~(-1)和0.0188 mg·L~(-1))和蓝藻密度(均方根误差分别为247.21×10~6L~(-1)和275.64×10~6L~(-1))。这一结果为分析太湖水面光学特性、水质污染状况提供了重要依据。     

近红外CO2高光谱探测仪通道选择

近红外波段 (1.6 μm) 遥感可探测大气CO₂含量信息,应用于碳循环研究中。宽波段、高分辨率不但对仪器研制是一个挑战,而且巨大的数据量对观测的正演、反演也是一个挑战性课题。该文应用自由度及信息量分析法,对近红外高光谱波段中探测通道进行CO₂信息量分析,选择前20~100个高信息量的CO₂探测通道,并进行了反演模拟测试。结果表明:前20个高信息量通道占所有通道总信息量的76.4%,仅用所选的前20个通道进行反演,与所有通道参加反演的结果相比,误差增加0.3×10-6;通道数增至60时,信息量增加,通道数再增加,信息量则增加不显著;CO₂反演误差存在相似的关系。在高CO₂信息量分布上,弱吸收性质的1.6 μm波段和强吸收性质的2.06 μm波段表现出不同特点。     

The Effects of Line-Wing Cutoff in LBL Integration on Radiation Calculations

There are three basic methods in radiative transfer calculations, i.e., line-by-line (LBL) integration, correlated k-distribution method, and band model. The LBL integration is the most accurate of all, in which, there are two quadrature algorithms named in this paper as integration by lines and by sampling "points when calculating atmospheric transmittance in the considered wavenumber region. Because the LBL integration is the most expensive of all, it is necessary and important to save calculation time but increase calculation speed when it is put into use in the daily operation in atmospheric remote sensing and atmospheric sounding. A simplified LBL method is given in this paper on the basis of integration by lines, which increases computational speed greatly with keeping the same accuracy. Then, we discuss the effects of different cutoff schemes on atmospheric absorption coefficient, transmittance, and cooling rate under both of accurate and simplified LBL methods in detail. There are four cutoff schemes described in this paper, i.e., CUTOFFs 1, 2, 3, and 4. It is shown by this numerical study that the way to cut off spectral line-wing has a great effect on the accuracy and speed of radiative calculations. The relative errors of the calculated absorption coefficients for CUTOFF 2 are the largest under different pressures, while for CUTOFF 1, they are less than 2% at most of sampling points and for CUTOFFs 3 or 4, they are ahnost less than 5% in the calculated spectral region, however, the calculation time is reduced greatly. We find in this study that the transmittance in the lower atmosphere is not sensitive to different LBL methods and different cutoff schemes. Whereas for the higher atmosphere, the differences of transmittance results between CUTOFF 2 and each of other three cutoff schemes are the biggest of all no matter for the accurate LBL or for the simplified LBL integrations. By comparison, the best and optimized cutoff scheme is given in this paper finally.     

地基消光测量确定新疆博斯腾湖地区大气气溶胶模型

为确定新疆博斯腾湖地区气溶胶主要组分,减小辐射传输计算和卫星遥感应用中由于气溶胶模型误判造成的误差,分别取大陆型、背景沙漠型、体积百分比自定义模型和两种动态气溶胶模型,用6S辐射传输算法计算出对应于太阳光度计测量时段的各波段大气气溶胶光学厚度。将模式计算值与测量值进行比较,确定测量地区的大气气溶胶模型。将该方法用于2010年在新疆博斯腾湖地区测量的太阳光度计数据,结果显示该地区在测量时段较为符合体积百分比自定义模型,沙尘性粒子体积百分比均在88%上,符合当地靠近沙尘源地和测量时段浮尘天气频发的实际情况。