两种对流参数化方案对辐射能量收支的影响研究

利用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室的格点大气环流模式(GAMIL)1.0版设计了两组数值模拟实验来研究两种不同的对流参数化方案对辐射能量收支的影响.这两种对流参数化方案分别是:Zhang and McFarlance/Hack方案(简称ZM)和Tiedtke/Nordeng方案(简称 TN).对应的数值模拟实验分别取名为EX-ZM和EX-TN.通过对实验结果的分析表明:在对流过程中,EX-ZM允许深对流和浅对流同时发生,因此两种对流同时在模式低层消耗了更多的水汽,释放了更多的潜热,引起了更大的增温;EX_TN每次只允许一种对流发生,也就避免了不同类型的对流在同一层同时消耗水汽的现象.因此对流过后,EX-ZM的环境空气相对湿度较小,而EX-TN周围空气的相对湿度较大,有利于低云云量的生成和大尺度的凝结,因此EX-TN模拟的低云云量偏多,低层的云水含量偏高,模式低层的云光学厚度偏大,这就使得EX_TN中更多的太阳短波辐射通量被云反射掉,严重低估了模式对短波波段的辐射通量的模拟.此外,不同的对流参数化方案通过改变云的长波发射率和降水,进而影响了模式对长波波段的辐射通量、感热和潜热通量的模拟.     

利用MODIS数据反演多层云光学厚度和有效粒子半径

利用卫星资料反演云微物理参数不仅有助于对天气变化的监测和预报,而且对人工影响天气的研究十分有益.目前卫星反演云微物理参数的算法一般是假设视场中只有一层云,但是实际环境中多层云出现很频繁.文中研究了多层云的光学厚度和有效粒子半径微物理参数的反演算法,主要针对薄的冰云覆盖在低层水云的多层云情形.算法利用中分辨率成像光谱仪(MODIS)吸收通道和非吸收通道同时进行反演,在此基础上利用SBDART辐射传输模式模拟冰云覆盖在低层水云上的多层云对云微物理参数反演的影响,模拟表明反演时将多层云作为单层云处理会使反演结果产生较大误差.为此,文中提出了云光学厚度和有效粒子半径反演算法中要考虑多层云的因素,并设计了一套云光学厚度和有效粒子半径反演方案.该方案使用SBDART辐射传输模式建立不同观测几何条件、下垫面类型、大气环境等条件下以光学厚度和有效粒子半径为函数变量的多层云、水云和冰云辐射查找表.经过云检测、云相态识别和多层云检测后,在该查找表的基础上,对MODIS通道1和通道7的数据采用最小方差拟合法反演光学厚度、有效粒子半径.利用该方案对2006年7月12日TERRA卫星MODIS数据进行反演试验,反演结果与NASA发布的MOD06产品中云的光学厚度和有效粒子半径的结果较一致,表明方案具有合理性.     

利用激光雷达观测兰州沙尘气溶胶辐射特性

利用微脉冲激光雷达CE370-2与太阳光度计CE-318, 在兰州观测分析了2007年3月27~29日扬沙过程沙尘气溶胶辐射特性, 并利用HYSPLIT-4模式分析了沙尘过程气溶胶粒子的后向轨迹。分析表明, 此沙尘过程气溶胶粒子的传输路径主要有两条： 一条起源于青海西北经西宁抵兰州, 另一条起源于塔克拉玛干沙漠经河西走廊抵兰州; 沙尘气溶胶主要集中于离地1.5 km高度层内; 沙尘气溶胶消光系数随高度先增加, 到0.2 km左右高度达到最大, 然后急剧减小。沙尘气溶胶光学厚度的时间演变呈双峰型, 最高峰出现在28日12:00, 次高峰在27日22:00。验证表明由CE370-2得到的气溶胶光学厚度与CE-318得到的很接近; 雷达观测资料的处理方法可以较好地反演气溶胶消光系数和光学厚度。     

中国区域MODIS陆上气溶胶光学厚度产品检验

以我国MODIS共享网站积累的MODIS L1B数据和美国威斯康辛大学提供的IMAPP软件包气溶胶产品软件为基础, 经过产品运行本地化改进处理, 在国家卫星气象中心建立了气溶胶产品业务化生成和发布机制。为支持气溶胶遥感产品算法改进以及潜在用户对产品的合理应用, 给出对国家卫星气象中心运行的MODIS气溶胶遥感产品质量检验分析结果。利用2005年1月— 2007年5月AERONET地基气溶胶监测网的L2.0级气溶胶光学厚度产品作为真值, 用它匹配MODIS陆上气溶胶光学厚度产品开展检验。检验结果表明:以卫星过境前后30min地基观测时间平均值匹配地基站点位置10 km半径范围内的卫星反演结果空间平均值开展检验, 总体样本的气溶胶光学厚度均方根误差约为0.25;满足产品误差要求 (±0.05±0.20τ) 的样本占总样本数的44%; 气溶胶光学厚度反演结果精度具有季节和地域差异, 干季(秋、冬、春)的气溶胶光学厚度误差较小, 而雨季气溶胶光学厚度误差较大, 云是雨季气溶胶光学厚度反演结果误差较大的主要影响因素。     

贵州省2009年冬季大气气溶胶光学厚度的特征分析

利用FY-3A陆上气溶胶日产品,结合ENVI遥感影像软件和ArcGIS地理信息软件的相关模块,处理和分析了贵州省2009年冬季大气气溶胶光学厚度,并由此计算出Angstrom浑浊度系数和波长指数。分析表明:贵州省2009年冬季整层大气气溶胶光学厚度在0.55μm波段内的旬变化幅度为0.28~0.53μm,并呈现出波动性的发展趋势,特别是2010年1月下旬—2月下旬有显著增加,较大值在整个冬季都相对集中于贵州省的中部、西南部以及北部地区;在污染物浓度变化中,细粒子浓度变化因素占主导地位;与冬季的前期相比,后期气溶胶光学厚度较大,细粒子比重有所增加,浑浊度稍微偏高,造成空气轻微污染。     

利用水平面太阳直接辐射日曝辐量反演大气气溶胶光学厚度的方法研究

本文发展了一个从宽带水平面太阳直接辐射日曝辐量 (总辐射与散射辐射日曝辐量之差) 反演光谱大气气溶胶光学厚度的方法, 包括建立一个 “等效” 的瞬时太阳天顶角模型, 并提出了一个基于气溶胶标高的云影响甄别方法。对该反演方法的数值模拟和误差分析表明: “等效” 瞬时太阳天顶角模型的不稳定性引起的光学厚度反演误差平均为3.66％; 光学厚度日变化对一段较长时间的平均光学厚度的影响不显著; 订正造成的散射辐射误差≤20％时, 光学厚度平均偏差≤4％。通过与AERONET产品的比对验证表明: 本文发展的光学厚度反演方法和云影响甄别方法都是有效的; 晴空反演的0.75 μm光学厚度与AERONET的相关系数超过0.95, 平均误差约0.02; 云甄别方法计算的季节和年平均光学厚度与AERONET具有较好的一致性。     

Development of RAMS-CMAQ to Simulate Aerosol Optical Depth and Aerosol Direct Radiative Forcing and Its Application to East Asia

The air quality modeling system RAMS （Regional Atmospheric Modeling System）-CMAQ （Models-3 Community Multi-scale Air Quality） is developed to simulate the aerosol optical depth （AOD） and aerosol direct forcing （DF）. The aerosol-specific extinction, single scattering albedo, and asymmetry factor are parameterized based on Mie theory taking into account the aerosol size distribution, composition, refractive index, and water uptake of solution particles. A two-stream solar radiative model considers all gaseous molecular absorption, Rayleigh scattering, and aerosols and clouds. RAMSCMAQ is applied to simulate all major aerosol concentrations （e.g., sulfate, nitrate, ammonium, organic carbon, black carbon, fine soil, and sea salt） and AOD and DF over East Asia in 2005. To evaluate its performance, the simulated AOD values were compared with ground-based in situ measurements. The comparison shows that RAMSCMAQ performed well in most of the model domain and generally captured the observed variations. High AOD values （0.2-1.0） mainly appear in the Sichuan Basin as well as in central and southeastern China. The geographic distribution of DF generally follows the AOD distribution patterns, and the DF at the top-of-the-atmosphere is less than -25 and -20 W m^-2 in clear-sky and all-sky over the Sichuan Basin. Both AOD and DF exhibit seasonal variations with lower values in July and higher ones in January. The DF could obviously be impacted by high cloud fractions.     

2006年春季西北地区黑碳气溶胶的观测研究

利用西北地区兰州、敦煌和塔中3个观测站2006年3-5月黑碳气溶胶（black carbon aerosol;BC）的观测资料及相关台站PM10和气溶胶光学厚度（aerosol optical depth;AOD）的观测数据,分析该地区2006年春季BC分布特征。结果表明：兰州地区BC质量浓度均值最高,达2．22μg／m^3,敦煌地区为1．89μg／m^3,塔中地区为2．07μg／m^3,低于北京、上海和珠三角等地区,高于瓦里关本底站观测值。BC的日变化具有明显的峰值峰谷特征,一般在12：00—14：00质量浓度低,08：00前后和20：00前后质量浓度较高,这主要取决于其源的日变化及其在近地层中的湍流交换以及大气稳定度的日变化等。表明西北地区BC与PM10的相关性非常小,相关性最好的塔中地区总体小时观测值的相关性仅为0．24,BC主要来自当地的人类活动,PM10的主要成份是沙尘气溶胶;由于沙尘气溶胶对辐射也具有一定的吸收特性,当出现沙尘天气时,BC的测量值受其影响将增加50％以上：大量的沙尘中也携带了少量BC．但其所占比例有限。     

我国380nm波长气溶胶光学厚度分布特征和演变趋势

利用1980—2001年TOMS/ NASA逐月气溶胶光学厚度 (AOD) 资料, 通过EOF, Morlet小波分析、趋势分析和突变检验等方法, 研究了我国大气气溶胶380nm光学厚度的时空分布特征和变化趋势。结果表明:全国全年存在两个范围较大、持续时间较长的AOD高值区:南疆盆地和四川盆地; 绝大部分地区春季AOD值最大, 最小值出现的季节则有所不同; 季节差异随纬度增加而减小; AOD变化具有明显的季节性和年际振荡特征; 年平均AOD呈明显增加趋势, 20世纪80年代末90年代初增加趋势有所减弱。     

WMO资助仪器设备在瓦里关全球本底站安装运行

气溶胶光学厚度监测系统是世界气象组织和中国气象局共同资助瓦里关气溶胶升级系统的重要内容之一。该系统主要包括自动太阳跟踪器和精密滤光辐射计。精密滤光辐射计（PFR）是瑞士世界辐射校正中心Davos物理气象观象台（PMOD）自行研制的,可以自动、连续地在4个窄光谱段对太阳辐射进行准确、可靠的测量,进而获得气溶胶光学厚度。