现代大气物理学研究进展

简要论述现代大气物理学的主要研究内容与发展历史,重点介绍中国科学院大气物理研究所的科技工作者在云和辐射的相互作用、气溶胶的光学特性、气溶胶的辐射强迫、大气辐射传输、大气组分探测等方面的研究进展与成果,特别是创新性的研究成果.     

风廓线雷达与L波段雷达探空测风对比分析

为了解风廓线雷达探测的准确性,对北京南郊大气探测试验基地2006-2008年3年的观测资料与常规高空探测资料即L波段雷达探空测风数据进行了对比,计算并分析了不同高度、不同时次、不同风速条件下的对比结果,进行了相关性分析,计算了平均差和标准差。结果表明,二者测风结果有较好的一致性,半小时平均水平风u、v分量的标准差在2.3m/s左右,为风廓线雷达和L波段雷达探空共同的测量误差及不同采样空间和时间的水平风的差异。     

内蒙古半干旱草原土壤—植被—大气相互作用——科学问题与实验计划概述

“内蒙古半干旱草原土壤－植被－大气相互作用（ＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＳｅｍｉ－ＡｒｉｄＧｒａｓｌａｎｄＳｏｉｌ－Ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ－ＡｔｍｏｓｐｈｅｒｅＳｕｒｆａｃｅＳｔｕｄｙ,ＩＭＧＲＡＳＳ）”是国家自然科学基金委在“九五”期间支持的跨学部重大项目。该项目是全球变化研究的一个重要组成部分,主要着眼于具有全球代表性的温带半干旱草原区域中土壤－植被－大气相互作用的过程与参数化方案研究,理解在人类活动逐步增强背景下气候变化对草原生态的作用与反馈,定量了解中纬半干旱草原在温室气体排放与生物地球化学循环中的作用,发展利用卫星定量遥感陆气相互作用的反演方法与集成。这一项目将由一项中尺度综合观测和几项研究课题构成,希望成为我国对全球变化研究的新的独特贡献,亦为温带半干旱草原可持续发展提供进一步的对策依据。本文简要介绍ＩＭＧＲＡＳＳ项目的科学问题与实验计划。     

阿尔山地区积雪深度微波遥感反演算法的改进与验证

利用阿尔山地区多年实测雪深数据评估3种微波遥感雪深数据,即星载微波成像仪AMSR-E（Advanced Microwave Scanning Radiometer for EOS）和AMSR-2（Advanced Microwave Scanning Radiometer 2）的积雪产品、国内学者建立的中国雪深数据集,在该地区的适用状况,并建立新的雪深反演算法。1981～2014年的中国雪深数据集和阿尔山站点实测雪深统计的积雪日数和最大积雪深度具有较好的一致性,尤其是在2000年以后。AMSR-E和AMSR2雪深数据年变化与实测雪深变化趋势一致,与实测雪深数据相关系数超过0.60,不过具体雪深数据变化幅度远高于实测数据,致使两者之间的均方根误差高达13.0 cm。中国雪深数据集在阿尔山地区与实测雪深相关系数超过0.65,两者之间均方根误差为6.3 cm。结合星载微波观测亮温与实测雪深建立适合阿尔山地区的雪深反演算法,验证分析显示反演结果与实测雪深相关系数为0.77,两者的均方根误差减小为4.7 cm,优于本文评估的3种微波遥感雪深数据。     

地基微波辐射计探测大气边界层高度方法

采用2013年中国科学院大气物理研究所香河大气综合观测试验站的地基微波辐射计和激光雷达观测数据,以激光雷达探测的大气边界层高度为参考,分别利用非线性神经网络和多元线性回归方法建立微波亮温直接反演大气边界层高度的算法,并对比两种方法的反演能力, 同时分析非线性神经网络算法在不同时段及不同天气状况下反演结果的差异。结果表明:非线性神经网络算法的反演能力优于多元线性回归算法,其反演结果与激光雷达探测的大气边界层高度有较好一致性,冬、春季的相关系数达到0.83,反演精度比线性回归算法约高26%;对于不同时段和不同天气条件,春季的反演结果最好,晴空的反演结果好于云天; 四季和不同天气状况的划分也有利于提高反演精度。     

天气雷达监测生物跨海迁飞方法

通过对S波段天气雷达的多普勒速度进行滤波,得到了因生物定向迁飞而产生的雷达径向速度偏差,可有效地区分出定向迁飞生物的跨海迁徙活动。结果表明:通过对雷达同距离多普勒速度进行低通滤波处理,可有效地将定向迁飞生物从大气湍流产生的晴空回波中分离,实现监测定向迁飞生物的跨海迁飞活动。为验证算法,通过对美国KICT雷达2012年9月30日夜间的一次生物迁徙过程进行验证,成功地仅依靠多普勒速度和反射率因子,将定向迁飞的鸟类从昆虫中分离。依照中国农业科学院植物保护研究所长岛有害生物防治野外科学观测实验站的人工观测结果,分析渤海海峡2017年5月30日夜间存在粘虫迁飞的时间段的雷达数据,表明该方法可有效地识别、监测定向迁飞生物在渤海海峡上空的迁飞活动。     

大气遥感研究展望

对大气遥感研究发展方向作了展望,重点论述了如下几个方面:1)未来大气遥感研究若干特点;2)主被动式相结合的卫星大气遥感;3)大气遥感技术与应用集成;4)大气和地表物理参数的综合遥感;5)气溶胶与云光学特性遥感;6)微量气体时空分布遥感;7)地基大气遥感及走向综合集成.     

阵列天气雷达设计与初步实现

阵列天气雷达是分布式、高度协同的相控阵天气雷达。阵列天气雷达至少包括3个相控阵收发子阵（简称收发子阵）,通过增加收发子阵而扩大探测区域。每3个相邻的收发子阵一组协同扫描,保证3个相邻收发子阵在同一个空间点的数据时差小于2 s,从而保证径向速度合成正确的流场。采用相控阵多波束扫描技术,4个发射波束和64个接收波束覆盖0°~90°仰角,机械扫描覆盖360°方位,整个体扫时间为12 s,为多普勒天气雷达整个体扫时间的1/30。阵列天气雷达通过金属球进行了强度、波束宽度、方位、仰角的定标。阵列天气雷达在长沙机场布设试验,成功获取了精细的风场和回波强度数据,可为更精细、更完整揭示小尺度天气系统变化规律提供新工具。     

多尺度综合观测中国区域气溶胶时空分布

正大气气溶胶是悬浮于空气中的微小固体或液体颗粒状物质,其来源多种多样,包括自然源与人工源。气溶胶通过散射与吸收短波和长波辐射改变大气和地表的辐射能量收支,这称为直接气候效应。它还作为水云或冰晶凝结核影响云的形成与发展,带来间接气候效应。此外,落在冰雪地表上的黑碳气溶胶,可以改变地表反照率,并由此改变地表能量收支以致影响气候。因此,摸清气溶胶的时空分布特征并把握气溶胶对气候的影响在气候变化研究中非常重要。     

大气下投探空技术的发展与应用

下投探空技术始发于20世纪70年代,90年代GPS定位技术被应用到下投探空中。下投系统由测量仪器、数据收发系统和信号处理软件等部分组成。带降落伞的下投探空仪一般由飞机、大气球、火箭或无人飞行器携带升空,在一定高度直接向下投放,以获得从下投平台到地（海）面的大气廓线资料。对大气下投探空技术及其应用进行概要性综述,从下投探空仪、下投平台和重要应用等几个方面来介绍。建议加强长航时高空无人飞机下投探空技术的研发工作。