全天空数字相机观测云量的初步研究

采用带有鱼眼镜头的数字相机拍摄全天空图像,对图像进行处理并分析,实现根据图像获取云量的目的。介绍了工作的基本原理和方法并给出初步实验结果。结果表明,用目前分析图像所获取的算法计算云量（与观测员记录相比）,平均误差在15％以内,结果的准确度受地面能见度影响较大,对能见度达15km以上的图像分析效果最好。     

全天空图像分析西藏羊八井2009～2010年云量特征

运用西藏羊八井观测站2009～2010年近1年的高时空分辨率全天空图像资料分析了测站上空的日间云量特征。年平均总云量统计结果为5.2;冬夏季节云量分布差别明显,夏季平均云量大,冬季小;无云、少云天气多出现在冬季上午,而夏季午后满云情况较多;1～4月及11、12月(冬半年)云量日变化特征明显,上午逐步增加,至17:00(北京时间)左右到达高值,随后逐步下降,形成白天云量渐多夜间云量消散的"循环"过程。运用该地资料还分析了运用时间概率方法估算的点云量与实际云量的差异,小时平均结果显示无云及满云天气条件下二者云量一致性较高,而对中等云量天气二者相差较大。更长时间尺度(天平均)的统计对比表明,随着统计样本增加二者差距缩小。总体来看少云天气情况下点概率云量估算低于实际天空云量,当天空多云时点概率云量则大于实际天空云量。     

全天空成像仪云量计算方法的改进

全天空成像仪（total sky imager 440,TSI-440）可以实现白天全天空云量的持续自动监测,时空分辨率较高,得到的云量计算结果更精确.首先介绍了TSI-440的基本原理和资料格式,并基于太湖地区2008年5-10月的TSI-440资料及无锡站地面观测资料,采用统计方法详细地分析了不同天气情况下图像的成像特征及云量的计算误差.结果发现：图像的成像特征与能见度密切相关,红蓝比值随着能见度的减小而增大.另外,仪器在处理阴天图像及复杂天空（多云）图像时,易造成一定的云量计算误差.针对上述问题,本文通过直方图分析,重新选定了红蓝比阈值（晴空点阈值0.62,云点阈值0.66）,基于新阈值计算的云量结果较仪器自带的处理结果更为准确,减小了因天气状况不同而产生的云量计算误差.     

局地云量变化气候效应的数值模拟

本文用统计得到的东半球夏季平均云量资料，利用改进的云－辐射计算模式，在三维有限区域模式中模拟局地云量变化的气候效应。模拟结果表明，高原地区和热带辐合带云量变化造成的气候效应都主要表现在青藏高原地区。在低反照率时，高原地区云量减少使该地区地表加热，引起高低空气压系统加强；高反照率时结果相反。热带辐合带云量减少会引起青藏高原地区降温和气压系统减弱。     

湖北省天空云量的特征分析及其预报

利用１９９６～１９９８年的历史气象资料统计了湖北省天空云量,接着分析了天空云量与高空物理量的关系,在此基础上使用ＭＯＳ方法建立了天空云量的预报模型。经１９９９年９～１１月试验,其初步结果表明,该预报模型可较好地反映云量变化的趋势,对阴天和晴天之间转变的趋势预报较为正确,但其在应用时仍需加强订正工作。     

关中东部地区云量变化分析

利用关中东部地区高山站及临近两个地面站近50a气象资料、季风指数以及海温资料,对其云量变化的特征及原因初步分析,结果表明：（1）关中东部云量变化呈减少趋势,其中低云量华山（高山站）、华县、西安（平原站）夜间变化趋势分别为-1.74%/10a、-1.56%/10a、-4.23%/10a,白天分别为-0.73%/10a、-1.94%/10a、-4.62%/10a;（2）夜间总云量高山站比平原站变化明显（-1%/10a）,白天三站趋势基本一致（小于-0.6%/10a）;（3）高山站和平原站四季低云量均减少,总云量除平原站夏季增加外,其他季节均减少。云量变化原因主要是由于局地气溶胶冷却作用,导致地面接收太阳辐射减少,使局地对流减弱,造成低云量减少。     

利用扫描式红外亮温仪对天空云量的试验观测

利用中国科学院大气物理研究所中层大气与全球环境探测实验室自主开发研制的全自动扫描式天空红外亮温仪,于2007年4-8月在北京市气象局南郊观象台进行了试验观测.利用获得的天空红外亮温数据和南郊观象台(54511站)实时地面气象数据,进行了天空云量的计算.将整点前30 min内观测的云量的平均值作为与观象台观测对应的整点观测云量,分不同情况与观象台目视观测结果进行了对比分析.结果表明:(1)对于中低云,两种观测的云量比较一致,但如果在此期间云消散或增加很快,则差别较大.其主要原因是观测的时间和方式不同所造成的.(2)对于以卷云为主的天空情况,特别是高层薄卷云的情况,两种观测的云量差别较大.原因是受到目前试验所使用的红外传感器低温测量范围的限制(-50℃),以及判定云的阈值算法目前还只对于中低云比较适用,对于卷云的判断能力比较薄弱.(3)对于天空情况比较复杂,以及能见度不好的情况(气象站目视云量记录为10-),两种观测的云量差别也很大.其差别既受到仪器性能的影响,也与观测员视力与经验有关.仪器受到最低测量温度的限制,反演算法也有其不确定性,而观测员在低能见度时的观测局限性亦是一个重要原因.利用SIRIS-1进行云量和云底高度观测的优点是时间分辨率高,且全天时自动化,但对于卷云的判断还较薄弱.     

西南地区云量变化特征

利用西南地区(云南、贵州、四川、重庆)记录较为完整的73个测站1956~2005年月平均云量资料,采用经验正交函数分析和Mann-Kendall突变检验方法,研究分析了西南地区云量的时空分布特征。结果表明:就全年而言,整个西南地区总云量的变化趋势一致,且存在着明显的年际变化特征,1990年代以后全年总云量表现出减少趋势;此外,总云量的分布在一定程度上受地形和区域气候的影响。从季节来看,夏、秋、冬季的总云量在西南地区为空间一致的变化趋势,而春季四川盆地北部总云量的变化趋势与其余地区相反;四季总云量也有明显的年际变化特征。低云量,全年和四季的时空变化特征相似,由于受地形起伏及区域气候差异的影响,川西高原东部和重庆地区的变化趋势与四川盆地的相反,且同样存在着明显的年际变化特征。另外,突变分析结果显示,西南地区的低云量近50a来呈持续减少趋势,而总云量在1990年发生突变,突变前在0线附近震荡,突变后总云量持续减少。     

台湾地区总云量的分布及变化特征

本文利用台湾出版的1995年台湾地区地面气候资料年报,对该地区的总云量作了统计分析研究,揭露了该年台湾地区总云量的分布、季节变化和日变化特征,其结果对作好海峡两岸的航空气象保障有积极的意义。     

Calibration and Validation of an All-Sky Imager

The automatic all-sky imager developed by the Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, provides all-sky visible images in the red, green, and blue channels. This paper presents three major calibration experiments of the all-sky imager, geometric angular calibration, optical calibration, and radiometric calibration, and then infers an algorithm to retrieve relative radiance from the all-sky images. Field experiments show that the related coefficient between retrieved radiance and measured radiance is about 0.91. It is feasible to use the algorithm to retrieve radiance from images. The paper sets up a relationship between radiance and the image, which is useful for using the all-sky image in numerical-simulations that predict more meteorological parameters.     

云迹风资料在热带气旋移向预报中的应用

利用云迹风并结合实测风,从涡度方程出发,对１９９８年南海和西太平洋的几个热带气候进行诊断计算。结果反映,涡度局地变率ｅ↓ζ／ｅｔ对热带气旋移动有指示意义,它既可批示热带气旋正常路径,在引导气流不明显的情况下,也能对气旋的转折路径有较明显的反映,气旋常朝涡度局地变率最在的方向移动。当热带气旋周围有数个ｅ↓ζ／ｅｔ中心时写和提交 矢量合成法确定了气旋的最大可能移动方向。此外,玷如引导气流一样,热带气旋     

Evaluating the Impacts of Cloud Microphysical and Overlap Parameters on Simulated Clouds in Global Climate Models

The improvement of the accuracy of simulated cloud-related variables, such as the cloud fraction, in global climate models (GCMs) is still a challenging problem in climate modeling. In this study, the influence of cloud microphysics schemes (one-moment versus two-moment schemes) and cloud overlap methods (observation-based versus a fixed vertical decorrelation length) on the simulated cloud fraction was assessed in the BCC_AGCM2.0_CUACE/Aero. Compared with the fixed decorrelation length method, the observation-based approach produced a significantly improved cloud fraction both globally and for four representative regions. The utilization of a two-moment cloud microphysics scheme, on the other hand, notably improved the simulated cloud fraction compared with the one-moment scheme; specifically, the relative bias in the global mean total cloud fraction decreased by 42.9%–84.8%. Furthermore, the total cloud fraction bias decreased by 6.6% in the boreal winter (DJF) and 1.64% in the boreal summer (JJA). Cloud radiative forcing globally and in the four regions improved by 0.3%?1.2% and 0.2%?2.0%, respectively. Thus, our results showed that the interaction between clouds and climate through microphysical and radiation processes is a key contributor to simulation uncertainty.     

FY-2G卫星冬夏云量产品偏差分析

开展卫星反演云量的精度评估是业务应用的基础,也是充分发挥卫星观测效益的前提。利用同类卫星产品EOS Aqua/MODIS云产品,选取2015年6月和12月共80个个例,包括43个白天个例,37个夜间个例。采用交叉比对方法对FY-2G云量产品进行相对偏差分析。结果表明:FY-2G与Aqua/MODIS计算云量总体趋势相当,无论从时间分布（白天和夜间）还是季节分布（6月和12月）上看,FY-2G与Aqua云量相对偏差较为稳定,FY-2G反演云量小于Aqua/MODIS反演云量。匹配个例中FY-2G平均云量为72.81%,Aqua/MODIS平均云量是76.19%,两者相关系数为0.74。两者绝对偏差小于5%的像元比例为72.34%;云量偏差绝对值小于15%的像元比例为79.51%。FY-2G与Aqua/MODIS云量偏差主要来自各自卫星的观测能力与所采用的云检测算法。与具有36个探测通道、星下点最低空间分辨率为0.01°×0.01°的Aqua/MODIS观测数据相比,FY-2G所具有的5通道、星下点最高空间分辨率为0.05°×0.05°的观测数据会出现对云,尤其是破碎云和薄卷云的漏检。两种具有不同时空属性的数据在匹配处理时采用的不同算法也会在比对分析中引入偏差。     

夏季西藏4个站点大气向下长波辐射观测分析

对2011—2016年部分夏季时段分别在西藏那曲、拉萨、林芝和阿里观测的大气向下长波辐射（L_↓）进行分析,结果显示:L_↓具有明显的日变化,最大值出现在北京时间15:00前后,而最低值出现在凌晨至10:00,日平均值林芝最高（368 W·m-2）,其次是拉萨（319 W·m-2）、阿里（305 W·m-2）和那曲（299 W·m-2）。晴天L_↓ ?ngstr?m（1915）的经验公式最适合林芝,而Konzelmann（1994）的公式则适合那曲、拉萨和阿里;随着人工观测总云量的增加,L_↓增强趋势明显,满云（云量7~10成）情形4个站点云增强效应均从20 W·m-2上升至50 W·m-2以上,低云量对L_↓的增强效应明显高于总云量。云份额数（C_F）上升所对应天顶方向平均云底高度下降,但云增强效应上升。在晴天（C_F为-5%~5%、平均云底高度大于4 km）时,云增强效应仅为5 W·m-2左右（林芝接近20 W·m-2）,但当C_F为90%以上（云底高度小于3.5 km）时,云增强效应则上升到60 W·m-2（林芝接近50 W·m-2）。固定云底高度,C_F与L_↓云增强效应呈显著相关（r2为0.91~0.97）,远高于云底高度与L_↓云增强效应的相关（r2为0.32~0.58）。     

冬季北太平洋风暴轴的年代际变化

对1948-2004 NCEP／NCAR 500hPa高度场资料进行滤波后,采用累积距平、Morlet小波分析、合成分析等方法,研究了风暴轴中心的强度、经纬度以及面积指数的年代际变化。结果表明,56a来北太平洋风暴轴的中心强度平均约为32dagpm^2,中心位置约在172°W、44．5°N。小波分析表明,冬季北太平洋风暴轴的中心强度和面积都存在着18a的年代际变化周期。此外,风暴轴中心强度与面积指数有很好的正相关关系。总的来说,风暴轴中心强度增强（减弱）时期,一般对应着风暴轴面积增大（缩小）和位置向西（东）、向南（北）移动。     

热带气旋过台湾后再次登陆的路径强度变化统计分析

登陆台湾后再次登陆大陆的热带气旋(TC)由于受复杂下垫面及中低纬天气系统的共同影响,过岛后在海峡内的路径、强度及结构变化复杂,导致登陆大陆的精确化定位、定强及预报难度大。分析了1949—2017年二次登陆的81个热带气旋路径及强度变化特征,并对上海台风所(CMA/STI)、美国联合台风警报中心(JTWC)及东京区域台风中心(RSMC-Tokyo)的热带气旋最佳路径数据中过岛热带气旋的定位定强进行对比分析。结果表明:二次登陆大陆热带气旋强度以减弱为主,少数热带气旋在海峡内增强;过岛后热带气旋路径多数会发生明显偏折,但三家最佳路径资料判断的偏折趋势不一致;由于热带气旋过岛时结构遭到破坏,定位定强难度增大,导致三个业务中心对其定位定强的差异较大,这种不确定性增大了其路径和强度监测预报的难度。     

Cloud Variations under Subtropical High Conditions

The cloud variations under subtropical high(STH) conditions during summers over a ten-year period are studied using combined data from the International Satellite Cloud Climatology Project and the National Centers for Environmental Prediction.The results reveal that clouds mainly experience an isolated evolution in the STHs,which is designated in this study by the 1540 gpm geopotential lines at 850 hPa.In the STH domain throughout the Northern Hemisphere,the average amount of total clouds exceeds 30%.Low clouds dominate in the STH domain,contributing over 60%of total cloud amount within the Pacific subtropical high and over 40%within the Atlantic subtropical high.The prevalence of low clouds in above regions is determined by the circulation pattern around 150°-180°E and 850 hPa,which suppresses both the upward development of the cloud tops and the water vapor divergences near the surface.Furthermore,clouds present great geographical incoherence within the STH domain.In the eastern STHs,the amount of middle and low clouds increases to peak in the early morning and decreases to a trough in the afternoon,while the amount of high clouds remains stable throughout the day.Conversely,in the western STHs,the diurnal amplitude of low and middle clouds is less than three,while high clouds dramatically reach the maximum in the afternoon and drop to the minimum in the evening.Among the nine cloud categories,stratocumulus clouds with greater optical thickness account for the most under STH conditions,no matter their occurrence or amount,causing more shortwave cloud radiative forcing to cool the local atmosphere and surface as a consequence.     

GRAPES新云量计算方案的引进和影响试验

在GRAPES模式中分别引进了 EC云量计算方案和WRF云量计算方案,并与GRAPES现用的云量计算方案和简单云方案进行了对比数值试验,结果表明:(1)这4种云量计算方案都能较准确地模拟云分布,相对而言,EC云方案和简单云方案模拟地更为准确.(2)简单云方案模拟的总云量较多,GRAPES云方案和WRF云方案模拟的总云量偏少,EC方案模拟的总云量较为接近观测值.(3)在中国东部地区模拟的地面温度与观测基本接近,但在中国西部地区则误差较大;采用EC云方案时模式模拟的地面温度更接近观测值.(4)综合分析模拟的效果,认为EC云量计算方案模拟的效果最佳,可以作为GRAPES新云量计算方案引进的参考.