半干旱区不同下垫面地表反照率变化特征

分析了通榆半干旱区退化草地和农田下垫面2003~2005三年来地表反照率的日、季和年变化特征, 并讨论了地表反照率与太阳高度角及土壤湿度的关系. 发现退化草地和农田下垫面的地表反照率具有相似的日变化和季节变化, 冬季较大, 夏季较小; 地表反照率的日变化随天气条件的不同而不同, 晴天日变化曲线形如“U”形, 雨后晴天地表反照率的日变化是先低后高, 雪后晴天是先高后低, 多云天日变化波动较大, 阴天几乎没有日变化. 两下垫面地表反照率的差异在冬季主要受降雪影响, 最大为0.04; 在夏季受降雨的影响较大, 但地表反照率差异不大, 只有0.01; 秋季由于下垫面植被的差异, 地表反照率差异最大可达0.04. 对于三年平均地表反照率, 退化草地在春、夏、秋和冬季分别为0.25, 0.22, 0.24和0.32, 农田春、夏、秋、冬季分别为0.25, 0.21, 0.22和0.33. 地表反照率随着太阳高度角增大而减小; 当太阳高度角大于40°时, 地表反照率基本上趋于不变. 在生长季地表反照率与表层土壤湿度存在负指数关系.     

沙尘直接辐射效应对东亚地气系统的影响

基于东亚-北太平洋地区太阳高度角在春季乃至由冬季到夏季的逐日变化规律, 选取 2001 年春季发生的3 次典型沙尘暴为例, 利用包含详细气溶胶辐射参数化方案的大气辐射传 输模型, 模拟研究了该地区太阳高度角的变化对东亚-北太平洋地区沙尘直接辐射效应的可能 影响. 研究结果表明, 在沙尘暴爆发时间从春初(或冬季)到春末(或夏季)的变化过程中, 由于 该地区太阳高度角逐渐增大, 导致沙尘在大气顶晴空正辐射强迫值增加、负辐射强迫值降低 甚至转变为正强迫. 具体表现为: 在地表反照率低的海洋上空, 春初到春末太阳高度角的增 加使得沙尘在大气顶负辐射强迫的值由大变小, 即对地气系统由较强的降温转变为较弱的降 温作用; 在地表反照率较高的沙漠及其周边地区, 春初到春末太阳高度角的增加导致沙尘在 大气顶辐射强迫由负值转变为正值, 即对地气系统由辐射降温逆转为辐射增温. 云天辐射强 迫的研究结果与晴空类似, 但低云的存在相当于在一定程度上增加了地表反照率, 它一方面 使得沙漠上空沙尘层由冷却地气系统到加热地气系统这一逆转过程发生的日期提前, 也导致 了沙尘在海洋上空负的辐射强迫比晴空时随着太阳高度的增加减小得更为明显, 甚至局部地 区因为低云的存在由弱的负强迫变为弱的正强迫. 这一研究结果说明, 在东亚沙漠附近地区, 即便是同等强度的沙尘暴事件, 因为发生的日期不同, 太阳高度角不同, 沙尘层在大气顶的 辐射强迫和对地气系统的影响也会因此不同甚至相反. 沙尘暴发生的时间越靠近初春或冬季, 在沙漠附近, 沙尘在大气顶辐射强迫越倾向为负值, 对地气系统表现为降温作用, 沙尘暴发 生时间越靠近春末或夏季, 由于太阳高度角的增大, 沙尘在大气顶越容易产生正辐射强迫, 对地气系统表现为增温作用. 简而言之, 即在东亚沙漠源区附近, 沙尘直接辐射效应可能呈 现“春初(冬季)降温, 春末(夏季)增温”的特征.     

Noah-MP陆面过程模式在雅鲁藏布江流域径流模拟中的适用性评估

雅鲁藏布江(以下简称雅江)流域的气象水文模拟是当前全球变化研究的热点与难点. Noah-MP(the Noah land surface model with multi-parameterizations)陆面过程模式作为该区域气象水文双向耦合过程的重要数值模拟工具,鲜有研究针对其径流模拟能力进行过系统性评估,限制了模式在该区域的水文应用.本研究基于中国区域地面气象要素数据集CMFD(China Meteorological Forcing Dataset)驱动Noah-MP模式,对雅江流域2000～2018年的径流进行时空分辨率为3 h/5 km的数值模拟;选取与流域径流产生机制相关的10个主要物理过程,评估了16种参数化方案组合对于径流模拟的影响,并确定了最优参数化方案组合.结果表明:(1)采用默认参数化方案, Noah-MP在奴下站的月尺度模拟纳什效率系数NSE(Nash-Sutcliffe efficiency)为0.23、偏差百分比PBias为–35.79%,而采用基于临界温度的雨雪分离方案、改进的二流近似辐射传输方案以及基于BATS的产流方案后, PBias分别减少至–2...     

全球植被分布对陆面气温影响的半解析分析

植被分布对全球环流及其温度分布有极其重要的影响, 对于自由大气的无黏性绝热、斜压、大尺度定常有限扰动, 通过三维环流控制方程来描述, 再结合P坐标下的静力方程得到温度的控制方程, 化成到地形坐标系下, 得到环流温度的三维控制方程. 结合下边界辐射平衡条件与常数上边界条件, 可以给出全球环流温度的半解析解. 本文只讨论了陆面气温的分布, 可以看到该模型能够较好地反映全球陆面气温的分布, 而且当考虑到植被反照率对温度的反馈时计算的结果更加符合观测值. 对于敏感性试验, 考虑到全球陆面为冰雪覆盖时陆面气温有较大的降低, 全球陆面为森林覆盖时陆面气温偏高. 所以本模型能够从理论上半解析地给出陆面气温随植被分布的变化, 是研究陆面生态分布对陆面气温变化的一个较好的工具.     

森林间隙率的混合模型研究

植被冠层间隙率的研究至今已有30多年的历史,间隙率模型研究一直沿着辐射传输方向和几何光学方向发展,取得了重要结果.本研究的目的在于结合辐射传输和几何光学方法发展一个统一的间隙率模型.1 植被冠层的物理与几何间隙率在前人的研究中,对植被冠层间隙率的概念未作任何区分,实际上,从不同角度出发,间隙率有着不同的含义,有进一步进行区分的必要.植冠间隙率的传统概念是个统计上的定     

忽略1.6μm偏振计算对二氧化碳反演精度的影响

散射引起的偏振效应会对卫星遥感二氧化碳精度产生较大的影响.本文利用逐线积分方法和累加法精确模拟了星载仪器近红外1.6μm波段的大气层顶偏振辐射特征,计算了分子散射和气溶胶散射引入的偏振效应,分析了偏振效应对大气二氧化碳反演精度的影响.研究表明:1.6μm波段散射引入的偏振效应明显,并随太阳高度角、观测天顶角、气溶胶光学厚度、地表反射率而变化.除个别大角度观测天顶角外,偏振效应随太阳天顶角升高、气溶胶光学厚度增加、地表反射率的减小而变大,并且在吸收线位置的影响要高于窗区.忽略偏振效应导致的大气二氧化碳反演误差随太阳天顶角的升高、气溶胶光学厚度的增加以及地表反照率减小而增大,并且该误差与仪器观测角度有关.模拟结果显示在高太阳天顶角、高气溶胶光学厚度以及低反照率场景下,忽略偏振计算可能引入高于10 ppmv(1 ppmv=10~(-6) L/L)反演误差,远高于1~2 ppmv观测需求.为减小误差,基于该波段的二氧化碳反演需要考虑大气辐射偏振的影响.     

森林垂直结构参数实测与遥感研究进展:以叶面积指数和聚集指数为例

森林垂直结构参数指的是森林冠层孔隙率、郁闭度、叶面积指数(leaf area index, LAI)和聚集指数(clumping index, CI)等关键结构参数在垂直方向的分布特征.获取森林垂直结构参数是深入研究森林碳氮水循环和遥感辐射传输过程的关键环节.本文聚焦LAI和CI,探讨森林垂直结构参数地面实测与遥感反演研究进展.地面测量的常用仪器有LAI-2200、数字半球相机和光合有效辐射(photosynthetically active radiation, PAR)测量仪等,不同高度的测量可以通过破坏采样、塔基测量和移动升降机等手段来进行.地面测量方法虽然较为准确,但通常比较费时费力,不利于获取大范围信息.遥感方法主要通过经验的植被指数估算或物理模型反演来进行.激光雷达(LiDAR)作为一种主动式遥感方法,具有反演垂直结构参数的独特优势.虽然遥感方法能够进行大范围连续观测,但目前还没有成熟的全球遥感产品能满足实际需求,少数区域产品也缺乏充分的质量检验.森林垂直结构参数已经在陆面过程模型、冠层辐射传输模型和森林经营管理中展现了巨大的应用价值.未来的研究应进一步探索新的地面测量和遥感反演方法,分析参数的垂直分布特征,同时开展垂直结构参数的验证研究,为森林垂直结构参数在模型机理研究和森林管理中提供科学依据.     

东亚季风区植被变化对局地气候的短期影响

利用CCSM(Community Climate System Model)模式3.5版本,研究了东亚季风区森林覆盖度增加对局地气候的短期影响.模拟结果显示森林覆盖度增加后,全年平均气温降低0.93℃,其中夏季降低1.46℃,冬季降低0.40℃,有利于缓解全球变暖在该地区的影响.森林覆盖度增加后,全年平均降水增加,其中4月份降水增加最显著,达到7%.森林覆盖度增加后植被的蒸散作用增加是导致该地区降温的主要原因.夏季比冬季降温明显主要是由于夏季蒸散比冬季大.蒸散增大的同时也导致了大气中水汽含量增加,再加上森林覆盖度增加引起地表粗糙度增加,从而形成气旋式辐合及异常的垂直上升运动,导致降水增加.此外,森林覆盖度增加也使地表反照率降低,造成地表反射短波辐射明显减少.     

通用陆面模式(CoLM)湖泊过程方案与性能评估

对新版通用陆面模式CoLM(the Common Land Model)中的湖泊过程方案CoLM-Lake做了介绍,并通过10个湖泊的观测数据评估了它的模拟性能,同时讨论了模拟结果对模型关键参数的敏感性.模拟结果显示,CoLM-Lake对于浅湖的模拟效果非常理想,对于表层温度、湍流通量和垂直热力结构的量级和季节变化特征模拟的比较准确,同时对湖泊冻融循环过程给出了合理的刻画.CoLM-Lake对于深湖垂直结构及其变化的模拟亦较为准确,但对垂直混合强度的刻画仍然不足.虽然模型对于北美五大湖表层温度的模拟误差相对明显,但其量级和季节变化特征仍在合理的范围之内.通过模型参数的敏感性分析发现,动力学地表粗糙度可通过改变湍流通量的大小修正湖泊表层温度的模拟.湖泊深度、辐射消光系数和热力扩散系数可共同影响湖泊的热力结构.较大的湖泊深度,较小的消光系数和较大的热力扩散系数均使得湖泊内部传递和存储更多的热量,从而增加湖泊的热力惯性,降低湖泊各层温度的季节震荡和变化幅度,推迟湖泊冬季的冻结时间.湖泊到达最大密度时的温度受湖泊盐度的影响,调整此温度同样可使得模型的模拟结果得到改进.以上敏感性分析说明CoLM-Lake对于湖泊热力过程的模拟可以通过模型参数优化进行改进.总体上,CoLM-Lake可以合理地刻画各个湖泊的主要特征,模拟的误差均在参数取值的不确定性范围之内,因此CoLM-Lake在全球尺度上适用于对湖泊物理过程的模拟.     

晴空大气中太阳辐射传输的近似计算

地气系统吸收来自太阳的辐射能,同时又通过长波辐射,向空间发出能量,这两种辐射能之间的平衡,决定着地球上的气候,我们已经给出了一个参数化的红外辐射传输计算方法,这里将提出一个计算大气中太阳辐射传输的近似方法。 在二流近似下,可以得到平面平行大气中向上和向下漫射的太阳辐射通量密度的解为     

青藏高原晴空行星反照率与地面反照率关系的研究

地面反照率是数值模拟和地面能量平衡方程中的一个重要参数。过去,对于地面反照率的估计,一般是根据实测资料结合植被特征的±壤类型分布图推算得到的,这种方法往往会产生代表性和某些类型不确定性的问题。随着气象卫星的发展,利用卫星观测资料研究地     

我国大陆植被变化的气象卫星遥感

地球表面的植被状况对地气系统内的辐射能量交换(主要改变地表反照率)、热量交换和水汽交换过程有重要的影响,因此,植被在气候系统中的作用日益受到重视。 卫星遥感技术提供了监测区域和全球植被变化的有效工具。对非洲叫、北美、南美和澳大利亚等地区,特别是对非洲地区植被的气象卫星遥感研究已取得了重要进展。在我国,气     

基于叶片气孔导度提升的冬小麦冠层阻抗估算模型的应用和对比

为了筛选适合华北典型地区冠层阻抗基于叶片气孔导度的提升方法,依据两个生长季的冬小麦田间试验资料,以Leuning-Ball和Jarvis叶片气孔导度模型为基础,构建了冠层阻抗估算模型,对比了不同冠层阻抗估算模型的应用效果.结果表明:冬小麦叶片气孔阻抗日变化整体高于冠层阻抗,两者具有显著的尺度差异性;Leuning-Ball气孔导度模型能够更好地解释气孔导度对环境因子的响应;以光合有效辐射作为尺度转换因子,基于Leuning-Ball气孔导度模型提升的冠层阻抗估算模型能够有效地模拟冠层阻抗,可应用于华北典型地区冬小麦水汽传输阻抗尺度提升研究.     

三参数冰相云微物理方案的构建及在单柱大气模式中的应用

云微物理的参数化对天气及气候的准确模拟至关重要,其中云粒子谱分布特征通过改变云演化发展和云辐射效应,必然进一步影响气候模拟.目前广泛使用的双参数云微物理方案,无法预报云粒子谱分布的谱形参数,阻碍了气候模式对云物理过程的准确描述.鉴于此,本文在单柱大气模式SCAM5.3(Single Column Atmosphere Model,Version 5.3)中增加雷达反射率因子的预报方程,构建了三参数冰相云微物理方案,实现了冰晶粒子谱分布谱形参数的预报.利用该模式,模拟了大气辐射观测计划在1997年夏季实施的为期29 d的观测个例(ARM97),分析了双、三参数方案对云量和辐射的模拟差异.结果表明:首先,三参数方案预报的冰晶粒子谱的谱形参数主要集中在0～4,峰值在2左右,至少有85%的μ都大于默认的0.其次,与双参数方案相比,三参数方案对云量的模拟更接近观测;利用辐射通量密度的观测值进行评估,发现无论是短波还是长波辐射通量密度,三参数方案的误差都比双参数方案小.最后,揭示了三参数方案对云量和辐射模拟效果的改进机理:主要是因为三参数方案减弱了冰晶到雪的自动转化过程,增强了冰晶凝华增长过程,从...     

耀斑的日面位置与电离层SITEC的关系

利用1997－1999年GOES卫星的耀斑观测资料以及国际GPS网的GPS观测资料，对作为耀斑参数之一的耀斑同位置与电离层SITEC的关系进行了分析。结果表明：除了耀斑的X射线最大辐射通量，耀斑日面位置也是影响TEC增幅的一个重要参数。一个X射线最大辐射通量较小但其太阳经度角较小的耀斑对电离层的影响可能会强烈于X射线最大辐射能量较大但其经度角较大的耀斑。当X射线最大辐射通量相近时，耀斑距日面中线的经度角越小,耀斑对电离层的影响越大。     

大气中红外辐射传输的参数化模式

一、引言 在利用大气环流模式进行长期数值天气预报和气候模拟的研究中,需要很好地考虑辐射在大气中传输的问题。目前,已经有很多精确的方法可以计算现实的模式大气中的辐射传输,但它们都需要大量的计算机时间,因而,应用这些方法到大气环流模式中是不现实的。这就需要建立简化的辐射传输计算方案,它们要有足够的精度,但只需很少的机时。Stephens对这     

与动力场相耦合的区域沙尘分档模式及个例模拟

综合考虑沙尘的起沙、扬沙、输送、干沉降、湿沉降等物理过程, 建立了一个比较完善的综合沙尘过程模式, 并与MM5中尺度动力模式相耦合, 构成区域沙尘模式. 模式中利用摩擦速度和地表信息资料, 对起沙通量作了订正; 扬沙过程, 根据流场、不同的边界层和不同的积云对流参数化方案, 分别处理; 模式中沙尘的沉降分为干沉降和湿沉降, 对沙尘粒子作了按尺度的分档处理, 对于显式或隐式降水都作了比较精细的考虑. 该模式对2002年3月20日和2002年4月7日影响我国北方大部分地区的强沙尘天气的形成和输送过程进行了模拟试验, 结果表明, 模式能较好地模拟沙尘过程的形成和传输扩散特征.     

SACOL站冰云微物理特性的反演

冰云是全球分布范围最广的云类型之一,对地气系统的辐射收支有重要作用.本文利用兰州大学半干旱气候与环境监测站(SACOL)Ka波段毫米波云雷达(KAZR)2013年8月至2014年7月的观测数据,结合微脉冲激光雷达(MPL)观测数据,分别使用传统经验算法、考虑温度订正的反演算法和KAZR-MPL联合反演算法,反演了冰云的冰水含量和有效粒径两个微物理量,形成了云微物理量的反演数据产品.在此基础上对SACOL站上空云微观特性进行了统计分析,并进一步结合Fu-Liou辐射传输模式,模拟了冰云在大气层顶处对长短波辐射通量的影响,与CERES卫星观测的辐射通量值进行比较,用以评估不同冰云微物理量的差异对辐射所造成的影响.结果发现:SACOL站冰云主要出现在2～14 km的范围内,在7 km处出现频率最高,达到13.02%; 3种云微物理方法反演的冰水含量相差不大,均呈现单峰型分布,概率密度最大处的冰水含量集中在10~(-3)g/m~3左右,而有效粒径的谱分布呈现出较大差异, KAZR-MPL反演算法模拟的冰晶粒径普遍偏大,也正是由于这种差异,造成了对大气层顶的短波辐射通量模拟的偏差.而各种算法对于大气层顶出射的长波辐射模拟效果远好于对短波的模拟,平均误差为5.04%,相关系数均大于0.6,而模拟效果较差的部分,主要存在于光学厚度较薄的个例当中.     

土壤湿度资料同化对中国东部夏季区域气候模拟的改进

采用牛顿张弛同化法把GSWP2资料同化进区域气候模式BCC_RegCM1.0(简称RegCM)中土壤湿度初始场, 结果得到采用不同张弛参数对土壤湿度资料进行同化, 均能不同程度的改进气温和降水的模拟, 当张弛强度取0.5和张弛时间为5 d时, 对中国东部地区气温和降水模拟的改进效果较好. 加入土壤湿度资料同化后, 不仅对中国东部地区的降水和气温的空间分布型有所改进, 而且修正了控制试验中地表气温的系统性冷偏差以及中国东部地区的降水偏少, 使地表气温和降水的模拟值较控制试验结果接近于观测值, 这说明RegCM对地面气温的偏低和降水量的偏少, 可能与陆面过程中的土壤湿度处理有较大的关系, 今后应注重RegCM中土壤湿度的作用.     

北极地区快速升温的驱动机制研究进展

受全球持续暖化影响,北极地区近地表气温正在以超过全球平均两倍以上的速度急剧升高,称为"北极放大"效应.北极的快速升温与地气系统的能量收支异常直接相关,学术界基于模式模拟、卫星观测等多种手段开展了大量研究工作,并提出了一系列的理论和证据,尝试从能量收支的角度对"北极放大"效应的驱动机制进行解释.对驱动"北极放大"的各种潜在机制的理论基础进行了阐释,并回顾了各种驱动机制的研究进展.综合现有研究表明,北极的快速升温既与受北极独特的地理、大气环境影响形成的多种辐射反馈机制(如海冰反照率辐射反馈机制、边界层大气逆温引起的温度梯度正反馈机制、普朗克反馈机制等)有关,也可能是由地球大气、海洋环流异常引起的极向物质与能量传输增强所致.通过对现有研究进行综合分析指出,受研究方法存在一定缺陷、高质量且时空完整的长时序辐射产品的缺乏,以及探索不同因素之间关联机制的综合性研究的缺少等影响,目前对于北极地区快速升温的关键驱动机制仍无定论,不同理论之间存在很大的分歧.进一步指出,长时序、高质量的地表与大气辐射产品研发,研究方法的进一步优化与各种气候因子变化对地气系统能量收支扰动的更准确量化,以及针对不同气候因子之间内在关联机制的综合分析,将是未来提升北极地区气候变化研究的重要方向.