华北地区对流层臭氧长期变化趋势及影响因子分析

利用1979~2013年卫星对流层臭氧遥感数据序列,分析华北地区对流层臭氧的长期变化趋势,考察各主要影响因子和对流层顶高度变化对臭氧变化的影响作用.过去30多年来,华北地区对流层臭氧长期变化趋势在不同季节差异很大:夏季对流层臭氧呈现快速增长趋势,增长率为1.28 DU/10 a;冬季表现出下降趋势,下降率为1.46 DU/10 a;在春季和秋季表现出波动性下降趋势.对流层臭氧夏季含量最高,一般在50 DU上下,春季平均值大约40 DU,秋季平均值35 DU左右,冬季含量最小一般在26 DU左右.对华北地区对流层臭氧分布变化产生显著影响的因子主要有太阳周期(Solar),厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)和准两年振荡(QBO).其中,Solar的影响幅度可达到5~6 DU,ENSO影响作用1~2 DU,QBO影响一般小于1 DU.对流层顶高度在年内不同季节存在显著周期变化,与对流层臭氧变化紧密相关,相关系数R=0.826,表明对流层顶高度年周期变化对对流层臭氧产生重要影响.从年代际时间尺度上,对流层顶高度不存在显著性变化趋势,对对流层臭氧变化趋势影响不大.     

大气中的“无人区”

从对流层顶到120公里高度为了找到中层大气的边界,让我们穿越大气,作一次旅行。我们把简图1作为这次旅程的地图。     

行星尺度纬圈平均风扰动的传播与南北极涛动

全球大气变量可以物理分解为纬圈和时间平均的气候对称部分、时间平均的气候非对称部分、行星尺度纬圈平均的瞬时对称扰动和天气尺度瞬时非对称扰动.本文分析了对流层顶行星尺度经、纬向风扰动在季节内和年际尺度上的变化,及其与厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)、北极涛动(AO)和南极涛动(AAO)之间的关系.结果表明,来自热带对流层顶的年际行星尺度纬向风扰动与赤道ENSO循环有联系,并通过异常的经圈环流传播到副热带、中纬度和极锋对流层顶.来自热带对流层顶的季节内(40~60 d)行星尺度纬向风扰动也可以通过异常的经圈环流向赤道外传播到副热带和中纬度.来自两半球极地对流层顶的大气季节内行星尺度纬向风扰动可以向高纬度传播.AO和AAO是这些行星尺度环流扰动在中高纬度传播与叠加的结果.     

青藏高原及其邻近地区上空平流层-对流层之间大气的质量交换

利用卫明莹1987年提出的直接诊断分析方法,使用1978～1996年逐日的NCEP资料,讨论了青藏高原及其邻近地区上空平流层-对流层之间大气质量交换,同时还利用1988-07～1993-12逐月的SAGE资料,计算了100hPa上的气溶胶和臭氧的年际变化情况.结果表明:（1）青藏高原及其邻近地区夏季以对流层大气穿过对流层顶进入平流层的输送为主,这种输送的范围和强度在盛夏7～8月份最强,出现了两个极大值中心,分别位于孟加拉湾北部和青藏高原东南侧,高原上空也为一大值区,只是比前两者小一些;冬季则以平流层大气下沉进入到对流层的输送为主,此向下的运输在1月份强度最强.（2）就青藏高原及其邻近地区上空平流层-对流层之间19年平均夏季总的质量交换来看,青藏高原及其邻近区域上空穿越对流层顶有净的对流层大气质量输送到平流层,其大小约为14.84×10~(18)kg.由此推出夏季青藏高原与青藏高原东南侧及孟加拉湾北部连成一片的区域是其周围低层大气向对流层高层及平流层低层输送的一个重要的物质通道.（3）青藏高原及其邻近地区穿越对流层顶的质量有可能将该地区中、低层气溶胶粒子携带到对流层顶附近,致使该地区对流层顶附近气溶胶浓度增大,而使臭氧浓度减小.     

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.     

一次平流层-对流层交换过程中臭氧通量的估算

利用2001年春季TRACE实验在东亚地区8个地点进行臭氧探测得到的臭氧廓线, 在物质通量计算的基础上, 提出了一种基于实测臭氧探空廓线的穿过对流层顶的臭氧通量的计算方法. 运用这种方法, 计算了2001年3月底发生在东亚地区的一次平流-对流层交换过程导致的穿过对流层顶的臭氧通量. 计算结果表明, 在我们研究的个例中, 穿过对流层顶的臭氧通量比全球和半球平均大1个量级左右. 与传统的采用对流层顶臭氧近似浓度来计算臭氧通量的方法相比, 用实测臭氧探空廓线计算得到的通量稍高, 但是量级相同.     

卫星遥感中国对流层中高层大气甲烷的时空分布特征

利用美国Aqua 卫星的AIRS 遥感资料, 分析了2003~2008 年中国地区对流层中高层大气甲烷的时空分布特征. 研究发现, AIRS观测结果与近地面观测资料变化趋势一致, 与地基遥感的误差在1.5%以内. 受近地层自然排放与人为活动的共同影响, 中国对流层甲烷在垂直分布上呈现典型的变化趋势: 随着高度的增加甲烷浓度下降. 甲烷在我国东部和北部地区具有明显的双峰季节变化特征, 最高值存在夏季, 次高值出现在冬季, 与近地面观测结果一致, 而南部地区冬季没有显著增加的人为来源, 西部地区人为活动稀少, 因此在南部和西部地区的甲烷高值只出现在自然源排放强烈的夏季. 中国地区的对流层中高层的甲烷与北半球的几个主要地区变化趋势一致, 均在2007 年之前保持相对稳定, 在2007 年后有一个明显的增长, 但是中国的增长速度较其他地区更为显著, 其中2006~2008 年期间的增长速率与我国近地面观测结果相近.     

中国梅雨雨带年代际尺度上的北移及其原因

分析了1979~2007年中国梅雨雨带移动特征及其与东亚副热带地区环流变化的关系. 研究发现, 20世纪90年代末中国梅雨雨带呈明显北移的趋势, 1999年以前梅雨雨带主要位于长江及其以南地区, 1999年以后雨带明显北移到了长江以北的淮河流域. 同时发现, 由于江淮梅雨期东亚中纬度地区对流层明显增暖, 平流层明显冷却, 使得东亚副热带对流层高层等压面向上突起, 对流层顶升高, 从而导致东亚副热带大气的扩张. 伴随副热带地区大气扩张出现的是东亚副热带急流北移, Hadley环流圈拓宽北伸和中纬度西风带北移. 东亚副热带大气扩张使得梅雨雨带向北移动, 导致长江以南降水减少, 长江以北降水增多.     

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.     

一项大规模的国际大气观测计划开始实施

大约有四十个国家参加的“中层大气国际观测计划”(简称 MAP)已于1982年1月1日开始实施。这是一项大规模的国际性科学活动,其观测对象是中层大气。所谓中层大气,是指地球大气层中10公里至100公里高度的那部分大气,大致包括平流层、中间层和热成层下部,对流层上部也有一部分属于中层大气。     

中国GNSS-R机载实验综合评估:河流遥感

<正>全球卫星导航定位系统的反射信号(GNSS-R)遥感是反演陆地和海洋表面地球物理参数的有力工具.而机载GNSS-R是一个很重要的实验平台,因为它不仅可以为空基实验提供校准依据,而且在中小尺度目标(比如河流和湖泊)的遥感方面独具优势.机载实验的研究主要包括海面风场的反演、海面高度的测量和土壤湿度的探测.首次反演海面风场和土壤湿度的机载GNSS-R实验都是由美国NASA和科罗     

卫星红外反演洋面温度的卷云大气订正方案

本文首先简要地评论了国际上卫星红外遥感反演洋面温度（ＳＳＴ）的发展。然后,应用半经验、半理论方法,提出一种新的卷云大气ＳＳＴ非线性反演方法。对应于３个不同的ＳＳＴ气候区域,用改进的甚高分辨辐射计（ＡＶＨＲＲ）卫星实测数据和理论模拟值,分别建立了卷云大气中３个ＳＳＴ反演方程,并对一些有关问题进行了讨论。     

关注地球大气层升高

人类活动导致大气层逐年升高以美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的本·桑特尔 (BenSan ter)为首的一个研究小组在英国《自然》杂志上发表论文称 ,自1979年以来 ,对流层的高度一直在增长 ,目前已增长了几百米的高度。桑特尔和他的同事用计算机模拟了造成对流层升高的5种可能因素 :大气的臭氧浓度 ,大气层中二氧化碳、甲烷等导致温室效应的气体含量 ,大气中固体微粒产生的太阳反射光线 ,太阳释放出的光和热 ,火山爆发喷射到大气中的尘埃等条件的变化 ,发现所有这些因素都不同程度地影响着对流层高度的变化。其中 ,导致温室效应的气体含量增大…     

我国大气环境立体监测技术及应用

大气环境是一个十分复杂的动态系统,大气气溶胶及其气态前体物、大气成分及环境要素分布在从大气边界层、对流层到平流层的垂直空间里,具有显著的时间和空间变化特征以及典型的地理环境气候区域特征,影响着空气质量、气候变化.提高大气环境的监测技术水平,发展遥感观测手段,实现对大气环境的在线、快速、立体探测,对于了解大气中各种成分的动态变化过程、源汇机制以及其对环境、气候的影响等具有重要意义.近年来,日新月异的激光/波谱技术促进了大气立体监测技术的发展,以光学探测和光谱数据解析为核心的各种立体监测技术以高灵敏度、高分辨率、高选择性、多组分以及实时等优势在大气、环境、气象、空间、遥感以及军事领域得到了广泛的应用.通过光与大气中物质相互作用产生的吸收、散射、发射等过程,形成了多种探测技术,实现了对大气痕量气体、大气气溶胶、温室气体、大气风场、水汽、温度以及多种大气污染成分的快速、实时探测,并通过光波的遥感特性,在地基、车载、机载及星载多平台上对大气多种成分、大气参数进行多尺度的探测.     

“世界屋脊”大地形坡面探测同化信息对下游天气的预警效应

采用WRF模式多时间层三维变分同化技术(3DVAR),将青藏高原及其周边地区AWS自动气象站观测网多要素资料同化进数值模式的初始场,对发生于2008年1月中国南方及长江中下游特大雪灾天气进行数值模拟试验.由于青藏高原具有极其陡峭的大地形坡面,且高耸于对流层中部,故分布于高原大地形"坡面"不同高度的自动站网观测要素,将与无线电探空探测获取的大气"廓线"信息存在着某种程度的关联性,其不仅在观测点高度、梯度特征,而且在观测时间频数、"定点"、"定高"及其同步性等方面均具有不同于平原自动站、常规探空的特殊功能优势.高原大地形坡面自动站网信息同化场亦可提供高原东部下游天气系统高敏感区前兆性"强信号",并实现模式高原及周边区域初始场大气动力、热力三维结构客观化调整,从而提升下游区域灾害天气系统模拟与预报能力.研究表明,青藏高原及其周边地区自动站的水汽、温度、气压等资料同化信息对于预报下游区域的降水预报至关重要.     

用偏相关分析电离层NmF2与低层大气等压面高度的相关性

通过建立电离层NmF2与其不同影响因子的多元线性回归模型, 应用偏相关方法分析了1957~2004年中国武汉电离层NmF2与对流层和平流层不同等压面高度的相关联系, 结果表明偏相关方法能够有效剔除太阳活动, 地磁活动以及季节因子的影响, 真实地反映电离层NmF2与低层大气等压面高度的相关性质, 两者在平流层中部有弱的正相关. 通过偏相关系数的对比发现, 电离层NmF2主要受太阳活动和季节因子的影响, 地磁活动的影响很小, 而低层大气等压面高度的影响很微弱. 研究表明偏相关方法是判断电离层与其上下层大气耦合程度的有效工具.     

“地震云”辨

贵刊1卷5期介绍了《地震云及其成因的探讨》一文,我们认为该文有以下几点值得商榷. 该文提到,“地震发生时,地球内部积聚起巨大的能量,因此从发生地震的前几天起,地热升高,它的波变为上升气流,以同心圆状扩散到同温层,使1,000米高空的雨云形成细长的稻草绳状地震云”.从大气物理学的角度来看,同温层位于对流层之上,距海平面高度不是1,000米,而是10,000多米.只有类似于火山喷发、核弹爆炸、强烈雷暴云的发展等,才能使空气对流上升到对流层顶附近高空.而大气这种强烈对流一般都是产生“塔状”、“柱状”、“蘑菇状”等垂直方向发展的对流体,不可能形成沿水平方向横卧的“细长稻草绳状”或“长条带状”的云体. 如果可以形成“稻草绳状”的云,但“地球内部     

中性大气折射误差及对VLBI基线测量的影响

考虑到大气中不同的组成成分,在射电天文观测中,特别是在低地平高度角观测中,一般把中性大气折射延迟分为“干”、“湿”两部分,并分别构成映射函数解算天顶延迟.中性大气折射的误差按其物理性质来划分可以包括3个因素:大气物理模型与真实大气的偏差;在确定的大气物理模型下映射函数的模型误差;观测站地面气象参数的测量误差及其随时间的漂移.气象条件通常包括地面总气压p_0,湿分压e_0,温度T_0,垂直温度梯度β,对流层顶高度等H_t.理论计算表明,最近由作者提出的UNSW931映射函数与所选用的大气物理规范下“真实”映射函数的偏差可以忽略.本文将主要讨论第3种因素的影响.就UNSW931模型而言,由气象参数的测量误差以及气象条件的变化所引起大气延迟的附加改正△_τ_D_i可以写为.式中△D_i(i=1,2,3,4)是气象参数p的误差△_p引起的△D_i的改变,τ~z为天项方向的大气延迟.τ~z的典型值为2.4m左右.气象参数p的误差△_p在5°地平高度最大可产生相当于150ps的延迟误差,远大于VLBI记录群延迟约30ps的随机噪声误差.这一误差将影响到对VLBI台站坐标和VLBI基线的估算.     

全球对流层天顶延迟模型IGGtrop的建立与分析

对流层延迟是高精度GNSS导航定位的重要误差源.利用IGS站提供的高精度对流层天顶延迟时间序列和NCEP大气资料进一步研究了全球及中国区域对流层天顶延迟的时空变化特征.在此基础上,根据NCEP资料建立了无需地面实测气象参数且同时顾及经、纬度差异的全球对流层天顶延迟IGGtrop模型.IGGtrop模型在全球125个IGS站的平均误差(bias)和平均中误差(RMS)分别为0.8和4.0 cm,优于同等条件下国际上常用对流层延迟模型EGNOS,UNB3和UNB3m模型的结果(上述三模型的bias和RMS分别为2.0,2.0,0.7 cm和5.4,5.4,5.0 cm).同时,IGGtrop模型的bias和RMS的分布范围小于EGNOS等模型,显示其在全球各地区的改正效果具有相对更好的一致性.IGGtrop模型在中国几个IGS站的bias范围为2.0~0.4 cm,RMS为2.1~6.4 cm,总体上优于EGNOS等模型的改正效果.IGGtrop模型在南半球的改正精度也显著优于EGNOS和UNB3m模型.IGGtrop模型的另一优点是误差随高度增加没有明显变化,从而避免了其他许多模型随高度增加而精度明显降低的情况.     

“世界屋脊”大地形坡面探测同化信息对下游天气的预警效应

采用WRF模式多时间层三维变分同化技术(3DVAR), 将青藏高原及其周边地区AWS自动气象站观测网多要素资料同化进数值模式的初始场, 对发生于2008年1月中国南方及长江中下游特大雪灾天气进行数值模拟试验. 由于青藏高原具有极其陡峭的大地形坡面, 且高耸于对流层中部, 故分布于高原大地形“坡面”不同高度的自动站网观测要素, 将与无线电探空探测获取的大气“廓线”信息存在着某种程度的关联性, 其不仅在观测点高度、梯度特征, 而且在观测时间频数、“定点”、“定高”及其同步性等方面均具有不同于平原自动站、常规探空的特殊功能优势. 高原大地形坡面自动站网信息同化场亦可提供高原东部下游天气系统高敏感区前兆性“强信号”, 并实现模式高原及周边区域初始场大气动力、热力三维结构客观化调整, 从而提升下游区域灾害天气系统模拟与预报能力. 研究表明, 青藏高原及其周边地区自动站的水汽、温度、气压等资料同化信息对于预报下游区域的降水预报至关重要.