台风外围环流对沿海地区大气边界层结构的影响研究

结合茂名外场观测数据以及气象要素再分析数据,对台风外围环流影响和局地海陆风环流(SLBC)影响下沿海地区的大气边界层(ABL)结构识别方法和特征规律展开研究.利用气象要素探空数据和微脉冲激光雷达(MPL)观测数据进行了大气边界层高度(BLH)识别方法的适用性分析,提出了一种新的基于微脉冲激光雷达的BLH识别方法,以有效提高复杂边界层结构情况下激光雷达识别BLH结果的准确性,进而分析了受大尺度和局地环流影响的ABL结构以及BLH的时空变化特征.结果 表明:沿海地区在没有大尺度天气系统的控制时,局地SLBC的影响较为显著,会使ABL出现多层复杂结构,BLH表现出波峰和波谷交替出现的日变化规律;BLH开始增长的时间一般出现在白天的陆风海风转换时刻,最大值一般出现在正午气溶胶层顶的位置,即2 km左右;BLH下降的时间通常伴随着夜间的海风-陆风转换,最小值一般出现在夜间残留层以下稳定边界层顶的位置,低至500 m左右.而台风外围环流控制下,局地SLBC引起的局地对流现象会被抑制,ABL昼夜交替的空气上升、下沉运动减弱甚至消失,整个ABL内气溶胶垂直分布较为均匀,BLH与气溶胶层顶基本重合,维持在2 km左右,BLH变化波动不大且没有比较明显的日变化规律.     

华北平原污染气体区域分布的车载DOAS遥测研究

利用车载差分光学吸收光谱技术(DOAS)于2013年6月至7月对华北平原进行走航观测,研究了不同风场下SO_2和NO_2的柱浓度空间分布特征及其对北京地区的影响。研究发现,在石家庄、保定和济南附近同时观测到SO_2和NO_2高值,表明三地附近存在工业排放源,其中6月11日石家庄附近观测到SO_2和NO_2高值区域均值分别为1.29×10~(17)molecule·cm~(-2)和3.59×10~(16)molecule·cm~(-2),为低值区域均值的3.8倍和3.6倍。在西南稳定风场下,石家庄—保定—北京方向为一条污染物输送通道,Hysplit风场轨迹模型结果也验证了该输送通道的存在。车载DOAS观测的NO_2柱浓度和臭氧检测仪(OMI)检测结果的对比显示,两者具有较好的一致性;同时卫星观测也验证了偏南风场下污染物输送通道的存在。实验结果表明车载DOAS技术在污染物排放源监测、空气污染物地区分布快速获取以及卫星数据校验方面都具有重要作用。     

边界层低空急流激光雷达观测及其对PM2.5的影响

大气边界层低空急流是一种重要的边界层物理过程,与污染传输、航空安全、风能开发利用等存在密切联系。相干多普勒测风激光雷达自2020年9月21日至2021年5月8日布设于辽宁葫芦岛市开展风场观测实验,使用激光雷达垂直风场观测资料对该区域大气边界层低空急流展开观测研究,并结合ERA5再分析资料与环境监测站PM2.5质量浓度数据分析。研究时段内,低空急流出现频率为0.11,平均急流风速为13.2 m·s^-1,急流风向主要集中在东北向与西南向,急流高度主要在500 m以下,在200～300 m频率最高;低空急流风向在冬季与春季存在明显差异,冬季主要集中在东北向,春季主要集中在西南向。分析表明,该区域边界层低空急流的风向主要受到大尺度天气环流背景以及海岸线走势的影响;在沿海区域,海陆热力性质差异引起的温度梯度会根据不同背景风场为急流形成提供有利或不利条件,进而影响不同风向情况下的急流发生频率。夜间边界层低空急流通过增强近地层大气垂直扩散能力,加速PM_2.5质量浓度的降低或削弱其增长速度。     

基于MAX-DOAS的上海市区NO2对流层柱浓度研究

二氧化氮（NO₂）是大气中的主要污染物之一，在对流层和平流层大气化学中发挥关键作用，不仅参与对流层臭氧的催化形成，而且还有助于气溶胶的生成并导致酸雨等气候灾害，危害人体健康。人为源排放（工业，电厂、交通等排放）的NO₂占氮氧化物排放总量的大部分。传统的监测手段例如卫星遥感技术对对流层底部没有足够的敏感度，原位采样仪器则只能获得近地面的污染物浓度信息。近年来广泛使用的多轴差分吸收光谱技术（MAX-DOAS）不仅对近地面观测敏感，还拥有时间分辨率高，探测下限低，可以同时监测多种污染物等优点。为了实时监测上海市NO₂对流层柱浓度的变化特征，在上海市徐汇区搭设了地基MAX-DOAS仪器，进行了长期的持续观测。分析2019年6月至9月的MAX-DOAS观测数据，发现NO₂VCDs(垂直柱浓度)受交通排放影响显著，一般上午9:00左右达到峰值（1.56×1016 molec·cm-2），随光照增强浓度降低明显，午后达到最低值（1.21×1016 molec·cm-2），傍晚交通排放增强16:00以后浓度再次抬升。工作日早高峰期间的NO₂VCDs明显高于周末（高出约11.8%），而周末傍晚NO₂VCDs较工作日傍晚大幅上升。将MAX-DOAS观测结果与TORPOMI卫星观测数据对比发现，两个数据具有良好的一致性，相关性系数r为0.87。采用HYSPLIT后向轨迹模型对观测期间500 m高空气团输运后向轨迹进行聚类分析，发现上海市NO₂污染受沿海区域污染气团输送影响较大。研究表明，地基MAX-DOAS系统作为一种实时、快速、连续的大气监测手段，可以广泛应用于城市区域污染监测应用中。上海市对流层NO₂的观测研究为上海市大气污染防治提供了一定的数据支持。     

基于光谱分析的大气混合层高度测量研究

基于地基主动和被动差分光学吸收光谱(DOAS)分析方法,在2015年5月至2016年5月期间对上海近地面NO₂浓度(c_NO2)及对流层NO₂的垂直柱浓度(NO₂ VCD_trop)进行了观测。主动长光程差分光学吸收光谱系统(long-path DOAS, LP-DOAS)观测得的c_NO2小时均值与上海市全市空气质量c_NO2小时均值呈正相关,相关系数为0.81。被动多轴差分光学吸收光谱系统(multi-axis DOAS, MAX-DOAS)观测得的NO₂ VCD_trop与GOME-2和OMI卫星传感器测得的NO₂ VCD_trop也均呈正相关,相关系数分别为0.89和0.88。大气污染物的输送、扩散、稀释和沉降等过程主要发生在边界层中,白天混合层占到边界层的大部分,混合层高度(MLH)以上的自由对流层中污染物浓度较小,混合层内NO₂接近均匀混合时,利用地基主、被动DOAS观测得到的NO₂数据可以快速计算大气混合层高度。计算得的MLH与GDAS气象数据库中的边界层高度(PBLH)明显相关,相关系数达0.93,二者结果大小均在0.1～2 km之间。实验观测期间,MLH与PBLH日变化趋势均呈单峰形,MLH高值出现在12:00-15:00,由于PBLH时间分辨率低,最高值出现在14:00,同时二者月均变化趋势一致,2015年9月和2016年2月数值较高,2015年7月和2016年3月数值较低,另外求得MLH约为PBLH的0.98±0.59倍,符合狭义MLH与PBLH的关系。计算得的MLH与同点位激光雷达测得的PBLH_Lidar也具有较高的相关性,相关系数达0.75,PBLH_Lidar略大于MLH,但是二者在早晨5和6时和下午5和6时大小趋于相同,符合大气发展规律。说明该算法具有较高的可行性。     

台风莫拉克(2009)暴雨过程中位势切变形变波作用密度诊断分析和预报应用

在水平风场切变形变的基础上引入物理量——位势切变形变, 把水平风场的垂直分量和切变形变与广义位温的空间梯度结合起来. 该物理量的二阶扰动被定义为波作用密度, 在局地直角坐标系中推导了能够描述中尺度扰动系统发展演变的波作用方程. 对2009年登陆台风莫拉克引发的暴雨过程进行诊断分析, 结果表明, 台风中心区切变形变向涡度的转化显著, 该转化通过纬向风的经向梯度实现. 纬向风速的经向梯度与广义位温垂直梯度的耦合引起位涡和位势切变形变之间的转化, 以至于位势切变形变和位涡的异常值区分别位于台风环流的外侧和内侧. 波作用密度因能够描述水平扰动风场的垂直切变和切变形变以及凝 结潜热函数扰动梯度而与观测降水联系紧密. 相关统计分析表明, 2009年夏季波作用密度与6 h观测降水存在明显滞后相关性, 对未来6 h降水有一定的指示意义. 另外, 波作用密度通量散度和扰动非地转风位涡是影响波作用密度局地变化的主要物理因素. 基于波作用密度与观测降水的良好相关性, 建立了波作用密度暴雨预报方程. 2009年登陆台风"苏迪罗", "天鹅", "莫拉菲"和"巨爵"的暴雨预报个例分析和长时间序列的ETS评分计算表明, 波作用密度对台风暴雨具有较好的预报效果, 其预报降水能力略优于美国全球预报系统(GFS)的直接降水预报. 关键词： 位势切变形变 波作用密度 波作用通量散度 台风暴雨     

多轴差分吸收光谱技术对冬季大气HONO垂直分布特征研究

HONO作为大气OH自由基的前体物和重要贡献源，影响着大气中污染物的氧化降解，控制着对流层大气的自净能力，对灰霾和光化学烟雾形成起到重要作用，同时受污染排放特征、垂直传输和混合、非均相反应和大气光氧化等影响，HONO具有明显的垂直分布特征，因此探究大气中HONO的垂直分布特征对于了解大气灰霾和光化学污染的形成和控制都十分重要。MAX-DOAS作为一种被动遥感技术，能够快速有效地获取大气中污染物的立体分布特征。采用MAX-DOAS仪器对合肥市科学岛2017年12月冬季大气HONO和NO₂进行了立体探测，通过基于最优估算的气溶胶和痕量气体廓线反演算法PriAM获取了两种气体的垂直分布特征。研究结果表明，在观测期间NO₂在近地面10 m内体积混合比（VMR）和垂直柱浓度(VCD)的范围分别在0.51×1011～20.5×1011 molecules·cm-3和6.0×1015～5.5×1016 molecules·cm-2，在垂直方向上其浓度主要集中在1 km内，且在近地面浓度混合均匀。HONO的VMR和VCD分别在0.03×1010～5.1×1010 molecules·cm-3和3.5×1014～7.0×1015 molecules·cm-2之间，浓度高值出现在100 m内，浓度随高度的升高而明显下降。通过对HONO和NO₂的对比发现，HONO/NO₂比值在0.17%～16.0%（VMR）和1.0%～25.0%(VCD)之间，表明研究期间HONO主要来自于NO₂的转化。对冬季一次典型污染过程（2017.12.26—2017.12.31）分析，HONO/NO₂的比值大于5%，且HONO的浓度值升高（大于0.26×1011 molecules·cm-3），表明污染条件下NO₂向HONO的转化作用变强。结合风场信息研究发现，污染期间研究区域的NO₂和HONO浓度受到合肥市城区、安徽北部和西北部地区传输的影响。     

米氏散射多普勒激光雷达探测大气风场

介绍了米散射多普勒激光雷达风场探测原理,给出了自行研制的米氏散射多普勒激光雷达的结构系统。该系统与微波雷达进行实验对比,两者测量的水平风速大小和方向的廓线吻合得很好,并且得出在0.55～2.4km高度范围内,系统探测的水平风速大小和风向误差的平均值分别为1m/s和7°。给出了系统长期风场观测的典型结果,并对风场随时间的演变趋势进行了分析。结果表明,该系统测量数据可靠,可用于低对流层风场分布的常规观测及分析研究。采用PPI扫描方式得到了径向风速的空间分布图和水平风速廓线,表明系统通过改进,将有可能具备探测切变风和晴空湍流的能力。     

基于差分光学吸收光谱法的大气甲醛和乙二醛研究

介绍了一种基于差分光学吸收光谱技术对上海城市大气中HCHO和CHOCHO进行高时间分辨率的测定方法。针对HCHO和CHOCHO的不同吸收结构,选择适当的光谱分析波段,扣除干扰气体的吸收,有效降低残差,得到了用于反演目标气体的光学厚度,并进一步获得2013年10月HCHO与CHOCHO的浓度变化特征。HCHO,CHOCHO平均浓度分别为(4.0±1.6)和(3.4±1.2) μg·m-3。受人为源的影响,HCHO工作日平均浓度高于假期平均浓度,而CHOCHO的浓度相差不大。两者浓度的日变化趋势相似,早晨06:00—07:00出现最大值后迅速下降,到09:00左右出现最小值后又缓慢上升,并在夜间至日出前保持相对稳定的浓度水平。为探索大气HCHO可能的来源和生成过程,选取夜间稳态阶段,早高峰阶段,光化学反应阶段和晚高峰阶段等四个典型时段对HCHO的来源进行解析。NO₂作为HCHO的一次源指示物;同时作为光化学反应的中间产物,HCHO和CHOCHO生成机理具有相似性,因此以CHOCHO作为解析HCHO的二次源指示物,利用线性回归模型来源解析结果所得HCHO浓度与实际观测值具有较好的相关性,相关系数r为0.60～0.81,分析得出上海城区二次来源对环境HCHO浓度的贡献约为三分之一。     

2019年—2020年秋、冬季淮南市灰霾过程拉曼-米气溶胶雷达观测研究

拉曼-米气溶胶激光雷达因无需假设雷达比,而在准确测量气溶胶消光系数方面较传统米散射雷达更具优势。在合肥市的外场探空比对实验结果表明,2.5 km以下拉曼-米激光雷达反演的消光系数更为准确,相差可达0.04 km-1,且获取的水汽混合比廓线与探空数据一致性良好。利用该技术获得了2019年—2020年秋、冬季期间淮南市的气溶胶消光系数廓线和边界层高度等数据,进而对空气质量污染期间的污染类型（本地污染排放、传输型污染、传输型污染叠加本地污染累积）和颗粒物的时空演变特征进行了统计分析。结果显示该市在此期间受到20次细颗粒传输和8次沙尘传输影响。其中沙尘传输主要来自西北方向,由高空沉降至近地面（厚度达2 km以上）,平均大气边界层高度达1.23 km以上。在典型细颗粒传输过程中,边界层高度基本维持在1.1~1.2 km左右,近地面风向以西北风为主,少量东南风主导。在细颗粒传输叠加本地累积的复合污染过程中,边界层高度略低（平均高度在1.0 km左右）,近地面风向以偏北风为主,污染气团自低空出现后,其下沿高度持续降低并最终与近地面污染耦合。在细颗粒导致的重污染过程中,近地面水汽混合比及相对湿度数据与PM_2.5的浓度变化趋势一致性良好,说明颗粒物的吸湿性增长和气态污染物二次转化过程可能助推了PM_2.5的生成,加重污染形势。对边界层的统计结果表明,其高度变化对污染气团的沉降和近地面污染累积有十分明显的正相关性。秋冬季期间,该市的小时边界层高度大部分分布在1.6 km以下,平均为1.0 km左右,小时空气质量达重度污染期间,边界层高度普遍不足0.6 km。从气团后向轨迹模拟结果来看,该市空气质量为中度及以上污染期间的气流主要来自偏北方向,少量来自东南沿线,因而污染期间需要加强市区偏北方向污染源的管控,防止叠加影响。     

有限区域风场分解方法及其在台风SAOMEI研究中的应用

介绍了有限区域水平风场分解的调和-余弦计算方法,该方法把函数分成两部分之和.第一部分是Laplace方程在给定边界条件下的解,由于Laplace方程的解是调和函数,这个部分可称为调和部分,又因为其与区域内部值无关,也称外部部分.第二部分是原始函数与调和部分之差,这个函数是齐次边条件下Poisson方程的解,只与区域内部的涡度或散度有关,故称为内部部分,可以展开成双傅氏的余旋函数系列.调和-余弦计算方法的求导都是用谱系数进行,计算精度比常用的差分方法高两阶以上.而且,由于外部部分对应的边界条件物理意义清楚,边界光滑,成功克服了有限区域流函数和速度势迭代求解出现的计算不稳定、原始风场无法还原、边界上的系统缺失等问题,可以准确分解和重建有限区域的风场.利用NCEP/NCAR 1°×1°的实时分析资料和日本气象厅区域谱模式(RSM)20km分辨率的再分析资料,利用调和-余弦算法得到的无辐散风分量和无旋风分量,对2006年的8号超强台风“桑美"(SAOMEI)进行风场结构的比较分析.结果发现,低层无辐散风比原始风场与台风中心的对应关系更好;同时,无旋风分量能更好地显示原始风场上并不明显的低层辐合高层辐散的特征,大尺度无辐散风分量可以更清晰地显示出台风的水汽输送通道.从与台风中心的对应关系看,台风在海上发展阶段,SAOMEI台风的旋转中心与辐合中心并不是时时重合,这个特点只能通过风场分解才能得到.此外,SAOMEI登陆以后,南部洋面上发展起来的对流活动从水汽和能量补充方面都不利于SAOMEI的维持.可见,分解后的无辐散风场和无旋风场能更清楚地体现出SAOMEI的风场结构,在台风结构分析中有重要的推广应用价值. 关键词： 台风 水平风场分解 调和-余弦算法     

对合肥夏季臭氧的数值模拟：太阳辐射及其关联机制的作用

近年来许多城市的臭氧(O₃)污染问题日益突出。本文利用光谱辐射计MS-711对2018年7月份合肥市一处观测点的太阳辐射强度进行了连续观测,结合同时期的O₃监测浓度和数值模拟结果,对太阳辐射与O₃浓度的日变化关系以及O₃形成机制进行了深入分析。研究结果表明,合肥夏季O₃浓度峰值出现时间平均晚于太阳辐射强度峰值出现时间2～3 h,这种关联性与O₃的形成机制有关。从地面往上至1 km高度的大气中,O₃浓度随高度逐渐增加,夏季副高控制下对流抑制使得垂直扩散的平均效应将上层高浓度O₃空气输入近地面层,使得地面O₃浓度升高;而伴随降雨过程的暖湿抬升气流在近地面发生辐合起到了稀释作用,可能使得地面O₃浓度下降。O₃浓度的日变化是由太阳辐射直接驱动的光化学反应、干湿沉降和扩散传输等因素共同决定的。晴天O₃的积累首先来自光化学过程,雨天O     

东亚地区大气环流的季节划分及其时空变化特征

利用NCEP-DOE Reanalysis 2 1979-2009年位势高度场、温度场、湿度场和风场逐日再分析资料,采用考虑面积权重的区域多要素最优分割法,对东亚地区大气环流的季节进行划分,并分析了四季起始时间的时空变化特征.研究结果表明:1)东亚地区春季最早始于中高纬地区的平流层和副热带的对流层中下层;夏季最早始于中高纬的平流层和副热带、中纬度地区的对流层中上层;秋、冬季开始最早的地区集中在东亚地区东部和东北部的对流层中低层,以及中高纬的平流层. 2)季节变化与环流形势密切相关,且对流层各个层次的夏季和冬季起始时间的分布均有较好的垂直一致性,平流层与对流层各季节起始时间分布有较大的差异性,平流层中层和下层也并不一致. 3)华北地区四季平均起始时间距平序列的逐年演变特征表明近30年该地区出现了6个四季起始时间异常偏早的年份,与El Niño活跃年份相一致,反映了海温等外强迫对大气环流季节变化的影响. 关键词： 季节划分 东亚地区 区域多要素最优分割法     

风成海面的极化辐射

采用几何光学模型和统计的方法研究了风成海面的极化辐射特性.本文假设海面由一系列随 机分布的小镜面组成，海面对电磁波的散射可看作镜面的反射，风成海面的辐射是小镜面辐 射的统计平均.计算了前三个Stokes 参数，结果表明辐射亮温随方位的变化关系为余弦函数 ，周期为π；辐射亮温随方位角的变化幅度为几个Κ.风成海面的极化辐射特性提供了利用 被动微波遥感手段反演海洋风场的途径. 关键词： 极化 辐射 亮温 风成海面     

上甸子区域大气本底站NO2柱浓度光谱反演及其变化特征

为了探究京津冀本底浓度地区NO₂这一重要空气污染物的变化特征,采用多轴差分吸收光谱技术（MAX-DOAS）在上甸子区域大气本底站开展了太阳散射光谱观测以及NO₂柱浓度反演研究。在NO₂的405～430nm特征谱段进行了定量光谱解析,并通过几何近似法计算了2009年7～9月NO₂对流层垂直柱浓度（VCD_trop）。观测期间NO₂ VCD_trop平均值和最大值分别为5.43×1015和7.15×1016 molec·cm-2。NO₂ VCD_trop日均值浓度水平较低,但总体上有上升趋势。NO₂ VCD_trop变化过程与风速风向关系密切：西南风时风速越小NO₂ VCD_trop越低,东北风对NO₂ VCD_trop有扩散稀释作用。NO₂ VCD_trop日变化形态总体上呈现为中午时段低、早晚较高的特征,并且傍晚峰值比早间峰值略高。上甸子站NO₂ VCD_trop浓度水平和日变化幅度相比北京城区同期观测结果明显偏小。NO₂ VCD_trop变化特征与河北香河和固城等污染相对较轻站点观测到的变化特征相一致。总之,MAX-DOAS能够有效监测区域本底大气的NO₂ VCD_trop,其变化特征与工业和交通排放、大气光化学过程、大气传输等复杂因素有关,还需积累更多数据和深入研究。     

一种新型的多孔太阳墙采暖房

长江中下游地区很多建筑没有安装专门的供暖设备,传统的空调采暖增加了建筑能耗。利用太阳能和建筑物自身进行采暖,具有重要的意义和价值。本文提出了一种新型的多孔太阳墙采暖房,其核心部分多孔太阳墙是由多孔陶瓷构成。在晴朗的冬季,对多孔太阳墙采暖房的采暖性能进行了实验研究;研究重点检测了不同外界环境(主要是指太阳辐射照度和环境温度)下,多孔太阳墙采暖房的采暖及储热性能。研究表明:多孔太阳墙采暖房在白天大部分时间都具有较好的采暖效果,且采暖房内的温差较小;同时具有较好的储热性能。以实验测得的武汉地区1月某天的实验数据为例,相比环境温度,当天采暖房内最高温升为19.9℃。在07:00～16:00之间,采暖房的平均温升为11.5℃;在辐射强度较弱的16:00～18:00,采暖房的平均温升为6.6℃。在07:00～18:00之间,采暖房内最大温差为1.37℃,出现在12:40。     

基于车载多轴差分吸收光谱技术的武汉氮氧化物分布及排放研究

2020年2月29日至3月14日,针对疫情期间武汉的NO_x污染问题,本文采用车载MAX-DOAS和便携式紫外DOAS对武汉三环的NO_x排放进行了协同观测。利用车载DOAS获取了走航沿线的NO₂柱浓度分布,结合便携式紫外DOAS测量的NO和NO₂浓度计算得到[NO_x]/[NO₂],然后耦合风场计算得到了武汉三环NO_x的排放通量及误差。结果表明:观测期间武汉三环NO_x的平均排放通量约为10.78 mol/s,最低为7.78 mol/s,最高为15.71 mol/s。相对于使用平均[NO_x]/[NO₂],采用便携式紫外DOAS测量的车载MAX-DOAS走航沿线的实时[NO_x]/[NO₂],可以有效降低[NO_x]/[NO₂]误差引起的NO_x通量误差,但该方法不推荐在有大...     

以觉华岛为例探究近海污染物的垂直分布特征及潜在来源

觉华岛是辽东湾最大的岛屿,研究其污染物浓度分布特征以及潜在来源对于认识近海污染物传输效应具有较强的代表性意义。该研究于2020年10月1日至2021年6月30日期间在觉华岛怪石滩(120.78°E, 40.48°N)基于多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)对大气气溶胶、二氧化氮(NO₂)和二氧化硫(SO₂)垂直廓线开展了连续监测,具体分析了不同海拔高度上污染物浓度的季节变化特征及潜在来源。通过将地基MAX-DOAS观测结果和TROPOMI卫星数据结果进行对比,发现两者变化趋势具有良好的一致性,相关系数可达0.82。观测结果表明,觉华岛地区污染物浓度具有明显的季节变化特征,具体表现在秋冬季节NO₂和SO₂的平均浓度值分别为14.5×10¹⁵与16.6×10¹⁶ molec·cm^-2,比春夏季分别高出约84%和88%。NO₂和SO₂垂直廓线结果显示秋冬季污染物具有明显的垂直分布和日变化特征,...     

基于多轴差分光学吸收光谱探测的北京春季气溶胶垂直廓线

气溶胶垂直廓线是评估污染物来源、输送等途径的必要手段。气溶胶污染对环境和人体健康带来直接的影响。该研究于2019年4-5月,利用中国科学院大气物理研究所（39.98°N,116.39°E）的地基多轴差分光学吸收光谱（MAX-DOAS）仪,对北京地区春季大气光谱垂直廓线进行了观测。凭借MAX-DOAS实时、在线、连续的观测优势,能有效的对气溶胶进行监测。MAX-DOAS基于最优估算法（OEM）以及最小二乘光谱拟合法,并以辐射传输模型SCIATRAN作为前向模型,利用海德堡廓线（HEIPRO）算法反演得到气溶胶消光系数的垂直廓线,通过对气溶胶消光系数在其路径的积分获得气溶胶光学厚度（AOD）。利用地基太阳光度计观测的AOD和高塔观测的颗粒物质量浓度垂直廓线,分别与MAX-DOAS观测的AOD和气溶胶消光系数垂直廓线进行对比,验证MAX-DOAS算法的适用性。研究结果表明,MAX-DOAS与太阳光度计观测AOD结果,相关系数为0.92,斜率为0.89。三层气溶胶消光系数与PM_2.5质量浓度的皮尔森相关系数从低处到高处分别达到0.69（60 m）,0.77（160 m）和0.75（280 m）。并且,将气溶胶平均消光系数和对应三层（60,160和280 m）的PM_2.5平均质量浓度对比,发现两者趋势一致。同样的,为了验证MAX-DOAS是否具备准确识别污染物的长距离输送的能力,我们通过Angstrom指数确定沙尘天气,通过计算梯度理查森数和边界层高度确定静稳天气,分析了在特殊天气条件下,MAX-DOAS能够对沙尘和静稳天气做出及时、准确的响应。分析气溶胶平均消光系数,发现气溶胶垂直廓线随高度升高呈现指数衰减变化的趋势,并且气溶胶消光系数均值在1.5 km高度处约为近地面的50%左右,而在1.5 km以上消光系数会随着高度的增加而快速减小。当高度达到2 km左右时,气溶胶消光系数均值下降到了0.1 km-1。以上结果表明MAX-DOAS探测大气气溶胶垂直廓线具有较高的适用性。     

基于跨平台红外高光谱观测的对流层三维风场测量

精确的风场数据对提高数值天气预报准确性具有重要意义,对流层风是改进天气预报的要素之一。虽然利用气象卫星成像仪对连续云图追踪特征目标进行导风是一种有效的风场观测方法,且在区域和全球尺度上改善了数值天气预报,但仍存在风场高度分配模糊问题而产生误差。星基红外高光谱探测仪具备大气温湿度廓线垂直探测能力,通过分析各个垂直分层内的大气参数运动得到三维风场,能够提升风场垂直高度的准确性,改进风场高度分配模糊问题。提出了利用跨平台极轨气象卫星FY-3D星红外高光谱大气探测仪HIRAS和NOAA-20星跨轨红外探测仪CrIS交叉观测对流层三维风场的创新方法,根据两仪器近重叠轨道星下点交叉观测辐射数据匹配水汽通道图像,通过稠密光流法分析目标运动变化并计算风场,对风矢量进行质量控制后同ERA-Interim再分析资料作定量化比较,分析风速均值绝对偏差、均方根误差和风向均值绝对偏差。分别对2019年2月20日UTC世界时00:00,06:00,12:00的HIRAS和CrIS交叉数据计算200,300,400,600,650和1 000 hPa六组垂直高度风场,结果表明,风速范围的变化趋势与再分析资料表现一致,风速范围随高度降低而减小,高层对20 m·s-1以上风速更敏感,地表附近测得风速集中在10 m·s-1以内。风速均值绝对偏差多数小于3 m·s-1,最大不超过4 m·s-1,风速均方根误差多数小于3.5 m·s-1,最大不超过4.5 m·s-1,风向均值绝对偏差多数小于30°,最大不超过40°。风场误差主要来自仪器自身设计参数不同引入辐射数据的观测偏差,以及因数据空间分辨率不同导致在图像重投影处理过程中引入的定位偏差。