2010年第一课题年总结报告-中层大气和全球环境探测重点试验室

第一篇：2010年第一课题年总结报告-中层大气和全球环境探测重点试验室

国家重点基础研究发展计划（973计划）

2010年度课题总结报告

项目名称：平流层大气基本过程及其在东亚气候与天气变化中的作用 课题名称：东亚地区平流层过程与结构的探测 课题编号：2010CB428601 起止年月：2010年1月-2014年8月 课题组长：吕达仁

邮件地址：北京市9804信箱中科院大气物理研究所100029 联系电话：010-82995064 电子邮件：ludr@mail.iap.ac.cn 承担单位：中国科学院大气物理研究所/中国科学技术大学

2010年12月15日

一、年度计划执行情况

1、计划完成情况

1.1 课题前两年研究任务

当前平流层过程及其天气气候作用研究的前沿问题是获得对该层大气过程的实际认识。通过地基多要素探空、组网观测和典型过程的加强观测，收集最新平流层卫星资料，改进与发展反演方法，进行地基验证，形成东亚平流层大气物理、化学、动力的最新完整数据集，这也是整个项目研究的数据基础。围绕上述关键科学问题，前两年课题任务计划主要集中在以下三个方面：

（1）开展平流层高垂直分辨地基组网连续观测和典型天气过程期间的加强观测实验。在北京开展连续两年的垂直高分辨率臭氧探空观测，每周至少施放一次臭氧探空；在合肥地区进行连续的激光雷达观测，获取上对流层-下平流层（UTLS）多要素垂直结构资料；2012年始在北京和武汉进行VHF雷达风和湍流廓线的连续观测。拟在东北长春地区和青藏高原拉萨两地典型天气过程（东北春末夏初季冷涡与青藏高原夏季强对流活动）期间，开展4～5个加强期的综合观测，包括大气臭氧和水汽同步探空观测，并配合平流层气球平飘和下投探空观测；每个加强期持续时间约2～3周，每天施放1个臭氧和水汽联合探空仪，每期施放平流层平飘气球探空2～3次；东北冷涡探空实验拟在2011～2012年5～6月进行，高原实验计划在2011～2013年6～8月进行。同时收集东亚地区常规气象资料和L-波段高垂直分辨率探空资料。

（2）进行平流层卫星观测资料的收集、验证和反演算法改进。收集集成最新的平流层卫星观测资料（包括OMI、AIRS、COSMIC和MLS的温度和多种大气成分），用地基观测资料开展东亚地区的验证，进而改进和发展卫星反演方法与算法。

（3）进行东亚地区平流层观测资料的集成与融合。集成东亚地区平流层地基组网连续观测、典型天气过程加强观测、卫星遥感观测、国内L波段探空高垂直分辨率资料以及其他有关资料，进行东亚地区平流层多源资料的处理、融合和初步再分析，建立比较完整的东亚地区平流层大气过程多要素高分辨率数据集，特别是提供东亚地区几种典型天气过程时平流层高时空分辨率演变资料。为 2 东亚平流层大气典型过程和区域特征的研究提供资料，也为数值模式模拟提供初值与验证资料。

1.2 2010年开展的主要研究工作

2010年作为项目启动年，研究的主要工作集中在：

（1）数据收集、准备和整理

 收集探空资料  收集卫星资料（2）野外实验

 华北臭氧垂直结构的准业务观测

 春末夏初东北低涡天气系统中平流层-对流层交换过程的加强观测  夏季亚洲季风区上对流层/下平流层臭氧、水汽联合探空加强观测（3）平流层雷达的改造与升级

 北京香河ST雷达的升级改造  西藏羊八井激光雷达的建设

（4）平流层-对流层交换典型天气过程的初步统计分析

 东北低涡的统计分析  我国强对流个例的选取2、2010年研究工作的主要进展

2.1 数据收集、准备和整理 地面站资料：

 数据集名称：中国东部地面站

 数据主要内容：地面和标准层温、压、风  数据格式：Micaps  空间覆盖范围：中国东部降水个例相应地区  空间分辨率：站点分布密度， 时间：地面站逐日4次 高空站资料

 数据集名称：中国东部高空站资料  数据主要内容：温度廓线和湿度廓线  数据格式：Micaps  空间覆盖范围：中国东部降水个例相应地区  空间分辨率：站点分布密度， 时间：高空站逐日2次

合肥风廓线资料

 测量范围：水平风速：0-60m/s；垂直风速：5m/s；风向：0～360度  探测精度：水平风速：1.0m/s（0-6m/s），1.5m/s（6m/s）；垂直风速：0.1m/s（-1~1m/s），0.2m/s（-1m/s或1m/s）；风向：5度  时间分辨率：6分钟  风向分辨率：1度  风速分辨率：0.1m/s TRMM卫星资料

1）测雨雷达资料（2A25）

 数据集名称：TRMM卫星测雨雷达逐轨标准降水资料（2A25） 数据主要内容：测雨雷达的轨道降水率廓线 2）微波成像仪资料（1B11）

 数据集名称：TRMM卫星微波成像仪逐轨标准亮温资料（1B11） 数据主要内容：微波成像仪的逐轨9通道亮温资料 3）可见光/红外资料（1B01）

 数据集名称：TRMM卫星可见光/红外扫描仪标准资料（1B01） 数据主要内容：可见光/红外扫描仪的逐轨5通道辐射率及亮温资料 4）闪电成像仪资料（LIS）

 数据集名称：TRMM卫星闪电成像仪标准资料（LIS） 数据主要内容：闪电事件数、族数、闪电能量

AIRS与AMSU联合反演资料 1）标准物理参数反演数据（AIRX2RET.005）

 数据集名称：AIRS与AMSU联合反演的标准物理参数数据（AIRX2RET.005）

 数据主要内容：被反演的物理参数（一氧化碳、对流层臭氧、位势高度、对流层顶、碳氢气温、大气温度、可降水量、水汽、云量、云顶气压、地表温度、地表发射率、海表温度等）廓线数据  数据格式：HDF  空间覆盖范围：全球

 空间分辨率：水平分辨率为50×50km，垂直分辨率按气压分28层 2）反演数据(AIRX2SUP.005) 数据集名称：AIRS与AMSU联合反演的支撑物理参数数据（AIRX2SUP.005）

 数据主要内容：AIRX2RET.005所包含的被反演的物理参数（一氧化碳、对流层臭氧、位势高度、对流层顶、碳氢化合物、向外长波辐射、地表气温、大气温度、可降水量、水汽、云量、云顶气压、地表温度、地表发射率、海表温度等）及一些中间输出反演参数（硫化物、降水率等）廓线数据  数据格式：HDF  空间覆盖范围：全球

 空间分辨率：水平分辨率为50×50km，垂直分辨率按气压分28层

AMSRE 与CPR（测云雷达）匹配资料

 数据集名称：AMSRE 与CPR匹配的降水资料(AMSRERR_CPR.002) 数据主要内容：沿CPR路径的，基于AMSRE探测结果反演的降水数据  数据格式：HDF  空间覆盖范围：全球  空间分辨率：5.4×5.4km CPR及其与MODIS-Aqua匹配资料

1）CPR和MODIS匹配的辐射率数据（MAC021S1.002）

 数据集名称：CPR和MODIS匹配的宽轨辐射率数据（MAC021S1.002） 数据主要内容：沿CPR路径的MODIS多通道辐射率数据  数据格式：HDF  空间覆盖范围：全球  空间分辨率：1×1km 2）CPR和MODIS匹配的水汽数据（MAC05S1.002）

 数据集名称：CPR和MODIS匹配的宽轨水汽反演数据（MAC05S1.002） 数据主要内容：沿CPR路径的MODIS水汽反演数据  数据格式：HDF  空间覆盖范围：全球  空间分辨率：1×1km 3）CPR和MODIS匹配的云参数数据（MAC06S1.002）

 数据集名称：CPR和MODIS匹配的宽轨云参数反演数据（MAC06S1.002） 数据主要内容：沿CPR路径的MODIS云参数（云量、云发射率、云水、云冰、光学厚度、云反射率、云顶气压、云顶温度、云滴密度、云滴尺寸）反演数据  数据格式：HDF  空间覆盖范围：全球  空间分辨率：1×1km 4）CPR和MODIS匹配的温度和水汽廓线数据（MAC07S1.002）

 数据集名称：CPR和MODIS匹配的宽轨温度和水汽廓线反演数据（MAC07S1.002）

 数据主要内容：沿CPR路径的大气参数（氧、大气稳定度、气温、露点温度、水汽、相对湿度，温度和水汽廓线）反演数据  数据格式：HDF  空间覆盖范围：全球  空间分辨率：5×5km MLS（The Microwave Limb Sounder）日资料

 数据集名称：Aura卫星搭载的MLS多种化合物廓线逐日反演数据（ML2*.002，*表示不同的化合物或大气参数） 数据主要内容：由MLS反演获得的多种化合物（BrO、CH3CN、CIO、CO、H2O、HCL、HCN、HNO3、HO2、HOCL、N2O、O3、OH、SO2）混合比及相关大气参数（位势高度、云冰、温度、相对湿度）廓线数据  数据格式：HDF  空间覆盖范围：全球

 空间分辨率：垂直分辨率为6km OMI(The Ozone Monitoring Instrument)日资料

 数据集名称：Aura卫星搭载的OMI多参数全球逐日格点反演数据（OM*.003，*表示不同的大气参数）

 数据主要内容：由OMI反演获得的多种大气参数（多波段的气溶胶光学厚度和单次散射反照率、近紫外波段气溶胶消光系数和光学厚度、臭氧、NO2、地表反射率、云量）的全球逐日格点数据  数据格式：HDF  空间覆盖范围：全球

 空间分辨率：水平分辨率从0.25°×0.25°到1°×1°

2.2 融合资料方法和初步结果

 面到面的融合——格点化（0.5deg）后对应  面到线的融合——距离权重法（保持线的分辨率） 卫星资料与再分析资料融合

2.3 个例选取与天气形势

（1）2006年06月29日 黄淮之间强对流天气。安徽北部和中部强雷爆、大风（极值32m/s）、龙卷（2死4伤）和短时暴雨。

（2）2007年04月14-18日 南方地区两次强对流天气过程。14个省（市、区）遭受雷雨、大风、冰雹等袭击。

（3）2007年08月01-02日 江苏北部强对流天气过程。南通、徐州等10个市的22个县（市、区）的部分地区相继遭受龙卷风、冰雹和暴风雨灾害。

7（4）2008年04月08日 长江下游地区强对流天气过程。安徽南部、江西北部、浙江北部、上海出现雷雨大风天气，浙江北部还出现了冰雹。

（5）2008年06月03日 河南、湖北、湖南、安徽、江苏等省部分地区遭受雷雨大风、冰雹袭击。

（6）2009年06月05日 安徽 大风冰雹 上海冰雹 江苏冰雹 伴随雷雨大风。

（7）2009年06月14日 安徽 大风冰雹 河南冰雹 大风 江苏冰雹 伴随雷雨大风。

（8）2008年04月08日 长江下游地区强对流天气过程。安徽南部、江西北部、浙江北部、上海出现雷雨大风天气，浙江北部还出现了冰雹。

（9）2009年7月16日下午黑龙江省绥化市中南部的一次冰雹、雷雨大风、强降水等灾害性强对流天气。

（10）2010年6月14日，辽宁省遭受冰雹袭击。

2.4 在长春开展平流层-对流层大气交换过程观测实验

东北冷涡是造成东北地区低温冷害、持续阴雨洪涝、冰雹和雷雨大风等突发性强对流天气的重要天气系统，对东北地区的天气气候有重大影响。在东北冷涡活动期间，平流层空气会通过对流层顶折叠等过程侵入到对流层，从而造成平流层-对流层大气物质的交换，影响对流层大气成分的分布。为了获取东北冷涡系统中平流层空气下侵过程的观测事实，本项目于2010年5月至6月在吉林省长春市开展了为期五周的野外观测实验。主要观测项目有：臭氧探空、小球探空、下投探空、地面大气成分（SO2、NOx、CO、O3）、气溶胶光学厚度、全天空成像仪、边界层风廓线雷达等。6月19日-23日在一次东北冷涡过程中，联合吉林省人影办和长春市大气探测中心等有关单位在东北六个站点开展了为期5天的加强期观测，每天施放4次常规探空，2次臭氧探空，此外还在北京开展臭氧加密探空。此次实验获取了大量的观测结果，为平流层973项目下一步开展有关研究工作提供了事实依据。

2.5

亚洲夏季风UTLS区域水汽-臭氧联合探空实验（POTALA）2010年8月15日-30日，本项目在拉萨市开展了亚洲夏季风上对流层/下平流层区域水汽-臭氧联合探空实验（Project for Ozone and waTer vapor in Asian summer anticyclone at LhasA，简称POTALA）。本次实验目的是获得亚洲夏季风南亚高压控制下大气成分分布的观测事实，从而为理解亚洲夏季风在对流层大气成分向全球平流层输送中的作用提供事实依据。亚洲是目前世界上经济发展最快的地区，也是世界人口最集中的地区。该地区经济快速发展所带来的区域气候环境问题以及对全球气候环境的可能影响成为科学界关注的一个重要课题。亚洲夏季风区域是对流层低层水汽和污染物进入平流层的一个重要通道，其中青藏高原由于高大地形的作用因而在其中具有非常重要的作用。由于亚洲地区经济快速发展产生了大量污染物，这些污染物通过该通道进入平流层后对臭氧层的破坏以及全球气候环境的影响，成为目前国际科学界关注的热点问题。目前此方面的研究主要依赖于卫星观测和数值模拟，缺乏现场观测资料。POTALA实验的开展将大大促进该研究领域的快速发展。此次实验总共施放水汽-臭氧联合探空12次，其中3次还搭载了探测卷云的COBALD探测仪。

3、学生培养

毕业博士：宋磊；指导教师：吕达仁

毕业硕士：毕永恒；指导教师：吕达仁，段树

万霞；指导教师：吕达仁

博士后出站：韩永；合作导师：吕达仁

4、国内、国际合作情况

4.1 国内科技合作与学术交流

（1）吕达仁、陈洪滨、郄秀书、潘蔚林、宣越健、郭霞、王雨等2010年11月7-11日参加在成都召开的“第十三届地球环境和气候变化探测与过程研究研讨会”（13th workshop on global Environment and Climate change Monitoring And Process Study: ECMAPS 2010 Chengdu）

4.2

出席国际会议（2）吕达仁、陈洪滨2010年9月12-16日在北京参加中美“青藏高原地区地表-对流层-平流层之间大气物质和能量输送及其对全球气候影响”学术研讨会。

（3）吕达仁、陈洪滨、郄秀书2010年7月21-23日在拉萨参加“亚洲夏季风及其在全球平流层-对流层交换中的作用”（ASM-STE）国际研讨会，口头报告：“Some preliminary results of ozonesonde observations of the UTLS in Changchun, Northeast China”、“Thunderstorm and lightning activity over the Tibetan Plateau”、“Introduction to China National key project: Eastern Asian SPARC”。

二、项目执行过程中存在的问题及其对策。

2010年11月24日至26日，本课题“东亚地区平流层过程与结构的探测”与项目第二课题“上对流层／下平流层大气过程及其对大气成分分布的影响”在南京联合召开2010年度课题总结和交流会。在南京召开两个课题组的组长、课题骨干以及相关专家参加了此次会议。参加项目的两个课题组长、各个课题骨干和相关专家对于每个报告都进行了卓有成效的探讨。所有报告完毕之后，专家们还就项目的整体情况进行了深入交流。通过交流，专家们对明年的工作提出了建议：一是希望建立一个能够使各课题畅通交流的平台；二是要尽量使用现有资料，把资料价值最大化；三是对于最新的资料要加快分析；四是注意资料的时效性。通过交流研讨看到了很多好的发展势头，但也看到了压力，两个课题还需继续加深探讨，以期在某些方向上能够取得更好的成果。现有的一些研究内容和研究工作与课题的科研任务结合不是很紧密，没有解决项目提出来的科学问题。

三、下年度研究工作计划和进度安排。

2011年是项目的中期评估年，课题将开展以下工作：  在北京继续开展臭氧探空观测。

 开展2个加强期多站探空综合观测。（1）5～6月东北冷涡活跃期间，在长春和北京进行为期2～3周的加密臭氧探空，施放2～3只平流层平飘探测气球；结合常规气象探空和卫星资料，获取至少一次典型东北冷涡 天气过程时平流层多要素随天气过程演变的三维结构资料。（2）7～8月在拉萨探空站开展为期2周的臭氧和水汽联合探空观测试验，对卫星遥感资料进行验证。

 制定下一期（2012年始）探测方案，以及多要素探空、平流层激光雷达、ST雷达和卫星遥感的综合观测计划。

 进行综合观测与其他卫星资料的质量控制处理和初步分析；对多源数据进行整编和融合。 完成课题中期验收总结。