第一篇：2010年第一課題年總結報告-中層大氣和全球環境探測重點試驗室

國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）

2010年度課題總結報告

項目名稱：平流層大氣基本過程及其在東亞氣候與天氣變化中的作用 課題名稱：東亞地區平流層過程與結構的探測 課題編號：2010CB428601 起止年月：2010年1月-2014年8月 課題組長：呂達仁

郵件地址：北京市9804信箱中科院大氣物理研究所100029 聯系電話：010-82995064 電子郵件：ludr@mail.iap.ac.cn 承擔單位：中國科學院大氣物理研究所/中國科學技術大學

2010年12月15日

一、年度計劃執行情況

1、計劃完成情況

1.1 課題前兩年研究任務

當前平流層過程及其天氣氣候作用研究的前沿問題是獲得對該層大氣過程的實際認識。通過地基多要素探空、組網觀測和典型過程的加強觀測，收集最新平流層衛星資料，改進與發展反演方法，進行地基驗證，形成東亞平流層大氣物理、化學、動力的最新完整數據集，這也是整個項目研究的數據基礎。圍繞上述關鍵科學問題，前兩年課題任務計劃主要集中在以下三個方面：

（1）開展平流層高垂直分辨地基組網連續觀測和典型天氣過程期間的加強觀測實驗。在北京開展連續兩年的垂直高分辨率臭氧探空觀測，每周至少施放一次臭氧探空；在合肥地區進行連續的激光雷達觀測，獲取上對流層-下平流層（UTLS）多要素垂直結構資料；2012年始在北京和武漢進行VHF雷達風和湍流廓線的連續觀測。擬在東北長春地區和青藏高原拉薩兩地典型天氣過程（東北春末夏初季冷渦與青藏高原夏季強對流活動）期間，開展4～5個加強期的綜合觀測，包括大氣臭氧和水汽同步探空觀測，并配合平流層氣球平飄和下投探空觀測；每個加強期持續時間約2～3周，每天施放1個臭氧和水汽聯合探空儀，每期施放平流層平飄氣球探空2～3次；東北冷渦探空實驗擬在2011～2012年5～6月進行，高原實驗計劃在2011～2013年6～8月進行。同時收集東亞地區常規氣象資料和L-波段高垂直分辨率探空資料。

（2）進行平流層衛星觀測資料的收集、驗證和反演算法改進。收集集成最新的平流層衛星觀測資料（包括OMI、AIRS、COSMIC和MLS的溫度和多種大氣成分），用地基觀測資料開展東亞地區的驗證，進而改進和發展衛星反演方法與算法。

（3）進行東亞地區平流層觀測資料的集成與融合。集成東亞地區平流層地基組網連續觀測、典型天氣過程加強觀測、衛星遙感觀測、國內L波段探空高垂直分辨率資料以及其他有關資料，進行東亞地區平流層多源資料的處理、融合和初步再分析，建立比較完整的東亞地區平流層大氣過程多要素高分辨率數據集，特別是提供東亞地區幾種典型天氣過程時平流層高時空分辨率演變資料。為 2 東亞平流層大氣典型過程和區域特征的研究提供資料，也為數值模式模擬提供初值與驗證資料。

1.2 2010年開展的主要研究工作

2010年作為項目啟動年，研究的主要工作集中在：

（1）數據收集、準備和整理

? 收集探空資料 ? 收集衛星資料（2）野外實驗

? 華北臭氧垂直結構的準業務觀測

? 春末夏初東北低渦天氣系統中平流層-對流層交換過程的加強觀測 ? 夏季亞洲季風區上對流層/下平流層臭氧、水汽聯合探空加強觀測（3）平流層雷達的改造與升級

? 北京香河ST雷達的升級改造 ? 西藏羊八井激光雷達的建設

（4）平流層-對流層交換典型天氣過程的初步統計分析

? 東北低渦的統計分析 ? 我國強對流個例的選取2、2010年研究工作的主要進展

2.1 數據收集、準備和整理 地面站資料：

? 數據集名稱：中國東部地面站

? 數據主要內容：地面和標準層溫、壓、風 ? 數據格式：Micaps ? 空間覆蓋范圍：中國東部降水個例相應地區 ? 空間分辨率：站點分布密度，? 時間：地面站逐日4次 高空站資料

? 數據集名稱：中國東部高空站資料 ? 數據主要內容：溫度廓線和濕度廓線 ? 數據格式：Micaps ? 空間覆蓋范圍：中國東部降水個例相應地區 ? 空間分辨率：站點分布密度，? 時間：高空站逐日2次

合肥風廓線資料

? 測量范圍：水平風速：0-60m/s；垂直風速：5m/s；風向：0～360度 ? 探測精度：水平風速：1.0m/s（0-6m/s），1.5m/s（6m/s）；垂直風速：0.1m/s（-1~1m/s），0.2m/s（-1m/s或1m/s）；風向：5度 ? 時間分辨率：6分鐘 ? 風向分辨率：1度 ? 風速分辨率：0.1m/s TRMM衛星資料

1）測雨雷達資料（2A25）

? 數據集名稱：TRMM衛星測雨雷達逐軌標準降水資料（2A25）? 數據主要內容：測雨雷達的軌道降水率廓線 2）微波成像儀資料（1B11）

? 數據集名稱：TRMM衛星微波成像儀逐軌標準亮溫資料（1B11）? 數據主要內容：微波成像儀的逐軌9通道亮溫資料 3）可見光/紅外資料（1B01）

? 數據集名稱：TRMM衛星可見光/紅外掃描儀標準資料（1B01）? 數據主要內容：可見光/紅外掃描儀的逐軌5通道輻射率及亮溫資料 4）閃電成像儀資料（LIS）

? 數據集名稱：TRMM衛星閃電成像儀標準資料（LIS）? 數據主要內容：閃電事件數、族數、閃電能量

AIRS與AMSU聯合反演資料 1）標準物理參數反演數據（AIRX2RET.005）

? 數據集名稱：AIRS與AMSU聯合反演的標準物理參數數據（AIRX2RET.005）

? 數據主要內容：被反演的物理參數（一氧化碳、對流層臭氧、位勢高度、對流層頂、碳氫氣溫、大氣溫度、可降水量、水汽、云量、云頂氣壓、地表溫度、地表發射率、海表溫度等）廓線數據 ? 數據格式：HDF ? 空間覆蓋范圍：全球

? 空間分辨率：水平分辨率為50×50km，垂直分辨率按氣壓分28層 2）反演數據(AIRX2SUP.005)? 數據集名稱：AIRS與AMSU聯合反演的支撐物理參數數據（AIRX2SUP.005）

? 數據主要內容：AIRX2RET.005所包含的被反演的物理參數（一氧化碳、對流層臭氧、位勢高度、對流層頂、碳氫化合物、向外長波輻射、地表氣溫、大氣溫度、可降水量、水汽、云量、云頂氣壓、地表溫度、地表發射率、海表溫度等）及一些中間輸出反演參數（硫化物、降水率等）廓線數據 ? 數據格式：HDF ? 空間覆蓋范圍：全球

? 空間分辨率：水平分辨率為50×50km，垂直分辨率按氣壓分28層

AMSRE 與CPR（測云雷達）匹配資料

? 數據集名稱：AMSRE 與CPR匹配的降水資料(AMSRERR_CPR.002)? 數據主要內容：沿CPR路徑的，基于AMSRE探測結果反演的降水數據 ? 數據格式：HDF ? 空間覆蓋范圍：全球 ? 空間分辨率：5.4×5.4km CPR及其與MODIS-Aqua匹配資料

1）CPR和MODIS匹配的輻射率數據（MAC021S1.002）

? 數據集名稱：CPR和MODIS匹配的寬軌輻射率數據（MAC021S1.002）? 數據主要內容：沿CPR路徑的MODIS多通道輻射率數據 ? 數據格式：HDF ? 空間覆蓋范圍：全球 ? 空間分辨率：1×1km 2）CPR和MODIS匹配的水汽數據（MAC05S1.002）

? 數據集名稱：CPR和MODIS匹配的寬軌水汽反演數據（MAC05S1.002）? 數據主要內容：沿CPR路徑的MODIS水汽反演數據 ? 數據格式：HDF ? 空間覆蓋范圍：全球 ? 空間分辨率：1×1km 3）CPR和MODIS匹配的云參數數據（MAC06S1.002）

? 數據集名稱：CPR和MODIS匹配的寬軌云參數反演數據（MAC06S1.002）? 數據主要內容：沿CPR路徑的MODIS云參數（云量、云發射率、云水、云冰、光學厚度、云反射率、云頂氣壓、云頂溫度、云滴密度、云滴尺寸）反演數據 ? 數據格式：HDF ? 空間覆蓋范圍：全球 ? 空間分辨率：1×1km 4）CPR和MODIS匹配的溫度和水汽廓線數據（MAC07S1.002）

? 數據集名稱：CPR和MODIS匹配的寬軌溫度和水汽廓線反演數據（MAC07S1.002）

? 數據主要內容：沿CPR路徑的大氣參數（氧、大氣穩定度、氣溫、露點溫度、水汽、相對濕度，溫度和水汽廓線）反演數據 ? 數據格式：HDF ? 空間覆蓋范圍：全球 ? 空間分辨率：5×5km MLS（The Microwave Limb Sounder）日資料

? 數據集名稱：Aura衛星搭載的MLS多種化合物廓線逐日反演數據（ML2*.002，*表示不同的化合物或大氣參數）? 數據主要內容：由MLS反演獲得的多種化合物（BrO、CH3CN、CIO、CO、H2O、HCL、HCN、HNO3、HO2、HOCL、N2O、O3、OH、SO2）混合比及相關大氣參數（位勢高度、云冰、溫度、相對濕度）廓線數據 ? 數據格式：HDF ? 空間覆蓋范圍：全球

? 空間分辨率：垂直分辨率為6km OMI(The Ozone Monitoring Instrument)日資料

? 數據集名稱：Aura衛星搭載的OMI多參數全球逐日格點反演數據（OM*.003，*表示不同的大氣參數）

? 數據主要內容：由OMI反演獲得的多種大氣參數（多波段的氣溶膠光學厚度和單次散射反照率、近紫外波段氣溶膠消光系數和光學厚度、臭氧、NO2、地表反射率、云量）的全球逐日格點數據 ? 數據格式：HDF ? 空間覆蓋范圍：全球

? 空間分辨率：水平分辨率從0.25°×0.25°到1°×1°

2.2 融合資料方法和初步結果

? 面到面的融合——格點化（0.5deg）后對應 ? 面到線的融合——距離權重法（保持線的分辨率）? 衛星資料與再分析資料融合

2.3 個例選取與天氣形勢

（1）2006年06月29日 黃淮之間強對流天氣。安徽北部和中部強雷爆、大風（極值32m/s）、龍卷（2死4傷）和短時暴雨。

（2）2007年04月14-18日 南方地區兩次強對流天氣過程。14個省（市、區）遭受雷雨、大風、冰雹等襲擊。

（3）2007年08月01-02日 江蘇北部強對流天氣過程。南通、徐州等10個市的22個縣（市、區）的部分地區相繼遭受龍卷風、冰雹和暴風雨災害。

7（4）2008年04月08日 長江下游地區強對流天氣過程。安徽南部、江西北部、浙江北部、上海出現雷雨大風天氣，浙江北部還出現了冰雹。

（5）2008年06月03日 河南、湖北、湖南、安徽、江蘇等省部分地區遭受雷雨大風、冰雹襲擊。

（6）2009年06月05日 安徽 大風冰雹 上海冰雹 江蘇冰雹 伴隨雷雨大風。

（7）2009年06月14日 安徽 大風冰雹 河南冰雹 大風 江蘇冰雹 伴隨雷雨大風。

（8）2008年04月08日 長江下游地區強對流天氣過程。安徽南部、江西北部、浙江北部、上海出現雷雨大風天氣，浙江北部還出現了冰雹。

（9）2009年7月16日下午黑龍江省綏化市中南部的一次冰雹、雷雨大風、強降水等災害性強對流天氣。

（10）2010年6月14日，遼寧省遭受冰雹襲擊。

2.4 在長春開展平流層-對流層大氣交換過程觀測實驗

東北冷渦是造成東北地區低溫冷害、持續陰雨洪澇、冰雹和雷雨大風等突發性強對流天氣的重要天氣系統，對東北地區的天氣氣候有重大影響。在東北冷渦活動期間，平流層空氣會通過對流層頂折疊等過程侵入到對流層，從而造成平流層-對流層大氣物質的交換，影響對流層大氣成分的分布。為了獲取東北冷渦系統中平流層空氣下侵過程的觀測事實，本項目于2010年5月至6月在吉林省長春市開展了為期五周的野外觀測實驗。主要觀測項目有：臭氧探空、小球探空、下投探空、地面大氣成分（SO2、NOx、CO、O3）、氣溶膠光學厚度、全天空成像儀、邊界層風廓線雷達等。6月19日-23日在一次東北冷渦過程中，聯合吉林省人影辦和長春市大氣探測中心等有關單位在東北六個站點開展了為期5天的加強期觀測，每天施放4次常規探空，2次臭氧探空，此外還在北京開展臭氧加密探空。此次實驗獲取了大量的觀測結果，為平流層973項目下一步開展有關研究工作提供了事實依據。

2.5

亞洲夏季風UTLS區域水汽-臭氧聯合探空實驗（POTALA）2010年8月15日-30日，本項目在拉薩市開展了亞洲夏季風上對流層/下平流層區域水汽-臭氧聯合探空實驗（Project for Ozone and waTer vapor in Asian summer anticyclone at LhasA，簡稱POTALA）。本次實驗目的是獲得亞洲夏季風南亞高壓控制下大氣成分分布的觀測事實，從而為理解亞洲夏季風在對流層大氣成分向全球平流層輸送中的作用提供事實依據。亞洲是目前世界上經濟發展最快的地區，也是世界人口最集中的地區。該地區經濟快速發展所帶來的區域氣候環境問題以及對全球氣候環境的可能影響成為科學界關注的一個重要課題。亞洲夏季風區域是對流層低層水汽和污染物進入平流層的一個重要通道，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。由于亞洲地區經濟快速發展產生了大量污染物，這些污染物通過該通道進入平流層后對臭氧層的破壞以及全球氣候環境的影響，成為目前國際科學界關注的熱點問題。目前此方面的研究主要依賴于衛星觀測和數值模擬，缺乏現場觀測資料。POTALA實驗的開展將大大促進該研究領域的快速發展。此次實驗總共施放水汽-臭氧聯合探空12次，其中3次還搭載了探測卷云的COBALD探測儀。

3、學生培養

畢業博士：宋磊；指導教師：呂達仁

畢業碩士：畢永恒；指導教師：呂達仁，段樹

萬霞；指導教師：呂達仁

博士后出站：韓永；合作導師：呂達仁

4、國內、國際合作情況

4.1 國內科技合作與學術交流

（1）呂達仁、陳洪濱、郄秀書、潘蔚林、宣越健、郭霞、王雨等2010年11月7-11日參加在成都召開的“第十三屆地球環境和氣候變化探測與過程研究研討會”（13th workshop on global Environment and Climate change Monitoring And Process Study: ECMAPS 2010 Chengdu）

4.2

出席國際會議（2）呂達仁、陳洪濱2010年9月12-16日在北京參加中美“青藏高原地區地表-對流層-平流層之間大氣物質和能量輸送及其對全球氣候影響”學術研討會。

（3）呂達仁、陳洪濱、郄秀書2010年7月21-23日在拉薩參加“亞洲夏季風及其在全球平流層-對流層交換中的作用”（ASM-STE）國際研討會，口頭報告：“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、項目執行過程中存在的問題及其對策。

2010年11月24日至26日，本課題“東亞地區平流層過程與結構的探測”與項目第二課題“上對流層／下平流層大氣過程及其對大氣成分分布的影響”在南京聯合召開2010年度課題總結和交流會。在南京召開兩個課題組的組長、課題骨干以及相關專家參加了此次會議。參加項目的兩個課題組長、各個課題骨干和相關專家對于每個報告都進行了卓有成效的探討。所有報告完畢之后，專家們還就項目的整體情況進行了深入交流。通過交流，專家們對明年的工作提出了建議：一是希望建立一個能夠使各課題暢通交流的平臺；二是要盡量使用現有資料，把資料價值最大化；三是對于最新的資料要加快分析；四是注意資料的時效性。通過交流研討看到了很多好的發展勢頭，但也看到了壓力，兩個課題還需繼續加深探討，以期在某些方向上能夠取得更好的成果。現有的一些研究內容和研究工作與課題的科研任務結合不是很緊密，沒有解決項目提出來的科學問題。

三、下年度研究工作計劃和進度安排。

2011年是項目的中期評估年，課題將開展以下工作： ? 在北京繼續開展臭氧探空觀測。

? 開展2個加強期多站探空綜合觀測。（1）5～6月東北冷渦活躍期間，在長春和北京進行為期2～3周的加密臭氧探空，施放2～3只平流層平飄探測氣球；結合常規氣象探空和衛星資料，獲取至少一次典型東北冷渦 天氣過程時平流層多要素隨天氣過程演變的三維結構資料。（2）7～8月在拉薩探空站開展為期2周的臭氧和水汽聯合探空觀測試驗，對衛星遙感資料進行驗證。

? 制定下一期（2012年始）探測方案，以及多要素探空、平流層激光雷達、ST雷達和衛星遙感的綜合觀測計劃。

? 進行綜合觀測與其他衛星資料的質量控制處理和初步分析；對多源數據進行整編和融合。? 完成課題中期驗收總結。