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sacol和SGP站卷云时空变化及其与大尺度气象场的关系

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SACOL和SGP站卷云时空变化及其与大尺度气象场的关系

作者：董自香兰州大学

学位级别：硕士

云在地气系统能量收支、水汽循环和大气环流中扮演重要角色,因其物理性质复杂多变,难以对云进行准确的表示和模拟,云反馈的不确定性是气候变化预测的重难点,了解云的物理特性和动力学过程对于改善气候模型中的云参数化至关重要。本文基... 详细信息

云在地气系统能量收支、水汽循环和大气环流中扮演重要角色,因其物理性质复杂多变,难以对云进行准确的表示和模拟,云反馈的不确定性是气候变化预测的重难点,了解云的物理特性和动力学过程对于改善气候模型中的云参数化至关重要。本文基于兰州大学半干旱气候与环境监测站(sacol)和美国能源部大气辐射测量计划南部大平原站(ARM SGP)的Ka波段天顶云雷达(Ka-Band Zenith Radar,KAZR)在2016年8月～2019年7月三年期间的观测资料,对两个中纬度站点观测到卷云的发生频率和物理性质进行统计分析,研究它们与大尺度气象场的关系,得到以下主要结论:(1)卷云的发生频率和垂直分布具有明显的季节变化。暖季的卷云比冷季发生频率较小但出现的海拔更高,卷云的高度位置与对流层顶高度呈现一致的季节性变化。sacol和SGP站卷云的平均云顶高度和云底高度在夏季最高,冬季最低。全年平均而言,sacol和SGP站卷云发生频率分别为41.72%、27.23%,卷云厚度分别为2.06km、1.69km,可见,相比于SGP站,sacol站KAZR观测到的卷云发生频率更大,云层更厚。在日变化的时间尺度上,白天卷云发生频率较低,卷云更薄,在夜间发生得更频繁,云层更厚,但云顶高度和云底高度没有明显的日变化。sacol站观测到的卷云的日变化在四个季节的差异不明显,而SGP站卷云在夏季有较明显的日变化特征。(2)在sacol和SGP站,卷云发生频率和物理特性随对流层上层气象要素变化关系是基本相似的。卷云发生频率的大值集中在7～11km ASL(above sea level)之间相对湿度较大、垂直上升运动较强烈、稳定度和温度较低的区域,说明这些条件是支持卷云发生的关键。卷云的物理特性与300h Pa相对湿度(RH)、300h Pa垂直速度(ω)、对流层上层稳定度(UTS)、对流性对流层顶温度(T)四个气象参数的相关性分析结果表明,卷云的厚度、云顶高度、云底高度、红外发射率、反照率、短波辐射强迫和长波辐射强迫与四个气象参数都有不同程度的相关性,且随不同气象要素变化的敏感性有所差异。(3)对RH、ω、UTS、T进行主成分分析(PCA)以找到气象状态的共同变化模式,得到第一主成分PC1和第二主成分PC2的解释方差分别约为40%和20%。卷云发生频率垂直分布随PC1和PC2的变化表明,卷云的发生频率与PC1呈显著的正相关关系,而与PC2的相关性很小。卷云主要集中发生在6～11km ASL之间正的PC1大值区,PC1越大卷云发生得越频繁。卷云发生频率和物理性质与PC1的相关性比与单一气象要素的关系更好,随PC1的变化更敏感。PC1的正值与大的相对湿度、强烈的垂直上升运动、低稳定度、低的对流层上层温度暖平流和正涡度平流相对应。此外,PC1与卷云发生频率有基本一致的日变化趋势。简而言之,PC1代表了多个气象要素共同变化的主要模态,能更好地表征影响卷云发生的大尺度大气状态。

关键词： sacol SGP KAZR云雷达卷云大尺度气象第一主成分

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sacol站卷云物理特性及气象场

SACOL站卷云物理特性及气象场

作者：郑创兰州大学

学位级别：硕士

卷云对地气系统的能量收支具有重要影响,本文基于兰州大学半干旱气候与环境观测站(Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University,sacol)的Ka波段天顶云雷达(Ka-band zenith radar,KAZR)2013年8月-2015年7月两年的观测资料,统计分析观测区域内所有卷云的宏观物理特性,并采用k-means聚类分析方法对卷云进行分类,以卷云的持续时间、厚度和云顶高度作为分类依据,通过试验挑选出最优结果,得到特征鲜明的四类卷云,分别分析这四类卷云的物理性质,研究它们与大尺度环境场的关系,主要得到以下结论:(1)整个观测阶段内,针对有效观测廓线,卷云的出现频率为41.6%。卷云的出现频率具有明显的季节变化,冷季的出现频率比暖季高。卷云主要出现在距离地面7.2km的高度处。大部分卷云的反射率因子随高度升高而降低,但存在反射率因子随高度升高而增加的第二模态,占比为4.7%。卷云的云顶高度和云底高度都在1月份最低,8月份最高。卷云云层以单层为主,占比为84.3%。(2)分类后,各类卷云的宏观属性具有显著差别。第一类卷云的平均厚度、平均云顶高度和平均持续时间分别为2.22km,8.31km和7.5小时;第二类卷云的出现位置最高,平均云顶高度达9.8km,平均云层厚度为0.9km,平均持续时间为1.5小时;第三类卷云的平均厚度和持续时间明显大于其他三类卷云,它的平均云层厚度和持续时间分别为2.83km和17.7小时,其平均云顶高度为8.63km;第四类卷云位于对流层中层,它的厚度和持续时间属性与第二类卷云相似,但其云顶高度显著低于第二类卷云,只有6.7km。(3)各类卷云的出现频率具有明显的季节变化,这是因为它们受大尺度气象场的影响。当大尺度气象场改变时,出现的卷云类别随之发生改变。当厚卷云(第一类卷云和第三类卷云)出现时,其环境场出现相对湿度大值区,以上升运动为主。当薄卷云(第二类卷云和第四类卷云)出现时,环境场未出现相对湿度大值区,以下沉运动为主。

关键词： KAZR云雷达卷云宏观物理特性气象场聚类分析 sacol

利用KAZR云雷达对sacol站上空云宏观特性的分析研究

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利用KAZR云雷达对SACOL站上空云宏观特性的分析研究

AERONET sacol站冬春季气溶胶光学特性变化特征

第33届中国气象学会年会

作者：朱泽恩葛觐铭郑创黄建平付强兰州大学半干旱气候变化教育部重点实验室

＜正＞云是气候系统中最为重要的因子之一,对地气系统的辐射收支有显著影响。然而由于云在气候模式中的表征和反馈作用不能很好地被描述,因而也是造成气候预测存在较大不确定性的重要因子。兰州大学半干旱气候与环境监测站（sacol）于2... 详细信息

＜正＞云是气候系统中最为重要的因子之一,对地气系统的辐射收支有显著影响。然而由于云在气候模式中的表征和反馈作用不能很好地被描述,因而也是造成气候预测存在较大不确定性的重要因子。兰州大学半干旱气候与环境监测站（sacol）于2013年7月引进了Ka-Band Zenith Radar（KAZR）,并对该地区的云进行了长期连续观测。本文对云雷达观测数据进行了分析,首先完成实现了目前ARM用于识别云与噪声回波信号的业务

关键词： sacol KAZR 信号识别云宏观特性 CloudSat CALIPSO

来源： cnki会议评论

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AERONET SACOL站冬春季气溶胶光学特性变化特征

沙尘气溶胶光学厚度卫星反演试验研究——以黄土高原半干旱地区sacol为例

第26届中国气象学会年会大气成分与天气气候及环境变化分会场

作者：白鸿涛陈勇航黄建平郭铌潘鹄毛晓琴东华大学环境科学与工程学院兰州大学大气科学学院中国气象局兰州干旱气象研究所

采用国际气溶胶自动监测网AERONET位于我国西北黄土高原半干旱地区的sacol(兰州大学半干旱气候与环境观测站)Version 2 Level 2.0气溶胶数据集,分析了气溶胶粒子特性参数随季节的变化特征,比较了冬春季沙尘与非沙尘期气溶胶光学特性。... 详细信息

采用国际气溶胶自动监测网AERONET位于我国西北黄土高原半干旱地区的sacol(兰州大学半干旱气候与环境观测站)Version 2 Level 2.0气溶胶数据集,分析了气溶胶粒子特性参数随季节的变化特征,比较了冬春季沙尘与非沙尘期气溶胶光学特性。结果表明:春季气溶胶特性参量呈现出明显的受沙尘影响的特征,光学厚度最大,冬季次之;冬春季沙尘与非沙尘期气溶胶特性呈现不同的变化特征,且与北京地区的变化特征不同。

关键词： sacol 沙尘气溶胶光学特性

来源： cnki会议评论

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沙尘气溶胶光学厚度卫星反演试验研究——以黄土高原半干旱地区SA...

Surface Turbulent Flux Measurements over the Loess Plateau for a Semi-Arid Climate Change Study

第26届中国气象学会年会人工影响天气与大气物理学分会场

作者：白鸿涛冯建东陈勇航黄建平郭铌潘鹄王洪强东华大学环境科学与工程学院四川省气象局气候中心兰州大学大气科学学院中国气象局兰州干旱研究所

利用sacol（兰州大学半干旱气候与环境观测站）气溶胶地基观测资料订正出的春季地表反射率及构建的沙尘气溶胶模型,借助6S大气辐射传输模式,进行了沙尘气溶胶光学厚度的个例反演试验。结果表明:四种反演方案的沙尘气溶胶光学厚度的区域... 详细信息

利用sacol（兰州大学半干旱气候与环境观测站）气溶胶地基观测资料订正出的春季地表反射率及构建的沙尘气溶胶模型,借助6S大气辐射传输模式,进行了沙尘气溶胶光学厚度的个例反演试验。结果表明:四种反演方案的沙尘气溶胶光学厚度的区域分布均比较合理,说明反演方法可行;其中考虑了波长指数,并用sacol气溶胶模型进行大气订正得出的地表反射率反演出的沙尘气溶胶光学厚度最接近实际测量值,误差为-7.3%。通过对反演过程中的误差进行数值试验检验,结果表明该反演方法比较稳定。

关键词：沙尘气溶胶光学厚度地表反射率反演 6S sacol

来源： cnki会议评论

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Advances in Atmospheric Sciences 2009年第4期26卷 679-691页

作者：左金清黄建平王介民张武闭建荣王国印李维京付培健 College of Atmospheric Sciences Lanzhou University National Climate Center China Meteorological Administration Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute Chinese Academy of Sciences

In order to provide high quality data for climate change studies, the data quality of turbulent flux measurements at the station of sacol （Semi-Arid Climate ＆ Environment Observatory of Lanzhou University）, which is located on a semi-arid grassland over the Loess Plateau in China, has been analyzed in detail. The effects of different procedures of the flux corrections on CO2, momentum, and latent and sensible heat fluxes were assessed. The result showed that coordinate rotation has a great influence on the momentum flux but little on scalar fluxes. For coordinate rotation using the planar fit method, different regression planes should be determined for different wind direction sectors due to the heterogeneous nature of the ground surface. Sonic temperature correction decreased the sensible heat flux by about 9%, while WPL correction （correction for density fluctuations） increased the latent heat flux by about 10%. WPL correction is also particularly important for CO2 fluxes. Other procedures of flux corrections, such as the time delay correction and frequency response correction, do not significantly influence the turbulent fluxes. Furthermore, quality tests on stationarity and turbulence development conditions were discussed. Parameterizations of integral turbulent characteristics （ITC） were tested and a specific parameterization scheme was provided for sacol. The ITC test on turbulence development conditions was suggested to be applied only for the vertical velocity. The combined results of the quality tests showed that about 62%-65% of the total data were of high quality for the latent heat flux and CO2 flux, and as much as about 76% for the sensible heat flux. For the momentum flux, however, only about 35% of the data were of high quality.

关键词： eddy covariance turbulent fluxes flux corrections quality control sacol

An Overview of the Semi-arid Climate and Environment Research Observatory over the Loess Plateau

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Advances in Atmospheric Sciences 2008年第6期25卷 906-921页

作者：黄建平张武左金清闭建荣史晋森王鑫常倬林黄忠伟杨溯张北斗王国印冯广泓袁九毅张镭左洪超王式功符淙斌丑纪范 College of Atmospheric Sciences Lanzhou University Key Laboratory of Regional Climate-Environment for Temperate East Asia (RCE-TEA) Institute of Atmospheric Physics Chinese Academy of Sciences

Arid and semi-arid areas comprise about 30% of the earth＇s surface. Changes in climate and climate variability will likely have a significant impact on these regions. The Loess Plateau over Northwest China is a special semi-arid land surface and part of a dust aerosol source. To improve understanding and capture the direct evidence of the impact of human activity on the semi-arid climate over the Loess Plateau, the Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University （sacol） was established in 2005. sacol consists of a large set of instruments and focuses on：（1） monitoring of long term tendencies in semiarid climate changes; （2） monitoring of the aerosol effect on the water cycle; （3） studies of interaction between land surface and the atmosphere; （4） improving the land surface and climate models; and （5） validation of space-borne observations. This paper presents a description of sacol objectives, measurements, and sampling strategies. Preliminary observation results are also reviewed in this paper.

关键词： cloud aerosol land surface semi-arid Loess Plateau sacol

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黄土高原半干旱草地地表能量通量及闭合率

生态学报 2011年第22期31卷 6866-6876页

作者：岳平张强杨金虎李宏宇孙旭映杨启国张建忠中国气象局兰州干旱气象研究所甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室兰州730020 张掖国家气候观象台张掖734000

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(简称sacol站)2008年的湍流、辐射、土壤温度和通量梯度观测资料,分析了地表能量通量的日变化、季节变化及能量分配特征,讨论了典型黄土高原沟壑区土壤热量储存对地表能量闭合率的影响。结果表明:黄... 详细信息

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(简称sacol站)2008年的湍流、辐射、土壤温度和通量梯度观测资料,分析了地表能量通量的日变化、季节变化及能量分配特征,讨论了典型黄土高原沟壑区土壤热量储存对地表能量闭合率的影响。结果表明:黄土高原半干旱草地全年获得的净辐射约为2.269×103 MJ/m2,感热、潜热和土壤热通量年总量分别为1.210×103 MJ/m2、1.117×103 MJ/m2和0.069×103 MJ/m2;能量平衡各分量季节变化明显,日变化呈单峰型。从各能量分量占净辐射的比例来看,黄土高原半干旱草地净辐射主要以感热形式加热大气。草原生长期的能量闭合率为86.8%,非生长期的能量闭合率为76.5%。与未考虑0—5cm深度的土壤热量储存相比,草原生长期能量闭合率提高了11.3%,非生长期能量闭合率提高了12.0%。

关键词： sacol 黄土高原能量通量能量闭合率

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黄土高原地表能量闭合特征及土壤通量参数化

冰川冻土 2012年第3期34卷 583-590页

作者：岳平张强赵文成华李宏宇王若安张建忠中国气象局兰州干旱气象研究所甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室甘肃兰州730020 张掖国家气候观象台甘肃张掖734000

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(简称sacol站)2008年夏季晴天的湍流、辐射、土壤温度和通量梯度观测资料,确定了晴天土壤热参数,并结合土壤热流量板测量的温度积分法把实际测量通量推算到地表;讨论了典型黄土高原沟壑区土壤热量储... 详细信息

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(简称sacol站)2008年夏季晴天的湍流、辐射、土壤温度和通量梯度观测资料,确定了晴天土壤热参数,并结合土壤热流量板测量的温度积分法把实际测量通量推算到地表;讨论了典型黄土高原沟壑区土壤热量储存对地表能量闭合率的影响;建立了计算地表土壤热通量的模型.结果表明:黄土高原典型沟壑区夏季晴天平均土壤热容量为1.23×106 J.m-3.K-1;能量平衡方程中,以5cm埋深处HFP01SC热流量板观测值(G5)表示土壤热通量时,sacol站地表能量闭合率为75.7%.采用温度积分法,将HFP01SC的直接测量结果校正到地表(Gs)后,地表能量闭合率可以达到81.8%;0～5cm土壤层的热量储存对能量平衡的贡献为6.1%.模型计算得土壤热通量(Gm)与Gs之间的线性回归斜率为0.973(显著性水平为0.1‰).(H+LE)与(Rn-Gm)进行线性回归,得到地表能量闭合率为81.7%.表明模型与温度积分法计算计算土壤热通量非常接近,但通过参数化方法计算时仅需要知道Rn即可.

关键词： sacol 黄土高原湍流通量土壤热参数能量闭合率