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干旱气候系统的观测原理 版权信息
- ISBN：9787030711564
- 条形码：9787030711564 ; 978-7-03-071156-4
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>
干旱气候系统的观测原理 内容简介
本书介绍了兰州大学大气科学学院十多年来在我国干旱半干旱地区开展气候变化的观测实验和理论研究。全书重点阐述了优选干旱气候的时空分布及其演变机理，揭示了影响干旱气候变化的主要物理过程：陆-气相互作用、沙尘-云-降水相互作用、海-气相互作用和人类活动影响。围绕这四个方向，全书主要对基本气象要素、陆面过程能量和物质交换、太阳辐射、大气气溶胶、云、气温/水汽/消光系数/云层的垂直结构分布和移动集成观测系统的仪器设备、工作原理、实际应用、数据分析与质量控制、观测结果和讨论进行了全面介绍。
干旱气候系统的观测原理 目录
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 气候观测的意义和要求 3
1.2 大气圈观测 4
1.3 水圈观测 6
1.4 冰冻圈观测 7
1.5 岩石圈观测 9
1.6 生物圈观测 10
1.7 全球气候观测系统 12
1.8 中国气候观测系统 13
1.9 环境灾害与气候变化集成观测系统 15
参考文献 17
第2章 干旱气候的基本特征 19
2.1 引言 21
2.2 观测数据与方法 22
2.3 气候分类及全球分布特征 27
2.4 干旱半干旱气候的时间变化特征 34
2.5 影响干旱半干旱区气候变化的主要物理过程 44
2.6 本章小结 56
参考文献 56
第3章 基本气象要素的观测 63
3.1 引言 65
3.2 基本原理 66
3.3 气象仪器的操作规范 66
3.4 数据质量控制 67
3.5 SACOL站常规气象要素数据质量控制分析 71
3.6 结果分析 75
3.7 本章小结 91
参考文献 92
第4章 通量与生态的观测 93
4.1 引言 95
4.2 基本原理 96
4.3 仪器安装与调试 107
4.4 通量数据的质量控制 109
4.5 观测结果分析 112
4.6 本章小结 128
参考文献 129
第5章 辐射观测 133
5.1 引言 135
5.2 概念、定义和单位 137
5.3 基本原理 140
5.4 观测仪器与安装 141
5.5 数据质量控制和仪器标定 147
5.6 主要观测结果 157
5.7 本章小结 165
参考文献 166
第6章 气溶胶观测 169
6.1 引言 171
6.2 概念、定义和单位 177
6.3 基本原理 180
6.4 观测仪器与安装 188
6.5 数据质量控制和仪器标定 195
6.6 主要观测结果 203
6.7 本章小结 223
参考文献 224
第7章 微波辐射计探测 231
7.1 引言 233
7.2 大气微波遥感原理 235
7.3 仪器的安装调试 246
7.4 数据处理与质量控制 259
7.5 主要观测结果 267
7.6 本章小结 295
参考文献 296
第8章 激光雷达探测 299
8.1 引言 301
8.2 观测原理 303
8.3 仪器简介 307
8.4 数据处理与反演 310
8.5 主要观测结果 324
8.6 本章小结 338
参考文献 339
第9章 云雷达探测 345
9.1 引言 347
9.2 仪器简介 348
9.3 观测原理 350
9.4 数据处理 358
9.5 云检测 361
9.6 云微物理特征 368
9.7 终端末速度 386
9.8 本章小结 391
参考文献 392
第10章 移动集成观测系统 395
10.1 引言 397
10.2 集成方舱 398
10.3 仪器的安装调试 403
10.4 数据处理及其质量控制 408
10.5 主要观测结果 414
10.6 本章小结 428
参考文献 429
后记 431
前言
第1章 绪论 1
1.1 气候观测的意义和要求 3
1.2 大气圈观测 4
1.3 水圈观测 6
1.4 冰冻圈观测 7
1.5 岩石圈观测 9
1.6 生物圈观测 10
1.7 全球气候观测系统 12
1.8 中国气候观测系统 13
1.9 环境灾害与气候变化集成观测系统 15
参考文献 17
第2章 干旱气候的基本特征 19
2.1 引言 21
2.2 观测数据与方法 22
2.3 气候分类及全球分布特征 27
2.4 干旱半干旱气候的时间变化特征 34
2.5 影响干旱半干旱区气候变化的主要物理过程 44
2.6 本章小结 56
参考文献 56
第3章 基本气象要素的观测 63
3.1 引言 65
3.2 基本原理 66
3.3 气象仪器的操作规范 66
3.4 数据质量控制 67
3.5 SACOL站常规气象要素数据质量控制分析 71
3.6 结果分析 75
3.7 本章小结 91
参考文献 92
第4章 通量与生态的观测 93
4.1 引言 95
4.2 基本原理 96
4.3 仪器安装与调试 107
4.4 通量数据的质量控制 109
4.5 观测结果分析 112
4.6 本章小结 128
参考文献 129
第5章 辐射观测 133
5.1 引言 135
5.2 概念、定义和单位 137
5.3 基本原理 140
5.4 观测仪器与安装 141
5.5 数据质量控制和仪器标定 147
5.6 主要观测结果 157
5.7 本章小结 165
参考文献 166
第6章 气溶胶观测 169
6.1 引言 171
6.2 概念、定义和单位 177
6.3 基本原理 180
6.4 观测仪器与安装 188
6.5 数据质量控制和仪器标定 195
6.6 主要观测结果 203
6.7 本章小结 223
参考文献 224
第7章 微波辐射计探测 231
7.1 引言 233
7.2 大气微波遥感原理 235
7.3 仪器的安装调试 246
7.4 数据处理与质量控制 259
7.5 主要观测结果 267
7.6 本章小结 295
参考文献 296
第8章 激光雷达探测 299
8.1 引言 301
8.2 观测原理 303
8.3 仪器简介 307
8.4 数据处理与反演 310
8.5 主要观测结果 324
8.6 本章小结 338
参考文献 339
第9章 云雷达探测 345
9.1 引言 347
9.2 仪器简介 348
9.3 观测原理 350
9.4 数据处理 358
9.5 云检测 361
9.6 云微物理特征 368
9.7 终端末速度 386
9.8 本章小结 391
参考文献 392
第10章 移动集成观测系统 395
10.1 引言 397
10.2 集成方舱 398
10.3 仪器的安装调试 403
10.4 数据处理及其质量控制 408
10.5 主要观测结果 414
10.6 本章小结 428
参考文献 429
后记 431
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干旱气候系统的观测原理 节选
第1章 绪论 我国西北地区面积广大、人口稀少、生态环境脆弱，一直以来，缺乏包含先进探测手段和多种仪器的综合协同观测。历经十余年，兰州大学率先建立了位于该地区的**个具有国际水准的观测站—兰州大学半干旱气候与环境观测站，设计了适用于野外恶劣条件运行的移动监测系统，组织开展了多次大型野外综合观测试验，系统获取了我国西北典型干旱与半干旱区长期连续的**手高精度观测资料，全面揭示了干旱与半干旱区气候的典型特征，如大气边界层结构、陆-气相互作用、能量辐射平衡、碳收支平衡、气溶胶和云的宏观与微观物理、光学特性等。本书就是对此观测研究的系统总结，在开始介绍干旱系统观测原理之前，我们*先介绍气候观测的意义和要求。 1.1 气候观测的意义和要求 大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈和生物圈构成了气候系统，气候系统中不同圈层之间的相互作用决定了气候的自然变化。人类活动的日益加剧对气候系统已经产生了显著影响。气候的自然变化和人类活动导致的气候变化对社会生活和经济发展造成的影响日益加大，并涉及国家安全、环境外交和可持续发展等一系列重大问题。要深刻认识气候变化及其影响因素、预测未来气候变化，*基础的工作是建立包含气候系统五大圈层的综合气候观测系统，提供气候系统变化的详细信息，以获取科学研究所需的高质量资料和相关产品。气候观测是指通过各种仪器对气候系统进行动态观测，不仅包括常规观测，还包括各种特殊项目观测，如海冰、太阳常数等项目的观测。 在全球气候持续变暖的情况下，我国面临的主要天气气候灾害有区域干旱、洪涝、台风、沙尘暴、寒潮与冻害等，这些灾害会给社会经济发展带来一系列的挑战性难题，其中区域干旱和洪涝是我国目前面临的影响*为严重的气候灾害。气候变暖会加速水分循环，改变降水时空分布及强度，破坏区域水资源供需平衡，加剧水资源供需矛盾。进入21世纪，我国水资源供需矛盾仍在进一步加剧，因此加强气候系统的观测迫在眉睫。 在过去的100年，特别是近50年来，近地面气温的明显增加可能在一定程度上是温室效应增强的结果，大气中硫酸盐、硝酸盐和黑碳等气溶胶浓度的增加不仅直接引起我国东部城市和区域空气质量下降，导致大气环境严重恶化，还可能是造成我国近几十年来的局地和区域性气候不稳定的主要因素。降水及某些极端天气气候事件频率的增加也可能与此相关，然而目前对造成这些影响的观测信息的提取与科学检测仍然面临许多困难。 由于海水具有巨大的比热容，海洋成为能量的储存库，并且其在气候系统中具有*大的热惯性。海洋和大气强烈地耦合在一起并通过感热输送、动量输送和蒸发等过程影响着气候变化。另外，气候变暖亦影响区域海流、海面温度（sea surface temperature，SST），而渔场和鱼汛的时空分布直接受海流、海面温度的影响。在气候变暖背景下，相应的海洋系统会发生许多变化，如海平面上升、海冰数量减少、环流系统变化等。这些变化会对发生在海洋中的许多其他过程产生影响，如全球气候变暖导致的海平面上升将加剧沿海地区的风暴潮、洪涝、海水入侵等灾害，对这些地区的城镇建设、工业生产、港口功能及生态环境造成不同程度的影响，对全国经济发展和生产生活亦造成直接或间接的影响，因此与其相关的问题必须引起重视，务必预先采取应对措施。 随着气候变暖，冰川消融增强，冰川退缩亦随之加剧。冰川消融增强一方面使融水径流增加，冰川单位面积产流量增大；另一方面又使冰川面积和冰储量减小，其长期效应将导致冰川径流的减少。在气候变暖背景下，未来50年内中国西部冰川无疑将发生巨大变化，冰川显著退缩是可以肯定的，但退缩的幅度范围、退缩导致的冰川融水的增减过程，以及对区域生态环境和水资源的影响目前还知之甚少，应加强观测。 气候变暖背景下中国区域性生态与环境形势也十分严峻，区域性生态破坏范围扩大、程度加剧、危害加重。全球变暖速率加快，群落的生态将发生改变，造成群落类型的更替，同时原始群落树种的生物量水平也大为降低。气候变化将使森林分布格局发生变化，但森林群落的优势树种不太可能在几十年内就改变特性。各类树种分布区都将向北推移，森林面积减小，森林总产量减少，林业可能受到较大影响；草原、草甸面积亦呈减小趋势，草地退化，其质量和产量均下降，生物多样性减少。气候变暖将增加各地的热量资源，使作物潜在生长季延长，多熟种植北界北移，但这方面的长期观测很少。 气候变暖在加速农作物生长的同时也使农作物的呼吸作用增强及生育期缩短，从而影响农作物的产量。此外，气候变暖导致土壤有机质的微生物分解加快，造成土壤肥力下降，农田生产潜力降低。气候变暖将使病虫危害面积扩大，害虫的地理分布界限北移，害虫种群的世代增加，农田多次受害的概率增高，害虫迁移入侵的风险增高。此外，气候变暖尤其暖湿气候将有利于一些病菌的生长、繁殖和蔓延，从而使我国农田生态系统的稳定性降低。 综上所述，气候观测具有重要意义，科学的气候观测系统应达到以下要求。 （1）气候观测将改进对所发生气候变化的描述，更好地确定气候发生变化的原因（特别是外强迫的作用、气候系统惯性和自然变异），并提高气候预测的可靠性。 （2）气候系统的观测信息将有益于监测和检测气候系统及其变化，记录自然气候变异和极端天气气候事件，模拟和预报气候变异和气候变化，评价气候变化对生态系统及社会经济的潜在影响，为模拟和预测气候系统所需的业务和研究提供支持。 （3）气候系统的观测也有助于根据气候以及气候变化趋势确定经济发展规划、调整生产布局、防灾减灾、合理利用气候资源、开展生态环境建设和保护等。 （4）气候观测也有助于为我国气候敏感经济部门提供更有效的服务，并为我国国防建设和环境外交提供支持（刘文清等，2004）。 气候观测主要包括大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈和生物圈的常规观测以及非常规观测。 1.2 大气圈观测 大气圈是气候系统中*不稳定和*容易发生迅速变化的组分。大气圈内部存在大大小小的环流系统，其是构成气候变化的基本单元。现在地球上的干空气主要由氮气、氧气和氨气组成。太阳光入射对这些气体有作用，而地球放射的长波辐射对其没有作用。然而，有些微量气体，如二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、一氧化二氮（N2O）和臭氧（O3），它们能够吸收和发射长波辐射，因此它们会成为温室气体。它们虽然占大气的体积混合比还不到0.1%，但在地球的能量收支中扮演了主要的角色。大气中包含的水汽（H2O），也是自然的温室气体。水汽的体积混合比是随高度变化的，其不超过1%。水汽是*强的温室气体，其相态的转变可以吸收或释放很多的能量。因此，水汽在气候变化中扮演了重要的角色。这些温室气体吸收从地球辐射出的长波辐射并向上（空）和向下（地球）发射长波辐射，导致地球表面温度升高。水汽、CO2和O3也吸收短波辐射。除了上述气体外，大气中还包含固体的和液体的质粒（气溶胶）以及云，它们与入射和放射辐射的作用是复杂多变的。其中一个代表是大气中水的相变，如水汽、云粒和冰晶的变化。 19世纪后期到20世纪30年代，世界范围的气候观测只有地面气温、降水量和气压。美国*早绘制了20世纪以来北半球月平均海平面气压图。对流层气温序列观测*早开始于1958年，且仅限于北半球。1978年以来有了卫星观测，它能覆盖南北两个半球，成为获得覆盖范围*完整、分辨率均匀的资料的工具，并且近年来建立了主要限于全球陆地的全球降水量的格点序列。气温、降水量和气压这三种要素观测序列*长，能够反映气候状况的基本要素，成为气候观测的*主要内容。 20世纪30年代以后，逐渐有了高空探测资料。苏联绘制了500hPa高度周期平均图。美国从40年代开始绘制西半球北美及邻近海域5天及30天的700hPa高度周期平均图。日本绘制了世界上*早的北半球500hPa高度月平均图。中国的北半球500hPa高度月平均图序列绘制工作开始于1951年。目前美国国家大气研究中心（NCAR）等单位完成了1958年以来的再分析资料，包括各等压面的高度、温度、风及地面的气温、降水量的格点资料。与此有关的逐日资料对气候学、天气学与数值天气预报等都有重要意义。 大气中氮气、氧气、氩气占干空气体积的99.997%，其他气体只占0.003%，它们体积分数极小，多为痕量气体，如氮氧化合物、碳氢化合物、硫化物和氯化物。它们参与大气化学循环，在大气中的滞留期为几天至几十年，甚至更长。它们中有一些是天然排放，但有一部分是由人类活动排放了各种痕量粒种，这些物质会受到各种物理、化学、生物、地球过程的作用并参与生物地球化学的循环，对全球大气及生态环境造成了重大影响。例如，光化学烟雾、酸雨、温室效应、臭氧层破坏等，无不与痕量气体的增加有关。大气中微量气体的观测是大气圈观测十分重要的组成部分，探测方法有光谱学测量法和化学测量法。 光谱学测量法因其探测灵敏度高，能够满足大气痕量气体的监测要求，且具有选择性强、探测区域范围广、能够探测的气体种类多、响应时间快、适宜实时监测、监测费用和成本低等特点，在大气化学中有广泛的应用。其主要原理是利用分子对光辐射的吸收特性，即当一束光穿过大气时，会被大气分子选择性吸收，使光强度和光谱结构发生变化，通过分析吸收光谱，可以定性确定某些成分的存在，甚至可以定量分析某些物质的浓度。光谱学测量技术的优势：①可以反映一个区域的平均污染程度，便于连续监测，不需要多点取样；②能对不易接近的危险区域进行监测；③可以同时测量多种气体成分。 化学测量法常用于光谱学测量技术的对比测量中，主要利用痕量气体的一些化学特性来对其进行分辨和测量。主要化学测量技术可归纳为：①色谱、质谱分析和色谱-质谱联用技术；②化学发光测量技术；③基体分离和电子自旋共振法；④绝热超声膨胀与激光诱导荧光法（刘文清等，2004）。 1.3 水圈观测 水圈由大气水、地表水和地下水组成，包含地下淡水、海洋、河流、湖泊、沼泽、冰川、积雪和大气圈中的水等。通过径流，淡水由江河流向海洋并影响海洋成分和海流。海洋覆盖地球表面约70%，是水圈中的重要组成部分，海洋储存和输送大量的能量并分解和储存大量的CO2。盐分的密度梯度及热力梯度也可以形成海洋环流，称为温盐环流，由于海洋巨大的热惯性，它对气候变化有巨大的调节作用，也是气候变化的重要能量来源。 至今海洋资料中*丰富的是海面温度，过去海面温度主要靠商船观测。通用海洋数据库存取系统（common oceanographic data access system，CODAS）收集了1850年以来的资料，其中1949年之前，资料覆盖面很小。卫星观测使海面温度资料精度提高，但与船舶观测之间还有一定的差异，所以利用两者结合的资料绘制海面温度距平图。海洋观测中的盐度、洋流及深海海温等信息很缺乏，大部分是无系统的观测资料，直到近年来研究人员才给出赤道太平洋混合层深度（用20℃等温线的深度表示）及800m深至海面的温度距平。从全球角度看，对盐度及深海海温缺少系统的长期连续的观测资料（朱光文，1991）。 我国的气候观测已经实现从陆地观测到“下海”观测的覆盖。300余个海岛和海上钻井平台、千余艘渔船上安装的自动站、海上大浮标小浮标以及飞机在近海沿海的观测共同构建了一个近海观测体系，成为海洋探测强有力的手段。气象雷达覆盖能力也已经逐步由岸基向深海延伸。目前正在构建的飞机观测基地，利用飞机搭载观测设备，到远海和深海进行探测。 随着航天和航空遥感技术的发展，航天和航空遥感技术逐渐应用于海洋探测，形成天基海洋环境遥感。天基海洋环境遥感具有观测范围广、重复周期短、时空分辨率高等特点，可以在较短时间内对全球海洋成像，可以观测船舶不易到达的海域，可以观测普通方法不易测量或不可观测的参量，成为继地面和海面观测的第二大海洋观探测平台，也成为发达国家竭力发展的海洋高科技之一。目前国内外已经陆续发射了多颗海洋水色卫星、海洋地形卫星和海洋
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