代表性成果
代表性成果
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1.平流层-对流层相互作用的多尺度过程研究
(1) 主要内容: 
  
本成果内容涉及国家自然科学基金重点项目、院重要方向性项目和国家自然科学基金项目等的研究成果,是一个集实验观测、资料分析、数值模拟和理论研究为一体 的研究。大气上下层相互作用,一直是大气科学界关注的前沿,并有一系列重大国际研究计划倡导与组织这方面的研究。近年来,我们在平流层-对流层多尺度过程 及其相互作用方面取得的成果包括:
• 平流层臭氧的探测与分析研究
  在中国气象局大气探测综合试验基地和北京市观象台的合作支持下,2001年成功研制GPSO3臭氧探空仪,并开始了我国大陆第一个臭氧准业务探测工作,持续 至今。这些探测资料已分别用于臭氧结构的天气气候特征研究,特别是用以验证国际上已有的卫星臭氧遥感产品的有效性、可靠性。
  通过TOMS臭氧总量分布和相关地基臭氧站资料的联合诊断分析,发现2003年12月青藏高原上空出现面积超过250万平方公里,臭氧总量小于 220DU,而最低值仅为190DU的微型臭氧洞。气象场分析表明,这次事件中重要的驱动因子是上对流层的动力作用。
• 平流层-对流层质量交换诊断与对流层顶特征研究
  穿越对流层顶的物质交换和能量交换是大气上下层相互作用的重要定量特征。利用ECMWF再分析资料,对1958-2001年期间平流层-对流层质量交换进行 了诊断分析。结果表明:
  (1)存在着向上和向下输送的随季节变化优势区域;
  (2)东亚地区占北半球面积5.6%,二净交换量占北半球15.8%;
  (3)尽管青藏高原冬季上空表现为下沉气流,但由于水平输送项的优势作用,其全年均出现向上的输送。
  对流层顶是对流层与平流层之间的分界面。利用北京高分辨率探空资料分析了对流层顶上方浅薄强逆温层的出现概率和强度分布,分析表明:强逆温层是全年普遍存 在的,其厚度在冬季最厚、夏季最薄,平均厚度变动0.72~0.42公里。对流层顶与对流活动发展的相互关系是对流层顶对于天气气候作用的一个可能表征。 利用日本地球同步卫星GMS-5的红外和水汽通道资料提取强对流云顶信息,并与NCEP再分析资料的对比分析表明:东亚地区夏季强对流云云顶温度比对流层 顶温度平均高出约4K,而冬季温度差高达15K。
• 中层大气多尺度波动特征研究
  中层大气波动主要有重力波、大气潮汐和行星波,这些波在垂直传播过程中实现了能量和动量在不同高度大气之间的转移。高分辨率探空资料的分析表明:热带地区下 平流层重力波活动比热带外地区强度大。利用卫星遥感温度资料重建了120oE子午圈内中间层和低热层大气潮汐各主要频率分量,结果表明了迁移性成分对周日 潮和半日潮的主要控制作用;利用中频雷达探测数据首次给出了一例潮汐非线性相互作用的图像,揭示了在非线性相互作用过程中潮汐水平风分量之间明确的相位差 关系。
• 中层大气临边遥感反演方法研究
  临边遥感具有相当高的垂直分辨率和高度覆盖范围,是提供中层大气数据的主要方法。建立了基于球面分层的临边大气辐射传输算法,提出了利用多波长紫外临边辐射光谱同时遥感反演大气密度、臭氧浓度垂直分布的方法。 (2) 主要的科技创新贡献:
  本成果成功研制了GPSO3臭氧探空仪,开展了我国大陆第一个大气臭氧探空准业务探测,发现了冬季青藏高原上空微型臭氧洞事件。揭示东亚地区在平流层-对 流层交换中的区域特征与重要性,获得了北京上空对流层顶精细结构。揭示了北京及热带下平流层重力波活动的季节变化特征,成功模拟了台风激发平流层重力波过 程,阐明了中层大气潮汐不同成分的作用及波-波非线性相互作用特征。
(3) 国内外影响的主要证据:
  青藏高原微型臭氧洞的发现被《科学时报》报道。
(4) 相关主要论文:
  1. Bian, J., et al., Validation of satellite ozone profile retrtievals using Beijing ozonesonde data. J. Geophys. Res., 2007, 112, doi:10.1029/2006JD007502. (SCI)
  2. Bian, J., G. Wang, H. Chen, et al., Ozone mini-hole occurring over the Tibetan Plateau in December 2003. Chinese Sci. Bull., 2006, 51(7), 885-888. (SCI)
  3. Bian, J., Unusual discrepancy between TOMS and ground-based measurements of the total ozone in 2003-2003. Chinese Sci. Bull., 2005, 50(6), 606-608. (SCI)
  4. Bian, J, and H. Chen, Statistics of the tropopause inversion layer over Beijing. Adv. Atmos. Sci., 2008, 25(3), 381-386. (SCI)
  5. Bian, J., Statistics of gravity waves in the lower stratosphere over Beijing based on high vertical resolution radiosonde. Sci. China, 2005, D48, 1548-1558. (SCI)
  6. Guo, D., D. Lu, and Z. Sun, Seasonal variation of global stratosphere-troposphere mass exchange. Progress in Natural Science, 2007, 17(12), 1466-1475. (SCI)
  7. Guo, X, D. Lu, and Y. Lu, A simple but accurate ultraviolet limb-scan sphereically-layered radiative-transfer-model based on single-scattering physics. Adv. Atmos. Sci., 2007, 24(4), 619-630. (SCI)
  8. Guo, X, and D. Lu, Feasibility study for joint retrieval of air density and ozone in the stratosphere and mesosphere using limb-scan technique. Appl. Opt., 2006, 45(35), 9021-9030. (SCI)
  9. Liu, R., D. Lu, and F. Yi, et al., Quadratic nonlinear interactions between atmospheric tides in the mid-latitude winter lower thermosphere. J. Atmos. Terr. Phys., 2006, 68, 1245-1259. (SCI)
  10. Liu, R., D. Lu, J. Xu, et al., Phase relationships between tidal horizontal wind components observed in the mid-latitude winter upper mesosphere. J. Atmos. Solar-Terr. Phys., 2007, doi:10.1016/j.jastp.2007.09.003. (SCI)
  11. Liu, Y., C. X. Liu, H. P. Wang, et al., Atmospheric tracers during the 2003-2004 stratospheric warming event and impact of ozone intrusions in the troposphere. Atmos. Chem. Phys. Discuss., 2008, 8, 13633-13666. (SCI)
  12. Wang, Y., D. Lu, and J. Huo, Impact of cloud inhomogeneity on bi-directional reflectance. Chinese Sci. Bull., 2008, 53(1), 124-130. (SCI)
  13. 陈泽宇,吕达仁,东经120度中间层和低热层大气潮汐及其季节变化特征。地球物理学报,2007,50(3),691-700。(SCI)
  14. 段民征,吕达仁,矢量辐射传输方程求解中的d-M方法。自然科学进展,2007,17(4),488-493。
  15. 樊文旋,王卫国,卞建春等,青藏高原及其临近区域穿越对流层顶质量通量的时空演变特征。大气科学,2008,待发表。
  16. 刘仁强,吕达仁,中纬度冬季低热层潮汐水平风分量相位关系的MF雷达观测。空间科学学报,2007,27(6),481-490。
  17. 王旻燕,吕达仁,东亚强对流的季节变化及其与对流层顶关系初探。大气科学,2007,31(5),937-949.
  18. 王鑫,吕达仁,利用GPS掩星数据分析青藏高原对流层顶结构变化。自然科学进展,2007,17(7),913-919。
  19. 王雪莲,陈泽宇,吕达仁等,热带地区下平流层重力波的特征探究。自然科学进展,2006,16(12),1583-1590。
  20. 杨健,吕达仁,2000年北半球平流层/对流层质量交换的季节变化。大气科学,2004,28(2),294-300。 
 
2. 中国云和气溶胶光学特性及其气候效应研究
(1)主要内容:
  在科技部973课题、国家自然科学基金重点项目、重大国际合作项目、面上项目等资助下,与欧美研究机构合作,针对我国气溶胶-云-辐射时空分布特征建立了先进的气溶胶地基遥感监测网络,围绕气溶胶-云-辐射过程及相互作用、气溶胶气候效应等科学问题开展了深入研究。
  1. 建立了由8个自动太阳光度计站和25个手持太阳光度计站组成的中国地区气溶胶光学特性地基遥感监测网络,建立了3个气溶胶-云-辐射综合观测站,加入了国际著名气溶胶和辐射监测网络-AERONET和BSRN。
  2. 发展了独特的利用宽波段辐射观测资料反演气溶胶和云光学特性参数的方法,为气溶胶观测研究提供了一种全新的方法,使我国气溶胶光学厚度资料序列向后延伸30年至上世纪60年代,这对于气溶胶气候效应研究具有重要应用价值。
  3. 基于地基气溶胶监测网络观测数据,系统分析了我国气溶胶光学特性时空分布特征、验证了多个气溶胶卫星遥感产品。首次给出了影响气溶胶气候效应的核心因子-单 次散射反照率全国平均接近0.90,北方偏低而南方偏高。MODIS气溶胶光学厚度版本4产品系统偏高,主要原因在于算法中地表反照率估计偏低,而版本5 产品有显著改进,但亮地表地区MODIS仍然系统偏高。
  4. 综合利用地基和卫星气溶胶和辐射观测资料,建立了气溶胶辐射强迫参数化方法,获得了我国典型地区气溶胶辐射强迫季节变化特征,气溶胶吸收加热大气,从而大气更加趋于稳定,不利于污染物的扩散。
  5. 基于1960-2000年以来我国地表太阳辐射观测资料,比较了NCEP再分析资料和卫星遥感产品,表明我国太阳辐射期间每10年下降4.6%,主要下降阶 段发生在1990年以前,1990-2000年期间,地表太阳辐射有微弱上升趋势。我国气溶胶光学厚度显著上升是导致我国地表太阳辐射下降的首要原因。
(2) 主要的科技创新贡献:
  建立了中国地区气溶胶光学特性监测网络和具有国际先进水平的气溶胶-云-辐射综合观测站,获得了目前中国大陆上时间最长系统完整的资料。
  开发了基于地基宽带太阳辐射反演气溶胶和云光学特性反演算法,得到了自1960年代以来我国气溶胶光学厚度变化特征。新的气溶胶反演方法使我国气溶胶光学 厚度资料序列长度延伸了30年至上世纪60年代,这对于气溶胶气候效应研究具有重要应用价值。
  建立了我国气溶胶直接辐射强迫参数化方法,并获得了我国华北和华东地区气溶胶直接辐射强迫季节变化特征。
  系统评估了多个气溶胶卫星遥感产品,并指出了卫星反演算法对于中国存在的问题,为气溶胶卫星反演算法的改进指出了方向。
(3) 国内外影响的主要证据:
  研究成果以40多篇论文形式发表在国内外知名地学学术期刊上,如《J. Geophys. Res.》、《Geophys. Res. Lett.》,并被广泛引用,SCI他引总次数超过100次。
  建立的气溶胶和辐射地基遥感监测站加入了国际知名监测网络—AERONET/PHOTONS和BSRN,观测资料被国内外研究人员广泛使用。
  已与美国能源部、美国宇航局、美国马里兰大学、法国Lille科技大学等国外研究机构和大学建立了良好合作关系,与这些科研机构的顶尖科学家如B. Holben, V. Ramanathan, 和R. Dickenson等就气溶胶和云光学特性及其气候效应开展了大量观测研究。
(4) 相关主要论文:
  1. Cheng, T., D. Lu, H. Chen, Y. Xu, Physical characteristics of dust aerosol over Hunshan Dake sandland in northern China. Atmos. Environ., 2005,39,1237-1243. (SCI)
  2. Cheng, T., L. Yan, D. Lu, Y. Xu, H. Li, Aerosol properties and radiative forcing in Hunshan Dake desert, northern China. Atmos. Environ, 2006, 40, 2169-2179. (SCI)
  3. Fan, X., P. Goloub, J. Deuzé, H. Chen, W. Zhang, D. Tanré, Z. Li, Evaluation of PARASOL aerosol retrieval over North East Asia. Remote Sens. Environ., 2008, 112(3), 697-707. (SCI)
  4. Li, Z., H. Chen, M. Cribb, R. Dickerson, B. Holben, C. Li, D. Lu, Y. Luo, H. Maring, G. Shi, S.C. Tsay, P. Wang, Y. Wang, X. Xia, F. Zhao, Overview of the East Asian Studies on tropospheric aerosols, an international regional experiment (EAST-AIRE). J. Geophys. Res., 2007, 112, D22S00, doi:10.1029/2007JD008853. (SCI)
  5. Li, Z., X. Xia, M. Cribb, W. Mi, B. Holben, H. Chen, P. Wang, S.-C. Tsay, T.F. Eck, F. Zhao, E.G. Dutton, R.E. Dickerson, Aerosol optical properties and its radiative effects in northern China. J. Geophys. Res., 2007, 112, D22S01, doi:10.1029/2006JD007382. (SCI)
  6. Liu, J., X. Xia, P. Wang, Z. Li, Y. Zheng, M. Cribb and H. Chen, 2007: Significant aerosol direct radiative effects during a pollution episode in northern China. Geophys. Res. Letts., 2007, 34, L23808, doi:10.1029/2007GL030953. (SCI)
  7. Qiu, J., Broadband extinction method, to determine aerosol optical depth from accumulated direct solar radiation. J. Appl. Meteol., 2003, 42(11), 1611-1625. (SCI)
  8. Qiu, J., L. Yang, and X. Zhang, Characteristics of imaginary part and single scattering albedo of urban aerosol in northern China. Tellus, 2004, 53B(1), 72-82. (SCI)
  9. Qiu, J., Cloud optical thickness retrievals from ground-based pyranometer measurements. J. Geophys. Res., 2006, 111, D22, D22206. 10.1029/2005JD006792. (SCI)
  10. Wang, K., Z. Wan, P. Wang, M. Sparrow, J. Liu, X. Zhou, and S. Haginoya, Estimation of surface long wave radiation and broadband emissivity using Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) land surface temperature/ emissivity products. J. Geophys. Res., 2005, 110, D11109, doi:10.1029/2004JD005566. (SCI)
  11. Xia, X., H.Chen, P.Wang, W.Zhang, P.Goloub, B.Chatenet, T.F. Eck, B.N. Holben, Variation of column-integrated aerosol properties in a Chinese urban region. J. Geophys. Res., 2006, D06204, doi:10.1029/2005JD006203. (SCI)
  12. Xia, X., P.Wang, H.Chen, F.Liang, Analysis of downwelling surface solar radiation in China from National Centers for Environmental Prediction reanalysis, satellite estimates, and surface observations. J. Geophys. Res, 2006, doi:10.1029/2005JD006405. (SCI)
  13. Xia, X., H. Chen, P. Wang, X. Zong, J. Qiu, G Philippe, Aerosol properties and their spatial and temporal variations over north China in spring 2001. Tellus, 2005, 57B, 28-39. (SCI)
  14. Xia, X., H. Chen, P. Goloub, W. Zhang, B. Chatenet, P. Wang, A compilation of aerosol optical properties and calculation of direct radiative forcing over an urban region in northern China. J. Geophys. Res., 2007, 112, D12203, doi:10.1029/2006JD008119. (SCI)
  15. Xia, X., H. Chen, Z. Li, P. Wang, J. Wang, Significant reduction of sur-face solar irradiance induced by aerosols in a suburban region in northeastern China. J. Geophys. Res., 2007, 112, D22S02, doi:10.1029/2006JD007562. (SCI)
  16. Xia, X., Z. Li, P. Wang, H. Chen, and M. Cribb, Aerosol optical properties and radiative effects in the Yangtze delta region of China. J. Geophys. Res., 2007, 112, D22S12, doi:10.1029/2007JD008859. (SCI)
  17. Xia, X., Z. Li, P. Wang, H. Chen, and M. Cribb, Estimation of aerosol effects on surface irradiance based on measurements and radiative transfer model simulations in northern China. J. Geophys. Res., 2007, 112, D22S10, doi:10.1029/2006JD008337. (SCI)
  18. Xin, J., Y. Wang, Z. Li, P. Wang, W.-M. Hao, B.L. Nordgren, S. Wang, G. Liu, L. Wang, Y. Sun, B. Hu, AOD and Angstrom exponent of aerosols observed by the Chinese Sun Hazemeter Network from August 2004 to September 2005. J. Geophy. Res., 2007, 112, doi:10.1029/2006JD007075. (SCI)
  19. 宗雪梅,邱金桓,王普才,宽带消光法反演气溶胶光学厚度与AERONET北京站探测结果的对比分析。大气科学,2005,29(4),645-653。
  20. 宗雪梅,邱金桓,王普才,近10年中国16个台站气溶胶光学厚度的变化特征分析。气候与环境研究,2005,10,201-208。
3. 雷电物理机制及效应研究
(1) 主要内容:
  本成果涉及国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重点和面上项目、院知识创新工程重要方向、院重大科研装备研制等项目。
a. 雷电物理过程及其与地面物体的影响研究
  以 雷电机理揭示和雷电灾害防治为目的,通过专用探测设备研制、实验观测、资料分析、数值模拟和理论研究,对雷电的物理机制进行了深入研究,在亚微秒时间尺度 上研究了雷电的物理过程及其与雷暴电荷结构的关系,获得了国内首例完整的微秒时间分辨率的人工引雷电流波形和60m与550m处的同步电磁场资料,为我国 具有自主知识产权的雷电流波形标准的制订和防雷技术设计提供了重要的基础数据;研究还揭示了雷电造成附近地电位的突然升高和在水平导体上产生的感应电压特 征,对雷电的防护有重要的指导作用。
b. 强对流天气系统雷电特征及其与云动力-微物理的耦合研究
  针对华北典型强对流天气灾害中的雷电活动特征和降水结构进行了系统研究,分析了雹暴和飑线等强对流过程的闪电活动与降水结构和云动力过程之间的关系,系统 研究了冰雹云中的地闪时空分布特征及其与云发展阶段的关系,揭示了闪电频数与雷暴云宏、微参量之间的密切关系,为雷电的参数化提供了重要基础;研究还得到 了具有不同电学特征的两类高原雷暴的简化化的三极性电荷结构模型,发现了高原雷暴云下部特殊的大范围正电荷区对地气温差和湿度的响应。
c. 雷暴云上方中高层大气放电现象的国内首次观测和光学证据
  为了了解中层大气的电环境,为邻近空间开发利用的安全保障提供支持,在国内首次开展了雷暴云上方与电离层之间的中高层大气放电现象观测和研究。在国内首次 观测到了发生于雷暴云上方的多例Red Sprites(红闪、红色精灵) 时间演变光学图像,并得到了其多变的形态特征,发现这一放电事件发生于距地面20-90 km之间,并与对流层雷暴和强烈的雷电密切相关,强烈的中尺度强对流天气系统是Red Sprites频繁发生的根源。
(2) 主要的科技创新贡献:
  解决了在100m以内的极近距离上对具有危险、瞬变特点的雷电进行探测的关键技术,得到了我国首例雷电流波形和60m近距离的雷电电磁场特征,实现了在雷 电频繁的强烈冰雹云中的雷电人工引发,并发现了两次非常强烈的人工雷电;研究提出了高原雷暴云具有较大范围下部正电荷区的三极性电荷结构的观点;在国内首 次观测到了发生于雷暴云上方的瞬态放电事件,对这一新现象的观测和机理探讨是国际上的前沿,不仅是大气电学关注的问题,更是空间物理、高能物理等关注的问 题,是一个高度交叉的学科研究领域。
(3) 国内外影响的主要证据:
  本成果有关人工引雷和高原雷暴和雷电特征的研究受到国际同行的高度重视,在2007年8月北京召开的第十三届国际大气电学会议(ICAE2007 Beijing)上分4个口头报告和9个墙报向大会进行了报告。会后国际大气电学委员会主席P. Laroche教授曾对本研究组在该领域取得的研究成果评价认为,我们所进行的“人工引雷,新研发的雷电探测设备和所发现的高原特殊的雷暴和雷电特征是对 大气电学研究的重要贡献”,相关研究成果有8篇被收录在国际刊物《Atmospheric Research》的ICAE2007 Beijing会议专刊上(见(4)相关主要论文)。所拍摄到的首张中高层大气放电事件照片被选作2008年《科学通报》中、英文第4、7期封面。
(4) 相关主要论文:
1. Cui, H., X. Qie, Q. Zhang, et al., Intracloud discharge and the correlated basic charge structure of a typical thunderstorm in Zhongchuan, a Chinese inland plateau region. Atmospheric Research. (Accepted) (SCI)
2. Feng, G., X. Qie, T. Yuan, et al., Analysis on lightning activity and precipitation structure of hailstorms. Science in China Series D-Earth Sciences, 2007, 50 (4), 629-639. (SCI)
3. Feng, G., X. Qie, J. Wang, et al., Lightning and Doppler radar observations of a squall line system. Atmospheric Research. (Accepted) (SCI)
4. Kong, X., X. Qie, and Y. Zhao, Characteristics of downward leader in a positive cloud-to-ground lightning flash observed by high-speed video camera and electric field changes. Geophys. Res. Lett., 2008, 35, L05816, doi:10.1029/2007GL032764. (SCI)
5. Liu, D., and G. Feng, Temporal and spatial characteristics of cloud-to-ground lightning of hailstorms over north China. Atmospheric Research. (Accepted) (SCI)
6. Qie, X., Q. Zhang, Y. Zhou, et al., Artificially triggered lightning and its characteristic discharge parameters in two severe thunderstorms. Science in China Series D-Earth Sciences, 2007, 50(8), 1241-1250. (SCI)
7. Qie, X., and X. Kong, The progression features of a stepped leader process with four grounded leader branches. Geophys. Res. Lett. 2007, 34, L06809, doi:10.1029/2006GL028771. (SCI)
8. Qie, X., Y. Zhao, Q. Zhang, et al., Characteristics of triggered lightning during Shandong Artificial Triggering Lightning Experiment (SHATLE). Atmospheric Research. (SCI)
9. Qie, X., T. Zhang, G. Zhang, et al., Electrical characteristics of thunderstorm in different plateau regions of China. Atmospheric Research. (SCI)
10. Yang, J., X. Qie, G. Zhang, et al., Red sprites over thunderstorms in the coast of Shandong province, China. Chinese Sci. Bull., 2008, 53(7), 1079-1086. (SCI)
11. Yang, J., X. Qie, G. Zhang, et al., Magnetic field measuring system and current retrieval in artificially triggering lightning experiment. Radio Sci., 2008, 43, RS2011, doi:10.1029/2007RS003753. (SCI)
12. Yang, J., X. Qie, Q. Zhang, et al., Comparative analysis of the initial stage in two artificially-triggered lightning flashes. Atmospheric Research. (SCI)
13. Yuan, T., and X. Qie, Study on lightning activity and precipitation characteristics before and after the onset of the South China Sea summer monsoon. J. Geophys. Res., 2008, 113, D14101, doi:10.1029/2007JD009382. (SCI)
14. Zhang, G., Y. Zhao, X. Qie, et al., Observation and study on the whole process of cloud-to-ground lightning using narrowband radio interferometer. Science in China Series D-Earth Sciences, 51(5), 694-708 (SCI)
15. Zhang, Q., X. Qie, Y. Zhao, et al., Characteristics and Simulation of Lightning Current Waveforms during one Artificially Triggered Lightning. Atmospheric Research. (Accepted) (SCI)
16. Zhao, Z., and Q. Zhang, Influence of lightning channel tortuosity on the associated electromagnetic field in time domain.Atmospheric Research. (Accepted). (SCI)
17. 杨静,郄秀书,王建国,等,雷电在水平导体中产生感应电压的观测及数值模拟研究。物理学报,2008, 57(3) ,1968-1975。 (SCI)
18. Qie, X., Y. Zhang, and Q. Zhang, Characteristics of Lightning Discharges and Electric Structure of Thunderstorm. Acta Meteorologica Sinica, 2006, 45(2), 244-257
19. 冯桂力,郄秀书,吴书君,山东地区冰雹云的闪电活动特征。大气科学,2008, 32(2),289-299。
20. 杨静,郄秀书,张其林,等,人工触发闪电直窜先导-回击放电参量的估算。中国电机工程学报,2006,26(25),125-130。

4.大气探测高技术研究
(1) 主要内容:
  基于大气科学自身发展需求,也为监测天气气候与空气质量,满足国防、航空、航天、通信、防灾减灾、改善大气环境质量等国家需求,实验室瞄准国际技术前沿, 在大气探测高技术理论和技术研发领域取得了许多重要成果,并建立了河北香河、兴隆和北京市区三个不同背景场的综合试验基地。下面是自主研制的五种代表性探 测技术:
a. 全天空云特性探测技术
  天空云量、云型是非常重要而又难以定量获取的参数。为了实现对云的精确、自动观测,我们成功研制了两套分别工作在可见光和红外波段的全天空云特性自动观测 系统,实现了云量的全天候自动观测。可见光全天空成像仪(ASI)图像拍摄频次最高为每30秒1张,可提供分辨率为2272×1704的24bit全天空 彩色图像,整套系统完全由程序控制,每日日出时刻开始观测,日落时刻停止。扫描式全天空热红外云像仪(SIRS)用于测量天空任意方向8~12μm波段的 热红外亮温,根据天空红外辐射强度的分布进行云宏观参数的反演。
b. 大气臭氧探空系统
  大气臭氧在大气物理、化学和动力学过程中有着特殊的作用。基于臭氧廓线探测的需要,我们发展了具有自主知识产权的GPS臭氧探空系统,2001年3月开 始,与中国气象局监测网络司合作在北京开始连续观测,为在中国开展大气臭氧高空探测业务化奠定了基础。
c. X波段双偏振多普勒气象雷达技术
  基于观测雷暴风场结构并识别云和降水粒子相态变化的需要,更好的研究云雨结构及其形成和发展机制,在双波长雷达辐射计的基础上,研制了集双偏振和多普勒功 能于一体的X波段多参数雷达,不仅可以测量气象目标的强度、速度和谱宽信息,而且还具有确定粒子形状、相态、尺度谱、排列取向等微物理场信息的功能,可更 精确地定量遥感探测降水分布。
d. 雷电综合探测系统与人工引发雷电技术
  为定量探测不同距离、不同频段雷电电磁场变化,满足雷电灾害防护技术设计的需要,自主设计研制了一套基于高精度GPS同步时钟的雷电综合探测系统,实现了 从直流到200MHz频段内对雷电信号的综合探测;发展了基于该探测系统多站同步观测的定位分析软件,实现了对雷电发展过程的三维定位。研制了新一代人工 引雷火箭-光纤点火控制-光电磁综合测量系统,从而大大提高了引雷火箭的安全性和引雷成功率。
e. 无人机和系留艇大气和环境探测通用平台
  基于大气和环境探测的需要,自主研发了两种型号的无人机大气和环境探测平台和系留艇通用平台。小型机飞行高度5km,航时6小时,数十次的野外飞行试验已 经证明该型无人机在气象和环境探测上的有效性和实用性。长航时高空无人机采用4缸大功率航空发动机,结合新研制的增压系统,升限可达8km,载重 20-30kg,航时6-8小时。自主研发的系留汽艇通用平台包括数据传输和接收系统、以及基于该平台的温湿压风气象参数和大气成分参数传感器。
(2) 主要的科技创新贡献及影响:
  大气臭氧探空系统的研制成功,结束了中国没有大气臭氧直接探测手段的历史,与中国气象局监测网络司合作已获得了我国大陆至今时间最长的单站大气臭氧廓线资料,多篇研究论文在国际刊物上发表 (见成果一“代表性论文”) 。
  全天空云特性探测技术在国内首次实现了对云的精确、自动、全天候观测,可见光全天空成像仪已先后在内蒙古、新疆、西藏、北京和河北等地投入野外观测,并在2008年奥运火炬珠峰传递的气象保障中发挥了重要作用;全天空热红外云像仪也应用于2008年北京奥运会的气象保障中。
  X波段双偏振多普勒气象雷达在国内首次实现了双波长、双偏振共用一个天馈系统,采用高速高功率偏振开关,脉间变换分时工作方式(单发单收)实现双偏振功能,所采用的一些关键技术为我国气象雷达的发展提供了技术基础。
  雷电综合探测系统与人工引发雷电技术将国际上最新发展的多种电子技术应用到雷电探测中,解决了雷电多频段探测和高速数据记录的关键技术,实现了宽频段雷电电磁辐射或电磁场变化的定量探测,在雷电研究中发挥了重要作用 (见成果三“代表性论文”) 。
  长航时高空无人机大气和环境探测平台改进了发动机系统,使升限、载重和航时都大大增加,不仅大大扩展了探测的大气范围,在强对流天气的实地观测中也有重要的应用前景。系留艇通用平台由于在保证可靠稳定运行的基础上,大大降低了成本,已在气象和环保部门得到广泛应用。
(3) 相关主要论文和专利:
1. Wang, X.,Q. Sun, X. Zhang, et al., First coast-based GNSS-R ocean remote sensing experiment in China. Chinese Sci. Bull., 2008, 53(1), 1-4. (SCI)
2. Yang, J., X. Qie, G. Zhang, et al., Magnetic field measuring system and current retrieval in artificially triggering lightning experiment. Radio Science, 2008, doi:10.1029/2007RS003753. (SCI)
3. Zhang, L., D. Lu, S. Duan, et al., Small-scale rain nonuniformity and its effect on evaluation of nonuniform beam filling error for space borne radar rain measurement. J. Atmos. & Oceanic Tech., 2004, 21(8), 1190-1197. (SCI)
4. 王鑫,吕达仁,GPS无线电掩星技术反演大气参数方法对比。地球物理学报,2007,50(2),346-353。(SCI)
5. 王鑫,吕达仁,薛震刚,GNSS掩星中大气水汽的非线性反演。地球物理学报,2005,48(1),32-38。(SCI)
6. 章文星,吕达仁,常有礼,地基热红外亮温遥感云底高度可行性的模拟研究。地球物理学报,2007,50,354-363。(SCI)
7. 霍娟,吕达仁,晴空与有云大气辐射分布的数值模拟及其对全天空图像云识别的应用。气象学报,2006,64(1),31-38。
8. 王庚辰,孔琴心,宣越健,等,中国大气臭氧探空仪的研制和应用。地球科学进展,2003,18(3),471-475。
9. 王庚辰,孔琴心,宣越健,等,GPSO3和Vaisala臭氧探空仪平行施放比对结果的初步分析。应用气象学报,2004,15(6), 672-680。
10. 王庚辰,李立群,王勇,等,XLS-Ⅱ型系留气艇探测系统。气象科技,2004,32(4),269-273。
11. 宣越健,马舒庆,陈洪滨,等,国产GPSO_3与芬兰Vaisala臭氧探空仪的比对试验。高原气象,2004,23(3),394-399。
12. 张凌,吕达仁,段树,等,降雨空间不均匀性与雷达测雨空间平滑误差。遥感技术与应用,2003,18(6),364-373。
13. 孙宝来,李立群,2007,基于GPS技术的高空气球实验舱回收系统,专利号:2004 1 0037 330.4。
14. 宣越健,吕达仁,2006,二级姿态控制,专利号:2005201297524。
15. 宣越健,陈洪滨,2006,自动多目标地表反照率测量系统,专利号:2005201297539。
16. 宣越健,万小伟,2006,小信号测量装置,专利号:2005201297543。
17. 李立群,王勇,王庚辰,2003,一种系留气艇通用平台,专利号:ZL 02 2 54608.1。
18. 孙宝来,2003,一种新型的相敏解调器,专利号:ZL 00 1 03243.7
5. 北京奥运会气象与空气质量保障
  基于自主研制的气象仪器和科研积累,参与2008年北京奥运会的气象保障和大气环境监测工作,为北京奥运会的胜利召开作出了重要贡献。主要工作得到北京市科委奥运大气污染控制专项基金和北京市气象局支持,主要包括:
(1) 奥运空气质量遥感监测
  发展了从卫星数据提取空气质量关键要素NO2、SO2和颗粒物浓度的方法,以及气体污染物浓度的光学遥感技术。利用美国EOS卫星OMI/AURA资料, 配合紫外激光雷达、差分吸收光谱仪(DOAS)、多轴DOAS、自动太阳光度计等仪器对北京市空气质量进行了密集监测。基于地基和卫星遥感数据对北京市 2007年8月17-20日奥运空气质量保障预演方案进行了科学评估,获得了NO2柱浓度减少20%左右的科学评估结论,为制订可行的北京市奥运空气质量 保障方案提供了重要科学依据。对北京2008奥运期间的空气质量保障措施的效果评估,获得了NO2柱浓度减少40%左右的结论。实验室在奥运空气质量保障 上作出了重要贡献,获得了主管部门北京市环保局和上级中国科学院的充分肯定。此结果被北京晚报、北京青年报等多家报纸报道。
(2) 奥运气象保障服务
  自主研制的可见光全天空成像仪参与了2008年珠峰奥运火炬登山队气象保障服务,提供了丰富的云况资料,有效地帮助预报员掌握天气实况,从而提高预报的准确率。作为高科技产品之一被中央电视台,新华网等重要媒体重点报道。
  奥运期间利用自主研制的红外云像仪实时获取的国家体育场鸟巢上空的高分辨率天气状况资料,用于北京市气象局奥运会气象保障。
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