毫米波雷达测云个例研究

云参数是影响降水和大气辐射过程的重要因子,但对云参数的遥感探测存在许多困难。利用35GHz的毫米波雷达进行云探测,并进行云参数反演研究,反演了云水含量、冰水含量和云滴有效直径的垂直廓线,得到了6类云况的垂直分布。结果表明：1）不同类型的云具有不同的云参数分布;2）在低于-15dBz的非降水云情况下,反演的云水含量及云滴有效直径较可靠;3）雷达探测的线性退偏振比因子,可以用于判别云中的过冷却水和冰晶,有助于更好了解云的宏微观特征。     

赣南秋冬季降水云系特征综合探测试验

2015年10—12月对赣南地区降水云特征进行了综合试验,对观测数据集进行了对比,对降水云的分布特征进行了初步分析.观测资料比对结果表明:微波辐射计反演的温度和绝对湿度,可作为高时间分辨资料使用;雷达回波可用来反演雨粒子有效直径,在尚无更好资料的时候,也可作为参考用来反演云粒子有效直径.降水云特征初步分析表明:①赣南秋...     

用FY-2C/D卫星等综合观测资料反演云物理特性产品及检验

云的宏微观物理特性参数无论对天气、气候还是人工影响天气的研究和业务都有十分重要的应用价值.基于FY-2C/D静止卫星遥感观测,融合高空和地面等其它观测资料,研发了近10种云宏微观物理特性参数的反演技术方法,并实现业务化运行.简单介绍反演得到的云顶高度、云顶温度、云过冷层厚度、云暖层厚度、云底高度、云体厚度、云光学厚度、云粒子有效半径和云液水路径等近10种云宏微观物理参数产品的物理意义、反演技术方法和业务流程等;对主要云参数产品,利用最新获得的Cioudsat云卫星实测结果进行了对比检验和可用性分析;将反演产品同MODIS反演的同类产品进行对比分析,发现两者具有较好的一致性.     

地基微波辐射计遥感大气廓线的BP神经网络反演方法研究

讨论了12通道地基微波辐射计遥感反演温度、相对湿度和云液态水廓线的BP神经网络反演方法,利用探空资料,对北京春、夏、秋、冬四个季节的大气廓线进行神经网络训练,并对训练好的网络的反演能力进行数值检验,分析了反演精度;对北京南郊观象台12通道微波辐射计的观测亮温资料进行实际反演,结果表明,神经网络(BPNN)反演的廓线与微波辐射计自带RadiomeNN的相比更加接近实际。     

云微物理参数的地基探测反演研究综述

云相态、云滴谱分布和云液态水含量作为重要的云微物理参数,对气候变化、天气变化、人工影响天气和飞行安全等很多方面都有着重要的影响。云微物理参数的研究已是国际气象学研究领域中的热点之一,而在国内这方面的研究较少。简要论述了地基方法在云微物理学研究的优越性,扼要总结了国内外地基探测技术的发展现状,重点概括了云相态、云滴谱和云液态水3个参数的地基反演算法,并予以评价,展望了未来发展趋势,为国内云微物理研究提供了参考与借鉴。     

近年来大气遥感研究进展

本文着重介绍中国科学院大气物理研究所2003年以来在大气遥感研究方面的主要进展与成果,内容包括:(1)遥感技术与设备的发展;(2)大气气溶胶遥感;(3)云遥感;(4)大气微量气体遥感;(5)反演方法发展;(6)大气辐射传输算法研究。气溶胶的光学特性遥感研究是近年来热点之一,本文简要论述在气溶胶光学特性地基和卫星遥感反演算法、中国大气气溶胶光学特性时空分布特性、气溶胶辐射强迫遥感研究等方面所取得的成果。     

测云方法研究进展

定性及定量云基础参量的观测(检测)结果,对提供未来天气变化趋势的依据有着非常重要的意义。对国内外学者多年来使用的各种测云方法得出的云空间分布等情况进行了综合评述。根据不同观测手段的特点,按空基遥感、地基遥感等方法加以区分,分别对上述测云方法逐个分析并相互比较,讨论各种测云方法的利弊,为今后使用这些方法开展的各种科学研究工作提供参考,并展望未来观测研究云的可能方向。     

地基遥感大气水汽总量和云液态水总量的研究

介绍了地基微波辐射计遥感反演大气柱中的水汽总量和云液态水总量的辐射传输原理和反演方法。给出了实用的有气候代表性的北京地区4个季节的反演公式，并对反演公式进行了数值检验，分析了反演精度：春、夏、秋、冬4季水汽总量反演的相对标准偏差分别为3．1％、1．6％、2．2％和2．4％。用反演公式反演在香河探测的NASA微波辐射计资料发现：微波辐射计反演的水汽总量平均比探空测量值偏大O．21cm，二者的线性相关系数为0．988．均方根误差为0．16cm：云液态水总量除降水云天外．值均在0．1mm以下。     

地基双波段测云系统及其对比试验

针对地基测云系统中云在可见光波段与红外波段中表现出的不同特性,用双站数字式云高仪所测云高进行标校,结合地面实时观测天顶红外辐射亮温及地面环境参数,分析地面到云层底大气对红外辐射亮温的影响,从中发现利用天空红外辐射亮温来遥感云底高度的可行性,研发地基双波段测云系统。该系统以对流层大气的垂直温度递减率为理论基础,建立云层底到地面的温度递减梯度参数K,根据递减梯度参数反演天顶方向的云高。该算法不依赖于探空数据,通过实时定标形式得出符合仪器所在地的云底高反演公式。通过与维萨拉激光云高仪CL31进行数据对比分析得出,地基双波段测云系统反演结果具有较高的准确性。     

卫星云参数与飞机云物理探测对比研究和飞行方案设计

开展卫星反演云特性参数与飞机观测的对比研究,对于更好地发挥卫星遥感观测在天气、云物理和人工影响天气方面的探测优势具有重要意义。选取2012年9月21日一次层状云降水过程,对比分析FY-2与MODIS反演云参数及飞机观测结果,探索了飞机检验卫星云参数的飞行方案。结果表明:FY-2反演云参数演变趋势与飞机观测结果有较好的一致性;FY-2反演有效粒子半径(Effective Radius,Re)和光学厚度(τ)与MODIS反演的Re和τ间相关性较好,但此个例FY-2反演值普遍小于MODIS反演值;探测区域FY-2反演Re频率分布与飞机观测Re分布有一定差异,FY-2反演Re偏小,MODIS反演Re频率分布与飞机观测结果更为接近;飞机观测计算得到的τ和液水路径值(Liquid WaterPath,LWP)与卫星反演τ和LWP差异较大,FY-2反演值明显偏小。对于Re的检验,飞机最好在Re分布不大均匀的云顶作较长距离平飞观测;对于LWP和τ等垂直积分参量的检验,飞机最好选择在光学厚度较均匀的小区域内螺旋爬升至云顶之上,再自云顶向下至最低高度进行垂直观测。     

有云时大气红外遥感及其反演问题：Ⅰ.理论研究

我们已经研究了晴空情况下的大气红外遥感及其反演问题。本文对有云情况下的大气红外遥感及其反演问题进行了研究，首先指出国际上通用的处理有云反演的晴空订正法存在误差放大问题，然后提出了３×３相邻视场同步反演法。在该方法中，假定３×３相邻视场具有共同的大气温度廓线和大气水汽廓线，从而使求解方程数增加到９倍，反而反演参数只增加有限的几个，大大提高了有云情况下反演的稳定性。     

基于一维变分算法的地基微波辐射计遥感大气温湿廓线研究

为研究地基微波辐射计遥感温、湿度廓线的一维变分算法的反演能力,用北京地区2010—2011年00和12时(世界时)的多通道地基微波辐射计亮温资料进行试验。首先,利用同时次的地面观测资料、红外亮温(由地基微波辐射计自带红外传感器测得)及探空观测数据,给出提取无云样本的方案,得到432个无云样本;再以辐射传输模式计算得到的模拟亮温为参考,对无云条件下的观测亮温进行质量控制;然后利用探空数据进行模拟试验,结果发现,一维变分算法对3 km以下的温度廓线有较大调整。使反演结果更加接近探空,而对湿度廓线在0—10 km都有不同程度的优化;最后利用一维变分算法对地基微波辐射计观测亮温进行大气温湿廓线反演,将结果与探空对比可以看出,温度廓线的均方根误差小于2.9 K,绝对湿度的均方根误差小于0.47 g/m~3;进一步与地基微波辐射计自带神经网络的反演结果比较表明,一维变分的反演结果更接近实际大气。     

AREM模拟云参数与卫星观测的比较研究

数值模式模拟计算云量与卫星观测云量的定义不同, 难以进行定量比较, 从而限制了对云模拟误差的检验和修正.作者介绍了可把数值模式输出云参数转换成ISCCP卫星反演云参数的云模拟器, 并将其试用于AREM区域模式中, 定量分析了模拟云参数和ISCCP反演云参数的差异.结果表明, AREM模式可以再现中国东部冬季云的基本分布特征, 但与观测相比, 四川地区云量模拟偏大20%, 华东地区则偏小20%左右, 云量中心的云顶高度比ISCCP反演值偏低一个高度段, 云光学厚度偏大一个厚度段.模拟与观测云参数的定量比较, 为评估和改进模式性能提供了依据.     

气象卫星的云观测

云体现着不同尺度天气系统发生、发展和消亡的过程。云还通过反射太阳辐射和阻止地球发射辐射,维持着全球能量平衡。1960年气象卫星的出现,揭开了从浩瀚太空,俯视千变万化云系的历史。气象卫星云图的获取,加深了人们对天气、气候变化过程的认识,推进了大气科学的发展。本文围绕气象卫星云遥感主题,首先概述了利用卫星资料开展云检测、云相态识别、云光学厚度与等效粒子半径反演的原理和方法。而后,着重介绍了各类天气尺度和中尺度天气过程的云系特征。最后,文章回顾了国际卫星云气候方面的工作,展望了未来云观测技术的发展前景。     

基于CloudSat卫星对地基云雷达反射率因子的校准

地基云雷达是云的重要探测手段，但随着运行时间的增加，雷达发射机、接收器等参数的变化，会使观测数据产生漂移偏差，从而对云物理特性的反演产生显著影响，因此云雷达数据的校准是一个重要的基础问题。针对KAZR（Ka Band Zenith Radar，K波段云雷达）云雷达特征，本文在Pavlos等提出的雷达数据校准方法基础上进行改进，优化了对弱云和降水的信号识别，利用CloudSat星载雷达观测的反射率因子，气体衰减校正等数据，对兰州大学半干旱气候环境监测站（Semi Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University，SACOL）KAZR云雷达2013年8月至2017年5月反射率因子数据进行了校准，建立了KAZR雷达反射率因子46个月的历史资料校准数据库，并对校准周期的变化进行了对比分析。校准数据库的建立对SACOL站云的长期观测研究具有重要意义，同时为不同波段地基雷达的对比增加了可行性。     

云降水物理与人工影响天气研究进展(2008～2012年)

本文回顾和总结了近5年(2008～2012年)云降水物理与人工影响天气主要研究进展,并讨论了目前存在的主要问题和亟待解决的关键科学问题.内容涉及可分辨云数值模式及模拟研究、云降水的观测与遥感反演研究、气溶胶对云降水的影响及人工影响天气相关的数值模式、观测试验研究等.提高对云降水形成过程、时空结构与演变机理的深入认识,对揭示大气水循环、气候变化过程,提高天气精细化预报、大气云水资源开发利用及气象防灾减灾的能力,具有十分重要的作用.     

主要降水与非降水云类的全天时反演试验研究

利用SBDART模式正演了主要云类在多光谱通道上的光谱特性,分析了在由不同通道组成的二维光谱空间中的云类分布;又以MTSAT-2多光谱静止卫星观测资料与CloudSat云廓线雷达分类产品匹配,建立了包含诸主要云类光谱特性的数据对。在此基础上,采用单位特征空间归类分析法,反演并分析了各典型云类在相应二维光谱空间中的分布范围和高频集群分布特点;结合正、反演结果,应用最小距离分类与最大似然估计方法进行了云分类试验研究。经过单位特征空间方法的调整,最终确定了较为准确的适用于全天时云分类的判据。检验结果表明:根据多通道的云光谱特性区分高、中、低云和对流性及非对流性降水云是可行的,由此能够实现全天时云系生消、移动的连续可靠监测。      

中尺度强暴雨云团云特征的多种卫星资料综合分析

针对2002年6月23—27日发生于江淮地区的一次中尺度强暴雨过程，利用FY-1D，EOS和NOAA卫星的可见光、红外、微波通道遥感观测、反演资料，从相态、光学厚度、垂直结构等各方面分析云特征，并将分析结果与同时段地面雨量观测进行对比分析，发现云光学厚度大且云顶粒子为大粒子、冰相态是此次降雨过程中云团的主要云特征，地面雨量的大小与云光学厚度密切相关，两者间基本呈正相关关系；稳定少变的大光学厚度云或云光学厚度显著增大均可带来强的地面降水。微波资料可以很好地体现降雨云团的垂直结构。分析结果显示，卫星遥感对揭示中尺度强暴雨云团的云特征，具有很好的指示作用。     

编辑选编

暖云中的云滴数浓度遥感反演:现状与展望——Remote sensing of droplet number concentration in warm clouds:A review of the current state of knowledge and perspectives.Reviews of Geophysics,2018,Vol.56,No.2.云滴数浓度(Nd)对于理解云物理过程和量化气溶胶—云相互作用的有效辐射强迫具有重要意义。当前卫星反演不能直接提供Nd数据,但其可以从云光学厚度、云滴有效半径和云顶温度反演。英国利兹大学的Grosvenor等对这种方法进行了评述,并对不确定性进行了量化。对于相对均匀的、光学厚度较厚的、具有良好观测几何形状的不模糊的层状云,像元水平的反演的总相对不确定性为78%。如果不满足这些条件,不确定性就更大。平均而言,在1°×1°区域,不确定性降低到54%,假设仪器随机误差存在不确定性。     

毫米波云雷达观测和反演云降水微物理及动力参数方法研究进展

云雷达是探测和反演云降水微物理及动力参数精细结构的重要手段。回顾了世界和我国云雷达观测模式、数据质量控制和数据融合方法,特别是脉冲压缩、相干积累和非相干积累技术在提高云雷达灵敏度的应用,分析了基于回波强度与粒子下落速度关系、单波段云雷达小粒子跟踪方法、双波段云雷达回波强度谱密度比值方法等空气垂直运动速度反演和雨滴谱反演方法,并讨论了这些方法的特色,为今后云雷达观测方法设定和数据分析提供参考。