基于MODIS的春、夏季中国近海气溶胶对于云参数的影响差异研究

通过分析中国近海MODIS数据中气溶胶参数与云参数的相互关系,讨论了该区域气溶胶的间接效应及其对于云的可能影响.结果表明,在中国近海,气溶胶具有明显的间接效应,而且由于气溶胶种类和水汽的季节变化,使得气溶胶的间接作用具有很强的时间变化特征.在夏季,由于人为气溶胶占主导,它作为有效的云凝结核,使得气溶胶光学厚度（AOT）分别与云凝结核数（CCN）有正相关、与云滴有效半径（CER）有负相关性、与云光学厚度（COT）也存在着正相关,气溶胶的间接效应明显;在春季,由于沙尘气溶胶盛行,同时沙尘并不是很好的云凝结核,使得气溶胶光学厚度（AOT）分别与云凝结核数（CCN）的正相关减弱、与云滴有效半径（CER）则由夏季的负相关变为正相关、与云光学厚度（COT）存在弱的负相关,气溶胶的间接效应不明显.     

夏季硫酸盐和黑碳气溶胶对中国云特性的影响

利用WRF-Chem（Weather Research and Forecasting model coupled with Chemistry）模式研究2006年8月1日—9月1日中国区域硫酸盐和黑碳气溶胶对云特性的影响。模式验证利用了卫星和地面观测的气象要素、化学物质浓度、气溶胶光学特性和云微物理特性。模式性能评估表明该模式能较好地抓住气象要素（温度、降水、相对湿度和风速）的量级和空间分布特征。通过与地面观测和MODIS卫星数据对比发现,尽管模式模拟还存在偏差,但还是能较好模拟出气溶胶物种的地表浓度、气溶胶光学厚度（AOD）、云光学厚度（COD）、云量（CLDF）、云顶云滴有效半径（CER）和云水路径（LWP）。通过两个敏感性试验（分别增加二氧化硫和黑碳排放量至控制试验排放的3倍）与控制试验的对比发现硫酸盐比黑碳更易成为云凝结核,在中国东部云顶云滴数浓度和其它云特性参数对二氧化硫排放增加的响应均从北向南呈递增,这与地面湿度分布有关。云滴有效半径对硫酸盐气溶胶的响应符合气溶胶第一间接效应的定义,即硫酸盐气溶胶增多,云滴数浓度增加,云滴有效半径减少,但是对黑碳气溶胶的响应在各区域不尽相同。还发现黑碳对云量的影响远大于硫酸盐,主要原因是由于黑碳气溶胶直接辐射效应（对太阳光的吸收）导致的云的“燃烧”作用。      

东亚夏季气溶胶—云—降水分布特征及其相互影响的资料分析

东亚季风气候受到自然因素和人类活动的共同影响,而人类活动因子中气溶胶的作用尤为关键,采用诊断分析的手段研究东亚地区气溶胶的特征及其与云和降水的相互关系具有重要的科学意义。本文利用MODIS(moderate-resolution imaging spectroradiometer)气溶胶和云资料以及TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)降水数据,分析了东亚夏季气溶胶、云、降水的时空分布特征,研究了气溶胶与云和降水的相互关系。结果表明:中国四个典型地区(珠三角、长三角、四川盆地、京津唐)2001～2011年夏季(6～8月)平均气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth, AOD)变化范围为0.40～0.68,云光学厚度平均值为18.7～23.6,水云云滴有效粒子半径在20.2～25.6 μm,冰云有效粒子半径在12.9～15.3 μm,云水路径为222.2～243.8 g m-2,降水强度平均值3.6～8.6 mm d-1;珠三角气溶胶光学厚度有显著降低趋势,年倾向为-3.31%,四川盆地云滴有效粒子半径(冰云、水云)和云水路径年变化趋势为-0.42%、-0.49%和-1.26%,京津唐夏季降水量年增幅为3.24%。气溶胶光学厚度和云光学厚度呈正相关,相关系数最大为0.77;在相对湿度较低(30%～50%)情况下,气溶胶光学厚度与云滴有效粒子半径呈负相关;气溶胶光学厚度与云水路径呈正相关,相关系数最大为0.92;相对于低污染情况(AOD<0.5),高污染情况(AOD>0.5)下出现大雨(>10 mm d-1)的频率增加了6.6%～19.1%,小雨(<1 mm d-1)的频率减少了0.72%～7.3%。在水汽含量较少的情况下,气溶胶的增加导致云滴有效粒子半径的减少;气溶胶增强了南方地区的对流性降水,抑制了北方地区层云降水。     

利用CloudSat卫星资料分析云微物理和光学性质的分布特征

利用2007年1月2010年12月高垂直分辨率CloudSat卫星的2B数据产品,对云微物理特征量(包括云中液态水/冰水含量、液态水/冰水路径、云滴有效半径等)以及云光学参数(云光学厚度等)的全球分布和季节变化进行了统计分析,并研究了云微物理性质对光学性质的影响。结果表明,冰水路径分布在北美南部、南美大陆、非洲大陆、澳大利亚和南亚的陆地上空,以及太平洋、大西洋和印度洋的洋面上空,高值区最大值达600 g·m-2以上;垂直方向上,高值区位于赤道地区8 km附近以及中纬度地区4~8 km高度上。液态水路径在300 g·m-2以上的高值区主要位于太平洋、印度洋和大西洋的中低纬度海域上空,垂直上液态水含量随高度递减。冰云有效半径在高纬度地区近地面层达200μm以上,在赤道附近4~8 km上有1个高值区,南北半球中纬度地区2~4 km上有2个高值区,最大值均达到80μm以上。在1 km以下的边界层水云有效半径值较大,达到12μm以上。总云光学厚度在全球大部分地区40,高值区普遍位于中高纬度的广阔地区和低纬度靠近大陆的洋面上空;垂直方向上,云光学厚度的高值集中在2 km以下的边界层。云光学厚度的分布受云量、云水含量和云滴有效半径的影响,云量大的地区基本为云光学厚度的大值区。     

气候模式分辨率对气溶胶气候效应模拟结果的影响

气候模式分辨率作为影响模式模拟结果的重要因素,其对气溶胶与云相互作用的影响尚未全面认识。利用公共大气模型CAM5.3在3种分辨率（2°、1°、0.5°）下,分别采用2000年和1850年气溶胶排放情景进行试验,检验提高分辨率是否能改进气候模式的模拟能力,分析不同分辨率下气溶胶气候效应的异同,探索模式分辨率对气溶胶气候效应数值模拟结果的影响。通过观测资料与模式结果对比发现,提高分辨率可以明显改进模式对总云量、云短波辐射强迫的模拟能力,0.5°分辨率下模拟结果与观测更接近,其他变量并无明显改善。在不同分辨率下,全球平均的气溶胶气候效应较为一致,总云量、云水路径均增加,云短波和长波辐射强迫均加强,而云顶的云滴有效半径和降水均减小,地面气温降低。不同分辨率下,气溶胶增加引起的气溶胶光学厚度、云水路径、地面温度、云短波和长波辐射强迫变化的纬向平均分布相似但大小存在差异;而降水和云量变化的纬向分布与大小均存在较大差异,在区域尺度上还存在较大的不确定性。全球平均而言, 0.5°分辨率下气溶胶的间接辐射强迫相比1°分辨率下的结果降低了2.5%,相比2°分辨率下的结果降低了6.4%。提高模式分辨率可以部分改进模式模拟能力,同时,气溶胶的间接效应随着模式分辨率的提高而减弱。但气溶胶引起的云量、降水的变化在不同分辨率下差异较大,存在较大的不确定性。      

华北及临近海域夏季不同降雨量下气溶胶光学厚度与云滴有效半径的关系

利用2008—2012年MODIS和TRMM卫星遥感数据产品逐日资料,分析华北地区及临近海域气溶胶光学厚度的月变化,以及夏季不同降雨量下气溶胶光学厚度与云滴有效半径的关系。结果表明:华北地区及邻近海域气溶胶光学厚度呈明显的季节性变化,陆地上夏季最大、冬季最小,海洋上春季最大、秋季最小;海洋上的气溶胶光学厚度小于陆地。陆地上,夏季气溶胶光学厚度与水云云滴有效半径呈显著正相关,在海洋上二者呈显著负相关,且相关性随降雨量的增加均增大。陆地上,夏季气溶胶光学厚度与冰云云滴有效粒子半径在小雨下呈显著负相关,在中雨和大雨下呈正相关;海洋上,气溶胶光学厚度和冰云有效粒子半径呈显著负相关,且相关性随降雨量的增加而减小。     

黄山地区春夏季气溶胶离子组分及其对云微物理特征的影响

利用2009年5-8月在华东地区高山——黄山顶取得的气溶胶和云微物理参数观测资料以及同期气溶胶离子成分数据,结合多种化学组分气溶胶绝热气块分档云模式,研究了黄山地区多化学组分气溶胶对云凝结核和云微物理特征的影响.气团轨迹和气溶胶离子成分的分析结果表明,3种气团影响着黄山地区气溶胶的化学组分,即北方大陆气团气溶胶富含CaCO3,局地污染气团气溶胶以可水溶性无机盐((NH4)2SO4、NH4 NO3)为主,而变性混合海洋性气团气溶胶中NaCl较多.数值模拟结果显示,在气溶胶谱一定时,不同天气形势下黄山气溶胶的化学组分的差异会对云微物理特征产生不同的影响.同一上升速度下实际多组分气溶胶模拟的云滴数浓度大于纯硫酸铵,主要体现在云滴谱第1个峰值3.3 μm之前;气块上升速度低于0.7 m/s时,含有较多不可水溶物质的混合气溶胶对云滴数浓度的影响较大;上升速度大于0.7 m/s时,气块中可凝结水增多,海盐对云滴数浓度增加的效果更显著.多组分气溶胶模拟云滴谱较纯硫酸铵窄,其中,北方气团方案造成云滴谱变窄的程度高于混合气团方案;而模拟的云滴数目增多,造成云滴有效半径减小,云光学厚度和反照率增加,将会对暖云降水及辐射效应产生不同的影响.     

硫酸盐气溶胶间接效应对中国东部冬季气候的影响

气溶胶间接效应通过对云的作用来影响气候,其过程复杂且不确定性较大。本研究利用美国国家大气研究中心（NCAR）的公共大气模式CAM5.1,通过改变模式中硫酸盐气溶胶转化为云凝结核数浓度的数量,设计了硫酸盐气溶胶间接效应的敏感性试验,通过与控制试验对比来研究其间接效应对中国东部地区冬季云、降水和季风强度的影响。结果表明：在东亚地区云凝结核形成过程中,硫酸盐气溶胶占绝对的主导地位。硫酸盐气溶胶间接效应导致中国东部地区冬季云凝结核和云滴数浓度显著增加,海洋和陆地低层的云滴有效半径减小和总云液水路径的增加,导致了云反照率的增加。引起的负辐射强迫使地表和大气降温,海平面气压升高,增加的海陆气压梯度导致中国南方地区东亚冬季风增强,总降水率减少。硫酸盐气溶胶间接效应可能不是东亚冬季风在20世纪80年代中期年际变率减弱的原因。     

基于CERES资料的新疆云物理参数时空分布特征

利用2011—2020年ERA5再分析降水资料、CERES云物理参数产品，分析新疆云参数的时空变化分布特征，归纳总结云物理参数与降水的相关性，结果表明：1）云水路径（冰相）值、云粒子有效半径（冰相）、云光学厚度与降水量的空间分布一致，均为山区最大，北疆次之，南疆最小。2）夏季（6—8月）在南、北疆、山区云水路径（液、冰相）、云顶（底）温度、云光学厚度与降水量呈同位相变化；云粒子有效半径（液、冰相）、云顶气压与降水量呈反位相变化。3）夏季（6—8月）北疆、山区的云水路径（液、冰相）值、云顶（底）温度、云光学厚度，南疆云光学厚度与降水量呈正相关；北疆云粒子有效半径（冰相），南疆云粒子有效半径（液相）、云顶气压，山区云粒子有效半径（液、冰相）、云顶气压与降水量呈负相关。     

中国典型地区夏季气溶胶时空分布及其对云和降水的影响

利用2006—2016年夏季中分辨率成像光谱仪（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS）气溶胶和云资料以及热带降水测量计划（Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM）降水数据,分析了中国8个典型地区气溶胶、云和降水的时空分布特征,探讨了气溶胶与云和降水的相互关系。结果表明：中国8个典型地区夏季平均气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth,AOD）、云光学厚度（Cloud Optical Depth,COD）、云水路径（Cloud Water Path,CWP）、水云云滴有效粒子半径（Cloud Effective Radius Water,CERW）、冰云云滴有效粒子半径（Cloud Effective Radius Ice,CERI）和降水强度变化范围分别为0.21—1.05、15.01—24.02、151.98—219.20 g·m^-2、12.93—15.37 μm、28.85—39.14 μm和0.44—8.54 mm·d^-1;黄土高原和四川盆地AOD有显著降低趋势,年倾向分别为-2.30%和-3.20%,长江三角洲COD年增幅为29.11%,华北平原、长江三角洲和珠江三角洲CERI及塔克拉玛干沙漠CERW变化趋势分别为-21.60%、-15.77%、-18.94%和-10.31%;AOD与COD和CWP呈正相关,与云滴有效粒子半径（Cloud Effective Radius,CER）关系较为复杂,受水汽影响较大,在云层含水量较低的情况下,CERI（CERW）与AOD呈负（正）相关,而在云层含水量较高的情况下,二者呈正（负）相关;气溶胶和降水关系复杂,整体来看,气溶胶促进了中国地区的夏季降水。     

Comparison between MODIS-derived Day and Night Cloud Cover and Surface Observations over the North China Plain

Satellite and human visual observation are two of the most important observation approaches for cloud cover. In this study, the total cloud cover(TCC) observed by MODIS onboard the Terra and Aqua satellites was compared with Synop meteorological station observations over the North China Plain and its surrounding regions for 11 years during daytime and7 years during nighttime. The Synop data were recorded eight times a day at 3-h intervals. Linear interpolation was used to interpolate the Synop data to the MODIS overpass time in order to reduce the temporal deviation between the satellite and Synop observations. Results showed that MODIS-derived TCC had good consistency with the Synop observations; the correlation coefficients ranged from 0.56 in winter to 0.73 in summer for Terra MODIS, and from 0.55 in winter to 0.71 in summer for Aqua MODIS. However, they also had certain differences. On average, the MODIS-derived TCC was 15.16%higher than the Synop data, and this value was higher at nighttime(15.58%–16.64%) than daytime(12.74%–14.14%). The deviation between the MODIS and Synop TCC had large seasonal variation, being largest in winter(29.53%–31.07%) and smallest in summer(4.46%–6.07%). Analysis indicated that cloud with low cloud-top height and small cloud optical thickness was more likely to cause observation bias. Besides, an increase in the satellite view zenith angle, aerosol optical depth, or snow cover could lead to positively biased MODIS results, and this affect differed among different cloud types.     

Spatiotemporal Variations of Cloud Amount over the Yangtze River Delta, China

Based on the NOAA's Advanced Very High Resolution Radiometer(AVHRR) Pathfinder Atmospheres Extended(PATMOS-x) monthly mean cloud amount data, variations of annual and seasonal mean cloud amount over the Yangtze River Delta(YRD), China were examined for the period 1982–2006 by using a linear regression analysis. Both total and high-level cloud amounts peak in June and reach minimum in December, mid-level clouds have a peak during winter months and reach a minimum in summer, and lowlevel clouds vary weakly throughout the year with a weak maximum from August to October. For the annual mean cloud amount, a slightly decreasing tendency(–0.6% sky cover per decade) of total cloud amount is observed during the studying period, which is mainly due to the reduction of annual mean high-level cloud amount(–2.2% sky cover per decade). Mid-level clouds occur least(approximately 15% sky cover) and remain invariant, while the low-level cloud amount shows a significant increase during spring(1.5% sky cover per decade) and summer(3.0% sky cover per decade). Further analysis has revealed that the increased low-level clouds during the summer season are mainly impacted by the local environment. For example,compared to the low-level cloud amounts over the adjacent rural areas(e.g., cropland, large water body, and mountain areas covered by forest), those over and around urban agglomerations rise more dramatically.     

1961～2005年新疆夏季低云量长期变化特征及影响因素分析

利用新疆51个观测站1961～2005年低云云量资料,采用趋势分析、小波分析等方法分析了新疆夏季低云量的长期变化特征,并对500hPa环流指数与新疆夏季低云量做奇异值分解,重点讨论了极涡对新疆夏季低云量的影响。结果表明:近45年新疆夏季低云量增加趋势显著,并在1987年发生突变;新疆夏季低云量存在2～3年、准6年和准11年的显著周期;环流分析表明新疆夏季低云量与副热带高压、极涡及青藏高原高度场指数关系密切,当极涡面积减小、强度减弱时,西亚高空急流偏弱,新疆上空高空急流偏强,而低层大气主要表现为南风增强,水汽输送辐合加强,因此新疆夏季低云量偏多,反之,低云量偏少。     

Cloud and Radiation Processes Simulated by a Coupled Atmosphere-Ocean Model

Using NCC/IAP T63 coupled atmosphere-ocean general circulation model (AOGCM),two 20-yr integra- tions were processed,and their ability to simulate cloud and radiation was analysed in detail.The results show that the model can simulate the basic distribution of cloud cover,and however,obvious differences still exist compared with ISCCP satellite data and ERA reanalysis data.The simulated cloud cover is less in general,especially the abnormal low values in some regions of ocean.By improving the cloud cover scheme, simulated cloud cover in the eastern Pacific and Atlantic,summer hemisphere's oceans from subtropical to mid-latitude is considerably improved.But in the tropical Indian Ocean and West Pacific the cloud cover difference is still evident,mainly due to the deficiency of high cloud simulation in these regions resulting from deep cumulus convection.In terms of the analysis on radiation and cloud radiative forcing,we find that simulation on long wave radiation is better than short wave radiation.The simulation error of short wave radiation is caused mostly by the simulation difference in short wave radiative forcing,sea ice,and snow cover,and also by not involving aerosol's effect.The simulation error of long wave radiation is mainly resulting from deficiency in simulating cloud cover and underlying surface temperature.Corresponding to improvement of cloud cover,the simulated radiation (especially short wave radiation) in eastern oceans, summer hemisphere's oceans from subtropical to mid-latitude is remarkably improved.This also brings obvious improvement to net radiation in these regions.     

基于MODIS产品的中国陆地冰云季节变化特征

利用2011年11月-2016年10月Terra卫星MODIS（moderate-resolution imaging spectroradiometer）3级大气产品数据（MOD08_M3）对中国陆地区域冰云发生概率、有效粒子半径、光学厚度和冰水路径的水平分布与季节变化进行分析。结果表明:冰云特性的水平分布和季节变化特征与东亚季风和强对流天气的发生存在一定联系。近5年冰云发生概率呈上升趋势,季节性变化规律明显,高值区出现在青藏高原东北部;冰云有效粒子水平分布呈现由西南向东北逐渐增加的趋势,总体季节性变化特点不明显,但在纬度较高地区出现随季节变化特征;冰云光学厚度与冰水路径水平分布和季节变化趋势大致相同,呈东南向西北递减趋势,总体季节性变化明显。     

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。     

中国地区夏季6～8月云水含量的垂直分布特征

基于观测资料的夏季云水含量时空分布情况对于数值天气预报、气候预测以及人工影响天气试验都十分重要。本文利用CloudSat卫星资料, 分析了2006～2008年中国地区夏季月平均云水含量的垂直和区域变化特征。结果显示, 青藏高原地形以及东亚夏季风对月平均云含水量分布具有明显影响。中国中部纬度上对流层中层的月平均液态水含量比南部及北部的量值大。各月平均云液水含量垂直廓线存在两个不同高度上的峰值区, 原因可能主要是受大尺度参数的控制, 以及受到青藏高原和东亚季风环流的影响。平均冰水含量纬向垂直分布的高值区主要在对流层中上部。本文中所揭示的云水含量特征为天气和气候模式改进、人工影响天气及云—辐射相互作用提供了重要的基础信息。     

全天空图像分析西藏羊八井2009～2010年云量特征

运用西藏羊八井观测站2009～2010年近1年的高时空分辨率全天空图像资料分析了测站上空的日间云量特征。年平均总云量统计结果为5.2;冬夏季节云量分布差别明显,夏季平均云量大,冬季小;无云、少云天气多出现在冬季上午,而夏季午后满云情况较多;1～4月及11、12月(冬半年)云量日变化特征明显,上午逐步增加,至17:00(北京时间)左右到达高值,随后逐步下降,形成白天云量渐多夜间云量消散的"循环"过程。运用该地资料还分析了运用时间概率方法估算的点云量与实际云量的差异,小时平均结果显示无云及满云天气条件下二者云量一致性较高,而对中等云量天气二者相差较大。更长时间尺度(天平均)的统计对比表明,随着统计样本增加二者差距缩小。总体来看少云天气情况下点概率云量估算低于实际天空云量,当天空多云时点概率云量则大于实际天空云量。