基于卫星资料的青藏高原卷云特性研究北大核心CSCD

青藏高原(下称高原)地区是中国气候的敏感区,为准确认识其上空的卷云特征,利用MODIS的M YD06二级云产品数据,对高原地区卷云的概率分布、云顶高度、粒子有效半径以及光学厚度进行了统计分析。结果表明:(1)卷云在3月和4月出现概率最高,10 12月出现概率最低。在全年中,卷云概率分布为双峰型,1 4月为一个高峰期,7 8月为另一个高峰期;两个低值期出现在5 6月和912月。(2)6月和10月卷云云顶高度的概率分布会产生显著的变化。卷云云顶高度平均最大值出现在7 8月,最小值出现在1 2月。(3)卷云的粒子有效半径主要分布在5~40μm之间,15~25μm间概率最大。卷云粒子尺度平均最大值出现在8 9月,最小值出现在12月至次年2月。(4)卷云的光学厚度主要分布在0~40之间,0~10间概率最大。卷云光学厚度最大值出现在8 9月,最小值出现在12月至次年2月。     

基于卫星资料的青藏高原卷云特性研究

青藏高原(下称高原)地区是中国气候的敏感区,为准确认识其上空的卷云特征,利用MODIS的M YD06二级云产品数据,对高原地区卷云的概率分布、云顶高度、粒子有效半径以及光学厚度进行了统计分析。结果表明:(1)卷云在3月和4月出现概率最高,10 12月出现概率最低。在全年中,卷云概率分布为双峰型,1 4月为一个高峰期,7 8月为另一个高峰期;两个低值期出现在5 6月和912月。(2)6月和10月卷云云顶高度的概率分布会产生显著的变化。卷云云顶高度平均最大值出现在7 8月,最小值出现在1 2月。(3)卷云的粒子有效半径主要分布在5~40μm之间,15~25μm间概率最大。卷云粒子尺度平均最大值出现在8 9月,最小值出现在12月至次年2月。(4)卷云的光学厚度主要分布在0~40之间,0~10间概率最大。卷云光学厚度最大值出现在8 9月,最小值出现在12月至次年2月。     

中国地区卷云消光后向散射比的星载激光雷达遥感

利用两年的星载激光雷达数据对中国地区卷云的消光后向散射比［又称激光雷达比 (简称LR)］进行了研究分析。其中结合多次散射对光学厚度的依赖关系式和LR与透过率之间的关系式来求取LR, 并提出五条质量控制标准来保证数据质量的可靠性。统计结果指出LR的月季变化并不是很明显, 均值在24左右。中国地区的LR在热带辐合带相对较高, 并随纬度的降低而增加 (大约从22到27)。同时, 从这个结论得出, 为了更好地求取卷云的光学厚度, 在中国地区为星载激光雷达选取的LR常数应该随纬度变化而改变。     

基于CALIPSO卫星资料的京津冀地区MODIS卷云云顶高度订正

卷云在大气辐射中扮演着重要角色,对天气系统和气候变化产生重要影响。相比传统地基观测手段,卫星遥感更容易探测到高层卷云的信息,本文利用CALIOP主动遥感仪器可获取较为准确的薄卷云特性的特点,针对MODIS被动遥感探测器反演的薄卷云云顶高度的偏差开展订正研究。研究选取2013～2017年京津冀地区MODIS云产品,结合CALIPSO卫星的卷云云顶高度数据,基于交叉验证的方法得到线性拟合方案,对MODIS卷云云顶高度进行订正。订正后的MODIS与CALIPSO卷云云顶高度差值的分布区间由?3～2 km变为?2.0～2.5 km,峰值由?0.8 km左右变为0.2 km左右。订正效果随云顶高度和云光学厚度的不同有所变化,其中较低层卷云和光学薄卷云的订正效果更明显。     

卷云数值模式和对流性卷云数值模拟

本文建立了两线面对称、滞弹、非静力平衡,包含有水汽、云水、云冰、雪晶和霰五种水元间各种微物理过程的卷云模式。运用该模式对卷云对流胞的典型环境作无切变和有4×10~(-3)s~(-1)的风切变两种情况模拟表明,风切变环境下的对流较弱,但最大上升气流仍达2.71m/s。无风切变环境下卷云对流易于向两边传播,而当存在强风切变作用时,对流向上风方传播。模拟卷云的宏、微观结构及其演变特点与国外飞机穿云、卫星和地面遥感等观测结果十分一致。模拟表明卷云对流的下沉气流及下落冰粒子的蒸发冷却激发出的新的上升气流是卷云多核心结构和对流卷云向层状卷云演变的重要机制;卷云中过饱和度对冰晶核化的依赖和抑制是卷云冰晶浓度远低于FLETCHER浓度的一个主要原因。     

卷云与水云的短波透射与反射特性

利用矩阵算法计算了对不同太阳天顶角下不同光学厚度的卷云与水云,在4π空间内0～360o的不同方位与0～90o不同天顶角下的波长为1.39 μm太阳短波波段的透射与反射,其天顶角间隔为5.6o,方位角间隔为5.0o。可以看出两种云透射和反射辐射的差别及它们随着光学厚度变化而变化的情况。同时,将其与波长为0.55 μm的可见光波段的透射和反射进行了比较。     

基于CloudSat/CALIPSO联合探测的南京地区卷云物理特性分析

卷云的物理特性对研究卷云的辐射强迫具有重要意义。利用星载雷达(CPR,Cloud Profile Radar/CALIOP,Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization)联合探测反演数据产品,对南京地区的2007年1月—2010年12月4 a的卷云物理特性进行了统计分析。研究结果表明:(1)4 a的卷云出现概率均是春季和夏季大于秋季和冬季;(2)全年的平均云底、云顶高度相当,整体相差较小,分布较为稳定,云底、云顶高度年平均值在2009年均出现最大值,分别为10.065 km,11.685 km;(3)冰水含量(IWC)的范围基本集中在0.000 0~0.050 0 g/m~3,粒子有效半径(ER)的范围基本集中在30～40μm之间;IWC和ER的年平均值在2009年均出现最小值,分别为0.045 8 g/m~3,45.893μm。南京地区卷云的物理结构特征可为气候模式或辐射传输模式中典型高云参数的输入和使用提供参考。     

基于CloudSat资料对中国低纬度陆地区域卷云物理特征的研究

利用2008年9月—2016年8月的CloudSat卫星资料对发生在我国低纬度陆地区域(5°~36.5°N,78°~124°E)的卷云物理特征进行统计分析,并分别讨论东部沿海、中部、西部3个子区域的卷云物理特征的季节变化。结果表明:卷云的整层发生率西部地区整体低于中部与东部沿海地区。3个子区域整层发生率均在夏季最高、冬季最低。卷云的主要发生高度在5.04~18.71 km,垂直分布中卷云发生率的最大值出现在春季中部地区,为15.34%,高度为9.83 km。冰水路径最大值出现在夏季的东部沿海,液水路径最大值在秋季的西部地区。冰水含量、冰粒数浓度、冰粒有效半径的主要分布高度与卷云的发生高度一致,液水含量、液滴数浓度、液滴有效半径的主要分布高度在5.04~9.35 km。3个子区域卷云冰水含量、冰粒数浓度、冰粒有效半径垂直分布中大多集中在中上部;液水含量垂直分布主要集中在分布高度的中下部。四季卷云雷达反射率因子的最大值在-19.89~-16.78 dBZ,分布高度在7.19~10.55 km。     

地基双波长偏振激光雷达对格尔木地区卷云观测的个例研究

中国科学院大气物理研究所研制了一台双波长偏振激光雷达,在格尔木市气象局进行了为期一年的不连续观测。本文选择了其中一天的观测个例,分别从雷达硬件结构、数据类型、数据处理方法等方面进行了系统的介绍和分析。结果表明,此次观测个例中,卷云位于地表以上4.7 km~7 km处,光学厚度均小于0.1,532 nm和1064 nm上的平均激光雷达比分别为24.3 Sr(激光雷达比)和29.9 Sr,色比多集中在0.8~1之间,此外532 nm波长上的退偏比多集中在0.25~0.3之间。此雷达对高空卷云能进行有效探测,为下一步研究青藏高原地区卷云长期时空分布特征奠定基础。     

青藏高原夏季卷云分布特征及生成机制研究

卷云在地球能量平衡和大气水循环中扮演着重要的角色。本文使用“云卫星”(CLOUDSAT)联合“云-气溶胶激光雷达与红外探路者卫星”(CALIPSO)数据分析了2007-2010年青藏高原区域夏季6-8月的卷云分布特性和生成机制。结果表明,研究期间高层卷云发生数远远高于低层卷云发生数,高层卷云主要分布在高原南部地区,而低层卷云除了高原西部,在高原的边缘均有较大的发生频率。重力波耗损量和低层卷云发生数成正相关,重力波耗损量越大,导致卷云发生数越多,这是因为高原地区卷云的形成与重力波导致的温度扰动密切相关。深对流活动主要分布在青藏高原东南部,当向外长波辐射(OLR)低于140 W·m^-2,即深对流活动最强时,高层卷云日发生数呈现爆发性增长,远高于高原北部和西部地区。青藏高原南部边缘除了受深对流的影响,水汽含量和垂直向上风速也与卷云发生密切相关,呈现从南到北逐渐减少的趋势,这与高原地形的抬升强迫有直接关系。     

Cirrus Cloud Macrophysical and Optical Properties over North China from CALIOP Measurements

Two years of mid-latitude cirrus cloud macrophysical and optical properties over North China are described from Earth-orbiting Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization(CALIOP) satellite measurements. Global cloud climatological studies based on active remote sensing data sets benefit from more accurate resolution of vertical structure and more reliable detection of optically thin layers.The mean values for cirrus cases over North China are 0.19±0.18 for infrared emittance,0.41±0.68 for visible optical depth, 0.26±0.12 for integrated depolarization ratio,and 0.72±0.22 for integrated color ratio.When studied using reasonable assumptions for the relationship between extinction and ice crystal backscatter coefficients,our results show that most of the cirrus clouds profiled using the 0.532μm channel data stream correspond with an optical depth of less than 1.0.The dependence of cirrus cloud properties on cirrus cloud mid-cloud temperature and geometry thickness are generally similar to the results derived from the ground-based lidar, which are mainly impacted by the adiabatic process on the ice cloud content.However,the differences in macrophysical parameter variability indicate the limits of spaceborne-lidar and dissimilarities in regional climate variability and the nature and source of cloud nuclei in different geographical regions.     

Cloud-base distribution and cirrus properties based on micropulse lidar measurements at a site in southeastern China

The cloud fraction(CF) and cloud-base heights(CBHs), and cirrus properties, over a site in southeastern China from June 2008 to May 2009, are examined by a ground-based lidar. Results show that clouds occupied the sky 41% of the time.Significant seasonal variations in CF were found with a maximum/minimum during winter/summer and similar magnitudes of CF in spring and autumn. A distinct diurnal cycle in the overall mean CF was seen. Total, daytime, and nighttime annual mean CBHs were 3.05 ± 2.73 km, 2.46 ± 2.08 km, and 3.51 ± 3.07 km, respectively. The lowest/highest CBH occurred around noon/midnight. Cirrus clouds were present ～36.2% of the time at night with the percentage increased in summer and decreased in spring. Annual mean values for cirrus geometrical properties were 8.89 ± 1.65 km, 9.80 ± 1.70 km, 10.73 ± 1.86 km and 1.83 ± 0.91 km for the base, mid-cloud, top height, and the thickness, respectively. Seasonal variations in cirrus geometrical properties show a maximum/minimum in summer/winter for all cirrus geometrical parameters. The mean cirrus lidar ratio for all cirrus cases in our study was ～ 25 ± 17 sr, with a smooth seasonal trend. The cirrus optical depth ranged from 0.001 to 2.475, with a mean of 0.34 ± 0.33. Sub-visual, thin, and dense cirrus were observed in ～12%, 43%, and 45%of the cases, respectively. More frequent, thicker cirrus clouds occurred in summer than in any other season. The properties of cirrus cloud over the site are compared with other lidar-based retrievals of midlatitude cirrus cloud properties.     

Lidar remote sounding of cirrus clouds and comparison of simulated fluxes with surface and METEOSAT observations

Three cirrus cloud cases have been remotely sounded near Paris by a ground-based backscatter lidar and broadband radiometers. Some cirrus properties (optical depth, emissivity, height) are derived from these measurements and used to compare radiative transfer calculations to surface and METEOSAT observations of broadband irradiances.For a useful comparison, the three cirrus cases were selected to have different morphologies and optical properties: June 29, 1993—thin cirrus cloud (thickness 1.5 km, optical depth 0.22); September 6, 1993—thick cirrus cloud (thickness 5 km, optical depth 2.7); and November 16, 1993—inhomogeneous and geometrically thick cirrus cloud (thickness 3.5–6.5 km) but optically thin (optical depth 0.82).At surface, the differences between measurements and model range from 1.5 to 4 Wm⁻² for longwave fluxes, and from 20 to 70 Wm⁻² for shortwave fluxes.At the top of the atmosphere, the differences between METEOSAT measurements and model are in fair agreement for longwave fluxes (up to 50 Wm⁻²). However, unexpected high differences are found for shortwave fluxes (up to 144 Wm⁻²) due to cirrus clouds heterogeneities and uncertainties in their microphysical properties and especially the occurrence of high reflectivity due to horizontally oriented ice crystals at the cloud top, which are not taken into account by the Model presently.     

京津冀地区夏季降水冰云和非降水冰云云特征对比分析

利用2013～2016年的Aqua MODIS卫星和CloudSat卫星的二级产品资料,对发生在京津冀地区夏季的降水冰云和非降水冰云进行了统计。基于此,对比分析了两类冰云的云类型,研究了二者在云特征参数、云层数及垂直结构上的差异,并且探究了二者在不同通道下云特征参数的相对大小。结果表明:1）京津冀地区的降水冰云以深对流云和雨层云为主,分别占48.63%和34.65%,而非降水冰云以高层云和卷云为主,分别占55.62%和31.58%。2）降水冰云和非降水冰云的平均云顶温度、云顶高度、光学厚度、积分云水总量、有效粒子半径分别为230.99 K、10.90 km、53.26、937.98 g/m2、31.45m和236.17 K、10.10 km、12.81、209.00 g/m2、27.54 μm。3）降水冰云以单层云为主,占80.39%,双层云占18.75%;而非降水冰云仍以单层云为主,占85.35%,双层云则占14.38%,比降水冰云低。4）相较于非降水冰云,降水冰云中卷云和高积云云体位置较高,而高层云和深对流云位置较低。5）随高度变化,降水冰云冰水含量是双峰结构,而非降水冰云是单峰结构;二者的粒子数浓度则差异不大;非降水冰云的粒子有效半径在5～7.5 km随高度变化不大,而降水冰云则随高度减小。6）降水冰云的积分云水总量、光学厚度和粒子有效半径>≥模态[、、分别代表该云特征参数在1.6、2.1、3.7 μm通道中的数值,当n=1, 2, 3时,分别代表光学厚度（b₁）、积分云水总量（b₂）、有效半径这三种（b₃）]的比例都高于非降水冰云,而二者在云参数≥≥模态的比例则有差异。     

北京地区对流层中上部云和气溶胶的激光雷达探测

介绍了近年来研制的一台多波长激光雷达及其探测对流层高云和气溶胶的实验,并依据探测结果重点分析了北京2000年1月至4月对流层上部云和气溶胶在532 nm波长的消光系数分布特征.结果表明:从6 km至11 km的气溶胶光学厚度值在0.0152至0.0284之间变化,均值为0.0192.从6 km至11 km的云光学厚度值在0.014至0.23之间变化.观测到的单层高云的厚度最大为6 km.4月6日,近年来最强的一次沙尘暴袭击北京.4月7日北京地区无可见云,激光雷达探测结果表明,从4 km至10 km高度范围内,存在一层厚度约为6 km的气溶胶粒子层,消光系数峰值处于8 km附近,比晴天无云时的消光系数值约大一个数量级.估计这是一层沙尘气溶胶,系由远距离输送至北京形成的.     

合肥上空卷云和沙尘气溶胶退偏振比的激光雷达探测

研制了一台L300偏振激光雷达,用于卷云和沙尘气溶胶后向散射光退偏振比的探测研究.介绍了偏振激光雷达的探测原理,叙述了L300偏振激光雷达的结构、技术参数、测量方法和数据处理方法.初步的探测结果表明,合肥西郊上空高度在10 km左右的卷云的退偏振比在0.4～0.5之间,沙尘气溶胶的退偏振比在0.2～0.3范围内,但是剧烈沙尘暴的气溶胶的退偏振比可达到0.4左右.