CloudSat卫星及其在天气和云观测分析中的应用

介绍了2006年4月28日成功发射的第1颗以对云层特性进行全球主动遥感测量CloudSat卫星的观测仪器、工作参数、运行方式、数据产品及“A—Train”卫星群等基本概况。CloudSat卫星主要有效载荷是94GHz（3mm波）云雷达,它可以“切开”云层,获得许多有关云的最新气象数据,主要数据产品包括了云的宏观物理参量和微观物理参量。介绍了CloudSat卫星已获得的典型天气和云的初期观测结果：从首次观测的云三维图片,可以清楚地看到南极洲上空风暴云的垂直剖面结构特征;从首张获得降雪云的垂直剖面图像可以得到降雪云层的发展状态以及结构特点;使用CloudSat统计数据可分析全球水凝物的分布特征。将TRMM卫星上的测雨雷达与CloudSat卫星上的云雷达联合观测研究,可以获得从薄云到浓厚云及降水的精细垂直结构特征。通过下载的CloudSat观测资料,对我国典型台风和层状云系等两类不同天气条件下云的宏微观结构特征等进行了初步分析,可以看到台风眼区附近云系的垂直结构随台风发展不同阶段的演变;从层状云系的垂直剖面可以清楚地发现云层的内部分层结构及不同相态的垂直分布特征等。     

基于CloudSat和ISCCP资料的中国及周边地区云量分布的对比分析

利用2006年7月至2007年6月的CloudSat 2B-GEOPROF-LIDAR产品资料和国际卫星云气候计划(ISCCP)D2月平均云量数据, 统计分析了中国及周边地区午间、凌晨年平均总云量的分布特征, 并对两种探测手段得到的年平均总云量及其昼夜变化进行了对比分析。结果表明, ISCCP与CloudSat总云量的分布形势在午间和凌晨均具有较好的一致性, 即相对多云与少云中心的位置吻合较好。但是, 两种资料得到的总云量在量值上存在一定差异。对于整个研究区域而言, 午间ISCCP较CloudSat平均总云量偏低8.9%, 凌晨偏低15.1%。除了中国北方少云带和日本岛以北海域等区域ISCCP云量高于CloudSat云量外, 其他区域ISCCP云量普遍低于CloudSat云量, 且在青藏高原、帕米尔高原、横断山脉、云贵高原以及印度半岛南端和热带部分岛屿等区域尤其显著。进一步对比表明, ISCCP与CloudSat云量差值总体上随CloudSat云量的增大而呈线性变化, 在CloudSat少云区ISCCP略有偏高, 而在多云区则显著偏低。此外, 对云量昼夜变化的对比分析发现, 青藏高原地区ISCCP云量昼夜变化量显著大于CloudSat。     

基于CloudSat卫星观测的贵州冻雨形成机制分析

利用CloudSat卫星观测资料,从云物理观测和温度垂直结构角度对贵州地区冻雨形成机制进行分析。结果表明,对冰相机制的冻雨,CloudSat卫星的CPR雷达反射率、云冰含量和温度廓线产品能够描述冰相降水粒子在融化层中相变为液态水的"融冰"过程,雷达反射率回波0℃层亮带是该过程的直接反映,云冰含量产品也能够反映融化层对冰相降水粒子的融化作用。对"过冷暖雨"机制的冻雨,CloudSat卫星能够描述降水粒子在整层气温低于0℃的环境中保持过冷水状态下落的过程。研究基于云物理观测证实贵州冻雨存在一种具有融化层的暖雨机制,其大气存在着具有融化层的逆温结构,降水粒子在融化层中为普通液态水,在温度略低于0℃的环境中为过冷水,过冷水下落经过融化层时升温变为普通液态水,再继续下落进入次冻层冷却,最后与低于0℃的地面物体碰并冻结形成冻雨。冻雨形成机制不能通过融化层区分。     

基于动态阈值法的NOAA系列卫星云检测结果检验

采用我国地面报资料、国际船舶报资料和云卫星(CloudSat)产品,分别对多通道动态阈值云检测方法的云检测结果进行了检验。结果表明,动态阈值云检测方法可用于长时间序列卫星观测数据的云检测,不仅运行速度较快,可实现全自动,且精度较高,陆地上空云检测准确率为82.8%(地面报资料),海洋上空云检测准确率为91.5%(船舶报资料)。此外,还利用CloudSat资料检验不同观测时间差对NOAA系列卫星云检测结果检验的影响。     

基于CloudSat卫星资料分析青藏高原东部夏季云的垂直结构

本文利用CloudSat卫星资料,对青藏高原东部2006~2010年6~8月云垂直结构的空间分布进行分析,结果表明:(1)夏季青藏高原东部云发展可达到平流层,且高原东部云在5km以下以水云存在,5~10km以液相和固相共存的混态存在,在垂直高度10km以上以冰云存在。由于CloudSat卫星资料云相的反演问题,可能会造成水云和混态云的发展上限偏低,冰云的发展下限抬升。(2)研究区整层水汽输送和云水平均路径空间分布存在一定的差异性,云水含量纬向分布表现为在26.5°~30.5°N附近存在一个明显的峰值区,经向分布表现为95°E以西云水含量低于以东。(3)研究区以单云层为主,尤其在青藏高原主体。单云层平均云层厚度4182 m,云顶高度、云厚限于水汽的输送,表现为由南向北波动下降。多层云发生频率在27°N以北明显减少,说明强烈的对流运动更容易激发多层云的产生。     

星载毫米波测云雷达在研究冰雪天气形成的云物理机制方面的应用潜力

从2008年1月10日起,受强冷空气和暖湿气流共同影响,中国南方大部分地区遭遇1954年以来罕见的冰冻天气,此次天气过程持续时间长、冰冻范围广、受灾程度重.文中简要介绍了毫米波雷达的探测特点及衰减特性;重点利用CloudSat 卫星上搭载的3 mm波长云廓线毫米波雷达(CPR)的探测结果分析了1月28日、2月10日南方冰雪天气形成的云物理机制,并且与C波段测雨雷达探测结果对比;结果表明:(1)毫米波雷达具有高空间分辨率,能够清楚地反映云的垂直和水平结构,且清晰地反映云中0℃层融化带的垂直特征.(2)1月28日湖南冻雨、2月10日贵州冻雨分别是"冰雪-雨-过冷雨"和"过冷云-过冷雨"两种典型的云物理机制,云内0℃层融化带的强度和厚度与近地面温度的高低是能否形成冻雨天气的关键因素.(3)毫米波雷达在冰冻天气研究中有很大的应用潜力;充分将毫米波雷达与天气测雨甫达以及其他遥感手段结合,可以取长补短、相得益彰.发展毫米波探测技术将对研究各种天气形成的微观物理机制、云物理的发展、气候变化的研究及人工影响天气等工作均有重要意义.     

2009年山东一次特殊雨雪天气的云物理特征分析

利用探空、CloudSat卫星、山东自动气象站及NCEP再分析资料,对2009年11月11-12日山东西部大暴雪过程的天气形势、云物理特征及动力场结构特征进行了分析。结果表明:(1)700hPa切变线和西南急流是造成暴雪的直接影响系统,中低层偏南风急流与冷空气交汇形成较强的动力辐合和水汽辐合,有利于天气系统的发展和增强。(2)暴雪区上空水平能量锋区明显,垂直方向上等θse线密集且随高度向北显著倾斜,为暴雪的产生提供了重要的热力条件。(3)强降雪发生前,低层冷空气的南侵触发了暴雪系统的发展;暴雪强盛期,高层气旋性环流促使暴雪区中高层西南暖湿气流输送加强;暴雪后期,冷空气加强并逐渐控制了中低层,切断了暖湿气流的供应,导致降雪逐渐停止。(4)上升气流有助于水汽的输送和云滴、冰晶、雪晶粒子之间的碰并、淞附,冰水含量大值区与上升速度大值区相一致,冰晶数浓度中心对应着上升运动顶部。高层冰晶下落过程中经过凝华、结淞及碰连增长在低层形成数浓度较低的大冰相粒子,为降水发展提供了有利条件。(5)结合CloudSat卫星资料、NCEP再分析资料及探空秒数据,分析了一定动力条件下暴雪云系的物理过程和垂直演变特征。     

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。      

江西区域性大雾出现前期云图云场特征分析

主要介绍江西省区域性大雾中几种主要类型雾的前期云场特征,并介绍雾区已形成时的云场特征及多数连续性大雾天气的卫星云图云场特征。     

基于CloudSat资料的东北地区降水云及非降水云垂直结构特征对比分析

利用2007—2010年CloudSat和CALIPSO卫星资料,首先通过大量个例分析并结合地面逐小时降水量观测资料验证CloudSat卫星识别降水云指标的合理性。在此基础上,统计分析了东北地区(39°~53°N、119°~135°E)的云垂直结构参数,着重分析了降水云系和非降水云系的垂直结构差异和季节差异。结果表明:东北地区云量廓线呈双峰分布特征,有明显的昼夜及季节差异。东北地区以单层云为主,降水也主要产生于这类云系,是东北地区人工增雨作业的主要对象。单层降水云以低云、冷云、冰云或混合云为主,主要云类别是雨层云。双层降水云以高低云或中低云配置为主,且都为冷云;高层以冰云为主,主要类型是卷云和高层云;低层以混合云或冰云为主,主要类型是雨层云、层积云、积云。降水云系与非降水云系存在显著的垂直结构差异,双层云的降水由低层产生。云底高度较低、云体较厚且夹层厚度更薄的云易产生降水。同时,降水云云底温度更高,分布呈现出季节差异。     

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。     

基于卫星遥感图象纹理特征的云类识别方法及软件设计

介绍了基于卫星遥感资料,运用纹理学识别云类的原理、方法及软件设计。理论与实际分析表明,不同的云类对纹理敏感,纹理特征量是识别云类的良好因子,软件设计充分考虑了模块化,可视化与交互性。     

主要卫星云气候数据集评述

自20世纪70年代气象卫星进入业务化观测以来,气象卫星已提供了40余年的观测数据。长时间序列的卫星数据为云气候研究提供了可能。基于长时间序列的卫星数据,构建云气候数据集会涉及诸如定标、反演算法、反演数据精度验证等方面。目前国际上也已生成了一系列的云气候数据集,如ISCCP,Patmos-x,CLARA和MODIS-ST等,这些数据集所选用的探测数据、反演算法不尽一致,数据集产品的时空属性各异。如何发挥极轨和静止气象卫星各自优势,融合两类卫星数据,形成高时间分辨率、质量稳定的长时间序列云气候数据集是未来需要解决的问题。     

沙暴天气的云图特征分析

在研究我国沙暴分布特征的基础上，通过两次沙暴天气的对比分析，给出了沙暴天气的云图特征。     

GMS-5四通道云图的自动分类及其在定量降水估算中的应用

根据日本地球静止气象卫星（GMS-5）云图的新特点,运用动态分类方法对GMS-5四通道卫星云图进行分类,得到各种云类及地表。并由分类结果,根据一维云模式得到的对流云对流核心云顶温度与降水之间的关系,对层云和对流云做定量降水估算。并用1995年8月31日的云图资料进行对流云和层云的降水估计试验,将估算出的降水率和降水面积与地面1 h的观测降水资料进行比较,结果表明：假如设置40%为降水的允许误差,那么降水估计的准确覆盖率将达到70%。能在业务应用中推广,并且该方法可以应用到即将发射的风云2号气象卫星资料处理     

一次降雹过程的数字化雷达回波分析

利用东营市７１３数字化雷达和卫星云图资料，分析了１９９５年６月２４日发生在黄河三角洲地区的暴雹天气过程，对冰雹云的雷达回波特征及卫星云图特征进行了分析。     

用多谱阈值法进行GMS-5卫星云图云型分类的研究

介绍了利用GMS-5卫星云图资料获得晴空、半透明云或碎云和高、中、低云的方法。基于最优回归统计法得出多谱阈值与等压面温度的统计关系，利用MM5中尺度数值预报模式的预报结果计算动态变化的多谱阈值，使云判别阈值能适应不同的天气。实际资料试验表明：多谱阈值法是一种可行的云判别和支分类的方法。该方法能较准确地区分云与晴空、判别出高云和低云，对半透明云或碎云及中云也有一定的判别能力。该方法基本能应用于实时云分类 业务。     

Verification and Correction of Cloud Base and Top Height Retrievals from Ka–band Cloud Radar in Boseong,Korea

In this study,cloud base height(CBH) and cloud top height(CTH) observed by the Ka-band(33.44 GHz) cloud radar at the Boseong National Center for Intensive Observation of Severe Weather during fall 2013(September-November) were verified and corrected.For comparative verification,CBH and CTH were obtained using a ceilometer(CL51) and the Communication,Ocean and Meteorological Satellite(COMS).During rainfall,the CBH and CTH observed by the cloud radar were lower than observed by the ceilometer and COMS because of signal attenuation due to raindrops,and this difference increased with rainfall intensity.During dry periods,however,the CBH and CTH observed by the cloud radar,ceilometer,and COMS were similar.Thin and low-density clouds were observed more effectively by the cloud radar compared with the ceilometer and COMS.In cases of rainfall or missing cloud radar data,the ceilometer and COMS data were proven effective in correcting or compensating the cloud radar data.These corrected cloud data were used to classify cloud types,which revealed that low clouds occurred most frequently.