基于云类型匹配和距离误差权重的单层云云底高度估计

云底高度(cloud base height,CBH)的观测对地气系统的辐射模拟和保障飞行安全有重要意义。本文结合CloudSat/CPR、CALIPSO/CALIOP和Aqua/MODIS的主被动观测资料,建立了基于云类型和距离的CBH估计算法。本文云分类方法采取国际卫星云气候计划(International Satellite Cloud Climatology Project,ISCCP)的云分类法,并利用A-Train数据对估计结果进行验证。结果表明,CBH的平均误差小于3 km,而低云CBH的平均误差小于1 km。在0~500 km的估计范围内,CBH估计的绝对误差主要在1 km以内,均方根误差不超过3 km。最后,基于此方法,本文重建了一个锋面云系的三维结构。     

联合星载毫米波雷达和中分辨率光谱成像仪的云底高度反演

云底高度是云重要的宏观物理参数。本文基于MODIS和CPR探测得到的可见光、红外和毫米波数据,提出了用主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)和BP神经网络反演云底高度的新方法,并以相对湿度阈值法处理探空资料所获取的云底高度为基准,对PCA-BP法和CloudSat产品获取的云底高度进行了对比分析。结果表明:对绝大部分类型的云,PCA-BP法的反演偏差小于CloudSat产品。PCA-BP法和CloudSat产品反演的云底高度在夏季偏低,在其他季节偏高,且PCA-BP法与探空仪的均方根误差在所有季节均小于CloudSat产品,两者反演的云底高度具有一致的季节特征,即夏高冬低。PCA-BP法和CloudSat产品所获取的云底高度随纬度升高有减小趋势,在不同地区,两者具有不同的反演效果,反演误差随纬度升高而逐渐减小,对比结果说明了PCA-BP法反演云底高度具有一定的可行性。     

基于模板匹配的云底高度估计

本文提出一种将主动卫星遥感云底高数据扩展到被动遥感卫星视场的新方法。在分析云顶高度(CTH)和云水路径(CWP)对云垂直分布影响的基础上,提出用CTH和CWP两项参数为基的模板匹配法,结合加权最近邻插值估计云层厚度,并用成熟的CTH反演产品减去云层厚度,得到云底高度(CBH)。然后引入小波去噪的方法抑制对云底高度估计的局部高频涨落。与基于云类型的估计方法相比,该方法在20~300km范围内与其估计效果相当,且在170~240km范围内误差更小。考虑到基于云类型的估计方法在CloudSat卫星和MODIS云分类结果上存在差异,本文方法的适用性更好。     

基于卫星资料的中国西部地区云垂直结构分析北大核心CSCD

利用2007年3月2008年2月CloudSat与CALIPSO卫星相结合的云分类产品2B-CLDCLASS-LIDAR数据,分析了中国西部及周边地区云的垂直结构特征。研究结果表明,各地区单层云出现频率均大于多层云,天山山脉、祁连山脉中西段多层云出现频率全年均大于周围地区;所有云的云顶和云底高度在不同高度的出现频率具有明显的区域和季节变化特征,且云顶高度的季节变化较云底高度显著;西北地区各云层高度的季节变化不明显,青藏高原(下称高原)地区各云层高度在冬、夏季反差较大;单层云的平均厚度超过2 km,2层云和3层云的厚度基本在1~2 km;云层间距以2层云最大,且高原地区云层间距季节变化较西北地区明显;高原南坡夏季冰云出现频率较多,其他地区冬、春季冰云出现较多,除高原南坡外,冬季冰云出现频率均在80%以上。     

基于卫星资料的中国西部地区云垂直结构分析

利用2007年3月2008年2月CloudSat与CALIPSO卫星相结合的云分类产品2B-CLDCLASS-LIDAR数据,分析了中国西部及周边地区云的垂直结构特征。研究结果表明,各地区单层云出现频率均大于多层云,天山山脉、祁连山脉中西段多层云出现频率全年均大于周围地区;所有云的云顶和云底高度在不同高度的出现频率具有明显的区域和季节变化特征,且云顶高度的季节变化较云底高度显著;西北地区各云层高度的季节变化不明显,青藏高原(下称高原)地区各云层高度在冬、夏季反差较大;单层云的平均厚度超过2 km,2层云和3层云的厚度基本在1~2 km;云层间距以2层云最大,且高原地区云层间距季节变化较西北地区明显;高原南坡夏季冰云出现频率较多,其他地区冬、春季冰云出现较多,除高原南坡外,冬季冰云出现频率均在80%以上。     

基于CloudSat资料的中国及周边地区各类云的宏观特征分析

利用2006年7月—2009年4月的CloudSat2B-CLDCLASS云分类资料,针对中国及周边地区(0°—60°N,70°—140°E)各类云量和垂直结构参数的地理分布及季节变化进行了统计分析,并根据气候特征的地域差异从该区域选出8个子区域,逐区统计了各类云的垂直结构特征。结果表明,各类云量的分布存在较明显的区域差异和季节变化;青藏高原和帕米尔高原地区卷云、高层云和高积云等中高云的高度和厚度相对较小,陆上深对流云的云底高度大于海上,而热带、副热带地区云顶高度大于中纬度地区;除积云、层积云和雨层云外,中国南方地区其他各类云的云层厚度均大于北方地区;除了层积云外,其他各类云的云顶高度在各区域都存在比较明显的季节变化,低云云底高度的季节变化和区域差异都很小,而中高云的云底高度除了在印度洋季风区、南海和西太平洋地区季节差异较小外,其他地区季节差异较明显,各个地区在任何季节内,深对流云厚度最大,层积云最小;各类云出现频率随高度的分布具有较明显的区域差异;卷云与高积云的相关性比较强,经常相伴出现,夏季更加明显,而雨层云和深对流云之间相互排斥,两者几乎不可能同时出现。此外,统计中国及周边地区各类云的水平均一性发现,中...     

应用CloudSat和Aqua卫星监测的暴雪过程中云的宏微观物理属性

采用CloudSat卫星资料2B-CLDCLASS及2B-CWC-RVOD数据集和Aqua卫星资料的CERES Aqua MODIS Edition 3A数据集,针对2010年12月2-4日北疆地区一次暴雪过程分析了云的类型分布、冰粒子等效半径、低层云等效高度等宏微观物理属性的垂直分布及空间分布情况。结果表明,此次暴雪过程中,云层分布在12km以下,云中冰粒子等效半径和冰水含量均随云层高度增加而减少,冰粒子数浓度在垂直高度上呈单峰分布,高值分布在云层中部5.5km处。北疆地区暴雪前和暴雪后基本为低层云云量小于40%的低值区,暴雪时则为大于60%的高值区,云等效高度暴雪前和暴雪后大多为小于6km值域区,暴雪时为大于6km的高值区。     

内蒙古西部地区降水云宏观特征

基于自动站降水、雷达回波、卫星云图等资料,挑选2017及2018年内蒙古西部地区49次降水过程,利用L波段探空、风云卫星反演以及降水数据分析该地区降水云、无降水云与临近降水云的宏观结构。超过80%的样本统计结果显示降水云云底高度小于等于3.0 km,云顶高度大于等于8.0 km,云层厚度大于等于6.0 km,云夹层数小于等于2且夹层厚度小于等于0.6 km,云夹层分布稀疏。云光学厚度和液水路径作为降水云的指标判据具有一定的优势,近70%的样本表明,降水云光学厚度大于等于20,液水路径大于等于100 g·m~(-2)。一般降水易发生在高光学厚度和高液水含量区及光学厚度大于等于55和液水路径小于等于500 g·m~(-2)的降水云区。     

基于CloudSat/CALIPSO卫星的南京地区冰云物理特性分析

该文根据CloudSat卫星搭载的毫米波雷达(CPR)和CALIPSO卫星搭载的激光雷达(CALIOP)联合探测反演2007—2010年南京地区的冰云物理特性,并通过毫米波雷达和激光雷达的对比分析,结果表明:冰云变化趋势随年份先增加后减少,且春夏季发生概率均大于秋冬季;云底高度主要分布在7～8 km之间,云顶高度主要分布在8～12 km之间,云底和云顶高度的最大平均值均出现在2009年,分别为10.07 km、11.69 km,平均值均随年份呈先减后增再减的趋势;冰云冰水含量值主要分布在0～0.005 0 g/m~3内,其值大小与出现的概率呈负相关,平均值随年份呈先增后减再增的趋势;粒子有效半径主要集中在20.0～50.0μm内,均值随年份呈逐渐递减的趋势。     

利用CloudSat资料分析青藏高原、高原南坡及南亚季风区云高度的统计特征量

云与辐射的相互作用对全球的天气和气候变化过程有着重要的影响,不同高度的云有着不同的辐射强迫,获得云体高度及其在时空上的变化对研究全球气候的变化有着重要意义。本文利用云卫星上的云廓线雷达(CloudSat/CPR)2006年6月—2007年12月期间的资料,对比分析了青藏高原、高原南坡和南亚季风区域不同云类的云顶、云底高度和云厚统计量。结果表明,在所研究区域单位面积上的云顶和云底高度变化具有一定的时空连续性,不同云类的云顶和云底高度存在不同的变化范围,且随着季节的改变均有明显的变化;同时各区域不同云类的云体厚度在夏季较大,冬季较小;各区域不同云类所占的比例(云量)也具有一定的季节变化规律。     

基于A-Train综合资料的云顶高度反演研究

提出一种适用性较强的云顶高度反演方法。利用2007年低纬地区(15°S~15°N)的A-Train综合资料反演云顶高度。首先以M0DIS通道31和通道32的亮温值为特征参数,基于SVM分类法,将云分为不透明云、半透明云和透明云三类,分类准确率达到90.6%。然后对三类云分别用核回归法反演云顶高度,将其与CloudSat的2B-GEOPROF-LIDAR产品对比,均方根误差分别为0.95、1.17和1.27 km。与未分类的核回归法结果相比,分类后三种云的反演误差都有所减小。最后分析了三个典型个例。该方法可推广至其他含有红外分裂窗通道的卫星上,发挥更多卫星资源的效用。     

基于CloudSat/CALIPSO卫星资料的青藏高原云辐射及降水的研究进展

青藏高原上空的云及其相关联的降水和辐射影响了高原上空非绝热加热的空间结构。2006年卫星发射升空的CloudSat/CALIPSO卫星提供了定量的、完整的云垂直结构信息。本文回顾了国内外基于该资料进行的青藏高原上云宏观和微观结构特征,云与降水相关性,云辐射效应以及模式中的云-辐射问题方面的研究。指出抬升的青藏高原上水汽较少,限制了高原上云的垂直高度,对云层厚度和层数有显著压缩作用。在云量及其季节变化上,单层云的相对贡献大于亚洲季风区的其他区域;夏季对流云比较浅薄,积云发生频率最高,云内滴谱较宽;降水云以积云和卷云为主,云对总降水的贡献随着云层数增多而减小,降水增强时高层冰粒子的密集度趋于紧密;夏季青藏高原地区云的净辐射效应在8 km高度存在一个厚度仅1 km左右但较强的辐射冷却层,而在其下（4~7 km高度之间）为强的辐射加热层。最后展望了未来需要进一步开展的研究。     

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。     

Application of aircraft observations over Beijing in cloud microphysical property retrievals from CloudSat

Cloud microphysical property retrievals from the active microwave instrument on a satellite require the cloud droplet size distribution obtained from aircraft observations as a priori data in the iteration procedure.The cloud lognormal size distributions derived from 12 flights over Beijing,China,in 2008-09 were characterized to evaluate and improve regional CloudSat cloud water content retrievals.We present the distribution parameters of stratiform cloud droplet （diameter ＜500 tm and ＜1500 μm） and discuss the effect of large particles on distribution parameter fitting.Based on three retrieval schemes with different lognormal size distribution parameters,the vertical distribution of cloud liquid and ice water content were derived and then compared with the aircraft observations.The results showed that the liquid water content （LWC） retrievals from large particle size distributions were more consistent with the vertical distribution of cloud water content profiles derived from in situ data on 25 September 2006.We then applied two schemes with different a priori data derived from flight data to CloudSat overpasses in northern China during April-October in 2008 and 2009.The CloudSat cloud water path （CWP） retrievals were compared with Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer （MODIS） liquid water path （LWP） data.The results indicated that considering a priori data including large particle size information can significantly improve the consistency between the CloudSat CWP and MODIS CWP.These results strongly suggest that it is necessary to consider particles with diameters greater than 50 tm in CloudSat LWC retrievals.     

基于MODIS云宏微观特性的卫星云分类方法

利用MODIS云光学厚度、云粒子有效半径、云顶高度、云相态等产品,以及表征6种云类的云光学厚度、云粒子有效半径、云顶高度、云相态的特征值,采用最小距离分类法和多阈值判识法相结合,对卫星观测像元的云进行分类,包括层云、层积云、积云、积雨云、雨层云、高积云/高层云、卷云以及卷云伴随高积云或高层云的多层云、卷云伴随层云或层积云的多层云、高积云或高层云伴随层积云或层云的多层云10类。2008年、2013年卫星分类结果与地面站云类观测对比,达到60%的一致性;将相同时间的地面小时降水量与分类结果叠加显示,出现降水处多为雨层云或积雨云。     

利用MODIS和CERES遥感数据研究青藏高原的云辐射强迫效应

准确估算青藏高原的云辐射效应,对分析该地区的近地面感热通量十分重要。本文首先利用加权平均方法,分别将中分辨率成像光谱仪(MODIS)、测云雷达(CPR)和云与地球辐射能量系统(CERES)的像元数据进行融合。利用这些数据,分析了青藏高原上多云个例(2017年5月5日)与少云个例(2017年8月2日)情况下的可见光通道和热红外通道的信号、云参数和大气长短波辐射强迫等的差异。研究表明,少云时高原地区的大气顶大气长波辐射强迫为108.3 W·m-2,多云时为104.5 W·m-2。同时少云个例中塔里木盆地的大气顶大气长波辐射强迫为200.7 W·m-2,表明该辐射强迫受到地表热力状况影响较大。深厚与浅薄云区的云顶高度相差不大,但多云个例中深厚云区的短波辐射强迫是浅薄云区的2倍多,这一比例远大于长波。这表明短波辐射强迫对云厚度较敏感。最后,本文分析了CERES观测的大气顶长短波辐射分别与MODIS热红外和可见光通道之间的关系,结果表明它们存在很好的相关性(相关系数超过0.95),MODIS的可见光通道可以用于估算大气顶的短波辐射量,而MODIS的热红外通道只可用来估算云区的大气顶长波辐射量。     

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。