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。     

东亚地区云垂直结构的CloudSat卫星观测研究

本文利用卫星CloudSat同时结合了与其同轨道的卫星CALIPSO(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations)2007至2009年3年的观测资料,将东亚地区划分为六个研究区域,着重研究了东亚地区云垂直分布的统计特征.结果表明:东亚地区不同高度的云量之和具有明显的季节变化趋势,夏季最大,春秋次之,冬季最小.海洋上空的单层云量最大值出现在冬季,而在陆地上空则出现在夏季.从云出现概率来看,东亚地区单层云出现的概率在春、夏、秋、冬季节依次为52.2%,48.1%,49.2%和51.9%,而多层(2层和2层以上)云出现的概率在春、夏、秋、冬季节分别为24.2%,31.0%,19.7%,15.8%.云出现的总概率和多层云出现的概率,在六个区域都呈现出夏季最大,冬季最小;对4个季节都呈现出东亚南部比东亚北部大,海洋上空比陆地上空大的特点,表明云出现的总概率的季节变化主要由多层云出现的概率的变化决定.东亚地区云系统中最高层云云顶的高度,在夏季最高,为15.9 km,在冬季最低,为8.2 km;在东亚南部和海洋上空较高,平均为15.1 km;在东亚北部较低,平均为12.1 km,且呈现东亚南北部之间差异较大的特点.东亚地区云系统的云层厚度基本位于1 km到3 km之间,且夏季大,冬季小;对同一季节,不同区域的云层厚度差别较小;当多层云系统中的云层数目增加时,云层的平均厚度减少,且较高层的云层平均厚度大于较低层的.云层间距的概率分布基本呈单峰分布,出现峰值范围的云层间距在1到3 km之间,各区域之间没有明显差别,季节变化也不大.本文的研究为在气候模式中精确描述云的垂直结构提供了有用的参数化依据.     

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。     

中国东部夏季深对流云的微物理特征

利用2007年1月—2010年12月的Cloud Sat-CALIPSO卫星资料,对中国东部及其周边海域(20°—35°N,103°—137°E)夏季(7—8月)深对流云的云水路径、云水含量、粒子有效半径以及粒子数浓度等微物理变量进行了统计分析,并研究了上述微物理变量的概率密度分布以及垂直变化。结果表明:中国东部夏季深对流云液态水路径可以达到1 000 g/m~2,海上液态水路径逐渐减小到600 g/m~2左右,在海洋上深对流云的冰水路径约为1 600 g/m~2,而在中国东部冰水路径大约为1 200 g/m~2;夏季深对流云的液态水含量在47—104 mg/cm3范围内分布概率最大,分布高度在5 km左右达到极大值,冰水含量的分布概率单调递减,在7—11 km高度的值大于200 mg/cm~3;液态水粒子的有效半径在8—13μm的分布概率最大,其有效半径随着高度的增大而逐渐增大,冰粒子有效半径在108μm处分布概率达到最大,最大值出现在5.8 km高度处且值为108μm;液态水粒子数浓度在55—65个/cm~3范围内分布概率最大,数浓度极大值出现的高度最大值为4.6 km,冰粒子数浓度小于297个/L,在5 km高度以上随着高度增加而逐渐增大,到12.3 km高度处达到最大。     

基于CloudSat/CALIPSO资料的我国北方2个区域云垂直分布差异研究

选用2008年1月—2014年10月的Cloud Sat/CALIPSO卫星资料,对中国北方两个4°×4°区域云垂直结构及其微物理参量进行了对比研究,区域1(114~118°E,37.5~41.5°N)和区域2(110°E~114°E,37.5~41.5°N)纬度相同经度不同。结果表明:1)区域1(E1)和区域2(E2)暖云层、混合云层和冷云层的云出现概率(Cloud Occurrence Probability,COP)差别较大。E1暖云层COP春季最大,E2则在夏、秋季达到较大值;E1混合层COP最大值出现在冬季,E2则出现在春季;2个区域冷云层COP均在春季达到最大。2)2个区域的COP高值区厚度有明显的季节性差异,E1的COP高值主要出现在夏、冬季,E2则主要出现在春、夏季。E1秋、冬季云体雷达回波最大值强于E2,但春、夏季弱于区域1。3)E2在春、秋季的液水含量、冰水含量、云滴有效半径均高于E1。     

基于CloudSat与CALIPSO联合观测研究全球云分布特征

利用2007—2010年CloudSat和CALIPSO资料,统计分析了全球云出现频率以及云量的水平和垂直分布,并与单独CloudSat资料得到的结果进行对比,讨论了CALIPSO观测到的云的空间分布特性。结果表明：全球平均总云量约0.69,云量高值区主要集中在南半球60°S附近西风带、北太平洋风暴路径带,其次是赤道辐合带（InTertropical Convergence Zone,简称ITCZ）,而云量低值区集中在北非沙漠地区及印度洋北部等地。CloudSat/CALIPSO资料与CERES等多种云观测资料获得的总云量分布都基本一致,但CloudSat/CALIPSO资料联合使用能更好地反应云的垂直结构。将联合观测的统计结果与仅使用CloudSat资料统计的云量分布结果对比,可以发现,CALIPSO在陆地上方可以观测到更多云雷达探测不到的高空冰云,且随着温度的降低,观测优势越来越明显;同时还可以观测到一些海洋上层云光学厚度较薄且未形成降水的暖云以及粒径较小的过冷水云。CALIPSO观测到的云顶粒子半径较小但数浓度较大的冰云主要分布在ITCZ、南半球60°S附近西风带和北太平洋风暴路径带地区,云量最大为0.31,占该温度下冰云总量的28％以上;而这些未形成降水的暖云主要是在10~20℃温度范围内南北美洲和南非西海岸地区,云量最大可达到0.4,占该温度下暖云总量的50％以上;过冷水云则主要是在-10℃~0℃温度范围内的南半球60°S附近西风带,云量也增加了0.1以上,约占混合云的15％。     

利用MODIS卫星产品分析西南地区云水特征

采用NASA Goddard Earth Science DAAC发布的2001—2010年MODIS水云云水含量和水云粒子有效半径资料, 选取西南地区（四川、重庆、云南、贵州）,分析了水云云水含量和水云粒子有效半径的多年平均空间分布特征,对年和季节平均水云云水含量和粒子有效半径进行了线性趋势分析,并进行了显著性检验。结果表明：西南地区年和季节多年平均云水含量在海拔高的地方偏少,在海拔低的地方偏多;年和季节多年平均粒子有效半径的空间分布特征与云水含量相反。云水含量具有季节差异性,秋季和夏季是云水含量最丰富的季节,春季和冬季较少;粒子有效半径的季节差异较小。10年中云水含量呈减少趋势,春季和冬季云水含量减少趋势明显;而粒子有效半径无显著变化趋势。     

广西秋季层状云微物理特征分析

利用2012年11—12月在广西进行的11架次飞机云物理探测资料对层状云宏微观物理结构特征进行研究,探讨层状云降水机制。结果表明:广西层状云微物理特征与我国其他地区的存在显著差异。层状云典型的微物理垂直结构为在云下层是由凝结作用生成云滴,随上升气流发展,云滴数浓度、平均直径和液态水含量随高度逐步增加,云滴谱拓宽,谱型向大尺度的方向扩展,至云中上层增大至最大值后随高度减小。冷暖混合云结构的高层云冷云部分的冰相粒子落入暖层后对其微物理结构产生影响,主要是使云滴谱展宽,CIP云滴平均直径垂直分布变幅增大,有利于暖层中碰并过程的启动和发展。层积云微物理水平分布呈现不连续跳跃式变化特征,存在对流泡结构,对流泡内各微物理量高于泡外,云滴谱型向大尺度移动,对流泡结构是层积云形成降水的重要机制。     

基于CloudSat卫星资料的青岛地区云特征研究

利用2007—2010年CloudSat卫星资料,对青岛地区（35.583°～37.150°N,119.050°～121.000°E）云特征参量进行了统计分析。结果表明：单层云出现频率为39%左右,多层云主要以2层云为主,出现频率均为18%左右;月平均云量在64.1%～77.6%之间,从1月至12月呈递减趋势;卷云、高层云、高积云和层积云平均频率之和为86.5%,其他类型的云出现的频率均不高;云水路径在4、5月和8、9月较大,分别达到了200 g·m-2以上和350 g·m-2以上;云液态有效粒子半径在6～16 μm之间,春、夏、秋季高值区位于云体中部至上部;云冰晶有效粒子半径在20～120 μm之间,高值区位于云体中部至底部;青岛南部,即近海区域云有效粒子半径和云水含量大于北部。     

利用NOAA-AVHRR观测数据反演云辐射特性的一种迭代方法

在可见光谱区 ,云的反射函数主要依赖于云的光学厚度 ;在近红外和中红外光谱区 ,云的反射函数主要依赖于云滴有效半径。根据上述原理 ,我们开发了一个利用NOAA AVHRR观测资料同时反演云的光学厚度和云滴有效半径的迭代方案。将该方案用于分析中国东海上空冬季层积云的辐射特性 ,取得了较为合理的结果。     

Characterization of cloud microphysical properties in different cloud types over East Asia based on CloudSat/CALIPSO satellite products

利用CloudSat/CALIPSO卫星资料,本文揭示了东亚三个代表性区域的云微物理属性,为评估和改进模式云微物理过程提供重要的观测基础.研究的云微物理量包括云水/冰质量,数浓度和有效半径.研究表明:暖云中云水质量和数浓度随高度增加而减小,有效半径处于8-14μm范围.对于冰云,云冰质量和有效半径随高度增加而减小,而数浓度在垂直方向上变化不大.此外,云微物理属性在不同云型之间存在显著差异:积云的云水质量和数浓度最大,而卷云的云水质量和数浓度最小.从三个区域的对比结果来看,相比于华东和西北太平洋地区,青藏高原地区暖云的云水质量和数浓度较小,而冰云的则较大.     

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。     

山西省层状云微物理结构探测分析

针对山西省2009年6月18～19日的一次降水过程,利用机载DMT探测资料、Micaps常规天气资料和卫星云图等资料分析了这次降水的宏微观特征.结果表明:这次降水是锋面云系产生的,18日山西省处于冷锋锋前,19日为冷锋锋后;锋前云底较低,云层较厚,有夹层存在,云中上升气流很强,云滴数浓度最大为280 cm3、平均直径最大为15 μm、含水量最大值为0.35 g/m3,云滴谱呈双峰或多锋型;锋后云底较高,云层较薄,云滴数浓度最大值为170 cm-3、平均直径最大为10 μm、含水量最大值为0.05 g/m3,云滴谱呈双峰或多锋型;层状云在垂直方向和水平方向均存在不均匀性;垂直方向含水量变化与云滴尺度变化较为一致,水平方向含水量增加主要因为大云滴数密度的增加;T分布拟合云滴谱结果接近实际分布.     

基于CERES资料的中国西南地区云水含量和粒子有效半径分布及变化特征

利用NASA/CERES发布的2001～2015年云参数资料,选取高层云、雨层云、层积云的云水含量和云粒子有效半径,统计分析了西南地区云参数的时空分布特征和变化趋势。结果表明:从年均空间分布来看,西南地区液水和冰水含量均东部高于西部,海拔低的地区高于海拔高的地区;高层云和雨层云液相和冰相云粒子有效半径在川西高原最大。从数值大小来看,雨层云液水和冰水含量最多,分别介于90～230 g/m2和100～300 g/m2,层积云最少,分别介于0～80 g/m2和0～60 g/m2;冰相云粒子有效半径高于液相2～6 μm。从季节分布来看,雨层云液水和冰水含量秋季和冬季偏高,夏季和春季偏少,高层云和层积云季节差异较小;液相云粒子有效半径均夏季最大。从变化趋势来看,西南地区各地液水和冰水含量均呈减少趋势,液相和冰相云粒子有效半径有呈减少或增加趋势。     

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。     

Observational Characteristics of Cloud Vertical Profiles over the Continent of East Asia from the CloudSat Data

The CloudSat satellite data from June 2006 to April 2011 are used to investigate the characteristics of cloud vertical profiles over East Asia(20°-50°N,80°-120°E),with particular emphasis on the profiles of precipitative clouds in comparison with those of nonprecipitative clouds,as well as the seasonal variations of these profiles.There are some obvious differences between the precipitative and nonprecipitative cloud profiles.Generally,precipitative clouds mainly locate below 8 km with radar reflectivity in the range of-20 to 15 dBZ and maximum values appearing within 2-4-km height,and the clouds usually reach the ground;while nonprecipitative clouds locate in the layers of 4-12 km with radar reflectivity between-28 and 0 dBZ and maximum values within 8-10-km height.There are also some differences among the liquid precipitative,solid precipitative,and possible drizzle precipitative cloud profiles.In precipitative clouds,radar reflectivity increases rapidly from 11 to 7 km in vertical,implying that condensation and collision-coalescence processes play a crucial role in the formation of large-size drops.The frequency distribution of temperature at-15℃ is consistent with the highest frequency of radar reflectivity in solid precipitative clouds,which suggests that the temperatures near-15℃ are conductive to deposition and accretion processes.The vertical profiles of liquid precipitative clouds show almost the same distributions in spring,summer,and autumn but with differences in winter at mainly lower levels.In contrast,the vertical profiles of solid precipitative clouds change from spring to winter with an alternate double and single high-frequency core,which is consistent with variations of the frequency distribution of temperature at-15℃.The vertical profiles of nonprecipitative clouds show a little change with season.The observations also show that the precipitation events over East Asia are mostly related to deep convective clouds and nimbostratus clouds.These results are expected to be useful for evaluation of weather and climate models and for improvement of microphysical parameterizations in numerical models.     

云微物理特性对云光学和云辐射性质的影响

根据辐射传输理论,计算了不同云滴谱分布时的云光学参数βe,ωo和g,考察了这些光学参数的变化对云的反射率、透过率和吸收率的影响,以及云滴谱分布和云水含量在垂直方向的不均匀对云整体辐射性质、云中辐射通量密度和加热率的影响。     

一次层状云降水过程云粒子的特征分析

本文针对山西省2009年6月18日-19日的一次降水过程,利用Micaps系统天气图和机载DMT探测资料分析了这次降水的宏微观特征,并用Г分布拟合了云滴谱分布,结果接近云滴谱的实际分布。