卫星(IASI 探测仪)观测云顶高与地基云雷达观测的对比验证

IASI（Infrared Atmospheric Sounding Interferometer）是搭载在欧洲METOP-A 卫星上,采用干涉分光技术的新一代超高光谱红外大气探测仪器,其光谱测量范围涵盖了多个吸收带,可用于反演大气、海洋、云和大气成分,为地球大气遥感、气象业务和科学研究提供了丰富的遥感资料,是各国学者关注的又一热点。为深入了解IASI 在国内的云产品情况,本文利用2008 年10 月15 日～12 月15 日期间IASI 在安徽寿县地区的云参数观测资料和中美 [美国能源部大气辐射测量（ARM）计划] 联合在安徽省寿县进行大气辐射综合观测试验期间,相同时段云雷达[ARM W-band（95 GHz）Cloud Radar,WACR]的观测资料进行了对比分析和验证。在以寿县ARM 移动观测设施（AMF）为中心,半径为20 km 的范围内,IASI（2 次/d）共有有效观测129 次,其中与WACR（1 次/2 s）匹配的IASI 有效观测共80 时次。结果表明:对于单层云,二者云高相关系数为0.8312,标准差为1.8423 km;对于双层及多层云,IASI 反演云顶高结果绝大多数在WACR 的最上和最下层云之间,且靠近较厚的云层。对比结果显示,一般情况下,IASI 反演云顶高结果明显低于WACR;IASI 反演云顶高结果受到视场中云量、云层厚度及云层中粒子浓度大小的影响:视场中云量越大,云层越厚,云层中粒子浓度越大,IASI 反演云高的结果越接近真实云高。     

中国西部云和积雪的多通道特征和识别

由于云与雪具有类似的辐射特性——高反射率与低亮度温度,利用目前的业务气象卫星扫描辐射计资料,用客观方法识别单个像素所对应的是雪还是云仍是一个十分困难的问题。本文利用NOAA-9和NOAA-11日间所有5个通道的AVHRR资料,分析了中国的西部——青藏高原及戈壁、沙漠等地区云和地表雪的多通道辐射特征,并采用多阈值法,结合实例进行了云、雪及背景地表的识别分类试验。分析结果表明,AVHRR第3通道的测量值经过适当处理后对识别云和地表积雪是十分有意义的。     

2014年青藏高原云和降水多种雷达综合观测试验及云特征初步分析结果

加密外场试验可提供云降水物理过程新的数据。2014年7月1日—8月31日,第3次青藏高原大气科学试验项目组在那曲开展了水汽、云和降水的综合观测,使用了中国最先进的Ka波段毫米波云雷达、Ku波段微降水雷达、C波段连续波雷达和激光雷达,并配以微波辐射计、雨滴谱仪等设备,获取了高时空分辨率的云和降水宏微观垂直结构特征数据;利用C波段双线偏振雷达与新一代天气雷达配对,进行双多普勒雷达观测,获取青藏高原对流云三维风场和降水粒子相态的结构和演变数据。文中简单介绍了本次试验的情况,并利用这次观测的云雷达数据对那曲地区夏季云的云顶和云底高度、云厚、云量、云层数等特征的日变化进行了初步统计分析,对不同类型云的宏观特征进行了讨论。结果表明:本次外场试验首次成功获取到了多种雷达的云观测数据。那曲地区夏季云主要集中在6 km(距地面高度,下同)以上和4 km以下;总云量、高云的云顶、云量和云厚等云的统计参数有明显的日变化,10时(北京时)为云发展最弱的时段,20时云发展最为旺盛;初生的积云和层云常常出现在3 km高度上,这一高度上常常存在明显的上升气流;深对流系统高度可达16.5 km,同时存在上升气流和下沉气流,对流中可能存在过冷水。这些数据和初步结果为进一步开展高原云和降水机理、云和降水物理过程参数化方案研究及卫星反演结果的订正提供了基础。     

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。     

基于2014～2017年Ka毫米波雷达数据分析北京地区云宏观分布特征

本文利用2014年1月至2017年12月Ka毫米波雷达数据对北京地区云宏观特征进行统计分析。云出现率方面,4年平均值约36.3%;冬季最低,夏季最大;月出现率值9月最大,12月最小;出现率日变化有季节差异,春夏两季呈现中午（11:00,北京时间,下同）开始逐步升高至下午17:00后逐步下降的特点,增高幅度大于15%;冬、秋两季日变化特征不显著。高度方面,4年平均云底高约4.9 km,平均云顶高约7.2 km;云顶高和云底高的月变化特征明显,从年初1月开始逐步上升,在6月达到峰值,而后下降到12月达到低值;3～10月,高云（云底高>5 km)占约一半左右比例;厚度小于1 km的云在各月中所占比例最高;厚度1～4 km的云,厚度越大所占比例越低;特别地,厚度大于4 km的云所占比例在4～9月中仅次于厚度小于1 km云的比例。4年期间,北京地区单层云居多约占66.7%,两层云占比约25.2%,两层以上云占8.1%;冬季约80%的云为单层云,而6～9月云层分布变化最多,其中9月单层云比例最低约为40%。本文基于4年高时空分辨率雷达数据对北京地区云分布特征,特别是云垂直分布特征在数值上准确刻画,该项工作在已有云气候研究中尚未见开展,所获得的知识将对了解地区气候特征、区域模式云参数化选择提供参考。     

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。      

我国卫星总云量与地面总云量分布的对比分析

根据国际卫星云气候学计划（ISCCP）的总云量和地面总云量资料,分析并讨论了两者在我国的空间分布和单站年变化中的相关性和差异性,对比了两种总云量的全国分布形势。结果指出,在总趋势大致相似的前提下,卫星总云量图能更好地揭示青藏高原、塔克拉玛干沙漠以及沿海地区的云气候特征。最后还就青藏高原总云量分布特点作了分析。     

毫米波雷达测云个例研究

云参数是影响降水和大气辐射过程的重要因子,但对云参数的遥感探测存在许多困难。利用35GHz的毫米波雷达进行云探测,并进行云参数反演研究,反演了云水含量、冰水含量和云滴有效直径的垂直廓线,得到了6类云况的垂直分布。结果表明：1）不同类型的云具有不同的云参数分布;2）在低于-15dBz的非降水云情况下,反演的云水含量及云滴有效直径较可靠;3）雷达探测的线性退偏振比因子,可以用于判别云中的过冷却水和冰晶,有助于更好了解云的宏微观特征。     

梅雨锋云系的模态研究I：主导模态

利用经验正交函数（EOF）分解方法,对1998～2008年梅雨活跃期共16次过程每3 h间隔的静止卫星云顶亮温（也称相当黑体亮度温度,即Black Body Temperature,以下简称TBB）的距平场进行计算,获得了梅雨锋云系的主要模态。经检验,前7个模态为独立模态,方差贡献分别为7.78%、5.83%、5.20%、4.27%、4.19%、3.62%和3.36%。这7个独立模态反映梅雨期间云系主要的异常特征。各模态相似云图中的云系与气候态相比出现位置偏移与形状变化,表明梅雨锋云系随主导环流系统的演变而发生断裂、减弱、消散、重建的过程。从各模态相应的大气环流配置来看,气候态梅雨锋云系对应的大气环流为三阻型梅雨形势。另外7个主导模态的大气环流基本可以划分为两类,一类为阻塞高压型,中高纬地区存在阻塞高压活动,在第2模态正位相,第4模态负位相,第5模态正位相和第6模态正、负位相以及第7模态正位相对应的500 hPa环流形势上都可以看到这一特点;另一类为槽脊型,中高纬地区阻塞高压活动不明显,等高线为一槽两脊或两槽一脊型分布,与这种环流形势相关的模态有第1模态正、负位相,第2模态负位相,第3模态负位相,第4模态正位相,第5模态负位相和第7模态负位相。     

一次过冷层状云催化云迹微物理特征的卫星遥感分析

利用卫星反演技术,通过卫星观测到的一次人工增雨催化作业后形成的云迹线个例,分析了云迹线与其周围云的光谱特征、亮温、亮温差、云顶粒子有效半径等云微物理特征,比较了它们之间的差异,揭示了这次过冷层状云催化的微物理效应。云迹实际上是持续时间超过80 min、宽和深分别约为14 km和1.5 km的云谷。云迹周围的云顶粒子有效半径为10—15μm,而云沟内的粒子在15—24μm变化。周围云体由过冷滴组成,中间可能夹杂了一些低浓度的冰粒子,云沟内云的主要成分是冰。和周围未被催化的云相比,0.6μm通道的光谱反射率,在云沟处有明显的增加,而3.7μm通道反射率在云沟内是降低的,尽管其绝对变化幅度不大,但其相对变化幅度较大。随着播云时间的增加,云沟深度、宽度逐渐增加,云沟内和周围云体的温差逐渐增加,对通道4和5而言,在最早催化部位,最大分别达到4.2℃和3.9℃,4和5通道之间云沟内的亮温差也是随冰晶化时间的增加而增加,最大为1.4℃,而云沟周围云为0.2—0.4℃。云沟的形成、云沟内云顶温度的增加和4,5通道之间亮温差的增加,都足以说明被播云体变薄,其原因是由于云顶降水使得云内的水流失,云顶下降。云顶冰晶化、冰粒子增长成降水造成云顶下沉,是云沟形成的主要原因。对于本次播云作业,晶化作用在播云22 min后逐渐显现。在播云后38—63 min,有新的水云在云沟的中间部位生成,可能是由于冻结潜热释放引起的上升运动所致。而新生水云在形成较早的云迹中没有出现,这些较早形成的云迹在80多分钟的整个观测期间持续扩散。最终,在周围云从外向云沟内的扩散过程中,云沟开始消散。     

毫米波测云雷达的系统定标和探测能力研究

毫米波测云雷达是中国自主研制的一部双线偏振全相干8.6 mm波长的测云雷达.本文在介绍该雷达系统的参数和技术特点的同时;重点阐述了厂家用外接仪表对该雷达天线系统、发射机系统以及接收机系统等硬件参数进行测试的方法,检验了雷达回波功率动态范围的定标和测量参数的定标结果;并从理论计算,配合试验区域内另外两部10cm波长的天气...     

35GHz云雷达反射率因子数据的质量控制

大气非云粒子(气溶胶、昆虫、悬浮物)以及雷达元器件固有噪声,是影响云雷达定量探测大气云层宏观以及微观产品的重要因素。为了剔除云雷达基数据中的散点噪声对数据质量的影响,本文利用新一代多普勒偏振8.6 mm云雷达资料,基于模糊逻辑识别地物的方法分析雷达散点噪声、气溶胶以及大气云粒子的反射率因子回波的统计特征,通过统计的特征值对反射率因子进行分类,保留正常回波数据。结果表明:该方法能较好区分云粒子回波和非云粒子回波,提高云雷达反射率因子的数据质量。     

云顶充满度的特征分析

本文采用GMS－5红外云母,提取了一个描述云顶结构特征的参数一云顶充满度VS。结合地面观测资料,引入了云高参数DTS,得到并分析了参数VS随云高DTS的分布特征,同时还讨论了VS的天气学意义。     

毫米波雷达云回波的自动分类技术研究

毫米波雷达在云探测方面比厘米波天气雷达和激光雷达具有显著优势,可获得更多的云粒子信息,是研究云特性的主要遥感探测设备。为了开展对毫米波雷达探测的云回波进行自动分类的研究,利用161次云回波的个例数据,统计得到了卷云、高层云、高积云、层云、层积云和积云6类云型的特征量和其他参量的数值范围,利用分级的多参数阈值判别方法,达到了自动分类的目标,通过与人工分类的初步验证,两种分类结果的一致性达到84%,其中,层云和积云的识别一致较低的原因在于样本数据有限,仅有6次层云和8次积云的个例样本数据。通过更多样本的处理,提取的特征参量更可靠,自动分类的准确率会得到提高,以便将基于毫米波雷达的云分类技术应用于将来的云观测自动化业务。      

用多普勒雷达反射率调整模式大气的云微物理变量

一种简单云分析方案, 用于由多普勒天气雷达反射率反演中尺度大气模式初值分析中的云微物理变量（云水混合比和雨水混合比）和空气湿度变量（比湿）,使模式积分初始场反映出观测空间的云微物理特征以及哪些空间位置上的大气处于饱和状态。应用于2002年6月梅雨期安徽省马鞍山市一次降水过程的临近数值预报试验结果表明,模式预报的大气综合反射率与雷达观测的回波图像相近,由云微物理变量变化表示的模式云系演变与雷达观测的回波图像一致, 伴随模拟的中小尺度云系, 模式大气能很快调整出合理的中小尺度流场辐散、辐合结构;它们明显好于模式初始场不引入雷达反射率时的结果,即这种方法对改进临近数值天气预报准确率是有效的。     

95GHz云雷达对一次冷锋云系结构的观测分析

利用安徽寿县W-Band云雷达(95GHz,波长3.16mm)、地面微波辐射计、探空和地面观测等资料,对2008年11月5-7日一次冷锋云系的云结构进行了分析。结果表明,云雷达的多普勒速度可以初步确定粒子相态和大小以及是否存在雪晶或雨滴;在0℃层附近有回波暗带产生,这主要是由于波长为3mm的雷达对雪晶的衰减较强以及粒子的非Rayleigh散射引起的;云雷达观测可以清楚地识别混合云中的融化层。冷锋云系发展、演变过程及结构非常不均匀:锋面前部,在5～7km之间有一水凝物含量大值区,不断有长大的冰雪晶下落,使云底逐渐下伸,触地后产生间歇性阵性降水;降水过后,5km左右有一相对干层,上部为高层云,下部为散乱的多层云结构;冷锋临近,云层冷区没有水凝物含量大值区,回波强度较弱,暖区2km以下是干冷的东北气流,限制了雨滴通过暖雨过程增长,导致锋面降水强度较小,持续时间短。锋面后部4～7km高度,由于冰雪晶沉降,相对湿度较小,云层分裂成两层云;冷锋过后,出现了较强的降水,这主要是由暖雨过程产生的。     

均生函数模型在高原汛期降水预报中的应用

以均生函数为基函数,建立了正交化、主成分和最优子集回归三类预测模型。对云南昆明、滇中（包括昆明、玉溪和楚雄）及西藏林芝的汛期（６￣８）降水进行了模拟和预测、其拟合效果,特别是对极值的拟合十分理想。结果表明：在高原地区,均生函数模型预报降水具有较高的精度,拟合报准率和实际报准率分别为９７％￣１００％和６０％￣８０％,且具有多步预测能力。