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.     

祁连山北坡云垂直分布特征

利用敦煌、酒泉、张掖、民勤探空站2014—2019年的探空数据,对祁连山北坡云的发生频率及云垂直结构特征进行分析。结果表明:祁连山北坡全年云的发生频率为20%~40%,以1~3层云为主,且单层云的发生频率高于多层云,多层云以2层云为主;云的发生频率夏高冬低,夏季单层云和2层云出现的频率较为接近,而春、秋、冬季节单层云出现频率远高于2层云和3层云;全年平均云高度2层云的下层云厚度明显大于上层云,3层云的底层云与中层云之间晴空夹层厚度大于中层云与顶层云之间的晴空厚度;祁连山北坡云层高度季节变化显著,单层云和多层云的高度都表现为夏高冬低。     

基于多源卫星资料的中国地区云宏微观特征研究

利用2007—2016年国际卫星云气候计划（International Satellite Cloud Climatology Project,ISCCP）、云和地球辐射能量系统（Clouds and the Earth''s Radiant Energy System,CERES）和中分辨率成像光谱仪（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS）卫星反演云产品,对比分析了不同数据反演的中国地区云系结构的宏微观特征,并采用复合评价指标定量评估了不同数据之间时间和空间上的一致性。结果表明：三套卫星数据都能较好地反演出中国地区总云量呈南高北低、东高西低、夏高冬低的分布特征,但通过比较时间技巧（Temporal Skill,S_T）及空间技巧（Spatial Skill,S_S）复合评价指标及其各项分量发现,与MODIS相比,CERES与ISCCP数据反演的总云量时间序列演变特征明显更为一致,且其评分均有南方优于北方,夏季优于冬季的特征;进一步分析不同高度云量的S_T评分发现,CERES和ISCCP两套数据在南方地区的总云量差异主要来自于低云量的绝对偏差,而北方地区的偏差则同时存在于低云和中云;对比分析MODIS和CERES反演的云滴有效半径发现,高云对应的冰相云一致性较高,而中低云相对应的液相云的偏差则有夏季高于冬季的规律。针对夏季液相和冰相云滴粒径及概率密度分析则表明,相比CERES数据,MODIS对夏季液水和冰水粒子的有效半径在不同地区均有不同程度的高估,液（冰）水谱宽则更宽（窄）。     

用CloudSat/CALIPSO资料分析亚洲季风区和青藏高原地区云的季节变化特征

利用2006年9月至2009年8月的CloudSat/CALIPSO资料,分析了东亚季风区(EAMR)、印度季风区( IMR)、西北太平洋季风区(WNPMR)和青藏高原地区(TPR)的云最和云层垂直结构(包括云层的垂直位置、物理厚度、相邻云层间的垂直距离和雷达反射率垂直分布)及其季节变化特征,进一步分析了亚洲季风区低云...     

基于相对湿度阈值法的沈阳地区云垂直分布特征

利用2006—2015年辽宁沈阳站的L波段探空数据,探讨了相对湿度阈值法对沈阳地区云识别的可靠性,并基于该方法对云的垂直结构进行定量分析。结果表明:相对湿度阈值法识别沈阳地区云的正确率可达75%以上,与地面观测有较好的一致性。60.7%的探空曲线识别到云的存在,云的出现频率夏季最高,为75.7%,秋季最低,为52.6%。有云条件下,沈阳地区以单层云为主,只有夏季多层云的出现频率较单层云高,多层云的出现频率随层数增加而减小。云层的垂直分布随云层数目及季节变化差异显著。云层及云夹层的厚度主要在2 km以下,且随云层数目的增加而减小。     

探空资料云检测及其统计研究

基于已知的云垂直结构判断的方法,将相对湿度阈值法与温度露点法相结合,并加以改进,得到更加科学有效的云垂直结构判断方法。利用南京地区探空站的探空资料数据,分析得到了该地区的云垂直结构参数,并对全年云垂直结构特征进行了统计分析。经过统计分析发现:这种改进的相对湿度阈值法是科学有效的;南京地区夏秋季节有云的概率大,多层云的状况较多;春冬季节有云的概率相对较小,单层云的状况较多;云层厚度呈现出"夏厚冬薄"、中低云厚而高云薄的规律。     

利用探空数据分析云垂直结构的方法及其应用研究

云的垂直结构特征,无论是对天气、气候还是人工影响天气都十分重要,但业务上直接有效的观测手段十分缺乏。本文通过对比分析,确定了相对湿度阈值法分析云垂直结构的方法;利用我国气象业务探空秒数据,计算分析了不同云垂直结构,将得到的分析结果同CloudSat云雷达实测云垂直结构进行多个例的对比分析,验证了相对湿度阈值判断云垂直结构方法的可行性,及利用我国业务探空资料分析云结构的可用性;为业务应用,开发了探空秒数据的实时读取和计算方法,设计制作了云垂直结构探空分析显示图,初步形成基于我国业务探空的云结构分析技术;并实时将这些技术应用到我国60周年国庆期间几次不同天气系统云结构的时间和空间演变特征分析中,得到有意义的结果。     

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。     

基于探空云识别方法的云垂直结构分布特征

云的垂直结构特征作为云重要的宏观特征之一,直接决定了云的类型,进而通过发射和吸收辐射的方式影响着地气系统的能量收支平衡,因此对云垂直结构特征的研究一直都是云物理研究的一个重要方向。作为观测云垂直结构特征的一种方式,探空气球通过获取沿路径方向高分辨率的廓线信息,采用一定反演方法从而能够较为准确的识别云的垂直结构。本文即利用我国业务布网探空站的观测资料,采用相对湿度阈值法识别云垂直结构,并同激光云高仪、“风云四号”静止卫星和毫米波云雷达对识别的云结构特征量进行了一致性检验。在此基础上,统计分析了2015～2017年单层、两层和三层云的垂直结构分布特征、日变化和季节变化特征以及全国区域分布特征,结果表明:（1）整体分布上,单层云在垂直方向上出现的高度范围介于多层云的高度范围内,并且随着云层数的增加,云在垂直方向上更为伸展,即高层云越高,低层云越低;（2）在日变化中,中午单层和多层云中最低层云的云底高度均高于早晨,而夜间单层和多层云中最高层云的云顶高度则高于早晨和中午,同时中间层云厚的变化要小于最上层和最下层云厚的变化;（3）在季节变化中,夏季云量较其他季节更多,云体发展也更为深厚,表明温暖的大气条件更有利于云的形成和发展;（4）我国云垂直结构分布特征具有明显的纬向变化趋势,从以青藏高原为中心的西南地区的云底较高云体较薄的云,逐步过渡到以东南沿海地区为中心的云底较低云体较为深厚的云,表明不同地形和气候带的差异与不同云类型的分布直接相关。     

基于CloudSat资料的中国及周边地区云垂直结构统计分析

利用2006年7月-2009年2月的CloudSat 2B-GEOPROF-LIDAR资料,分析了中国及周边地区(0°～60°N,70°～140°E)的云垂直结构分布特征,并根据气候特征的地域差异从该区域选出8个子区域,逐区统计了云垂直结构特征.结果表明:整个研究区域内61%的云为单层云,39%的云为多层云,其中77%...     

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。     

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.     

Analysis of Short-term Cloud Feedback in East Asia Using Cloud Radiative Kernels

Cloud radiative kernels were built by BCC_RAD(Beijing Climate Center radiative transfer model) radiative transfer code. Then, short-term cloud feedback and its mechanisms in East Asia(0.5°S-60.5°N, 69.5°-150.5°E) were analyzed quantitatively using the kernels combined with MODIS satellite data from July 2002 to June 2018. According to the surface and monsoon types, four subregions in East Asia—the Tibetan Plateau, northwest, temperate monsoon(TM), and subtropical monsoon(SM)—were selec...     

Temporal Variations in the Vertical Distribution of Stratospheric Ozone over Obninsk from Lidar Data

The results of lidar measurements of ozone profiles over Obninsk in the altitude range of 12–35 km in 2012–2016 are presented. Temporal variations in total ozone in the above altitude range and seasonal variations in the vertical distribution of ozone are considered. Basic attention is paid to the analysis of ozone profile variations on the daily and weekly scales. The backtrajectory analysis demonstrated that in most cases the formation of layers with low or high ozone values is explained by the direction of meridional advection. Cross-correlation coefficients for the variations in ozone and temperature relative to the current monthly mean variations are calculated. Rather high values of correlation coefficients (~0.4–0.6) are obtained for summer in the low stratosphere (100 and 160 hPa) and for winter in the upper troposphere (50 and 20 hPa). In general, variations in ozone profiles are consistent with available climatologic data.     

华北地区气溶胶垂直分布特征的观测与分析

利用2006 2013年CALIOP激光雷达Level 1B数据的气溶胶衰减后向散射系数、退偏比和色比观测,分析了华北地区大气气溶胶光学特性的垂直分布特征。统计结果显示:2010-2013年,华北地区4-8 km高度范围内衰减后向散射系数均值呈减小的趋势,而0-4 km高度范围内衰减后向散射系数均值呈增长趋势。说明2010年以后近地面层(0-2 km)气溶胶散射作用逐渐增强,高层(4-8 km)气溶胶散射作用逐渐降低,这与近年华北地区霾天气(颗粒物主要聚集在近地层)日趋增加、沙尘天气(沙尘气溶胶层经常存在于4-8 km的范围)有所减少相吻合。20062013年,华北地区冬季0-4 km高度范围内衰减后向散射系数均值最大,近地面层气溶胶散射作用最大,这与该地区冬季取暖燃烧排放增加有关。春、秋两季4-8 km高度范围内衰减后向散射系数均值较大,夏季0-8 km各高度范围内衰减后向散射系数均最小,说明春、秋季节的气溶胶散射贡献主要来自4-8 km的对流层上部大气。春季对流层上部的高后向散射系数与华北地区春季频发的沙尘天气有关,秋季对流层上部的高后向散射系数与华北收获季节的生物质燃烧有关。2008年以后,华北地区2-8 km范围内各高度层的退偏比均值逐年减小,这说明规则的球形气溶胶粒子在近几年有所增加。0-4 km范围的低层大气,2009年后色比均值缓慢增加。而6-8 km范围内的色比均值从2008年后一直都是减小的,说明2008年后对流层上部大气(4-8 km)气溶胶粒子的尺度在减小,这也与近几年沙尘天气减少、霾天数增加的现象是一致的。0-8 km各个高度范围内的退偏比和色比均值春季最大,且退偏比随着高度的增加而增加,再次证明春季华北受沙尘天气影响,不规则的粗粒子气溶胶最多。夏、冬季节近地面层(0-2km)退偏比和色比均值略大于2-4 km高度层的,夏、冬两季近地面主要以人为活动排放的气溶胶为主,冬季除了汽车尾气排放和工业排放外,还有取暖增加的排放。近地面层易受人为活动影响混合一些不规则气溶胶。     

Coherence and Scale of Vertical Velocity in the Convective Boundary Layer from a Doppler Lidar

We utilized a Doppler lidar to measure integral scale and coherence of vertical velocity w in the daytime convective boundary layer (CBL). The high resolution 2 μm wavelength Doppler lidar developed by the NOAA Environmental Technology Laboratory was used to detect the mean radial velocity of aerosol particles. It operated continuously in the zenith-pointing mode for several days in the summer 1996 during the “Lidars in Flat Terrain” experiment over level farmland in central Illinois. We calculated profiles of w integral scales in both the alongwind and vertical directions from about 390 m height to the CBL top. In the middle of the mixed layer we found, from the ratio of the w integral scale in the vertical to that in the horizontal direction, that the w eddies are squashed by a factor of about 0.65 as compared to what would be the case for isotropic turbulence. Furthermore, there is a significant decrease of the vertical integral scale with height. The integral scale profiles and vertical coherence show that vertical velocity fluctuations in the CBL have a predictable anisotropic structure. We found no significant tilt of the thermal structures with height in the middle part of the CBL.The National Center for Atmospheric Research is sponsored by the National Science Foundation.     

卫星云参数处理方法和1991年的云气候特征分析

参考国际卫星云气候计划和目前出现的几种云参数处理方法,设计了一种适用于东亚和热带海洋地区的云参数处理方法,并着重进行了总云量的反演。处理的资料取自GMS-4的S·VISSR资料,覆盖范围为50°N—30°S,80°—175°E。时间为1991年的1、4、7、10四个月。使用上述方法对卫星资料计算得到了日、旬、月的平均云量。通过与其它资料和处理结果的对比分析,对处理方法和处理结果的真实性进行了初步检验。利用1991年4个典型月份的处理结果,研究了大范围云的季节变化,如赤道辐合带云系和副热带高压少云区的纬向移     

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。