利用多角度POLDER偏振资料实现陆地上空大气气溶胶光学厚度和地表反照率的同时反演Ⅰ.理论与模拟

陆地上空标量辐射对地表反射率和大气气溶胶散射都具有很强的敏感性, 而偏振反射只对大气气溶胶敏感, 对地表不敏感.根据这个原理并结合POLDER (POLarization and Directionality of Earth Reflectance) 资料的特点, 作者提出综合利用标量辐射和偏振反射信息来实现陆地上空大气气溶胶和地表反照率的同时反演.首先, 利用多角度偏振辐射观测提取大气气溶胶光学参数, 再利用标量辐射测量对偏振反演结果作进一步筛选和订正, 同时获得地表反射率.数值模拟试验结果证明, 仅利用偏振信息只能获取大气气溶胶信息, 而且其结果误差较大, 特别是对于散射作用较强的短波长通道如670 nm误差更大, 但经过标量辐射订正后的结果得到明显改善, 气溶胶光学厚度和地表反射率与真实值之间相关系数都达到0.99以上.为提高查找表的计算效率, 提出并建立了反演方案所需要的半参数化数值表, 利用内插方法寻求气溶胶光学厚度和地表反射率的数值解的反演方法.     

利用多角度POLDER偏振资料实现陆地上空大气气溶胶光学厚度和地表反照率的同时反演 I. 理论与模拟

陆地上空标量辐射对地表反射率和大气气溶胶散射都具有很强的敏感性,而偏振反射只对大气气溶胶敏感,对地表不敏感。根据这个原理并结合POLDER(POLarization and Directionality of Earth Reflectance)资料的特点,作者提出综合利用标量辐射和偏振反射信息来实现陆地上空大气气溶胶和地表反照率的同时反演。首先,利用多角度偏振辐射观测提取大气气溶胶光学参数,再利用标量辐射测量对偏振反演结果作进一步筛选和订正,同时获得地表反射率。数值模拟试验结果证明,仅利用偏振信息只能获取大气气溶胶信息,而且其结果误差较大,特别是对于散射作用较强的短波长通道如670 nm误差更大,但经过标量辐射订正后的结果得到明显改善,气溶胶光学厚度和地表反射率与真实值之间相关系数都达到0.99以上。为提高查找表的计算效率,提出并建立了反演方案所需要的半参数化数值表,利用内插方法寻求气溶胶光学厚度和地表反射率的数值解的反演方法。     

FY-4A AGRI热红外通道辐射定标的精确外场评估

Fengyun-4A(FY-4A)卫星是2016年12月11日发射的我国新一代对地静止气象卫星,它配备了先进的成像仪和测深仪,可提供高时空和光谱分辨率的探测信息,用于天气气候相关的监测、预警和预报。多通道扫描成像辐射计(AGRI)是FY-4A卫星平台挂载的关键辐射成像仪器,重点用于云观测,并利用高时间分辨率的特征进行天气过程追踪。AGRI的红外辐射通道具有全光路的星上红外定标系统,与FY-2上的红外可见自旋扫描辐射计(VISSR)相比,无论在定量标定、成像速度和空间分辨率方面均有了显著改善。FY-4A AGRI的在轨运行状态和星上辐射定标水平的精确评估,对红外通道产品应用具有重大意义。     

重庆不同天气条件下地基微波辐射计探测特征

利用2012年1月至2014年8月重庆沙坪坝站的微波辐射计和探空数据,通过数值模拟检验微波辐射计的亮温精度,并统计分析晴空、有云和降水天气条件下微波辐射计反演产品的变化特征。结果表明：(1)有云时微波辐射计氧气通道53.85、54.00 GHz亮温与探空观测温度相关性较好;晴空和有云时MonoRTM模拟亮温与微波辐射计观测亮温相关性较好。(2)不同天气条件下,微波辐射计反演温度与探空观测值的相关性都较高,降水时4.0 km以下微波辐射计反演温度明显偏高,有云和晴空时3.8 km以下的温度平均绝对误差小于2℃。微波辐射计反演的相对湿度与探空观测值的相关性较同高度层温度的相关性差,有云时1.0～2.6 km高度反演的相对湿度平均误差很小,降水时4.5 km以下平均误差也较小且稳定。降水时4.0 km以下微波辐射计反演的水汽密度平均误差明显偏大,有云时多数高度层平均误差较小。(3)4.2 km以下降水时08:00微波辐射计反演温度的平均误差较大,有云时08:00微波辐射计反演温度和水汽密度的平均误差均较小。说明微波辐射计反演的大气廓线具有可用性,且在稳定大气环境中反演效果更好。     

利用太阳辐射计940nm通道反演大气柱水汽总量

利用太阳辐射计CE318近红外940nm水汽吸收通道和临近窗区道反演大气柱水汽总量，由于大气在940nm附近有水汽吸收。该通道不能采用通常Langley法处理，而采用改进的Langley法。利用MODTRAN3．7模式模拟出太阳辐射940nm通道透过率与水汽量关系常数，考虑了通道的光谱响应函数和不同大气模式的影响，模拟结果表明穿通道（小于10nm)上述关系常数受大气模式影响不大。总消光剔除气溶胶和分子散射，就得出水汽的透过率，从透过率反演水汽量。处理了敦煌和青海湖辐射校正场1999年7月场大气特征测量兼FY－1C辐射定标期间的数据，反演的平均水汽量与探空水汽积分比较，差异在12％以内。还计算出一天中不同时刻的水汽量，给出了同步观测6天卫星过顶前后15min平均水汽量，该水汽量用于FY－1C卫星遥感器辐射定标时辐射传输模式输入参数。结果表明太阳辐射计是一种便携有效测量水汽量仪器。     

地基可见光/红外全天空成像仪数据融合

采用60m基线的双站可见光成像仪和扫描式红外成像仪构建地基双波段全天空测云系统,双站可见光成像仪根据双站测距原理准确地获取云底高,通过全方位立体扫描获取全天空可见光云图,扫描式红外成像仪基于大气辐射传输原理测量云底亮温,反演云底高度,通过全方位立体扫描获取全天空红外云图。结合双站可见光成像仪测得云底高,对大气温度垂直递减率进行实时订正,提高扫描式红外成像仪反演云底高精度,达到双波段云底高数据融合目的;基于小波变换多分辨率分析的图像融合技术,对全天空可见光和红外云图进行图像融合,提高能见度低、以及雾、霾等天气条件下云量计算准确度;最终实现昼夜云高、云量同时观测。     

基于美国AMF寿县观测的云特性研究

美国能源部大气辐射观测计划移动观测ARMAMF（atmospheric radiation measurement mobile facility）2008年首次在我国寿县开展综合观测,为研究云特性提供了很好的资料平台。本文在此次云雷达等观测资料基础上,研究了寿县秋末冬初云高、云厚、云量及其辐射特性,结果发现,寿县有76．3％的观测日有云出现,54．0％的观测时间有云覆盖,中云（以下简称M云）和高云（以下简称H云）出现频率占全部云系的76．7％,天气系统对寿县云系形成有较大影响;云底高度大于3km的降水性云（以下简称P云）出现频率占全部P云的67．7％,是云底高度小于3kmP云的5．3倍,发生在下午的降水占全部P云的47．8％,气溶胶可能对P云的这种分布有较大影响;云和气溶胶减少地面短波辐射的日均值达一99．1W／m。,其中气溶胶减少约占25．1％。不同高度和厚度云对地面辐射通量的影响有较大差异,P云产生最大的冷却效应（一201．9W／m。）,厚度小于2km的H云对地面辐射通量的减少量最少（一32．9w／m。）。另外,用地面单点云辐射观测与中分辨率成像光谱仪MODIS（moderate resolution imaging spectroradiometer）资料估计结果对比发现,两种资料有较大差异,差异可达-1．9～-36．9W／m。     

地基热红外云高观测与云雷达及激光云高仪的相互对比

2008年5月至12月中美（美国能源部大气辐射测量（ARM）计划）联合利用ARM移动观测设施（AMF）在安徽省寿县进行了大气辐射综合观测试验,地基云参数观测仪器主要有:（1）云雷达（ARM W-band (95 GHz) Cloud Radar）,观测结果为反射率廓线,时间分辨率为2 s;（2）云高仪（Vaisala Ceilometer）,观测结果为云底高度和后向散射廓线,时间分辨率为15 s.两者均为天顶方向观测.扫描式全天空红外成像仪（SIRIS-1型）于11月27日～12月30日在寿县参加了观测,观测方式为全天空扫描,时间间隔为15分钟.三种云观测仪器共并行观测16天.利用全天空红外成像仪测得的天空红外亮温和同步观测的地面气象数据进行了等效云底高的反演.以全天空红外成像仪天顶方向观测时间前后15次云雷达反射率廓线的平均廓线,云高仪12次观测中有云时次云底高的平均值分别作为同步观测结果,利用平均反射率廓线进行了各层云的云底、云顶、回波峰值高度和回波积分值的提取和计算.三种观测仪器以10 km云底高为限,共同步观测1661次,其中云雷达、红外成像仪和云高仪分别观测到云:428,287,225次.本文分3种情况:（1）全部有云观测情况,（2）单层云,（3）双层及三层云,分别进行了三个仪器观测云高的对比.对比结果:情况（1）,云雷达与云高仪、云雷达与红外成像仪的相关系数分别为0.6和0.82;情况（2）,三者共同观测75次,云雷达与红外成像仪相关系数为0.85,与云高仪相关系数为0.53,标准差分别为0.88 和1.61 km;情况（3）,红外成像仪云底高绝大多数在云雷达观测的最上、最下层云之间,有时接近上层云,有时接近下层云.对比结果显示,地基热红外对于观测中低云高具有稳定、可靠、经济和便捷等优势,但观测结果较云雷达系统偏高.文中同时提出了初步的校正方法.     

气候模式分辨率对气溶胶气候效应模拟结果的影响

气候模式分辨率作为影响模式模拟结果的重要因素,其对气溶胶与云相互作用的影响尚未全面认识。利用公共大气模型CAM5.3在3种分辨率（2°、1°、0.5°）下,分别采用2000年和1850年气溶胶排放情景进行试验,检验提高分辨率是否能改进气候模式的模拟能力,分析不同分辨率下气溶胶气候效应的异同,探索模式分辨率对气溶胶气候效应数值模拟结果的影响。通过观测资料与模式结果对比发现,提高分辨率可以明显改进模式对总云量、云短波辐射强迫的模拟能力,0.5°分辨率下模拟结果与观测更接近,其他变量并无明显改善。在不同分辨率下,全球平均的气溶胶气候效应较为一致,总云量、云水路径均增加,云短波和长波辐射强迫均加强,而云顶的云滴有效半径和降水均减小,地面气温降低。不同分辨率下,气溶胶增加引起的气溶胶光学厚度、云水路径、地面温度、云短波和长波辐射强迫变化的纬向平均分布相似但大小存在差异;而降水和云量变化的纬向分布与大小均存在较大差异,在区域尺度上还存在较大的不确定性。全球平均而言, 0.5°分辨率下气溶胶的间接辐射强迫相比1°分辨率下的结果降低了2.5%,相比2°分辨率下的结果降低了6.4%。提高模式分辨率可以部分改进模式模拟能力,同时,气溶胶的间接效应随着模式分辨率的提高而减弱。但气溶胶引起的云量、降水的变化在不同分辨率下差异较大,存在较大的不确定性。      

气溶胶影响云和降水的机理和观测研究进展

气溶胶对云和降水的影响,对于气候系统、大气环境以及水循环至关重要。气溶胶粒子作为云凝结核和大气冰核影响云的微物理过程,进而影响雨、雪、雹和其他形式的降水。近年来,在理解气溶胶的化学成分,气溶胶微物理特性以及气溶胶作为云凝结核和大气冰核影响云降水等方面已取得重大进展。本文对于气溶胶的概念、来源以及气溶胶的直接和间接效应进行了简要概述,重点总结了国内外在气溶胶影响云和降水的机理研究方面的成果,回顾了近年来利用卫星、地面观测设备、机载探测设备等对气溶胶和云进行遥感观测和直接观测所获得的观测事实并讨论了其可能的物理机制,在总结前人研究成果的基础上对未来的研究方向进行了讨论。     

FY 2F卫星和毫米波云雷达云高观测的个例对比分析

风云二号静止卫星上装载有可见光、水汽、中长波红外等探测通道,其中红外通道资料可提供卫星云顶温度数据。基于FY-2F静止卫星云顶温度资料,结合局地实时探空数据对北京南郊和朝阳站点上空云层进行云高反演,并展开与地基毫米波云雷达探测云顶高关系的对比,分析3种不同云厚(薄云、适中、厚云)条件下的云高观测结果。研究结果表明,二者云顶高匹配度受几何云厚的影响,其吻合度呈现出厚云最佳,薄云最差的特征。     

用红外和水汽两个通道的卫星测值指定云迹风的高度

提出了一种改进的用红外和水汽两个通道的测值指定云迹风高度的算法。利用红外水汽散点图和云迹风本身自动地将有低云的目标区、有半透明卷云的目标区、有密蔽高云的目标区分开。在有低云的目标区和有密蔽高云的目标区用红外一个通道指定云高。在有半透明卷云的目标区用红外和水汽两个通道指定云高。在用两个通道的测值指定云高时，假定卷云高度以上不存在水汽，以红外和水汽两个通道亮温相同这个方程与两个通道辐射测值线性相关的方程联立解出云的高度     

不同观测分辨率强台风云系的遥感特征

静止气象卫星的快速区域扫描是监测不同天气过程的有利手段。以获取的风云静止气象卫星快速区域扫描数据为基础,选取2011年台风梅花(1109)及2012年台风海葵(1211)的观测数据,采用Hovm(o|¨)ller分析图、变异系数等参数,研究不同时空分辨率观测数据对台风云系结构特征参数监测的敏感性影响。分析结果表明:可见光通道10 min观测时间间隔配以1.25 km空间分辨率可以很好地反映云系演变特征,在相同观测时间分辨率条件下,降低空间分辨率会对云系结构特征的提取有较大影响;在相同空间分辨率条件下,观测时间分辨率的降低对云系结构及演变特征的分析影响较小;基于变异系数的分析说明云像元特性在60 min的观测时间间隔下发生了较大变化,如果以60 min为观测时间间隔将会失去较多的云像元变化特征。水汽通道不同观测时间的变异系数差值小于红外通道1,说明云像元在红外通道1的特性演变对观测时间的敏感性高于水汽通道,提高观测频率可获取更多的云像元红外通道1的辐射特性。     

“珍珠”台风卫星红外通道亮温的数值模拟

热带地区云的覆盖率高, 卫星辐射资料特别是红外通道的数值模拟容易受到云的影响, 提高台风等热带天气系统卫星亮温资料的模拟能力, 有助于热带地区数值模式的检验以及提高卫星资料直接同化的水平。首先, 利用天气研究和预报模式(Weather Research and Forecasting Model, 简称WRF) 对 “珍珠” 台风的三维气象场, 包括云结构特征, 进行了模拟, 并诊断分析了总云量、云顶气压等物理量; 然后, 结合快速辐射传输模式 (fast radiative transfer model for TOVS, 简称RTTOV) 8.7版对 “珍珠” 台风的高分辨率红外辐射探测仪3型 (High Resolution Infrared Radiation Sounder, 简称HIRS/3) 红外辐射亮温进行了模拟, 并且比较了有云和无云条件下的模拟结果。结果表明, 如果不考虑云的影响, RTTOV模式无法模拟出台风的结构特征; 结合三维云特征的模拟量, RTTOV模式可以较好地模拟出HIRS/3第4～10、13～19通道的辐射亮温。加入云结构特征对峰值能量高度在云层以下的红外通道的模拟有正面影响, 该方案既可以作为检验模式模拟的一种手段, 同时也表明红外资料在热带天气系统的资料同化领域具有潜在的应用能力。     

华北地区一次气溶胶与浅积云微物理特性的飞机观测研究

2014年8月15日,山西省人工降雨防雹办公室在山西忻州开展了气溶胶和浅积云的飞机观测,本文利用机载云物理资料,详细分析了华北地区气溶胶、云凝结核(CCN)和浅积云微物理特性及其相互影响.主要结论有:(1)此次过程的边界层高度约为3600 m,不同层结情况下,0.1～3μm尺度范围内的气溶胶粒子浓度Na、有效直径Da和...     

冰雹云卫星早期识别与自动预警

利用陕西、山东、贵州和新疆等地近十年日间降雹记录和对应的极轨卫星数据,采用卫星云微物理反演技术,定量分析冰雹云微物理特征,比较不同地区间差异,并利用FY-4A静止卫星定量分析一次冰雹过程云微物理特征演变,探讨冰雹云卫星识别预警应用潜力。结果表明:（1）陕西、山东等地冰雹云微物理特征具有一致性,卫星早期识别指标为:晶化温度（T_g）较冷,均值为?33°C;全部冰晶化时T_g对应的云粒子有效半径r_e（表征为r_eg）未饱和（<40 μm）,均值36.9 μm,且r_eg 越小冰雹云越强;云顶呈现r_e随高度减小带。（2）各地冰雹云早期识别指标在数值上存在一定差异,实际应用时应针对各地进行相应调整。（3）在静止卫星上,冰雹云微物理特征与极轨卫星相一致,将早期识别指标应用于FY-4A静止卫星,跟踪云团发展演变,实现自动预警。（4）经过4次降雹过程中应用,FY-4A卫星自动预警与实况吻合22次,漏报2次,自动预警平均提前约2小时。FY-4A卫星自动预警对及时有效组织实施人工防雹作业具有重要现实意义。     

Validation of very high cloud droplet number concentrations in air masses transported thousands of kilometres over the ocean

The microstructure of orographic clouds related to the aerosol present was studied during the second Aerosol Characterisation Experiment (ACE‐2). Very high cloud droplet number concentrations (almost 3000 cm⁻³) were observed. These high concentrations occurred when clouds formed on a hill slope at Tenerife in polluted air masses originating in Europe that had transported the order of 1000 km over the Atlantic Ocean. The validity of the measured droplet number concentrations was investigated by comparing with measurements of the aerosol upstream of the cloud and cloud interstitial aerosol. Guided by distributions of the ratios between the measurements, three criteria of typically 30% in maximum deviation were applied to the measurements to test their validity. Agreement was found for 88% of the cases. The validated data set spans droplet number concentrations of 150–3000 cm⁻³. The updraught velocity during the cloud formation was estimated to 2.2 m s⁻¹ by model calculations, which is typical of cumuliform clouds. The results of the present study are discussed in relation to cloud droplet number concentrations previously reported in the literature. The importance of promoting the mechanistic understanding of the aerosol/cloud interaction and the use of validation procedures of cloud microphysical parameters is stressed in relation to the assessment of the indirect climatic effect of aerosols.     

DETECTION OF MULTILAYER CIRRUS CLOUD USING FY-1C DATA

There are ten channels in the FY-1C polar-orbiting meteorological satellite of China.Thesechannels cover visible,near-infrared and infrared spectral bands.Based on simulating analysis ofsingle layer and multilayer clouds that cirrus clouds possibly overlap low water clouds,the casestudy using FY-1C data is performed.Results show that FY-1C data can be used to analyzemultilayer clouds,especially for the ease of low water cloud overlaid by cirrus.     

DETECTION OF MULTILAYER CIRRUS CLOUD USING FY-1C DATA*

There are ten channels in the FY-1C polar-orbiting meteorological satellite of China.These channels cover visible,near-infrared and infrared spectral bands.Based on simulating analysis of single layer and multilayer clouds that cirrus clouds possibly overlap low water clouds,the case study using FY-1C data is performed.Results show that FY-1C data can be used to analyze multilayer clouds,especially for the ease of low water cloud overlaid by cirrus.     

TRMM卫星对一次冰雹降水过程的观测分析研究

利用TRMM卫星上时空匹配较好的测雨雷达(PR)、微波成像仪(TMI)、可见光和红外扫描仪(VIRS)观测资料,研究了1999年5月9日发生在黄淮地区的一次冰雹降水过程。根据卫星接连3个轨道的观测,综合分析了此次强对流降水过程在不同阶段的降水结构、云顶亮温和降雨厚度以及相应的微波亮温变化特征。观测分析表明,此次降水过程由对流很强的冰雹降水逐渐演变到对流渐弱的暴雨降水。冰雹降水阶段,云中有多个强对流单体,云体中高层有大量的固态降水粒子,使得中高层降水量在降水柱含量中贡献远大于融化层降水量的贡献;暴雨降水阶段,若干对流单体被大面积的层云降水包围,降水高度逐渐降低,云体中高层降水量明显减少,融化层降水量对柱含量的贡献明显增加。降水率廓线中不同高度的降水量对降水柱含量贡献的比较表明:中高层降水量占的比例越大,降雨云对流越强,反之,融化层降水量占的比例越大,降雨云越趋向为稳定的层云。微波亮温信号在不同降雨阶段随雨强的响应程度大不相同,这表明在反演地面降雨时,最好结合降雨云的结构特征及其发展阶段,针对不同降雨类型选取最为有效的微波通道组合来建立最佳反演模式。