基于CloudSat-CALIPSO数据的黄土高原地区云特征分析

云是地气系统的重要组成部分,为深入分析黄土高原地区云特征,利用2007-2016年搭载首部云探测雷达云卫星(CloudSat)与云-气溶胶激光雷达和红外探测者观测卫星(The Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation, CALIPSO)资料,选取黄土高原半湿润、半干旱、干旱和寒旱四个区域,对云的宏、微观物理特征进行了分析。结果表明:(1)黄土高原各区域云出现频率年均值达到了55%以上,其中,春、夏季云出现频率最高,秋冬两季相对较低;半湿润区云出现频率高于其他区域,但其他三个区域云出现频率最高的月份均早于半湿润区。(2)各区域中单层云出现频率最高,占到总云量的60%以上,多层云中主要是双层云,约占总云量的25%。云层高度在不同区域表现为春、夏季节大于秋、冬季节,半湿润区的云层高度在四季均大于其他区域。各区域云几何厚度季节变化不显著,均在1~4 km之间,主要以薄云为主,且78.13%的云几何厚度不超过2 km。(3)各区域的云液态水含量年均值均达到了220.5 mg·m^(-3),约为冰水含量年均值的6.5倍,主要分布在8.5 km以下的高度层。随着高度的减小,液态水含量逐渐增多,其中半湿润区云液态水含量大于其他区域。各区域全年冰水含量占比较小,主要分布在16.5 km以下的高度层。(4)液滴有效半径在各区域的值主要集中在12~16μm,在半干旱区的春季出现了最大值,约为24μm;冰粒子有效半径最大值出现在半湿润区的夏季。液滴数浓度在各区域的值集中在60~80 cm^(-3),均小于冰粒子数浓度平均值,其峰值出现在各区域的夏季,冰粒子数浓度的峰值出现在半湿润和半干旱区的春季。该研究结果有助于深入认识黄土高原云的特征,为区域气候模式对黄土高原地区云特征的模拟提供一定的参考依据。

基于CloudSat-CALIPSO数据的大兴安岭地区云宏微观物理量的垂直结构特征分析

大兴安岭是我国重要生态资源保护区,深入分析该区域云物理特性参量分布特征,对了解复杂地形区域气候变化及人工影响天气等具有重要意义。基于CloudSat-CALIPSO(CloudSat-Cloud Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations)卫星观测资料,分析了大兴安岭地区云层的宏、微观物理特征,结果表明:大兴安岭地区年平均云出现频率为59.5%,主要以高层云、卷云和层积云为主,春夏季云发生频率高于秋冬季。云层主要以薄云为主,61.41%的云厚度不超过2 km,云顶高度、云底高度分别呈现双峰型和单峰型分布形式。云垂直结构特征为单层云的出现频率最高,占到总云量的69.19%,随着云层数的增加,云的发生频率逐渐降低。大兴安岭地区云中液态水含量丰富,年平均值达244.41 mg·m^(-3),约为冰水含量年平均值的4倍,有83.2%的云水含量集中在低空5 km以下的区域。水滴粒子有效粒径和数浓度的年平均值分别为15.86μm和34.47个·cm^(-3),均小于冰晶粒子平均值。云中含水量和有效粒径随高度呈现单峰型分布形式,而云滴粒子数浓度则在低空呈现为双峰型分布形式。

基于CALIPSO卫星数据的吕宋海峡云时空特征统计分析

基于2006年6月—2021年10月期间CALIPSO星载激光雷达观测数据,对吕宋海峡低云和深对流等影响飞行的云时空分布特征进行统计学分析。结果表明,在南海季风、太阳辐射和季风槽的共同影响下:(1)低云覆盖率在8月左右最小,为2.9%,在1月左右最大,为67.4%;低云平均云底高在7月左右最低,为756.1 m,在1月左右最高,为1259.4 m;低云平均厚度在7月最小,为714.1 m,在12月最大,为1039.4 m。(2)深对流发生概率在10月左右最小,为1.9%,12月最大,为18.7%;深对流顶高在10月最大,平均顶高为16056.2 m,在4月最小,平均顶高为14164.0 m。

塔克拉玛干沙漠与撒哈拉沙漠沙尘气溶胶光学特性对比研究

基于2007—2021年CALIPSO和MODIS主、被动卫星遥感探测数据,对塔克拉玛干沙漠和撒哈拉沙漠的气溶胶光学特性时空分布特征进行探究及对比分析。结果表明:(1)两大沙漠的沙尘气溶胶对总气溶胶的贡献率最大,气溶胶类型季节变化的相对单一性反映了塔克拉玛干沙漠和撒哈拉沙漠地区存在沙漠沙尘排放对总气溶胶成分的显著影响;(2)塔克拉玛干沙漠气溶胶光学厚度AOD的峰值出现在春季(春季>夏季>秋季>冬季),而撒哈拉沙漠AOD的峰值出现在夏季(夏季>春季>秋季>冬季);(3)撒哈拉沙漠总气溶胶抬升高度与塔克拉玛干沙漠相近,但近地面层消光系数明显小于塔克拉玛干沙漠;塔克拉玛干沙漠的消光系数平均值在所有季节中均大于撒哈拉沙漠,故塔克拉玛干沙漠的沙尘气溶胶AOD比撒哈拉沙漠的大;相比沙漠沙尘气溶胶,塔克拉玛干沙漠和撒哈拉沙漠都无明显的污染沙尘和抬升烟活动。上述研究结果揭示了两大沙漠源区沙尘气溶胶光学特性的观测事实与利用大气气溶胶时空变化特征反映区域气候变化的可能性。

CloudSat/CALIPSO卫星资料分析云的全球分布及其季节变化特征

全球气候模式(GCM)中云的参数化方案具有不确定性,了解云的时、空变化能为参数化方案提供有效参考。利用搭载在属于A-Train卫星序列的CloudSat和CALIPSO上的94 GHz云廓线雷达(CPR)以及正交极化云-气溶胶激光雷达(CALIOP)联合的2级云分类产品,分析了2007年3月—2010年2月8种云类及三相态的云量地理分布、纬向垂直分布的季节变化特征以及云层分布概率。结果发现,卷云的分布体系与深对流云相似,主要集中在西太平洋暖池、全球各季风区及赤道辐合带,分布格局与气压带、风带季节性移动一致。层云与层积云主要分布在中低纬度非季风区以及中高纬度的洋面上。高积云与高层云的分布形成明显的海陆差异,雨层云与积云的分布形成明显的纬度差异。冰云分布与卷云相似,云高随纬度递增而递减;水云分布与层积云相似,平均分布于2km高度;混合云集中于高纬度地区及赤道辐合带,中纬度地区随纬度变化集中于海拔0—10km的弧形带。层状云多以多层云形式出现,积状云多以单、双层云的形式出现,层状云的云重叠现象比积状云更显著。积状和层状云的分布特征与积云和层云降水的分布特征基本一致,验证了不同类型降水的卫星观测结果,同时为气候模式的云量诊断方案提供对比验证的数据。

基于CALIPSO卫星数据的中国典型区域气溶胶特性

为评估气溶胶的直接和间接辐射强迫,利用CALIPSO卫星2级产品,分析了中国气溶胶光学厚度(AOD)的季节空间分布、季节光学属性及其垂直分布特征,结合AERONET观测数据,对气溶胶的季节光学属性进行了验证.结果表明,塔克拉玛干沙漠和青藏高原的退偏振比(PDR)和色比(CR)值最大,东北平原、四川盆地、华北平原和长江三角洲的PDR和CR值最小,黄土高原的PDR和CR值居中,珠江三角洲的PDR值与污染地区一样大,CR值较高.春季沙尘被传输至对流层中部及以上,夏季强烈的垂直对流活动使大量气溶胶被从边界层内带至自由对流层;秋冬季稳定的气象条件使大量气溶胶滞留在边界层内,冬季地面1.5 km内AOD与总AOD的比值及消光递减率均达到了最大值48.25%和0.13 km-2,污染严重的地区在边界层内的消光递减率比污染程度轻的地区大.

基于CALIPSO卫星数据的全球大气边界层高度时空分布特征

通过CALIPSO卫星观测数据利用改进的最大标准差方法反演了全球范围2009年1月-2014年12月的行星边界层(PBL)高度.针对CALIPSO卫星获得的PBL高度,利用SACOL站NIES激光雷达和ECMWF PBL高度数据进行了验证.结果表明,CALIPSO卫星数据与NIES激光雷达数据的相关性为0.83,ECMWF与NIES激光雷达数据的相关性为0.41,均通过95%的显著性水平检验.全球陆地PBL高度以及季节变化趋势都明显高于海洋,且呈现相反的变化趋势,陆地PBL高度最大值发生在夏季,最小值出现在冬季,而水面上则相反;中国区域PBL高度常年存在两个高值中心,分别位于青藏高原和沿海地区;冬季北美和亚洲东部海岸沿线地区的PBL高度比周围海洋PBL高度明显偏高;CALIPSO卫星获得的全球平均PBL高度75%集中在距地面2km以内的范围,集中在0.5~0.75 km的最多.

基于CALIPSO卫星资料的华东地区气溶胶垂直分布特征

基于2010年12月1日—2011年11月30日美国国家航空航天局云—气溶胶激光雷达与红外探测者卫星搭载的激光雷达CALIPSO的监测数据，通过分析消光后向散射系数、体积退偏比和色比，得到了华东地区垂直方向上气溶胶粒子的散射能力、尺度、规则程度随高度的变化及其季节变化特征。结果表明：随着高度的增加华东地区大气的散射能力减弱。整层大气不同季节粒子的形状大小不同，春季不规则、大粒径粒子所占比例与其他季节相比较大。夏季较规则、小粒径的粒子较多。各高度层的后向散射系数值分布范围为5伊10-4~20伊10-4km-1·sr-1。对不同高度消光后向散射系数、体积退偏比和色比随时间变化的研究表明，春季受沙尘输送的影响，0~4km大气层中不规则大粒径粒子较多；4~8km大气层由于所含气溶胶粒子较少，大气散射能力随季节变化不明显；而8~10km大气层中粒子含量最少，导致大粒径粒子所占比例较高，此外该高度层在秋季不规则、大粒径粒子相对较多，冬季规则、小粒径粒子相对较多。

CALIPSO星载激光在全球海洋上空的穿透性统计

利用CALIPSO卫星2006年6月至2010年5月四年的5 km二级云产品数据对CALIPSO星载激光在全球海洋上空的穿透性进行统计分析,分别讨论了穿透概率随年度变化、季节变化、昼夜变化及地理位置的变动情况,同时分析了产品版本因素对分析结果造成的影响。分析表明,海洋上空的数据中探测到云层的约占72.2%,其中不透明云层约占有云数据的61.4%,即可穿透云层获得海面信息的数据约占有云数据的38.6%,加上未探测到云层的激光,总共约有占总数据量55.6%左右的激光数据可以用来探测海面信息。使用不同的版本数据分析穿透率结果约有9%的变化.

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CloudSat/CALIPSO资料的海陆上空中云的物理属性分析

利用CloudSat和CALIPSO卫星云产品数据分析了2007年1月至2010年12月中国华北（陆地A1）、日本海（近海A2）和太平洋地区（远海A3）的中云（高积云Ac和高层云As）分布特征.3个地区全年中云平均发生概率近1/3,As的发生概率高于Ac.As高度主要位于4～8 km,Ac则集中于高度3.5～5.5 km范围,中云垂直及水平尺度从陆地向深海逐步增加.位于对流层中部的中云其所处位置温度使冰晶和过冷水状态的液态水能够同时存在.统计结果表明As中冰态粒子含量占绝对多数,Ac中液态和冰态各占比例彼此相当.As与Ac中IER（冰晶有效粒子半径）分布与高度均呈负相关关系,IER谱分布主要范围为35～80 μm.As中LER（液水有效粒子半径）与高度呈正相关特征,但Ac中这一特征明显减弱,Ac及As中LER主要分布范围为5～15 μm.As及Ac中IWC及LWC谱分布比较分散,与高度之间的相关性亦不明显.

CALIPSO星载激光雷达系统在全球气溶胶探测中的应用

气溶胶对于地球候系统具有非常重要的作用，气溶胶变化是气候预测不确定性的主要依据，CALIPSO是第一个提供全球气溶胶观测的星载激光雷达系统。文章阐述了星载激光雷达系统CALIPSO的结构和理论基础；介绍了利用其搭载的偏振激光雷达CALIOP对全球范围内的气溶胶进行探测的原理，并利用实测的2013年1月全球气溶胶信息，对全球气溶胶及光学厚度分布进行分析。结果表明，在冬季非洲中部、中东、印度、中国大陆地区是探测到的气溶胶密集区，由于工业活动的影响，平均光学厚度甚至达到0．4～0．6。

联合CloudSat-CALIPSO-MODIS进行云相态检测的新方法（英文）

云与生活息息相关,云参量的定量研究便显得极其重要,其中包括云相态的精确判识。由于传统基于单传感器的云相态识别算法都存在一定的局限性,提出了联合CloudSat-CALIPSO-MODIS多传感器进行云相态检测的新方法,提高了云相态的识别精度。利用2008年5月2日和2010年2月1日的CloudSat、CALIPSO、 MODIS综合观测数据,获取了6种云相态,包括不确定云,混合云,水云,过冷水云,冰云和晴空。结果表明协同算法可以更精确地进行云相态识别,并为数值天气预报提供条件,具有重要的科学意义。

基于CloudSat–CALIPSO资料的全球不同类型云的水平和垂直分布特征

基于Cloud Sat-CALIPSO(Cloud Sat–Cloud Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations)卫星观测资料,分析了全球总云量和8类云的云量、云底高、云顶高、云厚度的水平和垂直分布。分析结果表明,全球平均总云量为66.7%,其中卷云(Ci)和层积云(Sc)云量之和与其他6类云量总和相当,是全球云量最多的两类云。积状云云量呈现从赤道向极地递减的特征,层状云则相反,反映了二者不同的生成环境,同时下垫面地形和天气系统也严重影响云的分布。8类云的高度及厚度特征有显著差异。Ci的云底高度和云顶高度都较高,厚度则较薄;高层云(As)和高积云(Ac)的云底高度和云顶高度都位于大气中层,但As比Ac出现的高度高且厚度大;层云(St)、层积云和积云(Cu)的云底高度和云顶高度都很低,属于薄的低云;雨层云(Ns)和深对流云(DC)云底较低但云顶伸展很高,归属于厚云类。总体而言,海洋上云底高度较陆地低;赤道等大气不稳定地区,云底较高,云厚度较大;高原地区则表现出"高云不高,低云不低,云厚较薄"的特征。

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%。

基于CloudSat/CALIPSO联合探测的南京地区卷云物理特性分析

卷云的物理特性对研究卷云的辐射强迫具有重要意义。利用星载雷达(CPR,Cloud Profile Radar/CALIOP,Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization)联合探测反演数据产品,对南京地区的2007年1月—2010年12月4 a的卷云物理特性进行了统计分析。研究结果表明:(1)4 a的卷云出现概率均是春季和夏季大于秋季和冬季;(2)全年的平均云底、云顶高度相当,整体相差较小,分布较为稳定,云底、云顶高度年平均值在2009年均出现最大值,分别为10.065 km,11.685 km;(3)冰水含量(IWC)的范围基本集中在0.000 0~0.050 0 g/m^3,粒子有效半径(ER)的范围基本集中在30～40μm之间;IWC和ER的年平均值在2009年均出现最小值,分别为0.045 8 g/m^3,45.893μm。南京地区卷云的物理结构特征可为气候模式或辐射传输模式中典型高云参数的输入和使用提供参考。

基于CALIPSO资料的沙尘暴过程沙尘垂直结构特征分析

综合利用CALIPSO星载激光雷达探测资料和MM5数值模拟结果，对2010年3月19—22日强沙尘暴过程不同阶段沙尘垂直分布特征及其动力、热力结构进行了初步分析，结果发现：在沙尘暴成熟阶段，沙尘层分布于2～9km（850～250hPa）的几乎整个对流层中，冷锋前抬升和锋后下沉导致的旺盛垂直混合使沙尘呈现相对均匀的垂直分布。在沙尘扩展及远距离传输阶段，沙尘层明显分为两层，分别位于对流层低层（700hPa以下）和对流层中高层（600～300hPa）。在沙尘暴各个阶段，弱风速垂直切变和弱位温、相当位温垂直变化始终与沙尘层配合，显示沙尘层维持中性混合层，而两个沙尘层之间则为强风速垂直切变及位温、相当位温锋区。另外，沙尘暴发展过程中，高空急流、位涡、比湿等要素均表明出明显的对流顶折叠和高空位涡下传，且在对流顶较高的区域，沙尘向上的扩展也较高，反之则较低。需要指出，在沙尘暴扩展和远距离传输阶段，在40°N附近，7～9km沿纬向一线，均出现一小范围孤立沙尘区位于平流层中（或平流层附近），表明沙尘暴过程中能够产生沙尘的对流层一平流层输送，并在平流层中形成持续性的沙尘传输带。这可以成为沙尘气溶胶对流层一平流层输送及其在平流层中传输的一个直接的监测证据。

CALIPSO星载激光雷达气溶胶分层光学厚度与青岛市空气污染指数的相关性

卫星遥感柱状气溶胶光学厚度已经被广泛应用于与地面空气污染数据的对比研究,但由于缺乏关于气溶胶垂直结构的资料,对研究二者的相关性产生了一定的影响。为了弥补这一不足,通过利用CALIPSO星载激光雷达后向散射系数垂直剖面数据,对青岛市的大气边界层进行了分析,发现其边界层通常在3 km以下。因此,将2010年1月至2012年12月的CALIPSO气溶胶分层产品中3 km以下分层的气溶胶光学厚度与青岛市气象局发布的空气污染指数进行了相关性分析,得到了比柱状气溶胶光学厚度更高的相关系数,验证了CALIPSO卫星遥感气溶胶分层数据产品在大气污染监测方面的有效性。

CALIPSO卫星资料的春夏季黄海海雾高度特征分析

利用2007—2018年CALIPSO卫星数据对春夏季黄海海雾的高度特征进行了统计,并借助MTSAT可见光卫星云图、"葵花8号"可见光卫星云图和KMA地面天气图对控制海雾产生的天气形势进行了分析,进一步讨论了各天气型下黄海海雾的高度特征。研究结果表明:(1)黄海海雾的平均雾顶高度是211 m,海雾高度最大值为370 m,大多数黄海海雾雾顶高度介于100~400 m;(2)7月的海雾雾顶高度高于其他月份,为260 m;(3)控制黄海海雾生成发展的主要天气型有入海变性高压型和大陆低压低槽东移型,入海变性高压控制下的弱偏南风区域的雾顶高度相对较高,大陆低压低槽控制下的槽前风速稍大区域的雾顶高度偏高。

中国区域CALIPSO和MERRA-2气溶胶三维参数对比验证

气溶胶是目前大气污染重要的贡献源之一,影响着全球辐射平衡和气候变化。当前主被动遥感卫星(如MODIS和CALIPSO)获取全球气溶胶信息时间分辨率较低,而全球再分析数据MERRA-2提供了高时间分辨率的三维气溶胶分布信息,但是MERRA-2气溶胶产品的质量仍然有待验证。针对上述问题,通过对MERRA-2和CALIPSO的三维消光系数廓线进行交叉对比,验证了MERRA-2在中国中东部(特别是重人为污染区域)的数据精度。实验结果表明,MERRA-2和CALIPSO的消光系数整体具有较好相关性(0.79),其中二者在秋季相关性最高(0.82),夏季和冬季次之(0.81和0.80),春季相关性最低(0.77)。随着高度的不断增加,大气更为洁净,MERRA-2和CALIPSO之间相关系数从0.78降为0.52,标准差从0.0280降为0.0014。上述结果表明,MERRA-2在重污染情况下能提供更为准确的气溶胶三维分布信息,同时MERRA-2和CALIPSO消光系数的一致性受气溶胶类型的影响不大。