利用MODIS数据反演多层云光学厚度和有效粒子半径

利用卫星资料反演云微物理参数不仅有助于对天气变化的监测和预报,而且对人工影响天气的研究十分有益。目前卫星反演云微物理参数的算法一般是假设视场中只有一层云,但是实际环境中多层云出现很频繁。文中研究了多层云的光学厚度和有效粒子半径微物理参数的反演算法,主要针对薄的冰云覆盖在低层水云的多层云情形。算法利用中分辨率成像光谱仪(MODIS)吸收通道和非吸收通道同时进行反演,在此基础上利用SBDART辐射传输模式模拟冰云覆盖在低层水云上的多层云对云微物理参数反演的影响,模拟表明反演时将多层云作为单层云处理会使反演结果产生较大误差。为此,文中提出了云光学厚度和有效粒子半径反演算法中要考虑多层云的因素,并设计了一套云光学厚度和有效粒子半径反演方案。该方案使用SBDART辐射传输模式建立不同观测几何条件、下垫面类型、大气环境等条件下以光学厚度和有效粒子半径为函数变量的多层云、水云和冰云辐射查找表。经过云检测、云相态识别和多层云检测后,在该查找表的基础上,对MODIS通道1和通道7的数据采用最小方差拟合法反演光学厚度、有效粒子半径。利用该方案对2006年7月12日TERRA卫星MODIS数据进行反演试验,反演结果与NASA发布的MOD06产品中云的光学厚度和有效粒子半径的结果较一致,表明方案具有合理性。

基于EOS/MODIS的云雾光学厚度和有效粒子半径反演研究

使用SBDART辐射传输模式模拟EOS/MOD IS可见光和近/短波红外通道的光学特性,分析了使用这些通道进行云雾光学厚度和有效粒子半径反演的可行性,建立了不同条件下的正演模拟辐射数据库,在此基础上反演云雾光学厚度和有效粒子半径。敏感性研究表明,不同波长的近/短波红外波段反射率对不同高度上的粒子敏感,使用不同通道组合反演所得的有效粒子半径反映了云层不同高度上的粒子尺度特征。结合卫星数据和常规资料做了实例分析,分析结果表明,反演结果具有合理性。

利用透射太阳辐射反演云光学厚度及有效粒子半径：方法研究

提出了一种利用地基观测透射太阳辐射反演层状云光学厚度及有效粒子半径的方法。通过原理分析和详细的数值模拟对该方法的可行性进行了讨论,并给出了反演流程,进行了误差分析。数值模拟采用了与MODIS遥感云原理相同的波长组合(0.75和2.13μm),结果表明,当水云尺度化光学厚度τ′_(0.75)＞1,γ_e＞5μ时,利用0.75和2.13μm的太阳透射值可以反演出该云的光学厚度及有效粒子半径。对于光学较薄的云,由于透射的2.13μm辐射值对于有效粒子半径敏感性变差,该方法不再适用。随着光学厚度的增大,τ′_(0.75)和γ_e的反演误差均单调减小,当τ′_(0.75)≥2以后,τ′_(0.75)和γ_e的误差分别下降到10％和20％以下。结合0.75和1.65μm的太阳透射值也可以反演水云的光学厚度和有效粒子半径。

FY-3A三个通道资料反演水云有效粒子半径的研究

基于水汽吸收波段云的反射率主要依赖于云粒子大小的原理,利用SBDART辐射传输模式和FY-3A极轨气象卫星可见光红外扫描辐射计(VIRR)的通道3(3.7μm)、中分辨率光谱成像仪(MERSI)的通道6(1.64μm)和通道7(2.13μm)所提供的探测数据进行了水云有效粒子半径的反演和比较。发现,1.64、2.13和3.7μm三个通道均能定最反演有效粒子半径的大小,其中1.64和2.13μm通道对大粒子的敏感性较高,3.7μm通道在光学厚度较小时敏感性好。三个通道的有效粒子半径反演产品与MODIS有效粒子半径产品具有较好的相关性。

散射模型和有效粒子半径对卷云光学厚度反演的影响

为研究不同散射模型和有效粒子半径对卷云光学厚度反演的影响,计算了不同光学厚度下,一般种类混合模型(GHM)、实心柱状模型(SC)和聚合物实心柱状模型(ASC)取不同有效粒子半径时的反射率。理论分析了不同散射模型及其不同有效粒子半径对卷云光学厚度反演结果的影响。使用基于倍加累加法的矢量辐射传输模型RT3计算3种模型卷云光学厚度查找表,基于POLDER数据,采用查找表法进行卷云光学厚度反演实验,实验结果与理论分析一致。结果可知:采用不同散射模型反演得到的卷云光学厚度存在较大差异,相比GHM和SC模型,ASC模型卷云光学厚度反演结果更接近POLDER产品;有效粒子半径越大,光学厚度反演结果越大,GHM和SC的增幅较大,而ASC增幅很小。因此,在不具备有效粒子半径反演能力时,建议采用ASC模型反演卷云光学厚度,以减小有效粒子半径变化对反演结果的影响。上述研究对我国GF-5卫星的卷云光学厚度反演的散射模型选取及反演结果评价具有参考价值。

云滴谱分布对FY-4A/AGRI水云光学厚度与有效粒子半径反演的影响

为了定量评估对数正态谱分布假设对水云光学厚度(COT)与有效粒子半径(Re)反演的影响,利用欧洲中期数值天气预报中心建立的RTTOV(Radiative Transfer for TIROS Operational Vertical Sounder)模式,对比模拟了基于对数正态谱和修正Gamma谱两种云滴谱分布下FY-4A/AGRI(Advanced Geosynchronous Radiation Imager)的第2、5通道液态水云的反射率,分析了这两个谱分布假设条件下水云反射率随COT以及Re的变化特征。在此基础上,建立了两种谱分布条件下的COT和Re查算表,并基于2020年夏季的一个初生对流云个例,定量分析了云滴谱分布类型对云参数反演结果的影响。结果表明,在第2通道,两个云滴谱类型假设下计算的反射率仅有0.1%~2%的差异,但在第5通道,采用修正Gamma云滴谱计算的反射率比采用对数正态云滴谱计算的反射率低10%~20%。反演结果表明,采用对数正态云滴谱反演的有效粒子半径Re比采用修正Gamma云滴谱反演的Re整体偏大,前者反演的Re集中在15~35μm,而后者反演的Re集中在10~30μm。采用两种云滴谱反演的COT的空间一致性良好,相差-2%~5%。

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/m^2和100~300 g/m^2,层积云最少,分别介于0~80 g/m^2和0~60 g/m^2;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。

冰云粒子微物理属性在一次强降雨过程中的垂直分布

采用美国宇航局NASA的Cloud Sat卫星资料2B-CWC-RVOD和2B-CLDCLASS,并结合CERES Aqua MODIS Edition 3A资料,分析了一次降水过程中云类型和云中冰粒子微物理属性的垂直分布特征,探讨其与降雨量大小的关系。结果表明：冰云分布在2-11 km,越小的云参量值的出现频率越大。冰粒子有效半径在垂直高度上的分布存在明显的分层现象,且随着高度的升高呈变小的趋势。半径〉150μm的粒子集中在2-4 km;半径在100-150μm的粒子85.6%分布在2-6km;而半径〈50μm的粒子在整个云层均有分布,且分布比例随云层的升高而增大。冰水含量在垂直高度上呈近似正态分布,高值分布在云层中部6-7 km,且正在降雨地区云的冰水含量和柱含量值比非降雨区大。冰粒子数浓度随云层高度的上升呈增大的趋势。

中国地区夏季云粒子尺寸的时空分布特征

利用CloudSat卫星资料,分析了2006～2008年中国地区夏季月平均云粒子有效半径的垂直和区域变化特征。结果显示,水云粒子有效半径在对流层低层达到最大,并随高度增加而减小。30°N纬度带的水云相对以南及以北纬度带的粒子有效半径偏大。6月水云粒子有效半径较大,应与梅雨季节有密切联系。对于中国北部和中部,水云粒子有效半径在西部较东部偏大,而在南部地区,东西部差异不明显。不同纬度带上的冰云粒子有效半径相类似,在冰云下边界最大,随高度增加而减小。水云和冰云的云粒子尺度的年际变化不明显。对上述特征的成因分析表明,高原地形以及东亚夏季风对月平均云粒子有效半径具有明显影响。所揭示的云粒子有效半径特征为天气和气候模式改进、人工影响天气及云—辐射—气候相互作用等研究提供了重要的基础信息。

A cloud optical and microphysical property product for the advanced geosynchronous radiation imager onboard China's Fengyun-4 satellites: The first version

风云四号作为中国新一代静止气象卫星,提供了高时空分辨率的监测产品。本文介绍风云四号搭载的先进地球同步轨道辐射成像仪AGRI的云光学和微物理特性产品.该产品包含了基于双光谱通道反演的云光学厚度和云粒子有效半径产品,以及基于机器学习的云识别和云相态产品。与时空匹配的主动卫星观测结果对比显示,该产品的云识别和云相态的准确率分别在95%和85%;该产品提供的云光学厚度和云有效粒径与经典的MODIS产品的相关系数达到0.76和0.63.团队将持续优化和更新该云光学和微物理特性定量产品,服务风云四号卫星定量应用。

基于风云静止卫星的飞机增雨云物理响应

利用2016—2019年9次飞机增雨作业资料及FY-2E/2G/4A气象静止卫星反演产品,采用HYSPLIT模式确定增雨影响区的方法、卫星反演产品及雷达产品分析方法,分析增雨催化后卫星反演云物理参数的响应,获取增雨催化后云物理特征及演变规律,提高气象卫星在人工增雨效果检验与评估方面的综合应用能力及效益。结果表明:对于研究中的多数增雨作业,自然变异和人工催化双重因素共同影响下的4项云物理参数在催化结束后2~3 h达到最大变化。对于9次飞机增雨作业,云顶温度、云粒子有效半径、光学厚度、液水路径、小时降水量在催化结束后3 h的平均变化值分别达到-1.44~2.09℃、-3.73~3.84μm、-5.47~3.62、-112.59~61.12 mm、-0.06~0.27 mm,半数以上作业云顶温度、小时降水量增加,半数以上作业云粒子有效半径、光学厚度、液水路径减小,个别作业降水量减少。对于不同云体,当液水分布和云系结构存在很大差异且不均匀时,增雨催化后产生的云物理变化、降水变化均存在显著差异。对于自然变异和人工催化共同影响引起的降水变化,目前难以科学完整地剔除二者分别对降水变化的影响。

基于主动卫星遥感研究西北地区云层垂直结构特征及其对人工增雨的影响

利用2007年1月至2008年12月CLOUDSAT和CALIPSO卫星主动遥感资料分析了我国西北3个典型区域不同云类型的宏观及微观的垂直结构特征。结果表明:黄土高原、祁连山和天山地区的年均总云分数分别为62.8%,65.2%和73.4%;3个区域的积状云在夏秋季节发展旺盛,而层状云在冬春季节占主导地位。云层垂直方向的概率密度分布具有显著的区域和季节变化特征,其峰值位于2～6 km之间。各个区域云液态水含量自云底向上有明显的递减趋势,夏季天山和祁连山地区低层具有丰富的云水资源,峰值分别达0.47 mg/m3、0.38 mg/m3。各个区域的云液态水含量峰值以冬季最小,夏季最大。对应的液态云有效粒子半径平均值位于8～16μm之间。降水云的有效粒子半径随高度上升具有明显的递减趋势,而非降水云则存在较弱的增加趋势。这种云层垂直方向上的结构变化对降水有直接影响,是评估人工增雨潜力的重要依据。

基于FY2G卫星的宁夏空中云水资源特征研究

为了提高宁夏空中云水资源开发利用效率,利用2017-2019年FY2G卫星反演产品、自动站降水资料及微波辐射计反演产品,分析宁夏不同地区云微观特性的时空变化特征,研究液水含量的降水效率及云水资源开发潜力。结果表明:(1)剔除不合理数据后,FY2G卫星反演结果与微波辐射计反演结果相关性较好,反演产品基本上能够代表宁夏云水资源特征;(2)宁夏云中过冷层厚度大约在1.65~2km,液态水含量在0.02~0.5mm,云光学厚度的均值在3~7,云粒子有效半径在3~8μm;(3)宁夏云液态水降水效率为53.9%,人工增雨的潜力为46.1%,云液态水降水效率在夏季、秋季、春季、冬季依次降低。

基于MODIS产品的中国陆地冰云季节变化特征

利用2011年11月-2016年10月Terra卫星MODIS(moderate-resolution imaging spectroradiometer)3级大气产品数据(MOD08_M3)对中国陆地区域冰云发生概率、有效粒子半径、光学厚度和冰水路径的水平分布与季节变化进行分析。结果表明:冰云特性的水平分布和季节变化特征与东亚季风和强对流天气的发生存在一定联系。近5年冰云发生概率呈上升趋势,季节性变化规律明显,高值区出现在青藏高原东北部;冰云有效粒子水平分布呈现由西南向东北逐渐增加的趋势,总体季节性变化特点不明显,但在纬度较高地区出现随季节变化特征;冰云光学厚度与冰水路径水平分布和季节变化趋势大致相同,呈东南向西北递减趋势,总体季节性变化明显。

基于DARDAR数据的中国地区不同光学厚度下冰云特性分析

利用CALIPSO和Cloud Sat协同反演产品DARDAR四年数据,分析了中国地区各种光学厚度冰云的发生概率,水平和垂直方向的分布规律,季节变化及微物理特性差异。结果表明:我国冰云特性不仅有明显区域和季节变化特征,还与不同光学厚度所定义的冰云类型有关。中国区域主要发生薄冰云(0.03<τ<0. 3)和不透明冰云(0. 3<τ<3)较多,发生率高值区均在青藏高原地区。除不可见冰云(τ<0. 03)外,其余类型冰云的主要发生高度会随着光学厚度的增加而降低。不同类型冰云的季节变化并不明显,但是夏季更容易出现有利于光学较厚(τ>3)冰云发生的条件。微物理特性方面,冰水含量明显随冰云类型的变化而变化,而冰云有效粒子半径与高度的关系比与光学厚度的关系更为密切。全国冰云特征的平均数值并不能代表区域内的冰云特性,由光学厚度定义的不同种类冰云的具体分析极为重要。

祁连山区云光学特征的遥感反演与云水资源的分布特征分析

利用Terra和Aqua卫星上载的MODIS探测器接收资料和祁连山区及周边气象台站6 h降水量资料, 应用6S辐射传输模式和Mie模式, 针对2002-2005年以来的18次大范围云覆盖的祁连山区, 反演了云的光学厚度、云粒子有效半径以及云液态含水量等参数, 结合地理信息系统分析了其随海拔高度变化的分布特征及其与地面降雨量的关系. 结果表明： 祁连山区云的光学厚度、云粒子有效半径以及云液态含水量分布受地形影响具有显著的地域差异, 最大值分布在海拔4 300 m以下的山区, 是云水资源丰富区和易降水区; 云宏观特征参数与地面6 h降水量成正相关关系, 产生降水概率较大的云光学厚度在8～20之间, 云粒子有效半径在6～12 μm之间, 云液态含水量在0.04 g·m^-3就能产生降水. 祁连山区云液态含水量可高达0.15 g·m^-3, 表明山区云水资源具有很大的开发潜力.

重庆一次超级单体风暴的综合分析

利用MICAPS常规天气资料、卫星和多普勒雷达等资料对2008年6月5日发生在重庆的一次超级单体风暴进行了综合分析。结果表明,该超级单体是在典型的＂上层干冷、下层暖湿＂的大气垂直结构下产生的,产生风雹的区域正好位于低空急流出口区及中低层风速辐合区;多普勒雷达观测表现为典型钩状回波、低层有界弱回波区和＂穹隆＂、中气旋、阵风锋等超级单体特征;垂直累积液态水（VIL）的突然跃增比冰雹降落时间提前2~3个体扫,对冰雹预报具有一定的指示意义;卫星反演的云粒子有效半径的大值区与冰雹落区较为一致;云中粒子半径〉36μm的粒子越多,所占比重越大,降雹的可能性就越大。

基于卫星资料的气溶胶对冰云影响及分布特征分析

通过利用2010年1月—2016年12月CALIOP(the Cloud-aerosol lidar with orthogonal polariz⁃ation)冰云和气溶胶3级月平均产品和MODIS(Moderate-resolution imaging spectroradiometer)大气3级日平均产品研究气溶胶和冰云空间分布特征及气溶胶对冰云的影响。结果表明:纬度与冰云的分布密切相关,在热带附近的高空区域冰云样本数存在极大值区,随着纬度增加,冰云样本数的最大值和大值区所处的高度也在逐渐减小,且南北半球存在差异;气溶胶在地面附近以赤道为对称的低纬度地区存在极大值,北半球气溶胶能发展到5 km左右,而南半球在3 km左右;气溶胶与冰云随时间变化趋势较为一致,冰水含量和冰云粒子半径随时间变化存在相反的关系,气溶胶与冰水含量和冰云粒子半径的变化在时间上没有较好对应;清洁区域由于海盐粒子作用表现出较大的气溶胶光学厚度,但这不影响清洁区具有较小的冰云光学厚度;气溶胶促进了0℃~-10℃和-20℃~-40℃之间的冰云形成;随着温度降低,云中冰水含量减小,冰云粒子半径增大,在污染区域,冰水含量相对于清洁区域更小,冰云粒子半径也小于清洁区域。

基于不同被动传感器的中国区域冰云特性对比评估

为了对比中国区域不同被动传感器冰云资料差异及原因,评估并找出与冰云实际特征更加接近的被动产品,使用2013年1月~2015年12月中分辨率成像光谱仪(MODIS)、大气红外探测仪(AIRS)、大气红外/先进微波探测(AIRS/AMSU-A)被动传感器三级产品,以雷达/激光雷达探测(DARDAR)资料为参照,对比分析了冰云发生概率、光学厚度及有效粒子半径的水平分布特征、小尺度数值大小、3年年季变化情况。结果表明:中国区域冰云发生概率总体水平分布MODIS更接近于DARDAR资料,但中国南部、西南、东北、华中等不同小尺度区域的数值分析AIRS和AIRS/AMSU-A相近,效果均比MODIS更佳;冰云光学厚度AIRS/AMSU-A对数值大小的反演和全中国整体变化规律均与DARDAR资料相近;中国及周边区域冰云有效粒子半径的大范围总体水平分布AIRS被动传感器更接近DARDAR资料,对于不同尺度的数值研究,中高纬度小区域宜选择MODIS,低纬度AIRS更接近DARDAR资料;无论冰云发生概率、光学厚度还是冰粒半径,MODIS被动传感器均能更为准确地描述3年年季变化。

FY-2C静止气象卫星红外通道辐射特性研究

FY-2C静止气象卫星中红外通道(3.5～4.0μm)比较特殊,在该通道,地球长波辐射和太阳短波入射辐射的强度基本相同,因此在应用时需要同时考虑大气的散射和热发射两种过程。作者对这两种过程进行了分析,用SBDART辐射传输模式模拟计算了FY-2C中红外通道接收的总辐射、热辐射及散射辐射,分析了它们的特性及对云滴粒子有效半径的敏感性,并提出从该通道接收总辐射中扣除地面及云热辐射贡献项的经验关系式。