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。

基于CALIPSO卫星遥感数据的全球典型区域气溶胶光学特性研究

利用CALIPSO卫星提供的2级气溶胶层产品,通过统计分析多个气溶胶光学特性参数,研究2009—2018年全球范围典型区域内气溶胶光学特性的空间分布特性及其季节属性。结果表明:沙特阿拉伯和印度的气溶胶光学厚度(AOD)月均值呈单峰型,在6月到7月达到峰值;中国和非洲中部的AOD月均值变化为双峰型,最值出现在4月到6月和12月到次年1月。粒子退偏振比(PDR)和粒子色比(CR)的区域差异性为巴西地区颗粒物不规则程度最大,PDR值为0.5~0.7;中国、印度和印度尼西亚等地则主要以细模态粒子为主,CR值为0.1~0.2。在DJF和MAM时期,以沙特地区颗粒物非球形趋势最强,在JJA和SON时期,以沙特和非洲中部颗粒物粒径最大,CR值变化范围为0.756~0.829。各地区气溶胶粒子非规则程度均呈增强趋势,趋势系数变化范围为0.01~0.025,以巴西增强趋势最明显,粒子粒径则表现为弱下降趋势。

8、9月沈阳地区卫星观测云垂直结构的气候特征分析

利用Cloudsat和CALIPSO卫星资料统计分析了8、9月沈阳地区云系的垂直结构特征。结果表明,8月下旬和9月上旬沈阳地区出现的云系以单层云为主,所占比例分别是72.43%和63.5%;双层云所占比例分别是27.1%和28.62%;其余为三层云。8月下旬,低云的云底高度在0.5~1.5 km之间,中云在3.8~4.0 km之间,高云在8~9 km之间;9月上旬,低云的云底高度在1.0~1.5 km之间,中云之上如果没有其他云层,其云底高度在5.0 km以上,如果之上还有云层,则其云底高度在3.2~4.5 km之间,高云之下如果没有其他云层,云底高度在7.4~7.8 km之间,如果之下还有其他云层,其云底高度在9 km以上。建立的8、9月沈阳地区作业云系垂直结构特征模型能够为人工影响作业方案的设计提供有效参考。

一次强沙尘输送过程中气溶胶垂直分布特征研究

采用CALIPSO卫星的星载激光雷达资料,分析了2007年3月28日-4月2日由西向东途经新疆、青海、甘肃、内蒙古、宁夏、陕西、山西、河北、北京、山东、江苏、上海、台湾等省、市、自治区的一次远程强沙尘污染传输过程,对后向散射系数、退偏比、色比等光学特性参数进行了研究.结果表明,这次过程中,较大的沙尘颗粒大多出现在近地面附近,而相对小的沙尘颗粒在对流层中高层垂直剖面上分布比较均匀.CALIPSO卫星资料能够较好地反映强沙尘远程传输过程中沙尘气溶胶光学特性的垂直分布特征及其粒子大小、不规则性随高度的变化特征.

上海不同强度干霾期间气溶胶垂直分布特征

利用美国宇航局（NASA）的CALIPSO星载激光雷达资料,通过分析后向散射系数、体积退偏比和色比等参量揭示了上海地区发生不同强度干霾时气溶胶的垂直分布特征,并结合地面气溶胶观测进行了分析.结果表明,发生干霾时,低层大气（2km以下）污染最严重,气溶胶的后向散射系数主要集中在0.0015~0.0035km-1 sr-1,体积退偏比集中在0~15%,色比集中在0.2~0.8;2~10km高度内,散射系数相对较小,其中2~8km的值主要集中在0.0008~0.0025 km-1 sr-1,8~10km的值则主要集中0.0008~0.0015 km-1 sr-1,气溶胶体积退偏比和色比在2~4km、4~6km、6~8km和8~10km各高度内分别集中在0~20%和0~0.6.在0~10km高度内,相对于轻微干霾和轻度干霾,中度干霾时气溶胶的散射能力和不规则性最强,粒径也最大.

上海地区不同类和不同强度灰霾季节分布特征

主要采用美国宇航局(NASA)2007年1月-2010年11月CALIPSO卫星搭载的正交极化云-气溶胶激光雷达(CALIOP)L1产品及地面气象观测资料,分析得到上海地区干霾和湿霾、不同强度灰霾天气的季节分布特征,并重点研究了发生干霾时气溶胶散射强度、粒子规则性和尺度大小随季节的变化规律。结果表明:灰霾的发生具有较明显的季节性,春季为干霾高发期,其次是夏冬季;夏冬两季轻度以上干霾发生比例均大于春季与秋季;大气中主要以小尺度、较规则的气溶胶粒子为主;干霾时,气溶胶粒子和不同量级色比值所占比例季节变化不大;夏季发生干霾时小尺度粒子所占比例最大。

东亚三次典型沙尘过程移动路径和特征

东亚地区沙尘移动路径主要有三条,即西北路径、偏西路径和偏北路径,利用CALIPSO卫星的Level 1和Level 2两级数据产品,对不同移动路径沙尘天气的沙尘在远距离传输过程中的空间特征进行对比研究。结果表明:西北和偏西路径沙尘天气过程中,沙尘气溶胶垂直分布高度较偏北路径沙尘天气高;偏西路径较西北路径的沙尘天气而言,污染性沙尘粒子有所增多;不同的沙尘源区和移动路径导致大气中气溶胶粒子类型占比不同;西北和偏西路径的沙尘退偏振比均值相近,表明这两次沙尘天气沙尘成分可能相同。

低云在不同季节对东海黑潮海洋锋响应的个例研究

本文采用高分辨率的CALIPSO（Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations）卫星资料,结合欧洲中心的再分析资料,在东海黑潮区域分别选取冬、春、夏季的典型个例,对比分析层积云、层云、海雾3种边界层云。分析结果显示,层积云发生在高空槽后,云顶1.2~2.5km,云底0.7~2km,云顶平滑度差,海气界面不稳定,地表偏北风,边界层不稳定,底层混合均匀,云层上方有逆温层存在;层云发生在高空槽前,伴有强烈冷平流,位于地面低压前部,云顶高度300~700m,较平滑,云底不接地,海气界面稳定,地表南风,边界层稳定,有不接地逆温,云区无下沉运动;海雾发生在高空槽后,低层有暖平流,地面位于高压中心,雾顶小于700m,底部接地,雾顶最为平滑,海气界面稳定,地表南风,风速很小,边界层稳定,逆温层很低,并伴有强烈下沉运动,地表相对湿度大于90%。黑潮锋通过影响海气边界层,进而影响低云的高度、形态等特性,三种低云高度自南向北均逐渐下降,在SST大梯度区有突变,海雾与低云性质相似,在一定条件下可以相互转化。

京津冀地区一次污染过程的星载-地基激光雷达联合观测分析

针对2018年3月9—15日京津冀地区的一次空气重污染过程,进行了基于地基颗粒物激光雷达组网的星载-地基联合观测分析。颗粒物激光雷达观测到污染前期为局地污染累积过程,中期有明显的污染物区域传输过程,北京受太行山沿线城市污染输送影响较大。风廓线激光雷达观测结果表明:此次污染过程近地面主要为偏南风且风力较弱,冷空气到来时风向转为较强东北风,导致污染消散。微波辐射计观测到保定在污染过程中出现持续6 d的逆温层,同时在污染过程中近地面相对湿度较高,逆温层被打破后污染开始消散。在污染过程的各个阶段中,污染团的空间分布与变化特征均被很好地反映出来,可见地天联合观测对污染物的累积与输送研究有较大的意义,能对京津冀及周边地区的大气污染联防联控提供有力支持。

西北地区一次典型沙尘过程中气溶胶垂直分布和来源分析

利用CALIPSO卫星星载激光雷达数据、MERRA-2再分析数据和GDAS(global data assimilation system)气象数据,采用聚类分析和根据气溶胶雷达比的分类方法,研究2020年4月9日甘肃酒泉地区一次典型的沙尘天气在传输过程中沙尘气溶胶的垂直分布特性和来源。结果表明:本次沙尘过程中,沙尘分布在地面至4 km的范围,退偏振比值在0.1~0.4之间,色比值在0.5~0.8之间,利用气溶胶分类的结果,判定本次气溶胶类型为沙尘气溶胶;在2 km高度之下,消光系数的最大值为0.2 km^(-1)左右,当高度大于2 km时,消光系数随高度增加呈非线性减小;沙尘传输轨迹主要有3条,其中西北方向轨迹2条,占比约为65%,东北方向的轨迹1条,占比约为35%;结合MERRA-2再分析资料,由沙尘气溶胶光学厚度分布可知,本次的沙尘天气过程是西北方向轨迹,起源于新疆,并且主要向东传输。

基于神经网络的云顶高反演技术研究分析

收集整理2017年5月到2018年3月的美国CALIPSO卫星云参数反演产品和日本“葵花8”静止卫星云图。研究卫星遥感数据提取与处理技术,提取葵花卫星与美国CALIPSO卫星云参数反演产品对应位置、时次数据,制成样本集。运用传统的亮温廓线法和神经网络的BP、CNN、RNN三种方法,构建模型对云顶高反演的精度进行研究和比较。研究表明:BP神经网络模型反演效果较好,RNN模型次之,CNN和传统的亮温廓线法反演结果相对较差。

环上海地区干霾气溶胶垂直分布的季节变化特征

采用2007年1月～2010年11月美国国家航空航天局(NASA)的CALIPSO星载激光雷达L1产品,通过532 nm总后向散射系数、体积退偏比和色比,分析了环上海地区干霾期间气溶胶光学和微物理属性的垂直分布特征.结果表明,干霾时各高度层中,0～2.0 km高度层的大气散射能力最强,且主要是规则气溶胶;2.0～8.0 km范围内各高度层大气散射强度、气溶胶规则性较接近;8.0～10.0 km高度层的大气散射能力最弱,且不规则气溶胶所占比例在各高度层中最大;细粒子气溶胶在各高度层均占主导地位,其中2.0～8.0 km范围内各高度层的细粒子气溶胶所占比例较大.春季大颗粒、不规则气溶胶所占比例大;夏季细粒子、规则气溶胶所占比例大.分析2007年5月7日个例发现,气溶胶粒子主要聚集在0～1.5 km范围内,在4.0～5.5 km范围内局部聚集;通过HYSPLIT轨迹模式分析表明,除本地排放的气溶胶粒子外,源于蒙古、中国西北和北部远程输送的沙尘也对霾产生了影响.

基于气溶胶光学特性垂直分布的一次浮尘过程分析

为了进一步认识上海地区浮尘污染的垂直分布特征，利用地面微脉冲激光雷达（MPL）和CALIPS0星载激光雷达对2009年10月19日远程输送到上海的一次典型浮尘过程的气溶胶光学特性进行分析．结果表明，此次浮牛过程气溶胶层主要存在于2km以下低空中，气溶胶后向散射系数范围0-0．015km^-1·sr^-1，MPL消光系数范围0-0．32km^-1．浮尘过程中消光系数先增加后降低，气溶胶层不断抬升．浮尘天气2km以下大气中存在大量小粒径气溶胶颗粒，而0-0．5km近地面则以颗粒较大的气溶胶为主；2-10km大气中仅存在少量不规则气溶胶，其中4-6km高度范围的大气由不规则气溶胶和规则气溶胶混合组成，球型和非球型粒子均存在．CALIPSO星载激光雷达532nm总后向散射系数和MPL归一化相对后向散射系数的垂直分布特征基本一致．CALIPSO和MPL获得的消光系数垂直分布均随着高度增加而减少，但消光系数值存在较大差异．两者结合起来可以较全面客观地对上海地区浮尘天气进行观测．

影响北京的两次沙尘过程传输特征对比分析

2017年5月4-5日和2015年3月28-30日两次影响北京的沙尘天气均包含外来输送及沙尘回流过程。采用常规气象观测资料、大气成分资料、CALIPSO卫星监测及风廓线雷达数据等,对两次过程中的气象要素变化、传输轨迹、天气学条件、边界层特征等进行分析。结果表明:两次过程均由蒙古气旋引起,远距离传输过程中经沙源地传输的沙尘气溶胶可被抬升至700 hPa以上高度,主要传输层位于对流层中低层;高空急流强度、入口区位置及次级环流的结构对沙尘传输及影响区域有重要指示意义;沙尘回流主要受大气中低层偏南风输送带的影响,主要传输高度为1 km以下的低层大气,北京与回流上游城市PM10浓度变化的时间滞后性与前期沙尘天气是否得到彻底清除有关。

东北区域空气质量时空分布特征及重度污染成因分析

东北已成为我国又一个霾污染多发和重发区域.采用2013~2017年东北区域大气污染物地面监测数据、卫星数据和气象数据等信息,探讨了中国东北地区空气质量时空分布特征与重度污染成因.结果表明,"沈阳-长春-哈尔滨"带状城市群是全年污染最严重的区域,空气质量指数(AQI)的空间分布具有明显的季节性,冬季污染最严重,春季吉林省西部周围为椭圆形污染区,夏季和秋季大部分时间空气质量最佳.3个典型的霾污染时期是10月下旬和11月上旬(即秋末和初冬,时期一),12月下旬和1月(即冬季最冷的时候,时期二),及4月到5月中旬(即春季沙尘和农业耕作期).时期一,季节性作物残茬焚烧和冬季采暖用煤燃烧产生的PM2.5强排放是极端霾事件发生的主要原因(AQI> 300);时期二,在最严寒月份里,重度霾污染事件(200 <AQI <300),主要由燃煤和汽车燃料消耗的PM2.5排放量高,大气边界层较低,以及大气扩散性差等共同引起;时期三,春季PM10浓度较高,主要是由内蒙古中部退化草原的风沙和吉林省西部裸地的区域性扬尘传输造成的.同时,当地农业耕作本身也释放PM10,并提升了裸土的人为源矿物尘的排放强度.

利用KAZR云雷达对SACOL站云宏观特性的研究

云是气候系统中最为重要的因子之一,对地气系统的辐射收支有显著影响.然而由于云在气候模式中的表征和反馈作用不能很好地被描述,因而也是造成气候预测存在较大不确定性的重要因子.兰州大学半干旱气候与环境监测站(SACOL)于2013年7月引进了Ka-Band Zenith Radar(KAZR),在西北干旱区进行云的长期连续观测.本文利用云雷达观测数据,首先实现了目前ARM用于云检测的业务算法.在此基础上对2014年SACOL站上空云宏观特性进行统计,初步分析了云底、云顶和云厚的分布变化,结果表明:云底在1.5和5.5 km处出现频率最高,云顶发生频率在2.5和8.5 km处达到峰值;67%的云层厚度分布在2 km以内;月平均总云量的发生频率为44%~76%,低云、中云和高云的发生频率分别为13%,30%和34%;单层云、双层云和三层云占到云总数的98%,其中夏秋季节多层云发生频率较高;各个季节不同类型的云都具有一定的日变化特征;通过KAZR与Cloud Sat和CALIPSO卫星的观测比对,结果表明Cloud Sat对厚云的穿透性好,但无法探测到反射率因子低于?30 d BZ的弱云,CALIPSO对弱云最敏感,但信号受云滴粒子衰减较快,对于厚度较大的云探测的云底高度偏高.

2018年中国长江三角洲地区气溶胶的垂直分布特征

利用主动式遥感卫星云-气溶胶激光雷达和红外探测者卫星观测(CALIPSO)提供的激光雷达资料,重点分析了2017-12~2018-11中国长江三角洲地区对流层大气中532 nm气溶胶消光系数,气溶胶退偏比,气溶胶色比以及各类型气溶胶的时空变化特征.对气溶胶的光学参数随高度变化的研究表明,与对流层高空相比,一般在对流层低空中气溶胶消光能力更强,气溶胶粒子更规则,气溶胶粒径更小.对气溶胶的光学参数随季节变化的研究表明,与冬春季相比,一般夏秋季在对流层高空中气溶胶消光能力更强,在2 km以下气溶胶粒子更规则,在对流层高空中气溶胶粒径的范围更大.长江三角洲地区全年中污染沙尘气溶胶出现的频率最高,为37.481 6%,夏秋季烟尘、污染大陆与洁净海洋气溶胶出现的频率比冬春季高,而夏秋季沙漠沙尘气溶胶出现的频率相对较低.