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-AerosolLidarandInfraredPathfinderSatelliteObservations)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15.9km,在冬季最低,为8.2km;在东亚南部和海洋上空较高,平均为15.1km;在东亚北部较低,平均为12.1km,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1km到3km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3km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。

基于CloudSat卫星观测资料的辽宁省不同天气系统影响下云系垂直结构特征

为区分不同天气系统影响下云垂直结构的差异,从而为人工增雨作业提供参考,对2004-2014年辽宁省进行人工增雨作业期间,500、850 hPa以及地面的天气形势进行了统计,利用CloudSat卫星观测资料对筛选的出现频率≥2次·a-1的系统配置下的云垂直结构进行分析,并研究了典型系统影响下的作业云系垂直结构特征。根据系统配置差异,2004-2014年间影响辽宁省的共有225次过程,可划分为17种配置类型,其中典型天气系统四种,分别为西风槽-切变线-冷锋(CF型)、西风槽-低涡-蒙古气旋(MCW型)、西风槽-低涡-南方气旋(SC型)和低涡-低涡-蒙古气旋型(MCV型)。对四种典型天气系统影响下的云垂直结构分析发现,不同天气系统影响下云层均以单层云为主。SC影响下的云层发展较为旺盛,云底较低而云顶较高,云层深厚。MCW影响下的云层云底高度较高,云层较薄。不同天气系统影响下的云夹层厚度大多(>50%)在1 km以下,而且随着云层数目增加,低于1 km的云夹层所占的比例增加。将云底高度≤2 km且云厚≥2 km视为作业云系,发现有云条件下,SC型符合条件的作业云系最多(59.7%),而MCW型影响下最少(14.5%)。作业云系以单层低冷云为主,单层低冷云的云底高度低于1 km且云顶高度可达7 km以上,作业云系的云夹层厚度对降水云催化效果影响较小。

CloudSat卫星及其在天气和云观测分析中的应用

介绍了2006年4月28日成功发射的第1颗以对云层特性进行全球主动遥感测量CloudSat卫星的观测仪器、工作参数、运行方式、数据产品及"A-Train"卫星群等基本概况。CloudSat卫星主要有效载荷是94 GHz(3 mm波)云雷达,它可以"切开"云层,获得许多有关云的最新气象数据,主要数据产品包括了云的宏观物理参量和微观物理参量。介绍了CloudSat卫星已获得的典型天气和云的初期观测结果:从首次观测的云三维图片,可以清楚地看到南极洲上空风暴云的垂直剖面结构特征;从首张获得降雪云的垂直剖面图像可以得到降雪云层的发展状态以及结构特点;使用Cloud-Sat统计数据可分析全球水凝物的分布特征。将TRMM卫星上的测雨雷达与CloudSat卫星上的云雷达联合观测研究,可以获得从薄云到浓厚云及降水的精细垂直结构特征。通过下载的CloudSat观测资料,对我国典型台风和层状云系等两类不同天气条件下云的宏微观结构特征等进行了初步分析,可以看到台风眼区附近云系的垂直结构随台风发展不同阶段的演变;从层状云系的垂直剖面可以清楚地发现云层的内部分层结构及不同相态的垂直分布特征等。

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。

基于CloudSat卫星资料分析青藏高原东部夏季云的垂直结构

本文利用CloudSat卫星资料,对青藏高原东部2006-2010年6-8月云垂直结构的空间分布进行分析,结果表明：（1）夏季青藏高原东部云发展可达到平流层,且高原东部云在5km以下以水云存在,5-10km以液相和固相共存的混态存在,在垂直高度10km以上以冰云存在。由于CloudSat卫星资料云相的反演问题,可能会造成水云和混态云的发展上限偏低,冰云的发展下限抬升。（2）研究区整层水汽输送和云水平均路径空间分布存在一定的差异性,云水含量纬向分布表现为在26.5°-30.5°N附近存在一个明显的峰值区,经向分布表现为95°E以西云水含量低于以东。（3）研究区以单云层为主,尤其在青藏高原主体。单云层平均云层厚度4182 m,云顶高度、云厚限于水汽的输送,表现为由南向北波动下降。多层云发生频率在27°N以北明显减少,说明强烈的对流运动更容易激发多层云的产生。

气象卫星的云观测

云体现着不同尺度天气系统发生、发展和消亡的过程。云还通过反射太阳辐射和阻止地球发射辐射,维持着全球能量平衡。1960年气象卫星的出现,揭开了从浩瀚太空,俯视千变万化云系的历史。气象卫星云图的获取,加深了人们对天气、气候变化过程的认识,推进了大气科学的发展。本文围绕气象卫星云遥感主题,首先概述了利用卫星资料开展云检测、云相态识别、云光学厚度与等效粒子半径反演的原理和方法。而后,着重介绍了各类天气尺度和中尺度天气过程的云系特征。最后,文章回顾了国际卫星云气候方面的工作,展望了未来云观测技术的发展前景。

水物质对云雨区卫星微波观测模拟影响

受云和降水影响卫星资料在数值天气预报中的同化应用对于进一步改善数值预报效果具有重要作用,这部分工作的开展要求快速辐射传输模式中能够较好地考虑各种水物质的辐射效应。使用美国卫星资料同化联合中心新近开发的快速辐射传输模式CRTM,通过中尺度数值模式WRF的预报输出提供水物质输入,分析水物质辐射效应对云雨区卫星微波观测模拟计算的影响。在WRF模式预报水物质的分布和天气系统配置合理并符合云物理基本特征的前提下,水物质辐射效应的考虑极大改善了卫星观测模拟的效果。结合卫星各通道探测特性,进一步分析各种水物质粒子对NOAA-16 AMSU A/B各通道卫星亮温模拟的影响和物理机理,定量统计各类水物质对各卫星观测通道亮温计算偏差和偏差贡献的权重大小。分析结果表明:快速辐射传输模式中,考虑水物质辐射效应为数值天气预报中云雨区卫星资料的同化应用提供了必需的基础条件。

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。

卫星-地基-模式统一的自动观测云分类原则和标准的研究

随着空基、地基云状观测自动化进程的推进,国际通用的人工观测云分类标准不再适用于自动观测.本文提出了适用于自动观测的卫星观测、地基观测和数值预报模式统一的云分类原则和分类标准,依据大气代表性原则、仪器观测可行性原则、历史继承性原则和可扩展性原则,不考虑云的高度,沿用形态学和发生学理论,将云分为卷云、层状云、波状云和积状云4属,更细分为薄卷云、密卷云、波云、雨波云、层云、雨层云、浅积云和深积云8类,列出了各类云特征的定性描述,为自动观测、预报保障和模式评估提供参考.

风云静止卫星双星立体观测云顶高度反演初步研究

推导出利用风云静止卫星双星视云坐标计算云下点坐标和云顶高度的理论算法,对静止双星86.5E/104.5E和86.5E/112E两种组合观测条件下视云位移分布特征以及视云位移与云高关系进行分析计算,在此基础上,提出一种可以实现全区域高精度立体云高反演的非线性视云位移云高反演模型。结果显示,观测数据空间分辨率0.01°条件下,两种双星组合云高分辨率平均值分别为1.28km和0.93km,表明86.5E/112E组合反演精度优于86.5E/104.5E组合。最后,利用FY2D和FY2F双星数据在西北太平洋进行立体云高反演实验,并将反演结果与Cloudsat卫星微波雷达云高测量数据进行对比分析。

一次浅对流云人工消云试验的飞机和卫星观测研究

本文利用2015年8月20日在山西定襄附近上空的实施一次有设计浅对流云的消云试验资料，结合极轨卫星观测资料，对一次浅对流云的发展和消散阶段进行分析。结果表明：此次探测区域内分布较为稀疏的浅对流云，探测的对流云粒子直径小于20μm，谱线单调下降，粒子数浓度约为10^2至10^3个，cm之间，具有大陆性云微物理特征，6μm以内粒子浓度在不同高度上相差不多，随着高度的增加，10μm以上粒子浓度逐渐增大，云顶温度较高，粒子有效半径较小，为典型的过冷水云，云内存在凝结增长和碰并增长机制；根据飞机观测结果，作业后，积云消散较为明显，云中粒子数浓度明显降低，作业有效。

一次浅对流云人工消云试验的飞机和卫星观测研究

根据2015-08-20在山西定襄附近上空实施的一次浅对流云消云试验的资料,结合极轨卫星观测资料,分析了一次浅对流云的发展及其消散阶段的情况。结果表明,此次探测区域内分布着较为稀疏的浅对流云,探测的对流云粒子直径小于20μm,谱线单调下降,粒子数浓度在100~1000个/cm3之间,具有大陆性云微物理特征,6μm以内的粒子浓度在不同高度上相差不多。随着高度的增加,10μm以上的粒子浓度逐渐增大,云顶温度比较高,粒子有效半径比较小,为典型的过冷水云,云内有凝结增长机制和碰并增长机制。由飞机观测结果可知,作业后,积云消散的情况比较明显,云中粒子数浓度明显降低,作业有效。

基于CloudSat卫星资料的青藏高原云系发生频率及其结构

应用2006年5月至2013年5月7年的Cloud Sat卫星观测资料,针对青藏高原上空不同高度、不同季节8类云(卷云、高层云、高积云、层云、层积云、积云、雨层云、浓积云)的发生频率,分析研究了青藏高原地区云的水平和垂直分布特征及其物理成因,为数值预报模式对云系模拟能力的评估提供了有效的验证信息。研究表明:青藏高原云的发生频率为35%,其中:低云的频率最大,接近21%;中云次之,频率14%;高云的频率最小。垂直分布上,低云最大频率的高度为5~6 km,中云为7~8 km,高云为11~12 km。水平分布上,高原东南部、西北部云发生频率较高,是高原的两个相对多云中心。低云与总的云频率水平分布基本一致;中云是高原北部、中部频率高,南部低,与低云明显不同;高云主要是夏季在高原南部频率高。从不同季节来看,冬季高原西部的低云频率高;春季高原中北部的中云频率高,西部和东南部的低云频率高;夏季南部的低云和高云频率高;秋季云发生频率都很低。在物理成因上,低云的形成主要是地形抬升作用,中云的形成与高原热力作用相关。

美欧对地观测卫星系统数字云平台的发展与应用

1概述卫星遥感是采集地球数据信息的重要技术手段,几十年来,对地观测数据的质量和采集速度不断提高,超过了数据分发、处理和管理领域的创新,这导致卫星数据商业应用的速度大大低于预期。随着应对气候变化和人口增长等挑战的卫星数据需求的快速增长,未来10年将发射的大量新型对地观测卫星将为科学家提供更详细的信息,同时也会产生海量数据,因此非常需要一种真正有效的方式为全球数百万新用户提供满足其需求的对地观测产品。

基于卫星主动观测的东海海域有限高度视线无云概率研究

鉴于卫星主动观测具备对云空间结构进行垂直观测能力,利用2008年CloudSat/CALIPSO卫星资料,以东海为例,重点开展了不同高度不同视线方向视线无云概率的分布特征研究。结果表明:视线无云概率随观测高度、角度的不同而不同,相同高度不同视线方向无云概率分布差异显著。研究结果对加强卫星云特征产品的实际保障应用具有重要意义。

基于CloudSat卫星观测的贵州冻雨形成机制分析

利用CloudSat卫星观测资料,从云物理观测和温度垂直结构角度对贵州地区冻雨形成机制进行分析。结果表明,对冰相机制的冻雨,CloudSat卫星的CPR雷达反射率、云冰含量和温度廓线产品能够描述冰相降水粒子在融化层中相变为液态水的"融冰"过程,雷达反射率回波0℃层亮带是该过程的直接反映,云冰含量产品也能够反映融化层对冰相降水粒子的融化作用。对"过冷暖雨"机制的冻雨,CloudSat卫星能够描述降水粒子在整层气温低于0℃的环境中保持过冷水状态下落的过程。研究基于云物理观测证实贵州冻雨存在一种具有融化层的暖雨机制,其大气存在着具有融化层的逆温结构,降水粒子在融化层中为普通液态水,在温度略低于0℃的环境中为过冷水,过冷水下落经过融化层时升温变为普通液态水,再继续下落进入次冻层冷却,最后与低于0℃的地面物体碰并冻结形成冻雨。冻雨形成机制不能通过融化层区分。

如何应用卫星云图和雷达回波观测夜间云

利用云状在卫星云图、多普勒雷达图中的外形、结构和图像特征,归纳了若干利用卫星云图和多普勒雷达图像在夜间云观测中应用的一些方法。如卫星云图上积雨云常呈球形或胡萝卜形;高层云和高积云为层状;卷云为纤维状等特点。雷达图上雨层云为分片成片、面积大和回波在20dBz左右,积雨云为结构紧密、棱角分明、回波强度大等特点。

基于CloudSat云雷达的云垂直结构分析

文章分析了CloudSat卫星经过内蒙古中部地区时获得的一次典型天气过程的云观测结果,并在此基础上,对L波段探空数据与时空匹配的CloudSat云雷达实测云垂直结构进行个例的对比分析。结果表明:①2013年9月8日的天气过程中有高层云、卷云、雨层云、深对流云、高积云、层云和积云,海拔高度4 km~7 km为冰水混合云,4 km以下是水云,7 km以上为冰云。②云垂直结构方面,冰粒子分布宽度和冰粒子有效半径,从云顶到云底冰粒子宽度逐渐增大,冰粒子数浓度在云层底部数值较小,随高度增大冰粒子数浓度明显增大。雨层云及深对流云的冰水含量最多,垂直分布上,云的中下层最大,高层云含量较少。③单层云CloudSat卫星云雷达图显示的云结构图较L波段探空显示的较低,两者云体厚度大体一致;低层云在CloudSat云雷达图上低层云结构与探空对应一致,而探空图显示云层具有两层结构,第二层云CloudSat卫星云雷达未探测到;两层云在CloudSat云雷达图结构特征与探空分析基本一致,夹层高度CloudSat云雷达较探空分析偏低1 k左右。

基于Cloudsat的降水云和非降水云垂直特征

降水云是人工增雨作业的主要对象,了解降水云系的垂直结构对于人工增雨可播条件的选择至关重要。利用Cloudsat卫星2008年3月—2009年2月资料,首先通过大量个例分析并结合地面降水量观测验证Cloudsat卫星识别降水云方法的合理性,在此基础上,统计分析了华北和江淮地区降水云与非降水云的垂直结构特征。统计结果表明:降水云与非降水云垂直结构存在明显差异,两地区降水云云底高度都在2 km以下,非降水云的云底高度以高于2km为主。两地区单层降水云云厚以大于6km为主,多层降水云云厚以2～4 km为主,非降水云云厚以小于2 km为主。两地区降水云夹层厚度集中于1～2 km,非降水云夹层厚度集中在4 km以上。江淮地区多层云降水频率略高于华北地区。

中国大陆卫星反演云参数的评估

该文选取１９８３年７月和１９８４年１月分别代表夏季和冬季，利用中国地面气象月报的云量资料以及多年平均的地面观测云气候资料，与中国大陆地区ＩＳＣＣＰ卫星反演的云量和云状资料进行了对比分析。结果表明：月平均总云量的分布形势，卫星反演与地面观测结果相当一致，相对多云和少云中心位置吻合较好；但两种观测结果的云量值存在差异，卫星反演结果普遍偏低，冬季比夏季更明显，清晨比正午更明显；青藏高原东北部、云贵高原以及天山附近地区偏差较显著。参照大气环流和云天气气候特征，从卫星得到的云状是比较合理的，但干旱沙漠地区高云量估计不足，低云估计偏多。