基于MODIS资料的陕西水云特征研究

陕西位于西北内陆地区,是中国气候的敏感区,为准确认识其上空的水云特征,利用MODIS的MYD06二级云产品数据,对陕西水云的概率分布、云顶高度、粒子有效半径、光学厚度进行了统计分析。结果表明:(1) 水云概率分布显示出单峰结构,峰值出现在11月, 5月出现概率最低。水云在秋季出现概率最高,春季出现概率最低。 (2) 7月和9月水云云顶高度的概率分布会产生显著的变化,7月和8月的分布形态与其余各月有显著差别。水云云顶高度平均最大值出现在春季的4~5月,最小值出现在冬季的12~2月。(3)水云的粒子有效半径在10月~次年5月, 分布形态相似,6~9月分布形态与之明显不同。水云粒子尺度平均最大值出现在夏季的6~8月, 最小值出现在秋季的11月。(4) 光学厚度在0~5之间的水云在10月~次年5月,出现概率最高, 峰值出现在12~2月; 6~9月光学厚度在5~10之间的水云出现概率最高, 峰值出现在7~8月。水云光学厚度最大值出现在秋季的9~11月,最小值出现在夏季的7~8月。     

太赫兹云雷达的外场试验结果及反演算法

利用太赫兹云雷达的外场观测数据,分析了观测时间段内的雷达回波特征;基于最优估计理论,研究太赫兹云雷达的液态云微物理参数反演算法,反演得到液态云的微物理参数,包括有效粒子半径、液态水含量、粒子数浓度和分布宽度参数。外场观测数据用例属于低云,云层结构较稳定,云类为层云或层积云,云底和云顶回波较弱。反演结果与相关文献中的云微物理参数统计值基本相符,在回波强度较大的区域有效粒子半径较大,液态水含量较高,云中粒子数浓度呈现随高度增加逐渐减小的趋势。     

准球面模式下三种激光波长冰云大气反射率特性

冰云由冰晶粒子组成,是大气的重要组成部分,研究冰云条件下大气辐射传输特性有助于理解冰云对大气探测、地空链路激光通信等方面的作用。采用最新的C语言版本离散纵标法(CDISORT),比较了太阳天顶角不同时平面平行模式和准球面模式下冰云大气激光传输的反射率差异;数值计算准球面模式下三种激光波长(065μm,106μm,155μm)入射时冰云大气反射率随冰水含量、有效半径、光学厚度、云底高度、相对方位角等因素的变化情况。结果表明:当太阳天顶角小于70°时,两种模式下冰云大气激光传输的反射率相对误差很小;当太阳天顶角大于70°时,两种模式下冰云大气激光传输的反射率相对误差明显增大。冰云大气激光传输的反射率随有效半径的增大而减小,随光学厚度或冰水含量的增大而增大。三种不同的激光波长入射时,冰云大气的平均反照率差异较大,但均值大于08。本文结果为星地激光通信、卫星遥感等工程应用提供理论支撑。     

基于深对流云的夜间微光传感器定标技术

NPP(National Polar-orbiting Parternership)卫星于2011年10月28日发射升空,其上搭载的VIIRS(Visible Infrared Imaging Radiometer Suite)传感器包含DNB(Day Night Band)波段,该波段采用三增益设置,可在白天、晨昏甚至夜间实现地球观测.其中,在夜间月光条件下,主要采用高增益,定标实现较为困难.以此为目的,首次提出了基于深对流云的夜间微光传感器替代定标方法.将月亮辐射模型引入到SCIATRAN中,实现了全天候的辐射传输计算,并利用该改进的辐射传输模式,通过确定深对流云光学属性、地表特性及大气廓线等的参考值,对接收大气层顶反射辐射进行敏感性试验,分析得到主要影响因子为云光学厚度COT(Cloud Optical Thickness)与有效粒子半径Re(Effective Radius),且利用固定参考值得到最大模拟误差小于5%.为了检验该替代方法的可行性,通过改进的辐射传输模式,对2012年08月~2013年01月共6个月夜间DNB数据所确定的深对流云替代目标像素进行辐射传输模拟,结果表明基于深对流云的替代定标方法效果较好,基于日变化的辐射不确定度在±10%之内,可实现对DNB夜间高增益阶段的直接辐射定标.     

星载太赫兹双频云雷达对冰云探测能力研究

针对星载云雷达对冰云探测可行性分析的需求,分析了非球形冰晶对340 GHz电磁波的单散射特性,基于不同的体积散射模型,研究了非球形冰晶云的回波特性以及94\340 GHz云雷达双波长比,假定冰云垂直分布的情况下,探讨了星载94\340 GHz云雷达双波长比随高度的变化以及可以穿透的冰云厚度。相较于94 GHz及220 GHz,冰晶粒子对340 GHz电磁波的散射能力增强,但是同时云对其的衰减也大大增加,340 GHz的衰减系数约是94 GHz的5～130倍;340 GHz云雷达可以探测浅薄的含水量较小的冰云,基本可以探测云厚2 km、冰水含量在 0.000 1-0.2 g/m³的冰云。含水量较多的厚云由于衰减,造成电磁波穿透能力大大降低,在假定的冰水含量垂直分布下,当最大冰水含量为1 g/m³时,可探测厚约5 km内云厚的40%以上;衰减也造成不同高度上相同滴谱的云有不同的双波长比,冰水含量的大小及垂直分布影响了双波长比的大小及电磁波探测云的厚度。衰减随着冰水含量增大而增大,高频云雷达电磁波衰减大,使得双波长比变大,从而使双波长比和谱的数浓度N₀有关,因此利用双波长比反演时,衰减订正非常重要。     

非球形冰晶在94/220 GHz毫米波的散射特性模拟计算

针对94/220 GHz双频雷达的数据处理,分析了不同形状冰晶对这两个波段的单散射特性及衰减特性,探讨了单形状冰云及具体冰云模型的回波特性,结果表明:1)当冰晶较大时,冰晶的后向散射及衰减对冰晶形状较敏感,相同最大尺度下,六角形冰晶后向散射及衰减最大、子弹花次之、雪花最小;2)单形状冰晶云的雷达反射率因子对冰晶形状、冰水含量、滴谱的中值尺度较敏感,同样滴谱条件下,220 GHz的衰减系数约是94 GHz的5~25倍;3)具体冰云模型的雷达反射率因子随粒子浓度、冰水含量、中值尺度增加而增加,对粒子谱的形状参数敏感性较低.     

基于集成学习的风云四号遥感图像云相态分类算法

云相态分类在气象预报和气候研究中具有重要的地位。我国新一代气象卫星风云四号的成像仪在光谱通道数量和空间分辨率较上一代风云二号有较大提升,这为云相态的研究提供了新的遥感数据。本文首先对风云四号相隔15 min的遥感图像进行分析,然后提出亮温云相态指数,该指数可以进行初步云相态分类,最后在此基础上提出基于集成学习的云相态分类算法。实验结果与风云四号官方云相态分类结果进行比较,水云的一致率达到91.69%,冰云的一致率达到76.10%。     

EOS卫星上基于MODIS云产品的AIRS像素云检测

联合使用搭载在地球观测系统(EOS)Aqua卫星上的中分辨力成像光谱仪MODIS和大气红外探测器AIRS,能够提高对全球云量分布情况的检测。利用几何扫描特性的空间匹配算法,MODIS云分类掩膜和云相态掩膜产品,结合业务上的云检测算法,实现了用空间匹配的MODIS数据对AIRS像素云特性的检测。结果表明,用MODIS 1 km分辨力产品可以鉴别出AIRS像素中不同的云类型、云层信息(低云、中云或者高云)和云相态信息(水云、冰云或者混合相态信息)。     

libRadtran的云辐射传输模式及其与SBDART的比较

介绍了libRadtran辐射传输模式中对水云和冰云辐射特征（单次散射反照率、体消光系数和不对称因子）的参数化方案,利用该模式对水云和冰云在0.65 um、1.64 um和2.13 um的反射率进行了模拟计算,并将计算结果与SBDART的模拟结果进行了比较。结果表明,在相同条件下,水云的libRadtran的参数化计算结果要比SBDART米散射的计算结果要小,二者在可见光区域符合的较好,在近红外区域相差较大;不同形状冰晶的参数化模拟计算结果要比SBDART球形米散射的计算结果更为详细和准确,libRadtran在考虑冰晶形状时的辐射传输计算要比SBDART有优势。在云微物理参数反演需要预先计算的冰云辐射查找表可以用libRadtran代替目前广泛使用的SBDART辐射传输模式。     

220 GHz卷云非球形冰晶粒子雷达反射率因子与冰水含量关系研究

针对220 GHz太赫兹雷达处理数据的实际需要,应用离散偶极子近似法,计算不同形状非球形冰晶粒子的后向散射截面,并基于最新细化的冰云模型,得到了220 GHz太赫兹波雷达探测的冰水含量I与雷达反射率因子Z_m,建立了Z_m-I关系表达式。计算结果表明,非球形冰晶粒子及冰云模型均对Z_m-I关系有一定的影响。本研究对中纬度卷云的太赫兹波雷达探测的云参数反演有应用价值,并对太赫兹波测云雷达的研制具有借鉴作用。     

利用FY-1C资料反演水云的光学厚度和粒子有效半径

利用FY-IC极轨气象卫星扫描辐射计的通道1(0．58—0．68μm)、通道3(3．55—3．95μm)和通道6(1．58—1．64μm)所提供的探测数据进行了水云光学厚度和粒子有效半径的反演试验．在非水汽吸收波段(如通道1)，云的反射函数主要是云光学厚度的函数，而在水汽吸收波段(如通道6)，云的反射函数主要是云粒子大小的函数．因此当云光学厚度较厚时，可利用通道1和通道6反射率，或通道1反射率和通道3亮度温度同时计算出云的光学厚度和有效粒子半径。     

利用MODIS数据对北极夏季卷云特性的研究

利用2011~2014年MODIS云产品数据对北极地区夏季卷云的出现概率、云顶温度、云顶高度、光学厚度、有效粒径大小进行统计分析,并讨论了北极地区夏季卷云有效粒径大小和卷云高度的关系。结果表明,北极地区上空夏季卷云出现概率最高,水云较少。卷云云顶温度主要分布在230~272 K(即-43~-5℃),其云顶高度主要在2~8 km,4.5~6 km出现概率最大。卷云的光学厚度主要在小于10范围内。卷云的有效粒径在5~40 m之间,10~20 m出现概率最大。卷云的有效粒径和高度的关系与中纬度地区相反,北极地区卷云高度越高,卷云有效粒径越大。北极地区卷云随着纬度增大,卷云出现概率增加,卷云云顶温度降低,卷云高度增加,卷云有效粒径增大,卷云光学厚度增大。     

Differences Between Collection 4 and 5 MODIS Ice Cloud Optical/Microphysical Products and Their Impact on Radiative Forcing Simulations

This paper reports on the comparison of two latest versions (collections 4 and 5) of ice cloud products derived from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) measurements. The differences between the bulk optical properties of ice clouds used in collections 4 and 5 and the relevant impact on simulating the correlation of the bidirectional reflection functions at two MODIS bands centered at 0.65 (or 0.86) and 2.13 mum are investigated. The level-3 MODIS ice cloud properties (specifically, ice cloud fraction, optical thickness, and effective particle size in this paper) from the collection 4 and 5 datasets are compared for a tropical belt of 30deg S-30deg N. Furthermore, the impact of the differences between the MODIS collection 4 and 5 ice cloud products on the simulation of the radiative forcing of these clouds is investigated. Over the tropics, the averaged ice cloud fraction from collection 5 is 1.1% more than the collection 4 counterpart, the averaged optical thickness from collection 5 is 1.2 larger than the collection 4 counterpart, and the averaged effective particle radius from collection 5 is 1.8 mum smaller than the collection 4 counterpart. Moreover, the magnitude of the differences between collection 5 and 4 ice cloud properties also depends on the surface characteristics, i.e., over land or over ocean. The differences of these two datasets (collections 4 and 5) of cloud properties can have a significant impact on the simulation of the radiative forcing of ice clouds. In terms of total (longwave plus shortwave) cloud radiative forcing, the differences between the collection 5 and 4 results are distributed primarily between -60 and 20 W ldr m^-2 but peak at 0 W ldr m^-2.     

Aerosol-cloud interaction-Misclassification of MODIS clouds in heavy aerosol

The accuracy of the spaceborne Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) cloud mask was evaluated for possible contamination by areas of heavy aerosol that may be misclassified as clouds. Analysis for several aerosol types shows that the cloud mask and products can be safely used in the presence of aerosol up to optical thickness of 0.6. Here we define as cloudy all MODIS 1-km (at nadir) pixels that were used to derive the cloud effective radius and optical thickness of water and ice clouds. The findings make it possible to study aerosol-cloud interaction from the MODIS aerosol and cloud products.     

探测气溶胶-水汽的拉曼-米散射激光雷达系统

设计和构建了发射波长为355 nm和532 nm的户外型全天时激光雷达系统,用于探测大气气溶胶和水汽。运用355 nm和532 nm的米散射、532 nm的偏振、氮气和水汽分子的拉曼激光雷达技术,用于对边界层结构、对流层气溶胶和云光学特性及其形态、水汽混合比进行连续探测研究。该系统结构紧凑,运输方便,具备远程操作、数据传输、一键式启动等功能。利用该系统对大气气溶胶和水汽进行探测,探测结果表明：在大气气溶胶的探测过程中,在重污染条件下混合层高度较干净天低,在0.5 km以下,而干净天在1 km左右;通过对消光系数、Angstrom指数和退偏振比分析可知,重污染条件下,底层大气气溶胶以球形粗粒子污染物为主,干净天底层大气气溶胶以球形细粒子污染物为主;在云层中,Angstrom指数明显减小,且出现负值,说明云粒子半径较大。在水汽探测过程中,采用自标定方法获得系统的标定常数为121,与已标定的激光雷达系统对比,误差在±0.3 g/kg以内;连续探测结果表明可对夜晚5 km及白天混合层以内进行探测。该系统满足产品化的需求,可广泛运用于大气环境的监测领域中。     

基于Ka波段毫米波云雷达多普勒谱的降雪微物理过程的分析

云中过冷水滴的识别对于预警飞机积冰及云-降水物理研究具有重要意义。本文利用美国ARM-AMF2在芬兰的35GHz测云雷达多普勒谱数据,建立了谱峰识别算法,对全局谱进行了谱分离,识别出了过冷水滴然后,经过谱矩计算得到不同类型粒子的反射率因子、多普勒速度、谱宽,最后根据经验关系反演云中液态水含量,并与微波辐射计探测结果进行对比。结果表明：(1)混合云中,雪花主导了毫米波雷达总回波强度,因此根据总雷达反射率因子反演液态水含量会造成低估;(2)冰雪晶粒子在过冷水层(SWL)中多普勒速度随反射率因子的变化梯度比在冰雪层(ISL)中大;(3)多普勒谱反演得到过冷水的液态水路径(LWP)与微波辐射计反演结果一致性较好,说明毫米波雷达能够有效估量云中液态水路径。     

CO2 lidar technique for observing characteristic dropsize in water clouds

An analytical evaluation which demonstrates that a calibrated 10.6-μm-wavelength lidar can measure the mean radius and the effective radius of the drop size distribution in a water cloud is discussed. The radius parameter observed is a weighted average over the penetration depth of the pulse, with weighting factor decreasing with optical depth. In this method the lidar signal is integrated and boundary conditions on optical depth are applied to obtain the average extinction-to-backscatter ratio. The radius parameter is determined by comparing the measured ratio with that found from Mie scatter calculations for a variety of typical drop size distributions. This extinction-to-backscatter method was originally proposed in the literature for measuring mode radius, but at 10.6-μm wavelength the current results show better accuracy for mean or effective radius. Sources of error are discussed. A lidar probed the sides of fair-weather cumulus clouds in the first application of this method. The resulting values of effective radius were reasonable, and the expected increase of effective radius with height was observed