利用衛(wèi)星反演資料研究西北地區(qū)云特性及其對(duì)地氣系統(tǒng)的影響.pdf

1、云的存在能改變地球大氣系統(tǒng)的輻射收支平衡，對(duì)驅(qū)動(dòng)大氣環(huán)流、調(diào)節(jié)地球氣候和水循環(huán)過(guò)程起著重要作用。了解云特性的氣候?qū)W特征和全球變化，并把它們與地氣系統(tǒng)的輻射收支和水循環(huán)過(guò)程相關(guān)聯(lián)對(duì)氣候和水資源研究是很重要的，而要定量地研究這些問(wèn)題依賴于從衛(wèi)星遙感資料中準(zhǔn)確反演出云的特性參量。為此，本論文對(duì)西北地區(qū)云特性參量的時(shí)空分布特征、云與氣候及水循環(huán)過(guò)程的關(guān)系、云對(duì)地氣系統(tǒng)的輻射強(qiáng)迫作用進(jìn)行了研究，并利用MODIS獲取的多通道遙感信號(hào)，借助輻射傳輸模

2、式和查算表方法，進(jìn)行了云特性參數(shù)的反演試驗(yàn)。 本論文采用目前國(guó)際上資料連續(xù)性最好、時(shí)段最長(zhǎng)、定標(biāo)最完整連貫的一套云氣候數(shù)據(jù)集——國(guó)際衛(wèi)星云氣候計(jì)劃ISCCPD2資料，以及最新發(fā)布的云與地球輻射能量系統(tǒng)CERESSSFAquaMODISEdition1B高光譜和高空間分辨率資料，該資料把云參量的反演與同時(shí)刻大氣層頂?shù)膶拵л椛渫科ヅ淞似饋?lái)，并引進(jìn)了新的角分布模式，從而使云特性和輻射參量數(shù)據(jù)具有前所未有的準(zhǔn)確性。 本論文首次

3、針對(duì)西北三個(gè)氣候區(qū)和四個(gè)典型地域，對(duì)總云和高、中、低云以及15種具體類型云的特性參量進(jìn)行了分析比較，使得對(duì)西北地區(qū)云特性的時(shí)空分布特征有了比以往更細(xì)致深入的了解，充實(shí)了我國(guó)云參量氣候?qū)W研究的內(nèi)容。研究結(jié)果表明：月平均總云量、總光學(xué)厚度和總云水路徑在三個(gè)氣候區(qū)的區(qū)域平均值分別為52.5％-58.3％、2.6-6.6和44.9-77.6g/m2，亞洲季風(fēng)影響區(qū)及其邊緣區(qū)域的云水資源最豐富；15種云中，云量最多的是卷云，各區(qū)可達(dá)20％左右。冰

4、雨層云、冰層云和深對(duì)流云含水量最豐富，云水路徑的區(qū)域平均值在400.8-437.9g/m2之間；從多年平均空間分布特征來(lái)看，水高層云、水雨層云、冰高層云、冰雨層云、卷云、卷層云和深對(duì)流云的云量分布形式與總云量、中云云量、總光學(xué)厚度和總云水路徑的分布形勢(shì)很相似：高值區(qū)位于天山-昆侖山-祁連山一帶以及陜南和/或隴南地區(qū)，低值區(qū)在塔里木盆地-內(nèi)蒙古西部戈壁沙漠-黃土高原西北部一帶；從季節(jié)變化來(lái)看，總云量和絕大多數(shù)具體云類云量在春夏季明顯多于秋

5、冬季，其中西風(fēng)帶氣候區(qū)和高原氣候區(qū)在3-7月總云量的平均值維持在全年的高值區(qū)，而亞洲季風(fēng)影響區(qū)及其邊緣區(qū)域這個(gè)高值區(qū)還延伸到8、9兩月；15年來(lái)，各區(qū)總云量沒(méi)有上升，但總光學(xué)厚度和總云水路徑均呈上升趨勢(shì)。 從以上結(jié)果可知，云參量大小具有明顯的隨地形變化的特點(diǎn)，而且還受到地理位置的影響。為此，選取了西北四個(gè)典型地域：亞洲季風(fēng)影響區(qū)及其邊緣地區(qū)、祁連山區(qū)、天山山區(qū)和塔克拉瑪干沙漠地區(qū)，對(duì)其云特性參量的季節(jié)變化和年變化特征進(jìn)行了分析比

6、較。結(jié)果表明：這四個(gè)區(qū)域內(nèi)云量和光學(xué)厚度的最大值都出現(xiàn)在夏季，最小值出現(xiàn)在冬季?？偟貋?lái)說(shuō)，云粒徑在夏季最小，冬季最大；云特性參數(shù)大小隨地域的不同相差相當(dāng)大，高層云云量年平均值的最大差異在祁連山區(qū)和塔克拉瑪干沙漠之間，兩者相差16.4％。而總云量和低層云量年平均值在季風(fēng)區(qū)和塔克拉瑪干沙漠地區(qū)相差最大，分別可達(dá)27.6％和19.5％，這兩地的低層云和高層云光學(xué)厚度年平均值相差分別為8.7和7.5。兩個(gè)山區(qū)云的云量和光學(xué)厚度大小介于這兩地之間

7、。各地季平均水云粒子半徑在7.5～15.8μm，冰云粒子有效直徑在33.3～51.6μm，塔克拉瑪干沙漠地區(qū)最小，季風(fēng)區(qū)的云粒子尺度與之接近，山區(qū)相對(duì)較大。 在對(duì)云與氣候及水循環(huán)過(guò)程關(guān)系的研究中，對(duì)西北三個(gè)不同氣候區(qū)15種不同類型云的云量、云水路徑與降水的時(shí)空分布關(guān)系、云與氣溫的關(guān)系進(jìn)行了探討。結(jié)果表明：中低云量隨著氣溫的增加而增加，高云量則隨著氣溫的增加而減少，但隨著氣溫的增加云量在三個(gè)氣候區(qū)的變化幅度有所不同，夏季各區(qū)氣溫每

8、增加1℃，中低云量約增加0.4％～1.8％，高云量約減少1.3％～6.0％；針對(duì)80年代以來(lái)西北地區(qū)增暖增濕的現(xiàn)象提出了新觀點(diǎn)：近20年中，高云量在三個(gè)氣候區(qū)都呈明顯下降趨勢(shì)，中低云量之和則呈明顯上升趨勢(shì)，西北地區(qū)地氣系統(tǒng)中，云量和氣溫、降水之間可能存在這樣一個(gè)過(guò)程：地面氣溫的升高，促使地面蒸發(fā)加劇，水分循環(huán)加快，從而導(dǎo)致中低云量增多而使降水增多，同時(shí)高云云量減少，其結(jié)果會(huì)導(dǎo)致地面氣溫降低或減緩地面氣溫的上升。但這一結(jié)論只是初步的，還有

9、待利用更多資料進(jìn)行更深入的研究。 本論文還首次針對(duì)四個(gè)典型地域研究了在Aqua衛(wèi)星下午觀測(cè)時(shí)刻西北地區(qū)云輻射強(qiáng)迫的季節(jié)變化和年變化特征，并探討了云特性參量對(duì)云輻射強(qiáng)迫的影響，推進(jìn)了對(duì)西北地區(qū)云輻射強(qiáng)迫地域性特征的了解。結(jié)果表明：云對(duì)中國(guó)西北地區(qū)的輻射收支影響很大，云在四個(gè)地區(qū)的所有季節(jié)都產(chǎn)生凈的冷卻效應(yīng)。云的輻射強(qiáng)迫不僅具有顯著的季節(jié)變化，而且具有顯著的地域性變化。一般夏季云凈輻射強(qiáng)迫最大，季風(fēng)區(qū)可達(dá)-158.2w/m2，祁連山

10、區(qū)和天山山區(qū)分別可達(dá)-120.7w/m2和-115.2w/m2，塔克拉瑪干沙漠地區(qū)可達(dá)-29.0w/m2；一般云凈輻射強(qiáng)迫冬季最小，季風(fēng)區(qū)為-75.2w/m2，祁連山區(qū)和天山山區(qū)分別分別為-19.5w/m2和-2.7w/m2，但塔克拉瑪干沙漠地區(qū)最小值出現(xiàn)在秋季，為-7.8w/m2；研究結(jié)果還表明，云輻射效應(yīng)隨地域的不同，變化相當(dāng)大，比如云凈輻射強(qiáng)迫在同一季節(jié)里相差最大時(shí)可達(dá)129w/m2，出現(xiàn)在夏季的季風(fēng)區(qū)和塔克拉瑪干沙漠之間。從年平

11、均可以看出，云的短波輻射、長(zhǎng)波輻射和凈輻射效應(yīng)均在季風(fēng)區(qū)最強(qiáng)，分別達(dá)-171.2w/m2、48.9w/m2和-122.3w/m2；在塔克拉瑪干沙漠地區(qū)最弱，分別為-54.7w/m2、37.3w/m2和-17.4w/m2。 論文的最后一部分工作是采用Aqua衛(wèi)星上MODIS獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)，聯(lián)合使用0.65-、3.75-、11.0-和12.0-μm四個(gè)通道(對(duì)冰/雪地表以1.6μm取代0.65μm通道)，通過(guò)建立查算表對(duì)白天云的光學(xué)

12、厚度、云頂溫度、云水路徑、水云的云滴半徑及冰云的冰晶有效直徑進(jìn)行了反演試驗(yàn)。參照Minnisetal.(1993a，1998)的方法，首先建立云微物理模式及相應(yīng)光學(xué)特性數(shù)據(jù)庫(kù)以提供現(xiàn)實(shí)大氣中云相態(tài)、形狀及粒子尺度分布的近似狀況；然后利用Adding-doubling輻射傳輸模式模擬云參數(shù)對(duì)吸收、反射、透射以及發(fā)射輻射的影響，并建立查算表；應(yīng)用查算表時(shí)，將模擬的信號(hào)與衛(wèi)星實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行比較，直到在查算表中找到最佳匹配的多通道信號(hào)，則從產(chǎn)生這

13、種多通道信號(hào)所對(duì)應(yīng)的云模式及其光學(xué)特性中得到所要反演的云特性參量。選取祁連山、天山和塔克拉瑪干沙漠進(jìn)行了個(gè)例反演試驗(yàn)，把反演結(jié)果與CERESSSF資料相應(yīng)各參量進(jìn)行對(duì)比，并以SSF資料為真值計(jì)算誤差。結(jié)果顯示，在這三個(gè)個(gè)例中，祁連山個(gè)例的誤差最小，除冰云冰晶有效直徑對(duì)所有像素點(diǎn)的平均相對(duì)誤差為1％外，其它所有參量的平均相對(duì)誤差值幾乎為零。所有參量的平均絕對(duì)誤差都在0.1以下；天山個(gè)例的誤差也很小，所有參量的平均絕對(duì)誤差在-0.42～0.

14、20之間，相對(duì)誤差在-0.77％～0.84％；塔克拉瑪干沙漠個(gè)例的誤差相對(duì)最大，所有參量的平均絕對(duì)誤差在-2.46～2.41之間。冰云光學(xué)厚度相對(duì)誤差為8％，其它所有參量的平均相對(duì)誤差在-5％～1％?？偟膩?lái)看，反演結(jié)果與CERESSSF資料中的相應(yīng)各變量值非常接近，說(shuō)明本論文提出的四通道聯(lián)合反演法是可行的。這方面的研究成果在國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)，該方法為亮背景下云特性參量的反演提供了有益的探索，為今后把該方法應(yīng)用于我國(guó)FY衛(wèi)星的云特性參數(shù)的反演打