基于CloudSat/CALIPSO卫星资料对中国地区夏冬两季冰云微物理特性的分布分析

论文总字数：18064字

目 录

摘要························································I

Abstract····················································II

1引言······················································1

1.1 研究目的和意义……………………………………………………………………………1

1.2 国内外研究进展……………………………………………………………………………1

1.3 本文研究主要内容和目的…………………………………………………………………2

2资料与方法················································2

2.1 CloudSat/CALIPSO卫星介绍………………………………………………………………2

2.2 DARDAR产品介绍…………………………………………………………………………3

2.3 统计方法……………………………………………………………………………………3

2.3.1 资料处理方法及资料验证…………………………………………………………3

2.3.2 中国地区分区方案…………………………………………………………………4

3结果与分析················································4

3.1 冰水含量……………………………………………………………………………………4

3.1.1 冰水含量的水平分布………………………………………………………………4

3.1.2 冰水含量的垂直分布………………………………………………………………5

3.1.3 不同区域冰水含量的分布…………………………………………………………5

3.2 冰水路径……………………………………………………………………………………6

3.2.1 冰水路径的水平分布………………………………………………………………6

3.2.2 不同区域冰水路径的分布…………………………………………………………7

3.3 冰云有效半径………………………………………………………………………………8

3.3.1 冰云有效半径的水平分布…………………………………………………………8

3.3.2 冰云有效半径的垂直分布…………………………………………………………9

3.3.3 不同区域冰云有效半径的分布……………………………………………………9

4结论与讨论···············································10

4.1 结论………………………………………………………………………………………10

4.2 创新点和不足……………………………………………………………………………11

参考文献··················································11

致谢······················································14

基于CloudSat/CALIPSO卫星资料对中国地区夏冬两季

冰云微物理特性的分布分析

侯蓓蕾

,China

Abstract: In all types of clouds,the influence of ice clouds on the radiation budget of the earth-atmosphere system is very unique.Ice clouds can absorb and re-emit outgoing terrestrial radiation.The effect of ice clouds on the radiation budget of the earth-atmosphere system depends on the water content of ice clouds, height,and its detailed microphysical properties. The distribution of the ice cloud microphysical properties (ice water content (IWC), ice water path (IWP),and ice cloud effective radius) in China are analyzed based on the DARDAR data,the combination of the CloudSat radar and the CALIPSO lidar,during the summer and winter of 2013.China is divided into four sub-regions for this paper，and are defined as the Northwest, Southwest, Northeast and Southeast.The results show that the IWC is less than 360 mg · m^-3 over all of China.The maximum IWC occurs near the height of 5 km.the IWC is at its maximum in the Southeast region in summer.The IWP is less than 60 g · m^-2.The value in summer is higher than in winter.The IWP is at its maximum in the Southeast in summer and at its minimum in the Northwest in winter.The ice cloud effective radius in China is less than 90μm.The largest ice cloud effective radius occurs at around 5 km.The value is at its maximum in the Southeast in summer and in northeast region is the second.The results show the horizontal and vertical distribution of ice cloud microphysical properties in detail,which provide the reference for simulation of ice cloud microphysical properties by regional climate models in China.

Key words: CloudSat CALIPSO Ice water content Ice water path Ice cloud effective radius

1引言

1.1研究目的和意义

地球上超过50%的区域都覆盖着云，云对辐射的透射、吸收、反射以及自身发射的红外辐射控制着入射至地球的太阳辐射和地球—大气系统发射的红外辐射，它在地气系统辐射收支的调节过程和全球水循环中发挥着重要的作用^[1-3]。云可以通过行星反照率和温室效应来调节局地的总能量收支。一方面，射入地球的太阳短波辐射到达大气层顶被云反射回宇宙空间，从而减少了到达地面的太阳短波辐射，对地气系统起到冷却的作用；另一方面，大气中的云又会将地表受到太阳辐射加热后所放射出的长波辐射截获，其中，大部分辐射又会返回到地面，从而对地气系统起到加热的作用^[4]。这两个过程的净效应取决于云的特性，例如云相、水含量和云厚等。对于大多数中云和低云，行星反照率对其的影响通常占主导地位，使得这些云的存在对地气系统起到冷却的作用^[5]。相反，高云和薄冰云是由冰晶组成的，对太阳辐射的削弱作用很小，几乎对太阳入射辐射是透明的但对长波辐射是不透明的，它们的温室效应远远超过太阳反照率对其的影响，因此对地气系统起到加热的作用^[6]。基于冰云对大气辐射平衡的重要影响，本文研究了冰云的微物理特性及其分布情况，对我们深入了解冰云对地气系统辐射影响的复杂性有着十分重要的意义。

1.2国内外研究进展

冰云作为影响全球能量平衡、气候和天气变化的重要因素，目前国内外学者对冰云的研究主要集中在两个方面，一是冰云的分布，二是利用不同的卫星资料对冰云特性的分析。Kenneth et al^［7］用CloudSat和CALIPSO的探测结果研究了全球范围的卷云的分布情况，结果显示全球平均卷云发生率为16.7%，研究主要侧重云的分布规律。Hong et al^[8]的研究结果表明，全球平均冰云发生率大约为53%，且大量冰云的出现与气候条件密切相关，例如，冰云经常出现在热带强对流地区。Patrick et al^［9］研究了极地薄冰云中的云参数分布规律以及气溶胶分布，通过对CloudSat和CALIPSO卫星资料的分析，进一步证明了气溶胶的间接效应，对进一步了解极地气候的变化具有一定的指导作用。此外，还有一些研究通过与其他探测卫星资料对比，进一步研究了冰云参数的分布和物理规律。Wu et al^［10］根据Aura卫星搭载的探测器 MLS 得到的资料计算了对流层高层的冰水含量，并与 CloudSat卫星资料中的冰水含量进行了对比，对比得出MLS和CloudSat 冰水含量（IWC）的概率密度函数（PDF）分布的差别通常小于50%，在中纬度且气压低于177hPa的地区，由于MLS的系统误差其反演的IWC相比CloudSat略微偏低；Wu et al^[11］通过将MLS、CloudSat 和 ECMWF、MODIS、AMSU-B等其它数据集对比，对全球区域冰云物理量参数的分布情况进行了分析，研究主要侧重于不同卫星资料差异的比较，但并没有对云物理量参数的空间和时间分布特点进行系统地分析。

国内外学者对冰云微物理量的分布特征也进行了不少研究。Hong et al^[8]对全球冰云特性的区域性和季节性变化的研究显示，全球平均冰水路径值大约为109 g·m^-2，冰云有效半径值约为48 μm；杨冰韵等^[12]利用高垂直分辨率CloudSat卫星的2B数据产品，统计分析了全球区域云微物理特征量（包括云中液态水/冰水路径、云滴有效半径等）以及云光学参数（云光学厚度等）的时空分布特征，并研究了云微物理性质对光学性质的影响，研究侧重于云微物理量和云光学参数在全球不同地区和高度上的气候态分布特征及季节变化规律。邓军英等^[13]针对干旱半干旱的新疆地区，基于CloudSat卫星资料统计分析了人工增水潜力云一层云和层积云的微物理特性在垂直方向上的分布规律及其季节变化，并对层云和层积云中冰云微物理特性在不同值段的垂直分布特点进行了对比分析，为该地区的人工增水工作提供了参考依据。杨大生等^[14]通过 CloudSat 数据资料对中国地区2006~2008年夏季云水含量的垂直分布特征进行了分析，结果表明月平均云含水量的分布受到青藏高原的地形和东亚夏季风的明显影响，但并没有进行详细的分区研究，而且主要研究了云的液态水含量和冰水含量，所涉及的云微物理量较少。张华等^[15]结合2007～2010年四年最新的CloudSat卫星数据，将东亚地区划分为五个子区域，详细研究了冰/液态水含量、云滴数浓度和有效半径等云微物理量的时空分布特征，为云微物理量在区域气候模式上的分布特征提供了较为准确的参考依据。

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