论文总字数：14017字

目 录

摘要 II

Abstract III

1、引言 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究进展 1

1.3 研究目标 3

2、资料来源及研究方法 4

2.1 MODIS产品介绍及其数据的选取 4

2.2研究区域 4

2.3统计方法 5

3、结果分析 6

3.1冰云结构特征 6

3.1.1华北地区的冰云光学厚度 6

3.1.2冰云的有效粒子半径水平分布 8

3.1.3冰水路径水平分布特征 10

3.2冰云发生概率 12

3.3气溶胶光学厚度 14

4、总结 16

5、讨论 16

参考文献 17

致谢 18

研究华北地区冰云时空分布及与大气污染之间的关系

赖睿泽

，China

Abstract:In this paper, the effective particle radius, ice water path, ice cloud thickness and probability distribution of the ice cloud in North China were analyzed statistically by using the MODIS three-level cloud products from November 2011 to October 2016 in North China. The results of this study show that the ice thickness of the ice cloud in the past five years is in the range of 8 ~ 18, which is mainly about 11. The effective particle radius particles are mainly distributed between 32μm ~ 36μm, and the effective particle radius in summer and autumn is larger than that in spring. The probability of occurrence of ice clouds is mainly concentrated in 16% ~ 28%. The distribution of aerosol and the aerosol concentration in North China shows that the effective particle radius of the ice cloud is relatively small in the area where the aerosol concentration is large. The correlation between the aerosol concentration and the ice water path and the optical thickness of the ice cloud is small. Although the optical thickness of aerosols exhibits a positive correlation to the formation of ice clouds, the effect of aerosol concentration on the probability of occurrence of ice clouds is much smaller than the effect of humidity and temperature in the atmosphere.

Key words:North China；MODIS；ice clouds； distribution characteristics ； aerosol

1、引言

1.1 研究背景及意义

众所周知，云与地气系统之间的能量交换、辐射传输以及水文循环之间有着紧密的联系。云通过对短波辐射的吸收以及散射，使得到达地面的太阳辐射减少，同时又会吸收地球表面所发射的长波辐射并且向外界发射长波辐射。这种对长波辐射的吸收和散射以及对短波辐射的削弱之间的差异决定了云对辐射的效果，从而来影响地气系统间的平衡。另外，云的微物理结构和光学特性以及它的分布特征对气候变化起着至关重要的作用。近十几年来, 学者们对水云进行了大量的较为深入和全面的研究，其中包括水云对太阳辐射等方面的影响，还对水云的光学厚度以及辐射特性参数等方面进行研究。虽然已有专家对冰云的微物理结构进行了相关统计分析，但对冰云的研究远没有水云这么深入和全面，所以需要对冰云在理论上和观测上进行深入和系统的研究。对冰云的研究主要包括对冰云的微物理结构，冰云的光学特性和对冰云的发生概率等的研究。通过对冰云的微物理结构和辐射传输的研究，提出一些与冰云相关的参数化模型。

大气中的气溶胶与气候的变化也有着密不可分的关系，它通过影响地气之间的辐射传输过程来改变地球的能量交换。主要由两个方面的影响组成：第一，气溶胶自身的影响。气溶胶以自身的结构特点通过吸收和散射作用来削减太阳辐射，使得到达地球表面的辐射减少，从而降低地表及近地层的大气的温度。这是气溶胶一个重要的作用——阳伞效应。除此之外，它也能吸收太阳辐射和地表、云所发出的长波辐射，使得近地层大气温度增加。这也是气溶胶的一个重要的效应——温室效应。第二，气溶胶对云雾降水的影响。气溶胶能够充当冰核和云凝结核，有利于云的形成。同时它们也能改变云中的结构特性，使云对太阳辐射过程的能力和效果也发生了相应的改变。

如今随着我国经济建设的快速发展,在建设过程中所产生的污染物会对大气造成一定的影响，会是空气质量明显的下降。华北地区作为工业化发展相对较快的地区，该地区大气中气溶胶光学厚度变化尤为明显，大气环境质量变化也十分显著,空气质量的下降的严重影响了人们的生活和身体健康。影响空气质量的主要污染物是大气中的气溶胶粒子。

因此对华北地区区域性大气气溶胶的浓度与冰云之间的相关性的研究具有也就具有了重要的意义。

1.2 国内外研究进展

近些年来，专家学者们对冰云的结构特征和光学厚度等进行了讨论研究。 如叶晶^[1]等通过同时利用MODIS两种不同通道所接受到的数据资料来对多层云的光学特性和平均有效尺度进行参数的反演算法以及模拟了冰云在多层云情况下的微物理结构。得出了在该情况下云的平均有效尺度和光学厚度的范围。曹亚楠等^[2]利用两年北京地区的MODIS云产品数据来统计分析了北京地区的卷云的微物理结构和光学特性的时空分布特征。并对卷云的发生概率也进行了相关研究。卷云的平均有效尺度分布范围为20～80μm，其中出现概率最大的范围在40～50μm之间。北京地区的冰云大部分为不透明的冰云。杨冰韵等^[3]利用四年的CloudSat卫星的数据资料，来研究云的冰水路径和云滴平均有效尺度。另外，对全球范围内的云的光学厚度等光学特性随季节的变化进行了相关分析研究，并阐述了云微物理参数因子对光学特性的影响。陈宝德、刘晓东等^[4]通过利用4年的MODIS卷云反射数据集，研究了卷云在亚洲季风地区和青藏高原的季节性迁移。得出了青藏高原上的高云是由相对暖湿空气通过冷锋和地形缓慢抬升形成的，而亚洲季风区的高云形成是由深厚对流卷云砧流出或剩余所形成的。P. Spichtinger，M. Krämer等人^[5]通过对热带对流层冰云结构进行模式模拟，从中得出：异质和均匀的冰形成过程不同，纯的均匀冰形成发生非常慢（lt;1cm·s^-1）而异质冰的形成发生相对较快（gt;1cm·s^-1）。这个统计分析表明，大约80％的热带对流层卷云可以解释为“经典”均匀冰核，而剩余的20％来自异构和同质冻结。Meyer K等人^[6]分析了热带地区（即纬度±30^o之间的区域）的冰云的空间和时间模式。利用在NASA的Aqua卫星MODIS仪器中获取2002年7月至2005年8月三年的数据来进行分析。并将研究的冰云频率结果与从高分辨率红外辐射探测器（HIRS）获得的冰云频率结果进行比较。分析表明，热带地区观测到的云层频率较高（约占MODIS 3级数据点的67％），而陆地发生频率比海洋高出43％。大约70％的热带地区的冰云光学厚度低于2.0，大约80％的平均冰水路径小于40g•m^-2。此外，空间格局以及季节性云迁移可以清楚地看到。Duane E. Waliser等人^[7]发现对流层冰云代表性的缺点导致了天气和气候预测的错误，也是气候预测存在不确定性的原因之一。通过对IPCC第四次评估报告进行的模拟比较，说明了云计算模型中存在的明显缺陷，简要讨论了可用的全球观测资源的范围，并描述了基本组件表征其“云”冰和相关领域的模型参数化。使用这些信息作为背景，他们讨论了在与云计算相关的模型——数据比较中必须考虑的一些主要因素和注意事项，并说明了应用卫星来研究冰云的不确定性，还对冰云模型进行了改进，最后讨论了一些关于前进路径的剩余问题和建议。Grenier P et al^[8]通过分析CloudSat和CALIPSO的卫星资料研究了极地薄冰云中冰云的结构特征的时空分布以及气溶胶分布特点，从而进一步证实了气溶胶与冰云之间所存在的相关性，该研究主要涉及了气溶胶、云和辐射的相互作用，有利于更好了解极地气候的变化特点。曹亚楠等人^[9]利用MODIS二级云产品和大气红外探空仪二级大气产品的数据资料，来对冰云的亮温进行了模式模拟分析。并利用大气红外探空仪所测得的亮温与冰云的反演结果和MODIS云产品下的模拟亮温进行了相关的对比研究。最终得出反演的冰云云高和光学特性的模拟亮温和大气红外探空仪实际观测亮温极为相似，它们的相关系数能够达到0.98以上。杨亦萍等人^[10]通过利用北极地区四年的MODIS云产品数据资料对该地区夏季卷云的结构特征（云顶高度、有效粒子半径等），卷云的光学特征（光学厚度等）以及卷云的发生概率进行统计研究。另外，文中还讨论了该地区夏季卷云平均有效尺度与云高以及发生概率之间的联系。得出在夏季北极地区卷云发生的概率最大。卷云的云顶高度范围在2～8km之间，其中大部分的卷云集中在4.5～6km。该地区卷云的光学厚度一般在10以下。平均有效尺度的范围为5～40μm，大部分的卷云在10～20μm之间。该地区卷云的有效粒子半径随着云高的增加而增加，卷云发生概率和卷云的高度也会随着纬度的增加而增加而云顶温度则会减小。另外，卷云平均有效尺度和卷云光学厚度与纬度呈正相关关系。闵敏等人^[11]利用CALIPSO卫星收集到中国地区五年的云产品数据来研究该地区卷云的分布情况, 华南地区由于接近ITCZ使得在该地区具有较强辐合运动以及大气的湿度大,所以该区域的卷云的发生概率约60%。而在水汽含量相对较少的青藏高原上,卷云主要是通过强迫抬升形成,使得该地区的卷云发生概率约为30%～40%。文章还对多层云的垂直分布进行了研究，得出季节的更替会影响云的垂直分布。万宁等^[12]利用五年的TRMM和MODIS卫星遥感数据资料，对华北地区不同降水过程中的气溶胶光学特性的变化和云滴有效尺度之间的联系进行了统计和讨论。经过统计得出该地区的气溶胶光学厚度随季节的变化较为显著，呈现出夏大冬小的特点。另外，华北地区夏季在降水量较小时气溶胶光学厚度越大则冰云云滴平均有效尺度就会越小，而在降水量较大时云滴的平均有效尺度会随着气溶胶的光学厚度的增大而增大。Melanie A. Wetzel^[13]等通过利用NOAA极轨卫星的辐射计（PATMOS）的数据，来分析研究气溶胶的光学厚度与云量之间存在的联系。经研究表明：随着气溶胶的光学厚度的增加，云量和云层也会增多，并且能够使得云的周期变长。他们之间呈现出一定的相关性。石睿^[14]等通过利用多源卫星2001年到2011年十年的数据来对气溶胶光学厚度和云的微物理结构之间的关系进行统计研究。研究结果表明，气溶胶能够对云的结构特征产生较为显著的影响，其中气溶胶的浓度与云的光学厚度和含水量存在着一定的正相关关系，但与云的平均有效尺度的关系却相对复杂（与水汽含量有关）。

1.3 研究目标

本文主要对华北地区的冰云的微物理结构特征（包括冰云的光学厚度、冰水路径和有效粒子半径等）以及冰云在华北地区的发生概率和分布情况进行统计研究。另外，对华北地区气溶胶光学厚度的分布状况进行统计分析，并对气溶胶光学厚度和冰云的微物理结构特性以及冰云的发生情况进行对比，讨论这它们之间是否存在相关性。

2、资料来源及研究方法

2.1 MODIS产品介绍及其数据的选取

中尺度成像光谱仪（MODIS）是Terra和Aqua卫星上的一种重要的传感仪器。MODIS扫描的宽度为2330公里，由于宽度足够宽，可以在极地轨道和太阳同步的平台上方每两天提供几乎完整的覆盖全球的数据资料。 MODIS在0.415μm和14.235μm之间一共存在36个光谱带并从中提供图像，空间的分辨率为250μm（2个光谱带），500μm（5个光谱带）和1000μm（39个光谱带）。这些波段都是经过精心挑选，它们能够对大气，陆地和海洋的特性进行较为全面的接收和研究。所以可以利用MODIS接收到的全球反射数据资料来研究全球的气候变化情况以及人类活动对气候所造成的影响。它特别适合用于从宇宙空间对大气的各种特性进行全球观测。MODIS数据三级产品是一种经过处理，平均后的数据资料，它能够提供的是逐日、逐旬和逐月的平均数据产品。该产品分辨率为1°×1°的格点数，数据格式为HDF数据，其中包括冰水路径、有效粒子半径和冰云的光学厚度等。该数据可以从NASA数据中心（DAAC）获取。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：14017字

相关图片展示：