基于ISCCP及TRMM观测的热带降水云与非降水云差异的研究

摘要

随着越来越多更先进的气象卫星平台投入使用，云和降水更为精细的微观特征以及它们在整个气候系统中所扮演的角色将逐渐被揭示，而多通道多仪器多角度联合观测下的云和降水研究已经成为当前大气遥感及气候变化领域的研究热点。本文利用TRMM卫星上搭载的测雨雷达(PR)和可见光/红外扫描仪(VIRS)的融合资料，凭借PR高信度的降水识别和VIRS高分辨率的云顶辐射信息，并借助于ISCCP云气候资料，对长时间尺度下的全球云气候特征进行了全面讨论，并在此基础上重点分析和比较了热带地区降水云和非降水云在可见光/红外辐射信号以及多种云物理属性上的气候差异，初步取得的结果包括如下三个方面： (1)全球云气候特征利用ISCCP多年月平均云资料，讨论了云量、云光学厚度等云参量在全球热带地区的分布特征，以及从日到年代际多重时间尺度上的时间演化特性。 研究结果表明，低云集中分布于太平洋东南部和东北部的近海岸地区，该区域低云的富集与当地相对较低的海温有关；而热带辐合带、南太平洋辐合带和中纬低气压带等大尺度强对流活动区的高云量显著偏多。云量的季节变化不显著，洋面云量全年保持稳定，陆面春夏季节云量略有偏高。陆面总云量日变化峰值出现在9至15时(局地太阳时)的中午时段，而洋面地区多在凌晨0至6时达到最大值。高、中、低云显示出不同的云量日变化规律，其中洋面上低云显示出独特的凌晨极大值。总云量在最近20年间呈现出极缓慢的减少趋势，其中低云和高云均有小幅减少，而中云数量略有增加。地中海周边地区、澳洲大陆、非洲大陆中部和南部地区的云光学厚度和云水路径具有显著的低值，与云量分布的对比结果显示上述位置与极端少云区一致。云光学厚度接近10的云水丰富区主要分布于中国大陆及其附近海域、以及太平洋东南部的南美洲沿岸地区。相比于云量，云光学厚度和云水路径具有更强的季节稳定性，同时这两种云属性在所考察的20余年中呈现出极小幅的年代际增长。 该部分研究工作增进了对全球尺度云气候特征的理解，并为后续分类别的降水云和非降水云气候特征研究奠定了基础。 (2)降水云可见光及红外辐射特性针对夏季锋面和台风降水个例，考察了降水云可显著区别于非降水云的可见光(VIS)、近红外(NIR)和热红外(IR)通道的辐射特性，综合评估了可用于识别降水云的短波和长波指标，并对降水云水平尺度及降水云垂直结构进行了讨论。 研究发现，0.63μm反射率(RF1)和10.8μm亮温(TB4)信号对降水云和非降水云显示出有效的分离。在所考察的各种单通道和多通道阈值方法中，RF1、RF1/RF2、RF1&TB4三种方法在降水云识别中表现良好。其中RF1和TB4的联合使用能显著降低虚警率(FAR)，并同时保持较高的捕获率(POD)，是降水云判别的最优方案。对于弱降水(降水率低于5.0 mm/h)，云顶可见光反射率/红外亮温和地表降水率之间呈近线性的单调关系。随反射率(亮温)增大(减小)，降水强度缓慢增长，而且此统计关系在不同地区和不同降水系统中极为稳定。统计结果还显示，在锋面和台风系统中，可由红外亮温估计的降水云降水率均值约为3.3 mm/h。此外，在前人工作基础上，提出了一种获取低轨卫星窄轨道上云团水平尺度的新方法。以圆形理想降水云为参照定义等效半径(ER)，并用以对实际降水云的有效水平尺度做出估计，所得结论与同类研究结果可相互印证。在所考察的两类降水系统中，降水云雨项高度和云顶高度间的差异均在3km左右，并且此高度差值基本随雨项高度的增大而减小，在雨顶达到13km左右的较大高度时，云顶、雨顶高度接近一致，同时云顶雨顶高度差随地表降水率的增大呈线性减小趋势。 该部分工作指出了针对特定中尺度降水系统中降水云识别的最优可见光/红外阈值方案，揭示了云顶红外亮温/可见光反射率和地表降水率间统计关系在弱降水条件下的适用性，利用新方法定量获取了降水云的有效空间尺度信息。 (3)降水云和非降水云的云属性差异在气候尺度分析了降水云的辐射特性，并利用反演结果分析了降水云多种云属性的时空分布特征，着重比较了降水云和非降水云的云气候特征差异，还特别考察了降水云和非降水云在ISCCP 9类标准云型中的频率分布情况。 研究结果显示，从晴空/非降水云辐射背景到降水云，可见光通道反射率增加了100％，热红外通道亮温降低了30K以上。降水云在整个短波段的反照率均值约为0.28，高出晴空/非降水云背景约25％。晴空、非降水云和降水云在整个热带地区的平均出现概率分别为48.1％，47.9％和4.0％，其中降水云在洋面和陆面的云量(单位：％)均值分别为4.2和3.5。降水云的空间分布形式与非降水高云基本一致。降水云云量日变化幅度普遍大于非降水云，无论是在陆面还是在洋面，降水云同非降水云的1.1变化形式均基本一致。陆面降水云多在夜间维持低值，并在早晨8时左右达到最小值，峰值在午后时段出现；洋面降水云的峰值则多出现于8至12时的早间时段。降水云光学厚度的全球均值超过60，约为非降水云的10倍。降水云中冰云的比例超过90％，而如果不考虑相态，降水云平均云滴有效半径高出非降水云约10μm。降水云含水量均值约为230g·m<'-2>，接近非降水云的3倍。另外，依据ISCCP云型标准，研究发现洋面上积云、层积云、高积云和卷云等四种云型是构成非降水云的主要云型，而具有高光学厚度的低云(层云)和中云(雨层云)出现频次最低；相比之下，陆面非降水云中，高层云略有偏多而层积云数量略有偏少。然而对于降水云，除深厚对流云和雨层云外，中等厚度的卷层云对降水云云量也有相当大的贡献。 该部分研究工作全面分析了在宏观结构、微物理属性以及云量日变化中降水云和非降水云的差异：首次针对降水云定量给出了云量、云光学厚度、冰水云比例、云滴有效半径等参数的气候均值和海陆差异；并从降水云和非降水云在ISCCP 9种标准云型中出现频率的角度，揭示了ISCCP卷层云所具有的高降水概率，指出了其云分类方案利用传统名称进行云型命名的欠合理性。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1云观测技术发展历程

1.1.1地面观测与卫星遥感

1.1.2云型划分方案

1.2全球云时空分布特征研究现状

1.2.1云量覆盖的地区不均匀性

1.2.2云量的日变化特征

1.2.3云量的长期变化趋势

1.3基于TRMM平台联合观测的相关研究成果

1.3.1 VIRS揭示的热带云属性总体特征

1.3.2降水云水平尺度特征

1.3.3降水云和非降水云辐射信号差异

1.4本研究的内容

第二章资料与方法

2.1 ISCCP及其云产品

2.1.1 ISCCP项目简介

2.1.2 ISCCP数据流程及算法

2.1.3 D1/D2云产品简介

2.2 TRMM卫星及其降水产品

2.2.1 TRMM卫星简介

2.2.2测雨雷达PR及其降水资料

2.2.3 VIRS辐射强度资料

2.2.4资料融合

2.3云参数反演

2.3.1反演算法理论背景

2.3.2辐射传输模式

2.3.3反演流程

2.4其它气象资料

第三章全球云气候特征

3.1全球云量水平分布特征

3.1.1总云量水平分布的基本形式

3.1.2云量的季节性纬向运动

3.2高、中、低云水平分布特征

3.2.1低云的季节性分布

3.2.2中云的季节性分布

3.2.3高云的季节性分布

3.2.4季节性变化的统计特征

3.3全球云量的日变化特性

3.3.1云量峰值时间的全球分布

3.3.2云量日变化的区域特性

3.3.3不同云型的云量日变化特征

3.4云量的长期变化趋势

3.4.1总云量21年距平信号序列分析

3.4.2云量年代际差异的空间分布

3.4.3年代际变化的线性趋势

3.5云光学属性的时空分布特征

3.5.1云光学厚度的水平分布

3.5.2云水路径的水平分布

3.5.3云光学属性的季节变化特征

3.5.4云光学属性年代际变化趋势

3.6本章小结

第四章降水云可见光及红外辐射特性

4.1降水云样本统计

4.1.1锋面与台风降水个例

4.1.2多通道云图分析

4.1.3像素统计特征

4.2降水云辐射信号统计特征

4.2.1可见光0.63um通道

4.2.2近红外1.6um通道

4.2.3中红外3.7um通道

4.2.4热红外10.8um通道

4.2.5热红外12.0um通道

4.3组合信号的降水云判别

4.3.1短波反射比

4.3.2红外亮温差

4.3.3降水云识别能力比较

4.4降水云结构统计特征

4.4.1降水云水平尺度

4.4.2降水云垂直尺度

4.5本章小结

第五章降水云与非降水云差异分析

5.1反演结果检验

5.1.1总云量差异

5.1.2平均云属性差异

5.2可见光/红外辐射的气候尺度特征

5.2.1晴空及非降水云辐射特征

5.2.2降水云辐射特征

5.3降水云和非降水云的云属性差异

5.3.1云量及云高

5.3.2云光学厚度

5.3.3云滴相态及有效半径

5.4降水云和非降水云气候特征差异

5.4.1云量的空间分布

5.4.2云光学及微物理属性的空间分布

5.4.3云量日变化差异

5.5基于ISCCP云类型的频率统计

5.5.1非降水云频率分布

5.5.2降水云频率分布

5.6本章小结

第六章总结与展望

6.1本文的主要研究结论

6.2本论文工作的创新点

6.3未来工作展望

参考文献

附录

在读期间发表的学术论文

致谢