利用衛(wèi)星反演資料研究西北地區(qū)云特性及其對地氣系統(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，對驅(qū)動大氣環(huán)流、調(diào)節(jié)地球氣候和水循環(huán)過程起著重要作用。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)過程相關(guān)聯(lián)對氣候和水資源研究是很重要的，而要定量地研究這些問題依賴于從衛(wèi)星遙感資料中準(zhǔn)確反演出云的特性參量。為此，本論文對西北地區(qū)云特性參量的時空分布特征、云與氣候及水循環(huán)過程的關(guān)系、云對地氣系統(tǒng)的輻射強迫作用進行了研究，并利用MODIS獲取的多通道遙感信號，借助輻射傳輸模

2、式和查算表方法，進行了云特性參數(shù)的反演試驗。 本論文采用目前國際上資料連續(xù)性最好、時段最長、定標(biāo)最完整連貫的一套云氣候數(shù)據(jù)集——國際衛(wèi)星云氣候計劃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刻大氣層頂?shù)膶拵л椛渫科ヅ淞似饋?，并引進了新的角分布模式，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、針對西北三個氣候區(qū)和四個典型地域，對總云和高、中、低云以及15種具體類型云的特性參量進行了分析比較，使得對西北地區(qū)云特性的時空分布特征有了比以往更細(xì)致深入的了解，充實了我國云參量氣候?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20％左右。冰

4、雨層云、冰層云和深對流云含水量最豐富，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)域這個高值區(qū)還延伸到8、9兩月；15年來，各區(qū)總云量沒有上升，但總光學(xué)厚度和總云水路徑均呈上升趨勢。 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，而且還受到地理位置的影響。為此，選取了西北四個典型地域：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)，對其云特性參量的季節(jié)變化和年變化特征進行了分析比

6、較。結(jié)果表明：這四個區(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?？偟貋碚f，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)相對較大。 在對云與氣候及水循環(huán)過程關(guān)系的研究中，對西北三個不同氣候區(qū)15種不同類型云的云量、云水路徑與降水的時空分布關(guān)系、云與氣溫的關(guān)系進行了探討。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80年代以來西北地區(qū)增暖增濕的現(xiàn)象提出了新觀點：近20年中，高云量在三個氣候區(qū)都呈明顯下降趨勢，中低云量之和則呈明顯上升趨勢，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過程：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，同時高云云量減少，其結(jié)果會導(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、待利用更多資料進行更深入的研究。 本論文還首次針對四個典型地域研究了在Aqua衛(wèi)星下午觀測時刻西北地區(qū)云輻射強迫的季節(jié)變化和年變化特征，并探討了云特性參量對云輻射強迫的影響，推進了對西北地區(qū)云輻射強迫地域性特征的了解。結(jié)果表明：云對中國西北地區(qū)的輻射收支影響很大，云在四個地區(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迫最大，季風(fēng)區(qū)可達-158.2w/m2，祁連山

10、區(qū)和天山山區(qū)分別可達-120.7w/m2和-115.2w/m2，塔克拉瑪干沙漠地區(qū)可達-29.0w/m2；一般云凈輻射強迫冬季最小，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，比如云凈輻射強迫在同一季節(jié)里相差最大時可達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、長波輻射和凈輻射效應(yīng)均在季風(fēng)區(qū)最強，分別達-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獲取的觀測數(shù)據(jù)，聯(lián)合使用0.65-、3.75-、11.0-和12.0-μm四個通道(對冰/雪地表以1.6μm取代0.65μm通道)，通過建立查算表對白天云的光學(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行了反演試驗。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)庫以提供現(xiàn)實大氣中云相態(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，將模擬的信號與衛(wèi)星實測信號進行比較，直到在查算表中找到最佳匹配的多通道信號，則從產(chǎn)生這

13、種多通道信號所對應(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行了個例反演試驗，把反演結(jié)果與CERESSSF資料相應(yīng)各參量進行對比，并以SSF資料為真值計算誤差。結(jié)果顯示，在這三個個例中，祁連山個例的誤差最小，除冰云冰晶有效直徑對所有像素點的平均相對誤差為1％外，其它所有參量的平均相對誤差值幾乎為零。所有參量的平均絕對誤差都在0.1以下；天山個例的誤差也很小，所有參量的平均絕對誤差在-0.42～0.

14、20之間，相對誤差在-0.77％～0.84％；塔克拉瑪干沙漠個例的誤差相對最大，所有參量的平均絕對誤差在-2.46～2.41之間。冰云光學(xué)厚度相對誤差為8％，其它所有參量的平均相對誤差在-5％～1％。總的來看，反演結(jié)果與CERESSSF資料中的相應(yīng)各變量值非常接近，說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內(nèi)尚未見，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FY衛(wèi)星的云特性參數(shù)的反演打