基于CALIOP和MODIS觀測資料的CPR洋面暖云識別能力研究.pdf

1、憑借其優(yōu)越的云垂直結(jié)構(gòu)探測能力，云廓線雷達(dá)（Cloud Profiling Radar，簡稱CPR）觀測資料作為主要的云識別結(jié)果被廣泛應(yīng)用于云屬性及垂直結(jié)構(gòu)的研究中。但是由于地表雜波和探測分辨率等因素的影響，CPR在對流層下層的云識別存在很大問題。本論文利用2008年全年的全球洋面CPR、正交偏振云-氣溶膠激光雷達(dá)（the Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization，簡稱CALIOP

2、）和中分辨率成像光譜儀(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，簡稱MODIS)的融合資料，評估CPR對洋面單層暖云的云識別性能。本文系統(tǒng)分析了被CPR漏判的洋面暖云的空間分布及其宏觀、微觀物理特征，同時與CPR捕獲暖云進行綜合對比，定量計算了由于CPR嚴(yán)重地不完整云采樣所帶來的暖云云屬性統(tǒng)計偏差。在此基礎(chǔ)上，進一步分析和討論了不同內(nèi)、外部因素對CPR暖云識別效率的影響，闡明了云微物理

3、屬性對CPR暖云識別結(jié)果的重要影響。本文的主要研究成果如下:
　　(1)CPR暖云漏判事件的全球分布特征及區(qū)域差異
　　依據(jù)篩選所得到的CPR漏判及捕獲暖云樣本，研究了CPR對全球洋面暖云的整體低估情況，并對不同區(qū)域的CPR漏判暖云的云量、云高以及微物理屬性進行了對比分析。研究發(fā)現(xiàn):
　　1)CPR漏判暖云集中分布于大洋東部的冷水區(qū)，CPR漏判率的緯向分布與海表溫度近似呈反相關(guān)。大洋中部的CPR漏判率約為0.1～0.3

4、，越靠近大陸，漏判率越高，近岸海區(qū)的暖云漏判率可達(dá)0.7以上。
　　2)絕大多數(shù)CPR漏判暖云的云頂高度位于0.6～1.2km，其中大量漏判暖云位于1km以下的大氣邊界層內(nèi)。CPR捕獲暖云的云頂高度多在1.5km以上。在太平洋、大西洋和印度洋中部，CPR捕獲暖云占主導(dǎo)，CPR對云頂高度的高估小于0.4km(20％)。在靠近大陸的CPR漏判暖云主導(dǎo)區(qū)域，云頂高度的高估超過0.8km(50％)。
　　3)CPR漏判暖云的云滴有效

5、粒子半徑(Cloud droplet effective radius，簡稱DER)和光學(xué)厚度（Cloud optical depth，簡稱COT）普遍偏小，且云水路徑(Cloudliquid water path，簡稱CWP)極小(＜50g/m2)。CPR捕獲暖云的云層普遍更厚，含水量更高(CWP＞100g/m2)，且降水發(fā)生概率更高。除地表雜波干擾之外，對于1km以上的暖云，CPR對擁有不同微物理屬性的暖云的識別成功率存在差異。例如

6、，CPR漏判了大量具有較小COT和DER的洋面暖云。
　　(2)CPR對不同類型洋面暖云的識別效率及云參數(shù)統(tǒng)計偏差
　　針對四類主要的洋面暖云系統(tǒng)（層云，層積云，積云和高積云），評估了CPR的識別能力差異，分析了CPR漏判對云參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果的影響。研究發(fā)現(xiàn):
　　1)針對完整像素覆蓋的洋面單層暖云樣本，全球尺度上CPR的總體漏判率約為0.39。由于宏觀和微觀物理屬性的差異，CPR的識別效率對于四種暖云型差異顯著。層云具有

7、最大的漏判率(0.61)，而積云最小(0.23)，層積云(0.4)和高積云(0.52)居中。給定暖云類型，CPR捕獲暖云的全球分布形態(tài)與總暖云的分布基本一致。
　　2)1km高度以下的洋面暖云被CPR完全漏判。1km高度以上，CPR對暖云仍有較高頻率的漏判。在1～2.5km高度范圍，漏判率隨高度單調(diào)減小，在3km以上由于高積云的大量漏判，漏判率轉(zhuǎn)而增大。漏判暖云云頂高度整體上比捕獲暖云低0.28km。只有云頂高度在2.5～3.0k

8、m的洋面暖云，CPR漏判率處于低值(～0.1)。
　　3)對所有類型暖云，CPR漏判率與CWP之間一致存在強烈的負(fù)相關(guān)（相關(guān)系數(shù)-0.81）。當(dāng)CWP超過200g/m2，漏判率降至0.1以下。但對于擁有相同CWP的暖云，不同暖云型對應(yīng)的漏判率存在差異，層云相比于積云更容易被CPR漏判，這與其相對較小的DER有關(guān)。
　　4)CPR漏判導(dǎo)致對暖云統(tǒng)計分析的高估十分顯著。相對于降水暖云，CPR對非降水暖云有更加嚴(yán)重的漏判，僅使用C

9、PR云檢測資料會高估洋面暖云降水概率。對于不同類型暖云，其捕獲暖云樣本的全球平均DER和COT相對于該類型總暖云樣本為一致高估，分別達(dá)到10～24％和24～36％。CPR暖云漏判所致的全球平均CWP高估約為36.6g/m2(44.3％)，在暖云富集的海域（如東南太平洋/東南大西洋），暖云CWP的高估具有較大的變動范圍(20％～80％)。
　　(3)不同因素對CPR暖云識別的影響
　　針對地表雜波、雷達(dá)空間分辨率、雷達(dá)探測靈敏

10、度、云微物理性質(zhì)等因素，將由不同因素主導(dǎo)的CPR漏判暖云劃分為六類，以明確各因素在CPR暖云漏判中的貢獻(xiàn)程度。研究發(fā)現(xiàn):
　　1)對于全球洋面上的單層暖云總體樣本，CPR總漏判率為0.73。其中接近一半的漏判暖云位于1km以下，其完全源于地表雜波的影響。對于1km以上的CPR漏判暖云，其中滿足滿云覆蓋條件的像素占比高達(dá)70％，其余30％則與CPR像素非滿云覆蓋因素有關(guān)。CPR的垂直分辨率是滿云覆蓋條件下形成漏判的主要原因，在滿云覆

11、蓋的漏判暖云中占74％左右。剔除外部因素的影響，1km以上的暖云，18％的漏判源于由其特殊的云微物理屬性。對于全球洋面暖云，57％的漏判事件明確由單一因素導(dǎo)致，剩下的則與無法分辨的兩個或更多因素的共同影響有關(guān)。
　　2)由不同因素引起的CPR暖云漏判在全球洋面具有明顯不同的地理分布，但不同因素對漏判的貢獻(xiàn)在高度上沒有顯著差異。大多數(shù)位于大陸西海岸，熱帶輻合帶和高緯度洋面的漏判暖云位于1km甚至0.5km以下，歸因于地表雜波的影響。

12、CPR垂直分辨率是在典型的層積云區(qū)的漏判事件的主要原因，而非滿云覆蓋條件導(dǎo)致的漏判主要出現(xiàn)在副熱帶遠(yuǎn)海海域。
　　3)對于位于1km以上且擁有足夠大空間結(jié)構(gòu)的暖云，云微物理性質(zhì)是導(dǎo)致CPR漏判的主導(dǎo)因素，不同的DER和COT組合顯著影響CPR云檢測結(jié)果。CPR對暖云DER的探測下限在10μm左右，僅對于擁有更大DER的暖云，COT的影響才逐漸出現(xiàn)并變得顯著。隨著DER的增大，CPR對COT的探測下限隨DER動態(tài)變化，當(dāng)DER增至2

13、0μm時，COT探測下限從12下降到8。
　　4)暖云云參數(shù)對CPR云識別結(jié)果有顯著影響。對于相同CWP的暖云，具有有較大DER和較小COT的暖云與擁有較小DER和較大COT的暖云相比，前者更容易被CPR捕獲。具有完全相同DER和COT的暖云，不同的CPR云檢測結(jié)果可能與云體內(nèi)部云滴尺寸分布差異有關(guān)。具有較大幾何厚度的暖云更有可能產(chǎn)生足夠大的雷達(dá)回波而被CPR捕獲。這是由于隨著云層厚度增加，云內(nèi)云滴尺寸分布的垂直不均勻性增強，導(dǎo)致

14、更高概率產(chǎn)生局部高的雷達(dá)反射率。-23dBZ的雷達(dá)反射率因子Zemax(the maximum radar effective reflectivity factor)為CPR對洋面單層暖云有效識別的保守閾值。
　　5)全球尺度上暖云云水損失率約為0.42，遠(yuǎn)小于由暖云出現(xiàn)頻次計算的漏判率。在地氣長波(LW)和太陽短波(SW)波段，所有類型的CPR漏判暖云的云輻射強迫(CRF)均小于CPR捕獲云。特別是在SW波段，CPR捕獲和總體