基于CPR和MODIS资料的洋面非降水暖云微物理参数垂直结构研究

论文摘要

本文利用CloudSat卫星搭载的云廓线雷达(Cloud Profiling Radar,CPR)2007至2009三年观测资料,针对洋面非降水暖云有效廓线样本,分别对积云(Cu)、层云(St)、层积云(Sc)和高积云(Ac)等四类云型,分析了其在全球尺度的水平分布特征,并在此基础上特别考察了非降水暖云液相水含量(Liquid Water Content,LWC)和云滴有效半径(Droplet Effective Radius,DER)的垂直变化特性。研究发现洋面非降水暖云中四类云型的样本占比,从高至低依次为层积云76.46%、层云12.48%、积云7.45%、高积云3.61%,层积云在非降水暖云的总覆盖面积中占据主导作用。在样本量全球标准化后,四类云型的空间分布形式也存在较大差异,层积云与层云主要集中于北美和南美大陆西侧近岸海域,积云与高积云则广泛分布于太平洋、大西洋和印度洋的洋面上且高值位于大洋中部。尽管四类云型的生消机制和宏观形态存在很大差异,但不同云型LWC呈现出较为相似的垂直结构。对经几何厚度标准化的LWC廓线进行比较,发现四类暖云中,LWC由云底到云顶一致呈现为先增后减的规律,递增结构与递减结构的厚度大致相当。云体中下部向上近似线性递增的结构基本反映了LWC的准绝热增长特性,而云体上部及云顶附近的向上递减结构明确反映了云顶普遍受到上空干空气侵入混合的强烈影响,由此导致了自云顶向下逐层衰减的云水蒸发。以云高和云厚两个参数分类的廓线统计结果还显示,LWC垂直结构同时受到云顶高度和云层几何厚度的影响。云层几何厚度增大时,LWC由云底到云中的递增结构变厚,由云中到云顶的递减结构变薄。几何厚度相同但云顶高度不同的云层,云内LWC结构相似但云水含量呈现差异。LWC数值的高低也会影响其垂直结构。云内LWC偏高时,LWC由云底到云中递增结构的递增速率变大,由云中到云顶递减结构的递减速率也变大。云内LWC偏低时,LWC垂直结构更容易受到湍流所致垂直非均匀蒸发的影响,LWC相对平滑的增减结构会变为波折型的复杂结构。这些结果表明对于特定云型,在其生成及发展过程中,不同阶段所对应的LWC廓线结构很可能存在明显差异。DER的垂直结构与LWC结构十分相似,在光学维度下,经光学厚度标准化的DER廓线也同样呈现出由云底到云顶先增后减的规律。通过以CPR的DER廓线资料为真值,与Aqua卫星中分辨成像光谱仪(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)MAC资料DER反演结果进行了对比,发现尽管三个近红外探测通道1.6μm、2.1μm、3.7μm所反演的DER普遍偏高,但三波段反演值所共同反映的DER简化垂直结构与CPR的DER廓线结构基本一致。另外,以CPR廓线中不同光学深度处DER为真值,模拟了三个近红外通道对云层的光学穿透深度(Optical Penetrating Depth,OPD)及其相应DER的反演偏差。研究结果显示3.7μm哗波段对云层的光学穿透深度最小,仅为2.59。2.1μm和1.6μm的光学穿透深度十分接近,分别为10.57和10.76。MODIS的DER反演偏差也受到云体几何厚度的影响,尤其是3.7μm哗波段,其DER偏差随云体几何厚度的变大而明显减小。不同云型三波段光学穿透深度和DER反演偏差情况也有所不同。1.6μm和2.1μm波段的光学穿透深度由大到小依次为层云、积云、层积云和高积云,对应的穿透深度数值也非常接近,其中层云的反演偏差最小。3.7μm波段的穿透程度由深到浅依次为高积云(2.85)、积云(2.71)、层积云(2.67)和层云(2.59),其中层积云的反演偏差最小。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 尉钧博

导师: 刘奇

关键词: 非降水云,暖云类型,液相云水含量,云滴有效半径,垂直结构,光学穿透深度

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学

单位: 中国科学技术大学

分类号: P407

总页数: 77

文件大小: 6293K

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