基于光谱/被动微波观测结果的全球洋面云水含量反演及分布特征研究

cloud liquid water path (LWP) is important to radiative forcing of clouds, as well as precipitation formation and development. At now, by satellite observations, the knowledge about global LWP distribution characteristics is not enough due to the limitations from observations of single sensor as well as algorithms. Along with the collection of synthetical measurements for advanced satellite sensors, it becomes possible to further investigate global LWP distribution on different temporal and spatial scales for different clouds, including warm, mixed-phase and cold clouds, and its relationship to various parameters with respect to cloud process. In this project, based on the simultaneous spectral and passive microwave observations from MODIS and AMSR-E onboard Aqua, a new LWP retrieval algorithm and corresponding multi-year product for global ocean will be developed. Using this LWP product, the characteristics of global LWP distributions and variations on different temporal and spatial scales for different type of cloud systems will be described, and the relationship between LWP and other variables, concerning cloud dynamics and thermodynamics, will be discussed. This study, by supplying a LWP algorithm and corresponding retrieval product to reveal the global LWP distribution characteristics over ocean on various temporal and spatial scales, is helpful to improve cloud and precipitation frames in models, and evaluate the radiative forcing of clouds, in turn understand cloud feedbacks in the climate system.

垂直积分的云水含量（LWP）与云的辐射强迫效应，以及降水的形成和发展紧密联系。由于单一仪器观测及相应反演算法的局限性，导致我们对其时空分布特征认识不足，这也是造成目前云对气候反馈机制不确定性的主要原因之一。而随着卫星搭载更多先进仪器综合探测结果的积累，为我们深入认识全球各种类型云（暖云、混合云及冷云）的LWP时空变化特征、及与相关影响因素之间关系提供了可能。本项目将基于Aqua卫星搭载的光谱（MODIS）和被动微波(AMSR-E）仪器的同步探测结果，建立一套适用于全球洋面各类云的LWP反演算法，并获得相应的多年LWP产品；利用该LWP产品分析全球不同云型LWP的时空分布特征及区域性差异，并研究它们与大气热/动力学等相关参数之间关系。本项目的研究结果将得到一套LWP反演算法和相应反演产品，并揭示全球LWP的时空分布特征及差异，这将有助于评估和改进模式中的云参数化方案、及准确描述云的辐射特性。

垂直积分的云水含量（LWP）与云的辐射强迫效应，以及降水的形成和发展紧密联系。但目前单一仪器观测及反演算法的局限性，导致我们对其时空分布特征认识不足，进而造成目前云-气候相互作用机理的不确定性。本项目基于Aqua卫星搭载的光谱（MODIS）和被动微波（AMSR-E）仪器的同步探测结果，开发了一套基于二者匹配融合后的综合数据，适用于全球洋面不同云型的LWP反演算法；并建立了相应的LWP产品；基于该产品，开展了不同类型云的LWP时空分布特征，以及其他一些相关应用研究。本项目所取得的重要结果和关键数据如下：（1）建立了同一卫星光谱及被动微波同步探测综合数据集：对Aqua卫星MODIS和AMSR-E数据进行匹配融合，并进行相应环境参数反演，获得一套AMSR-E像素分辨率的多年逐轨数据集，该数据集包括有多通道微波亮温、云识别结果、云量、云顶温度、有效半径、光学厚度、海温、风速和水汽等变量。该数据集不仅是本项目LWP反演的基础，也可用于研究环境参数和云参数的时空变化特征。（2）建立了综合MODIS和AMSR-E观测结果的LWP反演算法及相应LWP产品：以以往一个基于微波的LWP反演框架为基础，利用MODIS的云参数结果，通过云下晴空亮温计算、云识别和云顶温度确定等方面改进，克服了已有算法的一些误差来源，从而实现对LWP的更精确反演。在此基础上，建立了本项目的另一关键数据--逐日逐轨像素级的LWP二级产品，以及月平均格点化的三级产品。与已有其他产品的比较表明，除较为一致的数值和分布特征外，该产品的中低纬降水云，以及中高纬的非降水云结果更为合理。因此在将来必将具有更加广泛的应用价值。（3）该LWP产品的一些应用分析研究：基于该LWP产品，我们研究了不同类型云的时空分布特征、降水发生时的LWP阈值确定、MODIS漏测的混合云LWP的统计特征，以及多种LWP产品之间不确定性等问题，这将有助于更好地把握LWP变化特点、改进模式云和降水参数化方案、降低辐射强迫计算误差等，进而更好地理解云-气候反馈机制。