基于多角度偏振卫星资料水云云滴谱高精度反演研究

Cloud droplet size distribution include cloud effective radius and effective variance, which are key input parameters in climate studies and weather forecast. The retrieval of cloud droplet size distribution using polarized multi-angle measurement can provide large area size distribution estimates which ground-based observations cannot supply, on the other hand, it is the unique way that can provide complete size distribution including the effective variance of droplets which traditional optical methods can not apply. Currently, large uncertainties still exist in the operational algorithm and restrict the wide application of the retrievals for its coarse spatial resolution and the absence of the estimation for clouds with effective radius larger than 15 μm. Based on the Mie theory and RT3 vector radiative transfer model, this study aims to seek the optimum retrieval grid, quantify the bias introduced by the horizontal homogeneous assumption of clouds and analyze the sensitivity studies of primary rainbow. The findings will be used to improve the resolution and the retrieval of large droplets, therefore to develop a new high-accuracy model for retrieval of cloud size distribution. Finally, our new retrieval model will be validated using multi-source cloud measurements.

云滴谱包含云滴有效半径和有效方差，是气候研究和气象预报中的重要输入参数。从多角度偏振卫星资料反演云滴谱一方面弥补传统的地基站点观测数据的不足，而且能得到传统光学遥感无法提供的云滴有效方差的信息。然而，目前的反演空间分辨率低且缺失有效半径>15μm的云滴信息，导致算法具有很大的不确定性，难以满足实际应用的需求。本研究基于Mie散射和RT3矢量辐射传输模式，通过估算最优分辨率、评价云水平均匀假设的误差及分析主虹对大云滴反演的敏感性，得出提升反演分辨率和获取大云滴信息的改进方案，重新构建云滴谱的高精度反演模型。最后通过多源验证方式对新模型的精度进行评价。

多角度偏振对地观测仪（POLDER）为全球尺度的云分析能够提供独特的云滴谱（cloud droplet size distribution, CDSD）观测数据，包括云滴半径（CDR）和有效方差（EV）。然而，使用现有的POLDER云滴谱算法反演的云滴数据在气候研究的应用中仍存空间分辨率较低（150km）和对大的云滴（CDR>15µm）高估等不确定性。在这项研究中，我们提出了一个基于主虹的云滴谱反演新方法（primary cloudbow retrieval, PCR），PCR采用了主虹（primary cloudbow）和多余虹（supernumerary cloudbow）的组合观测，不同于传统方法仅采用多余虹的观测，这一改进使得携带对大云滴（CDR>15µm）敏感的主虹信息参与到反演当中，同时主虹的加入允许CDR和EV的反演在更精细的网格上实施，从而提升反演空间分辨率。利用POLDER数据的反演测试表明，当云场均匀时PCR算法在不同的波段表现出高度的一致; 当云场不均匀时CDR的反演结果对散射角范围和网格大小敏感，相应的不确定性小于1µm。此外，根据反演网格大小与总的成功反演网格数量的关系，针对PCR算法推荐的空间分辨率范围为40-60 km。利用2008年2月、5月、8月和11月POLDER观测数据，在全球尺度上对PCR云滴谱反演结果和官方反演产品进行了验证，结果表明当CDR<15μm时，PCR的反演结果与官方产品一致性很好。我们的分析表明，官方产品中大多数被认为窄谱大云滴的反演结果实为宽谱小云滴。此外，PCR算法将CDR和EV的可反演范围从5-20μm和0.01-0.1扩展为3-25μm和0.01-0.29，并且将空间分辨率从150km提高到40-60km。