中国上空云的侧边界光学特征及其影响因素的研究

Study of the optical properties near the cloud boundary, acknowledging the contribution of clouds on radiation budget of the earth-atmosphere system, is very important. But the optical features near the cloud lateral boundary have not been fully understood, nor that did its relationship with radiative forcing and cloud physical processes also not receive sufficient attention. This project would use the high temporal-spatial resolution observation from spaceborne lidar, to research the optical features and the temporal- spatial variation characteristics near cloud boundaries of different types and different phases and different regions. This project would analyze the relationship of optical features and meteorological factors, the dynamical and thermal impact on physical processes near cloud boundary, so as to reveal the physical mechanism effecting on optical features. This project would preliminarily study the similarities and differences of cloud boundary and cloud body, based on the comparison of optical features and radiative properties. This project aims to provide scientific basis for further understanding of physical processes and radiative properties of clouds.

研究云侧边界附近的光学特征，对于认识云对地气系统辐射收支的贡献具有重要意义。但目前对云的侧边界附近的光学特征还缺乏充分了解，也缺乏对它与辐射强迫、云物理过程之间关系的整体认识。本项目拟利用星载激光雷达CALIOP的高时空分辨率观测资料，探讨不同类型、不同相态、不同区域的云的侧边界的光学特征及其时空变化规律；分析云侧边界的光学性质与气象因子的关系，研究大气动力、热力等因子对云边界物理过程的作用，进而探讨云侧边界的演变规律，初步阐释影响云侧边界光学特征的物理过程；通过云侧边界和云内部的对比，揭示二者在光学性质和辐射性质方面的异同。本项目旨在为深入认识云的物理过程和辐射性质提供科学依据。

被气溶胶包围着的云的边界附近存在光学性质急剧变化的过渡区。这一现象在不同区域、不同高度、不同类型、不同光照的云边界附近均有发现，具有全球普遍意义。对上述光学现象的进一步研究，主要集中在对形成此光学现象的微物理机制以及由此光学现象引发的辐射强迫。但不同观测仪器、不同观测环境、不同研究方法给出的光学性质变化幅度和过渡区域的水平范围有较大差异，且此前的研究多着眼于靠近云的气溶胶光学性质的变化。本项目研究着重开展云边界附近的光学特征和物理性质、云边界性质的物理机制和气候效应等两方面研究，旨在明确云侧边界附近的性质、结构及其演变并初步揭示云粒子在侧边界附近的变化机制以及侧边界附近的辐射效应。本项目主要采用星载双波长偏振Mie散射激光雷达CALIOP提供的高分辨率探测资料，以此为基础获得了中国上空云的侧边界激光雷达观测资料集，适于研究云边界稀薄结构。本项目研究确认了后向散射系数、退偏振率、典型冰晶粒子比例等参量在卷云侧边界表现出过渡特征，过渡带宽度随温度升高而变窄、随风速增大而变宽，推测过渡带成因可能受卷云侧边界的物质交换和相态变化影响，过渡带光学特征不仅由粒子数密度变化引起，也与粒子自身性质变化有关。这一结果为进一步研究卷云辐射强迫和演变机理提供了基础，与辐射模型相结合将深化对云辐射平衡的认识。本项目通过普查云垂直结构和出现频率，揭示了多层云出现的时空特征，积累了多层云分布和性质的全球观测资料集，初步探讨了中国上空云分布的昼夜变化、季节变化和区域差异及其影响因子，尤其是高原大地形和夏季对流的影响。这一结果与云侧边界相结合，将有助于评估云侧边界性质在地气系统中的辐射效应和辐射强迫的观测水平。本项目还利用CALIOP观测资料开展了对流层顶及其附近云参数的研究。部分研究成果已发表在Journal of Meteorological Research、Advances in Meteorology等国内外期刊。