华北地区三维云结构特征遥感和三维云场构建方法研究

Distribution of cloud is complicated and non-uniform, both in the horizontal and vertical structure. The non-uniform property of cloud is an important and necessary aspect need to be resolved for the researches about interaction between cloud and radiation as well as parameterization in the global climate model.This application intends to analyze the vertical structure properties of six typical non-precipitation cloud types (high-level cloud, As, Ac, Sc, Cu and deep convective cloud) using the CloudSat cloud products from SEP 2006 to AUG 2011 over North China.Ground-based cloud detection (such as radar, all-sky imager) can observe horizontal features of cloud in detail. Using the radiative transfer model and interpolating method, this application will study a method to create 3D cloud fields using ground-based and space-based cloud data through performing quasi-synchronous observation. Works of this application help to further understand the structure features and spatial-temporal distribution of cloud over North China. It will support more cloud information for global climate model research as well as cloud and radiation research. The method and technology of creating 3D non-homogeneous cloud fields over North China (Beijing) can later be extended to other representative sites which can achieve more advanced and realistic cloud field structures.

云的分布是复杂的，无论是在水平方向还是垂直方向都是非均匀的，云的三维非均匀问题是研究云与辐射相互作用及其参数化必需考虑的前沿科学问题。本申请拟运用卫星CloudSat 2006年9月至2011年8月近5年的云产品数据，统计华北地区6类典型云场三维垂直结构特征（高云、高积云、高层云、层积云、积云和深对流云）；运用申请人所在实验室已具备的多个地基云探测设备，联合开展天、地基云探测实验获取更详细的云场结构（垂直与水平）特征，并以此为基础，借助辐射传输数值模拟及插值手段研究构建三维逼近真实云场方法。通过开展工作，将进一步了解华北地区典型云场的结构特征和时空分布特征，为气候模式研究、云与辐射相关关系等研究提供数据基础；在华北（北京）所建立的典型三维非均匀云场构建方法与技术，也可于以后在更大规模上推广到全国代表性地点以实现更为先进与符合实际的云场结构模式。

云的三维非均匀问题是研究云与辐射相互作用及其参数化必需考虑的前沿科学问题。但是由于三维云物理问题的复杂性和实际缺乏观测资料，目前对实际三维云场全面而准确的刻画较为困难。本研究项目以华北地区云为主要分析对象，运用卫星雷达云探测(A-TRAIN 系列CloudSat和CALIPSO卫星）数据，结合地基云探测数据，通过开展天地基云垂直结构资料分析和比对，研究并获取华北地区典型云场的宏微观三维结构气候分布特征。特别地，研究发现卷云粒子大小与温度有线性相关关系，这些工作为华北地区天气与气候模式云参数化提供参考。基于统计分析获得的研究经验，建立了运用卫星雷达探测数据来构建三维云场的方法。应用该方法可根据雷达探测数据建立接近真实的不同云型的三维云场数据，并可进一步应用于三维辐射传输模式中。本项目自2013年1月起执行至今，科研工作按计划有序、稳步开展并完成了科研目标。通过研究工作实现了对华北地区云宏微观三维特性的进一步了解，同时实现了一个构建三维云场的新方法。这些工作对分析云在地气辐射强迫中的作用，研究地区天气与气候变化过程及机理有帮助。在华北地区开展的研究工作，可推广至更大范围，将对发展和改善全球天气与气候模式中云参数化及过程的描述、对提高天气气候预报可靠性有意义。