蒙古高原冰云遥感反演及冰云对气候变化的影响研究

Ice Clouds (IC) that regularly cover about 30-40% of Earth surface, have been identified as one of the key observation targets in the study of the atmospheric radiation budget and cloud-climate feedback mechanism. In this study, we analyzed the characteristics of the climate change in Mongolian plateau using MODIS satellite remote sensing data during 2000 to 2010 by developing the ice cloud retrieval technique. First, we downloaded the MODIS satellite data with a resolution of 500 m for the year 2000-2010 in Mongolian Plateau. Then, we developed the new IC scattering database for MODIS satellite sensor using Lisas-GOA (Nakajima et al. 1997), SIEMM and IGOM methods. For optimizing the suitable grid system of complex refractive index, we estimated the difference of calculated radiance at different refraction data bins in 1.6-μm channel of the MODIS that is used for estimating both of the cloud droplet size and snow grain size. RSTAR radative transfer code was used for the calculations. For retrieving the IC microphysical parameters such as cloud optical thickness, particle radius, and cloud top temperature in Mongolian Plateau, we improved the IC properties inversion algorithm using optimized light scattering properties database. Furthermore, we evaluated the calculated IC microphysical parameters using active remote sensing data of CloudSat and CALIPSO. Finally, we analyzed the IC on the impacts of climate change in Mongolian plateau.

冰云对全球的能量收支可以产生巨大影响，其辐射强迫作用是导致气候变化的重要驱动因子。最近的研究指出，冰云与辐射相互作用是气候变化研究中最不确定的因素之一。本项研究发展蒙古高原冰云的反演技术，分析蒙古高原近年来气候变化的特征，为蒙古高原今后的气候变化的预测提供科学的依据。通过近十年蒙古高原地区MODIS卫星数据，建立500m分辨率的卫星数据库。研究冰云粒子的电磁波散射理论，开发GOA，Lisas-SIEMM，IGOM的组合非球形粒子的电磁波散射计算方法，建立完整的6角柱形冰云单粒子散射属性数据集， 并根据MODIS的通道（Channels）特征进行散射数据库的最优化处理。利用建立的最优化散射属性数据集和冰云遥感反演算法，从MODIS卫星数据库反演蒙古高原地区近十年冰云的光学厚度，粒子半径大小，云顶温度等微物理参数。最后，通过验证的MODIS反演的冰云参数分析蒙古高原地区的冰云对气候变化的影响。

冰云中冰晶粒子的单次光散射计算是冰云辐射传输及云微物理参数反演的重要基础。利用不同尺度大小和电磁波波长的球形和六角形冰晶的单次散射数据，结合RSTAR辐射传输模式来定量分析了冰云环境下不同形状的冰晶模型对计算卫星观测的辐射和地表光通量中的影响。结果显示利用不同形状的冰晶模块来计算的卫星观测的辐射，地表向下辐射通量明显不同。. 进而利用六角柱冰晶散射模型和辐射传输模式建立冰云参数反演查找表（LUT）构建了冰云微物理参数反演算法。结合2006-2015年MODIS的资料、高程数据、同期降水和气温数据，采用ISCCP云分类、回归分析等地学统计分析方法，对蒙古高原云量的时空分布变化及其与高程、降水量、气温之间的相关关系进行了分析。结果表明：①蒙古高原总云的组成中50%以上为高云；在10年平均结果中总云云量在30%以上的像元主要分布在蒙古国北部和内蒙古中东部地区，其中高云、中云和低云云量在20%以上的像元较少；月均云量季节性与周期性变化规律明显。②在年尺度上，总云与高云呈增加趋势；在季节尺度上，夏季和秋季的总云与高云呈增加趋势，春季和冬季的总云与高云则呈减少趋势。③10年平均云量中，总云聚集在海拔600-1600m处，约在20%-32%之间；高云云量约在11%-22%之间，遍布整个蒙古高原；中云和低云聚集处云量约7%以下。④春季、夏季和秋季总云与降水量呈显著正相关，与气温呈负相关。夏季和秋季高云与降水量呈显著正相关，与气温呈负相关。.