利用主被动卫星资料研究海洋边界层云的微物理性质及辐射效应

Marine boundary layer (MBL) clouds permanently cover a quarter of the Earth’s surface all year round and contribute much to the albedo of the Earth-Atmosphere system. Mainly driven by large-scale dynamic/thermodynamic conditions and local boundary processes, MBL clouds have intensive small-scale variabilities and complicated mesoscale structures, in which interactions among cloud, precipitation and surface frequently occur. However, investigations on MBL clouds are thus far concentrated in ground-based experiments, leading to limited knowledge about microphysical properties of global MBL clouds and their total radiative effects. In this study, measurements from spaceborne active and passive sensors are used to explore spatiotemporal variations, microphysical features and radiative effects of MBL clouds across global oceans. The study would focus on spatial distributions of occurrence frequencies and cloud parameters of MBL clouds on the planetary scale. Special attentions would be paid to the variations of microphysical properties and precipitation characteristics associated with the structural evolvement of MBL clouds. In addition, the radiative effects of MBL clouds would be in particular considered and their sensitivities on microphysics and morphology of MBL cloud systems would be examined, which is necessary to evaluate the contribution of global MBL clouds as an ensemble to radiative energy budget of the Earth-Atmosphere system. The relevant results would help recognize in depth the characteristics of MBL cloud variations. These observation evidences would also be very instructive for numerical simulation studies dedicated to cloud-climate feedback regimes.

海洋边界层云常年覆盖近1/4的地表面积，是对地气系统反照率有最大贡献的一类云系。受控于大尺度热动力条件和局地边界层过程，海洋边界层云具有强烈的小尺度变化和复杂的中尺度结构，其发展变化集中体现了云和降水及下垫面之间的相互作用。然而到目前对海洋边界层云的研究多还限于地基观测试验，对于全球尺度海洋边界层云微物理特性及总体辐射效应还缺乏系统认识。本研究拟利用当前在轨卫星平台上最先进的主被动探测资料，研究海洋边界层云的宏观分布、微物理特征及辐射强迫效应。揭示海洋边界层云发生频率和云参数的全球尺度时空变化规律，认识其自组织结构演化过程中所伴随的云微物理性质及降水的变化特征。明确海洋边界层云辐射强迫效应对其微物理性质和宏观形态结构的敏感性，揭示海洋边界层云整体对地气系统辐射收支的影响。研究结果有助于从观测角度深入理解海洋边界层云的发展变化规律，也会为针对云气候反馈机制的数值模拟研究提供参考。

边界层云作为低云属中的特殊一类，在洋面上分布极广，是副热带洋面上最重要的云型，对地气系统短波反照率具有显著影响。与自由大气中动力过程主导的中高空云系不同，海洋边界层云的发展变化与微物理过程及下垫面作用密切相关。相关观测研究非常有限，多来自于岛屿或航行试验，对全球尺度海洋边界层云的微物理特性及辐射效应缺乏系统认识。. 本项目利用CloudSat、CALIPSO和Aqua等极轨卫星遥感探测数据，基于长期资料的统计分析，针对全球尺度洋面边界层云的时空分布、微物理特性及相关辐射效应等问题开展了针对性的研究工作，取得了以下几方面的成果。1）分析了CPR、CALIOP及MODIS三种高分辨率资料云检测结果差异，系统评估了星载测云雷达的洋面暖云检测能力，建立了基于多源资料的海洋边界层云识别方案，获取了海洋边界层云的发生频率特征及其全球分布规律；2）研究了海洋边界层云发生频率的时空分布与热动力等环境要素的相关，评估了多重因素在决定海洋边界层云发生频率及云参数时空分布中的贡献；3）基于AMSRE和MODIS云水资料，研究了多源探测的差异信息对云团垂直结构的指示作用，分析了降水和非降水状态下海洋边界层云微物理垂直结构的模型化特征；4）分析了多个类型海洋边界层云的辐射特性，结合海洋边界层云全球尺度发生频率的统计结果，从卫星观测角度评估了海洋边界层云在地气系统辐射收支中的作用。以上研究成果有助于深入理解洋面低空云系的生消机制及其降水过程，也为针对云气候反馈机制的数值模拟研究提供了有益的参考。. 项目在执行期内基本完成了既定目标，相关研究成果发表SCI期刊论文5篇、中文核心期刊论文2篇、国际会议论文3篇，依托该研究项目培养博士1人、硕士3人。