我国不同云的多源立体观测及云辐射效应研究

Cloud is one of the key factors affecting Earth radiation budget, and cloud radiative forcing imposed upon the climate system differs greatly by cloud regimes. Previous studies mostly focused on two-dimensional spatial distribution of cloud properties and radiative forcing from either ground-based or space-borne measurements. The cloud-radiation interaction, and its feedback on the climate system are poorly understood. We will, in this project, make use of space-borne cloud and radiance data from MODIS, CERES, CLOUDSAT, and CALIPSO, in combination with diverse ground-based measurements (i.e., cloud, boundary layer, aerosol), in order 1) to establish a long-term integrated dataset with regard to aerosol-cloud-radiation across China, in attempt to figure out the tempo-spatial distribution of radiation for low-, middle- and high-level clouds in different region of interests in China; 2) to analyze the long-term trend in various ground-based cloud and radiation measurements. As such, the potential mechanism linking them is expected to be elucidated; 3) to sort out the changes in satellite-derived cloud macro- and micro-physical properties, and the physical mechanism dictating cloud-radiation interaction; 4) to determine the direct radiative forcing induced by springtime above-cloud dust aerosol and summertime smoke aerosol, respectively. All of the above-mentioned planned work on one hand is expected to improve the current prevailing cloud and radiation schemes to some extent; on the other hand, it will probably advance our understanding of cloud-radiation interaction.

云是影响地球能量收支平衡的重要因素，不同类型的云对气候系统产生的辐射强迫存在很大的差异。以往的研究多侧重于云观测的时空分布描述及相应的辐射强迫估算，对云辐射相互作用以及辐射对云的反馈研究较少涉及。本项目拟利用MODIS、CLOUDSAT和CERES等多源卫星云辐射和气溶胶数据，结合地面气象观测数据，重点研究：1）利用多种不同云辐射数据源，构建包含多种地面和卫星数据源的中国地区三维立体云和辐射数据集，分析我国典型区域不同季节高中低等不同云类型条件下的辐射立体时空分布特征；2）地基观测的各种云和辐射特性的变化趋势及两者之间的可能联系机制；3）星载的不同类型云的宏、微观特性变化及其与辐射相互关系，揭示其相互作用物理机制；4）春季的云上沙尘和夏季的云上烟尘气溶胶直接辐射强迫。上述研究可一定程度上减少目前气候模式云或辐射参数化方案的不确定性水平，同时可提升我国在云辐射相互作用领域的科学认知水平。

云是影响气候及气候变化最大不明确性因子，云的宏微观特征地区及全球尺度分布及其辐射效应差异巨大。本项目借助地基天气现象、云雷达、探空和卫星等多源云和辐射观测，结合辐射传输模型，重点研究了中国地区的云立体结构、地面各种辐射长期演变、云的不同垂直结构与辐射相互作用等问题，取得了如下主要创新性成果：1) 构建了我国及周边地区夏季云底、云顶和云垂直结构数据集，给出了云三维时空分布特征，揭示了影响云立体分布的主要热动力影响因子及主要机制；2）针对新一代静止气象卫星，采用面积重叠法和卡尔曼滤波相结合的方式，提出了一种改进的中尺度对流系统云识别追踪算法，揭示我国夏季中尺度对流云时空演变特征及主要驱动因子；3）借助长期地基定时的云和小时辐射观测，揭示1993-2015年期间总辐射的先减后增的非线性变化特征，并指出这种变亮的趋势主要由气溶胶减排密切有关；4）定量评价了秒级高分辨率探空得到的云底高度对于云短波辐射强迫的影响，揭示了耦合卫星云顶和探空云底信息精确估算云短波辐射强迫具有重要研究价值；5）发现华北平原温度日较差呈现快速下降趋势，而同期的低云量和总云量却呈递减趋势，揭示气溶胶增加和日照时数减少可能是导致温度日较差下降的主要原因。上述成果可为云辐射参数化方案改进和减少云气候效应不确定性水平提供重要数据基础和科技支撑，提升人们在云辐射相互作用领域的科学认知水平。