半干旱区冰云物理与辐射特性的研究

Ice clouds have a strong impact on the Earth’s radiative energy budget through their unique macro- and microphysical properties, and thus play an important role in the climate system. However, the representation of ice clouds in climate models continues to be a great challenge, which leads to a large uncertainty in the simulation of current and future climate. Since ice clouds are widely distributed over the semi-arid regions, a study of these clouds and their properties is critically important to understand mid-latitude ice clouds formation, and effects on climate and climate feedbacks. In this project, we propose to carry out a longterm ice cloud observation at the semi-arid region by using highly accurate microwave radar and lidar, retrieve ice cloud macro- and microphysical properties, examine the relationships between ice cloud and large-scale fields, calculate ice cloud radiative forcing, and quantify the effects of ice cloud on the radiative energy budget. Through this project, we will obtain a valuable dataset of ice cloud macro- and microphysical and their impacts on radiative energy budget to constrain climate models and improve the model representation of ice clouds.

冰云由于其自身独特的物理辐射性质，会对地-气辐射能量收支起到特殊而重要的作用，从而对气候变化产生显著影响。然而到目前为止，冰云在气候模式中的正确表征还存在很多问题，给气候预测造成了很大的不确定性。半干旱区是冰云广泛存在的区域，在这一地区开展冰云及其特性的研究，对于认清中纬度冰云的形成原因、特性分布及其对区域气候变化的影响和反馈作用有重要意义。本项目将利用高精度的毫米波雷达与激光雷达，对半干旱区冰云进行观测研究，反演冰云的宏微观物理特性，分析不同物理特性冰云与其小尺度动力特征以及大尺度气象场的关系，计算冰云的大气加热率和辐射强迫值，评估冰云对区域辐射能量收支的贡献。本项目的实施将在我国中纬度半干旱地区获取一批有价值的冰云物理与辐射特性数据，为验证模式模拟冰云特性的准确性，约束和改进模式对冰云的合理表征提供重要依据。

云覆盖了地球面积的三分之二左右，通过对太阳短波的反射和长波辐射的吸收与发射，显著影响了地气系统的辐射收支，同时在全球的水循环中扮演了重要角色。然而云的形成、发展过程由不同尺度复杂的物理过程控制，目前还不能很好的被气候模式所表征，因此云也是导致气候预测存在较大不确定性的重要因子。 通过长期连续的云宏微观物理特性观测反演，是更好的理解云的过程、改进其气候模式参数化表征的重要手段。毫米波云雷达具有波长较短对云滴粒子敏感，能穿透云层探测云垂直结构的优点，本项目利用SACOL站的KAZR云雷达，开展了云特性的长期观测。建立了一种基于双边滤波噪声压缩的云检测新方法，可以有效的降低云雷达信号探测的误检率和漏检率，识别到更多的弱信号云层，在此基础上结合ERA再分析资料提供的大气温度廓线，利用经验公式区分识别了冰云，进而对冰云的云底、云高、冰云的垂直发生频率，雷达反射率因子与退偏比廓线分布等宏观特性进行了统计，发现西北地区冰云主要发生的地表以上7.2 km，发生频率可以达到41.6%，并利用K-mean方法对冰云进行了分类，发现了不同类冰云对应气象场条件之间的显著不同；结合3方法反演了冰水含量（IWC）和有效粒径（Dge）等冰云微物理特性，结果表明不同算法的冰水含量相差不大, 均呈现单峰型分布，概率密度最大处的IWC集中在0.1 mg/m3左右, 而Dge的分布呈现较大差异, 造成了大气层顶的短波辐射通量模拟的偏差，并与CERES观测进行了对比，验证了不同方法得到结果的可靠性；选取了温度、最小不稳定度、垂直速度、相对湿度四个动力和热力气象因子，通过EOF方法压缩为一个变量并得到其主要模态，发现第一模态很好的解释了有云条件下各个气象要素的变化，冰云各种物理辐射特性和第一模态的相关系数能够达到-0.95以上；同时分析了美国地处中纬度的ARM 主站点SGP 观测站，云雷达观测的冰云物理特性，并与SACOL站进行了对比，发现两个站冰云具有一致的季节变化特征，但SGP卷云的发生频率相对较小。