基于云微物理和光学特性的暖云降水卫星反演研究

暖云降水作为中低纬地区重要的降水形式，具有极高的发生频率，其伴随的能量交换对边界层热力环境的影响不容小视。然而传统红外和微波降水算法均无法准确识别暖云降水，这对客观描述全球降水气候构成了严重障碍。本研究通过对星载云雷达降水资料和成像光谱仪同步云参数资料的综合分析，揭示非降水暖云与降水性暖云在各宏观和微观性质上的典型差异。借助云雷达高灵敏度对降水强度的细致划分，探索暖云降水形成和发展过程中所伴随的云微物理和光学属性的变化规律，认识云顶部浅层云滴谱垂直结构对降水几率和近地表降水强度的指示意义。在此基础上，综合考虑内部微物理要素和外部环境因素对暖云降水过程的影响，设计更合理的参数化模型，并最终发展一套全新的云参数型暖云降水反演算法。新算法源于对云微物理过程的深入理解并且针对暖云目标，将是对现有卫星降水反演体系的有益补充，相关研究成果也会为未来建立我国FY-4卫星新一代实时降水监测系统提供参考。

目前在轨的气象卫星平台搭载了主动和被动式的多种云和降水遥感设备，包括TRMM卫星的Ku波段雷达（PR）和A-Train卫星系列的W波段雷达（CPR），以及覆盖可见光至微波段的多部辐射计（可见光/红外扫描仪VIRS、中分辨成像光谱仪MODIS、微波成像仪TMI、微波扫描辐射计AMSRE等）。准同步观测的主被动探测资料，为揭示降水云团的空间结构特征及其微物理特性提供了方便，也为发展基于短波可获取云参数的降水反演算法提供了可能。按照既定的方案，本研究分别利用TRMM卫星和A-Train卫星系列上多仪器的匹配资料，针对云团尺度反演、降水云微物理性质及降水识别算法开展了一系列研究，取得了以下成果。1）建立了一套TRMM卫星平台多仪器主被动观测资料的快速融合方案，特别是针对粗分辨率TMI微波亮温的空间重叠特征，利用移动二次曲面拟合技术形成局部连续数据，在测雨雷达像素阵列上生成了匹配融合资料，对比结果显示融合资料与原始资料高度一致。2）针对低轨卫星扫描式观测资料对云团的截断及其造成的尺度低估问题，提出了以目标面积比为核心的目标尺度估计新方案，明确了目标面积比等效半径（MER）概念并完善了其计算方案，利用数值模拟证明了新方案对截断情形下尺度低估的抑制作用，并利用MODIS真实云检测资料证实了MER在中尺度云系尺度估计中显著偏小的负偏差。3）基于统计分析证明了云顶红外通道亮温在降水云识别中的独特价值，特别是对弱降水探测率的大幅提高。在此基础上，利用对云层光学厚度、云滴有效半径、云顶温度三个独立参数的降水云识别能力的评估分析，建立了一套高效的三维查表型降水云判别方案框架，可以保证尽可能多地引入实测样本，并在三维高密度云参数相空间实现快速的降水判别。4）研究过程中，针对所使用卫星资料本身的质量控制方面也有新的发现，揭示了PR降水资料在长时间尺度上的不连续性，量化了CPR在洋面暖云探测中的失效比例。上述研究工作基本实现了项目的既定目标，为更系统地认识暖云宏观和微观物理性质及暖云降水过程提供了新的观测证据，基于以上成果发表SCI论文5篇和中文核心论文1篇。另外，研究还发现云滴有效半径多通道反演差异中的大量噪音仍不能有效剔除，导致其无法与云顶微物理性质浅层垂直结构直接建立关联，对该信息的深入理解和将其纳入暖云降水反演算法有待进一步的研究工作。