利用主被动卫星资料反演层积云特性垂直分布的新方法

Stratocumulus cloud may severely affect earth energy balance and climate change due to their microphysical, macrophysical properties and the distributions of these properties. However, because of the limitation of observational techniques in the past, it is very hard to obtain the vertical distributions of the microphysical properties for stratocumulus clouds. In this investigation, the vertical distributions of this type cloud properties will be retrieved by collocated active and passive satellite data and an adiabatic cloud model. First, we will correct the vertical profile of attenuated backscatter signal for water clouds by the transient response function of space-based lidar. Then, the profiles of extinction coefficient, mean effective radius at cloud top and number concentration of stratocumulus cloud may be retrieved by combining the adiabatic cloud model, lidar equation, cloud optical depth from MODIS, layer-integrated depolarization ratio from CALIPSO and the cloud base height obtained from the attenuated backscatter signal of water clouds. The nighttime water cloud optical properties derived in this study is a valuable supplement to daytime retrieval results based on passive remote sensing of scattered sunlight,and can provide additional information about cloud properties such day-night variations.These studies will enhance our ability about cloud studies and provide us the new scientific basis for improving our understanding for the impact of cloud on the climate change.

层积云对地球辐射能量收支和气候的影响非常重要。这种影响不但依赖于它们的宏观和微观特性而且也和它们特性的垂直分布密切相关。然而，过去由于探测手段等的限制，很难得到全球性层积云特性的垂直分布且所得云信息也非常有限。本项目拟利用美国A-Train卫星集群中部分主、被动遥感仪器的协同观测，在绝热云模式的限制下，对层积云特性的垂直分布进行有效反演。我们首先将对层积云的星载激光雷达信号进行订正，然后通过校正后的信号进一步反演雷达无法穿透的水云云底高度，并利用绝热云模式、云层积分退偏比、激光雷达方程以及MODIS光学厚度等信息对水云的消光系数廓线、云顶平均有效粒子半径和粒子数浓度实施反演。新方法得到的夜间云特性能为白天的被动遥感结果提供有价值的辅助信息，并为云特性昼夜变化研究提供很好的补充。该项目的实施将丰富我国在云特性反演方面的研究内容，并为进一步加深我们对云在气候变化作用中的理解提供必要的研究基础。

云是地-气候系统最重要的调节因子之一，它能严重地影响地球的辐射收支平衡，水循环过程及大尺度环流场。然而，由于目前我们对云物理过程的理解还相对匮乏，使得云仍然是气候预测和天气预报中最不确定的因子。而层积云作为地球上覆盖面积较广的云类型之一，其对地气系统的影响尤为重要。这种低层云对气候变化的影响不仅取决于它的微观特性，而且也和它的宏观特征密切相关。因此，通过结合卫星及地面的主、被动遥感技术合理、有效、准确地反演和研究这种云类型的各种特性为我们深入的理解并掌握云在气候变化中的作用具有很重要的意义。本项目结合主、被动遥感方式的优点，先后开展了以下几个方面的研究内容：（1）发展了一套反演不透明层积云云底高度的新算法。该反演算法具有较高的精度（相关系数为0.79），而且还能适用于夜间的反演，因此可以作为目前其他白天云底高度反演算法的良好补充，并被广泛的用于未来被动卫星云底高度反演算法的开发；（2）分析并研究了典型区域云层有效粒子半径、液态水含量等特性的垂直分布特征；结果表明：降水云的有效粒子半径随高度上升具有明显的递减趋势，而非降水云则存在较弱的增加趋势。这种云层垂直方向上的结构变化对降水有直接影响，是评估人工增雨潜力的重要依据。（3）分析了层积云与不同云类型的重叠共生频率、并进一步量化了云重叠的辐射贡献率，最后基于云类型重叠的卫星观测数据评估了目前气候模式中的云重叠假设方案。研究表明：高云重叠高积云和高云重叠层云/层积云的多层云系统具有最明显的辐射贡献，而随机重叠假设将低估南半球40度以南海域的总云量。我们建议考虑随机重叠和最小重叠的线性组合来进一步改进该地区云量的参数化方案。（4）量化了单层云和多层云的云辐射强迫和加热率的差异。数据显示：单层云（多层云）在大气层顶、地面以及大气内的净云辐射强迫分别为：-60.8 W/m2（-40.9 W/m2），-67.5 W/m2（-49.6 W/m2）和6.6 W/m2（8.7 W/m2）。而单层云和多层云的净云辐射加热率的差异主要集中在对流层7.5 km以下，并且均为负值。本项目中关于云重叠特征、辐射效应和加热率的分析和研究将会进一步对天气和气候模式中云重叠参数化方案，地气辐射收支平衡及降水模拟的改进提供重要的观测依据，对云气候学的发展具有重要意义。