《利用卫星反演资料研究西北地区云特性及其对地气系统的影响》由会员分享，可在线阅读，更多相关《利用卫星反演资料研究西北地区云特性及其对地气系统的影响（150页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、兰州大学博士学位论文利用卫星反演资料研究西北地区云特性及其对地气系统的影响姓名：陈勇航申请学位级别：博士专业：大气科学 气象学指导教师：黄建平;陈长和20060601兰州大学研究生学位论文摘要云的存在能改变地球大气系统的辐射收支平衡，对驱动大气环流、调节地球气候和水循环过程起着重要作用。了解云特性的气候学特征和全球变化，并把它们与地气系统的辐射收支和水循环过程相关联对气候和水资源研究是很重要的，而要定量地研究这些问题依赖于从卫星遥感资料中准确反演出云的特性参量。为此，本论文对西北地区云特性参量的时空分布特征、云与气候及水循环过程的关系、云对地气系统的辐射强迫作用进行了研究，并利用M O D I
2、 S 获取的多通道遥感信号，借助辐射传输模式和查算表方法，进行了云特性参数的反演试验。本论文采用目前国际上资料连续性最好、时段最长、定标最完整连贯的一套云气候数据集国际卫星云气候计划I S C C P D 2 资料，以及最新发布的云与地球辐射能量系统C E R E SS S FA q u aM O D I SE d i t i o n1 B 高光谱和高空间分辨率资料，该资料把云参量的反演与同时刻大气层顶的宽带辐射通量匹配了起来，并引进了新的角分布模式，从而使云特性和辐射参量数据具有前所未有的准确性。本论文首次针对西北三个气候区和四个典型地域，对总云和高、中、低云以及1 5 种具体类型云的特性参
3、量进行了分析比较，使得对西北地区云特性的时空分布特征有了比以往更细致深入的了解，充实了我国云参量气候学研究的内容。研究结果表明：月平均总云量、总光学厚度和总云水路径在三个气候区的区域平均值分别为5 2 5 一5 8 3 、2 6 6 6 和4 4 9 7 7 69 m 2 ，亚洲季风影响区及其边缘区域的云水资源最丰富；1 5 种云中，云量最多的是卷云，各区可达2 0 左右。冰雨层云、冰层云和深对流云含水量最丰富，云水路径的区域平均值在4 0 0 8 - -4 3 7 9g m 2 之间；从多年平均空间分布特征来看，水高层云、水雨层云、冰高层云、冰雨层云、卷云、卷层云和深对流云的云量分布形式与总
4、云量、中云云量、总光学厚度和总云水路径的分布形势很相似：高值区位于天山一昆仑山一祁连山一带以及陕南和或陇南地区，低值区在塔里木盆地一内蒙古西部戈壁沙漠一黄土高原西北部一带；从季节变化来看，总云量和绝大多数具体云类云量在春夏季明显多于秋冬季，其中西风带气候区和高原气候区在3 7 月总云量的平均值维持在全年的高值区，而亚洲季风影响区及其边缘区域这个高值区还延伸到8 、9 两月；1 5 年来，各区总云量没有上升，但总光学厚度和总云水路径均呈上升趋势。兰州大学研究生学位论文从以上结果可知，云参量大小具有明显的随地形变化的特点，而且还受到地理位置的影响。为此，选取了西北四个典型地域：亚洲季风影响区及其边
5、缘地区、祁连山区、天山山区和塔克拉玛于沙漠地区，对其云特性参量的季节变化和年变化特征进行了分析比较。结果表明：这四个区域内云量和光学厚度的最大值都出现在夏季，最小值出现在冬季。总地来说，云粒径在夏季最小，冬季最大；云特性参数大小随地域的不同相差相当大，高层云云量年平均值的最大差异在祁连山区和塔克拉玛干沙漠之间，两者相差1 6 4 。而总云量和低层云量年平均值在季风区和塔克拉玛干沙漠地区相差最大，分别可达2 7 6 和1 9 5 ，这两地的低层云和高层云光学厚度年平均值相差分别为8 7 和7 5 。两个山区云的云量和光学厚度大小介于这两地之间。各地季平均水云粒子半径在7 5 1 5 8 9 m
6、，冰云粒子有效直径在3 3 3 5 1 6 p m ，塔克拉玛干沙漠地区最小，季风区的云粒子尺度与之接近，山区相对较大。在对云与气候及水循环过程关系的研究中，对西北三个不同气候区1 5 种不同类型云的云量、云水路径与降水的时空分布关系、云与气温的关系进行了探讨。结果表明：中低云量随着气温的增加而增加，高云量则随着气温的增加而减少，但随着气温的增加云量在三个气候区的变化幅度有所不同，夏季各区气温每增加1 。c ，中低云量约增加0 4 1 8 ，高云量约减少1 3 6 O ：针对8 0 年代以来西北地区增暖增湿的现象提出了新观点：近2 0 年中，高云量在三个气候区都呈明显下降趋势，中低云量之和则呈
7、明显上升趋势，西北地区地气系统中，云量和气温、降水之间可能存在这样一个过程：地面气温的升高，促使地面蒸发加剧，水分循环加快，从而导致中低云量增多而使降水增多，同时高云云量减少，其结果会导致地面气温降低或减缓地面气温的上升。但这一结论只是初步的，还有待利用更多资料进行更深入的研究。本论文还首次针对四个典型地域研究了在A q u a l = J 星下午观测时刻西北地区云辐射强迫的季节变化和年变化特征，并探讨了云特性参量对云辐射强迫的影响，推进了对西北地区云辐射强迫地域性特征的了解。结果表明：云对中国西北地区的辐射收支影响很大，云在四个地区的所有季节都产生净的冷却效应。云的辐射强迫不仅具有显著的季节
8、变化，而且具有显著的地域性变化。一般夏季云净辐射强迫最大，季风区可达一1 5 8 2 w m 2 ，祁连山区和天山山区分别可达一1 2 0 7 w m 2和一1 1 5 2 w m 2 ，塔克拉玛干沙漠地区可达一2 9 0 w m 2 ；一般云净辐射强迫冬季最小，兰州大学研究生学位论文季风区为一7 5 2 w m 2 ，祁连山区和天山山区分别分别为一1 9 5 w m 2 和一2 7 w m 2 ，但塔克拉玛干沙漠地区最小值出现在秋季，为一7 8 w m 2 ；研究结果还表明，云辐射效应随地域的不同，变化相当大，比如云净辐射强迫在同一季节里相差最大时可达1 2 9 w m 2 ，出现在夏季的季
9、风区和塔克拉玛干沙漠之间。从年平均可以看出，云的短波辐射、长波辐射和净辐射效应均在季风区最强，分别达一1 7 1 2 w m 2 、4 8 9w m 2 和一1 2 2 3w 一：在塔克拉玛干沙漠地区最弱，分别为一5 4 7 w m 2 、3 7 3 w m 2 D - 1 7 4w 砰。论文的最后一部分工作是采用A q u a 卫星上M O D I S 获取的观测数据，联合使用O 6 5 一、3 7 5 一、1 1 O 一和1 2 O 一岬四个通道( 对冰雪地表以1 6 1 1 m 取代0 6 5 9 m通道) ，通过建立查算表对白天云的光学厚度、云顶温度、云水路径、水云的云滴半径及冰云的冰
10、晶有效直径进行了反演试验。参照M i n n i se ta 1 ( 1 9 9 3 a ，1 9 9 8 )的方法，首先建立云微物理模式及相应光学特性数据库以提供现实大气中云相态、形状及粒子尺度分布的近似状况；然后利用A d d i n g d o u b l i n g 辐射传输模式模拟云参数对吸收、反射、透射以及发射辐射的影响，并建立查算表；应用查算表时，将模拟的信号与卫星实测信号进行比较，直到在查算表中找到最佳匹配的多通道信号，则从产生这种多通道信号所对应的云模式及其光学特性中得到所要反演的云特性参量。选取祁连山、天山和塔克拉玛干沙漠进行了个例反演试验，把反演结果与C E R E SS
11、 S F 资料相应各参量进行对比，并以S S F 资料为真值计算误差。结果显示，在这三个个例中，祁连山个例的误差最小，除冰云冰晶有效直径对所有像素点的平均相对误差为1 外，其它所有参量的平均相对误差值几乎为零。所有参量的平均绝对误差都在0 1 以下；天山个例的误差也很小，所有参量的平均绝对误差在一0 4 2 0 2 0 之间，相对误差在一O 7 7 0 8 4 ；塔克拉玛干沙漠个例的误差相对最大，所有参量的平均绝对误差在一2 4 6 2 4 1 之间。冰云光学厚度相对误差为8 ，其它所有参量的平均相对误差在一5 1 。总的来看，反演结果与C E R E SS S F 资料中的相应各变量值非常接
12、近，说明本论文提出的四通道联合反演法是可行的。这方面的研究成果在国内尚未见，该方法为亮背景下云特性参量的反演提供了有益的探索，为今后把该方法应用于我国F Y 卫星的云特性参数的反演打下了基础。关键字：云特性，I S C C P ，M O D I S ，辐射强迫，辐射传输模式，卫星反演兰州大学研究生学位论文A B S T R A C TC l o u d sc a r lc h a n g et h er a d i a t i o nb u d g e to ft h eE a r t h a t m o s p h e r i cs y s t e ma n dS Op l a yac r
13、i t i c a lr o l ei nd r i v i n ga t m o s p h e r i cc i r c u l a t i o na n dr e g u l a t i n gt h eE a r t hc l i m a t ea n dt h ew a t e rc y c l ep r o c e s s I ti si m p o r t a n tt ot h er e s e a r c ho fc l i m a t ea n dw a t e rr e s o u r c e st ok n o wt h ec l i m a t o l o g i c
14、 a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dg l o b a lv a r i a b i l i t yo fc l o u dp r o p e r t i e sa n dt ob ea b l et or e l a t et h e mt ot h er a d i a t i o nb u d g e ta n dt h ew a t e rc y c l ep r o c e s s T oq u a n t i t i l ys t u d yt h e s ei s s u e sd e p e n d so na c c u r a t e
15、r e t r i e v a lo fc l o u dp a r a m e t e r sf r o ms a t e l l i t er e m o t es e n s i n gd a t a T h e r e f o r e ，i nt h i st h e s i st h et e m p o r a la n ds p a t i a lc h a r a c t e r i s t i c so fc l o u dp a r a m e t e r s ，t h er e l a t i o nb e t w e e nc l o u d sa n dc l i m
16、 a t ea n dw a t e rc y c l e ，t h ec l o u dr a d i a t i v ee f f e c t so nt h eE a r t h a t m o s p h e r i cs y s t e mo v e rn o r t h w e s t e mC h i n aw e r es t u d i e d ，a n da l s oa ne x p e r i m e n t a ls t u d yo fc l o u dr e t r i e v a lu s i n gt h em u l t i c h a n n e lr e m o t es e n s i n gd a t ao fM O D I Sw i t ht h er a d i a t i o nt r a n s f e rm o d e la n
