多种卫星遥感云水路径的比较研究

发布时间：2020-06-03 01:37

【摘要】：云水对全球水汽循环和能量平衡都具有重要意义,基于卫星遥感结果来进行反演是获取全球尺度云水路径(液态水柱积分总量,LWP)的最主要方式。对于星载被动仪器观测而言,又可分为微波和可见光/近红外两种LWP反演方法。因此比较研究不同方法反演得到的LWP异同具有重要意义。本研究采用了三套卫星遥感的洋面LWP数据进行对比分析,分别为:利用Wang等人的算法基于微波扫描辐射计AMSR-E亮温数据反演得到的LWPM、美国遥感系统实验室(RSS)同样基于AMSR-E微波亮温数据反演的标准产品LWPR,以及基于中分辨率成像光谱仪MODIS观测结果的可见光/近红外方法反演的LWPv。经统计分析,取得如下结论:晴空亮温是LWPM反演方法中重要的输入量,故我们首先选择了 AMSR-E四个具有代表性的通道,分析其晴空亮温的空间分布特征及变化规律。这4个通道分别为:对海温敏感的10.6GHz垂直通道、对风速敏感的10.6GHz水平通道、对水汽敏感的23.8GHz垂直通道和主要用于反演LWPM的36.5GHz水平通道。四个通道的晴空亮温都表现出在赤道太平洋和暖池以及印度洋上有高值集中,且随着纬度升高平均晴空亮温逐渐降低的分布特征。晴空亮温随时间的变化趋势方面,四个通道都表现为先下降后回升,10.6GHz的两个通道的相关系数非常高,23.8GHz和36.5GHz的两个通道相关系数也相当高,均达0.9以上。但较低的两个通道与较高的两个通道之间相关系数则较低,说明不同通道的晴空亮温对不同环境变量的响应程度不同。每个通道的晴空亮温基本都表现出北半球夏季平均值最高,冬季平均值最小,春秋两季的均值较接近的特点,结合EOF分析结果可知季节变化是引起晴空亮温变化的重要因素。接下来,我们对基于同一微波仪器的反演产品LWPM和LWPR进行比较,发现二者在全球洋面有相似的分布特征,都表现为在太平洋赤道,暖池及印度洋上的高值集中,与水汽的全球分布特征相似。但全球洋面平均LWPR 比LWPM低0.05kg/m2,且LWPR较低的区域主要集中在热带赤道和太平洋暖池等降水多发地区。这是由于LWPR的反演算法中,将降水云的LWP阈值设定为0.1 8kg/m2,且通过经验函数来反演降水云的LWPR,因此造成在降水多发地区对LWPR的低估。移除降水云样本后,LWPM减去LWPR在全球洋面的平均差值变为-0.01 kg/m2,二者展现出了较高的一致性,而这种细微的差异有可能是由于LWPR反演过程中对云温的简化计算以及在低纬地区剔除了云水含量较高的非降水云样本所带来的误差。另外LWPR在赤道和暖池地区仍表现为LWPM高于LWPR,这可能是由于该地区较常出现LWP超过0.18kg/m2的非降水云却被RSS采用的Wentz算法判定为降水云,从而导致非降水云的平均LWPR在赤道辐合带和暖池地区的低估。考虑到Wang等的反演算法能直接反演降水云的LWPM,同时采用红外波段探测的云温作为有效辐射温度,在一定程度上减小了这两种误差,因此理论上LWPM更接近真实值。此外,我们还研究了两种微波反演的LWP在描述ENSO事件对全球云水路径分布上影响,结果表明LWPM在厄尔尼诺和拉尼娜时期表现出更明显的差异。进一步地,我们对观测结果和反演方法完全不同的MODIS的LWPv产品和LWPM进行比较,通过分别选取四类样本:所有云,非降水云,暖云和非降水暖云,全面地对比分析了微波和可见光/近红外两种不同方法反演结果的差异。对于所有云样本,平均LWPv低于LWPM,其主要原因有两点:一是由于当云层顶部被冰粒子覆盖,MODIS就无法反演出云冰以下云水,这部分样本LWPv的缺失拉低了LWPv的平均值;二是由于MODIS的垂直均匀假设会对降水云的LWP造成低估。而当移除降水云样本后,LWPv均值低于LWPM的区域范围缩小,只集中在对流发展较为旺盛的太平洋暖池和赤道附近,而其他洋面区域均表现为平均LWPv高于LWPM。说明在符合绝热分层假设的云出现频率高的区域,LWPv又表现为高估。对于暖云,当包含降水云样本时,在赤道附近地区的平均LWPM高于LWPv,其他地区的平均LWPV则普遍高于LWPM。而对于非降水暖云,平均LWPM高于LWPv的区域范围进一步缩小,除了太平洋东部的少部分洋面以外,几乎所有洋面的LWPv的平均值都高于LWPM。说明对同一暖云样本,在没有冰云和降水云的影响下,MODIS的LWPV的反演结果存在高估,这是由于部分非降水云的云水垂直分布不符合MODIS反演算法中的垂直均匀假设,上层液滴粒径大于下层云的有效粒子半径,故MODIS只利用云顶附近的液滴信息来估计整层云体的有效粒子半径,会造成结果的高估。最后,针对MODIS由于云顶有冰云的存在而无法反演出LWPv有效值的水云样本,我们利用LWPM来估计其漏测的LWPMISS统计特征。结果表明,这部分云样本占全球所有探测样本11.2%,其出现频率的分布与冰云一致,都表现为在赤道和暖池以及印度尼西亚海域的出现频率较高,且这些区域的平均LWPMISS也较高。此外,LWPMISS与云顶温度CTT和冰水路径IWP的关系表明,CTT越低,一般对应更高的LWPMISS,但当CTT下降至223K时,水云样本丢失的发生频率已达到最大,接近70%;IWP越高,丢失水云样本的频率单调递增,且LWPMISS也逐步增加。对于所有MODIS缺测云水的样本而言,在CTT处于205-235 K并且IWP处于0.02-0.06 kg/m2范围内时,云水漏测的发生频率最大。此外,我们还利用辐射传输模式SBDART模拟了这部分漏测的LWPMISS对全球辐射平衡计算带来的影响,发现MODIS丢失的这部分水云样本应该给地气系统起到冷却作用,其平均辐射强迫为-198.8 W/m2。
【图文】：

对２００２年７月至２０１１年９月的四个通道的晴空亮温做季节平均，图３．２分逡逑别表示了邋１０．６邋ＧＨｚ垂直和水平，２３．８ＧＨｚ垂直以及３６．５ＧＨｚ水平通道的晴空亮逡逑温四季的逐年变化趋势，由图３．２（ａ）和图３．２（ｂ）对比可知，１０．６ＧＨｚ两个通道晴空逡逑亮温逐年的变化趋势非常一致，都表现为先下降后回升的趋势，且２００８年北半逡逑球春季出现了一个极高值。而图３．２（ｃ）２３．８ＧＨｚ垂直通道和图３．２（ｄ）３６．５ＧＨｚ水平逡逑通道的变化趋势与１０．６ＧＨｚ的趋势也比较接近，２００８年ＭＡＮ的高值也都能体逡逑现。另外每个通道的晴空亮温基本都表现出北半球夏季（ＪＪＡ）平均值最高，冬逡逑季（ＤＪＦ）平均值最小，春秋两季（ＭＡＮ和ＳＯＮ）的分布较接近的特点。说明逡逑季节变化可能是引起晴空亮温变化的因素之一。逡逑３．０邋－ｎ逦邋逦邋１０．６ＧＨｚ邋Ｖ逦？－逦２３．８ＧＨｚ邋Ｖ逡逑＿逦ｆ邋？逦１０．６ＧＨｚ邋Ｈ邋＾逦３６．５ＧＨｚ邋Ｈ逡逑＾邋２０邋￣邋，邋Ｉ逦Ｑ逡逑＞逦：》逦§逦＾逦１逦？逦．．邋Ｅ邋ｉｈ逡逑１邋0邋－邋＼邋ｉＶ邋＾邋ｆ邋ｉ逦Ｈ逦？邋Ｍｒ：邋，逡逑

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【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P407

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本文编号：2694091