不同冰晶散射模型对冰云参数反演及地表短波辐射估算的影响

发布时间：2020-10-12 08:37

　　 云在全球能量和水循环中起着重要的作用,是地-气系统不可缺少的组成部分。从全球尺度来看,云量及云光学、微物理特性的一些细微的变化都可能会对气候系统产生显著的影响。因此云的时空分布特征、云光学和微物理特性的研究对云辐射特性的准确估算以及对地表辐射收支及气候变化的可能影响的研究具有重要意义。利用卫星遥感技术可以获取云的时空分布特征,同时结合大气辐射传输理论可以反演云光学和微物理特性参数。然而,云参数的遥感反演中冰云和多层云的反演精度还存在很大的不确定性,导致后续估算地表太阳辐射收支出现误差。本文利用2016年12月-2017年11月期间的Himawari-8二级云光学和微物理参数(光学厚度,粒子有效半径等)产品,提取了Himawari-8全盘范围内冰云和多层云参数,分析其时空分布特征。通过分析得知2016年12月-2017年11月冰云与多层云云量由大到小依次为夏季、冬季、春季、秋季。冰云出现频率在10oN~10oS范围内最高,大部分区域可达45%以上,赤道附近多层云出现频率最高,大部分区域在25%-35%之间。为把握不同的冰晶散射模型对单层冰云和双层云参数反演以及对地表短波辐射估算的影响,引入RSTAR辐射传输模式分析了冰晶散射模型,卫星观测辐亮度和地表短波辐射对不同云参数、太阳天顶角以及卫星观测角等的敏感性。在此基础上根据CALIPSO观测到的双层云叠盖情况,采用构建查找表法(LUT)估算了不同相态和冰晶散射模型组合的双层云对云参数反演以及估算地表短波辐射带来的误差,得出如下主要结论:(1)在假设为单层冰云情况下,不同云相态计算的大气顶辐亮度随太阳天顶角的增加呈减少趋势,地表短波辐射则呈急速减少趋势而随着地表反照率的增加呈增加趋势;不同冰晶模型计算的大气顶辐亮度随太阳天顶角的增加呈减少趋势,而随卫星天顶角的增加呈上升趋势,地表短波辐射随太阳天顶角的增加呈急速减少趋势;不同有效粒子半径的水云计算的辐亮度随光学厚度的增加呈增加趋势,地表短波辐射则呈减少趋势。(2)在假设为双层云情况下,对于卫星观测到的相同大气顶辐亮度:冰晶散射模型为椭球形时,反演得到的水云与冰云光学厚度差值较小,从而计算的地表短波辐射差值也较小,相对误差为1.91%;而冰晶散射模型为六角柱时反演得到的水云与冰云光学厚度差异非常大,当辐亮度值为214.1 W/m2.μm.sr时,相对误差最大值为56.31%。探讨不同冰晶散射模型对云参数反演与地表短波太阳辐射估算的影响以及准确把握双层云所导致的反演误差有助于加深我们对云在全球气候变化作用中的理解,并对提高或改进利用卫星反演云参数算法提供参考依据。
【学位单位】：内蒙古师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P422;P407
【部分图文】：

图 2-1 立体角示意图射源在某一方向上单位立体角内的辐射通量，单播方向垂直的单位时间、单位面积、单位立体角 m2 sr1 μm1。照率 确定介质辐射特性的基本物理量之一，它表示为ω =

云监测部分算法进行了更新[27]，但由于冰云微物理特性的差异使得其反演产以比较，例如 Collection5 和 Collection6。4.2.1 双层云叠盖情况过去由于地基观测资料的稀缺及星载被动遥感方式的局限性，我们很难得垂直重叠的分布特征。由美国国家宇航局（NASA）发射升空的承载在 CloudS星上的毫米波云廓线雷达 (CPR)[98]和承载在CALIPSO卫星上的云—气溶胶偏振激光雷达(CALIOP)[81]，可以从太空探测云和气溶胶的垂直结构。图 4图 4-6 为利用 CALIPSO 获得的 2017 年 6 月 27 日 UTC 时间为 19:59-20:13 32nm 处的总体消光后向散射图与冰水相态图，从图中可以看出 10-15Km 高冰云，0Km 附近为水云。可见双层云在大气中常以冰云叠盖在水云之上的出现，因此本文在利用辐射传输模式模拟时，根据实际情况设置了云层叠盖。

图 4-6 冰水相态图图 4-7 为利用辐射传输模式模拟时双层云叠盖情况设置示意图。胡斯勒图究表明不同形状冰晶组成的卷云辐射传输的模拟不仅对仿真卫星观测的辐有参考意义，对地表辐射通量的精确计算也有重要意义[59]。在很多地表辐量的模拟中，冰云粒子用球形的冰晶模型计算。然而，不同形状的冰晶模型的地表辐射通量之间有明显的差别，产生这些差别的原因是不同形状冰晶的称因子不同而产生的。因此，正确把握卷云中粒子的形状对精确计算地表辐量非常重要。文本在 RSTAR 辐射传输模式中选用下层水云为水滴模型，上云分为为六角柱与椭球冰晶模型进行模拟。
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本文编号：2837911