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基于FY-4A/AGRI对我国陆地区域云光学厚度与有效粒子半径反演研究

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基于FY-4A/AGRI对我国陆地区域云光学厚度与有效粒子半径反演研究

作者：袁锦涵南京信息工程大学

学位级别：硕士

云覆盖了约60%～70%地球表面,是影响地气系统辐射平衡的重要因素之一。目前云和辐射相互作用的不确定性很大程度上影响气候变化预测和数值天气预报的准确性。然而,人们对云特性的了解仍十分有限。论文利用欧洲中期数值天气预报中心（EC... 详细信息

云覆盖了约60%～70%地球表面,是影响地气系统辐射平衡的重要因素之一。目前云和辐射相互作用的不确定性很大程度上影响气候变化预测和数值天气预报的准确性。然而,人们对云特性的了解仍十分有限。论文利用欧洲中期数值天气预报中心（ECMWF）发展建立的快速辐射传输模式RTTOV,计算并分析FY-4A/AGRI通道2（可见光波段,0.55～0.75μm）和通道5（短波近红外波段,1.58～1.64μm）水云与冰云反射率随云光学厚度COT、有效粒子半径Re、以及太阳-卫星几何角度、以及不同地表反射率的变化情况,进行水云与冰云反射率敏感性分析,构建双通道“云反射率-COT/Re”水云与冰云查算表。基于2020年夏季的一个初生对流云个例,定量分析了对数正态谱和修正Gamma谱两种云滴谱分布对水云光学厚度和有效粒子半径反演的影响,并进行了水云、冰云、混态云整体反演试验,将反演结果与MODIS产品进行对比,评估和验证了FY-4A/AGRI反演结果。结果表明:（1）在可见光波段,对数正态谱和修正Gamma谱分布假设下计算的水云反射率仅有0.1%～2%差异,但在短波近红外波段,采用修正Gamma云滴谱计算的水云反射率比采用对数正态云滴谱计算的水云反射率小8%～16%。不同云滴谱分布假设建立的水云查算表差异显著,会影响水云光学厚度COT和有效粒子半径Re反演结果。（2）个例反演结果表明,不同的云滴谱分布假设对水云Re反演结果产生较大影响。采用对数正态云滴谱反演的水云Re比采用修正Gamma云滴谱反演的Re整体偏大,云滴谱采用对数正态分布假设时,水云的Re集中在9～19μm,而采用修正Gamma分布假设时,Re主要集中在8～15μm。采用两种云滴谱反演的水云COT空间一致性良好,在数值上仅相差-2%～5%。结果证明云滴粒子谱分布假设对云特征量反演会造成不确定性,这一发现为云光学厚度和有效粒子半径反演产品的适用性提供支撑。（3）FY-4A/AGRI反演的整体云参数结果与MOD06＿L2产品表现出良好的空间一致性,云光学厚度和有效粒子半径的概率分布形式也是相似的,但数值上存在一些差异,这一误差是由于两种仪器通道差异与分辨率的不同引起的。虽然误差存在,但FY-4A/AGRI反演的云光学厚度与有效粒子半径结果仍具有一定的使用价值,为相关产品的开发提供参考。

关键词：云滴谱 RTTOV FY-4A 云光学厚度有效粒子半径

基于天空辐射计的云光学厚度和有效粒子半径的反演与分析研究

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基于天空辐射计的云光学厚度和有效粒子半径的反演与分析研究

作者：郭竹琪西安理工大学

学位级别：硕士

云是地面-大气系统中重要的组成部分,对于调节大气热量平衡、水文循环和气候变化具有重要作用。而全球气候模型中云光学厚度和有效粒子半径存在很大的不确定性。因此采用长期连续的观测数据进行云微物理特性的反演、精度验证以及对比分... 详细信息

云是地面-大气系统中重要的组成部分,对于调节大气热量平衡、水文循环和气候变化具有重要作用。而全球气候模型中云光学厚度和有效粒子半径存在很大的不确定性。因此采用长期连续的观测数据进行云微物理特性的反演、精度验证以及对比分析等具有非常重要的意义。目前,由于卫星和飞机等空基设备无法对固定观测点进行长期连续的监测,因此本文使用西安理工大学的地基设备天空辐射计云通道的连续观测数据,结合最优估计法和SBDART模式进行云光学厚度和有效粒子半径的反演,并将反演结果与MODIS卫星和日本气象卫星葵花-8号的云参数产品进行了比对和验证分析,进而统计分析了云微物理参数的变化特征并初步探讨了气溶胶对云微物理参数变化的影响。首先分析了云透射率与云的光学厚度和有效粒子半径之间的关系。本文使用大气辐射传输模式SBDART分别模拟了水云和冰云透射率与云微物理参数的联系。为了精确地确定云光学厚度和云有效粒子半径,选择非吸水波段和吸水波段联合的方法来建立云透射率查算表。通过比较不同波段的查算表,得知云光学厚度对透射率的敏感度比有效粒子半径高,且使用1.02μm和2.2μm两个波长建立的查算表可以更加精确的确定云光学厚度和有效粒子半径。根据云透射率与云微物理参数的关系,采用最优估计法来实现云光学厚度和有效粒子半径的反演。首先需要对仪器进行Langley定标,并再使用仪器观测的辐射量来计算透射率,结合卫星的云参数产品获得测量误差矩阵和先验误差矩阵,最后利用SBDART前向模型不断迭代优化来获得最终的云光学厚度和有效粒子半径。将反演结果进行统计分析发现春夏的云光学厚度均值为9.3和11.4,秋冬的云光学厚度均值为13.3和14.5。云的有效粒子半径的均值一直为10μm左右。通过与卫星云参数产品的季节统计结果进行对比分析发现,单层云的云光学厚度与卫星云参数产品的差值不超过2.1,有效粒子半径的差值不超过1.5μm;而多层云的差值相比略大,因此可得知多层云是引起地基设备反演结果与卫星云参数产品差异的主要原因。将天空辐射计反演结果与MODIS卫星和葵花-8号卫星云参数产品相关性进行分析发现,与MODIS卫星云产品中水云和冰云光学厚度相关系数为0.825和0.789,有效粒子半径的相关系数为0.569和0.648。为了探讨天空辐射计反演结果与葵花-8号卫星云参数产品的相关性,首先讨论单层云与多层云的云光学厚度和有效粒子半径相关性,单层云的相关系数分别为0.998和0.891;多层云的相关系数分别为0.821和0.736。另外,对单层云不同云类型的相关性进行分析发现,深对流云的光学厚度相关系数0.986;层积云的有效粒子半径相关系数为0.943。对多层云不同云类型的分析可知,雨层云的光学厚度相关系数0.979;层积云的有效粒子半径相关系数为0.967。结果表明天空辐射计反演的结果与卫星云产品具有良好的一致性。最后,初步分析了西安地区气溶胶光学参数对云微物理特性的影响。

关键词：云透射率天空辐射计云光学厚度云有效粒子半径

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云中液水含量与云光学厚度的统计关系研究

北京大学学报（自然科学版） 2008年第1期44卷 115-120页

作者：刘晓春毛节泰北京大学物理学院大气科学系北京100871

利用地基双波段微波辐射计积分液水含量资料、由飞机观测资料计算所得的积分液水含量与EOS(earthobserving system)/MODIS(moderate-resolutionimaging spectro-radiometer)云产品的云光学厚度分别进行了相应计算,得到了云光学厚度与液... 详细信息

利用地基双波段微波辐射计积分液水含量资料、由飞机观测资料计算所得的积分液水含量与EOS(earthobserving system)/MODIS(moderate-resolutionimaging spectro-radiometer)云产品的云光学厚度分别进行了相应计算,得到了云光学厚度与液水含量的两关系式。结果发现两组数据的拟合线斜率十分接近,前者关系式比后者更为合理。应用此关系式推算了某时刻的云中液水含量分布,并用于验证MODIS反演的液水路径,发现在层云覆盖下二者有很好的一致性。

关键词： MODIS 云光学厚度地基微波辐射计液水含量

云滴谱分布对FY-4A/AGRI水云光学厚度与有效粒子半径反演的影响

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光学学报 2022年第6期42卷 251-263页

作者：袁锦涵周永波刘玉宝段婧王新南京信息工程大学大气物理学院江苏南京210044 南京信息工程大学精细化区域地球模拟和信息中心江苏南京210044 中国气象局人工影响天气中心北京100081 国家卫星气象中心北京100081

为了定量评估对数正态谱分布假设对水云光学厚度(COT)与有效粒子半径(Re)反演的影响,利用欧洲中期数值天气预报中心建立的RTTOV(Radiative Transfer for TIROS Operational Vertical Sounder)模式,对比模拟了基于对数正态谱和修正Gamma... 详细信息

为了定量评估对数正态谱分布假设对水云光学厚度(COT)与有效粒子半径(Re)反演的影响,利用欧洲中期数值天气预报中心建立的RTTOV(Radiative Transfer for TIROS Operational Vertical Sounder)模式,对比模拟了基于对数正态谱和修正Gamma谱两种云滴谱分布下FY-4A/AGRI(Advanced Geosynchronous Radiation Imager)的第2、5通道液态水云的反射率,分析了这两个谱分布假设条件下水云反射率随COT以及Re的变化特征。在此基础上,建立了两种谱分布条件下的COT和Re查算表,并基于2020年夏季的一个初生对流云个例,定量分析了云滴谱分布类型对云参数反演结果的影响。结果表明,在第2通道,两个云滴谱类型假设下计算的反射率仅有0.1%~2%的差异,但在第5通道,采用修正Gamma云滴谱计算的反射率比采用对数正态云滴谱计算的反射率低10%~20%。反演结果表明,采用对数正态云滴谱反演的有效粒子半径Re比采用修正Gamma云滴谱反演的Re整体偏大,前者反演的Re集中在15~35μm,而后者反演的Re集中在10~30μm。采用两种云滴谱反演的COT的空间一致性良好,相差-2%~5%。

关键词：遥感云滴谱 RTTOV FY-4A 云光学厚度有效粒子半径

利用透射太阳辐射反演云光学厚度及有效粒子半径：方法研究

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自然科学进展 2006年第7期16卷 850-858页

作者：王越吕达仁霍娟中国科学院大气物理研究所中层大气与全球环境探测实验室(LAGEO) 北京100029

提出了一种利用地基观测透射太阳辐射反演层状云光学厚度及有效粒子半径的方法。通过原理分析和详细的数值模拟对该方法的可行性进行了讨论,并给出了反演流程,进行了误差分析。数值模拟采用了与MODIS遥感云原理相同的波长组合(0.75和2.1... 详细信息

提出了一种利用地基观测透射太阳辐射反演层状云光学厚度及有效粒子半径的方法。通过原理分析和详细的数值模拟对该方法的可行性进行了讨论,并给出了反演流程,进行了误差分析。数值模拟采用了与MODIS遥感云原理相同的波长组合(0.75和2.13μm),结果表明,当水云尺度化光学厚度τ′_(0.75)＞1,γ_e＞5μ时,利用0.75和2.13μm的太阳透射值可以反演出该云的光学厚度及有效粒子半径。对于光学较薄的云,由于透射的2.13μm辐射值对于有效粒子半径敏感性变差,该方法不再适用。随着光学厚度的增大,τ′_(0.75)和γ_e的反演误差均单调减小,当τ′_(0.75)≥2以后,τ′_(0.75)和γ_e的误差分别下降到10％和20％以下。结合0.75和1.65μm的太阳透射值也可以反演水云的光学厚度和有效粒子半径。

关键词：太阳透射地基反演云光学厚度云有效粒子半径

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中国地区云光学厚度和云滴有效半径变化趋势

气象科技 2011年第4期39卷 408-416页

作者：段皎刘煜中国气象科学研究院北京100081 民航青岛空管站气象台青岛266108

利用ISCCP最新的D2云气候资料集和MODIS云的资料,给出中国地区云的光学厚度和云滴有效半径的分布特征;分别对季节平均和年平均时间序列进行线性趋势分析,并进行了显著性检验。结果表明:夏季云的光学厚度和有效半径的变化趋势最显著。结... 详细信息

利用ISCCP最新的D2云气候资料集和MODIS云的资料,给出中国地区云的光学厚度和云滴有效半径的分布特征;分别对季节平均和年平均时间序列进行线性趋势分析,并进行了显著性检验。结果表明:夏季云的光学厚度和有效半径的变化趋势最显著。结合云量变化情况,可发现云滴有效半径的变化对云光学厚度的影响可能在夏季最大,也就是说,气溶胶的间接气候效应可能在夏季最强;云量、云光学厚度和云滴有效半径的变化也表明长江以南地区和青藏高原地区可能是气溶胶间接气候效应比较显著的地区。中国地区冰云光学厚度与有效直径的相关具有很强的区域特征,说明冰云的微物理机制比水云更复杂。

关键词： ISCCP 云量云光学厚度云滴有效半径

云光学厚度对华北地区夏季边界层臭氧模拟影响评估

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成都信息工程学院学报 2014年第5期29卷 558-566页

作者：姚石泉王自发李杰成都信息工程学院大气科学学院四川成都610225 中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室北京100029

为评估云光学厚度(CLDOPD)在空气质量数值模式中对边界层臭氧浓度的模拟影响,利用中国科学院大气物理研究所自主研发的嵌套网格空气质量预报模式系统(NAQPMS),对中国华北京津冀地区2013年6月夏季臭氧浓度进行模拟。结果表明:NAQPMS对极... 详细信息

为评估云光学厚度(CLDOPD)在空气质量数值模式中对边界层臭氧浓度的模拟影响,利用中国科学院大气物理研究所自主研发的嵌套网格空气质量预报模式系统(NAQPMS),对中国华北京津冀地区2013年6月夏季臭氧浓度进行模拟。结果表明:NAQPMS对极端对流性天气下的CLDOPD模拟偏低,结合观测数据对CLDOPD进行修正后,边界层臭氧浓度的模拟误差在一定程度上有所减小。此外,除极端性天气外模式对高CLDOPD值情况下的边界层臭氧浓度的模拟能力要优于低值情况。

关键词：大气物理学与大气环境大气环境模拟边界层臭氧嵌套网格空气质量模式系统(NAQPMS) 云光学厚度

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云光学厚度分布型对辐射计算的影响

云光学厚度分布型对辐射计算的影响

ICESat/GLAS回波能量数据的云光学厚度反演

第35届中国气象学会年会

作者：陈逸伦种轲桢傅云飞中国科学技术大学地球和空间科学学院

将卫星反演的云参数格点化会丧失一定的信息从而带来误差。本文从格点内云光学厚度分布型的角度出发,使用SBDART辐射传输模式和MODIS云产品,通过理想实验和实例分析,考察了云光学厚度一定时,不同分布型对辐射强迫计算造成的误差大小。... 详细信息

将卫星反演的云参数格点化会丧失一定的信息从而带来误差。本文从格点内云光学厚度分布型的角度出发,使用SBDART辐射传输模式和MODIS云产品,通过理想实验和实例分析,考察了云光学厚度一定时,不同分布型对辐射强迫计算造成的误差大小。研究结果表明,时空平均对辐射强迫计算的影响与云光学厚度自身的分布型关系密切。两点分布和均匀分布的误差最大,可达10%-20%,而二项分布的相对误差最小,不足5%。云光学厚度在格点内的分布型变化大,并不能简单用正态分布描述。虽然利用对数平均光学厚度可以有效降低格点数据计算辐射强迫的误差,但当格点内光学厚度为双峰分布或是更复杂的分布时,相对误差可达4%,而近似二项分布时,相对误差约为0.5%。我们的结果揭示,以往使用格点平均光学厚度（尤其是直接使用算术平均值）估算辐射强迫的研究或许存在着一定的不确定度,而且不确定度的大小会随着分布型的不同显著变化。未来的格点化产品或许应更充分考虑变量的分布型特征。

关键词： MODIS 辐射传输模式云光学厚度辐射强迫格点化分布型

来源： cnki会议评论

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红外与激光工程 2019年第A1期48卷 132-140页

作者：么嘉棋高小明李国元杨雄丹禄競李参海辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院辽宁阜新123000 自然资源部国土卫星遥感应用中心北京100048

星载激光测高仪能够有效获取地面点的三维坐标信息且具有较高的高程精度,但是在大气传输中激光不可避免会受到云的影响。首先,根据GLAS(Geoscience Laser Altimeter System)地学激光测高系统记录的大气传输过程中的回波能量数据拟合回... 详细信息

星载激光测高仪能够有效获取地面点的三维坐标信息且具有较高的高程精度,但是在大气传输中激光不可避免会受到云的影响。首先,根据GLAS(Geoscience Laser Altimeter System)地学激光测高系统记录的大气传输过程中的回波能量数据拟合回波波形;其次,采用微分零交叉法和Fernald法分别实现了云检测和云光学厚度的反演;最后,利用广东省MODIS (MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer)数据以及北京地区AERONET(Aerosol Robotic Network)地面观测站实测数据进行了验证分析。结果表明:文中方法在激光测高卫星云光学厚度反演上具有较高的可信度,在实际情况下云光学厚度反演误差小于0.1,且云光学厚度小于1时,相对误差远远小于0.01,相关结论对国产卫星激光测高数据质量控制具有参考价值。

关键词：卫星激光测高云检测云光学厚度数据质量控制 GLAS