某高原地區(qū)不同云類型對(duì)輻射的影響

第第⑶、由于以上兩種效應(yīng)的作用，使云頂以下大氣的垂直減溫率減小，從而使這部分大氣層結(jié)變得穩(wěn)定。云對(duì)地氣系統(tǒng)發(fā)射的紅外輻射有溫室效應(yīng)。云的紅外輻射特性使云底以下氣溫升高、云頂附近氣溫降低、云中大氣的垂直遞減率增大，使得大氣不穩(wěn)定化，云頂高度的增高使云向空氣放射的紅外輻射的有效溫度減低，使云的溫室效應(yīng)增強(qiáng)?？傊茖?duì)輻射的吸收、透射和自身發(fā)射的紅外輻射在控制由地球大氣發(fā)射出的紅外輻射和入射至地球的太陽輻射上具有很重要的作用，是控制著地球上各種天氣以及氣候變化的重要因子之一，同時(shí)云也決定著地表增溫冷卻、地面輻射收支、地表能量平衡等，云對(duì)地氣系統(tǒng)的能量變化也起著重要的調(diào)節(jié)作用。因此研究云對(duì)太陽輻射和地面輻射收支的作用有著重要意義。云由不同的類型組成，這些云類型受制于不同的大氣狀態(tài)和過程，具有不同的宏觀和微觀特性，因此會(huì)產(chǎn)生截然不同的輻射效應(yīng)和降水類型[14-16]。如：卷云和層積云會(huì)對(duì)大氣分別產(chǎn)生加熱和冷卻的凈效應(yīng)[17-18]。層狀云和積狀云分別產(chǎn)生持續(xù)性和陣性降水[19-21]。因此，為了深入研究云物理過程，評(píng)估氣候模式中云物理參數(shù)化方案并進(jìn)一步改進(jìn)氣候模式預(yù)測精度，就需要我們通過不同的觀測平臺(tái)對(duì)云的類型進(jìn)行觀測和研究。1.2某高原地區(qū)對(duì)大氣的影響某高原約占中國陸地而積的四分之一，平均海拔在4000m以上，約達(dá)到對(duì)流層高度的1/3,被稱為世界屋脊.某高原東西長約3000km，接近大氣長波的半波長尺度;南北寬1000多公里，相當(dāng)于大氣長波的振幅.某高原的熱力作用對(duì)我國東部和南部、亞洲地區(qū)乃至全球的氣候變化和災(zāi)害性天氣氣候的形成都產(chǎn)生著重大的影響，太陽輻射加熱作為高原熱力作用的重要方面，其分布及變化規(guī)律的研究對(duì)我國氣候及災(zāi)害性天氣的研究有著重要的意義。同時(shí)，某高原地區(qū)作為我國太陽輻射能分布的高值區(qū)，太陽能利用有著廣闊的前途。某高原地區(qū)的地表熱狀況對(duì)研究高原熱力效應(yīng)和氣候變化有重要作用。研究表明，某高原夏季是熱源、冬季是冷源，某高原夏季抬高熱力作用對(duì)東亞乃至全球氣候有重要影響。定量表征某高原熱狀況一直以來以是研究的熱點(diǎn)問題，太陽輻射是地球大氣中各種現(xiàn)象和所有物理過程的基本源動(dòng)力，也是表征某高原熱狀況的一個(gè)重要分量。因而，近年來，高原地區(qū)輻射變化及能量分配特征越來越受到關(guān)注。某高原作為世界的第三極，對(duì)氣候變化尤為敏感[22]。高原上雪山及冰川融水是亞洲著名江河（如：長江，黃河，印度河等）的重要源泉，因此某高原也被譽(yù)為“亞洲水塔”[23-24]。已有研究表明，某高原的動(dòng)力和熱力作用對(duì)全球氣候、亞洲季風(fēng)和大氣環(huán)流等有重要影響，而某高原地區(qū)的云系統(tǒng)則是聯(lián)系各種局地天氣乃至全球氣候各子系統(tǒng)的紐帶[25-27]。然而，由于長期以來只有地面目測得到的低云量和總云量資料，這種觀測方式本身由于云的多變性而存在很大的局限，加上某高原地區(qū)站點(diǎn)稀少，地形復(fù)雜，使得即使很常規(guī)的目測云資料也非常缺乏，資料的缺少嚴(yán)重制約了某高原地區(qū)地區(qū)云的研究。隨著國際衛(wèi)星技術(shù)以及云反演技術(shù)的發(fā)展。為能夠比較系統(tǒng)地研究某高原地區(qū)不同類型云的時(shí)空分布特征提供了可參考的觀測事實(shí)。云的時(shí)空分布特征提供了可參考的觀測事實(shí)。雖然很多人對(duì)某高原地區(qū)的云已做了不少很有意義的研究[28-32]，但是研究方向主要是從總云量的角度進(jìn)行分析，個(gè)別的研究涉及到高、中、低云量，但針對(duì)具體不同類型的云進(jìn)行系統(tǒng)性研究的尚未見。本文通過用不同類型的云進(jìn)行比較分析，對(duì)輻射與不同云類型的關(guān)系進(jìn)行了初步研究。第二章數(shù)據(jù)與分析2.1數(shù)據(jù)2.1.1Cloudsat衛(wèi)星C1oudSat衛(wèi)星與同時(shí)發(fā)射的CALIPSO衛(wèi)星同屬“A-TRAIN”衛(wèi)星編隊(duì)，C1oudSat衛(wèi)星的軌道高度為705.438km，C1oudSat上的毫米波測云雷達(dá)(CPR)其跨軌分辨率為1.4km，沿軌分辨率為2.5km，垂直分辨率為0.25km。C1oudSat衛(wèi)星搭載的是一臺(tái)94GHz沿星下點(diǎn)垂直探測毫米波云廓線雷達(dá)(CPR)，其星下點(diǎn)水平觀測半徑約為2.5km(沿飛行軌道方向)x1.4km(垂直于軌道方向)，垂直方向分辨率約為240m。C1oudSat衛(wèi)星的成功發(fā)射首次提供云特征的全球觀測，這些云特征對(duì)理解云對(duì)天氣和氣候的影響非常重要。通過空基遙感技術(shù)，C1oudSat衛(wèi)星使得觀測云有了重大進(jìn)步，它可以給出云的垂直結(jié)構(gòu)(從云底到云頂)、定量估算云內(nèi)部液態(tài)水和冰水的含量、定量估計(jì)可以產(chǎn)生降水云的百分比、可以通過觀測為基礎(chǔ)來評(píng)估云對(duì)大氣熱量的垂直分布的貢獻(xiàn)程度，以及估算出大氣凝結(jié)產(chǎn)生降水的效率。2.1.22B-CLDCLASS-LIDAR數(shù)據(jù)產(chǎn)品C1oudSat衛(wèi)星產(chǎn)品是在數(shù)據(jù)處理中心DPC(DataProcessingCenter)進(jìn)行加工和產(chǎn)品制作的，該數(shù)據(jù)處理中心隸屬科羅拉多州立大學(xué)的大氣研究合作研究所CIRA(CooperativeInstituteforResearchintheAtmosphere）。在沿軌道飛行的過程中，C1oudSat衛(wèi)星將探測到的原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺蚋鞯孛绹哲娦l(wèi)星控制網(wǎng)的地面接收站。地面接收站將接收到的數(shù)據(jù)傳送到位于美國新墨西哥州的阿爾伯克基，在此將對(duì)所接收到的原始探測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。經(jīng)過質(zhì)量控制檢測后，數(shù)據(jù)通過Internet傳輸?shù)轿挥诳屏_拉多的C1oudSat衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理中心，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)加工之后，從而得到各種C1oudSat監(jiān)測產(chǎn)品。一般來說，6周后經(jīng)過DPC制作的產(chǎn)品會(huì)對(duì)用戶釋放。本文選用的是標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品中數(shù)據(jù)產(chǎn)品能夠提供的數(shù)據(jù)包括云層數(shù)、云頂高度、云底高度、云類型以及降水識(shí)別等參數(shù)，其最多可將云分為10層，這里的云頂高度、云底高度均是相對(duì)于平均海平面的高度。2B-CLDCLASS產(chǎn)品是利用降水是否出現(xiàn)、水平和垂直云特征、MODIS輻射數(shù)據(jù)、云體溫度來確定云的分類信息，分類的主要依據(jù)是根據(jù)形狀、滴譜分析、云相態(tài)和水凝物濃度這四個(gè)基本因子。目前已能判斷St,Sc,Cu,Ns,Ac,As、深對(duì)流云和高云等8種基本云型的反演方法和指標(biāo)。本文使用數(shù)據(jù)產(chǎn)品（1.0版本）提供的云類型包括高云（High），高層云（As），高積云（Ac），層云（St），層積云（Sc），積云（Cu），雨層云（Ns）和深對(duì)流（Dc）云。高云類型包括卷云，卷積云和卷層云。在云層識(shí)別方面，相比MODIS等被動(dòng)遙感設(shè)備，該數(shù)據(jù)集具有更高的精度和垂直分辨率，尤其是對(duì)光學(xué)厚度較小的薄卷云的正確識(shí)別。多種數(shù)據(jù)結(jié)合應(yīng)用使云參數(shù)及云類型判定更為精確，尤其是借助CALIPSO衛(wèi)星搭載的雙波段偏振激光雷達(dá)(CALIOP)數(shù)據(jù)，使云層高度尤其是云頂高度探測精度得到提高，同時(shí)在云相態(tài)識(shí)別方面也得到了改進(jìn)。衛(wèi)星云分類原理是基于不同云的光譜特性、形態(tài)結(jié)構(gòu)和物理相態(tài)等特征的衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。2B-CLDCLASS-LIDAR算法利用了云水平與垂直特征、是否有降水、云層溫度以及MODIS觀測到向上的輻亮度等數(shù)據(jù)將云層分為高云、高積云、高層云、層云、層積云、雨層云、積云與深對(duì)流云8類，其中高云包括：卷云、卷層云和卷積云。簡單流程如下:首先通過云雷達(dá)和激光雷達(dá)的信號(hào)判斷是否有云簇存在，并確定其水平和垂直位置。當(dāng)相鄰云層其垂直結(jié)構(gòu)相似時(shí)歸為同一個(gè)云簇，即允許云簇的水平不連續(xù)性。云簇確定后，云高、云層溫度和最大雷達(dá)發(fā)射率因子Ze以及是否產(chǎn)生降水等參量隨即確定。再將云簇的平均特征參數(shù)如云頂高度的水平均一性，激光雷達(dá)和云雷達(dá)的最強(qiáng)信號(hào)和其他參量一并輸入模糊邏輯判別算法中。通過計(jì)算每一類云的可信度，取輸出結(jié)果中置信度最高的云類型作為最終結(jié)果。2.1.32B-CLDCLASS-LIDAR數(shù)據(jù)產(chǎn)品2B-FLXHR產(chǎn)品利用云中冰相和液相含水量、地面反射率數(shù)據(jù)以及ECWMF再分析資料的大氣狀態(tài)變量值三種數(shù)據(jù)，反演每個(gè)雷達(dá)剖面上的加熱率和大氣長波輻射通量。在大氣不連續(xù)面上計(jì)算向上和向下長波和短波通量，并且利用這些通量求得到相應(yīng)的加熱率。反演算法的核心是采用寬頻、雙向、呈水平面的雙倍遞增的輻射傳輸模式。模式在十二個(gè)長波輻射通道中采用常半球方程，而在六個(gè)短波通道中采用了三角埃丁頓方程。利用大氣狀態(tài)變量和云中液相和冰相含水量，計(jì)算在譜帶分辨率下的光學(xué)特征的垂直剖面。這些光學(xué)特性被用于描述在每個(gè)平面上的傳輸(T)、輻射源(ε)反射(R）和反射(R）特征。根據(jù)相互作用原理，利用T、ε和R，便可以計(jì)算得到在每個(gè)表面上的寬頻輻射通量。在計(jì)算每個(gè)平面表面的發(fā)射或吸收總通量的基礎(chǔ)上，得到每個(gè)平面上的輻射加熱率。最后，通過寬帶通量和加熱率一起求得2B-FLXHR產(chǎn)品的譜分解和光譜分辨率。本文選用的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品中的2B-FLXHR-LIDAR可以提供輻射通量和加熱率。2.2圖形分析2.2.1云類型介紹本文使用Cloudsat中2B-CLDCLASS-LIDAR數(shù)據(jù)產(chǎn)品提供的云類型包括高云（High），高層云（As），高積云（Ac），層云（St），層積云（Sc），積云（Cu），雨層云（Ns）和深對(duì)流云（Dc）。高云類型包括卷云，卷積云和卷層云。（1）高云（High）：高云形成于6000m以上的高空，對(duì)流層較冷的部份。分三屬，都是卷云類的。在這個(gè)高度上的水都會(huì)凝固結(jié)晶，所以高云都是由冰晶體所組成的。（2）高積云（Ac）：高積云主要存在于約2500-4500米的高空中，屬于中云族。高積云是由微小的水滴或者由過冷水滴與冰晶混合組成。每當(dāng)光線透過較薄的高積云時(shí)，常常能夠觀測到由于高積云內(nèi)部的微小水滴或冰晶對(duì)光的衍射而產(chǎn)生的內(nèi)藍(lán)外紅的光環(huán)，又稱為華。高積云是由于在高空逆溫層的下面，使得冷空氣達(dá)到飽和狀態(tài)而形成的。比較穩(wěn)定，云體不厚，很少變化，預(yù)示晴天。如果高積云的厚度繼續(xù)增厚，并且逐漸融合成層，預(yù)示天氣將會(huì)發(fā)生變化，甚至?xí)霈F(xiàn)降水。（3）層云（St）：云底到地面的高度常在2000米以下，屬于低云族。云體均勻成層，呈灰白色或灰色，和霧相似，但是不接地，經(jīng)常會(huì)籠罩山體和高層建筑。層云是由直徑5-30μm的水滴或者過冷水滴組成。層云厚度一般在400-500米之間。為水云。由于夜間降溫，或者潮濕氣流流入，或者大雨后蒸發(fā)，大氣的下層潮濕陰冷時(shí)能夠形成層云。太陽升起后地面加熱后霧也能成為層云。薄的層云一般在天亮后，或者在白天里逐漸消散。冬季在反氣旋和逆溫的情況下層云也可以維持?jǐn)?shù)日。（4）層積云（Sc）：云底離地面的高度常在2000米以下，屬于低云族。它的組成成分是直徑為5-40μm的水滴。而在冬季出現(xiàn)的層積云中也可能由冰晶、雪花組成。層積云在大多數(shù)情況下，是由于空氣的亂流混合作用和波狀運(yùn)動(dòng)使水汽凝結(jié)而形成。有時(shí)可由強(qiáng)烈的輻射冷卻而形成。（5）積云（Cu）：積云的云底高度一般在600-2000m。積云由水滴組成，但有時(shí)可伴有冰晶，它主要是由空氣

對(duì)流上升冷卻使水汽發(fā)生凝結(jié)而形成的。（6）雨層云（Ns）：云底離地面的高度常在2000米以下的云。屬于低云族。常伴有連續(xù)性降雨(雪)，或者布滿雨（雪）幡，云底很亂，無固定形狀。云層較厚，下部多由小水滴構(gòu)成，中部由冰晶和小水滴構(gòu)成，上部則是冰晶區(qū)。多數(shù)為冰水混合組成的混合云。云頂常達(dá)到6000米以上。雨層云籠罩在空中，意味著（7）深對(duì)流云（Dc）：由于動(dòng)力原因或熱力原因的原因，在不穩(wěn)定的大氣層內(nèi)產(chǎn)生對(duì)流而形成的積狀云。其中動(dòng)力對(duì)流形成的云體往往為長條狀分布，一天中任何時(shí)刻均可以出現(xiàn)，而由熱力對(duì)流形成的云體分散孤立，具有明顯的日變化。深對(duì)流云在熱量傳輸、熱帶對(duì)流層和同溫層的水汽交換有很重要的作用。深對(duì)流云對(duì)水汽的垂直輸送是平流層水汽的重要來源之一。（8）高層云（As）：高層云大約在2500-4500m的高度上，由冰晶、雪花、水滴混合組成。高層云主要在中緯度地區(qū)出現(xiàn)。它的出現(xiàn)表示該地區(qū)有上升的空氣。在天氣比較冷的月份里，高層云的出現(xiàn)預(yù)示著移動(dòng)的氣旋將會(huì)到達(dá)，形成長期固定的降雪或降水。夏季，高層云與風(fēng)暴或熱帶氣旋有關(guān)。高層云常由卷層云變厚或雨層云變薄而成。2.2.2春季不同云類型與輻射分析圖一某高原地區(qū)加權(quán)平均云輻射效應(yīng)（春季）圖一a、b和c中，黑色柱表示某高原地區(qū)在天頂處（TOA)、地表(Surface）和大氣內(nèi)部（ATM）每種云類型的云輻射效應(yīng)。折線為各種云當(dāng)季占所有云的權(quán)重。本文將層云（St）和層積云（Sc）歸在一類作圖。CRE值為高云（High），高層云（As），高積云（Ac），層云（St），層積云（Sc），積云（Cu），雨層云（Ns）和深對(duì)流云（Dc）的CRE總和。通過組合所有單層和多層云系統(tǒng)，多層云在天頂處和在表面上的全球平均CRE總和分別約為-103.1W/㎡和-118.8W/㎡。在TOA和從地表處上，所有多層云系在全球平均CRE總和中分別貢獻(xiàn)約為40.1％（-41.3W/㎡）和42.3％（-50.2W/㎡）[33]。由此可見，單層云在輻射能量平衡方面有很重要的作用。春季,在天頂處和地表處，St/Sc和Cu及Ns的云輻射效應(yīng)相差無幾，高云（High）、高積云（Ac）和深對(duì)流云（Dc）貢獻(xiàn)較小。但在大氣內(nèi)部，高層云（As）比積云（Cu）和雨層云（Ns）有相對(duì)較小的云輻射效應(yīng)，但他們對(duì)所有的單層云系的云輻射效應(yīng)的貢獻(xiàn)是最高的，因?yàn)槠涓l繁發(fā)生，較大的權(quán)重（參照?qǐng)D一a、b，c中折線）。特別需要指出的是，高層云在春季出現(xiàn)的頻率較其他單層云有很大差別。2.2.3夏季不同云類型與輻射分析圖二某高原地區(qū)加權(quán)平均云輻射效應(yīng)（夏季）在夏季，各種云的權(quán)重比較平均，但高層云（As）仍具有較高的權(quán)重，深對(duì)流云（Dc）出現(xiàn)的概率最低。在天頂處，高云（High）的云輻射效應(yīng)出現(xiàn)正值，與其他云均不同。Sc/St和Cu在天頂處有相對(duì)較小的CRE值。在地表處，云的輻射效應(yīng)與天頂處基本相似，但是As比Ac的云輻射效應(yīng)低。而在大氣內(nèi)部各種單層云的輻射效應(yīng)基本相當(dāng)，As較突出。2.2.4秋季不同云類型與輻射分析圖三某高原地區(qū)加權(quán)平均云輻射效應(yīng)（秋季）在秋季，某高原地區(qū)As依然具有最高的權(quán)重，St/Sc次之，High和Dc最少。在天頂處，高云（High）的云輻射效應(yīng)出現(xiàn)正值，與其他云均不同。Sc/St和Cu在天頂處有相對(duì)較小的CRE值。在地表處，云的輻射效應(yīng)與天頂處基本相似，但是As比Ac的云輻射效應(yīng)低。而在大氣內(nèi)部各種單層云的輻射效應(yīng)基本相當(dāng)，且云的輻射效應(yīng)很小，較夏季有明顯變化。2.2.5冬季不同云類型與輻射分析圖四某高原地區(qū)加權(quán)平均云輻射效應(yīng)（冬季）冬季各種云的權(quán)重基本與春季相同，As權(quán)重依然很高，占比22%。Ac和Dc出現(xiàn)頻率極低。在天頂處、地表面和大氣內(nèi)部，High、Ac和Dc的云輻射效應(yīng)基本不計(jì)。在天頂處和地表面，Sc/St、Ns和Cu的輻射效應(yīng)突出。冬季在各處的輻射效應(yīng)較秋季有