（大气物理学与大气环境专业论文）利用cloudsat对华北、江淮云垂直结构及降水云特征的研究.pdf

目录 摘! 要i a b s t r a c t i 第一章绪论1 1 1 引言l 1 2 国内外云宏观结构特征研究进展2 1 2 1地面观测研究云的宏观特征3 1 2 2 卫星资料研究云的宏观特征3 1 2 3采用机载设备研究云的宏观特征4 1 2 4 采用其它方法研究云的宏观特征4 1 2 5利用c l o u d s a t 等毫米波雷达研究云宏观特征4 1 3 本文研究动机和主要研究内容：5 第二章数据及资料介绍。7 2 1 研究区域及资料时段。7 2 2 所用资料及产品7 2 2 1 c l o u d s a t2 b g e o p r o f 产品介绍。8 2 2 2c l o u d s a t2 b g e o p o r f l i d a r 产品介绍8 2 2 3c l o u d s a te c m w f a u x 产品介绍9 2 2 4 地面常规观测资料介绍9 第三章华北和江淮云垂直结构统计分析1 1 3 1 引言1 1 3 2 平均云频率随高度的分布特征1 1 3 3 云层数的出现频率1 4 3 4 平均云顶、云底高度的月变化1 6 3 5 小结1 8 第四章c l o u d s a t 识别降水方法的研究1 9 4 1 引言1 9 4 2 识别降水方法介绍2 0 4 3 方法对比2 3 4 4 降水个例分析2 6 4 5 小结2 9 第五章华北和江淮降水云与非降水云垂直结构分析3 1 5 1 引言3 1 5 2 月总降水频数分布3 2 5 3 降水率和降水云层数比例分布3 3 5 4 降水云和非降水云宏观特征分析3 5 5 4 1降水云和非降水云云底高度频谱分布3 5 5 4 2降水云与非降水云云厚频谱分布3 5 5 4 - 3降水双层云与非降水双层云夹层厚度频谱分布3 8 5 4 4 降水云和非降水云云顶、云底平均高度变化规律。3 8 5 5 小结4 0 第六章结论与展望4 1 6 1 华北和江淮云垂直结构统计特征。4 l 6 2c l o u d s a t 识别降水方法的研究4 2 6 3 华北和江淮降水云和非降水云垂直结构的统计分析4 2 6 4 未来工作展望4 3 附录c l o u d s a t 识别降水个例图示一4 5 参考文献51 个人简介5 5 j t 定谢5 7 摘要 云的垂直结构特征同云辐射特性、降水的物理过程、降水机制和降水效率 以及人工增雨的条件等方面都有着十分密切的关系。云与辐射的相互作用对于 全球的天气和气候变化过程有着重要的影响，不同高度的云有着不同的辐射强 迫，获得云在垂直方向上的分布特征对改进全球气候模式非常重要。不同结构 的降水云系是人工增雨作业的主要对象，充分认识不同地区降水云垂直结构的 宏微观特征，对于提高人工降水基础科学认识，科学选择作业条件，分析作业 效果等十分重要。加强对不同地区，不同性质云结构的认识对提高气候预测精 度、降水精细化预报能力以及人工催化播云的科学水平等都具有十分重要的意 义。 c l o u d s a t 是世界上首颗专门用于研究云的卫星，本文利用c l o u d s a t 获得的 2 0 0 8 年3 月至t 1 2 0 0 9 年2 月间的云产品资料，针对我国华北和江淮典型区域，结合 地面常规观测等其他资料，就不同地区云的垂直结构统计特征、降水云识别方 法及降水云的垂直结构特征等，进行了研究，主要结果有： 1 华北和江淮地区云统计特征。两地区平均云频率随高度的分布存在着明 显的季节变化，春夏季的云量多于秋冬季，华北和江淮春夏季云量分布主要在 2 0 一6 0 之间，秋冬季主要在l o 3 0 之间。两地区的高云云量最多，中云云 量次之，低云云量最少。单层云频率大于多层云频率，多层云中以双层云出现 的概率最高，两地区的双层云出现频率存在季节变化，即春夏季的概率大于秋 冬季。两地区平均云项、云底高度存在季节变化，夏半年的平均云项、云底高 度均高于冬半年，双层云的上层也有此特点，下层季节变化不明显。 2 c l o u d s a t 识别降水云的方法研究。首先分析了9 4 g h z 云雷达探测云粒子和 降水粒子的能力，其次对识别降水云的方法进行了合理性分析，并对比分析了 几种不同阈值识别降水的差别，最后将c l o u d s a t 识别的降水与地面降水做对比， 并进行大量的个例分析，验证了c l o u d s a t 识别降水云方法的合理性，给出了使用 阈值法判断c l o u d s a t 廓线是否存在降水的方法。 3 华北和江淮地区降水云统计特征。对华北和江淮地区总降水频数分布、 降水云中云层数比例、降水云和非降水云云底高度、云厚及双层云夹层厚度和 平均云项、云底进行了统计分析。结果表明，降水主要是由单层云引起的，华 北和江淮地区由单层云引发的降水比例分别为7 8 1 和6 9 7 ，多层云为2 1 9 和3 0 3 ，而双层云降水以4 月份最多，且江淮多于华北地区，江淮地区双层 云降水频率可达5 0 。通过对降水云和非降水云宏观结构的对比，可以得到两 地区降水云的云底以小于2 k m 为主，云厚多为2 - 4 k i n ，其中单层云云厚大于6 k m 的比例非常高，夹层厚度在1 - 3 k i n 之间；非降水云云底以大于2 k m 为主，云厚 通常小于2 k m ，夹层集中在4 k m 以上。从南北方典型作业区来看，华北和江淮 地区降水云云底高、云厚的区别并不明显，然而对多层云降水条件非常重要的 夹层厚度略有差异，江淮地区以1 - 2 k i n 为主，频率为3 2 2 ，华北地区以2 3 k m 为主，频率为2 6 4 。 通过本文的研究，对华北和江淮地区云的垂直结构有了初步的了解，提出 了c l o u d s a t 识别降水云的方法，并进行了合理性分析和初步的验证，利用该方 法针对两地区降水云和非降水云垂直结构进行了进一步的统计分析，为研究云 与辐射的相互作用以及人工影响天气作业条件的准确选择、播云催化方案的科 学设计提供依据。 关键词：c l o u d s a t 云垂直结构降水云系 a b s 仃a c t c l o u dv e r t i c a ls t r u c t u r ei sa s s o c i a t e dw i t hc l o u dr a d i a t i o n c h a r a c t e r i s t i c ， p r e c i p i t a t i o np h y s i c a lp r o c e s s ，p r e c i p i t a t i o nm e c h a n i s m , p r e c i p i t a t i o ne f f i c i e n c ya n d t h ea r t i f i c i a lp r e c i p i t a t i o nc o n d i t i o n s t h ei n t r a c t i o nb e t w e e nc l o u da n dr a d i a t i o ni s i m p a c to ng l o b a lw e a t h e ra n dc l i m a t ec h a n g ep r o c e s s d i f f e r e n th e i g h to fc l o u d sh a s d i f f e r e n tc l o u dr a d i a t i v e f o r c i n g ，o b t a i n i n gt h ev e r t i c a l d i s t r i b u t i o no fc l o u di s i m p o r t a n tf o rc h a n g i n gt h eg e n e r a lc i r c u l a t i o nm o d e l s t h ed i f f e r e n ts l r u c t u r eo f p r e c i p i t a t i o nc l o u d si st h eo b j e c to fa r t i f i c i a lp r e c i p i t a t i o ne n h a n c e m e n tf u l l y u n d e r s t a n d i n gt h em a c r om i c r of e a t u r eo fv e r t i c a ls t r u c t u r ei np r e c i p i t a t i o nc l o u di s i m p o r t a n tf o rd e e p e n i n gb a s i cs e i e m i f i cu n d e r s t a n d i n go fa r t i f i c i a lp r e c i p i t a t i o n , c h o o s i n gt h er a i n f a l le n h a n c e m e n tc o n d i t i o n s ，e s t i m a t i n ga f f e c t e db ya r t i f i c i a l p r e c i p i t a t i o n s t r e n g t h e n i n gt h eu n d e r s t a n d i n go fd i f f e r e n tp r o p e r t i e sc l o u ds t r u c t u r e f r o md i f f e r e n tp l a c e sw i l lb eo f i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et oi m p r o v ec l i m a t ep r e d i c t i o n a c c u r a c y ，t h ea b i l i t yo ff o r e c a s t i n gp r e c i p i t a t i o nr e f m e m e ma n ds c i e n t i f i cs t a n d a r d s o fa r t i f i c i a l l ys e e d i n gc l o u d sa n dc a t a l y t i c c l o u d s a ti st h ef i r s ts a t e l l i t e tf o rt h er e s e a r c ho fc l o u ds p e c i a l l y u s et h e c l o u d s a tp r o d u c t si n f o r m a t i o nf r o mm a r c h2 0 0 8t of e b r u a r y 2 0 0 9 ，c o m b i n i n g s u r f a c ed a t a , t os t u d yc l o u dv e r t i c a ls t r u c t u r es t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，i d e n t i f i c a t i o n m e t h o do fp r e c i p i t a t i o nc l o u da n dv e r t i c a ls t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fp r e c i p r a t i o n c l o u di nh u a b e ia n dj i a n g h u a iw h e r ei st h e r e p r e s e n t a t i v er e g i o nf o r r a i n f a l l e n h a n c e m e n t t h er e s u l t sr e p o r t e dh e r es h o wt h a t ： 1 c l o u ds t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i c si nh u a b e ia n dj i a n g h u a ia r e a t h ev e r t i c a l d i s t r i b u t i o n so fm o n t h l yc l o u df r a c t i o nd i s p l a y st h es i g n i f i c a n ts e a s o n a lv a r i a t i o n b o t hi nh u a b e ia n dj i a n g h u a i t h eh y d r o m e t e o ra m o u n t si ns p r i n ga n ds u m m e ri s m o r et h a na u t u m na n dw i n t e r , w h i c hi sm a i n l yo f2 0 - 6 0 i n s p r i n ga n ds u m m e r , o f10 一3 0 i na u t u m na n dw i n t e r t h ea m o u n t so fh i 曲一l e v e lc l o u di st h em o s t , m i d d l e - l e v e lc l o u di ss e c o n d , l o w - l e v e lc l o u di st h el e a s t t h ef r e q u e n c yo fs i n g l e l a y e rc l o u di sl a r g e rt h a nt h em u l t i - l a y e r si nb 0 也h u a b e ia n dj i a n g h u a i ，a n dl o t so f d o u b l e l a y e r c l o u di nt h e t h em u l t i - l a y e rc l o u d t h ef r e q u e n c yo fd o u b l e l a y e r d i s p l a y st h es i g n i f i c a n ts e a s o n a lv a r i a t i o n , t h ef r e q u e n c yi ns p r i n ga n ds u m m e ri s m | m o r et h a na u t u m na n dw i n t e r , t h ea v e r a g eh e i g h to fl a y e rt o pa n dl a y e rb a s ea l s o d i s p l a yt h es i g n i f i c a n ts e a s o n a lv a r i a t i o n , t h el a y e rt o pa n dl a y e rb a s ei ns u m m e r h a l f y e a ri sh i g h e rt h a nw i n t e rh a l f , s od ot h eh i g h e s tl e v e lo fd o u b l e l a y e rc l o u d , a n dt h e l o w e s tl e v e ld o e sn o td i s p l a ys i g n i f i c a n ts e a s o n a lv a r i a t i o n 2 s t u d yp r e c i p i t a t i o ni d e n t i f i c a t i o nm e t h o dw i t hc l o u d s a t f i r s t l y , a n a l y z et h e a b i l i t yt od e t e c tc l o u da n dp r e c i p i t a t i o np a r t i c l e s 埘也9 4 g h zc l o u dr a d a r s e c o n d l y ， a n a l y z et h er a t i o n a l i t yo fi d e n t i f i c a t i o np r e c i p i t a t i o nm e t h o da n da n a l y z e 、航廿1s e v e r a l d i f f e r e n tt h r e s h o l d sc o m p a r a t i v e l yt oi d e n t i f yt h ed i f f e r e n c eo fp r e c i p i t a t i o n f i n a l l y ， p r e c i p i t a t i o ni d e n t i f i c a t i o nb yc l o u d s a ti sc o m p a r e dt oi d e n t i f i c a t i o nb ys u r f a c ed a t a , 晰mal o to fe x a m p l ea n a l y s i s ，v e d f yt h ep r e c i p i t a t i o ni d e n t i f i c a t i o nm e t h o dw i t h c l o u d s a ti sr e a s o n a b l e 3 p r e c i p i t a t i o nc l o u ds t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i c si nh u a b e ia n dj i a n g h u a ia r e a t h es t u d i e sh a v eb e e nc a r r i e do u tb ys t a t i s t i c a la n a l y s i so fm o n t h l yt o t a lr a i n f a l l f r e q u e n c yd i s t r i b u t i o n ，c l o u dl a y e rp r o p o r t i o ni np r e c i p i t a f i o nc l o u d ，h e i g h to fl a y e r b a s ea n dc l o u dt h i c k n e s s ，a v e r a g eh e i g h tc l o u dt o pa n dc l o u db a s ei np r e c i p i t a t i o na n d n o n - p r e c i p i t a t i o n , t h et h i c k n e s so fm u l t i l a y e rc l o u de x c e p ti n t e r l a y e ri np r e c i p i t a t i o n c l o u d t h er e s u l t sr e p o r t e dh e r es h o wt h a t ：p r e c i p i t a t i o nm a i n l yc a u s e db yas i n g l e c l o u da n dt h ef r e q u e n c yi s7 8 1 i nh u a b e i ，6 9 7 i nj i a n g h u a i t h ep r e c i p i t a t i o n f r e q u e n c yc a u s e db ym u l t i l a y e ri s 21 9 i nh u a b e ia n d3 0 3 i nj i a n g h u a i d o u b l e - l a y e rc l o u dp r e c i p i t a t i o ni sm o s ti na p r i l ，j i a n g h u a ii sm o r et h a nh u a b e i ， t h e 丘e q u e n c yo fd o u b l e l a y e rc l o u dp r e c i p i t a f i o ni s5 0 i nj i a n g h u a l t h r o u g ht h e c o m p a r e do fm a c r om i c r os t r u c t u r ei np r e c i p i t a t i o nc l o u d ，t h ec l o u db a s eh e i g h to f p r e c i p i t a t i o nc l o u di sb e l o w2 k m ，c l o u dt h i c k n e s si sm a i n l yo f2 - 4 k m ，i nw h i c ht h e s i n g l e l a y e r c l o u dt h i c k n e s sm o r et h a n6 k mh a sar a t h e rh i g hp r o p o r t i o n , t h e t h i c k n e s so fm u l t i l a y e rc l o u de x c e p ti n t e r l a y e ri so f1 - 3 k mi np r e c i p i t a t i o nc l o u d c o m p a r a t i v e l y ，t h ec l o u db a s eh e i g h to f n o n - p r e c i p i t a t i o nc l o u di sm a i n l ya b o v e2 k m , c l o u dt h i c k n e s si sm a i n l yl e s st h a n2 k m , t h et h i c k n e s so fm u l t i l a y e rc l o u de x c e p t i n t e d a y e ri sa l m o s th i g h e rt h a n4 k m j u d g i n gf r o mt h er e p r e s e n t a t i v er e g i o nf o r r a i n f a l le n h a n c e m e n t , t h e r ei sn os i g n i f i c a n td i s t i n c t i o no nt h eh e i g h to f c l o u db a s e a n dc l o u dt h i c k n e s si nh u a b e ia n dj i a n g h u a i h o w e v e r , t h et h i c k n e s so f m u l t i l a y e r c l o u de x c e p ti n t e r l a y e rw h i c hi si m p o r t a n tf o r d o u b l e - l a y e rc l o u dp r e c i p i t a t i o n c o n d i t i o n sh a ss o m ed i s t i n c t i o n , w i t hav a l u eo f1 - 2 k m ，f r e q u e n c yi s3 2 2 i n j i a n g h u a l ，埘t ha v a k m 2 - 3 k m ，f r e q u e n c yi s2 6 4 i nh u a b e i f r o mt h er e s e a r c hi nt h i sp a p e r , w eh a v eap r e l i m i n a r yu n d e r s t a n d i n ga b o u t c l o u dv e r t i c a ls t r u c t u r ei nh u a b e ia n dj m g h u a ia n d s t u d yp r e c i p i t a t i o n i d e n t i f i c a t i o nm e t h o dw i t hc l o u d s a t t h e na n a l y z ea n dv e r i f yt h er a t i o n a l i t yo f i d e n t i f i c a t i o np r e c i p i t a t i o nm e t h o d f i n a l l y ，w ed oas t a t i s t i c a la n a l y s i st os t u d y v e r t i c a ls t r u c t u r eo fp r e c i p i t a t i o na n dn o n - p r c c i p e t a t i o nc l o u di nh u a b e ia n d j i a n g h u a i ，w h i c hi sh e l p f u lt os t u d yt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nc l o u da n dr a d i a t i o n , c h o o s ew e a t h e rm o d i f i c a t i o nc o n d i t i o n sa c c u r a t e l y ，d e s i g ns c i e n t i f i cs t a n d a r d so f a r t i f i c i a l l ys e e d i n gc l o u d sa n dc a t a l y t i c k e yw o r d ： c l o u d s a tv e r t i c a ls t r u c t u r eo f c l o u d p r e c i p i t a t i o nc l o u d v 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 根据i s c c p 计划的卫星资料和地面观测资料，目前全球平均分别有6 7 和 6 2 的范围被云覆盖n 一。云是由湿空气抬升绝热膨胀达到饱和状态而形成的， 由细小的水滴、冰晶、霰粒子、雪晶、冰雹等水物质状态组成。云与辐射的相 互作用，对天气变化过程有重要的影响，也是控制地球气候及其变化的重要因 子之一，因为它不仅通过影响大气中的辐射传输过程改变辐射能量的时空分布 格局，而且还通过参与水文循环过程改变地球上水的分布状况。云的辐射特性 及其高度对辐射收支的影响可以导致地球的变暖或变冷，不同的云存在不同的 辐射强迫，低云起冷却作用，高云通常起温室效应吼铂。 国内外对云在地球辐射收支方面的作用及对气候的影响已经研究了多年， 但用大气环流模式以及气候模式进行气候预测时仍然存在很大的不确定性，通 过大气环流模式( g c m ) 模拟也表明改变云量及云的垂直结构会对大气循环产生 影响，使结果产生很大的误差旧。因此获得云量及云的垂直结构特征参数及其在 空间上的变化对于研究全球气候变化有着重要的意义。 目前业务数值预报模式正在不断的完善，自2 0 世纪9 0 年代中期以来，各 国的数值天气预报业务模式的水平和垂直分辨率都有明显提高，模式的物理过 程也同步进行改进，其中云物理过程、陆面过程、湍流过程、辐射过程等成为 改进业务预报模式的关键。以p s u n c a rm m 5 v 3 中尺度模式为例，在模式中 考虑的物理过程有：积云对流、边界层、显式云微物理、辐射传输过程、下垫 面过程。其中积云对流参数化方案有8 个选项和一个浅对流开关选项；显式云 微物理过程也有8 个选项；辐射传输过程有4 个，其中一个为云辐射方案，另 外三个方案也都与云的辐射过程有关1 。可见云的处理在中尺度模式中的重要 性。 另一方面，云的垂直结构特征同降水的物理过程、降水机制和降水效率以 及人工增雨的条件等方面有着密切的关系。不同的云垂直结构下，降水形成的 条件各不相同，因此充分认识云的垂直结构，尤其是对降水云的宏微观结构特 征的研究，对于提高人工降水基础科学认识十分重要，更有利于设计有针对性 的播云方案，提高人工降水的科学水平删。同时，也对提高降水精细化预报具 有十分重要的意义。 南京信息工程大学硕士学位论文 云的研究十分复杂，从宏观的云量、云状、云高等性质到云微观粒子的物 理、化学、光学等性质仍是当前研究的重点，同时也需要探测手段上的不断改 进才能有效的进行云的探索。除了地面观测和飞机探测等直接观测外，遥感探 测已经成为了十分重要的探测手段之一，尽管目前已经发展了很多种遥感设备 对云进行观测( 如激光雷达、卫星、云幂仪等) ，但这些设备无法得到高时空分辨 率的云水平和垂直结构，而毫米波雷达是云三维精细结构探测的重要工具。云雷 达的工作波长主要在毫米波段，它是利用云粒子对电磁波的散射特性，通过对云 的雷达回波分析了解云的各种特性，云的回波参数反映了云的宏观和微观结构， 如回波顶的高度、回波的体积、面积等反映了云的特征尺度，回波强度反映了云 中粒子的大小和浓度，回波强度在时间和空间上的变化反映了云内微物理过程的 结构和演变特征等们。 自从2 0 世纪5 0 年代第一部云雷达( 2 4 g i - i z ) i h 世以来，由于其对于云粒子较好 的探测能力云雷达经历了快速的发展。1 9 9 8 年美国能源部实施一个长期的国际 大气辐射测量计划( t h ea t m o s p h e d cr a d i a t i o nm e a s u r e m e n tp r o g r a m , a r m ) ， a r m 计划最突出的一点在于用自动毫米波雷达对云天里影响辐射传输的云特 性进行连续观测。这些云特性包括云宏观物理特性，如云层高度、云层厚度、 云量和云的范围等，还包括云的微物理特性参数，这些参数决定着云在向上向 下辐射过程的作用，如云粒子大小、浓度、冰晶和液态水含量等。至u 2 0 0 6 年第一 部将毫米波雷达( 9 4g h z ) 搭载于卫星成功升空，是航天航空技术乃至人类科学 遥感手段的一大飞跃n 羽。 综上所述，云作为基本的气象要素在天气和气候中起着关键作用。遥感手 段探测云随着科学技术的发展也有了很大的进步，本文利用0 6 年成功发射的云 卫星c l o u d s a t 对云的垂直结构尤其是降水云的垂直结构进行了详细的分析。 1 2国内外云宏观结构特征研究进展 云的宏观特征包括：云的外形、空间尺度、云的垂直结构特征( 云项高度、 云底高度、云厚、夹层厚) 等。对云宏观特征的研究主要有两个方面：观测研究 和数值模拟。目前，对云宏观特征观测的研究主要有三类：1 ) 通过地面直接观 测得到的云量、状、高等资料。2 ) 利用卫星被动遥感资料通过反演得到云的宏 观物理量和地基主被动遥感方式。3 ) 通过机载设备观测云的宏微观物理量。另 外，也有一些方法是通过探空湿度数据判断云，再得到云的宏观结构。 2 第一章绪论 1 2 1 地面观测研究云的宏观特征 由于地面观测资料时间序列较长，空间密度大，因此使用地面观测资料分 析云的宏观特征为气候学特征分析和气候模式模拟的对比提供了很好的依据。 国外关于云属性的研究已取得一定进展，w a r r e n n 3 1 等人搜集了全球5 4 0 0 个地面 观测站1 9 7 1 1 9 9 6 年长期的云属性观测记录，分析了2 6 年问总云量和9 种不同类 型云的云量变化趋势，得出全球平均云总量比过去十年减少了0 7 。s u n n 钔得出 1 9 3 6 1 9 9 0 年间苏联总云量增加、低云量减少。1 9 0 6 2 0 0 0 年波兰南部克拉科地区 总云量存在1 0 年际的波动n 5 1 。国内的研究也取得了一定的进展，陈少勇n 阳等利 用4 0 年地面平均总云量资料分析了祁连山地区云量与大气环流的变化。张雪芹n 铂 等人利用青藏高原及其周边地区7 5 个地面气象台站的云量日均值资料，分析了 高原地区1 9 7 1 2 0 0 4 年总云量的时空变化特征。结果表明，高云总云量分布呈自 东南向西北减少的态势，且年与四季总云量变化都存在显著下降趋势。 1 2 2 卫星资料研究云的宏观特征 利用卫星资料研究云宏观结构开展的时间比较早，静止卫星观测范围广、 资料多，极轨卫星轨道固定、空间分辨率高，为云的研究提供了方便。原理是 利用静止或极轨卫星观测云的辐射值，通过红外阈值方法判断云。例如，n o a a 系列极轨卫星从1 9 7 8 年开始了业务化运行，利用该系列卫星对云量的研究和进 一步的气候分析开展的比较多。朱小祥等n 羽利用n o a a 卫星一年的a v h r r 资 料，分析云南地区云量分布，为当地天文台选址提供了依据。 很多对于云量的研究是将地面观测同i s c c p 资料相结合起来，i s c c p ( i n t e r n a t i o n a ls a t e l l i t ec l o u dc l i m a t ep r o j e c t 国际卫星云气候计划) 是一个将卫星云资 料用于气候研究、气候诊断的全球性的气候计划，是世界气候研究计划( w c r p ) 的重要组成部分。i s c c p 自1 9 8 3 实施以来不断改进算法，由于两者时间序列较 长，可以很好的应用于云量的气候学特征分析及气候模式模拟云量的验证。 r o s s o w n 钔等人收集分析了i s c c p ( 国际卫星云气候计划) 1 9 8 3 1 9 9 1 年卫星测量 辐射数据，推算全球的云总量为6 3 。1 9 9 9 年由于i s c c p 数据质量的改进， r o s s o w 心们等人重新计算得出全球平均云总量为0 6 7 5 士 - 0 0 1 2 ；平均云顶温度为 2 6 1 5 + 2 8 k ，平均云厚3 7 ：t - 0 3 k m 。 3 丘 南京信息工程大学硕士学位论文 1 2 3 采用机载设备研究云的宏观特征 飞机观测是目前可用于云的宏微观物理量观测方式中最精确的，存在的问 题主要是观测范围小、观测费用高以及个别情况下的误差偏大。国内外许多科 学家对层状云进行了大量的外场探测和数值模拟研究，主要有前苏联对冬季层 状云的探测和人工影响试验、美国对温带气旋云系和地形云的探测和数值模拟 以及我国北方层状云人工降水试验研究，取得了许多研究成果晗1 剀。我国从9 0 年代开始，北方各省陆续开展人工降水作业的同时，飞机搭载的一些仪器对云 属性进行了探测，并做了深入的分析，取得了大量成果2 4 1 。 1 2 4 采用其它方法研究云的宏观特征 国外7 0 年代尝试利用探空湿度数据判断云从而分析云的垂直结构，利用此 种方法得到了一些认识。w a n g 船6 1 等人统计了全球2 0 年探空记录得到结果为， 全球海平面以上平均云项高度4 k m ，平均云底高度2 4 k m ，云层厚度1 6 k m ，夹 层厚度2 2 k m ，多层云以双层云为主，出现频率为4 2 ，海洋多于大陆。国内 已经开始尝试使用布网l 波段探空秒数据做类似分析。 1 2 5 利用c l o u d s a t 等毫米波雷达研究云宏观特征 然而由于大多数卫星都只能探测到云项表面一层云的性质，使得对云的探索 大多停留在云量变化的分析上，对于云是否分层及高、中、低云如何配置、是 否产生降水都无法识别。而这些参数对于发展大气环流模式以及人工增雨可播 区的选择是至关重要的。对于云垂直结构的研究，受探测手段的局限性，以前 的工作并不多。毫米波云雷达不仅能够探测云顶和云底，它还能探测多层云的 结构。 美国国家大气海洋局的环境技术实验室( e t l ) 和美国能源部实施的国际大 气辐射测量计划a r m ( a t m o s p h e r i cr a d i a t i o nm e a s u r e m e n t ) ，突出的一点在于用 自动毫米波雷达对各个观测点上云结构的连续观测，其中在我国安徽寿县也做 了段时间的观测。欧空局和日本合作的项目e a n h c d 凰e ，旨在定量化理解气 溶胶、云和辐射之间的相互作用并将这些相互作用加入气候模式和数值天气预 报模式中( h t t p ：w w w e s a i n t o ，该项目中包括了星载毫米波雷达。 基于多年地基和空基云雷达的研究，2 0 0 6 f f - 4 月2 8 日，由美国宇航局启动的 “地球观测系统科学探路者( e s s p ) 计划中的c l o u d s a t - - 搭载着一部9 4 g h z 4 第一章绪论 ( 3 衄) 云剖面雷达( c l o u dp r o f i l i n gr a d a r ，简称c p r ) 和c a l i p s o 一激光雷达 ( c l o u d - a e r o s o ll i d a ra n di n f r a r e dp a t h f i n d e rs a t e l l i t eo b s e r v a t i o n s ) 两颗卫星成功 发射升空。它们是第一次能“切开 云，使我们可以研究云的内部水平和垂直 结构。它可以探测云中较小的水滴和冰晶粒子，使我们可以观测到细小的云粒子 向降水转化的过程。最关键的是，它可以观测到云内液态水和冰水的垂直廓线， 这是现有的其它卫星系统无法做到的，从而为人们探索云的性质提供帮助汹1 。 从c l o u d s a t 发射以来人们利用这些观测资料做了一些关于云结构的初步探 索，包括统计分析和个例分析。利用统计方法研究云的垂直结构的有，y a l il u o 瞳刀 利用1 4 个月c l o u d s a t 和c a l i p s o 数据产品统计并分析了我国华东地区和印度 季风区的云覆盖率，云垂直分布和雷达反射率因子的变化，分析结果表明华东 地区云的出现频率为8 0 ，印度季风区为7 0 ，其中多层云频率分别为3 7 和 4 7 。李积明啪1 等利用星载激光雷达研究东亚地区云垂直分布，得到东亚地区 多层云云量在夏季、秋季、冬季、春季分别为4 3 6 、2 9 6 、2 1 1 、3 3 - 3 。 王胜杰例用c l o u d s a t 统计分析了青藏高原、高原南坡及南亚季风区云高度和云 分类的特征，并结合m o d i s 对云顶高度与云项亮温之间的相关性进行了分析研 究，结果表明云顶高度值与云项亮温值之间呈现负的相关系数。杨大生啪1 用 c l o u d s a t 分析了我国夏季云水含量的垂直分布、云粒子