（大气物理学与大气环境专业论文）卫星云参数同云系结构特性和降水关系的研究.pdf

南京信息工程大学硕士学位论文 中文摘要 不同天气条件下的层状云和对流云发展演变特征各不相同，高时间频次的静 止卫星可以连续追踪云系的演变规律，利用反演获取的卫星云物理特性参数，研 究层状云和对流云等不同降水过程的云结构特性及其同降水的关系，对了解人工 播云条件、定量估测降水等方面等十分重要。本文针对2 0 0 8 年4 月1 1 到1 2 日 北方层状云降水过程和2 0 0 8 年7 月1 7 日南方对流云降水过程，利用f y 2 c d 卫 星反演的云参数和地面降水的观测资料，结合雷达、探空和微波辐射计等多种数 据，初步分析了不同降水云系的结构特性、演变特征及同降水的关系；在此基础 上，进一步统计分析了2 0 0 8 年5 1 2 月安徽区域云参数特征及降水的关系，得到 些有意义的结论： 1 ) f y 2 c d 卫星反演得到的各云参数对地面降水都有不同程度的指示意义， 般降水发生前，云顶不断抬升，云项温度和t b b 都较低，云光学厚度增大；云 参数的变化从时间上先于地面降水变化，一般两者相差约1 2 个时次，其中层状 云两者相差约2 个时次，对流云两者相差1 个时次。 2 ) 云的光学厚度与地面降水的相关性比云顶高度、云顶温度和t b b 更好。 降水过程中云光学厚度增减，地面降水粒子数也相应增大或减小。对流云团合并 时，合并部位的云光学厚度和液水路径迅速增加，地面微波辐射计观测的整层液 水含量跃增，地面出现强降水。云光学厚度和相应区域的雷达回波以及地面降水 的分布演变具有较好的一致性，强降水落区与云光学厚度的大值区和雷达强回波 区相对应。t - r e 关系式在一定程度上反应了对流云的垂直增长情况，2 0 0 8 年7 月1 7 日安徽对流云团合并初期，云底由小粒子组成，粒子主要依靠扩散增长， 随着云团的合并，高低层的有效半径增长明显，达到混合相态区和冻结层的温度 都不断变暖； 3 ) 初步统计表明，云降水过程与光学厚度关系密切，般光学厚度小于1 0 不太可能产生降水。层状云降水过程中云项小于5 k m 时以弱降水为主，随雨强 增大，云光学厚度值跃增，粒子有效半径变大。而对流云的云光学厚度和云顶高 l 查室釜量茎盟望墨星鲎笙垄奎堕鲞婆坌堑 度的相关性比层状云好，通常云项越高，云光学厚度越大，产生降水的可能性也 越大。对流云降水过程的云顶通常高于层状云，云中粒子尺度也更大，云光学厚 度大多集中于1 7 3 0 之间，云顶高度集中于8 1 5 k i n 之间，且降水类型多样。两 类降水过程的降水率都随云项高度和光学厚度的增加而增大。降水强度越大，通 常对应着较大的光学厚度，但并不是光学厚度大，降水一定强。 4 ) 结合探空云分析发现，降水和云的垂直结构密切相关，当云厚实无夹层 且云光学厚度较大时，地面易发生降水：相反，如果云中夹层深厚或低层有较干 的区域，即便云发展的很高，也无法形成有效降水。将云项高度和云光学厚度组 合分析，对判断降水落区和降水强度十分有帮助。 关键字：云参数，降水特征，对流云降水过程，层状云降水过程，统计分析 u 南京信息工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n ta n de v o l u t i o no fs t r a t o c u m u l u sc l o u d sa n dc o n v e c t i v ec l o u d s v a r i e si nd i f f e r e n tw e a t h e rc o n d i t i o n c h i n e s es a t e l l i t ei ng e o s y n c h r o n o u so r b i t ( f y 2 ) o fh i g h l yt i m ef r e q u e n c yc a nm a k et r a c k so fc l o u d se v o l u t i o ne o n t i n i o u s l y m a k i n g u s eo fs a t e l l i t er e t r i v a lc l o u dp h y s i c a lp a r a m e t e r st or e s e a r c ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n 也es 缸1 lc 1 腑c h a r a c t e ro fs t r a t o c u m u l u sc l o u d sa n dc o n v e c t i v ec l o u d sa n d p r e c i p i t a t i o n ，c a nh e l pu sa l o tt or e a l i z et h ec l o u ds e e d i n gc o n d i t i o n ，q u a n t i t a t i v e p r e c i p i t a t i o ne s t i m a t i o na n ds oo n a i m i n ga tap r o c e s so fs t r a t o c u m u l u sp r e c i p i t a t i o n i nn o r t hc h i n a t h el lt o1 2a p r i l ，2 0 0 8 ，a n dac o n v e c t i v ep r e c i p i t a t i o ni nj u l yi7 ， 2 0 0 8 ，s h o uc o u n t yo fa n h u ip r o v i n c ei nc h i n a ，t h ec l o u dp a r a m e t e r sp r o d u c t r e t r i e v e d b yf y - 2 c d a r ec o m b i n e d 、) l r i 也t h ep r e c i p i t a t i o no ng r o u n d ，r o u t i n e o p e r a t i o n a lr a d i o - s o u n d i n gd a t aa n do b s e r v a t i o n sb ym i c r o w a v er a d i o m e t e r ，a sw e l la s r a d a re c h o 1 1 1 er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc l o u dp a r a m e t e ra n dp r e c i p i t a t i o ni sr e s e a r c h e d b a s e do nt h i s ，c l o u dp a r a m e t e ra n dp r e c i p i t a t i o ni na n h u ip r o v i n c e 丘d mm a yt o d e c e m b e r ，2 0 0 8i ss t a t i s t i ca n a l y z e d s o m eu s e f u lr e s u l t sa r eg a i n e da sf o l l o w s 1 ) f y 2 c dr e t r i e v a lc l o u dp a r a m e t e ri n d i c a t e dt h ep r e c i p i t a t i o no nt h es u r f a c e g e n e r a l l ys p e a k i n g , b e f o r et h er a i n f a l l ，t h ec l o u dd e v e l o p e dw e l l ，t h et o po fc l o u dr o s e ， b o t ht h et e m p e r a t u r en e a rt h et o po fc l o u da n dt b br e d u c e d ，a n dc l o u do p t i c a l t h i c k n e s sg o tl a r g e r c l o u dp a r a m e t e r s c h a n g e de a r l i e rt h a np r e c i p i t a t i o ni n t h e a s p e c to ft i m e ，o fw h i c hs t r a t o c u m u l u sc l o u d si sa b o u ta b o u to n eo rt w oh o u r se a r l i e r , a n dc o n v e c t i v ec l o u d si sa b o u to n eh o u r 2 ) c o m p a r e dt ot h et o po fc l o u d ，t h et e m p e r a t u r en e a rt h et o po f l o u da n dt b b ， c l o u do p t i c a lt h i c k n e s sh a dab e t t e rr e l a t i o n s h i pw i t hp r e c i p i t a t i o no nt h es u r f a c e b e s i d e s ，w h e nt h ec o n v e c t i v ec l o u dc l u s t e r sm e r g e ，t h ec l o u do p t i c a lt h i c k n e s sa n d l i q u i d w a t e rp a t h ( l w p ) i nt h ec o m b i n e dp a r t si n c r e a s e d r a p i d l y , t h eg r o u n d m i c r o w a v er a d i o m e t e ro b s e r v a t i o n so ft h ew h o l e l a y e ro fl i q u i d w a t e rc o n t e n t d r a m a t i cc h a n g e s ，a n dt h eg r o u n dh e a v yp r e c i p i t a t i o no c c u r s t h ed i s t r i b u t i o na n d e v o l u t i o no fc l o u do p t i c a lt h i c k n e s si sw e l lc o n s i s t e n tw i t hr a d a re c h oo ft h e c o r r e s p o n d i n gr e g i o n ，a sw e l la st h ep r e c i p i t a t i o no nt h eg r o u n d h e a v yr a i n f a l la r e a s ， a h e i g h tc l o u do p t i c a lt h i c k n e s sv a l u e sa r e aa n dt h es t r o n gr a d a re c h oa r e aa r ei ng o o d i i i a g r e e m e n t a n a l y s i so ft h et - r et i m ea n dv e r t i c a l e v o l u t i o no fc o n v e c t i v ec l o u d m e r g e r ，t h ev e r t i c a l s t r u c t u r eo fc l o u dp a r t i c l ee f f e c t i v er a d i u sw a sf o u n d ：t h ei n i t i a l m e r g i n go fc o n v e c t i v ec l o u d s ，c l o u d s b a s e w i t hs m a l lp a r t i c l e s ，c l o u dp a r t i c l e e f f e c t i v er a d i u so f 也ev e r t i c a ld i s t r i b u t i o no ft h et - r e r e l a t i o n ss h o w e dad e e pz o n eo f d i f f u s i o n a lg r o w t h t h ee f f e c t i v er a d i u so ft h ee n t i r el a y e rs i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e d ， m i x e dp h a s ea n dg l a c i a t i o nt e m p e r a t u r ew a s r e a c h e da taw a r m e rl a y e r 3 1s t a t i s t i ca n a l y s i ss h o w st h a t ，c l o u dp r e c i p i t a t i o ni sm o s t l ys e n s i t i v et o t h e 0 p t i c a lt h i c k n e s s p r e c i p r a t i o no ng r o u n di sn o tp o s s i b l eu n t i lt h ev a l u ee x c e e d s10 m o s t l vl i g h tr a i n f a l lo f t e no c c u r sw h i l et h et o po fc l o u d i sb e l o w5i o ni n s t r a t o a 哪n u l u sc l o u dp r e c i p i t a t i o np r o c e s s e s a st h ei n t e n s i t yo f r a i n f a l li n c r e a s e s ，t h e o p t i c a lt h i c k n e s sj u m p e d , a n d t h ep a r t i c l e sg r o w sl a r g e r h e a v yr a i ni se a s yt oo c c u ri f 也e 阳d i u so fp a r t i c l e se x c e e d s4 0u 】缸c o m p a r e dt os t r a t o c u m u l u sc l o u d s ，t h eo p t i c a l 吐d c h e s so fc o n v e c _ t i v ec l o u d si sb e t t e rr e l a t e dt ot h et o po fc l o u d s g e n e r a l l y ，i ft h e t o po f c l o u di sh i g h e r , t h eo p t i c a lt h i c k n e s si sl a r g e r , w h i c hc a l lm o r ep o s s i b l et ol e a d t op r e c i p i t a t i o no fg r o u n d h o w e v e r , t h eh i g h to fc l o u dt o ph a sl i t t l ei m p a c to n t h e g r a d so fp r e c i p i t a t i o n t h et o po f e o n v e e t i v ec l o u di sh i g h e r , a n dt h ep a r t i c l e si sl a r g e r m a ns 仃a 胁c u m u l l l sc l o u di fi tr a i n s d u r i n gt h ep r e c i p i t a t i o n ，p a r t i c l e s i n c r e a s e d b v i o u s l v ，a n dt h eo p t i c a lt h i c k n e s si sb e t w e e n17a n d3 0 ，t h et o po fc l o u db e t w e e n8 a n d15 k mm o s t l y t h eg r a d so fp r e c i p i t a t i o ni n c o n v e c t i o nc l o u dv a r i e sm u c h g e n e r a l l y ，i nt h et w ot y p e so fc l o u d s ，w h e r ep r e c i p i t a t i o no c c u r r e do nt h es u 托a c e i s s t r o n g e r 。c l o u do p t i c a lt h i c k n e s sm u s tb el a r g e r h o w e v e r ，c l o u do p t i c a lt h i c k n e s s i s l a r g e ，p r e c i p i t a t i o no c c u r r e do nt h e s u r f a c ei sn o ta l w a y ss 仃o n g 4 1c o m b i n e dw i t hr a d i o s o u n da n a l y s i s ，i ti sf o u n dt h a tt h ev e r t i c a l s t r u c t u r eo f e l o u dh a sa ni m p o r t a n te f f e c to np r e c i p i t a t i o n w h e nt h et h i c kd o u d o fn o n s a n d w i c h c o v e ra n dc l o u do p t i c a lt h i c k n e s si sl a r g e ，t h eg r o u n dp r o n et op r e e i p i t a t i o n o nt h e o t l l e rh 孤d ，i ft h e r ea r em e z z a n i n eo rl o w l e v e lc l o u d sh a v e m o r ed r yr e g a o n s ，e v e ni f c l o u dt o ph i g h e r ，c l o u do p t i c a lt h i c k n e s sl a r g e r , t h eg r o u n dc a nn o tc r e a t ea ne f f e c t i v e p r e c i p i t a t i o n c o m b i n a t o r i a la n a l y s i so f t h et o po fc l o u da n do p t i c a lt h i c k n e s sc a nb e h e l p f u lt op r e c i p i t a t i o na e r aa n di n t e n s i t ye s t i m a t i o n 1 ( e yw o r d ：c l o u dp a r a m e t e r s ，p r e c i p i t a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ，s t r a t o c u m u l u s d o u d w 南京信息工程大学硕士学位论文 p r e c i p i t a t i o np r o c e s s ，c o n v e e t i v ec l o u dp r e c i p i t a t i o np r o c e s s ，s t a t i s t i c a n a l y s i s v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。本论文除了文中特别加以标注和致谢的内容外，不包含其他人或其他机 构已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京信息工程大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中 作了声明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：鲨壁缸园z 司 关于论文使用授权的说明 南京信息工程大学、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 杂志社、中国科 学技术信息研究所的中国学位论文全文数据库有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，并通过网 络向社会提供信息服务。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保 密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全 部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京信息工程大学研究生部办理。 口公开口保密( 年月) ( 保密的学位沦为在解密后应遵守此协议) 学位论文作者签 指导教师签名： 签字日期：碹! 里二丕二z 签字日期：一 南京信息工程大学硕士学位论文 1 1 选题的目的和意义 第一章引言 降水是直接关系到国计民生的复杂天气现象，夏季强对流更容易造成各类灾害。定量 降水估计，尤其是对产生强降水等灾害性天气的监测和预报，具有十分重要的意义。云的垂 直结构和宏微观特性与降水有密切的关系，是人工影响天气的关键问题。 卫星是唯一能够对从天气尺度到中小尺度等各种云系演变进行同步观测的空间平台， 因此近年来卫星降水估计发展迅速。自2 0 世纪7 0 年代以来，我国对气象卫星发展和应用 非常重视。目前气象卫星已有业务和试验等多种类别，极轨和地球静止卫星也经历了多次 更新换代。伴随气象卫星探测能力的提高，中国卫星遥感基础理论和资料处理方法研究也 取得了很大进展，有些工作在国际上已有重要影响。由气象卫星获取的地球大气信息已经 广泛地应用于大气科学的许多领域，并在灾害性天气监测中发挥了重要的作用u 吨1 。 利用各种卫星资料提取云参数已经作了不少工作。目前通过各种卫星反演获得的云参数 包括云顶高度，云项温度，云粒子有效半径和光学厚度等，而不同的天气背景下形成的云的 垂直结构及特征各不相同。如何将这些云参数结合多种资料联合研究，为定量降水和人影作 业条件的判别等实际业务提供帮助，是一个亟待加强的研究课题。 1 2 关于卫星反演云参数的研究概况 由于云参数具有较强的时空变化特性，卫星遥感将成为云特性观测研究的主要技术手 段。近几十年来，国内外学者广泛开展了云检测、云分类、云光学厚度、含水量、云滴有效 半径等云特性参数的卫星遥感研究。x i o n g 等协1 利用a v h r h 数据在北极地区进行云参数反演 的研究，r o s e n f e l d 等h 3 利用n o a a 上的a v h r r 数据反演云项附近的云粒子有效半径，通过与雷 达回波的对比发现，3 7pm 的辐射中确实包含降水云云顶粒子物理状态的信息，经检验发现 1 4 u m 是产生降水的阈值。赵凤生等隋1 开发出利用n o 从一a v h r r 资料同时反演云的光学厚度和云 滴有效半径的迭代方案。刘健等哺1 利用f 1 一l c 资料反演了水云的粒子有效半径。k i n g m 采用渐 近理论，利用反射太阳辐射反演云尺度化光学厚度。t w o m e y 和c o c k s 阳1 发展了一个统计方法， 利用在近红外区中几个波长上的反射辐射反演了云的光学厚度和有效粒子半径。n a k a j i m a 和k i n g 睁1 0 3 在渐近理论的基础上，使用o 7 5 和2 1 6 u m 波段的太阳反射辐射同时反演云的光学 厚度和有效粒子半径。p l a t n i c k 使用n 0 从a 、，h r r 的通道1 ( 约0 6 u m ) 和通道3 ( 约3 7 u m ) 反演 海上层云的光学厚度和有效粒子半径。国内的邱金桓n 列从理论上探讨了从全波段太阳总辐射 l 南京冬季雾的边界层特征及水汽来源分析 信息反演云光学厚度的一个新方法，并分析了引起云光学厚度解的误差的主要因子。邓军和 白洲”1 使用s b d a r t 辐射传输模式模拟e o s m o d i s 可见光和近短波红外通道的光学特性，分析 了使用这些通道进行云雾光学厚度和有效粒子半径反演的可行性，建立了不同条件下的正演 模拟辐射数据库，在此基础上反演云雾光学厚度和有效粒子半径。叶晶n 钔等利用m o d i s 数据， 主要针对薄的冰云覆盖在低层水云的多层云情形，研究了多层云的光学厚度和有效粒子半径 微物理参数的反演算法。 极轨卫星一天只有两个时次的过顶观测资料，这对于追踪某一特定云系，或着眼于某一 感兴趣的区域来说，是远远不能满足要求的。m o d i s 也有云的微物理特征产品( 光学厚度、粒 子尺度、液水路径等) ，并且应用较为广泛，但m o d i s 每两天才提供一次全球范围的数据，时 间频次低。地面观测虽然布网较广，但观测范围有限。因此还应开发高时间分辨率基于静止 卫星的相应产品。李娟、毛节泰n 5 1 等曾利用g m s - 5 静止卫星资料反演云的微物理特性，但限 于此类静止卫星缺乏对有效粒子半径敏感的中红外( 3 7i lm ) 波段，对云粒子有效半径的反演 存在着一定的困难。 我国自行研发的f 1 一2 c 静止卫星于2 0 0 5 年6 月1 日正式投入业务运行，拥有较高的时 间频次，资料通常为一小时一次，汛期加密至半小时一次。另外2 0 0 7 年f y - 2 d 的发射使得 静止卫星资料的时间间隔缩短至1 5 分钟，双星的联合使得资料整体的时空分辨率达到了前 所未有的水平，十分有利于监测目标云系。f 1 一2 静止卫星其主要探测器为可见光和红外自 旋式扫描辐射计( v i s s r ) ，v l s s r 有两个红外通道，分别为红外通道一( 1 0 3 1 1 3 v m ) ， 红外通道二( 1 1 5 1 2 5 岫) ，基本上和g m s 一5 及a v h r r 的对应通道相同。另外，还有水汽 通道( 6 3 7 6 岫) 和对粒子大小十分敏感的中红外通道( 3 5 4 o 岫) ，这四个通道星下 点分辨率为5k m 。可见光通道( 0 5 5 - - 0 9 0 岫) 星下点分辨率为1 2 5 k m 。周毓荃和陈英英 等n 引利用风云静止卫星的观测资料融合其它多种观测，开发了一套包括云顶高度、云项温度、 过冷层厚度、云光学厚度、云粒子有效半径、云液水路径等近1 0 种云宏微观物理特征参数 系列产品，其中部分产品己于2 0 0 6 年1 月1 日开始向全国人影部门业务发布。因此，利 用f y 一2 c d 静止卫星资料反演得到的云参数研究不同云结构特性及其同地面降水的关系，具 有十分重要的意义。 1 3 国内外云参数的应用研究进展 1 3 1 利用有效粒子半径( 馆) 研究降水 r o s e n f e l d 利用n o a a - i i 上的a v h r r 3 7 u m 通道反演了云有效粒子半径，并于1 9 9 8 年， 2 南京信息工程大学硕士学位论文 通过对连续海洋性对流云中降水形成过程的卫星观测，利用卫星图像的多通道分析来计算对 流云中云滴大小随温度的演化，获取云中降雨形成过程的相关信息。他把对流云垂直结构分 为5 层，提出了代表对流云垂直发展状态的t - 厶( 温度一有效粒子半径) 关系式u 刀。2 0 0 7 年， 他通过c l a i m - 3 d 卫星对云的侧面进行扫描，重新反演了云滴有效半径的垂直廓线、热力学 相态和温度。他用一个新的试验方法( 云扫描仪器) ，从云底到云顶，对云的侧面进行扫描， 获得云滴微物理和热动力状态改进了t n 关系式 1 8 o 多年来，r o s e n f e l d 利用该关系式， 分析了不同情况下的对流云降水形成过程，即云中有效粒子半径随温度的增长情况。 1 9 9 9 年，对t r m m 卫星观测的森林大火区内外的云中的降水和云滴的有效粒子半径( r 。) 研究，发现烟会导致云滴尺度更小，因此碰并效率变小。根据t r e 关系式，烟云在到达- 1 2 。c 时，r 。还低于降水形成的阈值一1 4 u m 。清洁区的云滴r 。在8 。c 时，就超过了阈值1 4 u m 9 1 。 通过t r m m 卫星的多次观测，发现沙尘、空气污染产生的气溶胶会通过影响云粒子有效半径 的分布来影响降水。城市和工业空气污染能完全阻止大面积云顶温度在- 1 0 。c 的云中降水 的形成，污染的云中，云滴的碰并和冰相降水的形成都受到抑制瓤卜2 2 1 。但是含有盐分的大的 沙尘粒子能够增加云滴尺度以致形成降水，海洋飞沫形成的云可以清除海洋上空的空气污染 瞌3 。t r e 增长曲线还可以用来识别和检验云的播撒效果，催化的云在更暖的温度就冻结， 这可以看做是云底催化的强烈冻结标志啪删。冰雹云催化后，t r 。曲线上，有效粒子半径 快速增长，在冻结区粒子仍能增长到很大的尺度，并形成冰雹口”。因此，可以利用t r 。曲 线的增长规律来探测强对流风暴副。 张杰等璐扣蚓利用n o a a 卫星数据，从云在可见光、中红外波段的反射特性分析了一次区 域性冰雹云强对流天气过程中冰雹云的演变及特征，发现雹云具有的粒子有效半径较大，并 在此基础上对多个样本的对冰雹云和其他云的光谱特征进行统计对比分析，认为冰雹产生的 两个重要条件是高的云光学厚度和大的云粒子有效半径共同发生的区域。另外，他还利用 m o d i s 探测器接收资料和气象台站6 h 降水量资料，反演了祁连山区云的光学厚度、云粒子有 效半径以及云液态含水量等参数，结合地理信息系统分析了其随海拔高度变化的分布特征及 其与地面降雨量的关系，结果表明，祁连山区产生降水概率较大的云粒子有效半径在6 1 2 pm 之间协副。廖向花m 1 等利用f y 2 c 静止卫星反演的有效半径，分析了重庆一次冰雹强对流 过程的云微物理参量的变化，发现降雹时云粒子有效半径普遍较大。傅云飞口刀等利用热带测 雨卫星搭载的测雨雷达、微波成像仪及红外辐射计探测的匹配融合结果，就2 0 0 4 年8 月“云 娜”台风进行了个例分析研究，结果表明过程中降水云中大粒子居多，非降水云粒子有效半 径分布宽。赵春生等脚1 模拟分析了海盐气溶胶对云降水形成过程的影响，发现硫酸盐气溶胶 粒子对云微物理特性影响很大，云中液态水含量基本上与海盐和硫酸盐粒子的初始数目，由 3 南京冬季雾的边界层特征及水汽来源分析 于液态水含量不变，随着云滴数目的增加，云滴的有效半径减小。 1 3 2 利用光学厚度研究降水 云光学厚度是用于描述云辐射特性最重要的参数，刘健等利用f y l d 和n o a a 等极轨 卫星反演得到的云光学厚度和地面降水数据，研究了云光学厚度与地面降水之间的关系。他 对比发现，地面降雨区与高空云光学厚度大值区相匹配。地面雨量基本与云光学厚度间呈现 正相关，即地面无雨量观测，对应云的光学厚度很小；地面大雨量，对应的云光学厚度较大 啪】。刘晓春和毛节泰通过分析m o d i s 反演的云光学厚度与云水含量的相关关系，给出了云 中液水含量与云光学厚度的统计关系研究，他们利用微波辐射计观测资料及飞机观测资料， 得到了二拟合关系式，可以看到两者相关较好m 1 。陈英英等利用f 7 2 c d 反演的云参数产品， 对比分析了降水过程中雷达回波和小时雨量，发现反演的光学厚度与地面强降水中心能够较 好的吻合。云液水路径的大值区与同时段地面的加密雨量的强降水中心的位置基本一致，云 液水路径的大小与地面雨量的大小呈正相关关系“m 1 。张杰等n 1 对冰雹云强对流天气过程 中冰雹云的演变及特征的研究发现，冰雹产生的两个重要条件是高的云光学厚度和大的云粒 子有效半径共同发生的区域面。对祁连山区云的光学厚度与地面降雨量的关系的研究结果表 明，祁连山区产生降水概率较大的云光学厚度在8 - - - 2 0 之间。 1 3 3 云参数在人影中的应用研究 卫星反演的云参数在人工影响天气作业效果分析也开展了初步的应用研究。宛霞等h 引 使用f y 2 c 的卫星资料对北京区域的云层进行分析研究，分析了多次消云减雨试验中卫星反 演数据的变化。李宏宇h 钉等利用f i 7 2 c 静止卫星资料反演的云物理宏微观特征参数初步分析 了奥运会开幕式期间地面火箭消( 减) 雨作业的物理响应，发现8 月8 日夜间作业较集中的 时段，作业区附近的云顶高度明显下降，云体发展受到抑制，液水路径减少，有效半径也明 显减小，不利于降水的形成。张蔷n 5 1 等对8 月8 日飞机、地面火箭作业效果进行分析发现， 地面火箭大规模消云减雨作业后，雷达回波强度明显减弱，雷达回波趋于消散，卫星资料反 演的云项高度和云粒子有效半径也能比较清楚地显示出大规模作业后的效果。杨道侠和张蔷 h 6 3 利用f y 2 2 c 卫星云参数产品分析了2 0 0 8 年8 月8 日北京消( 减) 雨作业过程，结果显示， 同一时刻液水路径、云粒子有效半径、云顶高度、云项温度的绝对值和云体过冷层厚度的大 值区分布一致；作业前后液水路径、云粒子有效半径、云顶高度、云项温度和云体过冷层厚 度变化明显。王俊等利用f y 静止卫星反演的云参数的时空演变规律来做“十一届”全运会 4 南京信息工程大学硕士学位论文 期间几次人工影响天气的作业条件判别h 卜蚺】。 刘星光等h 们对一次人工增雨作业过程的分析，初步讨论了卫星反演产品在人工增雨作 业指挥中的指导作用，利用反演得到的云顶温度、高度和云粒子有效半径可以用于选择最佳 增雨作业区域，结合作业前后这三个参数变化的情况，还可初步检验增雨作业的效果。唐仁 茂等呻3 针对2 0 0 7 年湖北省在鄂东地区组织的4 次外场试验作业，分析了f y 2 c 卫星反演云参 数特征，发现f y 2 c 反演的云参数不能有效地检验强对流云的催化效果，而对于层状云，云 顶高度上升，云顶温度降低，过冷层厚度增大，有效粒子半径维持大粒子水平，云顶黑体亮 温下降。戴进等晦通过卫星观测到的一次人工增雨催化作业后形成的云迹线个例，分析了云 迹线与其周围云的光谱特征、亮温、亮温差、云顶粒子有效半径等云微物理特征，比较了它 们之间的差异，揭示了这次过冷层状云催化的微物理效应。 1 4 强对流降水特性的研究进展 通过云结构的变化研究强降雨的发展规律，主要的进展有：漆梁波嫡羽通过上海一次特 大暴雨的非常规资料分析发现，集中降水的产生大多是由于云团的合并加强，云团的发展同 地面降水发展有很好的对应关系。何立富嘀3 1 等研究表明中尺度的云团合并加强会导致特大暴 雨。胡雯嘲1 等分析了淮河流域致洪大暴雨的中尺度特征，发现暴雨区伴随着中尺度云团、雨 团的强烈发展，强降水主要是由小的中尺度云团的生消合并造成的。李玉林哺乩等对夏季对流 云降水资源分析发现，合并的对流云降水单体液态含水量大于普通对流云降水单体，但合并 对流云降水单体的降水效率却小于强对流云降水单体。 现有的分析对流云团引发的强降水过程的主要手段是分析云顶黑体亮温和雷达回波的 演变特征5 们。利用雷达资料可以研究对流云合并过程中的回波特征，对流云合并的方式、 对云系发展的影响。王荣华等”应用2 0 0 6 年6 月6 日0 0 时至7 日0 6 时四川地区的自动站 降水资料和f y 2 c 静止卫星红外亮温资料，分析发现1 小时内的最低红外亮温和红外亮温增 量两因能很好地表征地面1 小时累计降水量，且能有效地进行四川地面1 小时降水估算，并由 此建立了估算降水方法。胡波等哺2 1 通过分析2 0 0 5 2 0 0 8 年影响浙江的梅汛期强降水云团的云 项1 小时变温和亮温梯度与1 小时强降水中心移动路径的落区，指出梅汛期二者无明显配对 模型。翟菁m 等研究两个中尺度对流系统的形成演变过程中的对流云合现象，发现合并过程 单体之间下沉气流激发出的新生积云塔起到重要的作用，新生单体通过“回波桥”与老单体 相连从而完成合并过程。左平昭懈1 等分析了闽东地区夏季对流云的回波特征，结果表明多单 体合并对流云在生命史、回波高度、强度、尺度等方面都超过了单体对流云，其液态含水也 更大，自然降水条件和人工影响潜力都优于单体对流云，是夏季降水和人工催化的主要云系。 5 南京冬季雾的边界层特征及水汽来源分析 1 5 科学问题的提出及本文研究的目的和内容 以上这些研究，很多都是利用极轨卫星资料反演得到的云参数进行的相关研究。虽然 极轨卫星具有很高的空间分辨率，和一定的观测精度，但它1 天只有2 次的观测，远不能满 足实际应用的需求，无法连续跟踪云系的发展演变。且在实际应用中，仅凭有效粒子半径或 t b b 等单一的云参数，无法精确全面的估计降水的。国外r o s e n f e l d 的研究大多是建立在对 流云的基础上，主要对象为近地层激发开始的一个连续发展对流云系，这对于我国北方的层 状云系降水过程不能完全适用。对流云合并更容易引发强降水，但过去的研究一般主要关注 了对流云团的云顶信息( 主要用亮温资料分析) ，在云团的合并过程中，云的宏微观物理特 性演变并不清楚。雷达观测到的是雨滴，而不是小尺度的云滴的分布演变，不能得到云的垂 直结构。欧建军和周毓荃阳朝针对l 波段的无线电探空秒数据，对比分析了几种探空分析云层 的方法，并用多种资料进行对比验证，发现利用相对阈值法可以较为精确的分析出云层的垂 直结构。 本文利用f y 2 c d 卫星反演获取的卫星云物理特性参数，通过两次不同天气背景下的降 水过程中的云参数演变特征和地面降水变化特征的研究，结合雷达、探空和微波辐射计等资 料，初步分析得出层状云和对流云的云和降水的时空演变规律。在此基础上对0 8 年5 月- 1 2 月几次降水过程里云参数和降水的统计分析，探讨不同云结构下云参数及地面降水的分布规 律，研究这些云参数和降水间的定性和定量关系。这将会帮助我们更加深入地了解云降水物 理机制，提高对降水的估计，从而指导实际的人影作业，为降水精细预报和人工影响天气作 业条件分析提供帮助。 6 南京信息工程大学硕士学位论文 第二章资料及主要研究方法 本章首先介绍论文所用的卫星观测资料及与云参数反演结果进行对比分析的资料，主要 有：地面雨滴谱观测资料、m i c a p s 小时降水资料、雷达观测资料、无线电探空秒数据等。 第二部分介绍论文研究的主要方法，包括云参数和地面站点的时空转换，探空云分析方法和 云垂直结构的t - r e 方法。 2 1 资料介绍 2 1 1f y - 2 c d 卫星反演云参数产品介绍 f y - 2 c 卫星是我国自主研制的地球轨道气象卫星，也是我国第一颗业务型地球静止轨道 气象卫星。2 0 0 5 年6 月1 日，f y - 2 c 星地面应用系统正式投入业务运行，其拥有较高的时 间频次，资料通常为- 4 , 时一次，汛期加密至半小时一次。另夕b 2 0 0 7 年f 1 一2 d 的发射使得静 止卫星资料的时间间隔缩短至1 5 分钟。自2 0 0 6 年起，周毓荃，李娟，毛节泰，陈英英等基于 f y - 2 c d 静止气象卫星的这些条件，利用其探测资料，结合其它观测联合反演，开发了一套 包括云顶高度、云顶温度、过冷层厚度、云光学厚度、云粒子有效半径、云液水路径等云宏 微观物理特征参数系列产品( 表2 1 ) ，其中部分产品已于2 0 0 6 年1 月1 日开始向全国人影部 门准业务发布，产品在实际中得到了一定的应用。数据为等经纬度格点格式，覆盖范围为 0 6 0 。n ，7 0 1 5 0 。e ，分辨率统一为0 0 5 。 表2 1基于f y - 2 c d 卫星反演云参数部分产品 名称定义 意义 云顶高度 ( z t o p ) 云顶温度 ( r o p ) 云粒子有效 半径( r e d 云项相对地面的距离，单位为( k m ) 有助于了解云系的发展程度和演变趋势。 云顶所在高度的温度，单位为( ) 可用于进行人工增雨云系播云温度窗的 选择。 在俘篓蚕曼喜变：兰：号彗罂萋件下，云 可用于进行云项粒子大小的判断 顶粒子的有效半径，单位为( p m ) 1 “”1 霉薹芝盎亍 。层到云顶之间的厚度，单位为( k m ) 可用于了解云系冷暖云垂直结构配置 云芍学孑度是指云系在整个琶恕光的总和，为无 可用于了解云系垂直方向云体厚实程度 ( t ) 量纲参数 1 “”“一2 4 “”“”1 哆娈路譬是指单位面氅亏笆鼍笔手亨套向的液水总 可用于了解垂直方向上云水的丰沛程度 ( 1 w p ) 量，单位为( g m 2 ) 。1 “。”2 8 “”。一“”一”8 “ 7 南京冬季雾的边界层特征及水汽来源分析 2 1 2 雨滴谱资料介绍 p a r s i v e l 是以激光为基础的新一代高级光学粒子测量器及气象传感器，可同时测量降水 中所有液体和固体粒子的尺度和速度，它采用的是直接测量体制，并对降水进行分类。仪器 的采样时间间隔为1 0 s ，采样面积s