卫星测量云层结构的概述和云光学和微观物理学的属性
Fu-Lung Chang兰利研究中心,NASA,美国弗吉尼亚州汉普顿(电子邮件保护)
卫星观测是唯一的手段获取云属性对全球尺度的连续调查。许多raybet雷竞技最新气候和天气预测模型评估使用采用卫星产品。云的评价一直主要云数量有限,部分原因是传统卫星遥感技术不能提供详细信息云垂直结构,部分原因是传统卫星检索的检索算法假设单个云层。越来越多的关注正在云领域的垂直结构。然而,观察云层全球尺度稀缺和不可靠的数据模型评估。单层的假设并不emcompass云层的重叠或云垂直结构的不均匀性。在自然界中,重叠上层卷和低级层云经常发生。因此,比较的云垂直结构来自卫星测量和模型仍然是一个挑战。本文讨论了一些问题与单层假设用于当前卫星云遥感技术。假设代表一个云垂直结构的卫星观测的主要缺陷。一些差异引起的不同卫星检索算法和一些改进增强卫星上的检索算法讨论了基于作者的研究工作。可靠的全球云计算和辐射测量需要为了评估和改善全球气候和天气预报模型的性能。raybet雷竞技最新最近启动的叫做“雷达和“激光雷达和红外探路者卫星观测(卡利普索)任务在“a”的编队飞行卫星星座预计将提供大规模的空间和时间的观察云的垂直剖面属性。
1。介绍
云起主导作用在地球的气候及其变化。raybet雷竞技最新他们强烈影响辐射能的平衡水循环。云在气候模型的精确表示的一个核心问题在改善全球气候建模。raybet雷竞技最新现,卫星遥感观测云的惟一手段和其他气候变量在全球范围内。raybet雷竞技最新卫星观测提供了丰富的信息与云水平分布和column-integrated光学特性。然而,有一个缺乏信息关于云气候学的垂直结构。忽略了云垂直分布可以对地球有很大的影响短波和长波辐射通量(Wielicki et al ., 1995, 1996;周et al ., 1998, 1999)。环流模型(GCMs)模拟云分数和云各级水/冰内容。使用不同的假设云重叠的计划在全球大气环流模型会导致相当大的变化云辐射强迫和建模环境。raybet雷竞技最新
中等分辨率成像前Spec-troradiometer (MODIS)仪器在美国国家航空航天局地球观测系统(EOS)泰拉和阿卡卫星,我们云已经获得的知识主要是通过国际卫星云气候学项目(ISCCP)数据产品(Rossow et al ., 1991;Rossow希弗,1999)通过一系列的极轨和地球同步卫星测量由国际空间仪器很喜欢NOAA推进高分辨率辐射计(AVHRR)和地球同步运行环境卫星(GOES),日本静止气象卫星(GMS)和欧洲地球静止气象卫星(气象卫星)。由于有限的光谱通道提供的这些卫星仪器,云属性的检索认为单层云获取他们批量(例如云柱光学深度)或云顶(如温度、液滴有效半径)的属性。几乎没有关于云垂直结构的观测信息。
云垂直结构信息的缺乏导致部分缺乏敏感性垂直结构在当前被动卫星传感器,以及采用的反演算法的不足在当前卫星检索方法(Chang和李,2005)。例如,云顶高度数据在现有卫星产品给一个有效的云发射高度,如ISCCP云数据产品,或至上云层的高度的MODO6 MODIS云数据产品(王et al ., 2003;关于et al ., 2003)。这些云顶高度不能揭示云的垂直结构,因为他们的检索方法假设只有一个单层的云。云的垂直分布,比较来自卫星和气候模型面临的主要困难。raybet雷竞技最新
知识需求的云的垂直分布模型模拟的所有方面。例如,在测试云重叠计划在全球大气环流模型,不仅需要理解的水平分布云也他们的垂直分布。测试结果cloud-resolving模型(有证),有必要的观察云的高度分布在高空间分辨率。另外,在测试中化学传输模式包括二氧化硫的转换成硫酸盐颗粒在层云,云分层准确信息是必需的。
在2006年,国家航空和宇宙航行局(NASA)美国发射了两个活跃的卫星传感器:Cloud-Sat雷达(Stephens et al ., 2002)和“激光雷达和红外探路者卫星观测(卡利普索;睫毛et al ., 2002)。叫做“和卡利普索的使命是一个卫星的实验主要旨在提供测量空间的云的垂直结构。叫做的发射和卡利普索加入下午‘a’紧密编队飞行卫星星座。“卫星编队飞行由六飞在身边。鉴于两个传感器只提供nadir-pointing视图的地球卫星轨道,需要一段时间的观察积累足够的云样本开发一个可信的云分层数据对全球尺度的气候学。重要的测量从叫做“卡利普索是云的垂直概要液体和云物理和冰水和相关内容辐射特性在全球范围内不可用,但所需的全球模型的定量评价。
2。云在气候问题raybet雷竞技最新
系统
云中的不断变化的特性从太空看到的地球大气层。他们不仅作为源和汇的全球水循环,但也占据了太阳能流入气候系统,同时重新分配的非raybet雷竞技最新绝热加热系统(韦伯斯特和史蒂芬斯,1984;斯蒂芬斯et al ., 2002)。目前的建模活动准确捕捉云层的变化由于气候变暖已经放缓。raybet雷竞技最新云反馈进展甚微的研究,讨论了在评论由史蒂芬斯(2005)。云可以重新分配气候系统的能源和水,甚至一个小扰动在他们可以产生大影响地球的气候。raybet雷竞技最新
最先进的全球大气环流模型仍不能令人信服地模拟云过程(Rossow希弗,1991;米切尔,1993 a, b)。来自世界各地的全球大气环流模型的比较(地方税et al ., 1990;发出火花的,1991)记录GCM模拟的敏感程度不同的假设关于云。的差异导致非常不同top-of-atmosphere(TOA)辐射强迫和气候响应。raybet雷竞技最新大多数全球大气环流模型显示一个云量减少的趋势和云高度增加,气候变暖,特别是对于低,中层云。Radiative-convective模型建立在观察增加云液态水与温度显示消极的云光学深度反馈(萨默维尔和rem, 1984;贝茨和Harshvardhan, 1987)。另一方面,卫星云检索建议倾向于低云层光学深度降低变暖(Tselioudis et al ., 1992;Chang和麻省,2007)。这是模型相反的倾向。这个模型可以产生积极或消极的云光学反馈,这取决于他们的云参数化。当前的模型不能令人信服地确定云是否会增加或减少气候变暖。raybet雷竞技最新缺点是物理充分可靠的云观测限制在全球大气环流模型云的治疗过程。 Such observations are crucial for determining云强迫云,云的变化,改变气候变暖。raybet雷竞技最新
3所示。目前的评估卫星测量云
为目前使用最广泛的卫星云产品的评估GCM云是ISCCP的世界气候研究raybet雷竞技最新计划。ISCCP提供了一个悠久的历史(1983年以来)的全球观测云水平覆盖(云),云顶高度(温度),和云光学深度。Rossow和希弗(1999)报道,年平均全球平均云数量根据ISCCP c系列的数据是63%,升至68%的新的d ISCCP产品。斯托et al。(2002)和自己et al。(2003)编制10年(1985 - 1994)云从CLAVR气候学(AVHRR)云数据集的NOAA AVHRR探路者大气项目(帕特莫斯),并发现了一个常数,而是全球云月平均-52%金额的48%。ISCCP之间的不同的云数量和CLAVR归因于不同的云检测技术使用的两个算法。斯托et al。(2002)表明,CLAVR往往是更为保守的保护阴暗的光芒,所以大部分变量多云像素分为混合像素,分配50%的云层。另一方面,ISCCP往往将混合像素视为完全阴暗的云覆盖率为100%。绝大多数的混合像素没有完全被云层覆盖,ISCCP-derived云数量往往是高估了(Chang和科克利,1993;麻省et al ., 2005)。
3.1。云顶高度和光学深度
ISCCP云顶高度是检索使用红外(IR)窗口11¡m通道光谱测量,是一种常见的通道可以从所有气象卫星仪器,包括AVHRR、梵、GMS,气象卫星。有优缺点关于11¡m光辉的使用来衡量云顶高度(门泽尔et al ., 1992;金et al ., 1996;Chang和李,2005)。主要关注的11项m通道是著名的11米亮度温度不是一个好的测量云顶的位置等半透明云卷云(Liou, 1986)。
MODIS仪器提供了36通道的高分辨率图像数据(王et al ., 2003;关于et al ., 2003)。CO2-slicing MODIS-measured光芒方便使用的方法来确定云层压力(夏英,1974;史密斯和普拉特,1978;威利和门泽尔,1989)。CO2-slicing方法是基于多个探测通道在著名15米吸收二氧化碳的乐队。方法适用于检索云压力为中层上层云层。CO2-slicing方法的一个优点是能够确定半透明的卷云的高度。这种方法的缺点是它的应用仅限于中层和高级云,但不是低端云层因为他们的低信噪比(Wielicki麻省,1981)。因此,MODIS云产品(MODO6)使用CO2-slicing操作方法检索超过700 hPa云顶压力,但使用11¡m通道来确定低云层的高度低于700 hPa(门泽尔et al ., 2002)。
最近开发的一种新方法Chang和李(2005)结合MODIS mul-tispectral CO2-slicing方法与传统的可见光和红外窗口方法来确定单层和重叠云的云顶山庄。应用广泛的新方法(极地地区除外)Terra / MODIS数据在2001年,他们报道双峰分布的云顶高度、云计算与云躺主要政权(200 - 350 hPa)和低云层政权(650 - 800 hPa)。双峰分布显示最低在500年和600年之间的朦胧hPa。
为了说明三种方法的差异,图1显示了云顶压力的频率的比较和云光学深度检索的新方法,常和李(2005)(无花果。MODIS 1 (a)]
-
- 图1所示。比较云顶的压力和云光学深度派生通过应用三种不同的检索算法:(a) Chang和李(2005),(b) MODIS (MODO6)和(c)模拟ISCCP算法的一天(2003年3月6日)的MODIS辐射数据。
操作方法(MODO6收集004)(无花果。1 (b)], ISCCP方法的仿真(无花果。1 (c)]。图中显示的结果通过应用三种不同的方法得到相同的MODIS辐射数据,2003年3月6日,从60°S - 60°N。三种方法导致云层结构明显不同。所讨论的Chang和李(2005),他们的新方法处理单层和重叠而MODIS云运营产品重叠时,忽略了潜在的低云层上层卷。所建议的Chang和李(2005 b), MODIS运营产品(M0D06)[无花果。1 (b)]低估低端云层的出现,特别是在地区丰富的卷云,像热带和中间纬度风暴。这是因为当高级云由MODIS C02-slicing检索方法,M0D06产品忽略任何潜在的低云层。另一方面,基于11项模拟ISCCP方法m通道高层卷云在较低海拔的地方。 For cirrus overlapping low clouds, the ISCCP method retrieves a biased single-layer mid-level cloud. The biased mid location depends on the opacity of the cirrus and underlying low-level cloud.
3.2。云卷云重叠的低
卷云经常重叠低层云。船舶表面观察很少单独报告现有卷云(沃伦et al ., 1985)。当卷云是目前,大多数卫星检索方法忽略了较低的云卷下通过假设只有卷云的存在。因此,光芒从cirrus-overlapped通过卷云可以影响satellite-measured低信号。例如,底层低云层光学深度可以被误解为与上面的卷云。
图2显示了一个案例研究为云领域包含cirrus-and-stratus重叠系统观察2001年4月2日,1715 (UTC),当Terra MODIS过去了
图2。比较云顶压力和云的光学深度来自(a)的方法常和李(2005),(b) MODIS运营产品(MOD06)和(c) ISCCP算法的模拟卷层在层云观测2(500公里)的区域集中在手臂Okhlahoma北部的中央机构网站。
图2。比较云顶压力和云的光学深度来自(a)的方法常和李(2005),(b) MODIS运营产品(MOD06)和(c) ISCCP算法的模拟卷层在层云观测2(500公里)的区域集中在手臂Okhlahoma北部的中央机构网站。
在美国能源部(DOE)大气辐射测量(ARM)程序的中央工厂地面站点在俄克拉何马州北部(阿克曼和斯托克斯,2003)。图中显示比较联合直方图的云顶压力和云光学深度检索使用的三种方法。证实了地面雷达和激光雷达测量,Chang和李(2005)的方法(无花果。2 (a)]检索一个上层卷层与小光学深度和低级层一层更大的光学深度。MODIS产品(MOD06收集004)(无花果。2 (b)]也检索上层卷层,但没有低级的云。也曲解了自己的重叠系统作为光学厚层的上层云。模拟ISCCP方法(无花果。2 (c)]误读了重叠系统mid-to-low-level云系统,不单独上下云。单层的假设导致底层低端云层消失的MODIS产品和混合物的上层与低级层云卷成一个中层云模拟ISCCP检索。 The discrepancies among the three cloud layer pressures as shown in Fig. 2 can have a significant impact on the evaluation of the vertical distribution of clouds generated by models. The differing resultant optical depths for upper-level clouds can also have a significant impact on cloud forcing at TOA and the heating profile within the atmosphere.
3.3。云顶高度的双峰分布
Chang和李(2005 b)显示一个明显的双峰分布的云顶高度检查Terra MODIS数据时(不包括height-latitude地区)为1月,4月,7月,2001年10月。他们的算法歧视高云,定义为云顶压力< 500 hPb,分成三个类别:(1)High1单层卷,(2)High2重叠卷云的底层云低,和(3)High3光学厚高云,不能确定重叠的情况。表1给出了不同类别的单层和重叠高云,连同两类低云层定义为云顶压力> 500 hPa Low1是单层低云不再掩饰了上层云和Low2重叠低云层与High2共病。
图3显示了云的出现频率最高压力获得了单层和重叠的类别,获得海洋(上子面板)和土地(底部安装板)为每个2001年四个月。指出,因为在处理破碎的云的挑战不填补多云的成像仪像素,云上的频率分布压力只获得了如图3所示为每个5公里区域是阴暗的。5公里的地区确定使用MODIS收集004云掩模产品(MOD35;阿克曼et al ., 1998)。月平均阴沉的云
表1。单层的分类、重叠和高厚云和相关的云顶压(Pc)和11 / m云辐射率(ec)。
云类型云的属性
High1单层卷(Pc < 500 hPa和sc < 0.85)
High2重叠卷(Pc < 500 hPa和Low2£c < 0.85)
High3高厚云(Pc < 500 hPa和ec > 0.85)
Low1单层低云(Pc > 500 hPa)
Low2重叠低与High2云(Pc > 500 hPa)
单层云:High1和Low1 o High2(重叠卷)Low2(重叠低)
继续阅读:台风及梅雨Formosat3Cosmic数据预测的影响
这篇文章有用吗?