利用MFRSR反演西北混合相和沙塵云光學及物理特性的研究.pdf

1、云作為地球輻射收支系統(tǒng)的重要調(diào)節(jié)器，在大氣能量循環(huán)、水汽循環(huán)甚至在地球氣候系統(tǒng)中扮演著非常關鍵的角色。云對地表和大氣層頂?shù)妮椛渫恳约按髿庵休椛淠芰吭俜植嫉挠绊?，主要取決于云量、云的相態(tài)和光學厚度等信息。我國西北地區(qū)作為干旱半干旱區(qū)典型氣候特征的代表區(qū)，混合相云和沙塵云成為該地區(qū)一種非常普遍的云的存在類型，增加了該地區(qū)云的光學和物理特性研究的復雜性，因此建立相關的反演算法將顯得尤為重要。本論文基于地基遙感儀器多濾波旋轉(zhuǎn)影帶輻射儀(MFR

2、SR)獨特的觀測幾何和準確的大氣透射觀測，分別發(fā)展了薄混合相云、沙塵云光學特性的反演算法，也提出了精確估計天空云量的光譜透射率比值方法。通過理論上的敏感性試驗以及蘭州大學半干旱氣候與環(huán)境觀測站(SACOL)和中美沙塵暴聯(lián)合觀測實驗移動觀測站(張掖和景泰站)實時觀測資料的評估和驗證，取得了令人滿意的結(jié)果。 我們利用MFRSR的直接輻射和總輻射兩個瞬時光譜觀測，在輻射閉合的假定下，根據(jù)水云和冰云散射相函數(shù)的不同所引起的直接輻射及總輻

3、射的差異，推斷冰云和水云光學厚度混合率并識別云的熱動力相態(tài)信息，繼而精確估計薄混合相云的光學厚度。對該方法而言，1％的輻射觀測誤差所引起的總云光學厚度和混合率反演最大不確定性分別為8.4％和0.107；根據(jù)前向散射模擬以及SACOL、張掖和景泰站實時觀測資料的評估和驗證發(fā)現(xiàn)，基于云相識別的薄混合相云反演算法使直接輻射和總輻射反演的云光學厚度高度一致：兩者之間的斜率為1.084，相關系數(shù)為0.96，均方根誤差為0.679；因云粒子有效半徑

4、的差異所引起的太陽直接輻射和總輻射反演的云光學厚度的最大偏差(相對誤差)分別為0.21(7.9％)和0.30(9.4％)。因此，該反演算法不僅能夠精確反演薄混合相云的光學厚度，而且也提供了多云條件下薄混合云中獨一無二的水云和冰云光學厚度混合率。 另外，本文也利用MFRSR光譜輻射觀測成功提出了進行云量估計的透射率比值方法(Ratio Method)。該方法主要基于云和晴天氣溶膠的光譜特征來區(qū)分天空云分數(shù)(即云量)。敏感性試驗和實

5、際觀測表明，所選擇波段的透射比對太陽天頂角和主要的大氣氣體吸收是不敏感的。由于該算法中具有當?shù)卦铺旌颓缣毂尘暗呐袛?，因此比值方法的反演則不依賴于儀器的絕對校正，與云和氣溶膠光學特性的變化僅表現(xiàn)出微弱的關系，本質(zhì)上減小了反演的不確定性，且其不確定性小于10％。由于窄帶光譜輻射計觀測目前非常廣泛，這個簡單的比值方法將本質(zhì)上增強云量觀測的能力。 基于非球形沙塵氣溶膠的散射特性，本文還發(fā)展了一種能夠反演沙塵云中沙塵氣溶膠光學厚度的方法。