衛(wèi)星（IASI探測儀）觀測云頂高與地基云雷達(dá)觀測的對比驗證

張艷品1, 2, 3 章文星1 呂達(dá)仁1 畢永恒1

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衛(wèi)星（IASI探測儀）觀測云頂高與地基云雷達(dá)觀測的對比驗證

張艷品章文星呂達(dá)仁畢永恒

1中國科學(xué)院大氣物理研究所中層大氣與全球環(huán)境探測重點實驗室，北京100029;2成都信息工程學(xué)院，成都610225;3石家莊市氣象局，石家莊050081

IASI（Infrared Atmospheric Sounding Interferometer）是搭載在歐洲METOP-A衛(wèi)星上，采用干涉分光技術(shù)的新一代超高光譜紅外大氣探測儀器，其光譜測量范圍涵蓋了多個吸收帶，可用于反演大氣、海洋、云和大氣成分，為地球大氣遙感、氣象業(yè)務(wù)和科學(xué)研究提供了豐富的遙感資料，是各國學(xué)者關(guān)注的又一熱點。為深入了解IASI在國內(nèi)的云產(chǎn)品情況，本文利用2008年10月15日～12月15日期間IASI在安徽壽縣地區(qū)的云參數(shù)觀測資料和中美 [美國能源部大氣輻射測量（ARM）計劃] 聯(lián)合在安徽省壽縣進(jìn)行大氣輻射綜合觀測試驗期間，相同時段云雷達(dá)[ARM W-band (95 GHz) Cloud Radar，WACR]的觀測資料進(jìn)行了對比分析和驗證。在以壽縣ARM移動觀測設(shè)施（AMF）為中心，半徑為20 km的范圍內(nèi)，IASI（2次/d）共有有效觀測129次，其中與WACR（1次/2 s）匹配的IASI有效觀測共80時次。結(jié)果表明：對于單層云，二者云高相關(guān)系數(shù)為0.8312，標(biāo)準(zhǔn)差為1.8423 km；對于雙層及多層云，IASI反演云頂高結(jié)果絕大多數(shù)在WACR的最上和最下層云之間，且靠近較厚的云層。對比結(jié)果顯示，一般情況下，IASI反演云頂高結(jié)果明顯低于WACR；IASI反演云頂高結(jié)果受到視場中云量、云層厚度及云層中粒子濃度大小的影響：視場中云量越大，云層越厚，云層中粒子濃度越大，IASI反演云高的結(jié)果越接近真實云高。

IASI 云雷達(dá) 云頂高 對比

1 引言

云覆蓋了地球表面50%以上的面積，對全球能量循環(huán)和水循環(huán)具有不可忽視的作用，它是影響全球氣候變化和大氣輻射傳輸過程的重要因子（Ohringand Adler，1978）。研究表明，云頂高度在眾多云物理參數(shù)中是十分重要的。因此，如何及時獲取準(zhǔn)確的云高信息，一直以來都是人們廣泛研究的熱點。云觀測資料的獲得主要分為空基遙感和地基觀測兩個方面。衛(wèi)星探測云參數(shù)和地基探測云參數(shù)因為探測方式、探測范圍和反演方法的精度和誤差不同而各自存在優(yōu)缺點（邱金桓等，2005）。相對地基探測而言，衛(wèi)星遙感有覆蓋范圍廣、信息量大、重復(fù)頻率高等優(yōu)勢。但衛(wèi)星探測存在空間分辨率不夠高和時間不連續(xù)的缺點，往往需要利用地基觀測獲得的高分辨資料對衛(wèi)星探測結(jié)果進(jìn)行驗證與補(bǔ)充，并由此形成了當(dāng)前天—地基聯(lián)合云觀測的研究應(yīng)用方向（呂達(dá)仁等，2003）。對于天地聯(lián)合遙感的研究，國內(nèi)外科學(xué)家們都已經(jīng)作了很多研究工作。Kim et al.（2011）進(jìn)行了星載激光雷達(dá)（Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization, CALIOP）云頂高產(chǎn)品和中分辨率成像光譜儀（Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）云頂高產(chǎn)品的對比分析；曹蕓等（2012）利用地面觀測資料對MODIS云量產(chǎn)品進(jìn)行了訂正；周非非等（2010）對主要由FY-2C/D衛(wèi)星觀測資料反演的云頂高度與多普勒雷達(dá)回波頂高的關(guān)系做了初步探討；陳延娣等（2008）利用熱帶降水測量衛(wèi)星TRMM對Bonnie颶風(fēng)數(shù)據(jù)和機(jī)載雷達(dá)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，印證了TRMM衛(wèi)星數(shù)據(jù)的可靠性，并同時驗證了雙束—立體雷達(dá)算法的可靠性。近年來，隨著高光譜探測技術(shù)的快速發(fā)展和數(shù)據(jù)處理能力不斷提高，星載或機(jī)載高光譜大氣探測儀器的研發(fā)和應(yīng)用越來越受到各國的廣泛關(guān)注，如光柵式紅外大氣探測儀AIRS（Atmospheric Infrared Sounder）和干涉式紅外大氣探測儀CrIS（Cross- track Infrared Sounder）（劉輝等，2006）。而裝載在歐洲極軌氣象衛(wèi)星METOP上的IASI（Infrared Atmospheric Sounding Interferometer）是新一代超高光譜探測儀器，其采用邁克爾遜干涉技術(shù)，紅外光譜范圍為3.62～15.5mm，可獲得8461個光譜通道的數(shù)據(jù)，光譜分辨率為0.25cm, 同時附有一個成像系統(tǒng)，可用于反演大氣、海洋、云和大氣成分。其獲得的大氣溫濕廓線垂直分辨率為1 km，測溫精度為1 K，測濕精度為10%，故真正實現(xiàn)了高光譜和高精度紅外探測（Lavanant et al.,2011）。目前IASI反演產(chǎn)品已作為業(yè)務(wù)產(chǎn)品實時發(fā)布。歐洲氣象衛(wèi)星開發(fā)組織（EUMETSAT）持續(xù)對IASI產(chǎn)品的反演算法進(jìn)行了改進(jìn)，并利用地基、空基觀測結(jié)果和其他衛(wèi)星的反演產(chǎn)品進(jìn)行了對比驗證（Augustet al., 2012），其中，利用德國林登貝格氣象站35.5 GHz云雷達(dá)對IASI云頂高產(chǎn)品進(jìn)行的對比表明，對于高云（即使有效云量很少）和不透明陰沉的較低云，IASI與云雷達(dá)有很好的一致性，而對于中云和低云，二者的一致性會隨著視場內(nèi)有效云量的減少而降低。雖然國內(nèi)已有相關(guān)文章對IASI儀器的先進(jìn)性、探測能力和數(shù)據(jù)產(chǎn)品的應(yīng)用進(jìn)行了介紹（張磊等，2008；劉毅等，2011），但目前還沒有對IASI云產(chǎn)品進(jìn)行實際驗證的相關(guān)研究。2008年5月至12月，中美（美國能源部大氣輻射測量（ARM）計劃）聯(lián)合利用ARM移動觀測設(shè)施（AMF）在安徽省壽縣進(jìn)行了綜合觀測。ARM W-band (95 GHz) Cloud Radar云雷達(dá)（以下簡稱WACR）是地基云參數(shù)觀測的主要儀器（彭亮，2011）。本文選取2008年10月15日～12月15日期間IASI在安徽壽縣上空的云參數(shù)（云頂高）觀測資料和相同時段WACR觀測資料進(jìn)行了對比分析，給出了對比分析結(jié)果，并對兩種觀測產(chǎn)生差異的原因進(jìn)行了分析，以期IASI云產(chǎn)品在實時氣象業(yè)務(wù)和氣象科學(xué)研究中發(fā)揮更大的作用。

2 儀器、數(shù)據(jù)及方法

干涉式紅外大氣探測儀（IASI）

METOP系列衛(wèi)星共有3顆，其中METOP-A和METOP-B已分別于2006年6月和2012年9月發(fā)射，METOP-C計劃于2016年年底發(fā)射，其主要任務(wù)是提供天氣服務(wù)、支持實用氣象學(xué)研究和對氣候?qū)W的監(jiān)測。METOP衛(wèi)星運(yùn)行在高為800～850 km、傾角為98.7°的太陽同步軌道上，每天09:30（協(xié)調(diào)世界時，下同）從北向南（降交點）經(jīng)過赤道上空，軌道周期為101 min，每天大約繞地球轉(zhuǎn)14圈。

IASI是METOP-A衛(wèi)星上重要的探測儀器之一，它在817 km的高空上進(jìn)行分步掃描，掃描頻率為8 s，視場為48.3度，掃面幅寬為2200 km，可每天提供兩次全球數(shù)據(jù)。每一條掃描線有30個有效視場，每一個有效視場由2×2個圓形瞬時視場組成。瞬時視場星下點直徑為12 km，沿軌道和掃描方向分別逐漸增大至39 km和20 km（August et al., 2012）。根據(jù)國際衛(wèi)星對地觀測委員會（CEOS）的標(biāo)準(zhǔn)，IASI的數(shù)據(jù)產(chǎn)品劃分為5級產(chǎn)品，分別為L0、L1A、L1B、L1C、L2A、L2B、L3、L4。在本文的研究中，衛(wèi)星數(shù)據(jù)資料是IASI L2B產(chǎn)品中的云參數(shù)產(chǎn)品，主要包括云頂氣壓、云頂溫度、云量等參數(shù)，其中云頂高產(chǎn)品精度為300 m，云頂溫度產(chǎn)品精度為2 K云量產(chǎn)品精度為10%。

云頂氣壓、云頂溫度和云量等云參數(shù)產(chǎn)品的反演算法為CO切片算法。CO切片算法最早是由Menzel et al.（1983）提出，并由Smith and Frey（1990）等進(jìn)行了應(yīng)用發(fā)展。2007年該算法被應(yīng)用于IASI，且歐洲氣象衛(wèi)星開發(fā)組織（EUMETSAT）持續(xù)對其進(jìn)行了改進(jìn)（EUMETSAT Technical Report，2009）。反演云頂氣壓所用的CO波段為707.5~756 cm，共41個通道。而云量的反演通道為900.5 cm。由于CO波段獲得的輻射對不同大氣層是敏感的，故通過測量其向上紅外輻射，就可以得到云頂氣壓。

由于IASI觀測方式的特殊性，在同一觀測時次情況下，有時會出現(xiàn)衛(wèi)星觀測掃描帶覆蓋了壽縣地區(qū)，而壽縣ARM移動觀測設(shè)施（AMF）觀測站點恰好在4個瞬時有效視場之間，不被有效視場覆蓋的情況，所以我們所用的數(shù)據(jù)是以安徽壽縣AMF觀測站點（32.558°N，116.781°E）為中心的20 km范圍內(nèi)IASI有效瞬時視場所能覆蓋區(qū)域的所有樣本點數(shù)據(jù)。

2.2 95 GHz地基云雷達(dá)（WACR）

云雷達(dá)數(shù)據(jù)是由安徽壽縣AMF提供的地基毫米波云雷達(dá)（WACR）獲得。該雷達(dá)是一個W波段95.04 GHz多普勒雷達(dá)，工作在同極化和交叉極化兩種模態(tài)，能夠獲得反射率、平均多普勒速度、譜寬等信信息。該雷達(dá)探測高度為15 km，最小垂直分辨率為45 m，觀測方向為單一天頂方向，峰值功率為1500 W。本文使用的WACR數(shù)據(jù)為時間間隔約2 s的反射率廓線1b資料，該資料經(jīng)過ARM數(shù)據(jù)中心處理，并通過質(zhì)量檢驗。

2.3 對比方法

通過對比分析毫米波雷達(dá)與新一代多普勒天氣雷達(dá)、晴空風(fēng)廓線雷達(dá)的差異（仲凌志等，2009），得出：毫米波雷達(dá)具有穿透云層，給出多層云結(jié)構(gòu)信息的能力，時空分辨率高，能夠更精確地反映云的垂直和水平結(jié)構(gòu)，比普通天氣雷達(dá)更適合監(jiān)測云的變化。由于毫米波雷達(dá)回波在云層處較強(qiáng)，如圖1a，b所示，紅線為天空有云時連續(xù)數(shù)次WACR反射率廓線平均值減去雷達(dá)晴空背景后回波廓線的情況，因此我們利用WACR反射率廓線進(jìn)行各層云的云底高、云頂高、回波積分值的提取和計算，以此作為云宏觀參數(shù)的真值（章文星和呂達(dá)仁，2012）。具體步驟是，首先選擇晴空背景，2008年11月29日是比較穩(wěn)定的晴天，因此選取清晨07:00起100次反射率廓線的平均值作為晴空背景（取平均值是為降低噪聲影響）；以衛(wèi)星過境時刻為準(zhǔn)，計算WACR前8次和后7次共計15次反射率廓線的平均值；將反射率廓線的平均值減去晴空背景反射率廓線，以5 dB為閾值，高出閾值的部分認(rèn)為是有云部分。

衛(wèi)星對于云的紅外遙感，傳感器感測到的是全部云層和路徑大氣的熱紅外輻射，給出的云頂高度實際上是等效云頂高度（李俊和曾慶存，1997a，1997b）。如果最頂層云層很薄，傳感器感測到的輻射也有下層云的貢獻(xiàn)，相應(yīng)云頂高度就低；如果頂層云很厚，并且云粒子濃度很高，可以當(dāng)作黑體輻射，那么反演得到的云頂高度就接近真實云頂高度。由于各個云層的WACR反射率強(qiáng)度的積分值對于了解云粒子的濃密和云的厚薄有一定代表性，為了更好地分析評估衛(wèi)星反演的云頂高度，我們計算了各觀測時次WACR感測到的各云層反射率強(qiáng)度的積分值（Clint，Clint，Clint…），這對于評估衛(wèi)星反演云高的精度有一定參考價值。云層回波強(qiáng)度積分值計算公式為

其中C即為Clint，表示第層云的反射率強(qiáng)度積分值（Clint也可表示單層云反射率強(qiáng)度積分值），R為該層云云底高度到云頂高度之間的所有反射率強(qiáng)度值。

圖1c，d分別給出的是2008年10月25日和11月1日的WACR反射率廓線隨時間變化的情況，橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為高度，顏色表示強(qiáng)度，黑色五角星為IASI反演的云頂高（以下簡稱IASI_cth）。圖a，b分別對應(yīng)圖c，d當(dāng)天衛(wèi)星過境時刻，即2008年10月25日04:07:20單層云和 2008年11月1日03:04:55雙層云時的WACR回波廓線。圖中橫坐標(biāo)為反射率，縱坐標(biāo)為高度，紅色曲線為減去晴空背景后的WACR反射率廓線。淺藍(lán)色豎線為5 dB閾值線，用于進(jìn)行各層云云頂高度和云底高度的提取，數(shù)值由黑色數(shù)據(jù)給出。藍(lán)色數(shù)據(jù)為各層云從云底到云頂之間的反射率強(qiáng)度的積分值。IASI_cth由玫紅色數(shù)值給出。

3 對比結(jié)果分析

由于WACR和IASI觀測云高的能力不同，對于天空是否真實有云的判斷不同，因此對比僅包括云頂高度15 km以下的觀測結(jié)果。如果WACR的反射率廓線沒有云層回波，則此時為晴空天氣；如果在觀測時刻附近，連續(xù)15次WACR反射率廓線都出現(xiàn)較強(qiáng)的回波，則此時天空有云，并依據(jù)反射率廓線來區(qū)分單層或多層云情況；如果WACR出現(xiàn)故障，則沒有觀測值。

2008年10月15日～12月15日期間，在以壽縣AMF為中心的20 km范圍內(nèi)，與WACR（1次/2 s）觀測時間匹配的IASI（2次/d）有效觀測共有129次，按時間分為80時次，每一時次均為距AMF最近的樣本數(shù)據(jù)。表1和表2分別給出了80個時次在IASI有效瞬時視場的分布情況和兩儀器同步觀測情況。以下分3種情況進(jìn)行對比分析。

表1 80個時次有效瞬時視場分布情況

表2 兩儀器同步觀測情況

3.1 WACR和IASI同時觀測到云的情況

以WACR回波區(qū)分，在WACR和IASI共同觀測有云的43時次中單層云27次，雙層云11次，三層及多層云5次。為詳細(xì)了解IASI云頂高觀測情況，須針對不同云層情況，分類進(jìn)行對比分析。

3.1.1 單層云情況

2008年10月15日～12月15日期間，WACR和IASI同時觀測到單層云有27次。圖2a給出的是各時次WACR觀測的云層狀況（W1_cth為單層云云頂高或上層云云頂高，W1_cbh為單層云云底高或上層云云底高）及相應(yīng)時刻的IASI_cth，按W1_cth從小到大次序排列，圖2b給出的是相應(yīng)時刻IASI瞬時視場的有效云量，圖2c為各觀測時次WACR反射率強(qiáng)度的積分值Clint。

圖1 2008年10月25日、11月1日兩種儀器云高觀測結(jié)果的比較：（a，c）單層云；（b，d）雙層云

圖2 干涉式紅外大氣探測儀（IASI）和云雷達(dá)（WACR）單層云觀測情況：（a）云底、云頂高；（b）IASI瞬時視場有效云量；（c）云雷達(dá)回波積分值（Clint）

從圖2可看到，大多數(shù)情況下，IASI_cth與W1_cth比較一致，說明IASI_cth的觀測結(jié)果較好。對于云頂高度高于5 km以上的單層云，IASI_cth大都低于W1_cth，高于W1_cbh，處在云層中間。云量越大，Clint越高，IASI_cth相對更接近W1_cth。為了更清楚地說明情況，以第18和24時次為例進(jìn)行分析。圖3a，b分別對應(yīng)第18和24觀測時次當(dāng)天即2008年12月4日和11月6日WACR回波圖，黑色星為IASI_cth。從圖3a可看出，12月4日凌晨到中午12時在WACR天頂上空維持中低層云，6時左右云層開始由厚變薄，12時后完全晴空。在03:24衛(wèi)星過境時刻，云層較厚，約有6 km，同時WARC回波較強(qiáng)，表明云層中云粒子濃度較高或粒子尺寸較大，并且由圖2b可知，此時IASI瞬時視場內(nèi)的有效云量較高，接近滿云。而圖3b為一降水云系，衛(wèi)星過境時為強(qiáng)降水，云層較厚，WARC回波較強(qiáng)，且IASI視場內(nèi)為滿云。由于這兩個觀測時次IASI觀測視場內(nèi)接收到的紅外輻射主要來自于云層，所以IASI_cth與W1_cth吻合較好。相反，有效云量越少，云粒子濃度越低尺寸越小，IASI_cth與W1_cth偏差就會越大，如圖2第19次，對應(yīng)圖3c即2008年11月4日WACR觀測回波圖?？梢钥闯觯?dāng)天的WACR上空為一完全破碎的高層云系，在03:47，即衛(wèi)星過境時刻，WACR上空云層回波強(qiáng)度弱，云層薄且破碎，表明上空云層松散，云粒子濃度低或尺寸較小，不能被完全看作黑體，并且近地表云雷達(dá)回波強(qiáng)度較其他時刻偏高，表明有霧層或霾層出現(xiàn)；同時IASI瞬時視場內(nèi)有效云量也較低，為30%，此時IASI觀測視場內(nèi)接收到的紅外輻射并非主要來自于云層，而是有地表霧層或霾層的貢獻(xiàn)，故IASI_cth較W1_cth低。一般情況下，云層越厚，云粒子濃度越高或尺寸越大，衛(wèi)星通過紅外通道探測反演的云頂高越接近真實云高情況，此結(jié)果與Dong et al.（2008）結(jié)論一致。

圖2顯示，對于W1_cth低于5 km的觀測時次，除第9次外，IASI_cth大都低于W1_cth。圖3d為第9次對應(yīng)當(dāng)天即2008年10月27日WACR全天觀測回波圖?？梢钥吹?，10月27日凌晨至8時在WACR天頂上空維持較薄較松散的高層云，08時后云高逐漸降低，云層加厚。11時云層開始消散。18時后又逐漸形成較厚的中低云。在12:35衛(wèi)星過境時刻，WARC回波較弱，云層較薄，IASI瞬時視場內(nèi)有效云量為63%，Clint為880，表明云層中云粒子濃度偏低或尺寸較小，此時IASI觀測視場接收到的紅外輻射受到云層以上大氣的影響，故IASI_cth較W1_cth偏高。

圖4給出的是全部單層云IASI_cth與W1_cth的散點圖及擬合直線（藍(lán)色直線），圖4a中色標(biāo)為IASI瞬時視場有效云量，圖4b中的色標(biāo)為Clint，圖4c中色標(biāo)為IASI瞬時視場距壽縣WACR站點的距離?？梢钥吹?，總體而言，IASI_cth較W1_cth系統(tǒng)偏高；云頂高度高于7 km時，IASI視場中的云量越多，Clint值越大，二者云高結(jié)果的總趨勢越趨于穩(wěn)定；二者觀測結(jié)果的一致性與觀測點距離的關(guān)系不是很明顯。IASI視場中有效云量超過70%時，兩儀器的云頂高偏差標(biāo)準(zhǔn)差為1.09 km；低于70%為2.31 km。表3給出了全部單層云的對比情況，二者相關(guān)系數(shù)為0.8312，標(biāo)準(zhǔn)差為1.8423 km。實際上，對于所有云高反演方法，當(dāng)云量很少時，反演云高的精度都會急劇下降（Lavanant，2002；Lavanant et al., 2011）。

表3 WACR、IASI單層云云頂高情況

圖3 云層厚度不同時，WACR的反射率廓線及對應(yīng)時刻IASI觀測的云頂高（IASI_cth）

圖4 WACR、IASI云頂高散點圖：（a）色標(biāo)表示對應(yīng)時次IASI瞬時視場的有效云量；（b）色標(biāo)表示對應(yīng)時次WACR回波積分值Clint；（c）色標(biāo)表示對應(yīng)時次IASI瞬時視場與WACR站點距離

3.1.2 雙層及三層云情況

以WACR回波區(qū)分，在IASI和WACR共同觀測有云的43時次中，還有雙層云11次，3層云5次。從圖5中可以看到，對于三層云，IASI_cth大都在上層云和下層云之間，但第3次例外，分析原因是由于當(dāng)天衛(wèi)星過境時刻天空中的三層云都較薄較破碎，且此時IASI視場內(nèi)有效云量為31.49%，Clint平均為460，說明此時云層很薄且粒子濃度很低或尺寸很小，故IASI_cth出現(xiàn)了較大的偏差。兩層云時，IASI_cth大都接近較厚的云層；當(dāng)兩層云都較薄時，IASI_cth更接近較低的云層，如圖6，對應(yīng)圖5第16次，為2008年11月1日WACR反射率回波圖?？梢钥吹?，在03:50即衛(wèi)星過境時，WACR上空為雙層云，上層云較厚，下層云較薄，IASI視場內(nèi)為滿云，IASI_cth落在WACR上層云的強(qiáng)回波區(qū)。這是主要是由于衛(wèi)星從上向下探測時，若上層云很厚，粒子濃度很高或尺寸很大，可以認(rèn)為為黑體，則IASI接受到的輻射強(qiáng)度主要來自于上層云的貢獻(xiàn)，等效云頂高就接近真實上層云云頂?shù)母叨?；若上層云很薄很破碎，下層云很厚且粒子濃密很高或尺寸很大，則IASI接受到的輻射強(qiáng)度主要來自于下層云的貢獻(xiàn)，相應(yīng)云頂高就接近下層云。

由表1可知，當(dāng)衛(wèi)星過境時，與WACR匹配的樣本可能發(fā)生在多個有效瞬時視場中，下面以2008年11月1日03:50衛(wèi)星過境時刻（圖5第16次）兩個儀器匹配樣本點分布及儀器觀測情況（表4）為例進(jìn)行分析。表4中，Clint1、Clint2分別為WACR測得的上層云和下層云的回波積分值, W1_cth、 W1_cbh、W2_cth、W2_cbh分別為上層云云頂高度、上層云云底高度、下層云云頂高度、下層云云低高度。由4個樣本點的分布、IASI瞬時視場有效云量和Clint1、Clint2可知，該時刻WACR站點上空云量接近100%，上層云較下層云厚，云雷達(dá)回波也較下層云強(qiáng)，表明上層云粒子濃度較高或尺寸較大。由于衛(wèi)星從上向下探測，故此時IASI觀測視場內(nèi)接收到的紅外輻射主要來自于上層云，所以IASI_cth與W1_cbh較一致。由此說明，在同一時刻，分布在多個瞬時視場中的樣本觀測情況相差不大時，IASI_cth更接近壽縣移動觀測站上空真實的云頂高度。

圖5 兩儀器共同觀測到有云時的情況（灰色W_1，黃色W_2，藍(lán)色W_3分別代表上、中、下層云的厚度。紅色曲線為相同時刻IASI_cth）

表4 2008年11月1日03:05樣本分布及兩儀器觀測情況

表5 8個時次的IASI瞬時視場中心位置與WACR站點距離、IASI_cth及瞬時視場有效云量

3.2 WACR觀測無云而IASI觀測有云的情況

在以壽縣AMF為中心的20 km范圍內(nèi)與WACR匹配的衛(wèi)星反演云頂高產(chǎn)品中，WACR觀測無云而IASI觀測有云的情況有8個時次。圖7為這8個時次WACR全天24小時的回波圖及衛(wèi)星過境時IASI_cth的情況。表5為對應(yīng)時次IASI瞬時視場中心位置距AMF站點的距離、IASI_cth及瞬時視場有效云量。結(jié)合圖7和表5可以看出，除去第5次，IASI云頂高大都在2～4 km之間，平均值為3.03 km；IASI瞬時視場有效云量都較低，最大值為 14.85%，最小值為9.02%，平均值為10.30%；IASI瞬時視場中心點距AMF站點的最大距離為19.38 km，最小距離為7.05 km，平均值為14.13 km。綜上所述，二者不一致的原因可總結(jié)為：由于這8個時次瞬時視場內(nèi)有效云量都很少，可能會導(dǎo)致IASI反演的云頂高不準(zhǔn)確；由于二者觀測方式及觀測視場角不同，當(dāng)天頂云層變化較快時，也可能出現(xiàn)兩者不一致的情況；當(dāng)WACR天頂方向無云，而IASI瞬時視場中心距離WACR站點較遠(yuǎn)，且其瞬時視場恰有少量云量，因此就可能出現(xiàn)WACR無云而IASI有云的情況。

圖6 2008年11月1日WACR回波圖及IASI_cth

圖7 WACR觀測無云而IASI觀測有云時，WACR反射率及IASI_cth（黑星高度為IASI_cth）

圖8 2008年10月23日（a）WACR回波以及（b）衛(wèi)星過境時刻WACR反射率廓線

3.3 WACR觀測有云而IASI觀測無云的情況

在以AMF為中心的20 km范圍內(nèi)與云雷達(dá)匹配的衛(wèi)星反演云頂高產(chǎn)品中，WACR觀測有云而IASI觀測無云的情況為20時次。分析數(shù)據(jù)和WACR回波圖發(fā)現(xiàn)，除去偏差明顯的3時次外，剩余的17時次WACR觀測得到的大都是較低的云高度，其平均值為0.5167 km，分析原因可能是這些時次當(dāng)天的近地面有較厚的霾層或霧層出現(xiàn)導(dǎo)致WACR誤判。由于上述3時次樣本天氣情況類似，故舉一例分析。圖8a，b分別為2008年10月23日WACR回波圖及當(dāng)天衛(wèi)星過境時WACR回波廓線圖。2008年10月23的場景是一個較薄較松散的中高云系，且午后轉(zhuǎn)為晴空；衛(wèi)星過境時刻即02:55，距離AMF 20 km內(nèi)與WACR匹配的IASI樣本有兩個，分別距WACR站點為14.5和17.0 km，且此時IASI瞬時視場內(nèi)的有效云量均低于10%，故在此情況下，IASI視場內(nèi)有可能為晴空。

4 結(jié)論

通過對2008年10月15日~12月15日期間IASI儀器對安徽壽縣的云參數(shù)（云頂高）的觀測資料和WACR相同時間段對壽縣的觀測資料進(jìn)行對比分析，得出如下結(jié)論：

（1）IASI和WACR共同觀測有云為43個時次，無云為9個時次。對于觀測有云情況，IASI反演云頂高結(jié)果明顯低于WACR，其中單層云時，IASI反演云頂高平均較云雷達(dá)低1.73 km，二者相關(guān)系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.8312和1.8423 km；兩層云時，IASI反演云頂高大都接近較厚的云層，且當(dāng)兩層云都較薄時，IASI反演云頂高更接近較低的云層；三層云時，IASI反演云頂高大都在最上層云和最下層云之間，并且接近較厚的云層。這主要是由IASI的觀測方式、反演算法及處理數(shù)據(jù)的精度所決定的。

（2）一般情況下，IASI反演云高的結(jié)果受到視場中云量、云層厚度和云層中粒子濃度大小及粒子尺寸的影響：視場中云量越大，云層越厚，云層中粒子濃度越高，IASI反演云高的結(jié)果越接近真實值；視場中云量越少，云層越薄越破碎，云層中粒子濃度越低，IASI反演云高的結(jié)果偏差較大，且此時容易受到近地霧或霾的影響。

綜上所述，由于在云參數(shù)觀測方面衛(wèi)星遙感和地基觀測都存在優(yōu)勢和局限性，故為了準(zhǔn)確獲得云信息，綜合二者的優(yōu)勢進(jìn)行聯(lián)合觀測是十分必要的。另外，為了使IASI云產(chǎn)品能更好地服務(wù)于實時氣象業(yè)務(wù)和氣象科學(xué)研究，需要繼續(xù)開展將IASI產(chǎn)品與由其他衛(wèi)星或地基儀器觀測反演得到的云產(chǎn)品進(jìn)行對比驗證、反演算法的優(yōu)化等深入細(xì)致的工作。

致謝 作者在此對美國能源部大氣輻射計劃（ARM）和歐洲氣象衛(wèi)星組織（EUMETSAT）數(shù)據(jù)的公開表示感謝。

August T, KlaesD, Schlüssel P, et al. 2012. IASI on METOP-A: Operational Level 2 retrievals after five years in orbit [J]. Journal of Quantitative Spectroscopy andRadiative Transfer, 113: 1340–1371.

曹蕓, 何永健, 邱新法, 等. 2012. 基于地面觀測資料的MODIS云量產(chǎn)品訂正[J]. 遙感學(xué)報, 16 (2): 325–342. Cao Yun, He Yongjian, Qiu Xinfa, et al. 2012. Correction methods of MODIS cloud product based on ground observation data [J]. Journal of Remote Sensing (in Chinese), 16 (2): 325–342.

陳延娣, 王連仲, 竇賢康. 2008. TRMM衛(wèi)星與機(jī)載雷達(dá)在降雨反演中的數(shù)據(jù)對比個例研究[J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報, 19 (4): 454–462. Chen Yandi, Wang Lianzhong, Dou Xiankang. 2008. A case comparison between the TRMM data and airborne radar data in rainfall retrieval [J]. Journal of Applied Meteorological Science (in Chinese), 19 (4): 454–462.

Dong X Q, Minnis P, Xi B K, et al. 2008. Comparison of ceres-modis stratus cloud properties with ground-based measurements at the DOE ARM Southern Great Plains site [J]. J. Geophys. Res., 113: D03204, doi:10.1029/2007JD008438.

EUMETSAT Technical Report. 2009. COSlicing Algorithm for the IASI L2 Product Processing Facility [R]. EUM/MET/REP/07/0305.

Kim S W, Chung E S, Yoon S C, et al. 2011.Intercomparisons of cloud-top and cloud-base heights from ground-based Lidar, CloudSat and CALIPSO measurements [J]. Int. J. Remote Sen., 32 (4): 1179–1197.

Lavanant L. 2002. Cloud processing in IASI context [C]// Proceedings of the 12th International TOVS Study Conference. Lorne, Australia.

Lavanant L, Fourrié N, Gambacorta A, et al. 2011. Comparison of cloud products within IASI footprints for the assimilation of cloudy radiances [J]. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 137: 1988–2003.

李俊, 曾慶存. 1997a. 有云時大氣紅外遙感及其反演問題Ⅰ.理論研究[J]. 大氣科學(xué), 21 (3): 341–347. Li Jun, Zeng Qingcun. 1997a. Study of infrared remote sensing of the cloudy atmosphere and the inversion Problem. Part I: Theoretical study [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 21 (3): 341–347.

李俊, 曾慶存. 1997b. 有云時大氣紅外遙感及其反演問題Ⅱ.反演實驗研究[J]. 大氣科學(xué), 21 (4): 396–400. Li Jun, Zeng Qingcun. 1997b. Study of infrared remote sensing of cloudy atmosphere and the inversion Problem. Part II: Experimental study [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 21 (4): 396–400.

劉輝, 董超華, 張文健. 2006. 國際衛(wèi)星紅外大氣探測器發(fā)展新特點[J]. 氣象科技, 34 (5): 600–605. Liu Hui, Dong Chaohua, Zhang Wenjian. 2006. New characteristics of satellite infrared atmospheric detector development over the world [J]. Meteorological Science and Technology (in Chinese), 34 (5): 600–605.

劉毅, 呂達(dá)仁, 陳洪濱, 等. 2011. 衛(wèi)星遙感大氣CO的技術(shù)與方法進(jìn)展綜述[J]. 遙感技術(shù)與應(yīng)用, 26 (2): 247–254. Liu Yi, Lü Daren, Chen Hongbin, et al. 2011. Advances in technologies and methods for satellite remote sensing of atmospheric CO[J]. Remote Sensing Technology and Application (in Chinese), 26 (2): 247–254.

呂達(dá)仁, 王普才, 邱金桓, 等. 2003. 大氣遙感與衛(wèi)星氣象學(xué)研究的進(jìn)展與回顧[J]. 大氣科學(xué), 27 (4): 553–565. Lü Daren, Wang Pucai, Qiu Jinhuan, et al. 2003. An overview on the research progress of atmospheric remote sensing and satellite meteorology in China [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 27 (4): 553–565.

Menzel W P, Smith W L, Stewart T R. 1983. Improved cloud motion wind vector and altitude assignment using VAS [J]. J. Climate Appl. Meteor., 22 (3): 377–384.

Ohring G, Adler S. 1978. Some experiments with a zonally averaged climate model [J]. J. Atmos. Sci., 35 (2): 186–205.

彭亮. 2011. ARM云雷達(dá)及其他相關(guān)儀器觀測資料綜合分析研究[D]. 中國科學(xué)院研究生院博士學(xué)位論文. Peng Liang. 2011. Comprehensive analysis of data observed by ARM cloud radar and relevant instruments [D]. Ph. D. dissertation (in Chinese), Graduate University, Chinese Academy of Sciences.

邱金桓, 陳洪濱, 王普才, 等. 2005. 大氣遙感研究展望[J]. 大氣科學(xué), 29 (1): 132–136. Qiu Jinhuan, Chen Hongbin, Wang Pucai, et al. 2005. A prospect on future atmospheric remote sensing [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 29 (1): 132–136.

Smith W L, Frey R. 1990. On cloud altitude determinations from high resolution interferometer sounder (HIS) observations [J]. J. Appl. Meteor., 29 (7): 658–662.

張磊, 董超華, 張文健, 等. 2008. METOP星載干涉式超高光譜分辨率紅外大氣探測儀（IASI）及其產(chǎn)品[J]. 氣象科技, 36 (5): 639–642. Zhang Lei, Dong Chaohua, Zhang Wenjian, et al. 2008. METOP on Board super high spectrum resolution infrared atmospheric sounding interferometer (IASI) [J]. Meteorological Science and Technology (in Chinese), 36 (5): 639–642.

章文星, 呂達(dá)仁. 2012. 地基熱紅外云高觀測與云雷達(dá)及激光云高儀的相互對比[J]. 大氣科學(xué), 36 (4): 657–672. Zhang Wenxing, Lü Daren. 2012. Comparison of cloud base heights by ground based sky IR brightness temperature measurements with cloud radar and ceilometer in Shouxian [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 36 (4): 657–672.

仲凌志, 劉黎平, 葛潤生. 2009. 毫米波測云雷達(dá)的特點及其研究現(xiàn)狀與展望[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展, 24 (4): 383–391. Zhong Lingzhi, Liu Liping, Ge Runsheng. 2009. Characteristics about the millimeter- wavelength radar and its status and prospect in and abroad [J]. Advances in Earth Science (in Chinese), 24 (4): 383–391.

周非非, 周毓荃, 王俊, 等. 2010. FY-2衛(wèi)星反演的云頂高度與多普勒雷達(dá)回波頂高的關(guān)系初探[J]. 氣象, 36 (4): 43–50. Zhou Feifei, Zhou Yuquan, Wang Jun, et al. 2010. Relationship of cloud-top heights retrieved from combination of FY-2C/D geostationary satellite data and other observation data and radar-retrieved echo tops [J]. Meteorological Monthly (in Chinese), 36 (4): 43–50.

張艷品，章文星，呂達(dá)仁，等. 2014. 衛(wèi)星（IASI探測儀）觀測云頂高與地基云雷達(dá)觀測的對比驗證[J]. 大氣科學(xué), 38 (5): 874?884, doi:10.3878/j.issn. 1006-9895.1402.13161. Zhang Yanpin, Zhang Wenxing, Lü Daren, et al. 2014. Cloud top heights measured by METOP-A IASI Instrument compared with ground-based cloud radar [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 38 (5): 874?884.

Cloud Top Heights Measured by METOP-A IASI Instrument Compared with Ground-Based Cloud Radar

ZHANG Yanpin, ZHANG Wenxing, Lü Daren, and BI Yongheng

1,,,100029;2,610225;3,050081

The Infrared Atmospheric Sounding Interferometer (IASI) is a new-generation super-high-spectrum sounding instrument based on the Michelson interferometer and is loaded on the METOP-A European meteorological polar-orbit satellite. IASI covers multiple absorption bands to retrieve atmosphere, ocean, cloud, and atmosphere components to provide a wealth of remote sensing data for earth–atmosphere remote sensing, meteorological operations, and scientific research. Therefore, this instrument has gained increasing attention. To fully understand the applicability of IASI, a comparison is made in this study between the cloud top height products from IASI over Shouxian, Anhui Province, China, recorded from October 15 to December 15, 2008, and the cloud parameter information from W-band (95 GHz) Cloud Radar (WACR) supplied by the Atmospheric Radiation Measurement (ARM) Mobile Facility (AMF) deployed in Shouxian. Within 20 km of AMF, a total of 129 measurements were synchronously made by the two instruments, 80 of which by IASI matched the data from WACR at the nearest distance. For the single-layer, the correlation coefficient and the standard deviations of the differences between IASI and WACR were 0.8312 and 1.8423 km, respectively. Moreover, for two- or three-layered measurements, the cloud top heights by IASI were, on average, within the WACR top and bottom cloud boundaries and close with thicker clouds. The comparison reveals that the cloud top heights by IASI are lower than by WACR in most cases. With increasing cloud cover, cloud thickness in the field of view, and the concentration of particles in the clouds, the result from IASI approach the true value.

IASI, WACR, Cloud top heights, Comparison

1006?9895(2014)05?0874?11

P412

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1402.13161

2013?04?25，2014?02?28收修定稿

國家自然科學(xué)基金項目 40775026, 公益性行業(yè)（氣象）科研專項 GYHY200806031

張艷品，女，1985年出生，碩士研究生，主要從事衛(wèi)星遙感研究。E-mail: xiaopin87@gmail.com