利用地基紅外高光譜發(fā)射率數(shù)據(jù)進(jìn)行云參數(shù)反演(2): 云滴有效半徑和云水路徑反演

劉 磊、孫學(xué)金、高太長

解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院、江蘇 南京 211101

利用地基紅外高光譜發(fā)射率數(shù)據(jù)進(jìn)行云參數(shù)反演(2): 云滴有效半徑和云水路徑反演

劉 磊*、孫學(xué)金、高太長

解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院、江蘇 南京 211101

云滴有效半徑和云水路徑等微物理參數(shù)是了解云的形成過程、輻射效應(yīng)以及云、氣溶膠和降水相互作用等問題的重要數(shù)據(jù)。利用地基紅外高光譜輻射數(shù)據(jù)開展了云微物理參數(shù)反演方法研究。針對光譜數(shù)據(jù)的特點(diǎn)、進(jìn)行了基于云層發(fā)射率光譜和輻射光譜的敏感性分析、在此基礎(chǔ)上建立了云微物理參數(shù)與云發(fā)射率光譜差值和斜率等特征參數(shù)有關(guān)的查找表關(guān)系。具體特征參數(shù)包括：熱紅外波段862.1和934.9 cm-1的云層發(fā)射率之差、中紅外波段1 900.1和2 170.1 cm-1的云層發(fā)射率之差、熱紅外波段900～1 000 cm-1區(qū)間的發(fā)射率光譜斜率和輻射值光譜斜率、1 100～1 200 cm-1區(qū)間的發(fā)射率光譜斜率和輻射值光譜斜率等。研究了臭氧波段云層透過率的計(jì)算方法及對查找關(guān)系的約束性、選擇了1 050～1 060 cm-1區(qū)間的云層透過率平均值作為約束特征參數(shù)。實(shí)現(xiàn)了基于逐步搜索法的多重查找反演云滴有效半徑和光學(xué)厚度、并可通過經(jīng)驗(yàn)關(guān)系計(jì)算云水路徑。研究表明、該算法得到的水云的云滴有效半徑與ARM計(jì)劃中的MICROBASE產(chǎn)品基本相當(dāng)、冰云的云滴有效半徑相對偏小、兩者的云水路徑反演結(jié)果差異較大。該反演算法較適合于光學(xué)厚度小于6的薄云。

云滴有效半徑； 云水路徑； 紅外高光譜輻射； 云發(fā)射率

引 言

云滴有效半徑和云水路徑等微物理參數(shù)是了解云的形成過程、輻射效應(yīng)以及云與氣溶膠、降水相互作用等問題的重要數(shù)據(jù)。目前可以通過衛(wèi)星遙感、飛機(jī)現(xiàn)場測量以及地面遙感等多種手段進(jìn)行測量。衛(wèi)星遙感可以獲得較大空間尺度上的信息[1-3]、飛機(jī)現(xiàn)場測量通常被用于對衛(wèi)星和地基遙感觀測數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)[4]。地基遙感設(shè)備如微波輻射計(jì)、毫米波測云雷達(dá)、紅外高光譜輻射計(jì)等、可以長期提供高時(shí)間分辨率的連續(xù)觀測資料、近幾年得到了長足的發(fā)展和廣泛應(yīng)用。基于這些設(shè)備、眾多學(xué)者開展了大量地基遙感反演云微物理參數(shù)的方法研究。由于這些反演結(jié)果存在很大的不一致性[5-8]、近年來很多學(xué)者又開展了各種反演方法的比對、改進(jìn)以及反演不確定度的評估等研究工作。

利用地基紅外高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行云滴有效半徑和云水路徑反演、主要是基于紅外波段若干窗區(qū)在不同云微物理參數(shù)影響下的響應(yīng)規(guī)律。這些規(guī)律可以事先通過輻射傳輸模擬計(jì)算得到、并區(qū)分水云和冰云以形成不同的查找表。如Smith等[9]、Mahesh等[10]和Garrett等[11]通過選擇不同的熱紅外大氣窗口、利用逐線積分輻射傳輸模式建立了部分窗口的云層發(fā)射率與云滴有效半徑和光學(xué)厚度的查找表、以此反演云的微物理特性。云水路徑則利用其與云滴有效半徑、光學(xué)厚度之間的關(guān)系間接獲得。需要注意的是這一反演屬于整層反演、即反演的云微物理參數(shù)被認(rèn)為是無限薄層云的物理屬性、且大部分研究集中在熱紅外波段。此外、這些反演方法只局限于使用某幾個(gè)波段的云層發(fā)射率或輻射值的差值特征進(jìn)行云微物理參數(shù)的反演、未能對光譜特征進(jìn)行分析和使用。

本工作首先模擬分析了利用熱紅外和中紅外波段的云層有效發(fā)射率光譜特征進(jìn)行云滴有效半徑和云水路徑反演的可行性、在此基礎(chǔ)上建立了基于云層發(fā)射率光譜差值與斜率的云微物理參數(shù)多重查找表、研究了利用臭氧波段的云層透過率信息進(jìn)行約束查找的方法、最后將反演結(jié)果與ARM計(jì)劃中MICROBASE產(chǎn)品的反演結(jié)果進(jìn)行了比較分析。

1 不同云層的發(fā)射率光譜特征

1.1 模擬方案

在忽略云上大氣的輻射以及云底反射的地面和云下大氣發(fā)射輻射的前提下、云層有效發(fā)射率εeff可以通過式(1)獲得[12]

(1)

選用了LBLDIS輻射傳輸模式[13]、該模式將逐線積分LBLRTM模式和DISORT結(jié)合起來、可以模擬云層的高光譜輻射。結(jié)合云層有效發(fā)射率的計(jì)算方法、可以得到不同光學(xué)厚度下不同云滴有效半徑的水云和冰云發(fā)射率數(shù)據(jù)。模擬的紅外窗口包含了熱紅外和中紅外區(qū)域。水云的云滴為球形、云滴有效半徑(re)取2、5、10、15和20 μm、冰云的云滴形狀取六角柱狀、冰云滴有效半徑取10、20、30、40和50 μm。不同相態(tài)的云層的光學(xué)厚度(COD)均分別取0.1、1、5和10。

1.2 云層的發(fā)射率光譜特征基本情況

熱紅外波段水云和冰云的發(fā)射率情況分別如圖1(a)和圖2(a)所示。中紅外波段水云和冰云的發(fā)射率情況如圖1(b)和圖2(b)所示?？梢?、不論是水云還是冰云、在800～1 000 cm-1區(qū)間的發(fā)射率斜率隨著光學(xué)厚度和云滴有效半徑的變化而發(fā)生變化、尤其在900～1 000 cm-1區(qū)間的發(fā)射率斜率更為明顯。這一變化還體現(xiàn)在800 cm-1左右的發(fā)射率與1 000 cm-1左右的發(fā)射率的差值上。在1 100～1 200 cm-1范圍內(nèi)、云發(fā)射率斜率隨著光學(xué)厚度和云滴有效半徑的變化也有一定改變、但并不顯著。在中紅外波段、云發(fā)射率隨光學(xué)厚度和云滴有效半徑的變化也有一定的變化、且冰云比水云的變化明顯。

圖1 水云發(fā)射率隨云滴有效半徑(re)和光學(xué)厚度(COD)的變化規(guī)律

圖2 冰云發(fā)射率隨云滴有效半徑(re)和光學(xué)厚度(COD)的變化規(guī)律

1.3 云層有效發(fā)射率的差值與云滴有效半徑和光學(xué)厚度的關(guān)系

在熱紅外區(qū)域選擇窗口862.1 cm-1(該波段發(fā)射率記為E1)和934.9 cm-1(該波段發(fā)射率記為E2)的發(fā)射率差值、在中紅外區(qū)域選擇窗口1 900.1 cm-1(該波段發(fā)射率記為E3)和2 170.1 cm-1(該波段發(fā)射率記為E4)的發(fā)射率差值。分別繪制了水云和冰云在不同光學(xué)厚度和云滴有效半徑情況下、E1-E2與E1、E4-E3與E4的對應(yīng)關(guān)系。圖3對應(yīng)的是水云情況、圖4對應(yīng)的是冰云情況。可見、E1-E2與E1組合對于水云和冰云均有較好的查找反演效果； E4-E3與E4組合對冰云有較好的查找反演效果。但對水云來說、只適合反演云滴有效半徑小于10 μm的情況。此外、光學(xué)厚度較小或較大時(shí)的查找反演準(zhǔn)確性降低； 云滴有效半徑越大時(shí)的查找反演準(zhǔn)確性也會(huì)降低。

圖3 水云的發(fā)射率差值與云滴有效半徑(a)和光學(xué)厚度(b)的對應(yīng)關(guān)系

圖4 冰云的發(fā)射率差值與云滴有效半徑(a)和光學(xué)厚度(b)的對應(yīng)關(guān)系

1.4 云層有效發(fā)射率的斜率與云滴有效半徑和光學(xué)厚度的關(guān)系

根據(jù)1.2節(jié)的分析、云發(fā)射率斜率在熱紅外波段的900～1 000 cm-1區(qū)間、1 100～1 200 cm-1區(qū)間以及在中紅外波段1 900～2 000 cm-1區(qū)間的斜率隨著云滴有效半徑和云的光學(xué)厚度的變化而變化。進(jìn)一步、在900～1 000 cm-1區(qū)間選擇900.2、934. 9、961.9和989.8 cm-1等四個(gè)窗口進(jìn)行曲線擬合、得到擬合系數(shù)ESlope-a1和ESlope-a2； 在1 100～1 200 cm-1區(qū)間選擇1 114.2、1 127.7、1 145.1和1 159.1 cm-1等四個(gè)窗口進(jìn)行曲線擬合、得到擬合系數(shù)ESlope-b1和ESlope-b2； 在1 900～2 000 cm-1區(qū)間選擇1 900.1、1 930.0、1 952.2和1 978.7 cm-1等四個(gè)窗口進(jìn)行曲線擬合、得到擬合系數(shù)ESlope-c1和ESlope-c2。擬合公式為式(2)

y(τ，re，ν)=k1(τ，re)ν+k2(τ，re)

(2)

式(2)中、k1為ESlope-a1、ESlope-b1和ESlope-c1；k2為ESlope-a2、ESlope-b2和ESlope-c2。

這些系數(shù)可能只對云滴有效半徑敏感或只對云的光學(xué)厚度敏感、也可能同時(shí)敏感。經(jīng)篩選后發(fā)現(xiàn)、熱紅外波段的ESlope-a1與ESlope-b2組合[如圖5(a)、圖6(a)所示]、ESlope-a2與ESlope-b2組合[如圖5(b)、圖6(b)所示]適合水云和冰云的查找反演； 中紅外波段的ESlope-c1與ESlope-c2組合[如圖7(b)所示]以及熱紅外和中紅外混合的ESlope-a2與ESlope-c2組合[如圖7(a)所示]只適合于冰云反演、且ESlope-c1與ESlope-c2組合對于較小云滴有效半徑的冰云反演結(jié)果有誤差、比較適合于反演云滴有效半徑約大于15 μm的冰云。此外、對于水云來說、光學(xué)厚度大于6之后的查找反演準(zhǔn)確性降低、理論上冰云能反演更高光學(xué)厚度的云且保持一定的反演準(zhǔn)確性。

圖5 熱紅外波段水云的發(fā)射率斜率與云滴有效半徑(a)和光學(xué)厚度(b)的對應(yīng)關(guān)系

圖6 熱紅外波段冰云的發(fā)射率斜率與云滴有效半徑(a)和光學(xué)厚度(b)的對應(yīng)關(guān)系

圖7 中紅外波段冰云的發(fā)射率斜率與云滴有效半徑(a)和光學(xué)厚度(b)的對應(yīng)關(guān)系

2 臭氧波段云層透過率的補(bǔ)充約束作用

臭氧在9.6 μm有一個(gè)強(qiáng)吸收帶、如圖8所示。由于O3濃度峰值處于平流層、對流層內(nèi)O3對向下紅外輻射的貢獻(xiàn)約是總的O3輻射的10%[10]。在該吸收帶區(qū)域、可以將O3看作是云上的固定發(fā)射源、其穿過云層時(shí)將衰減、故可以在該波段反演得到云的透過率。

圖8 臭氧吸收帶所在區(qū)域及晴天和有云光譜

若忽略云的反射率[14]、則地面接收的紅外輻射如式(3)所示

(3)

在吸收線之間的窗口、云上大氣的輻射可以忽略不計(jì)。此時(shí)地面接收的有云大氣向下紅外輻射包括了云下大氣輻射以及云層發(fā)射輻射、定義為有云背景輻射、如式(4)所示

(4)

對于9.6 μm的O3吸收帶來說、云上大氣的輻射不能忽略、主要為O3輻射。式(4)與式(3)相減可得到式(5)

(5)

在9.6 μm的O3吸收帶處的晴空大氣向下紅外輻射與晴空背景輻射之差見式(6)

(6)

因此、O3吸收帶處云層透過率如式(7)所示

(7)

參考Thériault等[15]、Mahesh等[10]和Garrett等[11]的有關(guān)研究、根據(jù)式(7)、臭氧波段云層透過率計(jì)算流程為：

(1)在O3吸收帶兩側(cè)、找到大氣窗區(qū)(分別為970～985和1 080～1 090 cm-1)；

(4)根據(jù)式(7)計(jì)算出O3吸收帶內(nèi)某一波段的云層透過率。

模擬計(jì)算了O3吸收帶區(qū)間不同云微物理參數(shù)情況下的云層透過率情況、如圖9所示。可見該區(qū)域的反演結(jié)果有一定起伏、尤其在1 000～1 020 cm-1之間的變化較大； 1 040～1 048 cm-1區(qū)域的O3吸收很弱、計(jì)算結(jié)果也有較大的變化?？梢赃x擇1 020～1 040 cm-1區(qū)域和1 050～1 060 cm-1區(qū)域的云層透過率作為O3吸收帶的透過率。本文選擇1 050～1 060 cm-1這一區(qū)域的云層透過率平均值作為O3吸收帶的透過率。

在此基礎(chǔ)上、模擬計(jì)算了不同云滴有效半徑和不同光學(xué)厚度情況下O3吸收帶的透過率tc_ozone、該數(shù)據(jù)與E1-E2數(shù)據(jù)形成查找表如圖10所示。也可與E4-E3,ESlope-a1、ESlope-b1、ESlope-c1、ESlope-a2、ESlope-b2和ESlope-c2形成查找表、不再贅述?？梢?、臭氧波段的云層透過率數(shù)據(jù)對云滴有效半徑和光學(xué)厚度的反演有補(bǔ)充和約束作用。

3 多重查找表反演方法

在上述理論分析的基礎(chǔ)上、建立了多重查找表反演云微物理參數(shù)的方法。該方法主要包括了查找表的建立、實(shí)際云層發(fā)射率的計(jì)算、云相態(tài)的判別、云層透過率的估算以及查找算法的實(shí)現(xiàn)等幾個(gè)重要步驟、并最終通過查找反演的云滴有效半徑和光學(xué)厚度進(jìn)一步估算云水路徑。該算法的主要流程如圖11所示。

(1)查找表的建立

分別建立了水云和冰云的查找表。水云的云滴有效半徑取2～20 μm、間隔0.5 μm； 冰云的云滴有效半徑取10～60 μm、間隔0.5 μm； 光學(xué)厚度取0～10、間隔0.01 μm?？紤]到輻射值和云發(fā)射率數(shù)據(jù)會(huì)存在誤差、主要使用發(fā)射率或輻射值的差值、斜率組成的查找表進(jìn)行反演。經(jīng)過篩選后的查找表特征數(shù)據(jù)為：E1-E2、E4-E3、T_ozone、ESlope-a1和ESlope-b2、共5組特征。

(2)實(shí)際云層發(fā)射率的計(jì)算

采用的數(shù)據(jù)包括實(shí)測溫濕廓線、歷史臭氧廓線、實(shí)測氣溶膠消光系數(shù)廓線、將這些數(shù)據(jù)輸入正向模式中獲得模擬晴空高光譜輻射數(shù)據(jù)。然后結(jié)合實(shí)測高光譜輻射數(shù)據(jù)得到云層發(fā)射率數(shù)據(jù)。

(3)云相態(tài)的判定

利用(2)中計(jì)算云發(fā)射率數(shù)據(jù)計(jì)算出云相態(tài)特征參數(shù)、并輸入訓(xùn)練好的支持向量機(jī)進(jìn)行云相態(tài)判定。此處只進(jìn)行水云和冰云的微物理參數(shù)反演。對于混合相云、由于其發(fā)射的紅外輻射大部分來自濃度較高的小水滴[16]、視為水云進(jìn)行后續(xù)反演工作。

(4)云層透過率的估算

估算1 030 cm-1波段的云層透過率T_ozone、具體方法見第4節(jié)。

(5)云滴有效半徑和光學(xué)厚度的查找反演

計(jì)算出E1-E2、E4-E3、ESlope-a1、ESlope-b2以及步驟(4)中計(jì)算的T_ozone等形成5維查找表參數(shù)。利用逐步搜索法遍歷步驟(1)中計(jì)算好的查找表、使得式(8)最小。

(8)

圖9 不同云微物理參數(shù)情況下O3吸收帶的云層透過率

圖10 臭氧吸收帶的云層透過率與云滴有效半徑(a)和光學(xué)厚度(b)的對應(yīng)關(guān)系

圖11 多重查找表反演方法流程圖

(6)云水路徑的估算

分別利用式(9)和式(10)[17]計(jì)算液態(tài)水路徑LWP或冰水路徑IWP。

(9)

(10)

4 反演結(jié)果分析

采用ARM計(jì)劃SGP站點(diǎn)2010年3月份數(shù)據(jù)。將本反演結(jié)果與MICROBASE產(chǎn)品進(jìn)行比較。MICROBASE產(chǎn)品是ARM的基本云參數(shù)產(chǎn)品、Liao等[18]和Frisch等[19]提出的方法分別用于水云的液態(tài)水含量(LWC)和云滴有效半徑(re)的估計(jì)。Liu等[20]和Ivanova等[21]提出的方法分別用于冰云的冰水含量(IWC)和云滴有效半徑(re)的估計(jì)。對于混合相態(tài)的云、首先利用云體溫度進(jìn)行區(qū)分、然后再分別利用水云和冰云的云參數(shù)估計(jì)方法獲取云水含量和等效粒子半徑。MICROBASE產(chǎn)品中包括了LWC、IWC以及re的分布廓線、云相態(tài)分布廓線以及云頂和云底所在高度、根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以得出LWP和IWC。

由于MICROBASE產(chǎn)品是云滴有效半徑和云水含量廓線產(chǎn)品、為了與本工作獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、需要進(jìn)一步整理以得到某觀測時(shí)次的平均云滴有效半徑和云水路徑。具體方法：對某一時(shí)刻的云滴有效半徑廓線、取數(shù)量占比最大的作為該時(shí)次云滴有效半徑； 對云水含量廓線從云底到云頂進(jìn)行積分得到云水路徑。由于MICROBASE產(chǎn)品中水云的液態(tài)水含量廓線是經(jīng)過微波輻射計(jì)獲得的液態(tài)水路徑約束后的結(jié)果、故積分得到的液態(tài)水路徑與微波輻射計(jì)反演得到的液態(tài)水路徑基本相等、其誤差應(yīng)在20～30g·m-2左右。Zhao等通過理論分析、認(rèn)為MICROBASE產(chǎn)品的反演誤差[4]分別為：15%(LWC)、30%(水云Re)、55%(IWC)和30%(冰云Re)。

4.1 2010年3月2日個(gè)例分析

2010年3月2日的云層存在冰云和水云、其中00 h—04 h存在較為明顯的冰水兩層云結(jié)構(gòu)； 04 h—08 h為冰云； 11 h—22 h為水云。對于水云部分、本反演結(jié)果與MICROBASE產(chǎn)品的比較如圖12所示。從圖中可見、兩種方法反演的云滴有效半徑相當(dāng)、基本在5～10 μm、且利用AERI反演的結(jié)果稍小。兩種方法得到的LWP相差很大、利用AERI儀器反演的LWP遠(yuǎn)小于微波輻射計(jì)測量的結(jié)果。這是由于AERI儀器獲得的紅外高光譜輻射自身特點(diǎn)決定的。當(dāng)云的光學(xué)厚度超過6時(shí)、地基紅外高光譜數(shù)據(jù)接近飽和、幾乎無法從中反演云的微物理參數(shù)。云的實(shí)際光學(xué)厚度越接近6、反演的誤差越大。此外、本文反演的LWP是根據(jù)LWP≈2ρLreτvis，liq/3計(jì)算得出的。假設(shè)水云的云滴有效半徑為8 μm、則LWP最大僅為32 g·m-2。目前的研究表明、利用微波輻射計(jì)獲得的LWP的不確定度在20～30 g·m-2、也就是說利用AERI數(shù)據(jù)反演的LWP的最大值與微波輻射計(jì)測量的LWP的不確定度在一個(gè)量級上。這也是造成兩者反演的LWP差異較大的原因。理論上、實(shí)際云層的LWP越大、微波輻射計(jì)測量的結(jié)果越準(zhǔn)確、實(shí)際云層的LWP越小、AERI反演的結(jié)果越準(zhǔn)確。

由于MICROBASE產(chǎn)品中沒有光學(xué)厚度的結(jié)果、進(jìn)一步利用旋轉(zhuǎn)影帶輻射計(jì)(MFRSR)反演的光學(xué)厚度與本文結(jié)果進(jìn)行比較(如圖13)、并結(jié)合圖12可知、不管是14 h—16 h還是18 h—22 h的水云、在云的光學(xué)厚度小于6的時(shí)刻、AERI反演的LWP與微波輻射計(jì)反演結(jié)果差異在20 g·m-2以內(nèi)； 對于光學(xué)厚度大于6的時(shí)刻、兩者結(jié)果差異明顯、且較大光學(xué)厚度的云層、AERI已標(biāo)記為不透明云、不再進(jìn)行云微物理參數(shù)的反演。

對于冰云部分、本文反演結(jié)果與MICROBASE產(chǎn)品的比較如圖14所示。

圖12 2010年3月2日SGP站點(diǎn)的水云反演結(jié)果

圖13 2010年3月2日SGP站點(diǎn)的水云光學(xué)厚度反演結(jié)果的差異

圖14 2010年3月2日SGP站點(diǎn)的冰云反演結(jié)果

從圖14可見、00 h—04 h由于AERI在大多數(shù)時(shí)刻只觀測到了低層的水云、故無法進(jìn)行冰云參數(shù)的反演。04 h—08 h兩者反演的云滴有效半徑較為一致、均在20～25 μm左右； 在06 h—08 h的IWP結(jié)果亦較為一致、約為5 g·m-2、但04 h—06 h的IWP反演結(jié)果差異較大。MICROBASE產(chǎn)品中冰云IWC的反演方程為IWC≈0.097Z0.59、IWP是該方程積分的結(jié)果。由于該方程中的參數(shù)是基于僅有的少量飛機(jī)觀測數(shù)據(jù)得出、實(shí)際上MICROBASE產(chǎn)品中的IWC反演準(zhǔn)確度并不高、其理論誤差達(dá)到55%。故兩者的一致性程度難以說明觀測的正確性、這也是目前反演結(jié)果準(zhǔn)確性評估的難點(diǎn)。此外、12 h—15 h和18 h—22 h時(shí)段、MICROBASE產(chǎn)品中有冰云微物理參數(shù)、查看該時(shí)段的IWP數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)大多數(shù)小于1 g·m-2、認(rèn)為這是由于MICROBASE產(chǎn)品云相態(tài)檢測只依賴于溫度所導(dǎo)致的誤差。

4.2 反演結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析

將2010年3月份的云滴有效半徑、云水路徑和光學(xué)厚度反演結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并與MICROBASE產(chǎn)品進(jìn)行比較、總體情況如圖15所示。其中、左側(cè)(a)系列為水云的統(tǒng)計(jì)結(jié)果、右側(cè)(b)系列為冰云的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。各圖的橫坐標(biāo)表示不同的云微物理量、縱坐標(biāo)為概率密度函數(shù)(probability distribution function、PDF)、表示某一物理量出現(xiàn)的頻率。可見、對于云滴有效半徑反演來說、水云的結(jié)果兩者較為一致、基本分布15 μm以下、這一結(jié)果與很多研究結(jié)果相當(dāng)； AERI反演的冰云云滴有效半徑相對較小、在25 μm以下的數(shù)量偏多、而在35 μm以上的偏少、但總體上兩者的差異并不很大。

對于云水路徑而言、兩者的反演結(jié)果差異較大。尤其是AERI反演的LWP較MICROBASE產(chǎn)品小很多。MICROBASE產(chǎn)品中LWP是微波輻射計(jì)的測量結(jié)果、而本文的LWP則是通過其與光學(xué)厚度和云滴有效半徑之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系計(jì)算得出、由于AERI只對較小光學(xué)厚度的云層敏感、故對于LWP較大的實(shí)際云層來說、微波輻射計(jì)測量的LWP較AERI反演結(jié)果更加準(zhǔn)確； 對于實(shí)際LWP較小的水云、AERI反演的結(jié)果更接近真實(shí)情況。MICROBASE產(chǎn)品中IWP數(shù)據(jù)峰值出現(xiàn)在1 g·m-2左右、而利用AERI反演的IWP的峰值出現(xiàn)在2～4 g·m-2。這兩者之間的差異主要有以下原因：一方面、MICROBASE產(chǎn)品反演過程中對云相態(tài)的判別較為簡單、且IWC估算方程有相當(dāng)?shù)恼`差； 另一方面不論是MICROBASE產(chǎn)品還是本文的算法均未能考慮卷云形狀對反演結(jié)果的影響。

圖15 2010年3月ARM SGP站點(diǎn)云微物理參數(shù)反演結(jié)果分布

分析光學(xué)厚度的反演結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)、AERI反演的水云光學(xué)厚度在接近6的位置出現(xiàn)峰值、冰云的光學(xué)厚度峰值出現(xiàn)在0.2左右。認(rèn)為水云光學(xué)厚度的分布可能并不真實(shí)。進(jìn)一步繪出利用MFRSR反演的光學(xué)厚度(如圖16所示)、可以認(rèn)為利用AERI反演的光學(xué)厚度偏小。但需要指出的是MFRSR反演光學(xué)厚度對于厚云來說較為準(zhǔn)確、對于薄云來說有很大誤差、且其利用全天空可見光輻射通量進(jìn)行反演的前提即假設(shè)全天布滿均勻云層、這與實(shí)際云層有很大差異、其反演結(jié)果更應(yīng)該認(rèn)為是“等效光學(xué)厚度”。當(dāng)然、這一等效光學(xué)厚度對于滿天低云來說基本與天頂方向云層光學(xué)厚度相當(dāng)。

圖16 2010年3月SGP站點(diǎn)利用MFRSR反演的云光學(xué)厚度分布

Fig.16 Probability distribution functions of COD derived from MFRSR at SGP during Mar. 2010

5 結(jié) 論

首先開展了云發(fā)射率光譜對水云和冰云的云滴有效半徑、光學(xué)厚度的敏感性分析、在此基礎(chǔ)上建立了其與云發(fā)射率光譜差值和斜率有關(guān)的查找表關(guān)系、然后研究了臭氧波段云層透過率計(jì)算方法及對查找關(guān)系的約束性、最終建立了多重查找表反演方法、并將反演結(jié)果與MICROBASE云微物理參數(shù)產(chǎn)品進(jìn)行了比較。主要結(jié)論有：

(1)分析不同云滴有效半徑、不同光學(xué)厚度條件下水云和冰云的發(fā)射率光譜可知：熱紅外波段862.1和934.9 cm-1的云層發(fā)射率之差、中紅外波段1 900.1和2 170.1 cm-1的云層發(fā)射率之差、熱紅外波段900～1 000 cm-1區(qū)間的發(fā)射率光譜斜率、1 100～1 200 cm-1區(qū)間的發(fā)射率光譜斜率與云滴有效半徑和光學(xué)厚度有很好的查找表關(guān)系。

(2)可以計(jì)算得出1 050～1 060 cm-1這一區(qū)域的云層透過率平均值作為臭氧吸收帶的透過率、并與上述特征形成多重查找表。在此基礎(chǔ)上可形成云微物理參數(shù)反演方法、具體步驟包括：查找表的建立、實(shí)際云層發(fā)射率的計(jì)算、云相態(tài)的判別、臭氧波段云層透過率的估算以及最小二乘查找等、最終反演出云滴有效半徑和光學(xué)厚度、并可通過經(jīng)驗(yàn)關(guān)系計(jì)算云水路徑。

(3)該反演算法較適合于光學(xué)厚度小于6的薄云。利用本文算法得到反演結(jié)果與MICROBASE產(chǎn)品的反演結(jié)果有一定的差異。其中水云的云滴有效半徑基本相當(dāng)； 冰云的云滴有效半徑相對MICROBASE產(chǎn)品偏??； 云水路徑的反演差異較大、尤其液態(tài)水路徑偏小很多。云的光學(xué)厚度較大時(shí)不宜采用地基紅外高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行云微物理量的反演。當(dāng)然、MICROBASE產(chǎn)品在反演時(shí)主要采用簡單的經(jīng)驗(yàn)公式、也存在很大的誤差。

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Research on Cloud Phase Detemination Using Infrared Emissivity Spectrum Data (2): Retrieval of Cloud Effective Radius and Water Path

LIU Lei*,SUN Xue-jin,GAO Tai-chang

College of Meteorology and Oceanography,PLA University of Science and Technology,Nanjing 211101,China

The cloud microphysical properties such as cloud effective radius and cloud water path are fundamental properties for understanding the cloud formation,radiative impacts and interactions with aerosol and precipitation. The downwelling infrared radiance spectra is studied here to retrieve microphysical properties of clouds. The sensitivity of the downwelling radiance spectra and cloud emissivity spectra to the liquid cloud and ice cloud effective radius and optical depth is analyzed. The look-up-tables are established for optically thin clouds (cloud optical depth less than 6) that rely on parameters of the slopes and differences of the emissivity spectra. These parameters include the difference in the emissivity between 862.1 and 934.9 cm-1,the difference in the emissivity between 1 900.1 and 2 170.1 cm-1,the slope of the cloud emissivity and the radiation between 900 and 1 000 cm-1,the slope of the cloud emissivity and the radiation between 1 100 and 1 200 cm-1. The look-up-tables are constrained by the incorporation of mean ozone band transmissivity between 1 050 and 1 060 cm-1. Cloud effective radius and optical depth can be obtained with by least squares fitting between observed and modeled above-mentioned multiple spectral parameters. The cloud water path can then be derived from the experiential relationship. The inversion results are compared with the ARM baseline cloud microphysics product (MICROBASE). It is shown that,the cloud effective radius is roughly in the same order of magnitude while the water paths derived from both method are of large differences especially for the liquid cloud path. The algorithm proposed in this paper is efficient for retrieving microphysical properties of thin clouds with cloud optical depth less than 6.

Cloud effective radius； Cloud water path； Hyperspectral infrared radiance； Cloud emissivity

Dec. 23,2015; accepted Apr. 29,2016)

2015-12-23、

2016-04-29

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41205125、41575024)資助

劉 磊、1983年生、解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院講師 e-mail: liuleidll@gmail.com *通訊聯(lián)系人

P414.9

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)12-3895-12

*Corresponding author