基于地基天頂輻射資料研究香河站云光學(xué)特性

王 靜,許瀟鋒,許 丹 (南京信息工程大學(xué)中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210044)

基于地基天頂輻射資料研究香河站云光學(xué)特性

王 靜*,許瀟鋒,許 丹 (南京信息工程大學(xué)中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210044)

基于地基天頂角輻射測(cè)量方法的AERONET云模式可反演云光學(xué)厚度(COD),結(jié)合MODIS衛(wèi)星反演的云產(chǎn)品資料,對(duì)2011年1月～2012年6月香河站云光學(xué)特性進(jìn)行分析,并討論了氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)和COD間的關(guān)系.結(jié)果表明:碎云和陰天狀況下,地基和衛(wèi)星資料反演云的COD存在顯著的正相關(guān),MODIS反演的COD平均值比地基觀測(cè)值分別小10.8和9.4;香河站天頂角方向COD和非降水云出現(xiàn)次數(shù)(Num)存在顯著的日變化:COD在早晨和黃昏有減小趨勢(shì),在中午和下午有增大趨勢(shì);Num日變化曲線呈雙峰型,峰值分別出現(xiàn)在早晨和午后,最小值出現(xiàn)在正午前后;COD季平均值為秋＞春＞冬＞夏,各季都有超過(guò)65%的COD集中在10～40;夏季觀測(cè)天數(shù)最多,變化程度最小;對(duì)香河站COD與AOD時(shí)間序列作線性回歸分析,并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)COD的觀測(cè)頻率和細(xì)模態(tài)AOD有較強(qiáng)的正相關(guān)性.

地基遙感；COD；太陽(yáng)光度計(jì)；香河站

云是懸浮在大氣中的小水滴或冰晶微粒,或兩者混合組成的可見(jiàn)集合體[1].平均覆蓋全球天空約65%～70%的云在地球能量收支系統(tǒng)和水循環(huán)系統(tǒng)中均具有非常重要的作用.政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)(IPCC)第 5次評(píng)估報(bào)告總結(jié)了有關(guān)云和氣溶膠對(duì)氣候變化影響的研究,云在輻射強(qiáng)迫中的不確定性已成為氣候變化預(yù)測(cè)中最大的障礙[2].研究云的輻射效應(yīng),需要了解其光學(xué)特性[3],一般采用地面觀測(cè)、地基遙感和空基(衛(wèi)星和飛機(jī))遙感等主要手段.空基反演云光學(xué)厚度(COD)和有效粒子半徑的研究很多[4-6],依據(jù)的理論基礎(chǔ)是云在非吸收的可見(jiàn)光波段上,反射函數(shù)主要是 COD的函數(shù),而在吸收的太陽(yáng)近紅外波段上,反射函數(shù)是云粒子大小的函數(shù)[7].盡管空基反演方法能獲得較大空間尺度上的云光學(xué)和微物理特性,但其理論上的假定及近似等多種因素影響反演的準(zhǔn)確性,需要實(shí)際觀測(cè)來(lái)對(duì)反演算法和結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證.此外,衛(wèi)星在時(shí)間分辨率上不能滿足長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)的要求,因此,發(fā)展地基反演方法是對(duì)空基反演的一個(gè)補(bǔ)充.

很多研究工作是圍繞地基觀測(cè)反演展開(kāi)的,如美國(guó)在20世紀(jì)90年代早期開(kāi)始實(shí)施的大氣輻射 觀 測(cè) 計(jì) 劃 (ARM, atmospheric radiation measurement),為研究不同區(qū)域云的特性提供了長(zhǎng)期連續(xù)的地基觀測(cè)資料[8-10].云觀測(cè)網(wǎng)(Cloudnet)是另一個(gè)對(duì)云進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)的地基網(wǎng)絡(luò),由3個(gè)站點(diǎn)組成,分別位于英國(guó)、法國(guó)和荷蘭,為提高預(yù)報(bào)模式,利用多普勒雷達(dá),云高儀,CMR輻射計(jì)等地基設(shè)備對(duì)云的演化過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)地觀測(cè)[11].相比于國(guó)外,我國(guó)對(duì)云各要素的探測(cè)工作也不斷開(kāi)展[12-14],但對(duì)云光學(xué)特性的地基研究開(kāi)展較晚.研究表明,利用地基太陽(yáng)輻射信息可以獲取COD[15]、云滴有效半徑[16],反演沙塵云、單相云及混合相云的光學(xué)特性[17].

Marshak[18]以及 Barker等[19]早期提出了一種通過(guò)可見(jiàn)光區(qū)域的波段 (673nm, RED)和近紅外區(qū)域的波段(870nm, NIR)的天頂輻射值,組合成的歸一化云指數(shù)(NDCI)來(lái)代替單一波段的天頂輻射測(cè)量反演 COD的方法,分析了不同天空狀況下(碎云、陰天)COD的時(shí)間變化[20].該算法應(yīng)用到ARM計(jì)劃的CIMEL型太陽(yáng)光度計(jì)觀測(cè)中,并將反演的碎云光學(xué)厚度結(jié)果與微波輻射計(jì)(MWR)和多濾波遮光輻射計(jì)(MFRSR)進(jìn)行比較.基于此,全球大型氣溶膠觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)之一的AERONET發(fā)展了新的云模式[21],利用窄視場(chǎng)角天頂輻射資料反演COD.云模式的反演結(jié)果能夠很好的反映天頂方向云層隨時(shí)間的演變特征,對(duì)研究云的時(shí)間變化趨勢(shì)更具優(yōu)勢(shì).

針對(duì)高污染的京津冀地區(qū),本研究基于地基AERONET云模式反演算法,選取香河站COD資料,對(duì)比云模式與衛(wèi)星2種方法的差異;對(duì)COD、天頂方向云的觀測(cè)天數(shù)和觀測(cè)次數(shù)的時(shí)間變化特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析;并與氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)的相關(guān)性進(jìn)行討論,進(jìn)一步認(rèn)識(shí)云-氣溶膠-輻射相互作用,為深入研究云光學(xué)特性提供參考.

1 方法和實(shí)驗(yàn)

1.1 觀測(cè)站點(diǎn)和儀器

AERONET云模式在我國(guó)運(yùn)行的觀測(cè)站點(diǎn)有7個(gè),多數(shù)站點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)在時(shí)間上缺乏連續(xù)性,為了充分認(rèn)識(shí)云光學(xué)特性的時(shí)間變化特征,本文選取資料相對(duì)最全的香河站進(jìn)行研究,時(shí)間范圍從2011年1月～2012年6月.香河站位于北京市和天津市之間的香河縣,屬于華北地區(qū),緯度39.75oN,經(jīng)度116.96oE,海拔36.00m.

本研究所用數(shù)據(jù)來(lái)自AERONET觀測(cè)網(wǎng)站,觀測(cè)儀器是法國(guó)CIMEL公司制造的CE-318型太陽(yáng)光度計(jì),主要用于反演氣溶膠光學(xué)厚度、尺度譜分布、相函數(shù)以及單次散射反照率等氣溶膠的微物理參量和光學(xué)特性[22].所測(cè)的數(shù)據(jù)已經(jīng)被廣泛地定量應(yīng)用于研究氣溶膠的直接和間接氣候效應(yīng),校驗(yàn)衛(wèi)星資料,反演氣溶膠參數(shù)和發(fā)展氣溶膠的預(yù)報(bào)模式[23].儀器常規(guī)的觀測(cè)模式稱(chēng)為氣溶膠觀測(cè)模式,當(dāng)太陽(yáng)完全被云遮擋時(shí),測(cè)量太陽(yáng)直接輻射和天空散射輻射來(lái)反演氣溶膠的光學(xué)和微物理特性的方法將不再適用,在這種情況下,利用太陽(yáng)光度計(jì)的空閑時(shí)間來(lái)對(duì)天頂方向出現(xiàn)的云進(jìn)行觀測(cè),稱(chēng)為云模式.與全天空輻射測(cè)量不同,基于窄視場(chǎng)角的天頂輻射測(cè)量可以提供觀測(cè)點(diǎn)天頂方向上的云特性信息,而不單局限于全天空有云的陰天的狀況.太陽(yáng)光度計(jì)直接指向天頂角方向,每間隔9s來(lái)完成1次對(duì)8個(gè)波段的天頂輻射測(cè)量,并連續(xù)進(jìn)行10次測(cè)量.AERONET反演產(chǎn)品包括 COD,月總觀測(cè)天數(shù)(Days)、日平均觀測(cè)次數(shù)(Num Daily Avg)和歸一化植被指數(shù)(NDVI)等.其中Level1.0和Level1.5 2種COD產(chǎn)品,分別是瞬時(shí)值和1.5min平均值.根據(jù)觀測(cè)時(shí)段內(nèi)天頂輻射值可選取典型陰天和碎云天氣狀況

[20]進(jìn)行對(duì)比觀測(cè).

1.2 AERONET云模式反演算法

由于單一波段的太陽(yáng)天頂輻射值與COD缺乏一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,即天頂輻射值隨 COD的變化并非單調(diào)變化,一個(gè)天頂輻射值有可能與2個(gè)不同的 COD相對(duì)應(yīng),因此,僅靠測(cè)量單一波段的太陽(yáng)天頂輻射值來(lái)反演得到COD是不可能的[24].

Marshak等[20]提出了利用RED和NIR2個(gè)波段的窄視場(chǎng)角天頂輻射測(cè)量來(lái)反演COD的方法.該方法主要原理是:對(duì)于綠色植被覆蓋的地表,地面測(cè)量的天頂輻射在RED和NIR2個(gè)波段上存在顯著的差異.綠色植被在RED波段能夠吸收這一波段上 90%～95%的太陽(yáng)輻射,地表反照率很小;而在NIR波段能夠反射約90%的入射輻射,地表反照率相對(duì)較大.因此,根據(jù)綠色植被覆蓋的地表在這2個(gè)波段上天頂輻射顯著的差異性,可分別建立2個(gè)波段上的天頂輻射值與COD的關(guān)系.任何一個(gè)地基天頂輻射測(cè)量值I,都可表示為

[25]:

式中:I0為非反射表面計(jì)算的向下輻射,式中右邊第 2項(xiàng)表示云與下墊面相互作用而產(chǎn)生的輻射.云與下墊面相互作用主要取決于ρ、T0、IS、R,這里ρ為下墊面的反照率,T0是在平面平行輻射假定下非反射表面單色輻射的透過(guò)率,IS是位于地面各向同性輻射源在 1/π輻射場(chǎng)產(chǎn)生的輻射, R為云底以下各向同性輻射的球形反照率,定義T0:

在綠色植被覆蓋地表的情況下,對(duì)比 660nm和 870nm云的光學(xué)特性變化不大,因此,假定COD與波長(zhǎng)相互獨(dú)立,變量 I0、 IS、 T0、R僅僅是 COD的函數(shù),并且地表反照率ρ僅是波長(zhǎng)的函數(shù),根據(jù)上面的假定有

在假定云滴有效半徑為8μm的條件下,利用離散坐標(biāo)輻射傳輸模式[26],繪制天頂輻射與COD,“有效云量”與440nm和870nm的天頂輻射之間的關(guān)系的查找表.Chiu等[21]認(rèn)為,由于大部分綠色植被覆蓋的地表對(duì)440nm波段輻射的吸收大于對(duì) 673nm波段輻射的吸收,因此,與673nm波段相比,440nm波段與870nm波段的天頂輻射之間的差異更大.

反演算法中,天頂輻射測(cè)量值 5%的誤差將導(dǎo)致約5%～10%的COD反演誤差,云滴有效半徑25%的誤差將導(dǎo)致約 4%的 COD反演誤差,而440nm和870nm波段處10%和5%的地表反照率誤差將引起約 1%～3%COD反演誤差,因此總的COD反演誤差約為17%.盡管氣溶膠時(shí)間變化顯著,無(wú)法準(zhǔn)確的在查找表中量化,從而影響反演COD的精度,但是當(dāng)COD＞15時(shí),氣溶膠的影響可以忽略[21].對(duì)于薄云而言,反演相對(duì)誤差較大,氣溶膠的影響不能忽略,還需重新考慮.

2 數(shù)據(jù)結(jié)果處理與分析

2.1 AERONET云產(chǎn)品與衛(wèi)星云產(chǎn)品對(duì)比

本文選取的衛(wèi)星云產(chǎn)品來(lái)自于裝有MODIS傳感器的Terra 和Aqua 衛(wèi)星(Product:MOD06_ L2和 MYD06_L2,Collection:51,空間分辨率1km).采用MODIS的觀測(cè)范圍內(nèi)全天空非降水液態(tài)水云的結(jié)果,時(shí)間范圍為2011-01～2012-06.由于衛(wèi)星云產(chǎn)品的時(shí)空分辨率和AERONET云產(chǎn)品不同,為了初步對(duì)比兩者反演 COD數(shù)值上的差異,理論上要保證兩者探測(cè)云時(shí)在時(shí)空上的一致性. MODIS 數(shù)據(jù)可以得到每天最少2次白天和2次黑夜更新數(shù)據(jù).為了盡量增加地基采樣數(shù)據(jù)并避免使用較多的MODIS像元,經(jīng)過(guò)權(quán)衡,認(rèn)為在空間上,要求衛(wèi)星星下點(diǎn)距離測(cè)站2km以內(nèi),時(shí)間上,要求云模式觀測(cè)時(shí)間與衛(wèi)星經(jīng)過(guò)香河站前后相差30min以內(nèi)的1h觀測(cè)平均值較為合適.本文選取兩者合適的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,同時(shí)參考香河站歷史天氣數(shù)據(jù),以期對(duì)這兩種反演 COD的方法有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí),減小反演結(jié)果誤差.經(jīng)過(guò)刪選,碎云情況下共有 16個(gè)樣例來(lái)自于Terra衛(wèi)星符合條件,陰天情況下共有9個(gè)樣例符合條件(表1).

表1 選取衛(wèi)星云產(chǎn)品與AERONET云產(chǎn)品樣例Table 1 Data from broken-cloud and overcast cases used in comparing COD of AERONET to MODIS overpasses

圖1 AERONET云模式與衛(wèi)星兩種方法反演COD對(duì)比Fig.1 Scatter plots of 1.5min average cloud optical depth retrievals from the AERONET radiometers versus MODIS虛線為y=x,實(shí)線為擬合線, r為相關(guān)系數(shù),RMSE是均方根誤差

毛節(jié)泰等[27]利用時(shí)空條件選擇將 MODIS衛(wèi)星反演北京地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度與地基太陽(yáng)光度計(jì)遙感數(shù)據(jù)通過(guò)線性擬合進(jìn)行對(duì)比,本文嘗試分別對(duì)這2種方法反演的COD值同樣進(jìn)行最小二乘線性擬合,從擬合效果來(lái)看(圖 1),云模式和衛(wèi)星反演 COD的差異,表現(xiàn)出很強(qiáng)的正相關(guān)性:二者相關(guān)系數(shù)達(dá)0.71,通過(guò)了顯著性水平為0.0001的假設(shè)檢驗(yàn),RMSE為 5.844.擬合公式中的截距大于 0,也印證了衛(wèi)星只適用于反演光學(xué)厚度較大的云.由于云模式在1h內(nèi)最多進(jìn)行4次觀測(cè),如果增加地基觀測(cè)次數(shù),衛(wèi)星與地基反演值之間的偏差應(yīng)該會(huì)減小.

圖2 AERONET云模式和衛(wèi)星反演的COD值對(duì)比Fig.2 Box plots of cloud optical depths retrieved from AERONET and MODISAERONET云模式數(shù)據(jù)繪制在箱線圖中:上三角表示最大值,下三角表示最小值,空心方格表示時(shí)間平均值,矩形內(nèi)線表示中位數(shù),矩形上/下邊界分別表示上/下四分位線,上下胡須短橫線表示標(biāo)準(zhǔn)差;實(shí)心圓代表衛(wèi)星反演COD的區(qū)域平均值

由圖 2可知,無(wú)論是碎云還是陰天狀況, MODIS反演的COD平均值比地基觀測(cè)值分別小10.8和9.4,相應(yīng)的相對(duì)百分率值((MODIS-地基)/基地)分別為-40.7%和-38.7%.即使在全天空有云的情況下,MODIS衛(wèi)星反演的COD與地基反演值存在較大差異,衛(wèi)星反演產(chǎn)品同樣受到云的不均勻性影響.衛(wèi)星反演的 COD的平均值變化幅度較小,而云模式反演的 COD無(wú)論是單個(gè)時(shí)段還是個(gè)例之間的變化都較大,說(shuō)明地基云模式反演COD更為敏感.

總的來(lái)說(shuō),衛(wèi)星與AERONET反演的COD數(shù)據(jù)差異較大,衛(wèi)星數(shù)據(jù)小于AERONET數(shù)據(jù),但是兩者表現(xiàn)出很強(qiáng)的正相關(guān)性.出現(xiàn)差異的可能原因有:1.衛(wèi)星反演的 COD是瞬時(shí)值,平均值采用瞬時(shí)值的區(qū)域平均,云模式采用某一段時(shí)間觀測(cè)COD的平均值;2.衛(wèi)星遙感 COD的空間分辨率為 1km,地基云模式則是觀測(cè)天空某一具體的位置;3.兩者的觀測(cè)量和反演算法也有所不同;4. MODIS傳感器和CE-318太陽(yáng)光度計(jì)的觀測(cè)值也存在人為誤差或儀器誤差.盡管地基和衛(wèi)星反演的結(jié)果存在明顯差異,但是仍有 60%～70%的衛(wèi)星反演值落在云模式的誤差范圍內(nèi).

2.2 AERONET云模式數(shù)據(jù)有效性檢測(cè)

由于云模式反演算法不僅與RED和NIR波段的地表反照率(Albedo)有關(guān),也與兩者之間的差異程度有關(guān),綠色植被覆蓋率越大,兩者的差異程度越大.歸一化植被指數(shù)(NDVI)在一定程度上可以反映兩者的差異程度[28].NDVI計(jì)算公式為:

一方面,可見(jiàn)和近紅外波段的地表反照率差異越大,算法對(duì)地表綠色植被覆蓋率的要求越低, NDVI的閾值(Threshold)就越小,Chiu等[29]認(rèn)為,在675nm和770nm波段,低于0.4的NDVI值對(duì)于反演算法不太理想,由于440nm和870nm波段地表反照率差異相對(duì)更大,可以將大小為0.3的NDVI值作為閾值來(lái)選取云模式站點(diǎn);另一方面,440nm和870nm波段10%和5%的地表反照率誤差將導(dǎo)致COD的反演誤差僅為1%～3%,而對(duì)有效云量的反演影響較大,即所反演的 COD對(duì)可見(jiàn)和近紅外波段的地表反照率的不確定性相比于有效云量是不太敏感的.因此,要研究香河站的COD,有必要先了解當(dāng)?shù)氐牡乇矸凑章首兓卣?反演 COD算法中的地表反照率來(lái)自于MODIS_Moody_Filled_Maps_from_ AERONE的 1.0級(jí)數(shù)據(jù)和MCD43A1_C005的2.0級(jí)數(shù)據(jù).

從圖3香河站440nm和870nm波段地表反照率及NDVI的年變化來(lái)看,全年NDVI均大于閾值 0.3,滿足云模式算法的要求,年平均值為0.67,最小值出現(xiàn)在冬季,為 0.48,最大值出現(xiàn)在夏季,為0.86.870nm波段地表反照率年變化幅度高于440nm波段的變化幅度,前者標(biāo)準(zhǔn)差為0.58,后者僅為 0.02;870nm 波段年平均值為 0.29, 440nm波段的平均值為0.06,兩者差異很大,前者達(dá)后者的5倍以上.2個(gè)不同波段的地表反照率主要受地面綠色植被覆蓋率的影響,NDVI值越大,870nm地表反照率越大,440nm地表反照率越小,之間的差異也更顯著.綠色植被受季節(jié)影響較大,因此,440nm和 870nm波段地表反照率也具有明顯的季節(jié)變化,870nm地表反照率分別在春季和夏季出現(xiàn)峰值,春季峰值出現(xiàn)在第 114d,為0.33,夏季峰值出現(xiàn)在第209d,為0.39,植被的覆蓋率和降水的原因使得土壤濕度增加等因素綜合影響地表反照率的變化[30].秋冬季節(jié)綠色植被減少,870nm地表反照率也隨之減小.440nm地表反照率與870nm地表反照率變化趨勢(shì)相反,同樣可用NDVI隨季節(jié)的變化予以解釋,在此不再贅述.

圖3 香河站440nm和870nm波段地表反照率及NDVI年變化Fig.3 Temporal change of the surface albedo values at wavelengths of 440 and 870nm and NDVI

2.3 COD日變化

表2為所選取的典型碎云和陰天天氣狀況,碎云天和陰天都為微風(fēng),風(fēng)向也基本一致.

表2 香河站典型個(gè)例歷史天氣狀況*Table 2 Historical weather condition of typical cases in Xianghe station

由圖4可以看出,碎云出現(xiàn)時(shí)段比陰天短,觀測(cè)時(shí)間間隔較大,且觀測(cè)的 COD值起伏明顯.陰天觀測(cè)獲得的COD值連續(xù)性強(qiáng),但COD值也存在著較大差異,早晨 8:00開(kāi)始變化緩慢,之后在10:11出現(xiàn)一個(gè)極大值80.24, 接著在10:27變?yōu)樽钚≈?27.31,之后又逐漸增大,在午后基本保持在60～90之間.上述結(jié)論與碎云和陰天的實(shí)際狀況相符,因此,AERONET算法能夠較好地反映出天頂方向COD的變化.

圖4 香河站典型(a)碎云 (b)陰天狀況COD日變化Fig.4 Diurnal variation of COD of typical(a)broken-cloud case (b)overcast case in Xianghe station-■- COD值,?太陽(yáng)天頂角

由于 COD的日變化各不相同,為了更易看出日變化特征,圖5給出了COD距平日變化的季節(jié)和年平均特征,季節(jié)劃分標(biāo)準(zhǔn)按照氣象上, 3～5月為春季,6～8月為夏季,9～11月為秋季,12～2月為冬季.其中云光學(xué)厚度距平的日變化定義為COD每小時(shí)觀測(cè)的平均值與日平均值的差值,距平日變化反映的是變化趨勢(shì)和幅度信息,與實(shí)際值的大小無(wú)關(guān).可以看出,全年 COD的日變化幅度較小,為 5.30,COD在一天開(kāi)始的前期有所減小,從當(dāng)?shù)貢r(shí)間8:00左右往后逐漸增大,最大值出現(xiàn)在午后14:00左右,再之后則逐漸減小.夏季和秋季 COD的日變化與全年的變化趨勢(shì)相似,但夏季的COD的日變化更為顯著,變化幅度為8.81,秋季最小,為4.98;夏季COD的最大值出現(xiàn)的時(shí)間與年平均變化相似,均在14:00左右,秋季則滯后1h,在15:00左右;春季的日變化在四季中最為顯著,達(dá) 14.56,最大值出現(xiàn)在下午 16:00左右,春季 COD在早晨先增大后減小,9:00～16:00之間COD存在明顯的上升趨勢(shì);冬季晝短夜長(zhǎng),所以白天觀測(cè)時(shí)間最短,從9:00左右開(kāi)始,到15:00左右結(jié)束,日變化也比較顯著,幅度達(dá) 10.18,最大值出現(xiàn)在 13:00左右,比年平均值最大值出現(xiàn)的時(shí)間提前1h.總的來(lái)說(shuō),COD從早晨8:00～9:00開(kāi)始逐漸增大,最大值出現(xiàn)在午后13:00～16:00之間.

圖5 各季節(jié)COD日變化距平圖Fig.5 Diurnal variation anomaly curve of COD for each season

當(dāng)太陽(yáng)被云遮擋時(shí),太陽(yáng)光度計(jì)才會(huì)運(yùn)行云模式對(duì)天頂方向的云進(jìn)行觀測(cè).一天中不連續(xù)觀測(cè)的次數(shù)在一定程度上可以代表天頂方向云出現(xiàn)的次數(shù),因此,將每天白天逐小時(shí)不連續(xù)情況下觀測(cè)云的次數(shù)進(jìn)行季節(jié)統(tǒng)計(jì),如圖 6所示,天頂方向云出現(xiàn)的次數(shù)除冬季外各季均存在明顯的日變化,呈現(xiàn)出“雙峰型”變化曲線,且第1個(gè)峰值＞第2個(gè)峰值,第1個(gè)峰值發(fā)生在早晨7:00～9:00之間,第2個(gè)峰值出發(fā)生在午后 13:00～15:00之間,最小值發(fā)生在正午12:00左右.這可能是由于隨著時(shí)間的推移,太陽(yáng)輻射導(dǎo)致地面溫度逐漸升高,混合層厚度增加以及對(duì)流的加強(qiáng),使得水汽向更高的方向輸送,進(jìn)而云也隨之消散[31].冬季相對(duì)弱的日變化可能在于冬季相對(duì)較弱的地面輻射導(dǎo)致的地面較弱的垂直對(duì)流.就每小時(shí)云出現(xiàn)次數(shù)而言,除在15:00～16:00春季＞秋季外,都有夏季＞秋季＞春季＞冬季,從大的氣候背景看,香河站點(diǎn)位于華北站點(diǎn),受東亞季風(fēng)的影響,夏季濕熱多雨,冬季干旱少雨,春秋季節(jié)介于冬夏之間,為過(guò)渡階段,云的產(chǎn)生在一定程度上受水汽與輻射等因素的綜合影響.

圖6 各季節(jié)天頂方向云出現(xiàn)次數(shù)日變化Fig.6 The frequency number of cloud occurrences in zenith direction for each season

2.4 COD季節(jié)變化

COD受季節(jié)因素影響也很大,由圖7可以看出,香河站點(diǎn)在非降水天氣狀況下,白天太陽(yáng)天頂角方向所測(cè)得COD秋季＞春季＞冬季＞夏季,但變化不大,均在29～34之間.同時(shí),從標(biāo)準(zhǔn)差中可以看出 COD的變化程度,夏季 COD變化最小,為13.97;冬季變化最大,為30.41;春季和秋季變化程度相近,分別為18.1和21.19.各季的平均值都大于中位數(shù),說(shuō)明 COD的分布均偏向于小值方向.在各季不同范圍 COD出現(xiàn)天數(shù)頻數(shù)統(tǒng)計(jì)圖(圖8)中也得到了印證.在 10～40之間的云的光學(xué)厚度,春季為70.3%,夏季為69.7%,秋季為70.3%,冬季為66.7%,即各季都有超過(guò)65%的COD集中在10～40之間,冬季COD在10～20之間發(fā)生天數(shù)最多,其它3季則在20～30之間發(fā)生天數(shù)最多.從觀測(cè)天數(shù)上來(lái)說(shuō),全年非降水云出現(xiàn)的天數(shù)為149d,占全年總天數(shù)的40.82%,夏季＞秋季=春季＞冬季,夏季有66d,春季和秋季都為37d,冬季僅有9d,天數(shù)的顯著差異與之前所提到的香河站點(diǎn)所屬的氣候類(lèi)型有關(guān).

圖7 香河站天頂角方向COD季節(jié)統(tǒng)計(jì)Fig.7 Box plots of COD retrieved from zenith radiances for each season上三角表示最大值,下三角表示最小值,實(shí)心圓形表示平均值,矩形內(nèi)線表示中位數(shù),矩形上/下邊界分別表示上/下四分位線,上下胡須短橫線表示標(biāo)準(zhǔn)差,小括號(hào)內(nèi)數(shù)字代表各季非降水云觀測(cè)的天數(shù)

圖8 香河站各季不同范圍COD出現(xiàn)天數(shù)頻數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.8 The Number of days in diferent range of COD for each season in Xianghe station

總體而言,香河站天頂角方向 COD在夏季觀測(cè)天數(shù)最多,變化程度最小;冬季觀測(cè)天數(shù)最少,變化程度最大;春秋兩季無(wú)論是 COD觀測(cè)天數(shù)還是變化程度都基本一致.

2.5 COD和AOD相關(guān)性分析

云-氣溶膠-輻射相互作用已經(jīng)成為國(guó)際研究的前沿和熱點(diǎn)問(wèn)題,氣溶膠的第二類(lèi)間接效應(yīng)為云生命期效應(yīng)(Albrecht效應(yīng))[32].由于氣溶膠和云相互作用的復(fù)雜性,不同污染區(qū)域兩者呈現(xiàn)不同的分布和變化規(guī)律,本節(jié)擬從不同模態(tài)AOD和COD以及云出現(xiàn)天(次)數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析,初步探討氣溶膠影響云壽命的間接效應(yīng).定義r＜=0.6μm的氣溶膠屬于細(xì)模態(tài),r＞0.6μm的氣溶膠屬于粗模態(tài).

由圖9可以看出,一年中COD的月平均值呈雙峰型,極大值分別出現(xiàn)在4月和10月,極小值出現(xiàn)在8月(圖9(a));觀測(cè)天數(shù)(圖9(b))和日平均觀測(cè)次數(shù)(圖 9(c))呈單峰型,最大值出現(xiàn)在 7月.500nm波段總AOD(圖9(d))主要取決于細(xì)模態(tài)AOD變化(圖9(e)),最大值出現(xiàn)在夏季6～8月,最小值出現(xiàn)在冬季;粗模態(tài) AOD值比細(xì)模態(tài)AOD值同期要小得多,呈單峰型變化,最大值出現(xiàn)在4月(圖9(f)),這是由于香河站春季干燥少雨,植被覆蓋率低,且多沙塵天氣造成的.為了進(jìn)一步了解COD與AOD的關(guān)系,

從圖10各參量散點(diǎn)關(guān)系來(lái)看,COD的月平均值與總AOD、細(xì)模態(tài)AOD、粗模態(tài)AOD都沒(méi)有顯著的統(tǒng)計(jì)關(guān)系(圖10(a)～圖10(c)),說(shuō)明香河站云與氣溶膠的關(guān)系更為復(fù)雜, 兩者相互作用有待進(jìn)一步研究.觀測(cè)天數(shù)與總AOD和細(xì)模態(tài)AOD存在顯著的線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為 0.736和0.681(圖 10(d)和圖 10(e)),并分別通過(guò)了顯著性水平為0.001和0.005的假設(shè)檢驗(yàn),細(xì)模態(tài)AOD每增加一個(gè)單位,觀測(cè)天數(shù)將增加14.2.觀測(cè)天數(shù)與粗模態(tài)相關(guān)性不大(圖10(f)).從圖10(g)和圖10(h)來(lái)看,日平均觀測(cè)次數(shù)與總AOD、細(xì)模態(tài)AOD同樣存在顯著的線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為0.546和0.535,且都通過(guò)了顯著性水平為0.05的假設(shè)檢驗(yàn),細(xì)模態(tài)AOD每增加一個(gè)單位,日平均觀測(cè)次數(shù)將增加6.6.日平均觀測(cè)次數(shù)與粗模態(tài)相關(guān)性不大(圖 10(i)).分析表明,非降水天氣狀況下云的出現(xiàn)在一定程度上主要受細(xì)模態(tài)AOD的影響.

圖9 香河站不同參量月變化Fig.9 Plot of the monthly average parameters

圖10 COD、月總觀測(cè)天數(shù)和日平均觀測(cè)次數(shù)與AOD的散點(diǎn)關(guān)系Fig.10 Scatter plots of relationship between COD, monthly mean observation days, the numbers of sample and AOD實(shí)線為擬合線,r為相關(guān)系數(shù),RMSE 是均方根誤差

3 結(jié)論

3.1 香河站 NDVI＞0.3,滿足算法要求,440nm和870nm波段地表反照率受NDVI影響,存在顯著的季節(jié)變化,且兩者變化趨勢(shì)相反.870nm波段地表反照率,夏季最大,春季次之,秋季和冬季都很小.

3.2 衛(wèi)星反演的COD小于AERONET云模式結(jié)果,但是兩者表現(xiàn)出很強(qiáng)的正相關(guān)性,地基與衛(wèi)星結(jié)果的差異性也表明該地區(qū)MODIS衛(wèi)星對(duì)云特性的反演仍然存在很大的不確定性,需要更多工作去改進(jìn)地基對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)品的訂正,為氣候模式提供更為接近實(shí)際的云參數(shù).

3.3 香河站 COD和天頂方向云出現(xiàn)的次數(shù)也有顯著的日變化.COD在早晨和黃昏階段有減小趨勢(shì),在中午和下午有逐漸增大趨勢(shì),最大值出現(xiàn)在午后13～16:00之間.天頂方向云出現(xiàn)的次數(shù)日變化曲線呈現(xiàn)出“雙峰型”,第1個(gè)峰值發(fā)生在早晨 7～9:00之間,第 2個(gè)峰值發(fā)生在午后 13～15:00之間,最小值發(fā)生在正午12:00左右.

3.4 白天太陽(yáng)天頂角方向所測(cè)得 COD,平均而言,秋季＞春季＞冬季＞夏季,但差異不大,均在 29～34之間.香河站天頂角方向COD在夏季觀測(cè)天數(shù)最多,變化程度最小;冬季觀測(cè)天數(shù)最少,變化程度最大;春秋兩季無(wú)論是 COD觀測(cè)天數(shù)還是變化程度都基本一致.各季都有超過(guò)65%的COD觀測(cè)值集中在10～40之間.2012年與2011年春季月平均COD值相比差異很大,同期增大21.19%～104.94%.

3.5 細(xì)模態(tài)氣溶膠對(duì)非降水云出現(xiàn)的天數(shù)和觀測(cè)天中平均出現(xiàn)的次數(shù)都有顯著的影響,即細(xì)模態(tài)的氣溶膠增多,非降水云產(chǎn)生的頻率也將增大,而對(duì)非降水云的光學(xué)厚度卻影響不大.

[1] 中國(guó)氣象局.地面氣象觀測(cè)規(guī)范 [M]. 北京:氣象出版社, 2003:11.

[2] 張小曳,廖 宏,王芬娟.對(duì) IPCC第五次評(píng)估報(bào)告評(píng)估氣溶膠-云對(duì)氣候變化影響與響應(yīng)結(jié)論的解讀 [J]. 氣候變化研究進(jìn)展, 2014,10(1):37-39.

[3] Mace G G, Benson S, Sonntag K L, et al. Cloud radiative forcing at the Atmospheric Radiation Measurement Program Climate Research Facility: 1.Technique,validation,and comparison to satellite-derived diagnostic quantities [J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres (1984—2012), 2006,111(D11),doi:10. 1029/2005JD005921.

[4] 陳英英,周毓荃,毛節(jié)泰,等.2007.利用FY-2C靜止衛(wèi)星資料反演云粒子有效半徑的試驗(yàn)研究 [J]. 氣象, 2007,33(4):29-34.

[5] 張思勃,官 莉,李依鴻,等.云區(qū)衛(wèi)星微波通道亮度溫度的數(shù)值模擬 [J]. 熱帶氣象學(xué)報(bào), 2015,31(5):664-672.

[6] 陳勇航,白鴻濤,黃建平,等.西北典型地域云對(duì)地氣系統(tǒng)的輻射強(qiáng)迫研究 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2008,28(2):97-101.

[7] 葉 晶,李萬(wàn)彪,嚴(yán) 衛(wèi).利用MODIS數(shù)據(jù)反演多層云光學(xué)厚度和有效粒子半徑 [J].氣象學(xué)報(bào), 2009,67(4):613-622.

[8] Stokes G M, S E Schwartz. The Atmospheric Radiation Measurement (ARM) Program: Programmatic background and design of the cloud and radiation test bed [J]. Bull. Am. Meteorol.Soc., 1994,75(7):1201—1221.

[9] 邱玉珺,楊會(huì)文,倪 婷,等.基于美國(guó)AMF壽縣觀測(cè)的云特性研究 [J]. 大氣科學(xué)學(xué)報(bào), 2012,35(1):80-86.

[10] 陸春松,劉延剛,牛生杰.淡積云中夾卷混合機(jī)制的參數(shù)化及二次混合的影響 [J]. 科學(xué)通報(bào), 2014,59(10):944.

[11] Illingworth A J, Hogan R J, O'connor E J, et al. Cloudnet: Continuous evaluation of cloud profiles in seven operational models using ground-based observations [J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 2007,88(6):883-898.

[12] 周文君,牛生杰,許瀟鋒.全天空成像儀云量計(jì)算方法的改進(jìn) [J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào), 2014,37(3):289-296.

[13] 劉瑩瑩,牛生杰,封秋娟,等.一次積層混合云的形成過(guò)程和微物理觀測(cè) [J]. 大氣科學(xué)學(xué)報(bào), 2012,35(2):186-196.

[14] 岳巖裕,牛生杰,桑建人,等.干旱區(qū)云凝結(jié)核分布及其影響因子的觀測(cè)研究 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2010,30(5):593-598.

[15] 邱金桓.從太陽(yáng)總輻射信息反演云的光學(xué)厚度 [J]. 大氣科學(xué), 1996,20(1):12-21.

[16] 王 越,呂達(dá)仁,霍 娟,等.利用透射太陽(yáng)輻射反演云光學(xué)厚度及有效粒子半徑:方法研究 [J]. 自然科學(xué)進(jìn)展, 2006,16(7): 850-858.

[17] 王天河.利用 MFRSR反演西北混合相和沙塵云光學(xué)及物理特性的研究 [D]. 蘭州:蘭州大學(xué), 2009:1-11.

[18] Marshak A, Y Knyazikhin, W J Wiscombe, et al. Cloud, vegetation interaction:Use of normalized difference cloud index for estimation of cloud optical thickness [J]. Geophys. Res. Lett., 2000,27(12):1695-1698.

[19] Barker H W, A Marshak. Inferring optical depth of broken clouds above green vegetation using surface solar radiometric measurements [J]. J. Atmos. Sci., 2001,58(20):2989-3006.

[20] Marshak A, Y Knyazikhin, K D Evans, et al. The “RED versus NIR” plane to retrieve broken-cloud optical depth from groundbased measurement [J]. J. Atmos. Sci, 2004,61(15):1911-1925.

[21] Chiu J C, C H Huang, A Marshak, et al. Cloud optical depth retrievals from the Aerosol Robotic Network (AERONET) cloud mode observations [J]. Journal of Geophysical Research, 2010, 115(D14):P.D14202.

[22] 呂 睿,于興娜,沈 麗,等.北京春季大氣氣溶膠光學(xué)特性研究[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2016,36(6):1660-1668.

[23] 張志薇,王宏斌,張 鐳,等.中國(guó)3個(gè)AERONET站點(diǎn)氣溶膠微物理特性分析及比較 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2014,34(8):1927-1937.

[24] 劉建軍.長(zhǎng)三角太湖站點(diǎn)云和氣溶膠輻射特性的地基遙感研究[D]. 南京:南京信息工程大學(xué), 2012:9-11.

[25] Box M A, Gerstl S A W, Simmer C. Application of the adjoint formulation to the calculation of atmospheric radiative effects [J]. Beitr. Phys. Atmos., 1988,61(4):303-311.

[26] Stamnes K, S C Tsay, W J Wiscombe, et al. Numerically stable algorithm for discrete-ordinate-method radiative transfer in multiple scattering and emitting layered media [J]. Appl. Opt., 1988,27(12):2502-2512.

[27] 毛節(jié)泰,李成才,張軍華,等.MODIS衛(wèi)星遙感北京地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度及與地面光度計(jì)遙感的對(duì)比 [J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào), 2002,13(U01):127-135.

[28] 陳愛(ài)軍,梁學(xué)偉,卞林根,等.青藏高原MODIS地表反照率反演質(zhì)量分析 [J]. 高原氣象, 2016,35(2):277-284.

[29] Chiu J C, Marshak A, Knyazikhin Y, et al. Remote sensing of cloud properties using ground-based measurements of zenith radiance [J]. Journal of Geophysical Research:Atmospheres (1984～2012), 2006,111(D16),doi:10.1029/2005JD006843.

[30] 楊 娟.利用 MODSI衛(wèi)星資料分析北京站點(diǎn)地表反照率的時(shí)空分布及變化特征 [D]. 南京:南京信息工程大學(xué), 2012:26-29.

[31] 牛生杰,陸春松,呂晶晶,等.近年來(lái)中國(guó)霧研究進(jìn)展 [J]. 氣象科技進(jìn)展, 2016,6(2):6-19.

[32] 于興娜,李新妹,登增然登,等.北京霧霾天氣期間氣溶膠光學(xué)特性 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2012,33(4):1057-1062.

致謝：感謝王普才研究員和夏祥鰲研究員對(duì)AERONET香河站的管理維護(hù)與資料共享.

Cloud optical properties using ground-based measurements of zenith radiance in Xianghe.

WANG Jing*, XU Xiao-feng, XU Dan (Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China). China Environmental Science, 2017,37(3)：878～887

A new method for retrieving cloud optical depth (COD) using AERONET cloud mode is introduced. Using statistical analysis for temporal variation characteristics of cloud optical properties at Xianghe site based on the COD data obtained by this algorithm from January 2011 to June 2012, we find that there was significant daily variation COD in zenith direction and the number of occurrence of non-precipitating clouds (Num). Comparing the COD data retrieved by ground-based remote sensing and MODIS satellite under different sky conditions (broken clouds and overcast cases), the two data sets fit very well with high correlation. In these two cases, the average values of MODIS COD are 10.8 and 9.4, smaller than those of ground observation. COD had a decreasing trend in the morning and dusk, and a increasing trend at noon and in the afternoon. Num day curve was "bimodal" and peaked in the morning and afternoon, respectively, with a minimum around noon. The seasonal average COD was in the order of autumn＞spring＞ winter＞ summer, each season had more than 65% of the COD concentrated in the range of 10～40; summer observations showed the maximum number of days, minimum change. At least a few days in the winter observations, it showed the maximum change. The observed days or change were consistent in spring and autumn. A linear regression analysis for COD and AOD time series was used at Xianghe site, and a significance test was carried out, showing that observed frequency of COD and fine mode AOD had a strong positive correlation.

ground-based remote sensing；COD；sunphotometer；Xianghe

X16

A

1000-6923(2017)03-0878-10

王 靜(1981-),女,山東濟(jì)南人,實(shí)驗(yàn)師,碩士,主要從事云和降水及大氣氣溶膠的研究.發(fā)表論文4篇.

2016-07-18

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41375138,41305034,41475035, 41405026);江蘇省基礎(chǔ)研究計(jì)劃(自然科學(xué)基金)青年基金項(xiàng)目(BK20130993)

* 責(zé)任作者, 實(shí)驗(yàn)師, wangjing2004y@nuist.edu.cn