星載主動(dòng)遙感氣溶膠-云參數(shù)技術(shù)需求與進(jìn)展*

王 倩，畢研盟，劉成保，楊忠東

（1 國(guó)家衛(wèi)星氣象中心 北京 100081 2 中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所環(huán)境光學(xué)研究中心 合肥 230031 3 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 合肥 230026）

引 言

大氣中的云和氣溶膠是影響地氣系統(tǒng)能量平衡的重要因子。云和氣溶膠可以將入射太陽輻射反射回太空，也可以捕獲向外的熱輻射。云對(duì)大氣的加熱和冷卻作用非常復(fù)雜。氣溶膠一方面可以通過吸收和散射太陽輻射直接影響輻射平衡，另一方面可以作為云凝結(jié)核，影響云的光學(xué)特性、云量和云生命周期，間接影響云的輻射效應(yīng)。目前，對(duì)間接輻射強(qiáng)迫的估計(jì)還有很大的不確定性。因此，進(jìn)一步理解云、氣溶膠和輻射之間的關(guān)系，改進(jìn)模式是氣候研究和天氣預(yù)報(bào)中的首先任務(wù)。

主動(dòng)儀器在探測(cè)全球尺度上的云和氣溶膠特性，特別在垂直分布信息的獲取上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。采用主動(dòng)微波激光雷達(dá)探測(cè)的方式獲取的資料有助于評(píng)估當(dāng)前預(yù)報(bào)模式，比較多種云、氣溶膠參數(shù)化方案，判斷各種參數(shù)化方案的誤差[1]，成為未來星載云和氣溶膠遙感的主要發(fā)展方向。

文獻(xiàn)[2]從遙感器發(fā)展技術(shù)角度綜述了星載雷達(dá)探測(cè)云和氣溶膠的發(fā)展趨勢(shì)，本文重點(diǎn)論述了星載微波激光雷達(dá)在云和氣溶膠探測(cè)方面的科學(xué)需求，總結(jié)了模式對(duì)氣溶膠和云探測(cè)參數(shù)的定量需求，分析了云和氣溶膠聯(lián)合觀測(cè)需求以及星載微波激光雷達(dá)的探測(cè)特點(diǎn)，最后介紹了國(guó)內(nèi)外星載激光微波雷達(dá)探測(cè)任務(wù)的發(fā)展計(jì)劃和可能的定量數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

1 科學(xué)需求

1.1 氣溶膠參數(shù)

氣溶膠是地球環(huán)境系統(tǒng)的組成部分，它與自然過程和人為活動(dòng)相互影響。不同成因的氣溶膠的吸收特性、散射特性、化學(xué)成分、形狀、壽命和空間分布特征各不相同[3]，按來源可分為天然氣溶膠和人為氣溶膠。不同來源的氣溶膠在空間和時(shí)間上共存，因此通常呈多模態(tài)分布。降水、湍流混合和重力沉降通常會(huì)在一周內(nèi)清除對(duì)流層中的氣溶膠，將其沉積在偏遠(yuǎn)地區(qū)，從而改變這些區(qū)域的冰雪反照率[4]。

氣溶膠主要通過反射太陽輻射使地表降溫，直接改變地球的輻射收支平衡。水溶性粒子可以充當(dāng)云凝結(jié)核，增加云內(nèi)液滴數(shù)量、液態(tài)水含量和云反照率，間接導(dǎo)致地球冷卻。煙霧和一些礦物粉塵吸收太陽輻射，局部加熱大氣，改變大氣的穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)。若這些吸收性氣溶膠存在于云層中，則可能導(dǎo)致液滴蒸發(fā)，抑制云的產(chǎn)生。

氣候模式的氣溶膠模塊需要全面考慮人為因素和火山事件引起的氣溶膠變化，才可以準(zhǔn)確模擬過去一個(gè)世紀(jì)觀測(cè)到的地表溫度變化。但是，氣溶膠對(duì)區(qū)域氣候的影響比對(duì)全球平均氣候的影響顯著的多。模式和觀測(cè)結(jié)果表明，氣溶膠影響區(qū)域性的降水量和降水分布，并改變大氣環(huán)流。在過去的四十年中，隨著衛(wèi)星探測(cè)能力的提高和氣溶膠模式的改進(jìn)，我們對(duì)氣溶膠環(huán)境效應(yīng)的認(rèn)識(shí)日益增強(qiáng)。

目前，星載儀器的氣溶膠探測(cè)還存在一些不足，例如，氣溶膠垂直分布的日間探測(cè)噪聲很大；當(dāng)前的探測(cè)方式觀測(cè)到的氣溶膠特性具有較大的不確定性，特別在有云的干擾時(shí)探測(cè)精度會(huì)嚴(yán)重下降，從而導(dǎo)致氣溶膠-云-降水研究的不確定性；現(xiàn)全球僅存一部具有垂直探測(cè)能力的星上激光雷達(dá)在軌運(yùn)行，這限制了全球模式中多種探測(cè)數(shù)據(jù)的有效同化。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域和全球氣溶膠影響的定量評(píng)估，模式將向多種氣溶膠類型、數(shù)量和尺度分布模擬的方向發(fā)展，因此，除氣溶膠光學(xué)厚度，還需要獲取全球尺度的氣溶膠特性參數(shù)及其垂直分布特性[5]。

綜上，氣溶膠探測(cè)的科學(xué)需求主要是氣溶膠直接和間接輻射強(qiáng)迫及源匯輸送相關(guān)的科學(xué)問題。解決以上問題，需要結(jié)合衛(wèi)星和地面觀測(cè)，獲取全球的氣溶膠水平和垂直分布、及氣溶膠光學(xué)、微物理和化學(xué)特性。盡管來自A-Train和Terra的衛(wèi)星儀器已開始提供此類探測(cè)，但是對(duì)于應(yīng)用而言，這些關(guān)鍵參數(shù)的探測(cè)還存在缺失或者誤差過大的問題。在傳統(tǒng)被動(dòng)成像探測(cè)的基礎(chǔ)上，使用先進(jìn)的主動(dòng)激光雷達(dá)和偏振類儀器的結(jié)合可以補(bǔ)充并優(yōu)化這些參數(shù)。

1.2 云參數(shù)

在氣候強(qiáng)迫的研究中，氣溶膠對(duì)云的影響是不確定性的主要來源之一。氣候系統(tǒng)中強(qiáng)迫和反饋的物理過程由循環(huán)機(jī)制、微物理尺度上的物理過程驅(qū)動(dòng)。這些微物理過程不能顯式地出現(xiàn)于氣候模式中，而是依靠參數(shù)化的方式應(yīng)用于模式中。發(fā)展模式并評(píng)價(jià)云微物理參數(shù)化方案需要更先進(jìn)的全球尺度的探測(cè)數(shù)據(jù)。

在云和降水的研究中，明確云和降水的生成過程才可以加深對(duì)氣候的認(rèn)識(shí)、預(yù)測(cè)水循環(huán)的變化。為此，我們需要進(jìn)行大量的云、氣溶膠和降水特性觀測(cè)，以進(jìn)一步理解氣溶膠、云和降水在大氣中相互作用和演化的物理過程。大氣中的氣溶膠、云和降水是以不同大小的粒子和分布形式存在的，物理云和光學(xué)云性質(zhì)的演化是通過這些分布的變化來實(shí)現(xiàn)的，因此，獲取粒子的垂直分布和尺度分布信息，同時(shí)了解云的輻射和宏觀物理性質(zhì)、云的垂直運(yùn)動(dòng)以及對(duì)應(yīng)的熱力和動(dòng)力環(huán)境將在云和降水研究中發(fā)揮積極作用。

衛(wèi)星遙感儀器可以在垂直方向上探測(cè)一些對(duì)粒子尺度分布敏感的物理量，例如，CALIPSO（Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations）搭載的激光雷達(dá)獲得的后向散射信息，MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）的光學(xué)厚度產(chǎn)品等，但這些產(chǎn)品的獲取通常需要先驗(yàn)信息作為補(bǔ)充，這大幅增加了反演的不確定性，導(dǎo)致較大的反演偏差，這是目前衛(wèi)星遙感云微物理特性的難點(diǎn)所在。理解輻射相關(guān)的物理過程需要充足的氣溶膠、云和降水粒子譜分布信息，可以通過協(xié)同觀測(cè)的方法來實(shí)現(xiàn)。

云系的時(shí)空尺度和特點(diǎn)各不相同，探測(cè)需求具有顯著差異。由于不同云系的粒子尺度、數(shù)密度、含水量等微物理特性各具特點(diǎn)，造成它們的輻射效應(yīng)有正有負(fù)，從而在天氣、氣候中的作用也完全不同。云可以通過輻射、潛熱和對(duì)流強(qiáng)迫三種方式影響氣候并參與全球水循環(huán)[6]。例如，卷云在對(duì)流層上部加熱大氣，輻射效應(yīng)顯著，但它的含水量和大粒子的濃度都較低，衛(wèi)星探測(cè)具有很大挑戰(zhàn)。對(duì)于深對(duì)流云，通過潛熱釋放和云輻射強(qiáng)迫影響輻射平衡，由于云微物理過程和氣溶膠對(duì)對(duì)流和對(duì)流降水的宏觀特性影響很大，需要通過衛(wèi)星探測(cè)的云和氣溶膠的微物理參數(shù)，以詳盡理解氣溶膠和降水之間的關(guān)系。邊界層內(nèi)的層積云和積云具有制冷效應(yīng)，并且對(duì)氣溶膠的影響敏感，因此，云和氣溶膠微物理參數(shù)的監(jiān)測(cè)對(duì)了解云-氣溶膠相互影響的機(jī)制非常關(guān)鍵。中緯度氣旋在熱帶和極區(qū)間的能量輸送中扮演重要角色，而氣候模式對(duì)中緯度氣旋系統(tǒng)的模擬卻不夠完善，因此，衛(wèi)星遙感中緯度鋒面云對(duì)氣候系統(tǒng)能量平衡方面研究具有重要意義。另外，對(duì)于極區(qū)氣候變化研究，觀測(cè)和模擬都依賴于極區(qū)云微物理特性和云與氣溶膠相互作用的理解，由于極區(qū)遠(yuǎn)離人類活動(dòng)區(qū)域，衛(wèi)星遙感是重要的觀測(cè)手段。

1.3 氣溶膠和云的相互作用

云、氣溶膠和輻射之間的相互作用是氣候系統(tǒng)中最大的不確定性源之一，也是氣候研究和預(yù)測(cè)中極具挑戰(zhàn)的難點(diǎn)問題[7]。

云和氣溶膠通過影響氣候的方式緊密耦合[8]。云通過將氣溶膠及反應(yīng)性氣體向上運(yùn)輸、控制云滴中生成氣溶膠的水溶性物質(zhì)、通過降水消除氣溶膠這幾種方式來影響氣溶膠，改變氣溶膠的濃度和垂直分布，并對(duì)地球能量平衡產(chǎn)生直接影響[9]。

氣溶膠可以作為云滴冰晶凝結(jié)核，也可以吸收太陽輻射加熱大氣、冷卻地表從而影響云的形成。凝結(jié)核決定了云滴數(shù)濃度，影響云滴譜；云滴大小通過云粒子的表面積改變?cè)乒鈱W(xué)性質(zhì)，通過影響沉降和碰并過程，改變降水和水含量。氣溶膠可以改變?cè)浦械纳仙拖鲁翚饬鲝?qiáng)度。冰核與冰晶的形成、沉降和降水有關(guān)。人為氣溶膠作凝結(jié)核會(huì)引起云特性的變化，改變?cè)频妮椛鋸?qiáng)迫效應(yīng)，這是氣溶膠對(duì)能量收支平衡的間接效應(yīng)[10]。

云內(nèi)吸收性氣溶膠可吸收太陽輻射，這種加熱效應(yīng)會(huì)抑制凝結(jié)，減少水含量，也減少從地表通過湍流輸送進(jìn)入云內(nèi)的水汽。這種效應(yīng)也會(huì)驅(qū)動(dòng)循環(huán)，從而增加區(qū)域性濕度的輻合和降水，并減少地表蒸發(fā)，進(jìn)而減少全球降水。衛(wèi)星觀測(cè)和理論模擬表明，氣溶膠-云相互作用可以導(dǎo)致云降水從慢到快的快速轉(zhuǎn)變，但是目前對(duì)這一轉(zhuǎn)變機(jī)制了解甚少。

人為氣溶膠對(duì)云的作用產(chǎn)生了相當(dāng)重要的輻射強(qiáng)迫，但是相比溫室氣體而言，不確定性極大，對(duì)于降水的影響更是未知。

衛(wèi)星觀測(cè)可以獲取產(chǎn)生核化作用的氣溶膠數(shù)濃度和云內(nèi)氣溶膠物理和光學(xué)特性的垂直分布[11]，模式可以模擬云和氣溶膠與輻射強(qiáng)迫、降水的關(guān)系，二者結(jié)合可以深化云和氣溶膠相互作用的認(rèn)知，量化氣溶膠在輻射平衡、云和降水等科學(xué)問題中的具體影響。

2 模式對(duì)氣溶膠和云探測(cè)的定量需求

在天氣和氣候系統(tǒng)中，云和氣溶膠的相關(guān)研究通常使用衛(wèi)星資料與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法。氣候模式中，自然源和人為源的處理方式不同，人為源強(qiáng)迫是通過模擬存在和不存在人為排放進(jìn)行比較或者通過模擬源隨時(shí)間的變化進(jìn)行估計(jì)。人為氣溶膠強(qiáng)迫的早期模式模擬結(jié)果差異很大，在結(jié)合使用衛(wèi)星資料后，模擬結(jié)果趨于一致。衛(wèi)星和地面觀測(cè)提供的氣溶膠、云分布和微物理參數(shù)通過修正排放因子、清除系數(shù)等不確定性參數(shù)減小模式偏差。雖然目前模式結(jié)果趨好，但是依然有很大的不確定性，衛(wèi)星觀測(cè)提供的氣溶膠、云分布和微物理參數(shù)，可以更有效地優(yōu)化模式、評(píng)估結(jié)果[12]。

2.1 測(cè)量精度需求

做好氣候模式和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的優(yōu)化，需要進(jìn)一步理解對(duì)云-氣溶膠-輻射相互作用，具體包括氣溶膠、云和云內(nèi)粒子的垂直分布特征及其輻射效應(yīng)。

理解云-氣溶膠輻射特性和相互作用的關(guān)鍵在于獲取準(zhǔn)確的氣溶膠消光參數(shù)、氣溶膠吸收參數(shù)、大尺度的云結(jié)構(gòu)、云凝結(jié)核含量、粒子尺度、相態(tài)以及小尺度的云結(jié)構(gòu)。氣溶膠作為云凝結(jié)核與云特性密切相關(guān)，因此，云參數(shù)的宏觀和微觀特性主要是由氣溶膠的物理和化學(xué)特性決定的。在云和氣溶膠輻射特性方面的具體參數(shù)需求見表1。

表1 云和氣溶膠的光學(xué)參數(shù)需求Table 1 The requirements for aerosols and clouds

在模式參數(shù)化中，云在垂直方向上的重疊是一個(gè)重要參數(shù)，它通常是一個(gè)假設(shè)量，但可以從星載雷達(dá)探測(cè)得到的云參數(shù)獲取重疊信息[13]。目前，模式對(duì)云層內(nèi)垂直速度、冰晶的下降速度或沉降速率的處理通常是假設(shè)或者模擬的，因此，若星載雷達(dá)能探測(cè)得到相關(guān)參數(shù)，對(duì)改進(jìn)模式精度具有重要價(jià)值。云特性參數(shù)的具體精度需求[14,15]如表2所示。

表2 云特性參數(shù)的精度需求Table 2 The accuracy requirements for clouds

氣溶膠參數(shù)的基本需求是氣溶膠光學(xué)厚度廓線。結(jié)合其它信息，光學(xué)厚度廓線可以轉(zhuǎn)換成氣溶膠含量和尺度等參數(shù)。對(duì)氣溶膠類型而言，即使只能做到吸收和非吸收性質(zhì)的區(qū)分，也是極具價(jià)值的。因?yàn)檫吔鐚又写嬖诖罅繗馊苣z，所以探測(cè)氣溶膠高度也可以提供邊界層厚度的信息。氣溶膠特性參數(shù)的精度需求[14,15]如表3所示。

表3 氣溶膠特性參數(shù)的精度需求Table 3 The accuracy requirements for aerosols

2.2 模式對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)分辨率的需求

氣候模式和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式中的云通常是為了計(jì)算降水分布和熱輻射的垂直分布。模式不能直接分辨云，因此，需要利用理論或者觀測(cè)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，在次網(wǎng)格尺度上進(jìn)行參數(shù)化。氣溶膠的處理過程與云類似。目前，氣候模式和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的水平和垂直分辨率的需求值見表4。對(duì)區(qū)域模式而言，若其分辨率達(dá)到1km的尺度，則可以分辨對(duì)流或者強(qiáng)風(fēng)暴過程，也可以實(shí)現(xiàn)模式和衛(wèi)星觀測(cè)的直接比較[16]。因此，為了準(zhǔn)確分辨云的動(dòng)力結(jié)構(gòu)、小尺度云和氣溶膠層等物理過程，星載雷達(dá)需要具有足夠高的分辨率。儀器分辨率的提高不僅可以最小化非線性效應(yīng)，也可以在次網(wǎng)格尺度上得到云和氣溶膠數(shù)量的統(tǒng)計(jì)特征。

表4 云和氣溶膠參數(shù)在氣候和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的分辨率的需求Table 4 The resolution requirements for cloud and aerosol parameters in climate models and numerical weather forecast models

3 云-氣溶膠聯(lián)合觀測(cè)需求

氣溶膠-云相互作用的主要過程是通過氣溶膠成為云凝結(jié)核和冰核，改變?cè)频奈⑽锢砗洼椛涮匦詫?shí)現(xiàn)的。目前，氣溶膠的這種間接效應(yīng)還難以用觀測(cè)數(shù)據(jù)描述，因?yàn)檫@些導(dǎo)致氣溶膠間接效應(yīng)的微物理過程發(fā)生在氣溶膠演變成云滴、降水的過程中，并且在幾百米的云垂直深度中發(fā)生迅速變化[17]。觀測(cè)和模式的結(jié)果顯示，云和氣溶膠相互作用的關(guān)系大部分是關(guān)于氣溶膠的增加引起云滴凝結(jié)核增加、云滴變小[18]。衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明海洋型、沙塵型、污染型氣溶膠會(huì)使云滴變小[19,20]。但陸地上也可能出現(xiàn)氣溶膠粒子增加使云滴增大的效應(yīng)[21]。在云的宏觀物理量上，有研究表明，氣溶膠粒子的增加可能會(huì)增長(zhǎng)云的生命時(shí)間，使云層變厚、云覆蓋度增加，但也有研究指出，氣溶膠粒子的增加會(huì)導(dǎo)致云量減少。因此，在云和氣溶膠相互作用的研究中還存在很大的不確定性。此外，一些特殊云類型的微物理和輻射性質(zhì)的研究也需要聯(lián)合氣溶膠觀測(cè)。例如，有學(xué)者結(jié)合A-Train編隊(duì)中Cloudsat和CALIPSO資料判斷云周圍沙塵氣溶膠的存在，研究沙塵區(qū)的云輻射特性，云-氣溶膠的聯(lián)合觀測(cè)對(duì)沙塵云的初步挑選提供了重要信息[22]。在模式的應(yīng)用中，衛(wèi)星探測(cè)到的數(shù)據(jù)必須同時(shí)包含云和氣溶膠參數(shù)才可以被同化進(jìn)入模式，分辨出云內(nèi)粒子的運(yùn)動(dòng)和過程。因此，聯(lián)合探測(cè)全球云-氣溶膠參數(shù)具有重要意義。

一方面，氣溶膠的間接效應(yīng)還難以用觀測(cè)數(shù)據(jù)描述，基于衛(wèi)星、地面觀測(cè)和大尺度模式模擬開展的云和氣溶膠相互作用的研究結(jié)果差異非常大。云和氣溶膠相互作用受到云類型、氣溶膠類型、降水類型等多種因素的影響，不同條件下的云和氣溶膠相互作用截然不同。氣溶膠對(duì)云的間接影響在對(duì)邊界層內(nèi)的云影響尤為顯著。氣溶膠、淺層云與降水之間存在動(dòng)態(tài)反饋，這種動(dòng)態(tài)反饋也會(huì)調(diào)節(jié)云場(chǎng)中氣溶膠的間接效應(yīng)。有研究表明，在氣溶膠濃度較高的大氣背景下，云層變得更深，云內(nèi)下沉氣流更強(qiáng)[23]。文獻(xiàn)[24]中利用模式模擬了潮濕和干燥條件下，潔凈大氣和污染大氣中云的發(fā)展演變特征，模擬結(jié)果顯示，在污染大氣中生長(zhǎng)的云，凝結(jié)、沉積、蒸發(fā)和升華都比在潔凈大氣中的云的演變特征顯著。

另一方面，云具有很大的自然變率，氣溶膠和這些引起云變化的自然因素共同作用于云的微物理特性，其中一個(gè)因素的改變引發(fā)的其他變量的響應(yīng)通常不是線性的。因此，揭示氣溶膠的間接效應(yīng)迫切需要實(shí)現(xiàn)云和氣溶膠的聯(lián)合觀測(cè)，研究不同氣溶膠濃度水平下云的變化響應(yīng)[17]。

由于云的壽命不超過15分鐘，對(duì)于一些分布零散的小尺度云團(tuán)，以及造成局地天氣的小尺度強(qiáng)對(duì)流云更具有發(fā)展速度快的特點(diǎn)[22]。星載微波激光雷達(dá)的聯(lián)合探測(cè)可以確保兩個(gè)儀器的視場(chǎng)目標(biāo)在時(shí)間和空間上保持一致，這對(duì)結(jié)合氣溶膠-云探測(cè)參數(shù)研究同一區(qū)域的云非常關(guān)鍵。因此，實(shí)現(xiàn)云和氣溶膠的聯(lián)合探測(cè)，特別是共平臺(tái)探測(cè)，可以為云微物理和輻射效應(yīng)的研究提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

4 星載微波激光雷達(dá)的探測(cè)特點(diǎn)及數(shù)據(jù)應(yīng)用

微波雷達(dá)與激光雷達(dá)探測(cè)的對(duì)象不同。微波雷達(dá)用于探測(cè)大氣中厚云的垂直結(jié)構(gòu)以及降水信息，它能夠穿透光學(xué)厚云探測(cè)到云底，但對(duì)小粒子敏感性低，對(duì)地面到1km高度的目標(biāo)不具有探測(cè)能力。激光雷達(dá)的探測(cè)目標(biāo)是薄云和氣溶膠及其垂直結(jié)構(gòu)，可以準(zhǔn)確獲取云頂高度，同時(shí)對(duì)大氣中光學(xué)薄云敏感，可探測(cè)薄卷云和極地平流云。

微波雷達(dá)和激光雷達(dá)儀器的單獨(dú)使用具有一些局限性。比如：①微波雷達(dá)對(duì)地面到1km高度的目標(biāo)不具有探測(cè)能力，同時(shí)由于水平分辨率和垂直分辨率的限制，對(duì)小尺度云的敏感性較低，例如，Cloudsat的垂直分辨率為480m，卷云厚度主要分布在0.3km～1.5km。②微波雷達(dá)的最小可探測(cè)信號(hào)決定了它對(duì)液態(tài)水云的探測(cè)能力，以Cloudsat為例，-30dBz的最小探測(cè)靈敏度對(duì)對(duì)流層中部的非降水性液態(tài)水云以及卷云都不敏感。③激光雷達(dá)探測(cè)光學(xué)厚云時(shí)能量衰減很大，同時(shí)，受發(fā)射能量強(qiáng)度的限制，日間工作的靈敏度低于夜間。

微波雷達(dá)和激光雷達(dá)的聯(lián)合探測(cè)可以在一定程度上解決上述問題，聯(lián)合反演可以獲得準(zhǔn)確的云廓線、云中冰水含量、云內(nèi)云滴和冰晶的有效半徑以及云分類產(chǎn)品。但當(dāng)雷達(dá)反射率很弱或者水汽層存在于1km以下時(shí)，較高的光學(xué)厚云之下的水汽層信息仍然可能缺失。雖然目前的微波激光雷達(dá)的融合產(chǎn)品只在兩者共同觀測(cè)的區(qū)域才能有效反演，但這種聯(lián)合探測(cè)獲取的云參數(shù)信息仍然是迄今為止最全面的。

從云的宏觀分布特征來看，星載微波激光儀器探測(cè)全球云和氣溶膠是具有可行性的。云在全球的分布是不均勻的，但是具有區(qū)域性特征[25]。不同類型的云輻射強(qiáng)迫效應(yīng)不同，低云具有冷卻效應(yīng)，高云具有增暖效應(yīng)，因?yàn)樗鼈兊妮椛湫?yīng)相反，云垂直分布的變化都會(huì)導(dǎo)致凈輻射強(qiáng)迫的差異。ISCCP（The International Satellite Cloud Climatology Project）方法聯(lián)合云頂氣壓和云光學(xué)厚度將云分為積云（Cu）、層積云（Sc）、層云（St）、高積云（Ac）、高層云（As）、雨層云（Ns）、卷云（Ci）、深對(duì)流云（DC）共8類，表5給出了不同云類型的一些基本特征。根據(jù)云底高度，云進(jìn)一步被分為低云、中云和高云。通常，認(rèn)為云底高度在2km～3km的云為低云，例如Sc、St和Cu；云底高度在2km～7km的云為中云，例如Ac、As和Ns；云底高度在7km以上的云為高云，如Ci。

表5 主要云類型的基本特征Table 5 Characteristic cloud features for major types of clouds

微波激光雷達(dá)探測(cè)通?？梢垣@得云廓線（云頂、云底高度）、云分類、云光學(xué)厚度、云水含量垂直分布、云冰含量垂直分布等產(chǎn)品。云廓線、云分類等云宏觀特征的反演首先需要通過聚類分析識(shí)別云，根據(jù)有云像元是否彼此連續(xù)，將有云像元?jiǎng)澐譃椴煌脑茖樱ㄈ羲鼈冎g的距離超過500m），水平連續(xù)的云層代表一個(gè)云簇。根據(jù)云系特征，一軌觀測(cè)數(shù)據(jù)被分為不同的云簇。然后進(jìn)一步將云簇分類，得到云分類產(chǎn)品。對(duì)不同類型的云，云水平尺度定義為有云象元水平連續(xù)廓線的數(shù)量與沿軌廓線采樣分辨率的乘積。不考慮云類型的云水平尺度定義為兩個(gè)晴空邊界之間的連續(xù)有云象元尺度。

由表5可見，云的水平尺度從幾千米到幾千千米，水平均勻性和垂直尺度也差異顯著，因此，星載儀器的一次探測(cè)只能覆蓋云的一部分，這樣的局部觀測(cè)信息無法代表整個(gè)云。但數(shù)據(jù)的實(shí)際應(yīng)用中，云宏觀、微觀特性的研究通常需要結(jié)合多源資料獲取的云類型、大氣背景場(chǎng)、云微物理、光學(xué)參數(shù)等多重因素共同分析，分析數(shù)據(jù)常為多源衛(wèi)星、地面資料的匹配區(qū)域的觀測(cè)數(shù)據(jù)，或者經(jīng)過統(tǒng)計(jì)、采樣算法將數(shù)據(jù)調(diào)整到合適分辨率后的再處理數(shù)據(jù)。

儀器的幅寬會(huì)影響探測(cè)數(shù)據(jù)的覆蓋范圍和準(zhǔn)確度。一方面，由于星載測(cè)云雷達(dá)的幅寬限制，只能對(duì)沿軌方向的云進(jìn)行觀測(cè)，增大幅寬有利于獲取跨軌方向的云信息，同時(shí)減小全球覆蓋時(shí)間。另一方面，一些云的水平尺度很小且分布零散，需要儀器探測(cè)像元的水平分辨率小于云的尺度，才可以將云從大氣背景中分辨出來，幅寬過大會(huì)降低儀器對(duì)云的識(shí)別能力。因此，儀器幅寬配置需要考慮探測(cè)目標(biāo)、精度、時(shí)空分辨率需求等多方面的因素綜合分析。

5 星載激光-微波雷達(dá)云-氣溶膠探測(cè)計(jì)劃

CloudSat任務(wù)是國(guó)際上第一個(gè)星載云雷達(dá)任務(wù)，發(fā)射于2006年4月28日，搭載的94GHz的毫米波雷達(dá)CPR（Cloud Profiling Radar），可以探測(cè)云量、云分布、云結(jié)構(gòu)和云的輻射特性。CloudSat/CPR比天氣雷達(dá)的敏感性高1000倍，因此，可以探測(cè)雨滴和冰粒子，而厘米波地基天氣雷達(dá)通常只能探測(cè)雨滴尺度的粒子。CloudSat/CPR可獲取雷達(dá)后向散射廓線、云幾何廓線、云分類、云水含量、云光學(xué)厚度等產(chǎn)品。

CALIPSO是結(jié)合主動(dòng)和被動(dòng)觀測(cè)于一體的衛(wèi)星任務(wù)，它搭載了三個(gè)儀器，主動(dòng)激光雷達(dá)CALIOP（Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarizatin）、紅外成像儀IIR（Imaging Infrared Radiometer）和寬視場(chǎng)相機(jī)WFC（Wide Field Camera），用于云和氣溶膠垂直結(jié)構(gòu)的探測(cè)。CALIPSO/CALIOP激光雷達(dá)通過后向散射和偏振能力的探測(cè)，可獲得氣溶膠和云的垂直分布信息，氣溶膠的消光廓線、氣溶膠光學(xué)厚度、氣溶膠類型、云高、云厚、云相態(tài)、云光學(xué)厚度及卷云粒子尺度等產(chǎn)品。這些產(chǎn)品為改善天氣和氣候預(yù)測(cè)提供了重要信息。CALIPSO任務(wù)也在2006年4月28日發(fā)射，它和CloudSat任務(wù)一起在A-Train軌道飛行，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)CALIPSO和CloudSat衛(wèi)星傳感器的協(xié)同觀測(cè)，獲取高精度的云微物理參數(shù)和云的垂直信息，獲取較單顆衛(wèi)星觀測(cè)更多的大氣信息。

CloudSat與CALIPSO任務(wù)雖然在同一個(gè)A-Train編隊(duì)飛行，但它們?cè)诟髯元?dú)立的平臺(tái)上，由于云在1km以上的尺度范圍具有很強(qiáng)的可變性，即使它們跨軌距離僅為2km，在聯(lián)合反演時(shí)也可能引入誤差，尤其在反演有效粒子尺度和冰水含量時(shí)引入的誤差更大。因此，星載激光微波聯(lián)合探測(cè)任務(wù)是未來的一大發(fā)展方向。

5.1 歐洲的計(jì)劃和進(jìn)展

歐空局和日本宇航局聯(lián)合提出了EarthCARE（The Earth Cloud,Aerosol and Radiation Explorer）任務(wù)，計(jì)劃于2021年發(fā)射，運(yùn)行在394km的太陽同步軌道，軌道傾角為97°，降軌觀測(cè)，過境時(shí)間為14:00，重訪周期為25天，載荷壽命大于3年。任務(wù)目標(biāo)是深化云、氣溶膠和輻射相互作用的理解。EarthCARE任務(wù)計(jì)劃搭載4臺(tái)載荷，大氣激光雷達(dá)ATLID（Atmospheric Lidar）、云廓線雷達(dá)CPR（Cloud Profiling Radar）、多光譜成像儀MSI（Multispectral imager）和寬譜段輻射計(jì)BBR（broadband radiometer）[26]，其中，大氣激光雷達(dá)ATLID和云廓線雷達(dá)CPR是探測(cè)云和氣溶膠的兩個(gè)主要載荷。EarthCARE/ATLID在星下方向探測(cè)薄云和氣溶膠層的垂直分布，分辨云和不同類型的氣溶膠。在20km以下高度的垂直分辨率為100m，20km～40km高度的垂直分辨率為500m，關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)見表6。EarthCARE/CPR將是第一臺(tái)具有多普勒觀測(cè)能力的星載大氣探測(cè)雷達(dá)，工作頻段在94GHz，它的脈沖信號(hào)可以穿透低層厚云，并探測(cè)到地面以下1km的高度范圍[7]。EarthCARE/CPR可以在沿軌方向探測(cè)厚云的垂直結(jié)構(gòu)，得到云的微觀和宏觀特性，還可以探測(cè)云內(nèi)粒子的垂直速度，從而進(jìn)一步理解對(duì)流、冰和雨的降落速度，改善毛毛雨、降雨和降雪率的預(yù)報(bào)，其指標(biāo)參數(shù)見表7。

表6 EarthCARE/ATLID載荷指標(biāo)Table 6 The specifications for EarthCARE/ATLID

EarthCARE衛(wèi)星任務(wù)解決了單個(gè)觀測(cè)平臺(tái)觀測(cè)時(shí)間和空間不同步的問題，通過探測(cè)云和氣溶膠的宏觀和微觀參數(shù)，可以得到沿軌方向的云和氣溶膠的垂直結(jié)構(gòu)和水平結(jié)構(gòu)特征，這些參數(shù)有助于評(píng)估和改進(jìn)大氣模式中的云方案，也可以用于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式中，云廓線對(duì)天氣預(yù)報(bào)的改進(jìn)情況。

相比目前在軌運(yùn)行的星載云和氣溶膠探測(cè)儀器Cloudsat和CALIPSO，EarthCARE任務(wù)的載荷在性能方面有一定提升。一方面，EarthCARE/CPR任務(wù)相比CloudSat/CPR的優(yōu)勢(shì)在于：第一，由于天線較大且軌道較低，EarthCARE/CPR的靈敏度幾乎提高了10倍，因此，可以更有效地探測(cè)到云；第二，EarthCARE/CPR將具有額外的多普勒探測(cè)能力，分辨率最高可達(dá)0.2m/s，因此，它可以探測(cè)對(duì)流運(yùn)動(dòng)（包括穿透對(duì)流層頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)）和卷云中冰粒的沉降速度，并獲得更精確的細(xì)雨降雨率。另一方面，EarthCARE/ATLID除了具有和CALIPSO類似的后向散射和偏振探測(cè)能力外還有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，例如，EarthCARE/ATLID具有高光譜分辨率的特性，可以分離瑞利散射和米散射信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)邊界層氣溶膠的光學(xué)厚度的探測(cè)，也可以獨(dú)立獲取消光廓線和后向散射系數(shù)廓線，計(jì)算后可得到氣溶膠和冰晶特性的垂直分布信息。

表7 EarthCARE/CPR載荷指標(biāo)Table 7 The specifications for EarthCARE/CPR

5.2 美國(guó)的計(jì)劃和進(jìn)展

美國(guó)航天局NASA也提出了氣溶膠、云和生態(tài)系統(tǒng)ACE（Aerosol-Cloud-Ecosystem）探測(cè)任務(wù)，設(shè)計(jì)運(yùn)行在450km的太陽同步軌道，軌道傾角97°，升軌觀測(cè)，過境時(shí)間為1:45pm，計(jì)劃發(fā)射時(shí)間在2021年之后，在軌運(yùn)行時(shí)間大于3年。這是一個(gè)多平臺(tái)多傳感器任務(wù)[27]，在現(xiàn)有Cloudsat和CALIPSO衛(wèi)星任務(wù)對(duì)地觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，加入了新的設(shè)計(jì)，通過微波波段、紅外波段、可見光波段和紫外波段獲取云和氣溶膠參數(shù)的垂直分布，以及海洋生態(tài)的全球觀測(cè)。ACE任務(wù)包括兩臺(tái)主動(dòng)載荷——高光譜分辨率雷達(dá)ACE/Lidar （Aerosol Cloud Ecosystems Lidar）、雙波長(zhǎng)多普勒云雷達(dá)CPR（Cloud Profiling Radar for CloudSat）和兩臺(tái)被動(dòng)載荷——多角度偏振成像儀（Polarimeters）和海色探測(cè)儀OCI（Ocean Color Instrument）。

為滿足氣溶膠、云和海洋觀測(cè)的科學(xué)需求，ACE任務(wù)最終采用具有單光束、多波長(zhǎng)、高光譜分辨率的激光雷達(dá)，具有三個(gè)后向散射通道（1064nm，532nm和355nm），兩個(gè)消光通道（532nm和355nm）和兩個(gè)偏振通道（532nm和355nm）。結(jié)合三個(gè)后向散射和兩個(gè)消光波長(zhǎng)可獨(dú)立反演氣溶膠光學(xué)特性（散射和吸收）和微物理特性（尺度、折射指數(shù)和濃度）的垂直分布特征[28]。在氣溶膠類型的判別上，相比利用后向散射和消光通道的結(jié)合，偏振通道具有更強(qiáng)的分辨能力[29-31]。另外，結(jié)合Ka/W雙頻段雙偏振多普勒云雷達(dá)[32]和多角度偏振成像儀，ACE任務(wù)可以觀測(cè)更豐富的氣溶膠和云信息，因此，ACE任務(wù)相比EarthCARE任務(wù)又有了新的增量，可以進(jìn)一步揭示氣溶膠、云和降水之間的復(fù)雜關(guān)系，ACE/Lidar和ACE/CPR指標(biāo)設(shè)置如表8所示。

表8 ACE/Lidar和ACE/CPR指標(biāo)Table 8 The specifications for ACE/Lidar and ACE/CPR

5.3 中國(guó)的計(jì)劃和進(jìn)展

針對(duì)未來氣象氣候及大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的需求，我國(guó)北京遙測(cè)技術(shù)研究所正在進(jìn)行星載微波激光復(fù)合探測(cè)雷達(dá)的研制工作。這臺(tái)復(fù)合雷達(dá)不僅可以像EarthCARE和ACE任務(wù)一樣實(shí)現(xiàn)激光、微波雷達(dá)的共平臺(tái)搭載，另外還具有共口徑一體化的設(shè)計(jì)，這有利于微波雷達(dá)和激光雷達(dá)對(duì)云和氣溶膠的高度時(shí)間匹配、空間匹配的聯(lián)合遙感，通過數(shù)據(jù)處理和聯(lián)合反演，可以獲得更加精確的云和氣溶膠信息，為未來星載微波-激光雷達(dá)復(fù)合探測(cè)全球云-氣溶膠垂直分布及宏觀微觀特征奠定基礎(chǔ)。

我國(guó)正在研制的復(fù)合雷達(dá)的兩個(gè)載荷是微波測(cè)云雷達(dá)和激光雷達(dá)。云雷達(dá)采用94.05GHz的毫米波雷達(dá)探測(cè)厚云和云內(nèi)粒子的信息。激光雷達(dá)的探測(cè)波長(zhǎng)覆蓋了紫外波段、可見光波段和近紅外波段，具有偏振探測(cè)能力和高光譜分辨率特性，同時(shí)具有較高的信噪比，目標(biāo)是定量獲取云-氣溶膠的多參數(shù)信息。主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)如表9所示。

表9 中國(guó)的激光-微波復(fù)合探測(cè)雷達(dá)主要技術(shù)指標(biāo)Table 9 The major specifications for Chinese multiplex microwave and laser radar

5.4 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

星載雷達(dá)探測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)全球尺度，全天候的云和氣溶膠的主動(dòng)定量探測(cè)。高分辨率的激光雷達(dá)主要觀測(cè)云和氣溶膠以及邊界層特性，可以有效地觀測(cè)到沙塵、煙霧、火山灰，并對(duì)氣溶膠進(jìn)行分類，還可以觀測(cè)到復(fù)雜的云層結(jié)構(gòu)。激光雷達(dá)直接獲得的大氣消光系數(shù)、后向散射系數(shù)信息，結(jié)合多波長(zhǎng)探測(cè)的設(shè)計(jì)，更有助于獲取高精度的云和氣溶膠譜分布等微物理參數(shù)。星載微波云雷達(dá)在冰云等微弱目標(biāo)探測(cè)方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，雙頻云雷達(dá)可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)不同尺度云粒子的探測(cè)，可以提高天氣和氣候模式的準(zhǔn)確性。星載激光雷達(dá)和云雷達(dá)可獲得的云和氣溶膠產(chǎn)品如表10所示。

表10 星載激光雷達(dá)和云雷達(dá)產(chǎn)品設(shè)計(jì)Table 10 Product design for spaceborne lidar and cloud radar

6 結(jié)語和展望

本文詳細(xì)介紹了云和氣溶膠探測(cè)的科學(xué)需求，天氣預(yù)報(bào)模式和氣候模式對(duì)星載遙感儀器探測(cè)參數(shù)的定量需求以及云和氣溶膠聯(lián)合觀測(cè)需求。針對(duì)應(yīng)用需求，進(jìn)一步闡述了國(guó)外微波激光聯(lián)合探測(cè)、我國(guó)微波激光復(fù)合探測(cè)星載儀器的發(fā)展現(xiàn)狀及載荷的主要技術(shù)指標(biāo)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

目前，在軌運(yùn)行的云和氣溶膠主動(dòng)探測(cè)儀器有CALIPSO/CALIOP和Cloudsat/CPR。相比被動(dòng)衛(wèi)星遙感，獨(dú)立的主動(dòng)星載探測(cè)儀器已獲取了更多的云和氣溶膠參數(shù)信息，但隨著模式應(yīng)用的不斷發(fā)展，對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)的產(chǎn)品和精度提出了更高的要求。面對(duì)越來越迫切的氣象氣候及大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的需求，發(fā)展多波長(zhǎng)、高光譜分辨率的星載激光雷達(dá)和高靈敏度、雙頻乃至多頻段的星載微波雷達(dá)，通過同平臺(tái)、同視場(chǎng)觀測(cè)改善時(shí)空匹配精度，獲取高精度的云和氣溶膠參數(shù)，對(duì)提高數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和氣候預(yù)測(cè)模式的發(fā)展具有重要推動(dòng)作用。