北京地區(qū)地基天空輻射計(jì)與衛(wèi)星云特性參數(shù)對比研究

郭文昕，車慧正，陳權(quán)亮，肖之盛

（1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，四川 成都610225；2.中國氣象科學(xué)研究院，北京100081）

云是大氣中小水滴或小冰晶混合組成的漂浮在空中的可見聚合物，是地球大氣層中重要的組成部分，在全球水文循環(huán)、氣候變化和大氣熱量傳輸[1，2]中起到非常重要的作用。

研究表明，云光學(xué)厚度（COD）和云滴有效半徑（CER）作為云的重要特性，對區(qū)域降水過程和氣候變化具有重要的影響。Rosenfeld等[3]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)CER在14μm左右，該區(qū)域的云層就有很大幾率產(chǎn)生降水。王磊等[4]發(fā)現(xiàn)，華北地區(qū)的COD和云頂溫度對于地面降水有較強(qiáng)的指示作用。劉健等[5]利用FY-1D和NOAA衛(wèi)星的紅外、可見光數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)COD與該地區(qū)地面降水量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。李特[6]利用MODIS數(shù)據(jù)對中國陸地區(qū)域冰云的云微觀物理特性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，冰云的COD和CER水平分布和季節(jié)變化均與東亞季風(fēng)和強(qiáng)對流天氣有一定關(guān)系。

目前關(guān)于云特性的研究方法主要包括地基觀測研究和衛(wèi)星觀測研究。曹亞楠[7]利用MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)對安徽淮北和江淮地區(qū)的云光學(xué)特性進(jìn)行了研究分析，研究表明，兩地夏季的CER相當(dāng)，均在14μm左右。江淮地區(qū)四季的CER均比安徽淮北略高。江淮地區(qū)秋冬兩季的COD相對安徽淮北較高。游婷[8]利用MODIS云的資料對夏季中國不同類型的云分布特征進(jìn)行研究，結(jié)果表明，不同高度的COD分布特征與地形分布有著密切的關(guān)系。葉晶等[9]基于MODIS數(shù)據(jù)開發(fā)了一種多層COD和CER的反演算法，并且反演結(jié)果與MODIS產(chǎn)品（MOD06）中的COD和CER的結(jié)果較為一致。范學(xué)偉[10]利用葵花-8數(shù)據(jù)研究了東亞夏季冰云的云頂特征分布。呂珊珊[11]通過毫米波雷達(dá)開發(fā)了一種垂直云結(jié)構(gòu)的判定方法，并且與葵花-8和MODIS云的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)一致性較強(qiáng)。李莉[12]開發(fā)了一種利用天空輻射計(jì)進(jìn)行云檢測的方法。

目前在北京地區(qū)結(jié)合地基觀測和衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析云特性的研究還較少，基于此，本文運(yùn)用MODIS數(shù)據(jù)、葵花-8衛(wèi)星資料對北京地區(qū)上空的云光學(xué)特性進(jìn)行相關(guān)性分析，進(jìn)而再將衛(wèi)星和地基觀測的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。

1 資料和方法

1.1 地基觀測數(shù)據(jù)

地基觀測數(shù)據(jù)選取時(shí)段為2019年全年時(shí)段數(shù)據(jù)資料。觀測儀器為日本PREDE公司生產(chǎn)的天空輻射計(jì)（POM-02），架設(shè)在北京中國氣象科學(xué)研究院樓頂（39.933°N，116.317°E），是較為典型的城市站點(diǎn)。天空輻射計(jì)可以自動(dòng)觀測紅外與可見光的直接輻射和散射輻射。根據(jù)Nakajima[13]的反演方法，利用POM-02的7個(gè)通道（400、500、670、870、1 020、1 627、2 200 nm）反演得到氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）、粒子譜分布、單次散射反照率、復(fù)折射指數(shù)的實(shí)部和虛部等數(shù)據(jù)。Khatri等[14]利用POM-02天頂散射輻射測量數(shù)據(jù)，建立了COD和CER反演算法。利用該算法對日本千葉（35.62°N，140.10°E）、五島（26.87°N，128.25°E）、沖繩（32.75°N，128.68°E）3個(gè)站點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了反演，并與MODIS和葵花-8云的資料進(jìn)行相關(guān)分析。結(jié)果表明：COD與MODIS和葵花-8的反演產(chǎn)品一致性較好，相關(guān)系數(shù)r分別為0.58、0.69。而對于CER，地基和衛(wèi)星遙感產(chǎn)品一致性較差，r分別為0.11、-0.05[14]。通過該算法對北京地區(qū)云參數(shù)進(jìn)行反演研究，同時(shí)用MODIS和葵花-8云的資料進(jìn)行對比分析。

1.2 衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)

采用的是北京地區(qū)（39°～42°N、115°～118°E）2019年3月—2020年2月MODIS遙感數(shù)據(jù)資料（https：//ladsweb.nascom.nasa.gov/search）。使 用MODISLevel 2.0（collection 6）云產(chǎn)品所提供的COD和CER數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)產(chǎn)品空間分辨率為5 km×5 km。

葵花-8衛(wèi)星是日本氣象廳2014年10月17日發(fā)射的氣象靜止衛(wèi)星，于2015年7月投入使用。該衛(wèi)星資料的時(shí)間和空間分辨率都較高，時(shí)間分辨率為10 min，空間分辨率為1 km×1 km。使用了葵花-8（Himawari-8）上搭載的成像儀（Advanced Himawari Imager，AHI）推出的CLP產(chǎn)品中的COD和CER資料（ftp.ptree.jaxa.jp），選取的研究時(shí)間與MODIS衛(wèi)星研究時(shí)間一致。

1.3 地基反演的方法介紹

本文通過以下算法來進(jìn)行反演COD和CER。λ為POM-02三個(gè)較長的波段（870、1 020、1 627 nm）。透射率T由以下關(guān)系式來表示：

其中，μ0、F0、ΔΩ代表太陽高度角、天空輻射定標(biāo)系數(shù)以及立體角，E為太陽直接輻射，對于弱吸收波段870 nm和1020 nm，采用Nakajima等提出迭代Langley法標(biāo)定得到對應(yīng)的儀器響應(yīng)常數(shù)，而對于吸收波段（1 627 nm），據(jù)Lambert定律：

其中，τaer和τra分別為氣溶膠光學(xué)厚度以及分子瑞利散射光學(xué)厚度，M為大氣光學(xué)質(zhì)量，R為日地距離。F1627為1 627 nm波段的天空直接輻射，可利用天空輻射計(jì)直接觀測獲得。τaer、τra數(shù)據(jù)則可以通過Nakajima[13]的反演方法得到。M和R可以通過觀測站點(diǎn)的經(jīng)緯度信息以及對應(yīng)的時(shí)間信息來計(jì)算，F(xiàn)0為天空輻射計(jì)定標(biāo)系數(shù)，可通過（2）式計(jì)算可得，之后再代入（1）式來計(jì)算T值。

式中，J為代價(jià)函數(shù)，x為待反演值，即COD和CER。xa為x的先驗(yàn)值（2019年MODIS云資料的COD和CER的平均值）。y為太陽輻射的透射率數(shù)據(jù)，F(xiàn)（x，b）為y的先驗(yàn)值，可以通過將降水?dāng)?shù)據(jù)W和地表反照率數(shù)據(jù)A輸入SBDART輻射傳輸模式（The Santa Barbara DISORT Atmospheric Radiative Transfer）[15]計(jì)算獲得，并且建立與透射率值對應(yīng)COD和CER查找表（LUT），當(dāng)J最小的時(shí)候，即觀測值計(jì)算得到的T值與SBDART計(jì)算得到的F（x，b）值最接近，查找表中與該透射率對應(yīng)的COD與CER即為反演結(jié)果。τ、re代表COD和CER。T870、T1020、T1627代表870、1 020、1 627 nm三波段對應(yīng)的透射率。A870、A1020、A1627分別是870、1 020、1 627 nm對應(yīng)的地表反照率，地表反照率來自于MODIS資料（產(chǎn)品編號：MCD43A4）。W為降水?dāng)?shù)據(jù)（http：//weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html）。Sa、Sy分別代表誤差數(shù)據(jù)和先驗(yàn)值（2019年的AHI云觀測資料的COD均值和CER平均值）利用（3）式計(jì)算出x，得到反演結(jié)果。

2 北京地區(qū)云光學(xué)特性的時(shí)空分布特征

2.1 云光學(xué)厚度變化

COD一方面體現(xiàn)了云層的厚實(shí)程度，另一方面反映了云中水量的分布，即與區(qū)域降水有比較密切的關(guān)系。本文通過對北京地區(qū)上空2019年3月—2020年2月4個(gè)季度COD季節(jié)平均數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究，其中春季為3、4、5月，夏季為6、7、8月，秋季為9、10、11月，冬季為12、1、2月。圖1～4給出了北京地區(qū)云光學(xué)特性的春、夏、秋、冬四季分布。北京地區(qū)的云光學(xué)特性四季變化較大，且呈現(xiàn)MODIS和葵花-8衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)有較高的一致性。

在春季，北京地區(qū)COD呈南低北高的分布特征（圖1a），北京北部和西部地區(qū)即北京的密云（MY），昌平區(qū)（CP），房山（FS）部分地區(qū)的COD較大，約為13～17。其余區(qū)域COD較小，約為9～13。由圖2a可知，北京中部地區(qū)即密云（MY）和懷柔區(qū)（HR）的南部區(qū)域COD較大，達(dá)到13～17。北京地區(qū)其他區(qū)域的COD值較小，為9～13。

在夏季（圖1b、圖2b），北京地區(qū)COD呈南高北低的分布特點(diǎn)。從圖1b的COD分布可知，高值區(qū)在北京南部地區(qū)即在房山區(qū)（FS）東部、石景山區(qū)（SJS）、豐臺區(qū)（FT）以及順義區(qū)（SY）的一帶，該區(qū)域COD為16～20。而在北京地區(qū)北部即北京的懷柔區(qū)（HR）北部和密云（MY）郊區(qū)一帶，COD值較小，約為11～15。從圖2b可以看出，北京地區(qū)北部即懷柔區(qū)（HR）北部，COD較小為11～15。在北京其他區(qū)域COD較大，COD為15～19。其中在昌平區(qū)（CP）、順義區(qū)（SY）以及朝陽（CY）周邊地區(qū)達(dá)到最大值，達(dá)到19左右。

圖1 基于MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)在北京地區(qū)COD時(shí)空特征分布

在秋季，北京地區(qū)COD的分布（圖1c、2c），依舊呈南低北高的特點(diǎn)，從圖1c可看出北京地區(qū)北部，即密云（MY）、懷柔區(qū)（HR）北部、順義區(qū)（SY）部分地區(qū)COD值較大，達(dá)到13～17。其他地區(qū)整體較小，在10～14。圖2c給出了北京地區(qū)秋季葵花-8的COD分布特征，結(jié)果表明在北京地區(qū)中部和西南部即延慶區(qū)（YQ）、懷柔區(qū)（HR）北部、房山區(qū)（FS）南部地區(qū)的COD較大，達(dá)到了13～17。而在北京中部地區(qū)COD較小，約為9～13。

在冬季，北京地區(qū)COD分布（圖1d、2d）呈現(xiàn)由東南向西北遞減的分布特點(diǎn)，與其他季節(jié)分布特點(diǎn)不同。圖1d顯示，北京地區(qū)東南部即通州（TZ）東南部和大興北部為高值區(qū)，達(dá)到13～17。該區(qū)域以北為低值區(qū)，為9～13。圖2d和圖1d對于COD方面，有較強(qiáng)的一致性。北京地區(qū)東南部，即大興（DX）和房山區(qū)（FS）南部，為COD的高值區(qū)，達(dá)到13～17。而北京其他區(qū)域COD值較小，北京地區(qū)西部的門頭溝（MTG）北部、昌平（CP）西部以及延慶（YQ）的COD最低，達(dá)到6左右。

2.2 云滴有效半徑變化

云滴有效半徑（CER），是云參數(shù)中重要的微物理量，不僅對云的發(fā)展演變有重要作用，還與云中水含量分布與變化有密切關(guān)系。圖3、圖4分別給出了MODIS以及葵花-8四季北京地區(qū)CER分布。研究發(fā)現(xiàn)：北京地區(qū)CER季節(jié)變化顯著，夏季CER最大，達(dá)到28～32μm。冬季CER最小，為19～23μm。春季北京地區(qū)CER呈由東南向西北遞減的趨勢，夏季相反，冬季則呈南低北高的分布特征。由圖3c、4c發(fā)現(xiàn)，秋季CER分布特征差異較大，圖3c呈由南向北先遞增后遞減的分布特征，而圖4c呈現(xiàn)出由南到北先遞減后遞增的分布特征。這可能是由于MODIS和葵花-8云資料的時(shí)間、空間分辨率不同導(dǎo)致的。

在春季（圖3a），在北京區(qū)域CER呈現(xiàn)由東南向西北遞增的分布特點(diǎn)，其中高值中心在北京地區(qū)西南和西北部，即房山區(qū)（FS）南部和延慶區(qū)（YQ）西部，達(dá)到27～31μm。高值區(qū)在北京的西南和西北部，即懷柔區(qū)（HR）、延慶（YQ）、呂平區(qū)門頭溝（MTG）地區(qū)以及房山區(qū)（FS）西部，在26～30μm。其余地區(qū)為低值區(qū)，在23～27μm。由圖4a可知，北京地區(qū)CER分布整體與圖3a較為一致，均呈由東南向西北遞增的分布特點(diǎn)，但是整體較圖3a大2μm，即高值區(qū)在28～32μm，低值區(qū)在25～29μm。

夏季CER在四季中最大（圖3b），最高值在30 μm左右。在北京地區(qū)CER分布特征與春季相反，即呈東南部高西北部低的分布特征。高值區(qū)在北京中部、北京東南部以及西側(cè)區(qū)域，即門頭溝（MTG）西部、大興區(qū)（DX）、通州區(qū)（TZ）、以及順義區(qū)（SY）周邊區(qū)域，達(dá)到26～30μm。而其他區(qū)域?yàn)榈椭祬^(qū)，在23～27μm。圖4b和圖3b分布較為一致，不同的是CER值較其高2μm左右。

秋季與春夏兩季相比，CER較低（圖3c）。秋季北京地區(qū)CER分布空間分布差異較小，高值區(qū)在北京地區(qū)東北側(cè)和西南側(cè)，即房山區(qū)（FS）西部和密云（MY）東部，達(dá)到28μm左右。而其他地區(qū)為低值區(qū)，在23～27μm?？?8北京地區(qū)秋季CER分布（圖4c）與圖3c的分布特征不同，圖4c呈由南向北先遞減后遞增的分布特征，高值區(qū)在北京地區(qū)南部和北側(cè)，即懷柔區(qū)（HR）北部、大興區(qū)（DX）以及通州（TZ）東部區(qū)域，達(dá)到23～27μm。北京中部地區(qū)為低值區(qū)，達(dá)到18～22μm。

圖3d、4d描述了北京地區(qū)冬季CER分布，均呈南低北高的分布特征，低值區(qū)在北京南部即房山區(qū)（FS）南部和大興區(qū)（DX）一帶，約為19μm。高值區(qū)在北京地區(qū)中部和北部地區(qū)，即順義區(qū)（SY）、平谷區(qū)（PG）、懷柔區(qū)（HR）、密云區(qū)（MY）一帶，達(dá)到28 μm左右。在北京地區(qū)東部即平谷（PG）和順義區(qū)（SY）一帶出現(xiàn)高值中心，最大達(dá)到32μm左右（圖4d）。北京其他區(qū)域的CER分布整體與圖3d一致。

圖3 基于MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)在北京地區(qū)CER時(shí)空特征分布

圖4 基于葵花-8衛(wèi)星數(shù)據(jù)在北京地區(qū)CER時(shí)空特征分布

3 地基反演結(jié)果與衛(wèi)星數(shù)據(jù)的對比

通過地基反演算法得出的反演結(jié)果與MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)以及葵花-8衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。選取2019年1—12月北京站點(diǎn)（39.933°N，116.317°E）天空輻射計(jì)觀測數(shù)據(jù)，由于地基觀測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)時(shí)間和空間分辨率的差異性，選取地基觀測數(shù)據(jù)的時(shí)間與MODIS觀測時(shí)間間隔＜2.5 min，與葵花-8（AHI）觀測間隔＜5 min，空間分辨率均＜1 km。為了提高研究結(jié)果的準(zhǔn)確率[16]，去掉晴天時(shí)間段云觀測數(shù)據(jù)，使得選取的時(shí)間段云層較厚。

圖5給出了地基反演結(jié)果和MODIS云的資料在2019年北京地區(qū)COD（圖5a）與CER（圖5b）線性擬合圖。結(jié)果表明，均方根誤差（RMSE）為3.74，r值為0.69。該算法在COD方面的反演結(jié)果與MODIS中的COD觀測資料較為一致。而對于CER，該反演結(jié)果與MODIS中的CER觀測數(shù)據(jù)有較大差異，RMSE為11.70，而r值為0.053。

圖5 地基反演結(jié)果（sky-radiometer）與MODIS衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)COD（a）、CER（b）對比

圖6給出了地基反演結(jié)果和葵花-8云的資料在2019年北京地區(qū)COD和CER線性擬合圖。結(jié)果表明：該算法對于COD反演結(jié)果與葵花-8中的COD觀測結(jié)果擬合程度較好，兩者有較強(qiáng)的一致性。RMSE達(dá)到4.08，而r達(dá)到了0.660 3。而在CER方面，該算法反演結(jié)果與葵花-8中觀測結(jié)果一致性相較于MODIS較強(qiáng)，其中RMSE達(dá)到8.02，r為0.53。對于CER，兩種衛(wèi)星與反演結(jié)果一致性不同。影響因素可能是：（1）Platnick等[17]發(fā)現(xiàn)這可能由于衛(wèi)星的信號傳感器對云的頂層的敏感度較高，而天空輻射計(jì)的傳感器對整個(gè)云層敏感度較高。（2）由于時(shí)空分辨率的不同，葵花-8時(shí)空分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出MODIS，這可能導(dǎo)致與兩種衛(wèi)星的一致性不同的原因。（3）MODIS與葵花-8數(shù)據(jù)反演COD與CER所利用的波段不同[17]。

圖6 地基反演結(jié)果（sky-radiometer）與葵花-8（AHI）觀測數(shù)據(jù)COD（a）、CER（b）對比

4 結(jié)論

利用MODIS數(shù)據(jù)和葵花-8（AHI）數(shù)據(jù)對北京地區(qū)四季云光學(xué)厚度（COD）和云滴有效半徑（CER）進(jìn)行相關(guān)性分析，兩種衛(wèi)星觀測結(jié)果整體分布較為一致。但是四季仍然有些許差異，其中在秋季差異最大。這可能是由于兩種衛(wèi)星資料在時(shí)間分辨率和空間分辨率的差異造成的。結(jié)果顯示，在COD方面，北京地區(qū)四季分布差異明顯，夏冬兩季呈南高北低的分布特征，而春秋兩季呈南低北高的分布特點(diǎn)。四季中夏季COD最大，約為17。游婷等[18]認(rèn)為這可能是我國中東部區(qū)域受到夏季風(fēng)的影響，由于強(qiáng)對流活動(dòng)有利于深厚云的發(fā)展，所以導(dǎo)致南部COD較高。四季中冬季COD值最低，最低為5～9。

在云滴有效半徑（CER）方面，四季中春季CER呈東南部低、西北部高的分布特征，而夏季則相反。秋冬兩季CER整體較低。冬季CER呈南低北高的分布特征。兩種衛(wèi)星云的資料在秋季分布差異性較大。利用MODIS云的資料，在北京地區(qū)的CER分布呈南低北高的分布特征，而利用葵花-8云的資料，在北京地區(qū)CER分布呈現(xiàn)由南向北先增后減的分布特征。在冬季，利用葵花-8觀測資料發(fā)現(xiàn)北京地區(qū)東部出現(xiàn)高值中心，達(dá)到32μm。

利用地基反演結(jié)果與MODIS和葵花-8云的資料對比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在COD方面，發(fā)現(xiàn)二者一致性較強(qiáng)，r值分別為0.69和0.66。在CER方面，發(fā)現(xiàn)反演結(jié)果與MODIS一致性較弱，r值為0.053，而與葵花-8反演結(jié)果較好，r值為0.53。另外算法原作者[14]利用該算法反演日本站點(diǎn)上空的COD和CER，反演結(jié)果與MODIS和葵花-8相比較后，發(fā)現(xiàn)對于COD值一致性較強(qiáng)，對于CER一致性較差。則說明該算法對于我國的適應(yīng)性相比日本的適應(yīng)性較強(qiáng)。該算法可以對衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，以及對于后續(xù)相關(guān)云參數(shù)反演算法的開發(fā)與改進(jìn)提供了參考。