SACOL站冰云微物理特性的反演研究

论文摘要

冰云是全球分布范围最广的云型之一,由于其自身独特的物理光学性质,对地气系统能量平衡起着重要而特殊的作用,了解和认清冰云的微物理特性对于研究冰云在气候变化中的影响具有重要意义。本文利用兰州大学半干旱气候与环境监测站（Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University,SACOL）Ka波段毫米波云雷达（Ka-Band Zenith Radar,KAZR）2013年8月至2014年7月的观测数据,结合微脉冲激光雷达（Micropulse Lidar,MPL）观测数据,分别使用传统经验算法、考虑温度订正的反演算法和KAZR-MPL联合反演算法,反演了冰云的冰水含量和有效粒径两个微物理量,形成了云微物理量的反演数据产品。在此基础上,对SACOL站上空云微观特性进行了统计分析,对比验证了不同算法得到的云微物理特性差异,并将反演得到的微物理特性参数输入Fu-Liou辐射传输模式,计算了不同冰云微物理特性参数对大气层顶向上辐射通量的影响,进而与CERES（Clouds and the Earth’s Radiant Energy System）卫星观测进行了对比,评估了不同算法结果的优劣,分析了造成差异的可能原因,为SACOL站KAZR云雷达对冰云微物理特性反演算法的合理采用及其辐射效应的准确计算提供了重要依据,本文主要得到以下结论:（1）冰云的云内微物理参数存在明显的季节变化特征和日变化特征,暖季冰云的冰水含量和有效粒径普遍高于冷季,且其出现最大值的高度更高;冰水含量和有效粒径的月平均值最大值均出现在9月,最小值出现在12月;夏季云层中的冰水含量和有效粒径较大,且其峰值的位置更高,春秋次之,冬季最低;冰云在夜间出现频率较大,白天则相对较小,冰云的冰水含量和有效粒径在一天内存在三个峰值,分别为日出前后、午后和日落后。（2）三种不同反演方法得到的冰水含量均呈现单峰型分布,冰水含量主要集中在0.01-10mg/m3范围内,最大概率处对应的冰水含量基本集中在0.1mg/m3附近,但是不同算法的数据集中程度和峰值概率存在一定的差异。三种方法反演得到的有效粒径谱分布则呈现出较大差异,传统经验算法反演的冰晶粒子有效粒径呈单峰型分布,数据主要集中在0-100μm的小粒子半径区域,而KAZR-MPL算法反演得到的粒子分布范围更广,分别在40μm和96μm处存在两个峰值。地基反演的云微物理参数与卫星观测值较为相近,冰水路径的平均误差为27%,但是不同算法对云内结构的描述仍有一定差距。（3）利用三种不同的微物理特性产品结果作为输入场,通过Fu-Liou辐射传输模式计算大气层顶的长、短波辐射通量,结果表明不同云微物理特性计算得到的长波辐射通量与卫星观测数据较为一致,平均误差为5.04%,相关系数均大于0.6,其中,考虑了温度订正的反演算法对长波辐射通量的模拟效果更好。对于短波来说,各反演方法模拟得到的有云情况下大气层顶向上的短波辐射结果均小于观测值,最大平均误差可达24.61%,其中,传统经验算法模拟的短波辐射通量与卫星观测最为接近,其均方根误差较其他方法有显著的减小。冰云短波加热率为正值,长波表现为云层上部辐射冷却,云层下部长波辐射加热的形态,净云辐射加热率主要表现为加热作用。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 研究现状与进展
•   1.3 本文主要内容及创新点
• 第二章 数据与方法
•   2.1 数据与方法
•     2.1.1 地基雷达观测
•     2.1.2 卫星数据
•     2.1.3 Fu-Liou辐射传输模式
•   2.2 云微物理量反演算法
•     2.2.1 传统经验算法
•     2.2.2 考虑温度订正反演算法
•     2.2.3 KAZR-MPL联合反演算法
• 第三章 SACOL站冰云微物理特征分布
•   3.1 冰水含量分布特征
•   3.2 有效粒径分布特征
•   3.3 不同算法云微物理特性对比
•   3.4 反演结果与卫星观测对比
•     3.4.1 与主动卫星CloudSat对比
•     3.4.2 与被动卫星的比较
•   3.5 本章小结
• 第四章 辐射闭合试验
•   4.1 冰云对长波辐射的影响
•   4.2 冰云对短波辐射的影响
•   4.3 冰云对加热率的影响
•   4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 在学期间的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 辛悦

导师: 付强,苏婧

关键词: 冰云,云雷达,冰水含量,云滴粒子有效粒径

来源: 兰州大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学

单位: 兰州大学

分类号: P426.51

总页数: 57

文件大小: 2388K

下载量: 68