卫星测量的云层结构及云光学和微物理性质综述
常福龙Langley研究中心，美国弗吉尼亚州汉普顿(电子邮件保护)
卫星观测是获得全球范围内云性质连续调查的唯一手段。许多raybet雷竞技最新气候及天气使用卫星衍生产品对预测模型进行了评估。对于云，评估主要局限于云量，部分原因是常规卫星遥感技术不能提供云垂直结构的详细信息，部分原因是传统的卫星检索算法在检索时假设只有一个云层。云场的垂直结构正受到越来越多的关注。然而，对全球尺度的云层数据的观测是稀缺和不可靠的模型评价。单层假设没有考虑到云层的重叠和云垂直结构的不均匀性。在本质上，上层卷云和低层卷云重叠层云经常发生。因此，比较云垂直结构从卫星测量和模型中得到的数据仍然是一个挑战。本文讨论了目前卫星云遥感技术中所采用的单层假设的有关问题。这一假设是卫星观测云垂直结构的一个主要缺陷。结合作者的研究工作，讨论了不同卫星检索算法引起的一些差异以及对增强型卫星检索算法的一些改进。为了评估和改进全球气候和天气预报模型的性能，需要可靠的全球云和辐射测量。raybet雷竞技最新最近在“a - train”卫星星座编队飞行中发射的CloudSat雷达和云-气溶胶激光雷达和红外探路者卫星观测(CALIPSO)任务预计将提供对云特性垂直剖面的大规模空间和时间观测。
1.简介
云在地球气候及其变化中起着主导作用。raybet雷竞技最新它们强烈地影响辐射能量和能量的平衡水循环．气候模式中云的准确表示是改进全球气候模式的核心问题之一。raybet雷竞技最新目前，卫星遥感是在全球范围内观测云和其他气候变量的唯一手段。raybet雷竞技最新卫星观测提供了大量与云有关的信息水平分布以及柱积分光学性质。然而，关于云垂直结构的气候学资料却十分缺乏。忽视云的垂直分布可能会对地球的两个短波和长波辐射通量(Wielicki等人，1995,1996;Chou et al.， 1998,1999)。一般环流模式(GCMs)模拟了不同水平的云分数和云水/冰含量。在大气环流模式中使用不同的云重叠方案假设可导致大气环流的显著变化云辐射强迫以及模拟气候。raybet雷竞技最新
在NASA Terra and Aqua地球观测系统(EOS)卫星上的中分辨率成像光谱辐射计(MODIS)仪器之前，我们对云的了解主要是通过国际卫星云气候学项目(ISCCP)的数据产品获得的(Rossow等人，1991年;Rossow和Schiffer, 1999)使用了一系列极地轨道和地球同步卫星的测量，这些测量是由国际空间仪器进行的，如NOAA先进非常高分辨率辐射计(AVHRR)和地球同步运行环境卫星(GOES)、日本地球同步气象卫星(GMS)和欧洲地球同步气象卫星(METEOSAT)。由于这些卫星仪器提供的光谱通道有限，云特性的反演均采用单层云来反演其体积(如云柱光学深度)或云顶(如温度、液滴有效半径)特性。关于云垂直结构的观测资料很少。
云垂直结构信息的缺乏，部分原因是当前被动卫星传感器对垂直结构缺乏敏感性，以及当前卫星检索方法中采用的反演算法不充分(Chang and Li, 2005a)。例如，现有卫星产品中的云顶高度数据要么给出有效云发射高度(如ISCCP云数据产品)，要么给出最上层云层高度(如MODIS云数据产品的MODO6) (King等人，2003年;Platnick et al.， 2003)。这些云顶高度不能揭示云的垂直结构，因为它们的检索方法假设只有单层云。因此，比较卫星和气候模式得出的云垂直分布面临重大困难。raybet雷竞技最新
在模型模拟的各个方面都需要云的垂直分布知识。例如，在测试gcm中的云重叠方案时，不仅需要了解云的水平分布，还需要了解云的垂直分布。在测试云分辨模型(crm)的结果时，有必要对云的高度高空间分辨率分布。另外，在测试中化学输运模型包括SO2在云层内转化为硫酸盐颗粒，准确的云层分层信息是必需的。
2006年，美国国家航空航天局年，美国发射了两颗主动卫星传感器:云-卫星雷达(Stephens et al.， 2002)和云-气溶胶激光雷达和红外探路者卫星观测(CALIPSO;Winker et al.， 2002)。CloudSat和CALIPSO联合任务是一项卫星实验，主要设计用于从太空测量云的垂直结构。CloudSat和CALIPSO的发射加入了“a - train”卫星星座的紧密编队飞行。A-Train编队飞行由近距离飞行的6颗卫星组成。鉴于这两个传感器仅提供沿卫星轨道的地球最低点视图，需要一段时间的观测来积累足够的云样本，以在全球范围内建立可信的云分层数据气候学。来自CloudSat和CALIPSO的重要测量是云液体和冰水含量的垂直廓线以及相关的云物理和物理辐射特性，这些数据在全球范围内无法获得，但用于对全球模型进行定量评估。
2.气候中的云问题raybet雷竞技最新
系统
云是从太空中看到的地球大气中不断变化的特征。它们不仅是资源的来源和汇全球水循环，还主宰了太阳能流入气候系统，同时重新分配系统raybet雷竞技最新中的非绝热加热(Webster和Stephens, 1984;Stephens et al.， 2002)。目前在精确捕捉气候变暖引起的云层变化方面的建模活动进展缓慢。raybet雷竞技最新正如Stephens(2005)在一篇批判性评论中所讨论的那样，在研究云反馈方面进展甚微。由于云可以在气候系统中重新分配能量和水，即使是它们内部的一个小扰动也会对地球气候产生很大的影响。raybet雷竞技最新
最先进的大气环流模式仍然不能令人信服地模拟云的过程(Rossow和Schiffer, 1991;米切尔,1993 a, b)。来自世界各地的gcm的比较(Cess et al.， 1990;Arking, 1991)已经记录了GCM模拟对不同云假设的敏感性。这些差异导致了非常不同top-of-atmosphere(TOA)辐射强迫与气候响应。raybet雷竞技最新大多数gcm表现出云量随变暖而减少、云高随变暖而增加的趋势，尤其是低空和中层云。基于云液态水随温度增加的观测建立的辐射-对流模型表明云光学深度反馈为负(Somerville和Remer, 1984;Betts和Harshvardhan, 1987)。另一方面，卫星云反演表明，低云光学深度有随变暖而减小的趋势(Tselioudis等，1992;Chang和Coakley, 2007)。这与模式倾向相反。gcm可以产生正的或负的云光学反馈，这取决于它们的云参数化。目前的模式无法令人信服地确定，随着气候变暖，云量是增加还是减少。raybet雷竞技最新缺点是物理上可靠的云观测充分限制了在大气环流模式中对云过程的处理。 Such observations are crucial for determining云强迫云的变化，以及随着气候变暖云的变化。raybet雷竞技最新
3.卫星测量云的当前评估
目前用于GCM云评估的最广泛的卫星云产品是来自ISCCP的世界气候研究raybet雷竞技最新计划．ISCCP提供了全球云水平覆盖(云量)、云顶高度(温度)和云光学深度的长期观测数据(自1983年以来)。Rossow和Schiffer(1999)报道，基于ISCCP数据的c系列，年平均全球平均云量为63%，而新的ISCCP产品d系列则上升到68%。Stowe等人(2002)和Jacobowitz等人(2003)从NOAA AVHRR探路者大气项目(PATMOS)的CLAVR(来自AVHRR的云)数据集汇编了10年(1985-1994)的云气候学，发现全球云量相当稳定，月平均值为48%-52%。ISCCP算法和CLAVR算法的云量差异是由于两种算法使用了不同的云检测技术。Stowe et al.(2002)认为CLAVR在保留阴云辐射度方面趋于保守，因此将很大一部分可变多云像素归为混合像素，并赋予其50%的云量。另一方面，ISCCP倾向于将混合像素视为100%云覆盖的完全阴云。由于大多数混合像素没有完全被云覆盖，isccp得出的云量往往被高估了(Chang和Coakley, 1993;科克利等人，2005)。
3.1.云顶高度和光学深度
ISCCP云顶高度是利用11′光谱通道的红外(IR)窗口测量得到的，这是所有气象卫星仪器(包括AVHRR、GOES、VIRS、GMS和METEOSAT)都可以使用的常见通道。使用11°辐射度作为云顶高度的衡量标准，有利有弊(Menzel et al.， 1992;Jin等，1996;Chang and Li, 2005a)。11°频道的一个主要问题是11°亮度温度对于卷云(Liou, 1986)这样的半透明云来说，并不是一个很好的测量云顶位置的方法。
MODIS仪器提供36个通道的高分辨率图像数据(King et al.， 2003;Platnick et al.， 2003)。modis测量的辐射有助于使用二氧化碳切片法来确定云层压力(Chahine, 1974;史密斯和普拉特，1978年;怀利和门泽尔，1989)。二氧化碳切片方法基于15°二氧化碳吸收波段的多个探测通道。该方法适用于反演中高层云的云层压力。二氧化碳切片法的一个优点是它能够确定半透明的高度卷云．这种方法的缺点是它的应用仅限于中级和中级高级云，但不是低端云层因为它们的低信噪比(Wielicki和Coakley, 1981)。因此，MODIS业务云产品(MODO6)使用co2切片方法来获取700 hPa以上的云顶压力，但使用11′通道来确定700 hPa以下低云的高度(Menzel et al.， 2002)。
Chang和Li (2005a)最近开发的一种新方法将MODIS多光谱co2切片方法与传统的可见光和红外窗口方法结合起来，确定单层和重叠云的云顶高度。他们将新方法应用于2001年的近全球(极地地区除外)Terra/MODIS数据，报告了云顶高度的双峰分布，云主要位于高云区(200-350 hPa)和低云区(650-800hPa)。双峰分布显示500 ~ 600 hPa云量最小。
为了说明三种方法的差异，图1为Chang and Li (2005a)[图1(a)] MODIS新方法反演的云顶压频率和云光学深度的对比
-
- 图1。应用三种不同的检索算法(a) Chang和Li (2005a)， (b) MODIS (MODO6)，和(c) ISCCP算法模拟一天(2003年3月6日)的MODIS辐度数据得到的云顶压力和云光学深度的比较。
操作方法(MODO6 Collection 004)[图1(b)]，以及ISCCP方法的模拟[图1(c)]。该图显示了对2003年3月6日从60°S到60°N的相同MODIS辐亮度数据应用三种不同方法得到的结果。三种方法得到的云层结构有明显不同。正如Chang和Li (2005a)所讨论的，他们的新方法同时处理单层云和重叠云，而MODIS操作产品在被高层卷云重叠时忽略了底层的低云。正如Chang和Li (2005b)提出的，MODIS操作产品(M0D06)[图1(b)]低估了低空云的发生，特别是在卷云丰富的地区，如热带和中纬度风暴轨迹。这是因为当MODIS c02切片方法检索高层云时，M0D06产品忽略了任何潜在的低云。另一方面，基于11′通道的模拟ISCCP方法将高层卷云放置在较低的高度。对于卷云重叠的低云，ISCCP方法得到的是偏置的单层中层云。偏置的中部位置取决于卷云和底层低空云的不透明度。
3.2.卷云重叠较低的云
卷云经常与低层云重叠。舰船表面观测很少报告卷云单独存在(Warren et al.， 1985)。当卷云存在时，大多数卫星检索方法都会忽略卷云较低的云在卷云下面假设只有卷云的存在。因此，来自卷云重叠的低层云的辐射可以通过卷云影响卫星测量信号。例如，底层低云的光学深度可能被误解为与上层卷云有关。
图2显示了一个包含卷云和层云重叠系统的云场的案例研究，该云场是在2001年4月2日(UTC)观测到的，当时Terra MODIS经过
图2。来自(a) Chang和Li (2005a)方法、(b) MODIS操作产品(MOD06)和(c) ISCCP算法对以俄克拉荷马州北部ARM中心设施为中心的(500 km)2区域观测到的层云上卷云层的云顶压力和云光学深度的比较。
图2。来自(a) Chang和Li (2005a)方法、(b) MODIS操作产品(MOD06)和(c) ISCCP算法对以俄克拉荷马州北部ARM中心设施为中心的(500 km)2区域观测到的层云上卷云层的云顶压力和云光学深度的比较。
超过美国能源部(DOE)大气辐射测量(ARM)计划在俄克拉荷马北部的中心设施地面站点(Ackerman和Stokes, 2003)。图中是三种方法反演的云顶压力和云光学深度的联合直方图对比。经地面雷达和激光雷达测量证实，Chang和Li (2005a)[图2(a)]的方法反演的上层卷云层光学深度较小，低层层云层光学深度较大。MODIS产品(MOD06 Collection 004)[图2(b)]也提取到了上层卷云层，但没有低层云。它还错误地将重叠的系统解释为光学上较厚的上层云层。模拟的ISCCP方法[图2(c)]将重叠系统错误地解释为一个中低层云系，它没有将上下云分开。单层假设导致MODIS产品中底层低层云消失，模拟ISCCP反演中上层卷云与低层层云混合成单个中层云。图2所示的三种云层压力之间的差异会对模型生成的云层垂直分布的评估产生重大影响。不同的高层云的光学深度也会对TOA的云强迫和大气内的加热剖面产生重大影响。
3.3.云顶高度的双峰分布
Chang和Li (2005b)在检查2001年1月、4月、7月和10月Terra MODIS数据(不包括高纬度地区)时提出了云顶高度的明显双峰分布。他们的算法区分高云，由云顶压力< 500hpb定义，分为3类:(1)High1为单层卷云，(2)High2为下有低云重叠的卷云，(3)High3为重叠情况下无法确定光学厚度高的高云。表1给出了不同类别的单层和重叠的高云，以及由云顶压力>500 hPa定义的两类低云，其中Low1是指没有被任何上层云掩盖的单层低云，Low2是指与High2同时出现的重叠低云。
图3显示2001年四个月里，海洋(上子图)和陆地(下子图)上的单层和重叠类别云顶压力的出现频率。值得注意的是，由于在处理没有填充部分多云成像仪像素的破碎云时遇到的挑战，图3所示的云顶压力的频率分布仅针对5公里阴云区域的每个区域。5公里的阴天区域是使用MODIS Collection 004云掩模产品(MOD35;Ackerman et al.， 1998)。月平均阴云
表1。单层、重叠和高厚云的分类以及相关的云顶压力(Pc)和11 /m云发射率(ec)。
云类型云的属性
高空1层卷云(Pc < 500 hPa, sc < 0.85)
高2与低2重叠卷云(Pc < 500 hPa，£c < 0.85)
High3高厚云(Pc < 500 hPa, ec > 0.85)
Low1单层低云(Pc > 500 hPa)
Low2低云(Pc > 500 hPa)与High2重叠
单层云:High1和Low1 o High2(重叠卷云)A Low2(重叠低云)
这篇文章有用吗?