论文部分内容阅读
卷云光学厚度(COT)和有效粒子直径(De)是气候研究的两个重要参数。MODIS是探测全球范围卷云参数(COT和De)的重要手段，其第六版(C6)卷云反演算法包含三个基本假定：MODIS任意像元内卷云参数均匀(平面平行假定，PPA)、MODIS相邻像元之间辐射传输过程相互独立(独立像元假定，IPA)、全球任意区域卷云冰晶粒子具有固定的谱分布和形状(单一冰晶模型假定，SHA)。此外，由于冰晶粒子在短波近红外波段具有一定的吸收性(粒子吸收效应，PAE)，由短波近红外波段反演的De不能代表整层卷云De的平均值。PPA、IPA和PAE导致的误差为不均匀卷云反演过程所独有。因此，这三项误差统称为云场不均匀性(CIN)导致的误差。MODISC6卷云产品提供的COT和De含有CIN和SHA导致的误差。
论文首先用Cloudgen模式生成三维冰水含量(IWC)结构。结合IWC和De结构(一维、二维和三维)、SRAC冰晶模型、中纬度和热带冰晶模型，生成不均匀卷云场。主要研究内容由三部分组成。首先，在SHDOM辐射传输模拟的基础上，揭示了CIN导致的卷云参数反演误差及其变化规律。其次，在前人研究的基础上改进了误差分析方法，单独分析了PPA、IPA、PAE和SHA误差。最后，由地基毫米波雷达资料和卫星资料分析了中纬度和热带卷云的平均自由路径。结果表明，卷云平均自由路径大于MODIS分辨率，从而为Richardson-Lucy迭代法校正IPA误差提供了物理依据。主要结论如下：
(1)CIN对卷云COT和De反演的影响。CIN引起的COT(De)反演偏差(平均误差)在-15.1%~13.5%(-3.1%~16.4%)之间。COT和De的反演偏差可拟合为其反演值的线性函数。云场不均匀度和平均光学厚度越大，CIN引起的卷云参数反演偏差越大。单独分析CIN导致的各项反演误差，结果表明：(Ⅰ)PPA导致COT(De)的反演值偏小(大)。(Ⅱ)对COT和De的反演，IPA偏差随太阳-MODIS几何关系、云场不均匀度、平均光学厚度等参数的变化较为明显。当太阳和MODIS天顶角较小时，IPA导致反演的COT偏小。(Ⅲ)PAE引起的De反演偏差主要取决于De廓线和云场光学厚度。对较厚的卷云，PAE导致De的反演值只能代表上层卷云De的平均值。
(2)SHA对COT和De反演的影响。SHA引起的COT(De)反演偏差在-13.8%~75.9%(-37.3%~0%)之间。当太阳和MODIS天顶角较小时，SHA导致COT的反演值偏大。SHA引起的De反演偏差恒小于0。COT与De反演结果的不确定度受SHA误差的影响较小。SHA偏差随散射角具有明显的变化关系。当散射角在90°~120°范围内时，SHA会导致中纬度和热带卷云反演的光学厚度偏小。
(3)CIN和SHA偏差的相对大小。当太阳和MODIS天顶角较小时，SHA偏差大于CIN偏差，这一结论同样适用于中纬度卷云De的反演；对热带卷云De的反演，SHA偏差恒大于CIN偏差。对其它太阳-卫星几何角度，COT和De的反演过程中SHA误差和CIN偏差的相对大小不可一概而论。
(4)卷云COT反演过程中IPA误差的校正。Richardson-Lucy迭代法可有效减小COT反演的偏差，但同时增大了COT反演的不确定度。造成这种结果的原因是选择个例对应的太阳天顶角太大，而Richardson-Lucy迭代法只适用于小的太阳天顶角(几何约束条件)。这一几何约束条件在静止气象卫星和飞机探测厚卷云时可适当放宽。因此，这一发现为静止气象卫星和飞机探测卷云COT提供了新思路。
论文首先用Cloudgen模式生成三维冰水含量(IWC)结构。结合IWC和De结构(一维、二维和三维)、SRAC冰晶模型、中纬度和热带冰晶模型，生成不均匀卷云场。主要研究内容由三部分组成。首先，在SHDOM辐射传输模拟的基础上，揭示了CIN导致的卷云参数反演误差及其变化规律。其次，在前人研究的基础上改进了误差分析方法，单独分析了PPA、IPA、PAE和SHA误差。最后，由地基毫米波雷达资料和卫星资料分析了中纬度和热带卷云的平均自由路径。结果表明，卷云平均自由路径大于MODIS分辨率，从而为Richardson-Lucy迭代法校正IPA误差提供了物理依据。主要结论如下：
(1)CIN对卷云COT和De反演的影响。CIN引起的COT(De)反演偏差(平均误差)在-15.1%~13.5%(-3.1%~16.4%)之间。COT和De的反演偏差可拟合为其反演值的线性函数。云场不均匀度和平均光学厚度越大，CIN引起的卷云参数反演偏差越大。单独分析CIN导致的各项反演误差，结果表明：(Ⅰ)PPA导致COT(De)的反演值偏小(大)。(Ⅱ)对COT和De的反演，IPA偏差随太阳-MODIS几何关系、云场不均匀度、平均光学厚度等参数的变化较为明显。当太阳和MODIS天顶角较小时，IPA导致反演的COT偏小。(Ⅲ)PAE引起的De反演偏差主要取决于De廓线和云场光学厚度。对较厚的卷云，PAE导致De的反演值只能代表上层卷云De的平均值。
(2)SHA对COT和De反演的影响。SHA引起的COT(De)反演偏差在-13.8%~75.9%(-37.3%~0%)之间。当太阳和MODIS天顶角较小时，SHA导致COT的反演值偏大。SHA引起的De反演偏差恒小于0。COT与De反演结果的不确定度受SHA误差的影响较小。SHA偏差随散射角具有明显的变化关系。当散射角在90°~120°范围内时，SHA会导致中纬度和热带卷云反演的光学厚度偏小。
(3)CIN和SHA偏差的相对大小。当太阳和MODIS天顶角较小时，SHA偏差大于CIN偏差，这一结论同样适用于中纬度卷云De的反演；对热带卷云De的反演，SHA偏差恒大于CIN偏差。对其它太阳-卫星几何角度，COT和De的反演过程中SHA误差和CIN偏差的相对大小不可一概而论。
(4)卷云COT反演过程中IPA误差的校正。Richardson-Lucy迭代法可有效减小COT反演的偏差，但同时增大了COT反演的不确定度。造成这种结果的原因是选择个例对应的太阳天顶角太大，而Richardson-Lucy迭代法只适用于小的太阳天顶角(几何约束条件)。这一几何约束条件在静止气象卫星和飞机探测厚卷云时可适当放宽。因此，这一发现为静止气象卫星和飞机探测卷云COT提供了新思路。