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凭借其优越的云垂直结构探测能力,云廓线雷达(Cloud Profiling Radar,简称CPR)观测资料作为主要的云识别结果被广泛应用于云属性及垂直结构的研究中。但是由于地表杂波和探测分辨率等因素的影响,CPR在对流层下层的云识别存在很大问题。本论文利用2008年全年的全球洋面CPR、正交偏振云-气溶胶激光雷达(the Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization,简称CALIOP)和中分辨率成像光谱仪(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,简称MODIS)的融合资料,评估CPR对洋面单层暖云的云识别性能。本文系统分析了被CPR漏判的洋面暖云的空间分布及其宏观、微观物理特征,同时与CPR捕获暖云进行综合对比,定量计算了由于CPR严重地不完整云采样所带来的暖云云属性统计偏差。在此基础上,进一步分析和讨论了不同内、外部因素对CPR暖云识别效率的影响,阐明了云微物理属性对CPR暖云识别结果的重要影响。本文的主要研究成果如下: (1)CPR暖云漏判事件的全球分布特征及区域差异 依据筛选所得到的CPR漏判及捕获暖云样本,研究了CPR对全球洋面暖云的整体低估情况,并对不同区域的CPR漏判暖云的云量、云高以及微物理属性进行了对比分析。研究发现: 1)CPR漏判暖云集中分布于大洋东部的冷水区,CPR漏判率的纬向分布与海表温度近似呈反相关。大洋中部的CPR漏判率约为0.1~0.3,越靠近大陆,漏判率越高,近岸海区的暖云漏判率可达0.7以上。 2)绝大多数CPR漏判暖云的云顶高度位于0.6~1.2km,其中大量漏判暖云位于1km以下的大气边界层内。CPR捕获暖云的云顶高度多在1.5km以上。在太平洋、大西洋和印度洋中部,CPR捕获暖云占主导,CPR对云顶高度的高估小于0.4km(20%)。在靠近大陆的CPR漏判暖云主导区域,云顶高度的高估超过0.8km(50%)。 3)CPR漏判暖云的云滴有效粒子半径(Cloud droplet effective radius,简称DER)和光学厚度(Cloud optical depth,简称COT)普遍偏小,且云水路径(Cloudliquid water path,简称CWP)极小(<50g/m2)。CPR捕获暖云的云层普遍更厚,含水量更高(CWP>100g/m2),且降水发生概率更高。除地表杂波干扰之外,对于1km以上的暖云,CPR对拥有不同微物理属性的暖云的识别成功率存在差异。例如,CPR漏判了大量具有较小COT和DER的洋面暖云。 (2)CPR对不同类型洋面暖云的识别效率及云参数统计偏差 针对四类主要的洋面暖云系统(层云,层积云,积云和高积云),评估了CPR的识别能力差异,分析了CPR漏判对云参数统计结果的影响。研究发现: 1)针对完整像素覆盖的洋面单层暖云样本,全球尺度上CPR的总体漏判率约为0.39。由于宏观和微观物理属性的差异,CPR的识别效率对于四种暖云型差异显著。层云具有最大的漏判率(0.61),而积云最小(0.23),层积云(0.4)和高积云(0.52)居中。给定暖云类型,CPR捕获暖云的全球分布形态与总暖云的分布基本一致。 2)1km高度以下的洋面暖云被CPR完全漏判。1km高度以上,CPR对暖云仍有较高频率的漏判。在1~2.5km高度范围,漏判率随高度单调减小,在3km以上由于高积云的大量漏判,漏判率转而增大。漏判暖云云顶高度整体上比捕获暖云低0.28km。只有云顶高度在2.5~3.0km的洋面暖云,CPR漏判率处于低值(~0.1)。 3)对所有类型暖云,CPR漏判率与CWP之间一致存在强烈的负相关(相关系数-0.81)。当CWP超过200g/m2,漏判率降至0.1以下。但对于拥有相同CWP的暖云,不同暖云型对应的漏判率存在差异,层云相比于积云更容易被CPR漏判,这与其相对较小的DER有关。 4)CPR漏判导致对暖云统计分析的高估十分显著。相对于降水暖云,CPR对非降水暖云有更加严重的漏判,仅使用CPR云检测资料会高估洋面暖云降水概率。对于不同类型暖云,其捕获暖云样本的全球平均DER和COT相对于该类型总暖云样本为一致高估,分别达到10~24%和24~36%。CPR暖云漏判所致的全球平均CWP高估约为36.6g/m2(44.3%),在暖云富集的海域(如东南太平洋/东南大西洋),暖云CWP的高估具有较大的变动范围(20%~80%)。 (3)不同因素对CPR暖云识别的影响 针对地表杂波、雷达空间分辨率、雷达探测灵敏度、云微物理性质等因素,将由不同因素主导的CPR漏判暖云划分为六类,以明确各因素在CPR暖云漏判中的贡献程度。研究发现: 1)对于全球洋面上的单层暖云总体样本,CPR总漏判率为0.73。其中接近一半的漏判暖云位于1km以下,其完全源于地表杂波的影响。对于1km以上的CPR漏判暖云,其中满足满云覆盖条件的像素占比高达70%,其余30%则与CPR像素非满云覆盖因素有关。CPR的垂直分辨率是满云覆盖条件下形成漏判的主要原因,在满云覆盖的漏判暖云中占74%左右。剔除外部因素的影响,1km以上的暖云,18%的漏判源于由其特殊的云微物理属性。对于全球洋面暖云,57%的漏判事件明确由单一因素导致,剩下的则与无法分辨的两个或更多因素的共同影响有关。 2)由不同因素引起的CPR暖云漏判在全球洋面具有明显不同的地理分布,但不同因素对漏判的贡献在高度上没有显著差异。大多数位于大陆西海岸,热带辐合带和高纬度洋面的漏判暖云位于1km甚至0.5km以下,归因于地表杂波的影响。CPR垂直分辨率是在典型的层积云区的漏判事件的主要原因,而非满云覆盖条件导致的漏判主要出现在副热带远海海域。 3)对于位于1km以上且拥有足够大空间结构的暖云,云微物理性质是导致CPR漏判的主导因素,不同的DER和COT组合显著影响CPR云检测结果。CPR对暖云DER的探测下限在10μm左右,仅对于拥有更大DER的暖云,COT的影响才逐渐出现并变得显著。随着DER的增大,CPR对COT的探测下限随DER动态变化,当DER增至20μm时,COT探测下限从12下降到8。 4)暖云云参数对CPR云识别结果有显著影响。对于相同CWP的暖云,具有有较大DER和较小COT的暖云与拥有较小DER和较大COT的暖云相比,前者更容易被CPR捕获。具有完全相同DER和COT的暖云,不同的CPR云检测结果可能与云体内部云滴尺寸分布差异有关。具有较大几何厚度的暖云更有可能产生足够大的雷达回波而被CPR捕获。这是由于随着云层厚度增加,云内云滴尺寸分布的垂直不均匀性增强,导致更高概率产生局部高的雷达反射率。-23dBZ的雷达反射率因子Zemax(the maximum radar effective reflectivity factor)为CPR对洋面单层暖云有效识别的保守阈值。 5)全球尺度上暖云云水损失率约为0.42,远小于由暖云出现频次计算的漏判率。在地气长波(LW)和太阳短波(SW)波段,所有类型的CPR漏判暖云的云辐射强迫(CRF)均小于CPR捕获云。特别是在SW波段,CPR捕获和总体暖云样本的CRF相对偏差在地表(BOA)和大气顶(TOA)均达到160%。