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气溶胶和水云宏微观参数的激光与微波联合遥感反演

徐继伟  
【摘要】:气溶胶和云是大气重要的组成部分,其辐射效应在气候变化和评估中具有较强的不确定性,这与气溶胶和云自身的参数有关。激光雷达和毫米波雷达具有观测连续性好,时、空分辨率高等特点,是遥感探测气溶胶和云的有效技术手段。激光雷达和毫米波雷达对气溶胶和云宏、微观参数的协同观测,发挥了激光短波段探测气溶胶和冰晶小粒子,微波长波段探测云和降水的优势,一方面为气溶胶和云宏、微观参数的反演提供更多的信息,另一方面为气溶胶和云相互作用实验研究提供不可或缺的有效途径。精确反演气溶胶和云的宏、微观参数,是研究其辐射效应和相互作用的前提。宏观参数包括光学厚度、几何高度等,反演方法比较直接,难度较低。微观参数主要包括尺度大小、单次散射反照率等,反演方法比较复杂,难度较高。本文对气溶胶微观参数的反演,使用了激光雷达在山西文水实验中观测得到的数据,该雷达是一台自行研制的多波长拉曼偏振激光雷达。对其中两个时间段的雷达数据进行反演,得到了气溶胶的光学参数3β+2α,即三波长后向散射系数(355 nm,532 nm,1064 nm波长)和两波长消光系数(355 nm,532 nm波长),然后在米散射理论的基础上建立正演模型并用于实际探测数据气溶胶谱分布的反演,得到了气溶胶的微物理参数包括尺度谱、复折射指数以及单次散射反照率等。与常用的正则化方法不同,本文使用气溶胶组分模态构建气溶胶谱分布基函数并考虑了相对湿度对气溶胶的影响。将激光雷达数据反演得到的气溶胶粒子数浓度、体积浓度、有效粒子半径与同时进行的飞机采样探测结果进行了比较,结果表明在直径为0.1 um~3 um的范围内,2013年8月8日两者的结果具有较好的一致性。对云宏、微观参数的反演利用了三个月的激光雷达和毫米波雷达在合肥的联合观测实验数据。分析了激光雷达和毫米波雷达在观测云宏观特征方面的优势和劣势,并通过联合反演算法得到了云的宏观参数和垂直分布特征。理论模拟了激光雷达和毫米波雷达对水云粒子谱分布的联合反演方法,将其应用到实际测量中,得到了云滴粒子尺度谱和液态水含量廓线。结果表明,激光雷达和毫米波雷达联合反演可以得到更好的云宏观参数,在此基础上,联合反演水云的微物理参数,相比单用毫米波雷达数据的反演方法可以减少假设条件,改善云微物理参数的反演精度。除了地基遥感,还将星载激光雷达CALIOP(/CALIPSO)和毫米波雷达CPR(/CloudSat)十年观测数据,与MODIS卫星反演的云微物理参数产品相结合,研究了东亚地区气溶胶对水云宏、微观参数的影响,给出了气溶胶和水云在东亚地区的分布特征,分析了气溶胶光学厚度与水云粒子有效半径和降水云比例之间的关系。结果表明,当云液态水路径较小时,云滴有效半径和气溶胶的光学厚度存在正相关关系;当云液态水路径较大时,两者存在负相关关系。这可能与海陆的气象条件和气溶胶类型有关,需要进一步研究。


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