卫星编队在云和气溶胶中的作用

1、College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University 1. 云、气溶胶云、气溶胶研究意义研究意义2. A-Train卫星编队的简介卫星编队的简介 3. A-Train卫星资料的具体应用卫星资料的具体应用4. 各卫星资料的对比各卫星资料的对比5. 总结总结College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University 主要气象灾害分布图主要气象灾害分布图College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University 提高气候模式预报的紧迫性我国气象灾害频发云、气溶胶在

2、模式中的模拟较差云、气溶胶在模式中的模拟较差提高模式需要进一步对云、气溶胶的研究提高模式需要进一步对云、气溶胶的研究引发College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University 云、气溶胶的主要气候效应云的主要作用大气系统的辐射传输云的微物理过程影响大气环流及地气系统的能量收支和水循环气溶胶的主要气候作用直接辐射强迫间接气候效应College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University 从最近一次IPCC报告中云、气溶胶对辐射强迫的影响，可以看出，云、气溶胶都是负强迫，且预估的可信度最低，模拟难度较大1.

3、 云、气溶胶研究意义云、气溶胶研究意义2. A-Train卫星编队的简介卫星编队的简介 3. A-Train卫星资料的具体应用卫星资料的具体应用4. 各卫星资料的对比各卫星资料的对比5. 总结总结College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University 2.A-Train卫星编队简介2.1 A-Train概况概况NASA地球科学事业（ESE）地球观测系统使命(EOS)地球系统科学探路者使命(ESSP) 轨道列车( A-T rain) 计划集中了主要的EOS 和ESSP 使命, 由两颗EOS 卫星、三颗ESSP 卫星和一颗法国国家空间中心(CNES)

4、卫星组成, 以相互靠近的方式编队飞行。该编队经仔细设计和控制, 支持不同卫星传感器间的协同, 进行组合观测, 获取较单颗卫星观测更多的地球状态信息。College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University 2.2 NASA的ESE计划和ESSP计划简介 20 世纪80 年代中期, 美国提出并实施了EOS计划, 对陆地、海洋、大气层、冰以及生物间的相互作用进行系统化的综合观测,主要有 “土”( T erra) “水”( Aqua) 、 “气”( Ar ua) 、“测高” ( ALT ) 、 “水色”( Co lor) 、 “气溶胶”( Aero) 和

5、 “国家极轨环境卫星系统”( NPOESS) 等多个卫星系列。2.2.1 ESE计划 2000 年11 月, NASA 公布了 地球科学事业( ESE) 战略计划, 旨在观测、描述、了解和预测地球系统变化, 以提高人类对天气、气候、灾害的预测和预报能力。ESE 计划衔接和包含了EOS 计划, 是对EOS 计划的延伸和发展, EOS 所发射的一系列地球观测卫星, 在ESE 计划中继续发挥着核心作用。College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University 2.2.2 ESSP计划计划 ESSP 计划是ESE 专门解决地球科学研究中卫星需求的项目。该计

6、划研制并发射一系列低成本小型遥感卫星, 以支持与地球科学相关的大气、海洋、陆地、极地冰雪和固体地球等多项科学研究的卫星平台。 平台包括2002 年3 月17 日发射的 “重力恢复与气候实验”( GRACE) 卫星、2006年一箭双星发射的 云卫星 ( CloudSat ) 和(CALIPSO)、2011年发射的水瓶座（Aquarius）卫星。College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University A-Train 是一个多功能的地球科学使命平台,由4 颗NASA 使命卫星、1 颗法国CNES 使命卫星和1 颗NASA/ CNES 联合使命卫星组成，

7、卫星轨道相对赤道高度705km, 与赤道交错时间大约在当地时( MLT ) 下午的1:30, 因此又称为“下午星”。每颗卫星都有自己的具体科学目的，卫星使命可增进对地球气候的理解。 A-Train 卫星经仔细编队后, 可进行一致性观测, 这种协同观测可提高测量结果的质量和精度, 也即是说, 采用不同卫星上两或两个以上的传感器在近似相同的时间内对感兴趣的具体区域进行调查研究, 可增强测量结果的准确性。2.3 卫星编队College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University College of Atmospheric Sciences, Lanzho

8、u University 2.4 协同观测协同观测 A-Train 编队传感器协同观测, 是指在编队中不同卫星或同一卫星上不同传感器在近似相同的时间内对相同区域进行观测。 A-Train 编队不同传感器有着不同的水平和垂直分辨率, 有的传感器刈幅很大, 有的则很小, 仅能观测很小的区域; 有的传感器足印非常大, 空间分辨率低, 而有的传感器足印很小, 空间分辨率较高; 对于垂直信息的获取, 一些传感器或传感器通道仅能穿透大气层顶, 而另一些传感器则关注大气层内部或大气层底部。为了实现协同, 除了精确控制各卫星在编队中的位置, 还需对各传感器和不同的扫描区域进行高精度校正。1. 云、气溶胶研究意

9、义云、气溶胶研究意义2. A-Train卫星编队的简介卫星编队的简介 3. A-Train卫星资料的具体应用卫星资料的具体应用4. 各卫星资料的对比各卫星资料的对比5. 总结总结College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University 在云、气溶胶研究领域，用的较多的CloudSat和CALIPSO卫星，目前国内外已有多名学者利用提供的资料对云、气溶胶做了深入的研究。主要分析国内外学者利用CloudSat和CALIPSO在云、气溶胶研究方面的一些成果College of Atmospheric Sciences, Lanzhou Universit

10、y 上图（汪会等，2011）是利用CloudSat/CALIPSO分析的亚洲季风区和青藏高原地区月平均云量的垂直分布图，从上图可以看出印度季风区（IMR）表现出夏季云多，冬季云少的特征，且夏季云的峰值高度在15km左右。College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University 上图（王帅辉等，2010）是基于CloudSat资料的中国及周边地区夏季和冬季的平均云厚度的分布，可以看出，在10-30N 之间，云平均厚夏季大于冬季，尤其是孟加拉湾相差较大，最大相差超过5km，这是由于该纬度带受到亚洲季风系统的影响造成的。 College of Atmos

11、pheric Sciences, Lanzhou University 上图（李积明等，2009）利用CALIPSO资料分析了东亚地区不同区域在不同季节的云层高度，上图是单层云的云层高度，从上图可以分析出，除了西北地区，其他区域均夏季的云层高度高于其他季节，其中，华南地区最为显著。College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University 黄建平教授等人（2007）利用Calipso观测青藏地区沙尘气溶胶，发现Calipso观测到的沙尘暴发生次数大于地基观测，这主要是因为青藏地区地基站较少。青藏高原地区的沙尘气溶胶特性可用退偏比和色比来表征，利用Ca

12、lipso的观测数据定量分析了该地区的沙尘气溶胶退偏比和色比。上图是一次典型的夏季沙尘暴垂直分布的例子。College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University Lorraine A.Remer(et.al,)利用MODIS Level 2资料整合得到的五年的11的格点产品，平均气溶胶光学厚度在不同季节的全球分布图。1. 云、气溶胶研究意义云、气溶胶研究意义2. A-Train卫星编队的简介卫星编队的简介 3. A-Train卫星资料的具体应用卫星资料的具体应用4. 各卫星资料的对比各卫星资料的对比5. 总结总结College of Atmosph

13、eric Sciences, Lanzhou University CloudSatCloudSatCloudSat卫星上搭载的是毫米波测云雷达（卫星上搭载的是毫米波测云雷达（CPR），该），该雷达是雷达是94-GHz的毫米波雷达，该星载雷达能给出云的垂的毫米波雷达，该星载雷达能给出云的垂直结构，能透过较厚的云层，定量估计产生降水云的百直结构，能透过较厚的云层，定量估计产生降水云的百分比，估算云中冰云、水云的含量等。分比，估算云中冰云、水云的含量等。CALIPSOCALIPSOCALIPSO卫星上搭载的是具有正交偏振探测能力的卫星上搭载的是具有正交偏振探测能力的云云-气溶胶激光雷达气溶胶激光雷

14、达CALIOP,其为双波段（其为双波段（532nm和和1064nm），能给出包括气溶胶层、较薄云层的云顶），能给出包括气溶胶层、较薄云层的云顶、云底的信息等。、云底的信息等。ISCCPISCCP 以上3种云卫星资料目前应用是比较广泛的，其他地基、机载等观测资料在云、气溶胶研究领域也有一定的应用，下面我们主要分析这3种卫星资料的优缺点College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University CloudSat优点优点：由于其搭载的是94-GHz的毫米波雷达，侧重于探测光学厚度较厚的大尺度粒子组成的云层，能切开较厚的云层，探测到云内部的信息，同时可以产生

15、云中的液态水和冰水含量的垂直廓线。缺点缺点：对上层的薄云的观测不够细致，并且难以给出气溶胶分布的信息，目前得到的CloudSat资料从2006年以后，对云在气候变化中的具体响应还难以做出判断。CALIPSO优点：CALIOP是一部双波长灵敏的偏振激光雷达，垂直分辨率30米，水平分辨率333米，由于CALIOP对薄云和纤细的云顶很敏感，其特别适合卷云的研究，且对气溶胶的观测也是比较细致的。缺点：CALIOP很难透过较厚的云层观测到云内部结构的完整信息，对低云的观测非常有限，且观测的结果也较差，由于观测时间有限，对于卷云、气溶胶的年际变化目前还不能给出结论。College of Atmospher

16、ic Sciences, Lanzhou University ISCCP优点：ISCCP为研究长期的局地地区和全球尺度不同类型云特征的研究大都是使用其标准云型资料，目前的ISCCP资料已有将近30年，能给出云的整层宏观特征，对云在气候变化中的响应能做出一定的解释。缺点：利用被动卫星观测资料进行云分类的一个主要局限是缺少云垂直厚度的详细信息，利用ISCCP云型数据难以得到各类云的云边界、厚度等宏观结构信息。结合3种卫星资料的优缺点，尽量扬长辟短的去使用，目前的办法是联合使用多种观测资料。College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University Cl

17、oudSat上载有毫米波测云雷达（CPR），该星载雷达能够从云顶观测到云的垂直结构，从而有助于解释云的形成、发展，以及云对天气、气候的影响等一系列问题，而CALIOP能够探测到低于云雷达探测阀值的微弱水汽凝结层，得到光学厚度较薄的冰云顶高，因此，由CloudSat和CALIPSO联合观测得到的云垂直结构信息是地面观测和被动卫星观测等其他任何观测手段都难以获取的。实现联合观测的合理性：CloudSat卫星的轨道高度为705.438km，CloudSat上的毫米波测云雷达(CPR)其跨轨分辨率为1.4km，沿轨分辨率为2.5km，垂直分辨率为0.25km，与CALIPSO上搭载的云气溶胶激光雷达(

18、CALIOP)水平分辨率相同。CloudSat卫星环绕地球一周大约98min，轨迹平均16d重复一次，该轨道与太阳是同步的，它与CALIPSO非常接近，二者时间仅相差12.5秒，这样保证了对同一云系实现准同步观测。1. 云、气溶胶研究意义云、气溶胶研究意义2. A-Train卫星编队的简介卫星编队的简介 3. A-Train卫星资料的具体应用卫星资料的具体应用4. 各卫星资料的对比各卫星资料的对比5. 总结总结College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University 总结A-Train卫星编队极大提高了对云、气溶胶的观测能力，为更进一步了解云、气溶胶对气候变化提供了可能。基于Cl