兰州大学《卫星气象学》第4章-美国气象卫星观测系统-3-CALIPSO+Cloudsat

1、1卫星气象学电子课件（第一版） 电子版（第一版）电子版（第一版）2卫星气象学电子课件（第一版） 章节内容章节内容u 4.1 A-Train卫星编队u 4.2 TRMM热带降水卫星u 4.3 GOSE静止卫星系列u 4.4 NOAA极轨卫星系列3卫星气象学电子课件（第一版） 4卫星气象学电子课件（第一版） u 美国NASA在1998年与法国国家航天中心(CNES)合作开始实施“云-气溶胶激光雷达和红外探测者卫星观测”(Cloud-Aerosols Lidar and Infrared Pathfinder Statellite Observations, CALIPSO)计划。u 主要任务主要任

2、务：提供全球云和气溶胶观测数据，用于研究云和气溶胶在调节地球气候中的作用以及两者的相互作用。u 2006年4月28日，CALIPSO卫星由Delta-II火箭发射升空。主要荷载包括正交偏振云-气溶胶偏振雷达(CALIOP)、宽视场相机(WFC)和红外成像辐射计(IIR)，设计寿命为3年。CALIPSO卫星概述卫星概述Delta-II火箭5卫星气象学电子课件（第一版） LITE试验试验 美国是星载激光雷达的先行者,曾在1994年9月20日用发现号航天飞机搭载激光雷达进行了激光雷达空间技术试验(Lidar In-space Technology Experiments , LITE), 证明了空间

3、激光雷达在研究气溶胶和云方面的潜力。LITE 成为世界上首个地球轨道激光雷达试验。6卫星气象学电子课件（第一版） u雷达可分为微波雷达与激光雷达两大类。u微波雷达：波长范围在1-1000mm之间，按波长分为毫 米波、厘米波和分米波雷达u激光雷达：工作在可见光和红外波段雷达的分类雷达的分类7卫星气象学电子课件（第一版） 微波雷达微波雷达u优点： （1）微波具有穿云透雾的能力 （2）微波可以全天候工作 （3）微波对地表面的穿透能力较强缺点： 微波雷达波长较长,相对于大气中的分子、气溶胶等微小粒子的尺寸要大得多,因此大气对微波的散射极其微弱,微波雷达的大气透过率很高,能实现全天时、全天候工作,但也正

4、是由于这一点,微波雷达无法直接探测大气中的微小粒子。8卫星气象学电子课件（第一版） u 优点：优点：激光雷达由于量子能量高、波长短的特性,弥补了微波雷达在大气气溶胶、分子等微小粒子探测方面的不足,成为探测气溶胶和大气分子的重要工具。u 缺点：缺点：由于激光雷达的波长较短，对于较厚的云层等无法穿透，因此在这种情况下无法获得云底的信息。u 分类：分类：按运载平台分为：地基固定式激光雷达、车载激光雷达、机载激光雷达、船载激光雷达、星载激光雷达、弹载激光雷达和手持式激光雷达等。相对于全球观测，地基、车载以及机载激光雷达等观测范围都有限，只能在较小的区域内进行观测。而星载激光雷达则可以实现全球观测，尤其

5、在海洋、南北极、沙漠等传统激光雷达难以观测的地区。那么激光雷达有什么特点呢？那么激光雷达有什么特点呢？9卫星气象学电子课件（第一版） L2S-SM IIL2S-SM IIMPL -4BMPL -4B10卫星气象学电子课件（第一版） CALIPSO卫星白天和晚上的轨道卫星白天和晚上的轨道11卫星气象学电子课件（第一版） 705 km, sun-synchronous orbit705 km, sun-synchronous orbitThree co-aligned instruments:Three co-aligned instruments:lCALIOP: polarization li

6、darCALIOP: polarization lidarlIIR: Imaging IR radiometerIIR: Imaging IR radiometerlWFC: Wide-Field CameraWFC: Wide-Field Camera Wavelength 8.65, 10.6,12.05 m Spectral resolution 0.6-1.0 m IFOV / Swath 1 km / 64 km NETD 210K 0.3 K Calibration 1 K Imaging Infrared Radiometer (IIR)Wide-Field Camera (WF

7、C)CALIOP (Lidar)Wide Field CameraLidar TransmitterImaging InfraredRadiometerCALIPSO卫星负载及数据介绍卫星负载及数据介绍12卫星气象学电子课件（第一版） CALIOP激光雷达激光雷达13卫星气象学电子课件（第一版） 云-气溶胶激光雷达发射和接受光路示意图14卫星气象学电子课件（第一版） CALIOP发射和接受系统主要参数表15卫星气象学电子课件（第一版） uCALIOP采用了偏振技术，实现了全球覆盖。它是世界上首个应用型的星载云和气溶胶激光雷达，并具有三个通道（ 1064nm、 532nm垂直及平行通道）以便接收

8、这些通道的后向散射信号。uCALIOP还提供了532nm体积退偏比的垂直廓线，退偏退偏比比是532nm垂直后向散射强度532nm平行后向散射强度之比它反映的是被测颗粒的不规则程度uCALIOP还提供了色比值，颜色比颜色比是1064nm的后向散射强度与532nm总后向散射强度之比，通过颜色比颜色比能够识别颗粒的大小，颜色比颜色比越大，颗粒越大。16卫星气象学电子课件（第一版） CALIPSO卫星直观图卫星直观图17卫星气象学电子课件（第一版） WFC 宽视角相机（WFC）是CT-633星跟踪器相机的改进装置，是一固定的天底单通道成像仪，采用单一谱段，波长范围270-620nm，主要目的是为了和A

9、qua卫星中的中分辨率成像光谱仪的一个谱段进行匹配。主要技术指标为：红外视场125m，行宽61km，数据传输率26kb S-1。18卫星气象学电子课件（第一版） WFC观测图像观测图像19卫星气象学电子课件（第一版） IIR 红外成像辐射计（IIR）的幅宽是64km60km，像素分辨率是l km，其图像中心与CALIOP的波束保持对准。该设备采用单微辐射热测量计探测阵列，一旋转滤波器提供三通道的测量值。主要技术指标为：波长8.65m, 10.6m, 12.0m, 光谱精度0.6-1.0m，红外视场l km，行宽64km，噪声等有效温度分辨率0.3K(210K时)，校准精度1K，数据传输率44k

10、bS-120卫星气象学电子课件（第一版） CALIOP数据分辨率介绍数据分辨率介绍21卫星气象学电子课件（第一版） CALIOP数据分辨率介绍数据分辨率介绍22卫星气象学电子课件（第一版） CALIPSO数据产品介绍数据产品介绍 Level 0: Level 0: 原始数据不公开。原始数据不公开。 Level 1: Level 1: CALIOP 532/1064nm CALIOP 532/1064nm 消光后向散射信号廓线。水平分辨率为消光后向散射信号廓线。水平分辨率为333333米，垂直分为米，垂直分为583583雷达雷达binbin，每个，每个binbin的具体厚度称为垂直分辨率。的具体

11、厚度称为垂直分辨率。IIR IIR 红外辐射通量；红外辐射通量；WFC WFC 辐射和反射比参数；辐射和反射比参数；Level 1 Level 1 数据图像数据图像WaterCirrusVolcanic aerosol23卫星气象学电子课件（第一版） Level 1 Level 1 数据图像数据图像WaterCirrusVolcanic aerosol激光雷达激光雷达Level1Level1不同通道的信号廓线数据图像不同通道的信号廓线数据图像24卫星气象学电子课件（第一版） Level 1 Level 1 数据图像数据图像WaterCirrusVolcanic aerosol激光雷达激光雷达L

12、evel1 Level1 退偏比及颜色比廓线退偏比及颜色比廓线退偏比：衡量粒子的非球形，值越大，粒子越趋向于非球形退偏比：衡量粒子的非球形，值越大，粒子越趋向于非球形颜色比：衡量粒子的相对大小颜色比：衡量粒子的相对大小25卫星气象学电子课件（第一版） CALIPSO数据产品介绍数据产品介绍Level 2Level 2 CALIOP CALIOP 云云/ /气溶胶气溶胶层数据层数据产品产品：层积分消光后向散射、：层积分消光后向散射、层高、层积分退偏比、柱反射比等。云产品水平分辨率分为层高、层积分退偏比、柱反射比等。云产品水平分辨率分为333333米，米，1 1千米，千米，5 5千米；气溶胶产品为

13、千米；气溶胶产品为5 5千米。千米。 CALIOP CALIOP 云云/ /气溶胶气溶胶廓线数据廓线数据产品产品：特征层的后向散射系：特征层的后向散射系数，消光系数以及退偏比的垂直廓线信息。水平分辨率数，消光系数以及退偏比的垂直廓线信息。水平分辨率5 5千千米。米。 CALIOP CALIOP 垂直特征层分布垂直特征层分布数据产品数据产品：云：云/ /气溶胶类型，云气溶胶类型，云相等。相等。IIR 8.65/10.6/12.05IIR 8.65/10.6/12.05微米的亮温，最上层云或气溶微米的亮温，最上层云或气溶胶的有效发射率，冰云粒子形状指数，冰水路径等。胶的有效发射率，冰云粒子形状指数

14、，冰水路径等。WFC WFC 未未发布。发布。26卫星气象学电子课件（第一版） Level 1 Level 1 数据图像数据图像WaterCirrusVolcanic aerosol激光雷达激光雷达Level2 Level2 垂直特征层分布产品垂直特征层分布产品退偏比：衡量粒子的非球形退偏比：衡量粒子的非球形颜色比：衡量粒子的相对大小颜色比：衡量粒子的相对大小总的特征层分布总的特征层分布云相态类型分布云相态类型分布气溶胶类型分布气溶胶类型分布27卫星气象学电子课件（第一版） IIR Level2 IIR Level2 亮温数据亮温数据28卫星气象学电子课件（第一版） CALIPSO数据处理流程

15、数据处理流程CALIOP Level2 数据处理流程数据处理流程29卫星气象学电子课件（第一版） CALIPSO卫星应用举例（一）卫星应用举例（一）Aug 17Aug 18Aug 19Aug 20Aug 21Aug 22Aug 23Aug 25Aug 285 km3 kmDDDDDDDDDSSSSSaharaSouth AmericaMexicoHSRLD = dustS = smokeA dust storm occurred on August 17, 2006 over Sahara. Dust particles were lofted into the air up to an al

16、titude of 7 km in the source and transported over the North Atlantic Ocean and finally into Gulf of Mexico over the next days. (Liu et al, JGR 08)环境监测、追踪污染物的传输路径环境监测、追踪污染物的传输路径30卫星气象学电子课件（第一版） CALIPSO卫星应用举例（二）卫星应用举例（二）环境监测、追踪污染物的传输范围环境监测、追踪污染物的传输范围31卫星气象学电子课件（第一版） CALIPSO卫星应用举例（三）卫星应用举例（三）全球识别气溶胶的类型

17、，为评估区域及全球气候变化提供观测依据全球识别气溶胶的类型，为评估区域及全球气候变化提供观测依据32卫星气象学电子课件（第一版） CALIPSO卫星应用举例（四）卫星应用举例（四）全球识别气溶胶的类型，为评估区域及全球气候变化提供观测依据全球识别气溶胶的类型，为评估区域及全球气候变化提供观测依据33卫星气象学电子课件（第一版） CALIPSO卫星应用举例（五）卫星应用举例（五）极地平流层云的识别，为极地气候及环境变化提供有力的科学依据极地平流层云的识别，为极地气候及环境变化提供有力的科学依据34卫星气象学电子课件（第一版） CALIPSO卫星应用举例（六）卫星应用举例（六）全球海表风速的预估，

18、为海洋安全作业提供潜在的指导全球海表风速的预估，为海洋安全作业提供潜在的指导35卫星气象学电子课件（第一版） CALIPSO卫星应用举例（七）卫星应用举例（七）全球海洋叶绿素的季节变化全球海洋叶绿素的季节变化36卫星气象学电子课件（第一版） CALIPSO卫星应用举例（八）卫星应用举例（八）云云- -气溶胶相互作用是非气溶胶相互作用是非常重要的科研前沿问题常重要的科研前沿问题。左图中红色点表示云。左图中红色点表示云与气溶胶充分混合，蓝与气溶胶充分混合，蓝色表示未充分混合。结色表示未充分混合。结果表明：果表明：CALIPSOCALIPSO能够准能够准确的识别云确的识别云- -气溶胶的混气溶胶的混

19、合类型，从而为它们之合类型，从而为它们之间相互作用的研究提供间相互作用的研究提供有力手段。有力手段。37卫星气象学电子课件（第一版） CALIPSO卫星应用举例（九）卫星应用举例（九）云类型的全球识别云类型的全球识别38卫星气象学电子课件（第一版） CloudSatCloudSat卫星卫星39卫星气象学电子课件（第一版） 1、CloudSat卫星基本概况卫星基本概况uCloudSat卫星作为卫星集群的一员，于2006年4月28日发射成功u CloudSat卫星的主要仪器由美国航空航天局喷气动力实验室和加拿大航天局共同研制，美国鲍尔航天技术公司负责卫星主体的建造、测试和组装，并执行CloudSa

20、t卫星的发射和最初的入轨测试40卫星气象学电子课件（第一版） a: CloudSat卫星的扫描方式、b:轨道绕地球的轨迹、c:每轨扫描结构41卫星气象学电子课件（第一版） CloudSat卫星技术参数卫星技术参数CloudSatCloudSat是第一颗用主动毫米波雷达在全球范围内观测及研究云是第一颗用主动毫米波雷达在全球范围内观测及研究云量，云的分布和垂直结构，辐射特性及降水信息的卫星。量，云的分布和垂直结构，辐射特性及降水信息的卫星。CPRCPR与与地基天气雷达有所不同，这些天气雷达通过厘米级的电磁波来探地基天气雷达有所不同，这些天气雷达通过厘米级的电磁波来探测降水雨滴尺度的粒子，而测降水雨

21、滴尺度的粒子，而CPRCPR的敏感性是天气雷达的的敏感性是天气雷达的10001000倍，倍，因此可用来探测更小的液态水粒子和冰晶粒子，但无视气溶胶。因此可用来探测更小的液态水粒子和冰晶粒子，但无视气溶胶。42卫星气象学电子课件（第一版） l由于其主要有效载荷是94 GHz(3 mm波)云廓线雷达，它可以“切开”云层，获得许多有关云的最新气象数据，主要数据产品包括了云的宏观物理参量和微观物理参量。l改进对云层结构和成分的研究，成为第1颗可以对云层特性进行全球测量的卫星。l深入了解云的内部结构及其发展演变规律，定量了解云对气候的影响和反馈，更好地预测天气和气候、有效地影响局部天气等方面起着十分重要

22、的作用。CloudSat卫星探测任务卫星探测任务43卫星气象学电子课件（第一版） 2、CloudSat卫星的发射目标卫星的发射目标CloudSat 卫星的成功发射首次提供云特征的全球观测,这些云特征对理解云对天气和气候的影响非常重要。它能提供以下信息： 云的垂直结构 定量估计产生降水云的百分比 定量估算云中液水和冰水的含量 估算大气凝结产生降水的效率 评估云对大气加热率廓线的影响44卫星气象学电子课件（第一版） u 定量评估天气和气候预报模式中云的作用,改进天气和气候预报质量。CloudSat卫星提供全球范围内云系的垂直结构探测,将有助于认识云是如何影响当地或大尺度大气以及云对辐射环境的影响机

23、制;u 定量评估云系垂直剖面中的液态水和冰水含量与云辐射特征间的关系。CloudSat卫星提供云液水和冰水含量的垂直剖面,还提供关于体积云微物理特征以及与其相应的光学特征的信息; CloudSat CloudSat 卫星的主要科学目标是卫星的主要科学目标是: :45卫星气象学电子课件（第一版） 3. 定量评估现有卫星资料反演的云特征, 促进发展遥感观测云的新方法;4. 增强对气溶胶与云相互作用的认知水平。46卫星气象学电子课件（第一版） 3、CloudSat卫星的数据产品卫星的数据产品CloudSat卫星主要有两类数据产品：卫星主要有两类数据产品：u 一类是标准数据产品(standard da

24、ta products， 简称DSPs) ， u 另一类是辅助数据产品(auxiliary data products) 。 其中，标准数据产品按照反演的等级分为两级( level 1、level 2 ) 。区别: level 1产品是通过卫星上搭载的云雷达直接得到的数据产品，而level 2 产品是根据level 1产品结合其他卫星产品反演得到的。47卫星气象学电子课件（第一版） CloudSat标准数据产品分类48卫星气象学电子课件（第一版） l1 级辅助产品（1A - AUX） 、l欧洲中心中尺度天气预报辅助产品(ECMWF - AUX ) lMODIS 辅助产品(MODIS - AUX

25、 )l激光雷达辅助产品( LIDAR - AUX ) 4 类。 其中，MODIS和LIDAR 分别是“A -Train” 卫星群中的Aqua 卫星和CALIPSO卫星上搭载的仪器，可以说CloudSat卫星资料是将“A - Train” 卫星群中不同卫星获得的数据资料进行融合处理， 从而得到云的各种数据产品。CloudSat辅助产品分类49卫星气象学电子课件（第一版） Start of orbitEnd of orbitGreenland ice sheetAntarctic ice sheet30 km of uncalibrated 94-GHz radar reflectivity fa

26、ctorClouds! 使用美国国家航空和航天管理局(NASA)数据产品中心提供的“quicklook”成像软件可以看到一个卫星轨道上某一段(所选颜色段)云的垂直扫描情况，如图所示。50卫星气象学电子课件（第一版） 1B-CPR产品产品 1B-CPR标准数据产品主要提供CloudSat卫星CPR接收到的垂直方向上的雷达回波强度信息。CRP原始数据是Level 0，它将测量的后向反射能量看作云体与雷达距离的函数，并根据飞行前和飞行中的校准测量仪器数据将其转化 Level 1B数据。51卫星气象学电子课件（第一版） 1B-CPR产品产品52卫星气象学电子课件（第一版） b) 2B-TAU产品产品

27、2B产品是在1B产品的基础上加工生成的，其中2B-TAU 产品主要包含观测和反演的垂直方向上云光学厚度信息。该产品主要是利用CPR雷达反射率因子、MODIS大气顶的辐射量和ECMWF-AUX的温、压、湿和臭氧数据，通过贝叶斯统计方法和辐射传输模式反演得到 。53卫星气象学电子课件（第一版） c) 2B-FLXHR产品产品 2B-FLXHR产品利用云中液相和冰相含水量、ECWMF再分析资料的大气状态变量值以及地面反射率数据，反演每个雷达剖面上的大气长波辐射通量和加热率。在大气不连续面上计算向上和向下长波和短波通量，并且利用这些通量求得到相应的加热率。54卫星气象学电子课件（第一版） d) 2B-

28、GEOPROF产品产品 CloudSat卫星轨道紧随Aqua卫星，该卫星携带被动的遥感探测仪来观测地球，这种协同观测大大增加对CloudSat卫星的几何剖面的理解。特别地，MODIS(moderate-resolution imaging spectrora-diometer)将提供在CloudSat卫星轨迹上的云的水平分布和存在的信息。MODIS云量不仅包含了在1km相元上云存在的可能性，也包含MODIS观测的波谱辐射检验结果，这些波谱辐射数据对确定垂直方向上云的性质提供有用信息。 2B-GEOPROF是在MODIS提供的云水平分布、云量等协同观测数据基础上，采用GEOPRO方法反演云量、气

29、体衰减和雷达反射率因子的信息。 55卫星气象学电子课件（第一版） d) 2B-GEOPROF产品产品56卫星气象学电子课件（第一版） 2B-GEOPROF-LIDAR 产品通过CPR和CALIPSO激光雷达观测数据联合反演云的剖面产品，产品包含的内容与2B-GEOPROF相同。由于两种观测卫星仪器具有不同的空间范围，在反演中采用观测权重方法来确定仪器与产品之间的协同问题。以两个卫星观测空间概率为基础，建立如下的权重函数关系：在此， 为某雷达观测范围内的激光雷达剖面数， 和 表示雷达附近上形成的空间面积大小，下标 和 分别代表雷达和激光雷达， 是某一要素出现的空间概率。ixylrPe) 2B-G

30、EOPROF-LIDAR产品产品57卫星气象学电子课件（第一版） e) 2B-GEOPROF-LIDAR产品产品58卫星气象学电子课件（第一版） f) 2B-CLDCLASS产品产品 2B-CLDCLASS产品是利用垂直和水平云特征、降水是否出现、云体温度、MODIS辐射数据来确定云分类信息，分类的主要依据是根据云相态、水凝物浓度、形状和滴谱分布四个基本因子。目前已能判断St、Sc、Cu、Ns、Ac、As、深对流和高云等八种基本云型的反演方法和指标。59卫星气象学电子课件（第一版） f) 2B-CLDCLASS产品产品60卫星气象学电子课件（第一版） 云分类的反演方法主要按照下列步骤：1. 利

31、用CPR雷达云量观测数据来确定云团存在与否2. 云团被确定，那么云高、温度、最大反射率 以及降水是否出现则也将确定。根据云体水平和垂直位置、最大反射率因子、降水水平范围等因子，降水云被分类为Ns、St、Sc、Ac和深对流云；非降水云则根据云的高度和温度，将其分为高、中、低云。 云分类的反演方法，是对于每种特征参数设置不同的阈值，这是一种简单且容易操作的方法，但是反演分类的结果却对阈值非常敏感。目前，反演中采用阈值与模糊理论分类方法的结合。f) 2B-CLDCLASS产品产品61卫星气象学电子课件（第一版） 8种主要类型云的典型特征62卫星气象学电子课件（第一版） g) 2B-CWC-RO产品产

32、品 2B-CWC RO产品提供雷达探测剖面上水凝物的含水量、数浓度及有效半径的信息。CWC算法分别反演冰相云和液相云的微物理特征，反演假定雷达剖面分别是由液水或冰水组成的，而不是二者的混合物，冰相和液相的区分方法是通过ECMWF模式提供等温度来判断。 2B-CWC-RO产品反演过程如下：首先依据2B-GEOPROF产品的云量信息确定有云存在的探测剖面；利用2B-CIDCLASS产品判定探测剖面上云的类型(液相或冰相)；基于气候的和温度的以及其他标准，假定每块云体液相或冰相粒子的滴谱分布；利用假定的先验值和2B-GEOPROF的雷达观测，反演每块云体的液相和冰相滴谱参数。63卫星气象学电子课件（第一版） 64卫星气象学电子课件（第一版） h) 辅助产品辅助产品 在辅助产品中，MODIS-AUX为中间产品，主要包含了辅助的MODIS辐射