利用小角散射特性同时反演薄卷云光学厚度和有效粒子半径的新方法与应用研究

Thin cirrus cloud optical thickness and effective particle radius have strong effect on cloud radiation and the radiance uncertainty is also large. It is impossible to parameterize them in climate model because of the complexity of its shape and the polytope of temporal and spatial distribution. Therefore, thin cirrus cloud optical thickness and effective particle radius has great significance on cloud radiation - climate research. Based on the existing preliminary findings of cloud radiation characteristics (the different radiation measurements show different sensitivity on cloud optical thickness and effective particle radius), a new method is developed with reasonable principle, feasible technology and practical prospect, which can retrieve thin cirrus cloud optical thickness and effective particle radius simultaneously from solar radiations observed by two or three different field of viewings. By applying the latest international ice crystals database in the model simulation, the sensitivity of inversion method will be tested and system error will be analyzed. This new method will be also validated by ground-based and air-based existing databases and the field test data. This new method will be applied in AERONET and BSRN sites to obtain long-term thin cirrus cloud optical thickness and effective particle radius and the climatological characteristics will be analyzed.

薄卷云光学厚度和有效粒子半径对云的辐射效应影响很大，其辐射不确定性也很大。在气候模式的参数化中基本上无法实现，因为其形状的复杂性和时空分布的多变性。因此，开展薄卷云光学厚度和有效粒子半径的研究对云的辐射-气候研究有重大意义。本项目基于云辐射特性已有的初步发现（不同辐射量对云光学厚度和有效粒子半径的敏感性不同），发展一个原理上合理，技术上可行，而且有应用前景的新方法即用2至3个不同视场角太阳直射测量信息同时反演薄卷云光学厚度和有效粒子半径。利用国际上最新的冰晶数据库，通过模式模拟计算，进行反演方法敏感性试验及误差系统分析，并综合地基空基已有数据库和外场试验数据验证本方法。在AERONET和BSRN共有站点，应用新方法获取长期薄卷云光学厚度和有效粒子半径，并分析其气候学特征。

卷云在地球大气的辐射平衡中有重要的意义，云辐射效应在气候模式研究中始终占据着重要地位，其参数化离不开云特性参数的确定如光学厚度、云水含量、有效粒子半径等。因为组成卷云的冰晶粒子形状的复杂性以及云时空分布的多变性，云参数遥感也一直是遥感领域的一个科学难题。.本项目提出了两种薄卷云的反演方法，原始数据都来自较强的云小角前向辐射。一种方法从理论上分析了利用研制的新仪器（三波长三视场太阳光度计）同时反演云光学厚度和有效粒子的可能性和反演思路。辐射模拟计算结果认为两个视场角辐射差对云光学厚度比较敏感，而辐射比值对有效粒子半径敏感，因此，二者结合可以实现云光学厚度和有效粒子半径的参数遥感。另一种方法借助AERONET太阳光度计和BSRN太阳直射表两个不同视场角辐射，利用宽带消光法从太阳短波辐射反演云光学厚度和有效粒子半径。该方法指出，冰晶形状对云光学厚度影响有限，而对有效粒子半径影响较大，在不能确定薄卷云组成的情况下，多个冰晶形状反演的均值作为反演结果更好。这一方法可以应用于AERONET和BSRN共有台站，以获得较长时间序列的云参数数据库，用于气候学研究。.围绕这两种反演方法，本项目借鉴了AERONET太阳光度计V2和V3版本云检测算法，提出了三波长三视场太阳光度计的云检测算法，以及该仪器的长法校准。同时，为了反演方法的准确性，本项目不仅发展了BSRN观测的太阳辐射新的订正方法，而且研究了有薄卷云存在可能对辐射观测产生的不确定性，认为环太阳不可见薄卷云对辐射数据影响较大，需要进行订正。.最后，本项目分析了北极站点NYA的地面温度、长短波辐射变化规律，北极温度倍增效应与向下长波辐射通量密切相关。夏季利用短波辐射通量反演的云光学厚度和长波辐射通量正相关，从侧面证明了云光学厚度反演结果的合理性，同时也说明了北极倍增效应中，云是不可忽略的因子。