星载测云雷达资料的初步分析

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1、第一章绪论1．1引言形态各异、尺度不一的云，覆盖着全球50％以上的天空。对于天气和气候的变化，云不仅是指示器，而且是调节器。云在形成过程中释放的潜热对上升运动及云自身的发展与维持有极大的作用。云与辐射的相互作用，对天气变化过程有重要的影响，对气候变化的影响更不容忽视，因为云．辐射相互作用在很大程度上决定着地球大气系统的辐射收支平衡，而辐射能的收支分布是大气和海洋运动的主要驱动力¨’。云的辐射特性及其高度对辐射收支的影响可以导致地球的变暖或变冷比’引。不同的云存在不同的辐射强迫，低云起冷却作用，高云通常起温室效应，其特性密切依赖于云的微物理特征。通过大气环流模式(GCM)模拟也表明改变云量及

2、云的垂直结构会对大气循环产生影响。因此获得云体高度及其在时空上的变化对于研究全球气候变化有着重要意义H1。由于云在气候变化中的重要作用，有关云的研究近年来一直受到高度重视，被列为全球变化研究中的优先项目。由于缺乏云物理光学特性的系统资料，难以估计其变化趋势，导致目前对于云的辐射强迫估计千差万别临1。同时云的时空变化比较大，加上云的一些关键参数的定量化探测技术并未很好解决，这一问题变得更加突出。以往人们通过其它仪器，包括气象卫星仪器，只能获得云层最上层表面的图像，了解辐射能量在大气顶层的分布状况，但无法获取这种辐射能量在大气中的分布情况。因此更清楚地了解云层的内部情况，特别是对云中含水量三维

3、分布的定量测量，在天气预报和气候变化的研究中，在云—辐射相互作用、人工影响天气以及空基微波遥感的大气订正等问题的研究中均有重要意义。云的研究工作复杂而庞大，从全球、区域到局地范围云的研究，从宏观的云量、云状、云高、云速探测到微观云粒子物理、化学、光学、辐射特性等的研究至今仍是云研究的重点。当前对云的探测和研究主要从宏观和微观两方面进行直接测量和遥感探测，对云的直接微观探测主要采用高山站和飞机来测量云滴谱的形状和相态；遥感探测主要使用雷达、激光雷达、辐射计等设备，能够连续监控云特征的分布和结构。测云雷达有地基、机载和星载几种，工作波长主要在毫米波段，雷达测云是利用云粒子对电磁波的散射特性，通

4、过对云的雷达回波分析了解云的各种特性，云的回波参数反映了云的宏观和微观结构怕一1。美星载测云雷达资料的初步分析国能源部实施的国际大气辐射测量计划ARM(AtmosphericRadiationMeasurement)，最突出的一点在于用自动毫米波雷达对云天影响辐射传输的云特性进行连续观测。这些云特性既包括云宏观物理特性，如云层高度、云层厚度、云量和云的范围等，又包括云的微物理特性，如云粒子大小、浓度、冰晶和液态水含量等，这些都决定着云在向上、向下辐射过程中的作用哺1。对于云中液水柱含量的测量已发展了许多技术，如：地基毫米波测云雷达和微波辐射计，地基和机载以及球载的热线云水仪和云滴谱仪，以及

5、星载可见、红外和微波辐射计等睁151。目前已有了监测全球范围云水分布的技术(即ISCCP，以美国DMSP卫星上的SSM／I和NOAA卫星上的AVHRR为主要探测器)，并有多种反演方法及算式产生出多年的全球云水分布资料n¨91。随着激光技术、电子技术和计算机技术的发展，激光测云技术也得到了很大的发展。激光探测气溶胶和云雨物理光学特性以及能见度等大气光学现象是起步最早应用最广的激光大气遥感研究领域，主要包括探测云高、云的层次、云中消光系数分布、云的偏振特性、雨强和雨滴谱的分布等。美国NASA于1994年9月成功发射了载有激光雷达的航天飞机，进行了空间激光雷达探测全球云和气溶胶的首次实验，取得了

6、令人鼓舞的探测结果【20,21】。2003年1月12日，世界上第一个星载的地球科学激光高度计系统GLAs(GeoscienceLaserAlt—imeterSystem)成功上天，它不仅在探测地球物理参数方面有重要的应用，而且可以高精度地探测全球的云顶高度。近几年来，对激光后向散射回波的智能高分辨实时数据采集技术逐步取代了类似于激光测距机的脉冲计数工作方式心2，2射，通过对激光回波数据进行智能分析，既能获取更多信息参量，又能提高系统信噪比，根据云有不同的后向散射回波，通过分析回波特性和差异，从而反演出云底高度。我国制定了发展自动化观测云的目标，开展了基金委科学仪器专项“多波长全天空成像辐射

7、仪”的研究。采用装有鱼眼镜头的数字相机，对准天顶拍摄获取全天空数字图像，利用目前的数字图像处理软件来处理和分析图像，获取有效信息，并结合计算机编程技术，实现云量信息的半自动获取口圳。f120世纪60年代发展起来的卫星遥感是气象探测技术的重大突破，卫星资料在时间和空间上的连续性是以往任何探测手段所不能比拟的。因此，利用气象卫星资料进行云的分类检测一直受到人们的关注。然而，由于云的复杂多样性，准确而又简便地将云和晴空区域分开