云相态识别_周著华

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1、第16卷5期应用气象学报Vol.16，No.52005年10月JOURNALOFAPPLIEDMETEOROLOGICALSCIENCEOctober2005═════════════════════════════════════════════════MODIS多光谱云相态识别技术的应用研究周著华1）2）白洁1）刘健文1）纪飞1）齐琳琳1）李玮1）1（）空军装备研究院航空气象防化研究所，北京100085）2（）解放军理工大学气象学院，南京211101）摘要介绍了卫星多光谱云相态识别的基本原理，并给出了EOS/MODIS云相态识别

2、的流程。针对简单和复杂云场，利用个例并结合无线电探空资料与MODIS三通道合成图肯定了多光谱云相态识别的合理性和实际效果。文中对几个特定天气系统（西南涡旋和西太平洋台风）下大面积云场相态分析的结果表明：多光谱云相态识别技术有一定应用价值，且需要引入可见光技术来减少红外谱段对多层云覆盖和薄卷云的相态分析误差。关键词：云相态三光谱MODIS引言使用卫星红外多光谱方法进行云相态分析的工作在国外已经开展了多年。国内随着诸如航空气象要素预报等对云相态分析结果的需要，开展了利用卫星数据来作云相态分析的工作。该工作第一次是由Houghton等［1

3、］完成的，他们利用了冰与水粒子在50和µm［2］研究了卷云在卫星通道120µm两个远红外波段散射和吸收的不同性质。1974年Liou10µm窗区的发射和透射性质，此窗区后来被用于云相态分析的主要谱段。到后来，有［3］提出的红外单光谱云相态分类法，Inoue［4～5］提出的双光谱窗区分离法。AckermanBooth等［6～8］在研究1986年FIRE试验期间的卷云个例中，分析了卷云在8～12窗区的光谱µm性质，提出了三光谱云相态分类的技术。这种方法几经改进，已成为迄今为止较为先进的方法。King等［9］还利用冰云和水云在可见光通道对

4、辐射表现出不同的整体性质，提出了一种可见光技术，但该方法只适用于简单云场的分析，同时也有着时段的局限性。在［10］提出的算法。在对Ackerman的基础上，还有MODIS云顶性质及相态反演小组Menzel［11～13］又对MODISATBD中的算法1996年SUCCESS试验资料充分研究的基础上，Baum等作了一些补充。国内对于MODIS资料的接收处理与应用工作已于近年正式开展起来，相关研究包括［14］和云微物理参数反演［15］等。MODIS不仅具有三光谱云相MODIS气溶胶光学厚度反演态分析技术所需的光谱覆盖，而且它的多光谱、高分

5、辨率优势更利于分析云区的相态性质，本文便是这方面工作的有效尝试。2003-12-23收到，2005-04-11收到再改稿。5期周著华等：MODIS多光谱云相态识别技术的应用研究6791原理和方法云粒的辐射性质由其几何形状和单次散射性质决定。云粒的单次散射与其复折射指4πmi数（m=mr-imi）、粒子尺度分布、粒子形状分布有关。而粒子的吸收系数k=（λ是λ入射波长），所以考察粒子的复折射指数虚部可以估计粒子吸收的大小［16～17］。图1是冰水粒子在8～13µm大气窗区中mi随波长变化曲线，可见，在8～10µm间存在mi最小值，而且冰

6、与水粒子的指数值相差无几，这意味着那里只有较弱的辐射吸收。在这个区间之外（>10µm），冰和水的mi值迅速增长，并且液水粒子的吸收在11～12间比其µm在10～11间增长得多，而冰粒子的吸µm收却在10～11间比在11～12间增长µm得多。于是水云的BTD（11-12）（指11µm图1大气窗区冰水粒子复折射指数与12波长处的亮温差：brighttempera-µm虚部的变化［12］turedifference）应比BTD（8-11）大；相反，（底部箭头所指为MODIS通道29，31，冰云的BTD（8-11）应比水云的BTD（11-3

7、2中心波长所在处）12）大。因此，三光谱法的核心就是对亮温差点聚图（以BTD（11-12）为横坐标，以［6，8］指出，在亮温差点聚图中，那些接近于BTD（8.5-11）为纵坐标）的准确描述。Ackerman零或是负BTD（8.5-11）的点和那些BTD（11-12）小值的点可以认为是晴空区；冰云和水云表现在点聚图上是不同的两团点簇：斜率大于1的那些点是冰云，斜率小于1的那些点是水云；斜率接近于1则是混合云场。参考了Ackerman和Menzel等人的研究成果［6，8，10］，本文使用实际接收到的EOSTerra卫星MODIS通道2（

8、98.400～8.700）、通道31（10.780～11.280）、通道32（11.770～µmµm12.270µm）的辐射亮温资料（分辨率均为1km）进行相态分析，综合流程如下：①先对通道29，31，32亮温资料作5×5的平均，算得