基于多源极轨卫星资料的中国地区不同光学厚度下的冰云特性及气溶胶对其影响研究

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冰云对地球的辐射平衡至关重要。在大气污染加重,气候变暖得到证实的情况下冰云在气候变化中的作用仍然具有很大的不确定性。并且,气溶胶能够成为冰核,影响冰云的形成和发展,其分布与变化能够改变冰云的宏微观物理特征,从而间接的影响气候,但是气溶胶对冰云特性的影响效应尚不清晰。因此,本文首先利用CALIPSO和Cloud Sat协同反演产品DARDAR2013-2016年数据,分析了中国地区不同光学厚度下冰云的发生概率,水平和垂直方向的分布规律,季节变化及微物理特性差异。然后,本文将DARDAR冰云数据与MODIS气溶胶产品数据进行匹配,得到中国地区三年的气溶胶-冰云样本,分析气溶胶与冰云的关系。结果表明:我国冰云特性不仅有明显区域和季节变化特征,还与不同光学厚度所定义的冰云类型有关。中国区域主要发生薄冰云(0.03<τ<0.3)和不透明冰云(0.3<τ<3)较多,发生率高值区均在青藏高原地区。除不可见冰云(τ<0.03)外,其余类型冰云的主要发生高度会随着光学厚度的增加而降低。不同类型冰云的季节变化并不明显,但是夏季更容易出现有利于光学较厚(τ>3)冰云发生的条件。微物理特性方面,冰水含量明显随冰云类型的变化而变化,而冰云有效粒子半径与高度的关系比与光学厚度的关系更为密切。全国冰云光学厚度、冰水路径和冰云有效粒子半径等特性的平均值并不能代表区域内的冰云特征,由光学厚度定义的不同种类冰云的具体分析极为重要。气溶胶光学厚度冰云宏观特征的关系分析表明,随着气溶胶光学厚度变高,全国冰云的发生概率也得到增大。这种效应在中等以下气溶胶范围内较为明显(AOD<0.3),气溶胶达到跟高值时,又会对冰云的产生形成抑制作用,冰云发生概率不再敏感。受气溶胶影响,中国西北地区、北方地区、青藏高原地区冰云发生概率增高明显,南方地区变化最小。冰云的发生高度分布表明,相比于清洁条件,全国污染条件下高层冰云云量都有增加,其中青藏高原地区整体垂直云量变化不大,南方地区在8km以上的冰云云量增加,而8 km以下冰云云量发生减少。气溶胶与冰云特性的关系表明,在中低气溶胶负荷下,气溶胶对冰云光学厚度和冰水含量的影响尤为明显,中国各区域都表现出了明显的正相关。气溶胶对冰云有效粒子半径的影响更为复杂,水汽条件充足时,气溶胶增多对冰云粒子半径影响不大。水汽含量较低时,高值气溶胶会导致更多小粒径冰晶的产生,导致平均冰云粒子半径降低。相比清洁条件,我国西北地区,北方地区和青藏高原地区冰云的平均粒子半径变化不大,而南方地区随气溶胶值的增加,冰云有效粒子半径明显降低。
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