基于CloudSat/CALIPSO卫星资料的青藏高原云垂直结构和辐射效应的研究

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青藏高原地区的云对青藏高原和季风区的大气环流和水循环有着重要的影响。本论文首先将2006年4月至2013年12月间CloudSat/CALIPSO卫星资料的6套数据产品处理成水平分辨率为2.5°×2.5°,垂直分辨率为240米的格点日资料,研究了青藏高原地区云的垂直结构及其辐射效应;并利用原始轨道资料结合相同时段的3小时TRMM3B42(空间分辨率为0.25°×0.25°)降水资料研究了云的垂直结构与降水的关系;最后利用原始轨道资料探究了青藏高原深对流云系在高分辨率尺度下的垂直结构及辐射加热率的平均态分布和频谱分布。通过和毗邻的陆地和海洋地区相应的云和降水特征的比较,分析了青藏高原地区云和降水的独特性。论文的主要结论如下:  1.青藏高原地区的云具有独特的垂直结构和季节变化特征,大地形对云层厚度和层数有显著的压缩效应。云量在夏季(6-8月)呈现双峰型(分别位于5-8公里和11-17公里),冬春秋季节呈现单峰型(位于5-11公里)。由于受到高原的地形特征及对大气低层水汽供应的限制,青藏高原云层厚度和层数显著地被压缩,并且云中液滴和冰晶含量的大值中心所在高度更靠近,混合相云水含量的高值区出现在5-8公里。而高原以南印度以北的陆地区域和热带海洋地区云中液滴和冰晶含量的大值中心所在高度明显分离。从云的种类来看,青藏高原地区仅在7、8月份卷云出现频率最多,而其它月份出现频率最多的是高层云;对于同一种类云,青藏高原地区的云层厚度和液态水的垂直分布较薄,云中微物理结构更丰富。  2.青藏高原大地形对云垂直结构多样性和降水有限制作用。高原上云对总降水率的贡献随着云层数增多而减小,即单层云对总降水率的贡献最大,5层云对总降水率的贡献最小。与其它区域相比,青藏高原地区与不同降水强度相对应的云层实际总厚度和最上层云云顶高度及其变化范围都较小,显示高原大地形对云垂直结构多样性和降水的限制作用。对于同等强度的降水,在垂直方向上,高原上的液态水分布得更高,而固态水分布得更低,在4-8公里更容易出现尺寸较大的固、液态粒子。随着降水等级增大,固态粒子的尺寸增大并且空间分布得更均匀,但是高层固态粒子的数目仍然少于其它区域。随着降水等级增大,高原上更不容易出现较大尺寸或较多数浓度的液态粒子。  3.从青藏高原大气层底部和顶部看,云短波辐射效应均为冷却,而长波辐射效应为加热,净辐射效应为弱的冷却。但单就对整层大气而言,云对大气层的短波辐射效应为加热,尤其在春夏季节最强,并且具有很明显的区域独特性;同时云对大气层的长波辐射效应为冷却(约为-20 W/m2),不同于同纬度地区和热带地区,表现出了与中高纬地区相似的特征。  4.青藏高原上空云辐射效应呈现独特的垂直结构,突出表现为夏季青藏高原地区云的净辐射效应在8公里高度存在一个厚度仅1公里左右但较强的辐射冷却层,而在其下(4-7公里高度之间)为强的辐射加热层。这是由于青藏高原云中的液态水,尤其是混合相云中的液态水使得8公里左右长波辐射冷却和短波辐射加热都很显著,但是与短波加热相比,长波辐射冷却更强所致。  5.与热带海洋深对流区相比,夏季青藏高原深对流系统的水平覆盖面积较小,垂直厚度被显著地压缩;近地层的液态水含量较多,而高层固态水的含量较少,并且固态水含量的空间分布具有明显的非均匀性。随着深对流云系统空间的覆盖面积增大,高原上液态粒子数目和尺寸的空间分布趋于均匀。含有相同比例的深对流云时,青藏高原短波辐射加热和长波辐射冷却层都较厚,并且加热和冷却强度都强于热带海洋深对流区。此外,青藏高原深对流云系的水平覆盖面积在很大程度上调节着大气加热率的垂直分布。
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