基于NPP卫星资料的云顶和云底高度反演研究

【摘要】：Suomi NPP是美国国家极轨业务环境卫星系统NPOESS预备项目的首颗星。上面携带的可见光红外成像辐射仪VIIRS是对AVHRR与MODIS的继承与发展。因此,分析和试验它在云参数方面的反演效果十分必要。利用卫星资料反演云顶高的方法有红外窗区通道(11μm)反演法、CO2薄片法、立体观测法、暗影法等几种反演方法。针对VIRRS没有15μm CO2吸收通道的情况,采用改进的红外窗区通道法进行反演。根据红外辐射传输公式分析11μm通道亮温与云参数、卫星几何参数以及地表参数的关系,可以得出随着光学厚度增大辐射率减小并趋于云顶黑体亮温对应辐射值;随着云有效粒子半径增大辐射率逐渐减小并趋于一致;随着云顶温度减小辐射率逐渐减小等结论。再利用SBDART模式建立不同云光学厚度、有效粒子半径、地表温度、卫星天顶角及云顶温度下11μm通道辐射率变化情况的查找表数据作为准备。其次,针对云相态不同造成的算法差异进行分类,对于水云,采用上述11μm通道辐射率查找表方法,将对应像素点地表温度、VIIRS云光学厚度、有效粒子半径产品等进行代入,根据实际观测的11μm通道辐射率进行多次插值,得到云顶温度。在云顶高计算中,计算出云顶温度后需要与大气廓线进行对比,确定云层高度。通常采用与卫星过境时刻前后两个时次的数值预报大气廓线进行时间插值得到的廓线进行计算。而本文利用NPP卫星携带的跨轨扫描红外探测仪Cr IS,利用双重回归反演法,得到与VIIRS匹配的有云条件下的实时大气廓线,再将云顶温度与大气廓线进行对比,得到云顶高度。而针对冰云,利用水汽修正的亮温法计算云顶高度。借鉴MODIS计算云底高的思路,根据云的光学特性进行云厚的参数化,分别得到水云与冰云的云几何厚度,再与云顶高相减,得到云底高。最后,根据实测数据与不透明云、半透明云、透明云三种典型云状较为接近的云图,采用上述方法计算云顶高度与云底高度,并与Cloudsat探测结果进行对比,结果表明本文所用方法明显优于传统的亮温廓线法,并且由于空间分辨率高,具有较好的实用意义。