文摘

地面的云网络测量是目前有限的,云微物理参数存在不确定性来源于地面测量。偏见在i-skyradiometer派生云光学深度( )和液滴有效半径( ),这些参数的重要性在云在气候模型的参数化让我们打算开发一个可能的方法来改善这些参数。新组合方法,该方法使用天顶天空透射率和表面辐射测量,提出了在目前的研究改善检索。i-skyradiometer派生参数 和 提供了第一个猜一个辐射传输模型(SBDART)和一个新的检索算法实现获取最佳组合的 和 最小偏差(−−0.09和2.5)的模拟全球和扩散通量之间的并置的表面表面辐射测量。新的检索方法得到了改善 和 使用透光率值相比派生只有方法和在良好的协议与MODIS卫星检索。因此研究显示可能改善i-skyradiometer派生的云参数使用观察辐射通量和辐射传输模型。

1。介绍

在数值天气预报中使用的主要挑战环流模型的代表性云和云相关的小规模的过程。许多云微物理参数,云光学深度( )和云滴有效半径( )是关键参数,确定云的辐射特性,如反射传播,和太阳辐射的吸收1]。云相关的次网格尺度过程的影响主要是参数化的这些大部分模型变量, 和 。然而,气候模型模拟差这些变量(2,3),但一个更好的表示 是至关重要的云微物理过程参数化数值天气预报和气候模型4,5]。稀疏观测的云微物理参数使用地面仪器和遥感方法进行改进使其更困难这些参数的模拟模型。尽管全球卫星检索提供云微物理特性,其粗使其空间和时间分辨率不足详细研究云微物理特性。因此,准确的地面测量的云微物理参数对本地和全球尺度很重要的验证卫星检索、气溶胶间接影响的估计,以及模型预测的改进(6]。

几种方法已经用于检索云光学特性测量使用地面和飞机。(7)派生 从飞机安装太阳能辐射测量的方法。这种方法的主要缺点包括有限的时间范围和增加的费用。检索云光学深度和有效的云分数使用地面测量天顶光辉所报道的8]。总路径衡量微波辐射计液态水也被用来获得 这个检索应用于手臂(大气辐射测量)数据获得 (9]。最近,(10)报道, 从AERONET检索(气溶胶机器人网络)天顶光辉观察440和870海里相比与手臂MFRSR multifilter旋转shadowband辐射计观测。

i-skyradiometer (POM-02)用于天网是一个独特的乐器,可以测量天顶透光率为1.6和2.2μ米波长相似的MODIS(中分辨率成像光谱仪),可以推出 和 同时进行。(11)相比 从i-skyradiometer检索渠道1.6和2.2μm 从雷达反射率仅检索、雷达反射率限制与微波辐射计(MWR)列液态水路径(LWP)和MODIS卫星和POM-02检索的偏见 而云雷达和MODIS的检索。他们的研究指向需要改善 和 来自i-skyradiometer。因此,本研究旨在提供一种新的方法来提高检索的 和 从i-skyradiometer (POM-02)使用辐射传输模型结合集中的地面测量全球和短波扩散通量。

2。数据和仪器

观测天顶天空透射率和全球扩散短波辐射通量进行了两站,(i)千叶(35.7°N, 139.7°E),在日本一个城市站点,和(2)希角(26.87°N, 128.25°E),海洋环境的天网(http://atmos.cr.chiba-u.ac.jp/)项目,12)用于本研究。云基地的研究还利用测量和顶部高度和透光率测量。在这项研究中,nonprecipitating水云基地被认为是低于2公里。千叶站,观察,在4月4天,5月和2007年7月,在科德希,10天在2月,3月,2008年4月,一直在考虑分析。

短波日射强度计(由Kipp和Zonen(模型CM21))被用来衡量全球辐射在千叶。它衡量全球辐射的光谱范围0.3 - 3.0μ米在一个平面,它直接和散射太阳辐射事件的结果从上面的半球的光谱灵敏度7 - 14所示μV / W / m2。没有自散射辐射在千叶在分析期间,全球太阳能辐射测量被用于这项研究。阴影日射强度计(由Kipp和Zonen(模型CM21))在一个材质球是用来测量扩散辐射角希。云基地和云顶山庄来自调频连续云毫米波雷达(FMCW);阈值的雷达反射率−15 dBZ用于选择nonprecipitating云。详细的技术描述FMCW雷达及其与单站95 GHz云雷达蜘蛛可以从[获得13]。

和 被检索的地面测量太阳辐射传输使用太阳/天空扫描辐射计叫i-skyradiometer (POM-02)。太阳POM /天空辐射仪是由Prede制造有限公司有限公司,隶属于东京亚太天网网络世界各地的真实气溶胶监测和卫星。它有一个狭窄的视野(1.2°),使测量在一些狭窄的光谱波段的紫外可见光和近红外光谱的一部分。POM包括一个专用的太阳跟踪器,可以跟随太阳直接辐射的测量,也可以让程序扫描整个天空离太阳的角度定义的。存在两个版本的POM天空辐射计,POM-01 POM-02。POM-01天空辐射仪使用单个探测器和一个旋转滤光轮测量辐射七狭窄乐队从0.315μ米至1.020μ米(0.315,0.4,0.5,0.675,0.87,0.940,和1.02μ米)。它连接到一台计算机运行操作软件为了使测量和存储数据。POM-02 POM-01的所有特征,但较长波长范围和第二光学系统砷化镓铟红外探测器。过滤器拥有11个波段,这样它可以测量天空光辉和透光率为1.02,1.6和2.2μ米的同时测定 和 从透射率测量,有必要采用吸收和nonabsorbing波长。在吸水的波长,水滴吸收更多的太阳辐射粒子增加的大小与nonabsorbing波长相比,吸收的太阳辐射少。在三个近红外波长(1.02、1.6和2.2μ1.02米),μ米被采用为nonabsorbing波长,而另两个是吸水的波长。天顶天空云透光率测量为1.02,1.6和2.2μ被用来推导 和 (1]。云的检索过程比较测量透光率从地面吸水和nonabsorbing波长与查表的透光率预先计算的平行平面,垂直均匀云使用辐射传输代码r-star4b(14]。检索算法的细节可在[1]。

i-skyradiometer是一种radiance-based乐器,最适合阴暗的条件;因此阴暗的情况下被认为是在这项研究中。天空条件的准确测定是可取的识别云类型和云覆盖。整个天空成像仪(WSI)是一个地面系统,使天空观测时间和空间分辨率。它提供了实时处理和显示白天天空条件使用常见的图像处理算法,估计云层的分数。WSI公司由一个网络摄像头,低头看着缓慢旋转镜有黑条挡住太阳辐照直接从相机。天空的图片是由本地计算机收集和加工成云层百分比数据。数字图像分析是基于红蓝色的比率,用于区分清楚和云像素(15]。WSI数据捕获每10分钟被用于选择云案例。图1显示了一个示例的云情况下选择4月4日,2008年在科德希,日本。此外,卫星测量的覆盖全球的唯一手段 和 。因此,提高检索的比较进行了MODIS (Terra) 2级产品,空间分辨率为1公里(MOD06)。片数据平均超过4公里的区域与实验站点为中心,而改进的检索。


图1
整个天空图像在2008年4月4日,在科德希,日本。

3所示。方法

评估从POM-02检索云微物理参数和一个新的检索过程提出了改进的检索 和 结合地面辐射测量。辐射传输模型,圣芭芭拉分校discrete-ordinate大气辐射传输代码(SBDART) [16),模拟全球和漫射表面太阳辐射通量和集中的表面辐射测量,被用于研究[17- - - - - -19]。SBDART的详细描述不确定性是可用的(20.- - - - - -22]。云的光学参数, 和 从i-skyradiometer检索被认为是第一个猜测SBDART模式(从skyradiometer检索)。此外,云底和顶部高度是从一个调频连续波云毫米波雷达(MMCR), MODIS列综合水汽,TOMS臭氧和气候值等温室气体有限公司2,CH4和N2O也约束作为输入到模型(16]。集成水蒸气气氛的一个重要组成部分,太阳辐射吸收率高。它对气溶胶光学厚度和表面辐照度的影响应考虑如果不同月份的数据混合在一起23]。由于复杂的全球温室气体的分布和缺乏这些参数,我们使用了默认值,这是独立的季节和地理位置。

全球和扩散通量的模拟SBDART模式(全球通量在千叶和扩散通量希角)与观察到的不同组合的通量 和 。引入了新的检索算法获取不同组合的云微物理参数。考虑到有一个低估 的初始值 已经增加到8μm的间隔1μ米,几项研究已经报道的阈值 少于12μm nonprecipitating云(24]。因为只有nonprecipitating云被认为是在这项研究中, 大于12μm是忽略了在每一步过程(25]。的 只有在执行计算前进的方向 值从POM-02(初始猜测)大多是发现在较低的范围内;同样的下限 SBDART模式2μm。然而,向前和向后一步已经执行了 20在一个时间间隔为2.5。早期的研究表明, 和 通过方程是相关的吗 (26), 是水的密度和LWC可以通过方程 (27), 是云深度。因此, 和 计算每一步完成后都要检查是否持有的参数关系, (提供的,从上面的方程26,27]。每一次迭代后,SBDART模拟短波全球和天空扩散通量的表面使用不同的组合 和 相比之下,观察到的通量和最佳的结合 和 ,它模拟了通量最小偏差与观测,被选为最准确的检索。一个流程图说明新的检索过程使用辐射传输模型,SBDART,如图2。


图2
流程图的新检索算法改进 和 。

4所示。结果和讨论

初始的检索 和 使用[从i-skyradiometer1)被用作第一个猜SBDART模拟短波通量(扩散和全球)表面和SBDART模拟全球的比较(在千叶)和扩散通量(超过希角)与观察是呈现在图3。它可以指出的图有很大的区别的观察和模型派生的初始通量(从最初的猜测值)在这两个地区。平均偏差模型中模拟通量被发现−11 Wm−2在千叶和8个Wm−2在科希而观察之间的相关系数和模型模拟初始通量得到0.79和0.92在千叶和希角,分别。大偏差表明有一个检索产品的不确定性 和 。

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图3
比较观测和模型模拟的流量使用的初始猜测 和 /(一)千叶(全球通量)和(b)希(扩散通量)。

在改进的检索算法,i-skyradiometer派生云光学特性( 和 )被用作第一个猜SBDART模式(图2),的结合 和 在模拟通量最小偏差被估计为最好的组合。通量的模拟辐射传输模型使用的最佳估计 和 在千叶和希角与观察(图显示良好的协议4)。改进的检索算法使得模拟通量的减少意味着偏见在千叶从11到−−2.5 Wm−2(全球)也在科德希从8 Wm−2−0.09 Wm−2(扩散)。改善之间的相关系数和观测通量增加到0.99和0.98在千叶和希角,分别。最好的估计的值 和 从新的检索方法是提高透光率的相比仅从POM-02检索获得。一个更好的改善了检索的比较 和 与初始检索可以从数据中获得5和6。的 检索从透光率方法(1)发现低相比改进检索(图5)。的增加提高了检索的 几乎是两倍,这是在良好的协议与雷达和卫星检索报告(11]。改进的检索, 值显示增加了8.4%在千叶(图希角和13%6)。

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图4
比较观测和模型模拟的流量使用的最佳组合 和 /(一)千叶(全球通量)和(b)希(扩散通量)。
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图5
最初的云滴有效半径和改进检索在千叶(a)和(b)科德希。
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图6
初始和改进检索云光学深度在千叶(a)和(b)科德希。

的检索 和 方法与卫星的检索和4例(两个从千叶站点(2007年4月11日、5月18日)和两个从好望角希站点(2008年4月,2月28日和10)给出的数字7和8,分别。的 派生的使用(1方法显示值,2和4之间μ米,远低于MODIS派生 ,6 - 11所示μm。改进的检索 从初始值(显示相当大的增加1]在所有情况下都站,3至12级μm(图7)。在所有的四天,卫星在上午10:30至天桥12日在网站和改进检索显示良好的协议与MODIS云在这些时间有效半径。比较改进的检索 进行了最初的派生和卫星 并提供在图8。在所有的四个案例中,的值 从改善检索方法发现和那些来自MODIS可比。在千叶站,MODIS派生 5月18日被发现是20。2007年。但取得的初始值(1)方法是低得多(14.5)和新的检索技术得到了改善 17.25,更接近MODIS派生值。然而,4月11日,2007年, 导出使用三种方法相当,MODIS和观察 派生的使用(1方法是在良好的协议,改进算法并没有做出任何初始值相当大的变化。新的检索方法得到了改善 在科德希站。2008年4月10日,MODIS派生 在科德希19岁和初始值是10。新的检索方法的增加 20,这是接近MODIS观察。尽管新的检索方法产生了相当大的改进 2008年2月28日,该方法不能提高 相当(图8)。

(一)
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图7
最初,改善和卫星派生的云滴有效半径千叶(4月11日和5月18日,2007)和角希(2008年4月,2月28日和10)。
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图8
最初,改善和卫星派生云光学深度千叶(4月11日和5月18日,2007)和角希(2008年4月,2月28日和10)。

进一步检索云微物理参数的灵敏度的错误观测通量用于改善初始猜测也进行了了解检索参数的鲁棒性。敏感性实验进行了观测通量通过引入的误差5%,发现它可以产生2.5个单位的检索一个错误 (常 ),而在 一个错误的2.0μ米可能发生(常数 )。相关的错误假设的垂直检索的不均匀性 使用菊池等。1)方法在2%以内,认为云光学深度可以得到准确的测量透光率(1]。我们的分析表明,POM-02派生 和 可以提高利用集中的辐射测量。这里提出的方法寻找最佳的组合 和 使用POM-02检索第一个猜想和辐射通量引用可用于改善POM-02检索,为精确的辐射通量观测在天网网站。

5。总结

云仍然是全球气候变化的不确定性研究的最大来源。有限使用地面仪器和观测卫星测量的课程解决添加更多的云微物理参数的估计和预测的不确定性。云中的偏差参数, 和 ,使用i-skyradiometer派生(一个独特的乐器,可以测量天顶天空透射率为1.6和2.2μ米波长,可以推出 和 同时)提供了一个很重要的技术改善这些参数。新组合方法,该方法使用天顶天空透射率和表面辐射(全球和扩散)测量,提出了改进的检索 和 。该方法使用辐射传输模型(SBDART)和i-skyradiometer派生 和 提供了第一个猜测。此外,一个新的检索方法实现获得的最佳组合 和 减少偏见之间的模拟全球和扩散通量与集中的表面表面辐射测量。

的 和 导出使用新的检索方法相比,显示相当大的改进参数派生的使用(1)法和瞬时值是在良好的协议与MODIS卫星观测。的新检索 所增加的大小 值3至12μ米,哪个更接近于MODIS派生 6 - 11μ米,而 派生的使用(1)方法是在2到4μm。MODIS卫星观测到的 位于15和30之间 导出使用改进的检索方法被发现接近MODIS观察相比,获得(1)方法。因此,我们的研究表明,POM-02派生 和 可以改善。检索方法表明POM-02派生 和 可以提高利用集中的辐射测量。事实上,这个结果也可能用于提高skyradiometer的检索算法更健壮的云检索,因此,更好的云参数特别是天网的检索;一个亚洲表面网络aerosol-radiation测量可以实现。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

印度热带气象研究所(IITM)和气候变化研究中心(CCCR)完全由中国地球科学(西红柿),印度政府。作者感谢天网CHAMMPS和科德希维护实验设施。作者还要感谢全球对地观测系统”(综合)和教育部,文化,体育,科学和技术(下边了),日本。美国Dipu欣然承认CSIR,印度政府为研究奖学金。g . Pandithurai承认日本社会促进科学奖学金(jsp)邀请。这项工作是由韩国国家研究基金会(NRF)通过韩国教育部提供的一笔赠款,科技(最高明的)2013(没有。200603874)。