星載測雨雷達(dá)和測云雷達(dá)探測的夏季高原云和降水特征研究.pdf

1、云和降水在氣候變化中具有重要意義，使用衛(wèi)星多儀器多通道聯(lián)合觀測云和降水已經(jīng)成為當(dāng)前大氣遙感和氣候變化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。青藏高原通過熱-動力作用，對區(qū)域氣候變化具有極大影響，被稱為全球氣候變化的“驅(qū)動機(jī)與放大器”，研究高原云和降水具有重要意義。同時(shí)，不同類型的云和降水形成的熱-動力過程和微物理過程不同，因此，針對青藏高原不同類型的云和降水特征進(jìn)行研究，可以更好地理解高原云和降水形成的熱-動力和微物理過程，為模式提供參考依據(jù)，提高模式預(yù)報(bào)的準(zhǔn)

2、確性。
　　本文利用熱帶測雨衛(wèi)星(TRMM)搭載的測雨雷達(dá)(PR)和可見光/紅外掃描儀(VIRS)1998-2012年的融合資料，研究了青藏高原夏季不同類型降水的水平分布、光譜信號、垂直結(jié)構(gòu)和日變化特征，以及各類型降水之間的關(guān)系。同時(shí)，借助CloudSat-CALIPSO的云層分類，在氣候尺度上考察不同云層類型云量的分布、垂直結(jié)構(gòu)、微物理特征和云輻射等屬性上的定量差異，并分析了相應(yīng)的大氣環(huán)境特征以及白天和夜晚云分布的不同。論文還研

3、究了不同地形下降水的水平分布、光譜信號、垂直結(jié)構(gòu)、大氣環(huán)流和日變化特征，揭示了地形對降水的影響。論文主要取得的結(jié)論如下:
　　1.深厚降水和淺薄降水的氣候特征
　　夏季高原降水主要以深厚弱對流降水為主(67.8％)，淺薄降水次之(26.4％)，深厚強(qiáng)對流降水出現(xiàn)最少(5.8％)，相應(yīng)的條件降水強(qiáng)度分別為1.3，1.4和9.5mm/h，對高原總降水的貢獻(xiàn)分別達(dá)18.5％,51.2％和30.3％。不同云頂紅外輻射溫度的平均降水廓

4、線表明，深厚降水從回波頂高度至近地面高度均經(jīng)歷先增大，后減小的過程，而淺薄降水只有增大過程。深厚強(qiáng)對流和深厚弱對流降水頻次峰值均出現(xiàn)在16:00 LT(當(dāng)?shù)貢r(shí)，下同)，降水強(qiáng)度峰值分別出現(xiàn)在18:00 LT和13:00LT，其中深厚強(qiáng)對流降水強(qiáng)度在00:00 LT還出現(xiàn)次峰值。淺薄降水的降水頻次及強(qiáng)度峰值均出現(xiàn)在20:00 LT，呈現(xiàn)夜雨特點(diǎn)。深厚降水和淺薄降水云頂紅外輻射溫度日變化特征相似，最低值均出現(xiàn)在19:00 LT。研究還表明，

5、深厚強(qiáng)對流和深厚弱對流降水具有明顯的東移特征，其中深厚弱對流降水的東移特征更為明顯，而淺薄降水無明顯的東傳特征。
　　2.不同相態(tài)降水云的氣候特征
　　以云頂相態(tài)定義的青藏高原降水類型統(tǒng)計(jì)表明，夏季高原主體降水以冰相降水為主(43.01％)，其次是冰水混合相1型降水(38.85％)和冰水混合相2型降水(17.79％)，水相降水最少(0.35％)。各類型降水強(qiáng)度均較小，主要集中在0.5～2mm/h范圍內(nèi)?？臻g分布表明，冰相和冰

6、水混合相降水的頻次和強(qiáng)度均自高原西部向東部增加，而其降水回波頂高度自高原西、中部向東部降低。根據(jù)降水垂直廓線在不同高度上相對的穩(wěn)定斜率，各云頂相態(tài)云的降水垂直結(jié)構(gòu)均可以分為兩層:第一層從回波頂高度至近地面7.25 km高度，回波強(qiáng)度隨著高度的降低不斷增強(qiáng);第二層從7.25 km高度至近地面高度，回波強(qiáng)度隨著高度的降低逐漸減弱。降水日循環(huán)曲線表明，在高原西部，冰相降水和混合相降水頻次峰值均出現(xiàn)在16:00 LT附近，降水發(fā)展過程不顯著;在

7、高原中部和東部，冰水混合2型、冰水混合1型和冰相降水頻次的位相依次向后推移2小時(shí)，表明這些地區(qū)降水的發(fā)展過程顯著。且90°E以東地區(qū)，各類型降水位相自西向東依次向后推移，表明了對流系統(tǒng)自西向東傳播的過程。
　　3.云結(jié)構(gòu)氣候特征
　　夏季高原云覆蓋率高達(dá)86.79％,主要以單層云為主(56.86％)，雙層云次之(24.47％)，隨著云層數(shù)增加，云所占比例遞減。單層云相對高值區(qū)集中在高原北部，多層云整體呈東南向西北遞減的分布形

8、式。云頂最大高度約為17km，云概率在7.5 km高度達(dá)到最大。單層云的厚度大于多層云，且上層云的值一般小于下層云。單層云的各微物理量特征值（粒子數(shù)密度、云水含量和粒子有效半徑）大于多層云，上層云的值一般小于下層云，且各微物理量值均隨雷達(dá)反射率呈指數(shù)性增長。云的短（長）波輻射為加熱（冷卻）效應(yīng)，單層云的冷卻（加熱）效應(yīng)大于（小于）多層云。高原降水以液態(tài)降水為主，其次為固態(tài)降水，毛毛雨降水最少，且毛毛雨主要發(fā)生在多層云降水中。大氣垂直廓線

9、表明，中低層溫度越高，比濕越大，氣壓越高越有助于多層云的形成。云分布晝夜差異顯著，單層云白天所占的比例(62.99％)高于夜晚(51.00％)，而雙層云和三層云白天的比例均低于夜晚，表明多層云更易發(fā)生在夜晚，這與夜晚近地面比濕大和氣壓高有關(guān)。液態(tài)降水白天所占比例大于夜晚，而固態(tài)降水和毛毛雨則相反。
　　4.喜馬拉雅山陡峭地形上降水特征
　　本文利用1998-2012年5-8月的TRMM PR和VIRS融合數(shù)據(jù)研究了喜馬拉雅山

10、陡峭地形及其周邊區(qū)域，包括恒河平原(flat Gangetic Plains-FGP)、喜馬拉雅山山腳(foothills of Himalayas-FHH)、喜馬拉雅山陡坡(steep slope of southHimalayas-SSSH)和喜馬拉雅山-高原抬地(Himalayas-Tibetan Plateau tableland-HTPT)的降水特征，并結(jié)合ECMWF再分析資料，研究了相應(yīng)區(qū)域的大氣環(huán)流特征。研究結(jié)果表明，降水

11、頻次從FGP經(jīng)FHH顯著增加，在SSSH的2.5km高度處達(dá)到最大值，然后隨地形的繼續(xù)增加單調(diào)減小，最小值出現(xiàn)在HTPT。降水強(qiáng)度在FGP、FHH、SSSH和HTPT的值依次為4mm/h，5.5 mm/h，2～4 mm/h和低于2 mm/h。20 dBZ回波頂高度在FGP最高，達(dá)16km，然后依次為FHH(15.5km)，SSSH(14km)和HTPT(14 km)。同時(shí)，地形對降水云的云相態(tài)特征影響也較大。在FGP、FHH和HTPT，

12、60％以上的降水云頂是由冰粒子組成，然而在SSSH，70％以上的降水云頂是由冰水混合粒子組成。研究結(jié)果還表明在SSSH產(chǎn)生的強(qiáng)降水頻次和喜馬拉雅山地形抬升引起的強(qiáng)烈上升運(yùn)動密切相關(guān)。暖濕的洋面氣流在FHH被SSSH阻擋，在低層產(chǎn)生輻合，致使最強(qiáng)降水強(qiáng)度發(fā)生在FHH。代替地形高度，文中定義的地形指數(shù)與降水參量有顯著的線性關(guān)系，表明地形指數(shù)在復(fù)雜地形降水的分布中具有很好的指示意義。降水日變化空間分布呈現(xiàn)顯著的區(qū)域性差異，HTPT、FGP降水